溫控軟土地基模型試驗(yàn)裝置研發(fā)及其應(yīng)用

鄧岳保, 陳 菲, 劉 銓, 王天園, 劉干斌

(寧波大學(xué) 巖土工程研究所, 寧波 315211 )

溫度作為自然界中一個基本物理量，與時(shí)間、長度等有著相同的地位。研究不同溫度下材料的物理力學(xué)特性，是當(dāng)今材料學(xué)科的一個熱點(diǎn)。在巖土工程領(lǐng)域，傳統(tǒng)工程活動涉及范圍內(nèi)巖土體的溫度場變化幅度通常較小，溫度影響可以忽略。但隨著地?zé)峁こ?、核廢料填埋工程、垃圾填埋工程、熱相關(guān)的軟基處理技術(shù)等的興起，溫度場在巖土工程學(xué)中的重要性益發(fā)彰顯[1-3]。例如在地?zé)峁こ讨?，由于地埋管的換熱作用，使得熱交換管與周圍土體間的傳熱和熱平衡過程成為其關(guān)鍵技術(shù)問題之一[4]。熱排水固結(jié)法是近年來提出并逐漸引起關(guān)注的一種軟基處理方法[5]，該法在傳統(tǒng)豎向排水井技術(shù)基礎(chǔ)之上通過對地基進(jìn)行加熱、改善豎井周圍土體的固結(jié)性狀，達(dá)到加速軟基固結(jié)的目的。又如在我國東南沿海地區(qū)，建有大量地鐵、地下建筑等，地鐵車輛和設(shè)備等的散熱對周圍場地的影響以及潛在的爆炸引起的高溫-高壓-滲流耦合作用，是軟土城區(qū)地下工程防護(hù)設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的問題[6]。

實(shí)際上，處于一定自然環(huán)境下的巖土體都會受到應(yīng)力場、滲流場、溫度場等的綜合作用。溫度對土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響非常復(fù)雜，它包括孔壓和溫度梯度的變化、礦物顆粒組成成分及熱膨脹性能變化、土的滲透性變化、壓縮和強(qiáng)度特性隨溫度的變化等多個方面的內(nèi)容[7-9]。為了研究巖土體在多場耦合作用下的力學(xué)特性，國內(nèi)外學(xué)者在常規(guī)土工試驗(yàn)儀基礎(chǔ)上，開展了諸多溫控試驗(yàn)裝置的研制和應(yīng)用。Mitchell等[10]于1963年將壓力室置于充滿高溫氣體腔體中(由外接恒溫箱控制氣體溫度)，并通過熱水循環(huán)控制試樣溫度，首次開展了飽和粘土的溫控固結(jié)壓縮試驗(yàn)。隨后，Demars等[11]、Cekerevac等[12]、Kuntiwattanakul等[13]、Bruyn等[14]、Abuel-Naga等[15]通過水浴加熱或電熱線圈加熱來控制試樣溫度，研制了不同的溫控三軸儀，研究了不同溫度方式對土體力學(xué)特性的影響。Sultan等[16]改進(jìn)了GDS三軸儀，將加熱線圈置于壓力室罩的外壁，并由電熱偶控制壓力室溫度。國內(nèi)對溫控土工試驗(yàn)設(shè)備的研制相對較晚，陳正漢等[17]于2005年將常規(guī)三軸儀臺架與壓力室置于一個電熱恒溫箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了溫控三軸試驗(yàn)的目標(biāo)。白冰等[18]研制了一種用于飽和土圓柱形試樣的溫控固結(jié)壓力室系統(tǒng)。蔡國慶等[19]在土樣上下兩端設(shè)置環(huán)形筒狀電熱板研制了溫控非飽和土三軸試驗(yàn)裝置。凌道盛等[20]通過設(shè)置相互獨(dú)立的控溫環(huán)，設(shè)計(jì)了一種分段式環(huán)向控溫非飽和土土柱試驗(yàn)裝置，可以開展不同溫度梯度試驗(yàn)。薛強(qiáng)等[21]也設(shè)計(jì)了一種溫控土柱試驗(yàn)裝置，該裝置通過加熱制冷浴槽來調(diào)控溫度。高江平等[22]和童森杰等[23]對傳統(tǒng)的杠桿式固結(jié)儀進(jìn)行了不同的改進(jìn)，得到了溫控固結(jié)儀。另外，張凌凱等[24]、劉干斌等[25]、孔綱強(qiáng)等[26]分別設(shè)計(jì)了溫控?zé)o側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)裝置、溫控靜動三軸試驗(yàn)裝置和能量樁樁-土界面摩擦測試裝置。上述溫控設(shè)備研發(fā)主要集中在單元體試驗(yàn)，如固結(jié)壓縮儀、三軸儀和無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)儀等；相對來說，溫控模型試驗(yàn)裝置研究較少。2015年，劉干斌等[27]設(shè)計(jì)研發(fā)了一種豎井排水固結(jié)模型試驗(yàn)裝置，其特點(diǎn)是利用水循環(huán)加熱器和地基中預(yù)先設(shè)置的U型管對地基土進(jìn)行加熱。該裝置可較好的對模型地基進(jìn)行加熱，但內(nèi)置剛性換熱管在地基模型中起著樁基的作用，使得地基模型的力學(xué)特性研究變得復(fù)雜。

受試驗(yàn)儀器設(shè)備的制約，國內(nèi)關(guān)于軟黏土地基溫度特性的研究還非常少。為此基于上述考慮，擬在吸收國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)之上，聯(lián)合試驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家，設(shè)計(jì)兩套帶升溫裝置的模型試驗(yàn)設(shè)備，并通過溫度測試試驗(yàn)選用較有優(yōu)勢的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研制一套適用于軟土地基的溫控模型試驗(yàn)系統(tǒng)。并利用該系統(tǒng)開展軟土地基溫控固結(jié)模型試驗(yàn)，觀測孔壓，沉降隨時(shí)間的變化，分析溫度對軟土地基的影響。

1 溫控軟土地基模型試驗(yàn)裝置研發(fā)

1.1 試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

溫控模型試驗(yàn)裝置由模型桶(箱)、加載系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)組成，各部分分述如下：

(1)模型桶采用圓桶結(jié)構(gòu)，尺寸滿足試驗(yàn)要求；模型桶材料采用300系列的鉻-鎳奧氏體不銹鋼，具有防銹性能好、耐高溫等特點(diǎn)；模型桶側(cè)壁能承擔(dān)土體及加荷以后的側(cè)向土壓力，桶壁強(qiáng)度和變形通過了核驗(yàn)。

(2)加載方式采用杠桿式加壓，即通過在杠桿端部懸掛砝碼吊籃進(jìn)行加載。杠桿為工字鋼，杠桿比1:12。加載系統(tǒng)還包括設(shè)置在模型地基頂部的承壓板、軸壓計(jì)、千斤頂和反力架。承壓板直徑略小于模型桶內(nèi)徑，厚度為12 mm；承壓板上按一定間隔設(shè)有個排水孔，其目的是使模型地基中的水能從砂墊層中自由排出。軸壓計(jì)量程為10 t，換算后作用于地基上的壓力測量精度約為1 kPa。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)包括百分表(或位移傳感器)、溫度傳感器、孔壓傳感器及其讀數(shù)裝置。百分表設(shè)置在地基頂部，溫度傳感器和孔壓傳感器埋設(shè)在地基內(nèi)部，分別用于監(jiān)測沉降、溫度和孔壓發(fā)展變化情況。其中，孔壓傳感器量程為0.3 MPa，溫度傳感器測試范圍為0 ～ 120 ℃。

(4)溫控系統(tǒng)是溫控土工試驗(yàn)設(shè)備研制關(guān)鍵。從文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，已有溫控土工試驗(yàn)儀的加熱方式主要有3種：① 土樣內(nèi)部加熱模式：采用加熱線圈、加熱棒、加熱板等對土體直接加熱。該法可以較好地達(dá)到試驗(yàn)溫度要求，但容易導(dǎo)致試樣溫度不均。② 土樣周圍加熱模式：在土樣容器外圍纏繞線圈或循環(huán)熱水(水浴)對容器內(nèi)的土體加熱，即通過外罩傳熱使容器內(nèi)的土體溫度升高。該法使試樣達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間較長，但試樣溫度較為均勻。③ 壓力室置于恒溫箱(室)內(nèi)模式。該法只需將常規(guī)試驗(yàn)儀器置于一個高溫環(huán)境即可，省去了溫控儀器研制過程，但是建立溫控實(shí)驗(yàn)室的費(fèi)用較高，對儀器各元件耐溫性要求高。綜上可見，不同的加熱模式有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。對于本文大尺寸模型地基而言，方案三的可行性較小。為此，提出將熱源設(shè)置在模型內(nèi)和模型外的兩種方案。

1.2 地基模型內(nèi)部加熱方案

該方案在模型桶內(nèi)部設(shè)置螺旋式加熱絲，實(shí)現(xiàn)在地基內(nèi)部對土體進(jìn)行加熱，如圖1所示。模型桶直徑0.4 m、桶高0.6 m、壁厚6 mm。螺旋加熱絲通過定位桿預(yù)先固定在模型桶內(nèi)(定位桿的端部為螺紋狀，通過正、反旋轉(zhuǎn)可與模型桶底板連接或脫開)。地基土分層填筑，定位桿逐漸往上撥。當(dāng)軟土地基填筑完畢后，定位桿被完全撥出，螺旋加熱絲則留在模型地基中。螺旋加熱絲與電源連接后即可進(jìn)行加熱，且可以調(diào)節(jié)和控制溫度。

2-a 示意圖 2-b 實(shí)物圖圖2 地基外圍加熱試驗(yàn)裝置Fig.2 Test system with external heating equipment

1.3 地基模型外圍加熱方案

該方案采用熱水循環(huán)儀對桶壁加熱，如圖2所示。模型桶為鋼制雙層空腔式結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)儲水。熱水循環(huán)儀加熱空腔內(nèi)的水，進(jìn)而對桶壁加熱。模型桶內(nèi)桶尺寸與前者相同，外桶較內(nèi)桶在高度和直徑上分別增加5 cm和10 cm。內(nèi)桶頂部距離外桶上邊緣5 cm處用環(huán)形鋼板與外桶進(jìn)行焊接。鋼板上對稱開2個直徑2.5 cm圓口，并焊接高5 cm的螺紋鋼管。該鋼管連接水熱循環(huán)儀的進(jìn)水口和出水口。模型桶底部鋼板開有通水槽，桶外圍黏貼隔熱的錫紙和厚海綿保溫材料。該裝置保留了一般模型桶試驗(yàn)裝置原有的功能，可以開展常溫和升溫試驗(yàn)，還可以開展不同溫度路徑和應(yīng)力路徑的模型試驗(yàn)。水熱循環(huán)溫控儀可分段、分級、線性加熱升溫及降溫，試驗(yàn)過程中根據(jù)試驗(yàn)條件可以控制加溫-降溫開始時(shí)間，并對溫度進(jìn)行控制。

1.4 溫度測試比較

對兩種加熱模式下地基中溫度場的分布和發(fā)展進(jìn)行了測試。試驗(yàn)土體為重塑軟土，含水量設(shè)置為液限(飽和流塑狀態(tài))。模型地基厚度為40 cm。填筑過程中，在預(yù)定位置埋設(shè)了3個溫度傳感器，即T1、T2和T3。傳感器位置居于模型地基中軸線，距離地基頂部分別為5 cm、 20 cm和35 cm。地基頂部設(shè)置10 cm的中粗砂墊層。待整個模型地基填筑完畢后，施加1 kPa壓力進(jìn)行預(yù)壓。1周后，沉降基本穩(wěn)定；開啟熱源，加載溫度設(shè)置為60 ℃。圖3所示為兩種加熱方案24 h的溫度測試結(jié)果。

圖3-a所示為內(nèi)加熱方案測試結(jié)果。由圖可知：在螺旋絲開始加熱后，模型地基中的溫度迅速上升；加熱12 h后，傳感器溫度上升趨勢減弱，表明地基中溫度基本達(dá)到穩(wěn)定；加熱24 h后，地基不同深度處的溫度穩(wěn)定在46～58℃之間。由于土體上部排出的水及整個桶壁在加熱后溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)設(shè)定溫度，導(dǎo)致土體上下部分溫度高于土體中間。

圖3-b所示為外加熱方案測試結(jié)果。由圖可知：在熱水循環(huán)儀開始升溫后，模型地基中的溫度隨即開始上升，但上升速度相比于內(nèi)加熱方案慢；加熱11 h后，傳感器溫度上升趨勢較之前增強(qiáng)；加溫20 h后，溫度上升趨于平緩，表明地基中溫度基本達(dá)到穩(wěn)定；加熱24 h后，地基不同深度處溫度穩(wěn)定在54～58℃；地基中的溫度梯度明顯，即溫度隨深度減小而降低，該現(xiàn)象由于溫度荷載作用后，地基中的水均被加熱(水溫50℃左右)。砂墊層和承壓板上方的熱水，對地基的起到了一定的保溫作用。

兩者對比：① 前者儀器簡單，但操作較復(fù)雜；后者空腔式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，熱水循環(huán)儀的運(yùn)行成本相對較高。② 從安全性來說，前者加熱源與土體直接接觸，存在燙傷和漏電危險(xiǎn)；后者對水進(jìn)行加熱，熱源穩(wěn)定，相對安全。③ 從測試效果來說，前者加熱絲周圍土體干燥，加熱不均勻，地基中的溫差較大；后者水浴加熱，熱源穩(wěn)定，地基中的溫度分布規(guī)律性明顯，整個地基中的溫差較小。④ 螺旋絲設(shè)置在土體中，存在加筋作用，對地基整體的力學(xué)特性造成一定影響；后者對地基無干擾影響。由此，外圍水浴加熱雖然結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、成本相對高，但從可操作性、安全性和測試效果方面具有明顯優(yōu)勢。

2 溫控軟土地基模型試驗(yàn)裝置應(yīng)用

采用地基模型外圍加熱方法來開展溫控軟土地基模型試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)過程

(1)模型地基填筑。試驗(yàn)土體為寧波城區(qū)典型軟黏土(第四層土)。天然狀態(tài)下的基本指標(biāo)如下：密度1.737 g/cm3；天然含水量42.2 %；顆粒比重2.72；天然孔隙比1.227；液限43.8 %；塑限19.6 %。模型地基填筑之前，將其含水量粗略控制在45 %(大于液限)。然后，將飽和流塑狀軟土分兩層填筑，單層土樣虛高25 cm。地基填筑完畢后，放置帶孔蓋板，并通過砝碼施加1 kPa的壓力進(jìn)行預(yù)壓。一周后，沉降基本穩(wěn)定(沉降量8.5 cm)。

圖4 監(jiān)測儀器布置示意圖Fig.4 Layout diagram of monitoring equipments

(2)儀器埋設(shè)。模型地基預(yù)壓完成后，揭開蓋板，按預(yù)設(shè)位置埋設(shè)溫度計(jì)(3個)和孔壓計(jì)(3個)，孔壓傳感器量程為0～0.3 MPa，誤差0.02 MPa，工作溫度為15～80℃；溫度傳感器量程為0～120℃，誤差為±0.05%F.S，如圖4。砂墊層鋪設(shè)在軟黏土地基之上，厚度為10 cm。然后，放置帶孔蓋板，并在蓋板之上對稱位置架設(shè)兩個百分表(量程50 mm)，靜置一晚。

(3)分級加載-加溫。正式加載之前，記錄溫度計(jì)、孔壓計(jì)和百分表的讀數(shù)，作為初始值。然后，對地基模型進(jìn)行分級加載和加溫，如圖5所示。圖6所示為荷載與溫度加載情況。其中：2.5 kPa、12.5kPa和25 kPa均持續(xù)2 d；50 kPa的壓力維持到試驗(yàn)結(jié)束；溫度荷載(60℃)在第12天施加，維持9 d；第21天卸除溫度荷載，即關(guān)閉熱水循環(huán)儀，去除模型桶外保溫材料。

2.2 測試結(jié)果

圖7所示為溫度變化情況，由圖可知：溫度施加后，地基中溫度迅速上升；經(jīng)過16 h的加溫后，地基中的溫度基本穩(wěn)定；在60 ℃的加載溫度作用下，模型地基中不同位置處的溫度在55～58.7 ℃之間；不同位置處的溫度差不大。

圖5 溫控軟土地基模型試驗(yàn)Fig.5Temperaturecontrolledmodeltest圖6 溫度和荷載Fig.6Loadingandtemperature圖7 溫度傳感器測試結(jié)果Fig.7Resultoftemperature

圖8所示為超靜孔壓發(fā)展時(shí)程曲線(超靜孔壓為孔壓計(jì)監(jiān)測值扣除初始孔壓值)。由圖可知：① 荷載施加后，超靜孔壓迅速上升，至峰值后先迅速下降然后逐漸下降；各級加載后的孔壓峰值均接近該級加載壓力。② 溫度荷載施加后，超靜孔壓迅速上升，至峰值后迅速下降，下降趨勢較加載情況更快；溫度從常溫(20 ℃左右)增加到60 ℃(約40 ℃的溫差)引起了65 kPa的超靜孔壓增量。③ 溫度荷載卸除后，超靜孔壓有一個明顯的下降(2～6 kPa)。當(dāng)模型地基中的溫度回歸常溫后，整個地基的超靜孔壓消散趨勢較之前進(jìn)一步減緩。

沉降時(shí)程曲線如圖9所示。由圖可知：各級加載后，地基沉降迅速增加，隨著時(shí)間的延續(xù)沉降速率減緩；溫度荷載施加后，模型地基首先產(chǎn)生了較小的回彈(回彈量約0.3 mm)，然后沉降速率增大并逐漸減緩；降溫過程中，沉降速率變化不明顯。

圖8 超靜孔壓發(fā)展變化過程 圖9 沉降時(shí)程曲線Fig.8 Result of excess pore water pressure with time Fig.9 Result of surface settlement with time

2.3 分析及討論

(1)溫度分析。外圍水浴加熱方式是四周和底面加熱，地基頂部無溫度荷載。但是，在經(jīng)歷4級加載后，承壓板上方有明顯的水排出；在溫度荷載作用后，地基中的水均被加熱(水溫50℃左右)。砂墊層和承壓板上方的熱水，對地基的起到了一定的保溫作用。因此，整個地基中的溫度差不大。

(2)超靜孔壓發(fā)展分析。① 升溫過程中孔壓迅速增大，超靜孔壓超過了地基上覆壓力。升溫導(dǎo)致的孔壓增量值與排水條件密切相關(guān)；排水條件越好，孔壓值上升越??；若完全不排水，則如同在密閉空間施加溫度，孔隙水受熱膨脹，孔壓將劇增(孔壓上升值理論上存在一個極值)。② 孔壓達(dá)到峰值后迅速消散，其速率快于加載引發(fā)的孔壓消散。究其原因：一方面，孔壓梯度增大使得排水速率加快；另一方面，溫度升高后，水的粘滯系數(shù)減小，土的滲透性增加，孔壓消散速率加快。③ 溫度荷載卸除后，超靜孔壓值下降，這與土體材料的熱脹冷縮性質(zhì)有關(guān)。

(3)沉降分析。① 溫度升高瞬間沉降由三方面組成：一是荷載(50 kPa)引起的固結(jié)沉降；二是加熱瞬間土體產(chǎn)生的膨脹；三是升溫引起的超靜孔壓來不及消散，地基中的有效應(yīng)力為負(fù)，導(dǎo)致地基回彈。耦合溫度的地基瞬時(shí)變形即為這三者的共同作用結(jié)果；若土體膨脹回彈量大于土體固結(jié)沉降量，地基整體上表現(xiàn)為回彈。② 模型地基經(jīng)歷溫度荷載作用后，軟土固結(jié)系數(shù)增大(壓縮模量較初始時(shí)刻增大；升溫使得土的滲透系數(shù)提高)，因而在溫度荷載作用下軟土地基固結(jié)沉降速率增加。③ 土體加熱后，變形性狀宏觀上表現(xiàn)為壓縮性增大，即溫度對地基的最終沉降量有一定影響。

3 結(jié)語

(1)在梳理已有研究基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了兩種溫控軟土地基模型試驗(yàn)裝置，即螺旋式電熱絲對地基土內(nèi)部進(jìn)行加熱和利用熱水循環(huán)加熱模型桶壁的地基外圍加熱方式。通過試驗(yàn)對比了兩種方法的可操作性和加熱效果，發(fā)現(xiàn)后者操作方便且溫度控制效果良好，實(shí)現(xiàn)了溫控裝置研發(fā)的目標(biāo)。

(2)采用外圍加熱方式對本地區(qū)典型軟土開展了熱排水固結(jié)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)荷載施加后，超靜孔壓迅速上升然后逐漸下降；溫度從常溫增加到60℃引起了約65 kPa的超靜孔壓增量；溫度荷載卸除后，超靜孔壓明顯回落。沉降方面，溫度升高瞬間土體沉降發(fā)生變化，模型地基在升溫后首先產(chǎn)生了小的回彈，然后沉降速率增大并趨于穩(wěn)定；降溫對沉降速率影響不明顯。

(3)熱排水固結(jié)模型試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果證明了溫度對地基沉降及孔壓有一定的影響，但其作用機(jī)理及如何用理論進(jìn)行解釋，仍需進(jìn)一步研究。

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