高富水卵礫石地層熱物理參數(shù)試驗(yàn)研究*

李長(zhǎng)清 葉萬(wàn)軍 胡雙平 吳云濤 姚悟聞 魏 雄

(①重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045，中國(guó)) (②西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054，中國(guó)) (③中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710054，中國(guó))

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市發(fā)展與地面土地資源短缺的矛盾日益突出，開發(fā)利用城市地下空間資源成為目前城市發(fā)展的新方向，我國(guó)大中城市出現(xiàn)修建地鐵、地下商業(yè)綜合體、地下車庫(kù)以及地下綜合管廊的熱潮。在地下工程施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到高富水卵礫石和軟土等不良地質(zhì)，如果處理不好工程建設(shè)與不良地質(zhì)之間的關(guān)系就有可能發(fā)生災(zāi)難性后果，凍結(jié)法由于加固土體強(qiáng)度高、止水性能好且不占用地面場(chǎng)地，在城市地下工程施工中受到越來(lái)越多的應(yīng)用。南寧市軌道交通1號(hào)線一期工程民族大學(xué)站—清川站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道所處的地層為高富水卵礫石，施工方案采用凍結(jié)法施工，在凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)過(guò)程中高富水卵礫石熱物理參數(shù)是必須明確的指標(biāo)，高富水卵礫石熱物理參數(shù)包括起始凍結(jié)溫度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。本文以現(xiàn)場(chǎng)取回的試樣為研究對(duì)象，開展試樣起始凍結(jié)溫度試驗(yàn)、比熱容試驗(yàn)以及導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)，探究試樣熱參數(shù)與各自影響因素之間的相互作用關(guān)系。

在巖土體熱物理參數(shù)方面目前的研究成果主要集中在地表土壤熱參數(shù)與影響因素之間的關(guān)系(王衛(wèi)華等，2013；陳西平等，2014；張樂(lè)樂(lè)等，2016)、凍土熱參數(shù)測(cè)量計(jì)算方法(王麗霞等，2007；周家作等，2016；陳之祥等，2017)、含水率與干密度對(duì)黃土熱參數(shù)的影響(董西好等，2017)以及溫度對(duì)黃土熱參數(shù)的影響(董西好等，2017)等方面。在大粒徑試樣物理性質(zhì)研究方面目前的研究主要集中在粗粒土抗剪強(qiáng)度(徐永福，2018)、不同含水量的碎石土與樁的相互作用關(guān)系(劉俊鵬等，2018)、碎石土斜坡土體水平抗力分布規(guī)律(陳繼彬等，2018)以及碎石土的滲透性(齊俊修等，2017)等方面。米美霞等(2014)以沙黃土為研究對(duì)象探究地表覆蓋對(duì)土壤熱參數(shù)的影響，通過(guò)11針熱脈沖研究在不同覆蓋條件下(裸土、石子、秸稈)土壤熱擴(kuò)散率、熱容量和熱導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程以及土壤熱參數(shù)與水分的內(nèi)在聯(lián)系；周家作等(2016)分析了線熱源法測(cè)量?jī)鐾翢釁?shù)中存在的問(wèn)題，得到凍土中未凍水含量隨溫度的變化是線熱源法產(chǎn)生誤差的根本原因，通過(guò)試驗(yàn)研究得到當(dāng)溫度低于-4i℃時(shí)線熱源法測(cè)量的熱參數(shù)才能滿足一定的精度要求；陳之祥等(2017)根據(jù)飽和凍土的三相組成，對(duì)基于導(dǎo)熱系數(shù)的凍土未凍水含量反演公式進(jìn)行了推導(dǎo)，計(jì)算結(jié)果可以提升凍土溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)精度和減少熱參數(shù)測(cè)試工作量；董西好等(2017)采用Hot Disk TPS 2500S型熱常數(shù)分析儀，探究含水量、干密度對(duì)黃土熱參數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明較試樣干密度而言含水率是影響黃土熱參數(shù)的主要因素。

目前關(guān)于巖土體熱物理參數(shù)的研究成果較少，需要進(jìn)一步開展研究工作。測(cè)試巖土體熱物理參數(shù)目前較成熟的儀器是Hot Disk熱常數(shù)分析儀，測(cè)試原理是基于瞬變平面熱源法，測(cè)量時(shí)儀器要求試樣尺寸較小，然而本文的研究對(duì)象為大尺寸卵礫石樣，Hot Disk熱常數(shù)分析儀難以完成測(cè)試工作。基于此本文采用自制試驗(yàn)裝置，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)中提供的方法步驟，量測(cè)高富水卵礫石樣的起始凍結(jié)溫度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，探究起始凍結(jié)溫度與試樣含鹽量的關(guān)系，比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)與試樣凍結(jié)溫度之間的關(guān)系，研究成果對(duì)富水卵礫石地層凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，為類似地層熱物理參數(shù)估算提供參考。

1 試驗(yàn)方案及原理

在南寧市廣西民族大學(xué)校門大學(xué)路和清川大道交匯處通過(guò)鉆孔取樣，取樣深度13～28im，高富水卵礫石試樣物理性質(zhì)指標(biāo)見表 1，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的卵礫石樣進(jìn)行篩分，篩分曲線見圖 1。

表 1 高富水卵礫石試樣物理性質(zhì)指標(biāo)Table1 Physical properties of high water-rich gravel samples

含水量w/%天然密度ρ/g·cm-3干密度ρd/g·cm-3孔隙比e試樣比重Gs飽和度Sr/%13.92.191.920.4152.7191.2

圖 1 試樣篩分曲線Fig. 1 Sample sieving curve

1.1 起始凍結(jié)溫度試驗(yàn)

地層中水分結(jié)冰需要經(jīng)歷過(guò)冷、跳躍、恒定和遞降4個(gè)階段，凍結(jié)過(guò)程中地層溫度首先降到凍結(jié)溫度之下，稱為過(guò)冷階段，此時(shí)試樣中部分水分形成很小的分子集團(tuán)，該分子集團(tuán)就是結(jié)晶中心(生長(zhǎng)點(diǎn))；由于試樣內(nèi)部溫度低于冰點(diǎn)，使得試樣中水分開始大量結(jié)冰，并釋放大量潛熱，使得試樣內(nèi)部溫度突然升高，出現(xiàn)跳躍階段，此時(shí)結(jié)晶中心生長(zhǎng)成為稍大一些的團(tuán)粒-晶核；試樣中水分結(jié)冰速度趨于穩(wěn)定，試樣內(nèi)部溫度趨于穩(wěn)定，此時(shí)團(tuán)粒-晶核結(jié)合、生長(zhǎng)，產(chǎn)生冰晶，此階段為試樣中水分大量結(jié)冰階段，此時(shí)的溫度稱為起始凍結(jié)溫度；當(dāng)?shù)貙油耆珒鼋Y(jié)時(shí)，地層溫度不斷下降。測(cè)量試樣起始凍結(jié)溫度的實(shí)質(zhì)就是量測(cè)試樣內(nèi)部團(tuán)粒-晶核結(jié)合、生長(zhǎng)，產(chǎn)生冰晶時(shí)的溫度，該階段溫度保持恒定。試驗(yàn)設(shè)備主要有零溫瓶、低溫瓶、熱電偶、電位差計(jì)、試樣杯等(圖 2、圖3)。試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)量測(cè)零溫瓶與試樣內(nèi)部的電位差，通過(guò)下式換算得到試樣內(nèi)部實(shí)時(shí)溫度，然后繪制時(shí)間-溫度圖，圖中的穩(wěn)定段即為試樣起始凍結(jié)溫度。

式中：T表示試樣內(nèi)部溫度(℃)；V表示電位差計(jì)讀數(shù)(μν)；K熱電偶系數(shù)(℃·μν-1)。

圖 2 起始凍結(jié)溫度測(cè)量裝置示意圖Fig. 2 Schematic figure of initial freezing temperature measuring device

圖 3 起始凍結(jié)溫度測(cè)量裝置圖Fig. 3 Initial freezing temperature measuring device

卵礫石地層中水分結(jié)冰受到卵礫石顆粒間表面能、水分中礦物含量等因素的制約，地層中的礦物成分、顆粒級(jí)配、含水量、水分含鹽量、壓力以及孔隙分布等因素都會(huì)影響地層起始凍結(jié)溫度。本文探究試樣起始凍結(jié)溫度與試樣含鹽量的關(guān)系，試樣通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取回的卵礫石試樣、蒸餾水、氯化鎂、氯化鈣配置。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)資料，制備A、B兩組平行試樣減少試驗(yàn)誤差，每組3個(gè)試樣分別記為A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3，每組1號(hào)試樣含鹽量為二價(jià)離子 30img·L-1、一價(jià)離子60img·L-1，氯化鎂和氯化鈣質(zhì)量比為1︰3，每組2號(hào)樣含鹽量二價(jià)離子 65img·L-1、一價(jià)離子200img·L-1，溶液由氯化鎂配制，每組3號(hào)樣含鹽量二價(jià)離子90img·L-1、一價(jià)離子 230img·L-1，氯化鎂和氯化鈣質(zhì)量比為2.76︰1。通過(guò)試驗(yàn)探究試樣起始凍結(jié)溫度與含鹽量的關(guān)系，試驗(yàn)步驟如下所述：

(1)按照原始級(jí)配配置試樣，試樣與鹽水充分混合后放入試樣杯中，保證試樣均勻密實(shí)的充滿整個(gè)試驗(yàn)杯，將熱電偶測(cè)溫端插入試樣中心并密封試樣杯。

(2)在零溫瓶中放入直徑小于2icm的純凈水冰塊，然后將純凈水倒入零溫瓶中，冰塊與水面相平，確保冰塊大量存在，當(dāng)冰塊融化后要及時(shí)補(bǔ)充，使得瓶中溫度保持0i℃，放入熱電偶零溫端。

(3)在低溫瓶中倒入直徑小于2icm用氯化鈉、氯化鎂和氯化鈣混合溶液制備的冰塊，然后倒入同濃度的氯化鈉、氯化鎂和氯化鈣混合溶液，冰塊與水面相平，確保冰塊大量存在，當(dāng)冰塊融化后要及時(shí)補(bǔ)充。

(4)將封好底內(nèi)裝 5icm干砂的塑料管插入低溫瓶?jī)?nèi)，把試樣杯放入塑料管中，確保試樣杯中的試樣上表面在液面以下，保證熱交換順利進(jìn)行，把熱電偶低溫端放入試樣內(nèi)。

(5)將熱電偶測(cè)量端與電位差計(jì)相連，每分鐘測(cè)量一次熱電勢(shì)，觀察測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)熱電勢(shì)突然減小并連續(xù)3次穩(wěn)定在某一數(shù)值，記錄該數(shù)值，換算出此數(shù)值對(duì)應(yīng)的溫度即為卵礫石地層的起始凍結(jié)溫度，試驗(yàn)結(jié)束。

1.2 比熱容試驗(yàn)

試驗(yàn)步驟如下所述：

(1)記錄試樣凍結(jié)溫度T1、測(cè)出試樣質(zhì)量mx。

(2)擦凈量熱器內(nèi)筒，然后給量筒內(nèi)倒入高出室溫20～30i℃質(zhì)量為m0的水，然后迅速將量熱器蓋好，保證熱量不會(huì)損失，然后插入溫度計(jì)與攪拌器并不斷攪動(dòng)攪拌器，每1分鐘讀取1次溫度，測(cè)量8次數(shù)據(jù)，最后一次測(cè)量數(shù)據(jù)記為T2，然后進(jìn)入下一試驗(yàn)環(huán)節(jié)。

(3)將凍土樣放入量熱器內(nèi)，蓋好杯蓋，保證熱量不會(huì)損失，然后不斷攪動(dòng)攪拌器，使熱水與凍結(jié)試樣充分混合，每15is記錄一次溫度，兩分鐘后每隔1imin記錄一次，共計(jì)16次，最后一次測(cè)量數(shù)據(jù)記為T3，試驗(yàn)結(jié)束整理數(shù)據(jù)。

(4)根據(jù)下式計(jì)算不同凍結(jié)溫度下卵礫石地層的比熱容：

圖 4 比熱容試驗(yàn)試樣與裝置圖Fig. 4 Figure of specific heat capacity test samples and devicea. 未加水、未凍結(jié)試樣圖；b. 加水凍結(jié)后試樣圖；c. 量熱器結(jié)構(gòu)圖

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定的傳熱條件下，1im厚的材料當(dāng)兩側(cè)表面的溫差為1i℃時(shí)1is內(nèi)通過(guò)1im2面積所傳遞的熱量，本文采用穩(wěn)態(tài)法中的比較法測(cè)量卵礫石地層導(dǎo)熱系數(shù)。比較法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)原理為：根據(jù)一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)的傅里葉方程計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，具體是在同一穩(wěn)定的一維熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)內(nèi)，把導(dǎo)熱系數(shù)已知的石蠟與待測(cè)地層凍結(jié)樣串聯(lián)疊加在一起，由于石蠟與樣品在同一溫度場(chǎng)內(nèi)，所以當(dāng)熱流由熱端流向冷端時(shí)，經(jīng)過(guò)石蠟、待測(cè)地層凍結(jié)樣熱流量、熱流速率相同，由一維穩(wěn)定傅里葉方程可知石蠟、試樣的導(dǎo)熱系數(shù)與兩者端面溫差具有倒數(shù)比例關(guān)系(見下式)，在試驗(yàn)時(shí)只需測(cè)量試樣兩端、石蠟兩端的溫度差即可根據(jù)石蠟導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算待測(cè)樣導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)原理見圖5。

制備E、F兩組平行試樣減少試驗(yàn)誤差，試樣通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取回的卵礫石試樣、蒸餾水、氯化鎂配置，溶液離子含量與C、D組相同，每組試樣5個(gè)，分別記為E1、E2、E3、E4、E5、F1、F2、F3、F4、F5，每組1號(hào)樣在-6i℃下凍結(jié)，每組2號(hào)樣在-8i℃下凍結(jié)，每組3號(hào)樣在-10i℃下凍結(jié)，每組4號(hào)樣在-12i℃下凍結(jié)，每組5號(hào)樣在-14i℃下凍結(jié)，試樣及石蠟各面溫度通過(guò)銅-康銅熱電偶、電位差計(jì)測(cè)量換算得到，換算公式如下：

式中：T為帶測(cè)面溫度(℃)；V為熱電動(dòng)勢(shì)(μν)；K為熱電偶系數(shù)(℃·μν-1)。

圖 5 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)原理圖Fig. 5 Schematic diagram of thermal conductivity test

試驗(yàn)試樣與裝置見圖6，試驗(yàn)步驟如下所述：

(1)將待測(cè)樣裝入試樣盒，確保試樣均勻密實(shí)充填在整個(gè)試樣盒中，試樣在設(shè)計(jì)溫度下凍結(jié)，凍結(jié)完成后取出進(jìn)行試驗(yàn)。在試樣盒兩端覆蓋銅板，并將兩個(gè)熱電偶放置在試樣盒兩端銅板中心位置，固定牢固。

(2)將石蠟放置在另一試樣盒內(nèi)，將熱電偶放置在石蠟盒下表面銅板中心位置。

(3)將凍結(jié)試樣、石蠟串聯(lián)傾倒放置，凍結(jié)試樣盒在左、石蠟盒在右，然后給凍結(jié)試樣、石蠟端部安裝高低溫水浴盒。試樣盒、石蠟盒、銅板、水浴盒緊密接觸，確保熱流穩(wěn)定順利傳導(dǎo)。

圖 6 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)試樣與裝置圖Fig. 6 Thermal conductivity test samples and devicea. 未加水、未凍結(jié)試樣圖；b. 石蠟盒；c. 加水凍結(jié)后試樣圖；d. 凍結(jié)試樣、石蠟連接示意圖；e. 試驗(yàn)時(shí)凍結(jié)試樣、石蠟放置位置圖；f. 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

(4)覆蓋3層保溫隔熱材料，由保溫棉、氣凝膠氈隔熱棉、保溫棉組成，其中氣凝膠氈隔熱棉是目前已知固體中導(dǎo)熱系數(shù)最低的材料。

(5)接通測(cè)溫系統(tǒng)。

(6)設(shè)定高低溫水浴溫度(低溫水浴設(shè)置為-25i℃，高溫水浴設(shè)置為-10i℃)，開動(dòng)循環(huán)水浴。

(7)水浴溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后繼續(xù)運(yùn)行8ih，然后開始測(cè)溫，確保高低溫水浴溫度恒定，每隔10imin測(cè)定一次待測(cè)試樣、石蠟兩側(cè)壁面的溫度，并記錄。

(8)每點(diǎn)測(cè)量換算出溫度差值連續(xù)3次小于0.1i℃時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 起始凍結(jié)溫度試驗(yàn)

圖 7～圖9為A、B兩組1、2、3號(hào)樣溫度-時(shí)間散點(diǎn)擬合圖，圖 10為1、2、3號(hào)試樣平均起始凍結(jié)溫度圖，表 2為試驗(yàn)成果表。

圖 7 A、B兩組1號(hào)試樣凍結(jié)溫度-時(shí)間散點(diǎn)擬合圖Fig. 7 Fitting plot of freezing temperature-time dispersion for No.1 specimens in A and B groups

表 2 A、B兩組試樣起始凍結(jié)溫度成果表Table2 Results of initial freezing temperature for two sets of samples A and B

試樣編號(hào)含鹽量/mg·L-1起始凍結(jié)溫度/℃平均起始凍結(jié)溫度/℃一價(jià)離子二價(jià)離子A-16030-0.45-0.460B-16030-0.47A-220065-0.90-0.925B-220065-0.95A-323090-1.10-1.150B-323090-1.20

散點(diǎn)圖擬合方程如下所示，相關(guān)系數(shù)(R-Square)=0.9612。

式中：y為試樣內(nèi)部溫度(℃)；x為時(shí)間(s)；y0、A1、A2、t1、t2為與試樣、試驗(yàn)條件等有關(guān)的參數(shù)；y0=21.9、A1=-12.4、t1=11.8、A2=-12.4、t2=11.8。

圖 8 A、B兩組2號(hào)試樣凍結(jié)溫度-時(shí)間散點(diǎn)擬合圖Fig. 8 Fitting plot of freezing temperature-time dispersion for No.2 specimens in A and B groups

散點(diǎn)圖擬合方程如下所示，相關(guān)系數(shù)(R-Square)=0.970i79。

式中：y為試樣內(nèi)部溫度(℃)；x為時(shí)間(s)；y0、A1、A2、t1、t2為與試樣、試驗(yàn)條件等有關(guān)的參數(shù)，y0=22.38、A1=-12.69、t1=11.3、A2=-12.69、t2=11.32。

圖 9 A、B兩組3號(hào)試樣凍結(jié)溫度-時(shí)間散點(diǎn)擬合圖Fig. 9 Fitting plot of freezing temperature-time dispersion for No.3 specimens in A and B groups

圖 10 1、2、3號(hào)試樣平均起始凍結(jié)溫度圖Fig. 10 The average freezing temperature chart for specimens 1，2 and 3

散點(diǎn)圖擬合方程如下所示，相關(guān)系數(shù)(R-Square)=0.9671。

式中：y為試樣內(nèi)部溫度(℃)；x為時(shí)間(s)；y0、A1、A2、t1、t2為與試樣、試驗(yàn)條件等有關(guān)的參數(shù)，y0=21.4、A1=-12.8、t1=12.6、A2=-12.8、t2=12.6。

由圖7～圖9、表2可知A-1起始凍結(jié)溫度為-0.45i℃，B-1起始凍結(jié)溫度為-0.47i℃，A-2起始凍結(jié)溫度為-0.90i℃，B-2起始凍結(jié)溫度為-0.95i℃，A-3起始凍結(jié)溫度為-1.10i℃，B-3起始凍結(jié)溫度為-1.20i℃。對(duì)比每組1、2、3號(hào)試樣可以明顯看出隨著含鹽量的升高起始凍結(jié)溫度下降，1、2、3號(hào)試樣平均起始凍結(jié)溫度從-0.46i℃下降到-1.15i℃，分析原因：試樣中水分凍結(jié)受到多種因素的影響，不僅受到土顆粒表面的吸附作用，而且還受到自身鹽溶液的影響-溶膠、凝膠等膠結(jié)作用以及離子的吸附、交換、置換和擴(kuò)散等作用。在卵礫石-水體系中，易溶鹽的加入勢(shì)必會(huì)改變?cè)嚇又械淖饔昧?，試樣中水分的凍結(jié)是氫鍵的結(jié)合，添加的易溶性鹽是一種離子化合物，它對(duì)氫鍵的破壞力較強(qiáng)，因此混入易溶性鹽會(huì)破壞氫鍵之間的結(jié)合，使水變得更難凝固。水中有了鹽離子，試樣顆粒表面上的水有一部分被鹽占據(jù)，造成了水的蒸氣壓下降，隨著含鹽量的升高，試樣中水分的蒸氣壓不斷下降，而試樣中水分結(jié)冰時(shí)要求冰的蒸氣壓小于等于水的蒸氣壓，因此需要更低的溫度，釋放更多的能量才能讓冰的蒸氣壓小于等于水的蒸氣壓，此時(shí)液態(tài)水才會(huì)發(fā)生水-冰相變。隨著試樣含鹽量升高，卵礫石試樣中自由水要達(dá)到凍結(jié)狀態(tài)所需釋放的能量更大、溫度更低，造成卵礫石試樣隨著試樣含鹽量升高起始凍結(jié)溫度不斷降低。

2.2 比熱容試驗(yàn)

表 3為C、D兩組試樣不同凍結(jié)溫度下比熱容成果表，圖 11為試樣比熱容隨凍結(jié)溫度的變化規(guī)律，圖 12為不同凍結(jié)溫度下試樣平均比熱容擬合曲線。

表 3 試樣不同凍結(jié)溫度下比熱容成果表Table3 Specific heat capacity of samples at different freezing temperatures

試樣凍結(jié)溫度/℃C組試樣比熱容/J·(g·℃)-1D組試樣比熱容/J·(g·℃)-1平均比熱容/J·(g·℃)-1-61.611.581.60-81.461.371.42-101.251.191.22-121.151.121.14-141.081.031.06

圖 11 試樣比熱容隨凍結(jié)溫度的變化規(guī)律Fig. 11 Variation of specific heat capacity of samples with freezing temperature

圖 12 不同凍結(jié)溫度下試樣平均比熱容擬合曲線Fig. 12 Fitting curves of average specific heat capacity of samples at different freezing temperatures

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

表 4為E、F兩組試樣不同凍結(jié)溫度下導(dǎo)熱系數(shù)成果表，圖 13為試樣導(dǎo)熱系數(shù)隨凍結(jié)溫度的變化規(guī)律，圖 14為不同凍結(jié)溫度下試樣平均導(dǎo)熱系數(shù)擬合曲線。

表 4 不同凍結(jié)溫度下試樣的導(dǎo)熱系數(shù)成果表Table4 Thermal conductivity of samples at different freezing temperatures

試樣凍結(jié)溫度/KE組試樣導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1F組試樣導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1平均導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1-61.771.651.710-81.851.811.830-101.981.951.965-122.072.032.050-142.152.112.130

圖 13 試樣導(dǎo)熱系數(shù)隨凍結(jié)溫度的變化規(guī)律Fig. 13 Variation of thermal conductivity of samples with freezing temperature

圖 14 不同凍結(jié)溫度下試樣平均導(dǎo)熱系數(shù)擬合曲線Fig. 14 Fitting curves of mean thermal conductivity of samples at different freezing temperatures

熱傳導(dǎo)指的是物質(zhì)內(nèi)部分子、原子和自由電子等微觀粒子由于熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，使能量由一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。熱傳導(dǎo)的機(jī)理非常復(fù)雜，并受多種因素影響，簡(jiǎn)而言之，非金屬固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)是通過(guò)相鄰分子在碰撞時(shí)傳遞分子振動(dòng)能實(shí)現(xiàn)的，傳遞的分子振動(dòng)能越多熱傳導(dǎo)的能量也就越多。隨著凍結(jié)溫度的降低，試樣中水分大量結(jié)冰，造成試樣中含冰量增加，未凍水含量減小，隨著凍結(jié)溫度的升高，試樣中冰融化成水，造成試樣中含冰量減少，未凍水含量增大(0i℃水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.55 W·(m·K)-1，0i℃冰的導(dǎo)熱系數(shù)為2.22W·(m·K)-1，由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的導(dǎo)熱系數(shù)，致使卵礫石試樣隨著凍結(jié)溫度的下降導(dǎo)熱系數(shù)不斷上升，由1.71 W·(m·K)-1增加到2.13W·(m·K)-1。

3 結(jié) 論

在凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)過(guò)程中高富水卵礫石熱物理參數(shù)是必須明確的指標(biāo)，高富水卵礫石熱物理參數(shù)主要包括起始凍結(jié)溫度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，本文以現(xiàn)場(chǎng)取回的卵礫石樣為研究對(duì)象，對(duì)試樣開展起始凍結(jié)溫度試驗(yàn)、比熱容試驗(yàn)以及導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)，探究試樣熱參數(shù)與各自影響因素之間的相互作用關(guān)系，現(xiàn)得結(jié)論如下：

(1)采用自制試驗(yàn)裝置探究試樣含鹽量與起始凍結(jié)溫度的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著含鹽量的升高試樣起始凍結(jié)溫度下降，1、2、3號(hào)試樣平均起始凍結(jié)溫度從-0.46℃下降到-1.15℃。