季節(jié)凍土區(qū)纖維改良路基土熱物理學特性研究

夏明海，秦子鵬，王澤成，李棟偉，季 安，何 錦，呂向兵，李 成

(1.伊犁哈薩克自治州奎屯河流域水利工程灌溉管理處，新疆 奎屯 833200；2.浙江水利水電學院水利與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018；3.東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；4.中核華泰建設有限公司，廣東 深圳 518055；5.新疆生產建設兵團第七師水利工程管理服務中心，新疆 奎屯 833200)

0 引 言

高速鐵路的迅速發(fā)展，引發(fā)人們對季節(jié)性凍土區(qū)的關注。由于季節(jié)性凍土區(qū)晝夜溫差大、氣溫正負交替、水文地質與工程地質等復雜因素，導致路基極易發(fā)生凍脹，對高速鐵路的建設和運行造成很大的影響[1-4]。我國是凍土資源最豐富的國家之一，僅次于俄羅斯和加拿大，在全球范圍內位列第三。而季節(jié)性凍土是我國最主要的凍土類型之一，在我國的東北、西北、華北等高緯度地區(qū)均有季節(jié)性凍土，占全國總面積的53.5%，其中凍土深度在1.5 m以上在季節(jié)性凍土中占有37%[5-6]。季節(jié)凍土區(qū)的鐵路設施會改變空氣與大地之間的熱交換條件及水熱傳遞的方式，使路基在運營過程中會逐漸積累熱量，路基土溫度升高進而導致季節(jié)性凍土融化，造成道路的病害問題[7-8]。無論是凍脹還是融沉過程的研究都會涉及土體溫度場的分析，而土中溫度隨時間的變化是土中熱量傳遞的外在表現(xiàn)，故而溫度問題可以當作是熱量傳遞問題[9-10]。

季節(jié)凍土區(qū)工程施工中，導熱系數(shù)對于凍土及建筑材料是十分重要的物理參數(shù)[11-12]，代表土體的導熱能力，凍土中熱量的傳播速度及溫度場的分布都由其決定[13-14]。陳之祥等[15]以溫度、干密度、含水率等因素為變量，研究其對凍土導熱系數(shù)的影響，分析凍土導熱系數(shù)存在的誤差及原因，提出了修正凍土導熱系數(shù)測試結果的方法。崔福慶等[16]搭建了多種導熱系數(shù)測試方法及測試平臺，運用理論模型測試量進行估算，從測試結果準確性、適用土性類別等多方面對各類測試方法進行了對比。甄作林等[17]采用熱常數(shù)分析儀進行凍土導熱系數(shù)的測試，探討了含水率和干密度對砂土導熱性能的影響，并對砂土的導熱系數(shù)理論預測進行分析。段妍等[18]采用熱探針法進行室內試驗，測試不同含水率對砂土以及黏土的導熱系數(shù)的影響，采用最小二乘法對其進行擬合，驗證導熱系數(shù)與含水率之間的關系，最終發(fā)現(xiàn)導熱系數(shù)與含水率之間呈線性關系。

對于凍土區(qū)路基來說，揭示其導熱特性及影響規(guī)律，對路基熱工設計及預防措施有極大的參考價值[19-20]。為此，本文以西部地區(qū)某鐵路路基典型土樣——粉砂土為研究對象，采用瞬態(tài)熱線法對土樣的導熱系數(shù)進行室內測試，分析不同影響因素對路基導熱系數(shù)的影響規(guī)律，為凍土區(qū)路基熱傳導率的測量提供參考。

1 土的基本物理性質

1.1 試驗材料

本文室內試驗所用土樣取自我國西部某季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基，深度為10～15 m，將取回的土進行前期處理，對土樣進行烘干并碾碎，進行顆粒分析、比重、液塑限、最優(yōu)含水率及最大干密度試驗。其最大干密度為2.01 g/cm3，最優(yōu)含水率為10%，天然含水率為4%，相對密度為2.67，天然孔隙比為0.423。

1.2 試樣制備

室內試驗纖維改良粉砂土的制備方法如下：①預估每個試樣所需要的土量；②將已烘干粉碎的備用土樣取500 g放入盆中；③按照設計纖維摻入量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)向盆中加入纖維；④按照設定初始含水率加入純水并繼續(xù)攪拌，為防止手動攪拌不均勻，用攪拌機攪拌均勻；⑤將攪拌好的土放在室內進行標準養(yǎng)護放置12 h，再進行制樣。為盡量減小因纖維攪拌均勻度不同而導致試驗誤差，制作試樣時首先將干土與纖維攪拌均勻后再加水攪拌。

2 導熱系數(shù)測試

2.1 試驗儀器

試驗測試儀器選用西安夏溪電子科技有限公司自主研發(fā)的瞬態(tài)熱線法導熱系數(shù)儀TC3000E，見圖1。該儀器導熱系數(shù)測試范圍為0.005～10 W/(m·K)，使用溫度范圍為-60～120 ℃。在主頁面設定好相應參數(shù)即可進行測量。試樣采用靜壓壓制法，測試過程中，將探頭放置在2個相同樣品中間，見圖2。

圖2 導熱系數(shù)現(xiàn)場測量

2.2 試驗設計

為研究含水率w、纖維摻入量x、干密度ρd及凍融循環(huán)次數(shù)n這4種因素對改良粉砂土導熱系數(shù)的影響，設置4組試驗方案，見表1。

表1 導熱系數(shù)試驗設計方案

制作樣品時，將粉砂土置于培養(yǎng)箱中干燥，直至恒重，稱量出各因素所需質量的粉砂土、纖維及純凈水，先用攪拌器對粉砂土和纖維進行均勻攪拌，再把不同質量水均勻噴到混合物上，用保鮮袋密封24 h，配制目標含水率6%、8%、10%、12%、14%的試樣。取出土樣，按規(guī)定的試樣體積、密度、含水量等指標，將所配好的混合土稱出相應質量放入模具內，利用小型壓力機對其進行靜力壓實，達到規(guī)定的干密度后，靜置2 min，再進行脫模和標號。樣品的尺寸為圓柱形，直徑62 mm，高20 mm，每組制作3組平行試樣，并以兩對交叉方式進行測量，計算出平均值，以此來確定試件的導熱系數(shù)。

3 結果分析

本試驗只考慮常溫條件(即融土)、低溫條件(即-10 ℃凍土)狀態(tài)下的含水率w、干密度ρd、纖維摻量x以及凍融循環(huán)次數(shù)n對改良粉砂土導熱系數(shù)λ的影響，忽略土體本身的結構和構造對導熱系數(shù)的影響。試驗研究和分析均采用控制變量法。

3.1 含水率影響下導熱系數(shù)變化規(guī)律

常溫、低溫條件改良粉砂土含水率與導熱系數(shù)的關系見圖3。從圖3可知，在干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨含水率的增大呈非線性增長。常溫條件下，含水率在6%～14%范圍內，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸增大，從0.39 W/(m·K)增長到1.25 W/(m·K)。

圖3 改良粉砂土含水率與導熱系數(shù)的關系

低溫條件下，含水率6%～14%范圍內，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸增大，從0.47 W/(m·K)增長到1.32 W/(m·K)。此外，當土體中的含水率低于12%時，土體的導熱系數(shù)增加的速率較含水率大于12%時要高，這是因為土體中的含水量增加使單位質量土體中的固體顆粒相對減少，從而導致改良粉砂土的導熱系數(shù)增加緩慢。當含水率增加到某一值時，土體中的導熱系數(shù)會趨于某一固定值。相同條件下，凍土的導熱系數(shù)大于常溫土，其原因為常溫土為三相體系，即空氣、水以及固體顆粒，而凍土為四相體系，即空氣、未凍水、冰及固體顆粒，冰的導熱系數(shù)近似為水的4倍，且冰在土體中有膠結作用，使凍土的導熱系數(shù)大于常溫土。

常溫下聚丙烯纖維的導熱系數(shù)為0.22～0.25 W/(m·K)，水的導熱系數(shù)為0.54 W/(m·K)，空氣的導熱系數(shù)為0.026 7 W/(m·K)，冰的導熱系數(shù)為2.22 W/(m·K)。含水率的增加使土體內部孔隙內水所占的比重增大，致使本存在于孔隙內的空氣被水所取代，土顆粒之間由于水膜的出現(xiàn)，使得顆粒之間的接觸熱阻減小，從而在一定范圍內，隨著含水率的增加，導熱系數(shù)值變大，但兩者之間的這種關系僅限土體內孔隙未完全被水取代，含水率增大到一定時，導熱系數(shù)的變化不會受此影響，這就是所謂的“液橋”效應[21-22]。

當水分含量較低時，熱量傳播的主要方式是固-固、固-氣和氣-氣傳遞。當水分含量增加，土體孔隙內氣體逐漸被水所替代，因為水的導熱系數(shù)更高，孔隙之間的熱交換從氣-氣傳遞向液-氣和液-液傳遞轉化，從而提高了土體的導熱系數(shù)；另一方面，在土體顆粒表面會形成一層薄薄的水膜，該水膜有利于相鄰土體顆粒間的熱傳導，隨著水分含量的增大，薄膜厚度增大，從而提高了導熱系數(shù)。

3.2 干密度影響下導熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土干密度與導熱系數(shù)的關系見圖4。從圖4可知，在其他因素相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨干密度的增大而增大，且呈指數(shù)增長。常溫條件下，干密度在1.6～2.0 g/cm3范圍內，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸增大，從0.45 W/(m·K)增長到1.38 W/(m·K)。低溫條件下，干密度在1.6～2.0 g/cm3范圍內，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸增大，從0.62 W/(m·K)增長到1.87 W/(m·K)。隨著干密度的增加，單位體積內的土體中固體顆粒的含量增加，而土體中的空氣和水的含量相對減少，固體顆粒接觸更為緊密，導致熱量通過氣體傳遞方式減少，更多通過傳熱途徑更為便利的固體骨架固-固以及孔隙內流體與固壁間的固-液方式擴散，因此導熱系數(shù)隨干密度增大而明顯提高。此外，混合材料干密度相同時，隨著含水率的增大，孔隙內氣體進一步減少，熱量傳遞方式更加趨向于固-液、液-液傳遞，從而使導熱系數(shù)進一步增大。眾所周知，固體的導熱系數(shù)>液體的導熱系數(shù)>氣體的導熱系數(shù)，所以隨著干密度的增加，改良粉砂土的導熱系數(shù)增大。

圖4 改良粉砂土干密度與導熱系數(shù)的關系

3.3 纖維摻量影響下導熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土纖維摻量與導熱系數(shù)的關系見圖5。從圖5可知，在其他因素相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨纖維摻量的增大而線性減小。常溫條件下，纖維摻量在0～0.3%范圍內，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸減小，從1.05 W/(m·K)減少到0.59 W/(m·K)。低溫條件下，纖維摻量在0～0.3%范圍內，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸減小，從1.3 W/(m·K)減少到0.6 W/(m·K)。這是因為纖維摻入增加了土的內部孔隙率，從而導致土內部封閉空間逐漸增多，又因為空氣的導熱系數(shù)遠比土的導熱系數(shù)低得多，導致土的導熱系數(shù)逐漸下降。因此，摻入纖維能提高改良粉砂土的保溫隔熱性能，從而達到減少凍脹的效果。

圖5 改良粉砂土纖維摻量與導熱系數(shù)的關系

3.4 凍融循環(huán)影響下導熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土凍融循環(huán)次數(shù)與導熱系數(shù)的關系見圖6。從圖6可知，在含水率、干密度以及纖維摻量相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而線性減小。常溫條件下，凍融循環(huán)次數(shù)為0～7次時，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸減小，從0.93 W/(m·K)減小到0.48 W/(m·K)。低溫條件下，凍融循環(huán)次數(shù)為0～7次時，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸減小，從1.01 W/(m·K)減小到0.72 W/(m·K)。

在凍結過程中，水轉變?yōu)楸?，體積增加11%，土體顆粒由于受到外力的影響而發(fā)生運動，增加了土體的孔隙率，減少了顆粒間的接觸面積。第1次凍結后，土壤中的冰晶溶解，土顆粒被抬升，而隨著凍融次數(shù)的增多，首次出現(xiàn)的冰晶將不能再對孔隙進行重新填充，從而影響到孔隙的結構。因此，在第1次凍融后，導熱系數(shù)減小，但在凍融循環(huán)中，水分仍是影響熱傳導系數(shù)的重要因素。

4 結 語

本文以西部地區(qū)某鐵路路基典型土樣——粉砂土為研究對象，基于凍融循環(huán)條件下，對不同含水率、干密度、纖維摻量改良粉砂路基土的導熱系數(shù)進行了研究，得出以下結論：

(1)不同的含水率、干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)對路基改良粉砂土的導熱系數(shù)的影響不同。冰的導熱系數(shù)近似是水的導熱系數(shù)的4倍，當其他影響因素都相同時，凍土的導熱系數(shù)明顯大于常溫土。

(2)在干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨含水率的增大呈非線性增長，且當含水率超過12%時，增長速率減小。試驗范圍內，導熱系數(shù)為0.39～1.32 W/(m·K)。在含水率、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨干密度的增大呈指數(shù)增長，且當干密度超過1.9 g/cm3時，增長速率減小。試驗范圍內，導熱系數(shù)為0.45～1.87 W/(m·K)。

(3)在含水率、干密度以及凍融次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨纖維摻量的增大而線性減小，試驗范圍內，導熱系數(shù)為0.59～1.3 W/(m·K)。纖維的摻入可有效提高粉砂土的熱工性能。在含水率、干密度以及纖維摻量相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而線性減小，試驗范圍內，導熱系數(shù)為0.48～1.01 W/(m·K)。