王 偉

(長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院，長春 130021)

凍土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法對(duì)比研究

王 偉

(長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院，長春 130021)

采用熱線法和熱流計(jì)法分別對(duì)粉質(zhì)黏土的凍土試樣和融土試樣進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測定。兩種試驗(yàn)結(jié)果均反映出導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率增大而增大，隨干密度增大而增大的變化規(guī)律。通過回歸分析得出導(dǎo)熱系數(shù)受含水率的影響明顯大于干密度的影響。將兩種試驗(yàn)方法所得結(jié)果進(jìn)行比較，并進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。兩種試驗(yàn)方法中，熱線法所得導(dǎo)熱系數(shù)更大，而試驗(yàn)方法的不同對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值影響十分顯著。在實(shí)際工程中進(jìn)行溫度場模擬和熱工計(jì)算時(shí)，需要選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法獲取數(shù)據(jù)，以避免分析結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際。

熱線法；熱流計(jì)法；含水率；干密度；導(dǎo)熱系數(shù)；t檢驗(yàn)

0 引言

我國是世界上凍土面積第三大的國家，其占地面積達(dá)到了國土總面積的一半以上[1]。多年凍土與季節(jié)性凍土是我國寒區(qū)工程建設(shè)不可回避的問題。因其對(duì)溫度十分敏感，往往會(huì)發(fā)生物理力學(xué)性質(zhì)的改變，對(duì)工程建筑物與構(gòu)筑物產(chǎn)生凍害破壞與融沉破壞。因此，探尋凍土隨溫度變化的規(guī)律以及凍土的熱學(xué)性質(zhì)對(duì)研究凍土問題具有重要意義。其中，導(dǎo)熱系數(shù)是凍土熱學(xué)指標(biāo)中極為重要的參數(shù)，它反映了凍土對(duì)溫度變化的敏感程度。

國內(nèi)對(duì)凍土導(dǎo)熱系數(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，先后使用了平板導(dǎo)熱儀、圓球?qū)醿x來測定導(dǎo)熱系數(shù)。天津大學(xué)[2]曾研制了熱流計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置；中科院蘭州凍土所結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測資料與室內(nèi)試驗(yàn)資料，給出了典型凍融土的熱力學(xué)參數(shù)；徐學(xué)祖[3]使用球形探針法、量熱法和熱流計(jì)法分別進(jìn)行了凍土導(dǎo)熱系數(shù)的測定，修正了亞黏土的導(dǎo)熱系數(shù)，并給出了凍土熱參數(shù)表；陶兆祥[4]摸索研究出了比較法進(jìn)行凍土導(dǎo)熱系數(shù)的測定；張津生使用熱線測定了凍土的導(dǎo)熱系數(shù)。試驗(yàn)方法的不斷豐富，為凍土熱學(xué)性質(zhì)研究提供了科學(xué)依據(jù)。

本文依托中國石油天然氣總公司項(xiàng)目“中俄原油管道工程凍土調(diào)查與影響因素分析”，使用瞬態(tài)熱線法和熱流計(jì)法分別對(duì)粉質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測定，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，分析不同試驗(yàn)方法對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律，為實(shí)際工程中導(dǎo)熱系數(shù)測試方法的選擇提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)土料

本次試驗(yàn)所用2#粉質(zhì)黏土取自中俄原油管道沿線塔河縣附近，經(jīng)過風(fēng)干、碾碎后按照規(guī)范[5]要求測定其物理性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果見表1。試樣的制備需按一定的含水率與干密度進(jìn)行控制。

1.2 試驗(yàn)方法

在凍土物理學(xué)中，導(dǎo)熱系數(shù)的測定主要有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種。穩(wěn)態(tài)法是當(dāng)土樣溫度達(dá)到穩(wěn)定之后，通過測定土樣的熱量、溫度等參數(shù)確定導(dǎo)熱系數(shù)。常用的方法有熱流計(jì)法、平板法、比較法等。非穩(wěn)態(tài)法測定導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，其土樣溫度是隨時(shí)間的變化而變化，利用已知材料的比熱來計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。常用的方法主要有瞬態(tài)熱線法、探針法等。本文采用熱流計(jì)法與瞬態(tài)熱線法分別對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行兩種凍融狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)測定。

1.3 試驗(yàn)儀器設(shè)備

1.3.1 瞬態(tài)熱線法試驗(yàn)裝置

瞬態(tài)熱線法的試驗(yàn)設(shè)備主要分為3部分：試驗(yàn)電路、測量裝置和環(huán)境控制系統(tǒng)。

1)試驗(yàn)電路：使用交流電或直流電對(duì)熱線進(jìn)行加熱，保持熱線兩端電壓不變，熱線直徑不得超過0.35 mm。將熱電偶通過焊接方式與熱線相連組成探頭，熱電偶與熱線保持平行走向，與熱線的夾角不大于45°。

2)測量裝置：使用PZ126數(shù)字直流電壓表和FLUCK187數(shù)字萬用表進(jìn)行溫度測定。零溫瓶使用保溫瓶，內(nèi)部裝有凍結(jié)成冰的蒸餾水，并將碎冰與水按2∶1的比例配置成冰水混合物。

3)環(huán)境控制系統(tǒng)：由有機(jī)玻璃罩、加熱爐和低溫箱組成，進(jìn)行恒溫控制。

1.3.2 熱流計(jì)法試驗(yàn)裝置

熱流計(jì)試驗(yàn)裝置主要由土樣盒、測量系統(tǒng)和恒溫系統(tǒng)組成。

1)土樣盒：用來盛裝試驗(yàn)土樣。采用橡膠板與恒溫箱粘連在一起，提高保溫效果，增加冷端與熱端及土樣周邊的熱阻。

2)測量裝置：采用熱電偶及PZ126數(shù)字直流電壓表進(jìn)行土樣溫度的測定。

3)恒溫裝置：由冷浴、零溫瓶和恒溫箱組成。冷浴使用DC3030型低溫槽。零溫瓶與熱線法相同。

表1 粉質(zhì)黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱線法試驗(yàn)結(jié)果

將熱線法試驗(yàn)所得導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果進(jìn)行匯總，η-w關(guān)系散點(diǎn)圖如圖1所示，η-γd關(guān)系散點(diǎn)圖如圖2所示。對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)η與試驗(yàn)控制干密度γd和控制含水率w進(jìn)行回歸分析，回歸分析結(jié)果如表2～3所示。

表2 熱線法試驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)一元回歸分析匯總表

表3 熱線法試驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)二元回歸分析匯總表

從圖中可以看出，無論是凍土還是融土，導(dǎo)熱系數(shù)都隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而增大。導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率增加的主要原因是隨著含水率的增加，土中冰的含量越來越多，對(duì)溫度的敏感程度越大，熱傳導(dǎo)越快。而導(dǎo)熱系數(shù)隨干密度增加的主要原因是隨著干密度的不斷變大，土中的礦物顆粒含量越多，在熱傳導(dǎo)過程中作用越明顯。

圖1 熱線法η-w關(guān)系散點(diǎn)圖

圖2 熱線法η-γd關(guān)系散點(diǎn)圖

對(duì)于同一種土，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)明顯比融土的導(dǎo)熱系數(shù)大。其原因主要是凍土中存在固體冰，熱量通過冰晶傳遞的速度非?？?，是通過水傳遞速度的4倍還多。而融土中的熱量傳遞主要受顆粒骨架和含水率影響，導(dǎo)熱系數(shù)通過水傳遞的速度比冰慢。因此，凍土導(dǎo)熱系數(shù)大于融土的導(dǎo)熱系數(shù)。從回歸分析中亦可知，含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響十分明顯，而干密度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響雖然也很明顯，但遠(yuǎn)不及含水率的影響。導(dǎo)熱系數(shù)與含水率和干密度的二元回歸分析見表2。

2.2 熱流計(jì)法試驗(yàn)結(jié)果

采用熱流計(jì)法對(duì)2#粉質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測定，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按η-w關(guān)系和η-γd關(guān)系繪制散點(diǎn)圖，如圖3～4所示。導(dǎo)熱系數(shù)與含水率、干密度的回歸分析見表4～5(1 K=4.19J)。

圖3 熱流計(jì)法η-w關(guān)系散點(diǎn)圖

圖4 熱流計(jì)法η-γd關(guān)系散點(diǎn)圖

熱流計(jì)法試驗(yàn)結(jié)果顯示，導(dǎo)熱系數(shù)受含水率與干密度的影響十分顯著。其中，導(dǎo)熱系數(shù)受含水率的影響更明顯。導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而增大，這一規(guī)律與熱線法試驗(yàn)結(jié)果反映的規(guī)律吻合。對(duì)于同一種土，通過兩種不同試驗(yàn)方法所得到的試驗(yàn)結(jié)果所反映的規(guī)律相同，具有可比性。

2.3試驗(yàn)方法的比較分析

比較熱線法與熱流計(jì)法的試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)兩種方法進(jìn)行差異顯著性分析。對(duì)比結(jié)果如圖5～6所示，差異顯著性分析結(jié)果見表6。

圖6 熱線法與熱流計(jì)法融土導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比圖

通過對(duì)比圖可知，無論土樣處于凍土還是融土狀態(tài)，熱線法的試驗(yàn)結(jié)果都明顯比熱流計(jì)法的試驗(yàn)結(jié)果大。其原因主要在于熱線法屬于非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，而熱流計(jì)法屬于穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)方法的不同在差異顯著性檢驗(yàn)中得到了體現(xiàn)。凍土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法的差異顯著性檢驗(yàn)t值為13.944，大于2.947，說明在0.01水平上，兩種試驗(yàn)方法具有顯著差異。融土的差異顯著性檢驗(yàn)t值為17.364，大于2.947，同樣在0.01水平上，兩種試驗(yàn)方法具有顯著差異。由此可見，試驗(yàn)方法的不同對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的測定數(shù)值具有較大的影響。雖然兩種方法所反映的導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律相同，但在實(shí)際工程中，地質(zhì)條件帶來的影響因素往往十分復(fù)雜。穩(wěn)態(tài)法測定的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)際上屬于理想化的數(shù)據(jù)，而非穩(wěn)態(tài)法測得的導(dǎo)熱系數(shù)更貼近實(shí)際。因此，在實(shí)際工程中，尤其是在對(duì)地基土溫度場分析和熱工計(jì)算時(shí)，需要選擇適當(dāng)?shù)臏y試方法來獲得導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，以免分析計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際。

3 結(jié)語

本文采用熱線法和熱流計(jì)法分別對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行凍土和融土的導(dǎo)熱系數(shù)測定，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，得出以下結(jié)論：

表4 熱流計(jì)法試驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)一元回歸分析匯總表

表5 熱流計(jì)法試驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)二元回歸分析匯總表

表6 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

1)無論凍土還是融土，其導(dǎo)熱系數(shù)均隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而增大。對(duì)同一種土，導(dǎo)熱系數(shù)受含水率的影響更加明顯。

2)在數(shù)值上，熱線法的試驗(yàn)結(jié)果明顯大于熱流計(jì)法的試驗(yàn)結(jié)果。主要原因在于熱線法的土樣溫度隨時(shí)間變化而變化，其反映的是某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值。而熱流計(jì)法的土樣溫度是恒定的。

3)通過t檢驗(yàn)可知，兩種試驗(yàn)方法存在顯著差異，在實(shí)際工程中應(yīng)選用適當(dāng)?shù)姆椒ǐ@取導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行溫度場的模擬和熱工計(jì)算。如果方法選擇不當(dāng)，會(huì)造成分析結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際。

[1] 徐學(xué)祖,王家澄,張立新.凍土物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[2] Keith L,Bristow.Measurement of thermal properties and water content of un saturated sandy soil using dual-probe heat-pulse probe[J].Agricultural and Forest Meteorology，1998(89)：75-84.

[3] 徐學(xué)祖,陶兆祥,傅素蘭.典型融凍土的熱學(xué)性質(zhì)[C]//中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所集刊第2號(hào).北京：科學(xué)出版社，1981.

[4] 陶兆祥,張景森.大含水(冰)量融凍土導(dǎo)熱系數(shù)的測定研究[J].冰川凍土,1983(2):78-80.

[5] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/J 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計(jì)劃出版社，1999.

[6] 王偉.凍土傳熱性質(zhì)試驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué),2010.

[7] 尹飛.凍土導(dǎo)熱系數(shù)的儀器研制和穩(wěn)態(tài)法模擬試驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué),2008.

The Research on the Comparison of Test Measurements for the Thermal Conductivity of Frozen Soil

WANG Wei

(SchoolofProspectingandSurveying，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

The hot wire and the heat flow meter are used to measure the thermal conductivities of frozen soil and the silty clay separately.The results reflect that the thermal conductivity will increase with the increasing rate of water content，and will increase with the dry density increasing as well.By the regression analysis，it can be concluded that the thermal conductivity is much more obviously affected by the rate of water content than by the dry density.By comparing the results of the two tests，and taking a test to the significance of difference，the thermal conductivity measured by the hot wire was much larger，while the different ways of test will be more obvious on testing the value of the thermal conductivity.In the practical engineering，it needs to choose the right way of test to get the data when it is in the temperature field simulation and the thermal calculation in order to avoid the analyzing results deviating from the fact.

hot wire；heat flow meter；rate of water content；dry density；thermal conductivity；ttest

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.018

2016-09-07

王偉(1982-)，男(漢)，長春，實(shí)驗(yàn)師，博士 主要研究凍土物理力學(xué)性質(zhì)及熱學(xué)性質(zhì)。

P642.14

A

1009-8984(2016)04-0067-04