杜紅普，申芙榮，李 敏

（1.河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401；3.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401）

0 前言

溫度上升，將引起土中固、液相組分的體積膨脹，誘發(fā)孔隙液向混合物邊界的排出趨勢，改變混合物中的孔隙壓力、應力與應變場.力與熱的相互作用在地下建筑、道路、土壩等巖土工程領域以及儲熱系統(tǒng)中均有體現(xiàn)，尤其是隨著儲熱品質的提高，熱作用不僅制約著濕份遷移，而且對巖土介質的強度、變形均有一定的影響.伴隨著熱濕遷移研究成為主流的同時，針對收縮、形變引起孔隙結構變化的力學特性也逐步引起人們的重視.

Reuss[1]研究認為，當儲熱溫度高于60℃后，埋地換熱器附近的土層在克服不同深度地應力后引發(fā)局部孔隙結構的改變，進而大大削弱其傳熱速率.Sanavia和Hu[2-3]指出水分遷移對干燥收縮和土壤熱導率的影響顯著.Morit[4]借助室內和現(xiàn)場大尺度的軟粘土儲能試驗，研究了熱作用（最高排熱溫度70℃）引起的粘土變形模型.Saxe[5]通過長期對間歇性取、排熱監(jiān)測，認為土壤高溫區(qū)會發(fā)生熱應變，導致結構穩(wěn)定性受到影響.作者 [6]在開展儲熱試驗過程中也發(fā)現(xiàn)熱源面出現(xiàn)干涸裂隙，需進一步考慮儲熱中的力學問題.

然而，目前土層儲熱的熱力分析多傾向定性提出而未能形成系統(tǒng)研究體系，直接針對土壤儲熱過程中熱濕作用下變形位移場的研究尚十分有限.具體應用工程中，Wang[7]考慮了地源熱泵與太陽能—地下高溫儲熱的聯(lián)合應用，對該系統(tǒng)的熱濕參數進行實時采集，綜合分析了不同儲熱策略下的運行特性.而關于熱作用下形變研究多集中在農業(yè)地表干裂和巖土工程開裂問題上.Hu[3]采用多尺度多物理場方法，模擬研究了收縮過程中的孔隙率變化.Sabnis[8]考慮外界環(huán)境中不同濕度條件下的粘土力學特性，對收縮應變、彈性模量及拉伸強度等參數進行分析.目前針對儲熱系統(tǒng)中的回填材料熱縮特性，專門描述較少.圖1給出了常用回填材料在60℃排熱條件下3 d后的干縮現(xiàn)象，可以看出，最左側的粘土發(fā)生變形量最大，尤其是靠近埋管的區(qū)域，存在不同方向裂縫，相比而言，砂加膨潤土及砂出現(xiàn)干裂的程度較小，尤其是砂無明顯的裂隙.這主要是由于高飽和度下砂呈流態(tài)，使得回填較為密實，而砂加膨潤土中，2種材料的粘聚程度存在差異，膨潤土自身的濕變性很強，在一定程度上加劇了混合材料的離散性，這也是在工程實踐中常遇到的問題.

本文針對上述3種材料，結合室內土體收縮試驗及極差分析方法，研究土樣類型、干密度及溫度3因素影響下的形變差異特性.

圖1 不同回填材料失水收縮現(xiàn)象Fig.1 Shrinkageof backfillmaterials

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗土樣分砂、粘土和砂加膨潤土，粘土風干過2mm篩，砂子粒徑范圍為0.1～0.5 mm.鈉基膨潤土在干燥器中110℃烘干過2mm篩，3種材料的基本性質見表1.

砂加膨潤土的導熱性試驗表明，膨潤土的添加量存在一個最優(yōu)比范圍：10%～12%，該數值同時也在ASHRAE所推薦的范圍之內[9].因此，試驗過程中膨潤土的添加量均設置為11%.

1.2 試驗方法

鑒于實際工程利用過程中，砂加膨潤土及砂回填的條件均為高含水率土層.同時，天津地區(qū)送樣平均質量含水率在20%～25%.3種回填材料均按23%質量含水率配制，并放入保濕器中24h.采用分層夯實法制備土樣，3次壓實，層間打毛.試樣尺寸直徑50 mm，高110mm，干密度為1.45、1.55和1.65 g/cm3.

利用SS-1型收縮儀測定收縮過程，烘箱控制恒溫條件（依據現(xiàn)場的高溫儲熱情況，選取測試溫度為30、60和80℃），待烘箱溫度穩(wěn)定后，放入已固定有土樣的收縮儀，調整百分表讀數，開始記錄.記錄時間開始以1h為間隔，隨后逐步延長，待讀數穩(wěn)定后停止試驗.同期測定土樣的質量變化，測定結束后，將土樣放在105℃烘箱中烘至恒溫，反算各階段的含水率.

1.3 正交試驗設計及試驗結果

選取土樣類型、干密度和溫度為因素，每個因素包含3個水平（見表2），以含水率、線縮率和體縮率為評價指標，進行正交試驗設計.

表1 3種材料的基本性質Tab.1 Characteristic ofmaterials

表2 收縮試驗涉及的因素及水平Tab.2 Factorsand levelof the shrinkage test

表3 正交試驗設計及測定結果Tab.3 Orthogonalexperimentaldesign andmeasurement results

正交試驗設計條件下線索率、體縮率、收縮系數及失水率結果見表3.可以發(fā)現(xiàn)：粘土的收縮性較大，遠大于砂和砂加膨潤土的.在不考慮溫度和干密度的影響，粘土的線縮率在4%～6%、砂土的線縮率在0.36%～0.58%、砂加膨潤土的在0.21%～0.42%.對于粘土而言不僅存在縱向收縮，而且存在橫向收縮，粘土的體縮率可達15.22%.砂土和砂加膨潤土在橫向變形幾乎沒有變形，縱向的變形較小，兩種土樣的體縮率僅為3%～5%.

2 試驗結果分析

2.1 3種土樣的收縮規(guī)律

隨溫度的升高，3種土樣的收縮性均增強（圖2）.粘土的線縮率隨時間呈先快速增長隨后區(qū)趨于穩(wěn)定的變化過程，曲線近似為拋物線型.溫度越高，坡度越陡，初期的變形越劇烈，達到變形穩(wěn)定的時間越快.在30℃溫度下，變形穩(wěn)定時間為300 h；在60℃溫度下，變形穩(wěn)定時間為160 h；在80℃溫度下，變形穩(wěn)定時間不到60 h.

砂土的線縮率隨烘干時間的變化較小，曲線僅在開始的十幾個小時內存在一定的弧度，隨后變化曲線趨于一條直線.砂加膨潤土的線縮率隨烘干時間的變化趨勢和砂土的相似，整體略緩于砂.

圖2 不同溫度下線縮率隨時間的變化Fig.2 Changesof linear shrinkageatdifferent temperatures

30℃溫度條件下，粘土、砂和砂加膨潤土的含水率隨時間的變化趨勢較為相近（圖3）.隨時間延長，土樣中的含水率逐漸降低.總體上，砂的變化趨勢最陡，其次是粘土和砂加膨潤土.這主要與土中水的賦存狀態(tài)有關，砂的孔隙大，賦存與土顆粒孔隙間水多為自由水，易于散失；而對于粘土和膨潤土而言，由于雙電子層的作用，在一定程度上，緩和了水分的散失速度.當溫度達60℃以上，砂的含水率隨時間的變化曲線與粘土和砂加膨潤土不再一致.砂的含水率在初期出現(xiàn)一個明顯的降低，隨后趨于穩(wěn)定.60℃條件下，砂在150h內含水率從23%下降到3%后穩(wěn)定；80℃條件下，砂在30 h內含水率從23%下降到2.5%后穩(wěn)定.在這兩個溫度條件下，粘土和砂加膨潤土的含水率隨時間的變化曲線接近且緩于砂，60℃條件下，粘土和砂加膨潤土的含水率穩(wěn)定時間為400 h左右；80℃條件下，在110 h左右.總體上，溫度越高，曲線變化均越陡，達到穩(wěn)定的時間也越快，3種土樣中，溫度對于砂土的含水率變化的影響最敏感.

圖3 不同溫度下含水率隨時間的變化Fig.3 Changes of moistureat different temperatures

對比3種類型土的線縮率隨含水率的變化曲線（圖4），可以發(fā)現(xiàn)，隨土樣含水率的降低，土的線縮率逐步增大.含水率的變化對于粘土的線縮率影響較大，而對于砂土和砂加膨潤土的影響較小.溫度越高，線縮率與含水率的關系曲線越陡.

圖4 不同溫度下線縮率隨含水率的變化Fig.4 Relation between linear shrinkage and moistureat different temperatures

2.2 極差分析

依據式 (1)、式 (2)可得到線縮率和體縮率．表4、表5中的為因素對線縮率、體縮率、收縮系數及失水率總影響程度；為i因素下的線縮率、體縮率、收縮系數及失水率； 為 平均值.

表4 線縮率和體縮率極差分析結果Tab.4 Range analysisof line and volume shrinkage線縮率

從表4和表5中可以看出，3因素對土樣收縮性影響的主次關系為：土的類型（X1）gt;溫度（X2）gt;干密度（X3）.土樣的收縮性主要取決于土的類型.在線縮率、體縮率和收縮系數指標方面的最優(yōu)組合為：砂加膨潤土—30℃—1.65 g/cm3（X13X21X31）.即砂加膨潤土的抗縮性較小，密度越大，土樣的收縮性越小，溫度越低，土樣的收縮性越小.

表5 收縮系數和失水率極差分析結果Tab.5 Range analysisof shrinkage coefficientand water loss rate

3 結論

1）粘土的收縮形變遠大于砂和砂加膨潤土，砂的形變略大于砂加膨潤土.粘土在高溫條件下可達下的變形量可達6%，而砂及砂加膨潤土的形變僅發(fā)生在開始的幾個小時內，隨后迅速趨于穩(wěn)定.溫度高低對初始變形影響顯著，溫度越高，土樣達到變形穩(wěn)定的時間越短.

2）在3種溫度的影響作用下，粘土、砂及砂加膨潤土的含水率隨時間分布與自身的持水能力相吻合，遞減程度依次是砂加膨潤土、粘土和砂.溫度越高，含水率變化趨勢越陡，材料內水份達到平衡的時間越快.

3）隨溫度提高，粘土線收縮率與含水率的分布逐步由近似線性趨于指數，而砂和砂加膨潤土由于自身較小的收縮特性，受含水率影響程度較小.隨溫度增加，砂土土樣的含水率變化較大，而砂加膨潤土土樣的含水率變化較為緩慢，膨潤土的添加有利于緩解砂土的失水速率，改善砂的失水收縮性.

4）3因素對土樣收縮性影響的主次關系為：土的類型（X1）gt;溫度（X2）gt;干密度（X3）.土樣的收縮性主要取決于土的類型.綜合線縮率、體縮率和收縮系數指標，最優(yōu)組合為：砂加膨潤土—30℃—1.65g/cm3.

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