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        地鐵工程中礫質(zhì)黏土熱物理指標(biāo)的相關(guān)性分析

        2018-08-29 11:42:02龔姝華李培剛程道來
        鐵道勘察 2018年4期
        關(guān)鍵詞:比熱容黏土巖土

        曹 權(quán) 龔姝華 李培剛 萬 衡 程道來

        (上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué),上海 201418)

        巖土的熱物理性指標(biāo)反映了土體的導(dǎo)熱、儲(chǔ)熱、導(dǎo)溫等性能,主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)等。地鐵工程中巖土的熱物理性指標(biāo)是車站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、通風(fēng)節(jié)能計(jì)算以及凍結(jié)法施工的重要參數(shù),對(duì)降低地鐵造價(jià)、節(jié)省能源和環(huán)境控制等具有重要意義[1-3]。傳統(tǒng)巖土工程中很少涉及材料熱物理指標(biāo)方面的內(nèi)容,其實(shí)驗(yàn)測(cè)定并不普及,且目前還沒有相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)范,準(zhǔn)確測(cè)試巖土的熱物理指標(biāo)尚比較困難。

        基于當(dāng)前熱物理指標(biāo)實(shí)驗(yàn)測(cè)定尚不普及的現(xiàn)狀,許多學(xué)者試圖建立關(guān)系式來計(jì)算巖土的熱物理指標(biāo)。目前,建立這些關(guān)系式的方法主要有兩類:①基于室內(nèi)或現(xiàn)場測(cè)試的熱物理性參數(shù),通過統(tǒng)計(jì)分析得到某一類土的經(jīng)驗(yàn)公式[4-10];②基于熱傳導(dǎo)理論,建立巖土體熱物理性參數(shù)的理論計(jì)算公式(由于涉及的影響因素較多,在進(jìn)行理論推導(dǎo)時(shí)要對(duì)巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,以便進(jìn)行數(shù)學(xué)分析[11-12])。這些研究成果表明,巖土的熱物理指標(biāo)與巖土孔隙率、含水量和密度等相關(guān)性較高。

        巖土體具有非連續(xù)、多相和天然變異等特性,影響其熱物理性指標(biāo)的因素很多,如地層巖性、孔隙率、含水率、溫度、構(gòu)造等[13],建立可靠的理論計(jì)算模型較為困難。國內(nèi)地鐵建設(shè)在巖土熱物理指標(biāo)值獲取方面已有30多年的實(shí)踐積累。巖土熱物理參數(shù)主要取決于巖土三相物質(zhì)的組成比例,這為開展巖土的實(shí)測(cè)熱物理指標(biāo)與其主要三相比例指標(biāo)間相關(guān)性研究提供了可能。

        對(duì)深圳地鐵2號(hào)線的熱物理指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,提出根據(jù)礫質(zhì)黏土含水量、孔隙比、密度計(jì)算比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,為地鐵工程勘察、設(shè)計(jì)中巖土熱物理指標(biāo)的確定提供了一種較為簡單的方法。

        1 土層熱物理指標(biāo)收集及整理說明

        本次收集了深圳地鐵(1、2、5、7 和 11 號(hào)線)地鐵車站、區(qū)間、出入段線和聯(lián)絡(luò)線等共計(jì)183個(gè)工點(diǎn)的巖土熱物理測(cè)試數(shù)據(jù),共計(jì)812組。涉及淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土、礫質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、素填土等不同地層,考慮黏土、粉土和砂的熱物理性質(zhì)已有學(xué)者開展了相關(guān)研究,而對(duì)花崗巖殘積成因的礫質(zhì)黏土的研究較少。因此,以深圳地鐵2號(hào)線香梅北站14組礫質(zhì)黏土試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例,對(duì)該處巖土熱物理測(cè)試指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行研究(見表1)。相關(guān)公式利用線性回歸分析的方法進(jìn)行計(jì)算,并利用最小二乘法計(jì)算其判定系數(shù),以定量評(píng)價(jià)其相關(guān)程度。

        表1 礫質(zhì)黏土土樣性質(zhì)

        2 礫質(zhì)黏土的熱物理指標(biāo)相關(guān)性分析

        2.1 熱物理指標(biāo)與含水量

        對(duì)14組試樣含水量和比熱容數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

        圖1 礫質(zhì)黏土含水量與比熱容的關(guān)系曲線

        由圖1可知,礫質(zhì)黏土的比熱容隨含水量的增加而增大,這主要是由于水(20 ℃)的比熱容約為4.18 J/(kg·K),而花崗巖礫石為0.65 J/(kg·K),一般干泥土為0.84 J/(kg·K),由此可見,水的比熱容較土顆粒和礫石高很多,所以土中含水率越高,比熱容也越大。礫質(zhì)黏土的比熱容和含水量的線性擬合關(guān)系式為

        C=5.433 9w-0.256 0

        (1)

        式中,比熱容C的單位為 J/(kg·K),上式的判定系數(shù)r2=0.957 38,說明礫質(zhì)黏土的含水量與比熱容高度線性相關(guān)。

        同樣對(duì)這14組試樣含水量和導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

        圖2 礫質(zhì)黏土含水量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線

        由圖2可知,礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的增大而降低,主要是因?yàn)榈[質(zhì)黏土中礫石和固體土顆粒導(dǎo)熱系數(shù)一般分別為2.5 W/(m·K)和0.2 W/(m·K),而20 ℃水的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.608 W/(m·K),水的導(dǎo)熱系數(shù)較固體部分低。隨著含水量增大,礫石和固體土顆粒所占的比例相應(yīng)降低,導(dǎo)致礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)下降。礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)和含水量的線性擬合關(guān)系式為

        I=-0.101 81w+5.182 5

        (2)

        式中,導(dǎo)熱系數(shù)I的單位為W/(m·K),判定系數(shù)r2=0.762 23,雖然也能表明礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)和含水量有較高的線性相關(guān),但較比熱容與含水量的線性相關(guān)性低。

        2.2 熱物理指標(biāo)與孔隙比

        14組試樣比熱容和孔隙比數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

        圖3 礫石黏土孔隙比與比熱容的關(guān)系曲線

        由圖3可知,礫質(zhì)黏土的比熱容隨孔隙比的增加而增大。當(dāng)孔隙比增大時(shí),固體部分的比重在降低,而水和空氣的比重在增加,礫質(zhì)黏土的比熱容也在增加。礫質(zhì)黏土的比熱容和孔隙比的線性擬合關(guān)系式為

        C=1.472 1e+0.041 62

        (3)

        式中,比熱容C的單位為J/(kg· K),系數(shù)r2=0. 755 75,說明礫質(zhì)黏土的孔隙比與比熱容線性相關(guān)不高。這與礫質(zhì)黏土孔隙比空間分布的隨機(jī)性有關(guān), 是土的各向異性的主要反映。

        同樣對(duì)這14組試樣導(dǎo)熱系數(shù)和孔隙比數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

        圖4 礫石黏土孔隙比與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線

        由圖4可知,礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙比的增大而降低,所以孔隙比的增加會(huì)降低土體的導(dǎo)熱性。礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)和孔隙比的線性擬合關(guān)系式為

        I=-3.341 6e+5.181 8

        (4)

        式中,導(dǎo)熱系數(shù)I的單位為W/(m·K),判定系數(shù)r2=0. 842 93,表明礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)和孔隙比有高度的線性相關(guān)。

        2.3 熱物理指標(biāo)與密度

        14組試樣比熱容和密度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

        圖5 礫石黏土密度與比熱容的關(guān)系曲線

        由圖5可知,礫質(zhì)黏土的比熱容隨密度的增大而減小,其原因?yàn)槊芏仍黾?,土中孔隙減小,比熱容較高的水和空氣比重降低,導(dǎo)致土體的比熱容下降。礫質(zhì)黏土的比熱容和密度的線性擬合關(guān)系式為

        C=-3.284 9ρ+7.110 6

        (5)

        式中,比熱容C的單位為J/(kg·K),密度ρ的單位為(g/ cm3),判定系數(shù)r2=0.800 21,說明礫質(zhì)黏土的密度與比熱容有很高的線性相關(guān)性。

        同樣對(duì)這14組試樣導(dǎo)熱系數(shù)和密度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

        圖6 礫石黏土密度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線

        由圖6可知,礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的增加而增大,其原因?yàn)橥馏w密度越大,土體固體所占比重越大,土顆粒之間的接觸面積越大。如前所述,固體部分的熱傳導(dǎo)系數(shù)要比水和空氣高,所以密度增大,土體的熱傳導(dǎo)能力增強(qiáng),導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大。礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)和密度的線性擬合關(guān)系式為

        I=7.29ρ-10.577

        (6)

        式中,導(dǎo)熱系數(shù)I的單位為W/(m·K),密度ρ的單位為(g/cm3),判定系數(shù)r2=0.860 39,表明礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)和密度有很高的線性相關(guān)性。

        3 結(jié)論

        (1)礫質(zhì)黏土的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)與含水量、密度、孔隙比密切相關(guān)。

        (2)礫質(zhì)黏土的比熱容隨含水量、孔隙比的增加而增大,隨密度的增大而減小,比熱容與含水量、密度有高度的線性相關(guān)性,與孔隙比線性相關(guān)程度稍差。

        (3)礫質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的增加而增大,而隨含水量和孔隙比的增大而減小,導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙比、密度有高度的線性相關(guān)性,與含水量線性相關(guān)程度稍差。

        (4)上述統(tǒng)計(jì)規(guī)律與參考文獻(xiàn)[6]、[7]、[9]、[10]、[11]、[12]的研究結(jié)論一致,說明本文的統(tǒng)計(jì)規(guī)律具有一定的普遍性,但仍需從機(jī)理上進(jìn)一步論證。

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