李長清 葉萬軍 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) (②西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054,中國) (③中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710054,中國)
隨著我國城市化進程加快,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,我國大中城市出現(xiàn)修建地鐵、地下商業(yè)綜合體、地下車庫以及地下綜合管廊的熱潮。在地下工程施工過程中經(jīng)常會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)法由于加固土體強度高、止水性能好且不占用地面場地,在城市地下工程施工中受到越來越多的應(yīng)用。南寧市軌道交通1號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)計過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)場取回的試樣為研究對象,開展試樣起始凍結(jié)溫度試驗、比熱容試驗以及導(dǎo)熱系數(shù)試驗,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;張樂樂等,2016)、凍土熱參數(shù)測量計算方法(王麗霞等,2007;周家作等,2016;陳之祥等,2017)、含水率與干密度對黃土熱參數(shù)的影響(董西好等,2017)以及溫度對黃土熱參數(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)以沙黃土為研究對象探究地表覆蓋對土壤熱參數(shù)的影響,通過11針熱脈沖研究在不同覆蓋條件下(裸土、石子、秸稈)土壤熱擴散率、熱容量和熱導(dǎo)率的動態(tài)變化過程以及土壤熱參數(shù)與水分的內(nèi)在聯(lián)系;周家作等(2016)分析了線熱源法測量凍土熱參數(shù)中存在的問題,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,通過試驗研究得到當(dāng)溫度低于-4i℃時線熱源法測量的熱參數(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,對基于導(dǎo)熱系數(shù)的凍土未凍水含量反演公式進行了推導(dǎo),計算結(jié)果可以提升凍土溫度場預(yù)測精度和減少熱參數(shù)測試工作量;董西好等(2017)采用Hot Disk TPS 2500S型熱常數(shù)分析儀,探究含水量、干密度對黃土熱參數(shù)的影響,試驗結(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,需要進一步開展研究工作。測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,測試原理是基于瞬變平面熱源法,測量時儀器要求試樣尺寸較小,然而本文的研究對象為大尺寸卵礫石樣,Hot Disk熱常數(shù)分析儀難以完成測試工作?;诖吮疚牟捎米灾圃囼炑b置,依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)中提供的方法步驟,量測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,研究成果對富水卵礫石地層凍結(jié)法施工設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)支持,為類似地層熱物理參數(shù)估算提供參考。
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,對現(xiàn)場取回的卵礫石樣進行篩分,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
地層中水分結(jié)冰需要經(jīng)歷過冷、跳躍、恒定和遞降4個階段,凍結(jié)過程中地層溫度首先降到凍結(jié)溫度之下,稱為過冷階段,此時試樣中部分水分形成很小的分子集團,該分子集團就是結(jié)晶中心(生長點);由于試樣內(nèi)部溫度低于冰點,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,此時結(jié)晶中心生長成為稍大一些的團粒-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,此時團粒-晶核結(jié)合、生長,產(chǎn)生冰晶,此階段為試樣中水分大量結(jié)冰階段,此時的溫度稱為起始凍結(jié)溫度;當(dāng)?shù)貙油耆珒鼋Y(jié)時,地層溫度不斷下降。測量試樣起始凍結(jié)溫度的實質(zhì)就是量測試樣內(nèi)部團粒-晶核結(jié)合、生長,產(chǎn)生冰晶時的溫度,該階段溫度保持恒定。試驗設(shè)備主要有零溫瓶、低溫瓶、熱電偶、電位差計、試樣杯等(圖 2、圖3)。試驗時實時量測零溫瓶與試樣內(nèi)部的電位差,通過下式換算得到試樣內(nèi)部實時溫度,然后繪制時間-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表示電位差計讀數(shù)(μν);K熱電偶系數(shù)(℃·μν-1)。
圖 2 起始凍結(jié)溫度測量裝置示意圖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、顆粒級配、含水量、水分含鹽量、壓力以及孔隙分布等因素都會影響地層起始凍結(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,試樣通過現(xiàn)場取回的卵礫石試樣、蒸餾水、氯化鎂、氯化鈣配置。依據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)資料,制備A、B兩組平行試樣減少試驗誤差,每組3個試樣分別記為A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3,每組1號試樣含鹽量為二價離子 30img·L-1、一價離子60img·L-1,氯化鎂和氯化鈣質(zhì)量比為1︰3,每組2號樣含鹽量二價離子 65img·L-1、一價離子200img·L-1,溶液由氯化鎂配制,每組3號樣含鹽量二價離子90img·L-1、一價離子 230img·L-1,氯化鎂和氯化鈣質(zhì)量比為2.76︰1。通過試驗探究試樣起始凍結(jié)溫度與含鹽量的關(guān)系,試驗步驟如下所述:
(1)按照原始級配配置試樣,試樣與鹽水充分混合后放入試樣杯中,保證試樣均勻密實的充滿整個試驗杯,將熱電偶測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)冰塊融化后要及時補充,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)冰塊融化后要及時補充。
(4)將封好底內(nèi)裝 5icm干砂的塑料管插入低溫瓶內(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,保證熱交換順利進行,把熱電偶低溫端放入試樣內(nèi)。
(5)將熱電偶測量端與電位差計相連,每分鐘測量一次熱電勢,觀察測量數(shù)據(jù),當(dāng)熱電勢突然減小并連續(xù)3次穩(wěn)定在某一數(shù)值,記錄該數(shù)值,換算出此數(shù)值對應(yīng)的溫度即為卵礫石地層的起始凍結(jié)溫度,試驗結(jié)束。
試驗步驟如下所述:
(1)記錄試樣凍結(jié)溫度T1、測出試樣質(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,保證熱量不會損失,然后插入溫度計與攪拌器并不斷攪動攪拌器,每1分鐘讀取1次溫度,測量8次數(shù)據(jù),最后一次測量數(shù)據(jù)記為T2,然后進入下一試驗環(huán)節(jié)。
(3)將凍土樣放入量熱器內(nèi),蓋好杯蓋,保證熱量不會損失,然后不斷攪動攪拌器,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16次,最后一次測量數(shù)據(jù)記為T3,試驗結(jié)束整理數(shù)據(jù)。
(4)根據(jù)下式計算不同凍結(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
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1is內(nèi)通過1im2面積所傳遞的熱量,本文采用穩(wěn)態(tài)法中的比較法測量卵礫石地層導(dǎo)熱系數(shù)。比較法測量導(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)溫度場內(nèi),把導(dǎo)熱系數(shù)已知的石蠟與待測地層凍結(jié)樣串聯(lián)疊加在一起,由于石蠟與樣品在同一溫度場內(nèi),所以當(dāng)熱流由熱端流向冷端時,經(jīng)過石蠟、待測地層凍結(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),在試驗時只需測量試樣兩端、石蠟兩端的溫度差即可根據(jù)石蠟導(dǎo)熱系數(shù)計算待測樣導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)試驗原理見圖5。
制備E、F兩組平行試樣減少試驗誤差,試樣通過現(xiàn)場取回的卵礫石試樣、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,分別記為E1、E2、E3、E4、E5、F1、F2、F3、F4、F5,每組1號樣在-6i℃下凍結(jié),每組2號樣在-8i℃下凍結(jié),每組3號樣在-10i℃下凍結(jié),每組4號樣在-12i℃下凍結(jié),每組5號樣在-14i℃下凍結(jié),試樣及石蠟各面溫度通過銅-康銅熱電偶、電位差計測量換算得到,換算公式如下:
式中:T為帶測面溫度(℃);V為熱電動勢(μν);K為熱電偶系數(shù)(℃·μν-1)。
圖 5 導(dǎo)熱系數(shù)試驗原理圖Fig. 5 Schematic diagram of thermal conductivity test
試驗試樣與裝置見圖6,試驗步驟如下所述:
(1)將待測樣裝入試樣盒,確保試樣均勻密實充填在整個試樣盒中,試樣在設(shè)計溫度下凍結(jié),凍結(jié)完成后取出進行試驗。在試樣盒兩端覆蓋銅板,并將兩個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. 試驗時凍結(jié)試樣、石蠟放置位置圖;f. 試驗現(xiàn)場圖
(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℃),開動循環(huán)水浴。
(7)水浴溫度達到設(shè)計要求后繼續(xù)運行8ih,然后開始測溫,確保高低溫水浴溫度恒定,每隔10imin測定一次待測試樣、石蠟兩側(cè)壁面的溫度,并記錄。
(8)每點測量換算出溫度差值連續(xù)3次小于0.1i℃時,試驗結(jié)束。
圖 7~圖9為A、B兩組1、2、3號樣溫度-時間散點擬合圖,圖 10為1、2、3號試樣平均起始凍結(jié)溫度圖,表 2為試驗成果表。
圖 7 A、B兩組1號試樣凍結(jié)溫度-時間散點擬合圖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
試樣編號含鹽量/mg·L-1起始凍結(jié)溫度/℃平均起始凍結(jié)溫度/℃一價離子二價離子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為時間(s);y0、A1、A2、t1、t2為與試樣、試驗條件等有關(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號試樣凍結(jié)溫度-時間散點擬合圖Fig. 8 Fitting plot of freezing temperature-time dispersion for No.2 specimens in A and B groups
散點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為時間(s);y0、A1、A2、t1、t2為與試樣、試驗條件等有關(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號試樣凍結(jié)溫度-時間散點擬合圖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為時間(s);y0、A1、A2、t1、t2為與試樣、試驗條件等有關(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℃。對比每組1、2、3號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、置換和擴散等作用。在卵礫石-水體系中,易溶鹽的加入勢必會改變試樣中的作用力,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,它對氫鍵的破壞力較強,因此混入易溶性鹽會破壞氫鍵之間的結(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,此時液態(tài)水才會發(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。
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
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動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象,使能量由一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。熱傳導(dǎo)的機理非常復(fù)雜,并受多種因素影響,簡而言之,非金屬固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)是通過相鄰分子在碰撞時傳遞分子振動能實現(xiàn)的,傳遞的分子振動能越多熱傳導(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)遠遠大于水的導(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。
在凍結(jié)法施工設(shè)計過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)場取回的卵礫石樣為研究對象,對試樣開展起始凍結(jié)溫度試驗、比熱容試驗以及導(dǎo)熱系數(shù)試驗,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)采用自制試驗裝置探究試樣含鹽量與起始凍結(jié)溫度的關(guān)系,試驗結(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號試樣平均起始凍結(jié)溫度從-0.46℃下降到-1.15℃。