孔隙比与饱和度对粉质黏土导热系数影响的试验研究

唐丽娟，王福龙，杨英杰，林吉凯

(1．东北煤田地质局沈阳测试研究中心，辽宁 沈阳 110016;2．中国建筑第八工程局有限公司大连分公司，辽宁 大连 116000;3．辽宁东地建筑岩土工程有限公司，辽宁 沈阳 110016)

导热特性是岩土材料的基本性质之一，而土的导热系数、比热容以及导温系数是土的热物理性质的主要参数，尤其是导热系数，是反映土的热传递能力的重要参数［1－3］．近几年，随着地铁及快速轨道在各大、中型城市的兴建，项目的勘察设计需要全面掌握土的热物理参数［4－6］． 土的导热系数作为热物理性质中较为重要的参数，其影响因素较多［7－8］．笔者以长春市城市快速轨道交通3 号线东延线的粉质黏土为研究对象，通过室内试验，研究孔隙比与饱和度对粉质黏土的导热系数的影响．

1 试验方法及过程

1．1 试验方法及设备

导热系数测试分为现场测试和室内试验测试两种，此次采用的是室内试验测试．室内试验测试导热系数又分为稳态法和非稳态法，这里采用稳态法．试验所使用的导热系数测试仪具有上、下两个金属面，称为热面和冷面． 其基本原理是，在热面加入稳定的、较高的初始温度，热量通过试样传递到冷面(室温)，测量传递的热流，再根据试样的厚度和传热面积可计算导热系数． 此测试方法简便、快捷、重复性好．试验所选择的设备为DRPL-I 导热系数测试仪，如图1 所示．

1．2 试样制作

试验所用土样取自长春市城市快速轨道交通3号线东延伸线辽宁路站工程． 该工程场地地层岩性由人工堆积杂填土层、第四系冲洪积黏性土和砂土层及白垩系泥岩组成． 所用试样为该区粉质黏土层中的第3 层粉质黏土，黄褐色，可塑，局部可塑偏软，中等压缩性，弱渗透性，工程性质一般．

将土样筒按标明的上、下方向放置，剥去蜡封和胶带开启土样筒取出土样．制样时，采用绝热性良好的PVC 管作为制样模(PVC 管模具尺寸为直径5．62 cm，高2．06 cm，即为试样尺寸)，并在PVC 管内壁涂一薄层凡士林．制样过程参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)中环刀法的相关规定．

1．3 试验过程

1．3．1 同一土样，饱和度相同、孔隙比不同

通过制取重塑样来得到同一饱和度、不同孔隙比的试样．应用公式(1)，可以通过控制土的干密度来控制重塑土的孔隙比．

式中:ρd为土的干密度，g/cm3;ds为土粒密度，g/cm3;ρw为水的密度，其值为1．0 g/cm3;e 为土的孔隙比．

通过反复试验，最终试验设计为:饱和度Sr=60%时，制成干密度ρd分别为ρd11=(1．70 ±0．2)g/cm3，ρd21=(1．60±0．2)g/cm3，ρd31=(1．50 ±0．2)g/cm3，ρd41=(1．40 ±0．2)g/cm3的4 组试样;饱和度Sr=70%、80%、90%时，干密度均与Sr=60%时制取的相同．

每组干密度制备3 个PVC 环刀样用于测定土的导热系数，取测定结果平均值作为该组试样的导热系数．测试结果见表1(所选土样土粒密度ds=2．71 g/cm3，塑性指数为IP=13 ～15)．

表1 同一饱和度、不同孔隙比的土样的导热系数测试结果

1．3．2 同一土样，孔隙比相同、饱和度不同

试验仍需采取对土样进行重塑，通过控制土的含水率w 和湿密度ρ 来制备不同饱和度Sr的试样．经反复试验，最终试验设计为e = 0． 7 时，w11=(10 ±0．5)%，w21= (15 ± 0． 5)%，w31= (20 ±0．5)%，w41= (25 ±0． 5)%;湿密度分别为ρ11=(1．75 ±0．2)g/cm3，ρ21= (1． 85 ± 0． 2)g/cm3，ρ31=(1．90±0．2)g/cm3，ρ41=(2．00 ±0．2)g/cm3．e=0．8时，含水率配备与e=0．7 时相同．e=0．9 时，为了使重塑样接近天然孔隙比、含水率的试样状态，除配备了与e =0．7 时相同的含水率外，还增加了w53=(30 ±0．5)%的测试．

每组含水率制备3 个PVC 环刀样用于测定土的导热系数，取测定结果平均值作为该组试样的导热系数．测试结果见表2(所选土样土粒密度ds=2．71 g/cm3，塑性指数为IP=13 ～15)．

表2 同一孔隙比、不同饱和度的土样导热系数测定结果

续表

2 试验结果分析

2．1 孔隙比与导热系数的关系

根据表1 绘制孔隙比与导热系数的关系曲线，如图2 所示．

图2 孔隙比与导热系数的关系

从图2 中可以看出:当Sr=60%、70%、80%时，在同一饱和度条件下，导热系数随着孔隙比的增大而线性减小;当Sr=90%，10%≤w ＜26%时，导热系数仍表现为随着孔隙比的增大而线性减小;当Sr=90%，w ＞26%，e' =0．80 左右时，导热系数随着孔隙比的增大而出现增大的趋势，没有出现减小的结果．原因是土体由固、液、气三相组成，随着孔隙比的增大，土的孔隙体积(即液相、气相所占体积)在逐渐增大，土粒体积相对减小，干密度逐渐减小，导热性能降低，土的导热系数表现为随着孔隙比的增大而逐渐减小且呈线性． 但当w ＞26%，e' =0．8 左右时，土的液相的作用对其导热系数的影响较大，故当e' ＞0．80 且w ＞26%，Sr接近90%时，不再有导热系数随着孔隙比的增大而减小的规律．

2．2 饱和度与导热系数的关系

根据表2 绘制饱和度与导热系数的关系曲线，如图3 所示．从图中可以看出，在孔隙比一定的条件下，随着饱和度的增大，导热系数有增大的趋势． 土的饱和度是指土体孔隙中水占的体积与土体孔隙体积的比值．当孔隙比作为定量时，随着孔隙中液相体积的增大含水率增大，且液态水的导热系数大于土颗粒导热系数并远大于空气的导热系数．因此，随着饱和度的增加含水率增大，液相占孔隙的体积增大，土的导热系数随之表现为线性增加．

图3 饱和度与导热系数的关系

3 结 语

1)在饱和度一定的条件下，粉质黏土的导热系数随着孔隙比的增大而线性减小． 这是由土的三相组成的变化而决定的． 当饱和度一定、孔隙比增大时，土的气相和液相所占比例增大，土的有效导热介质——土粒的体积相对减小，使得土的导热性能减弱，导热系数随着孔隙比的增大而减小且呈近似线性减小．

2)在孔隙比一定的条件下，土的导热系数随着饱和度的增大而线性增大． 增加湿密度与含水率以达到提高土的饱和度的目的，孔隙比不变的情况下土中液相体积在三相中的比例在逐渐增大，而水的导热系数大于土粒的导热系数，液相体积越大，土的导热性能越好．因此，孔隙比一定的条件下，土的导热系数随着饱和度的增大而线性增大．

3)饱和度一定的条件下，当孔隙比大于0．8 且含水率大于26%，饱和度接近90%时，土中液相对土的导热系数的影响较为明显，此时孔隙比的大小已不足以作为判断土的导热系数大小的指标． 因此在这种情况下应考虑含水率或饱和度对土的导热系数的影响规律．

4)以上结论可为土体导热系数的计算和测试提供一定的理论依据，可为地铁、快速轨道、巷道开采、冻结法施工等工程的合理设计和施工提供有益的参考．

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