土样类型对非饱和土壤热湿迁移的影响研究

林毓旗，晋 华，邓宏凯

(太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引 言

近年来，随着地热能开发利用、热力管道埋设以及核废料深埋等领域的兴起与发展，工程实际中遇到的非饱和土壤热湿迁移问题越来越多，该问题也成为学界关注和研究的热点。1995年虞维平等学者通过实验研究了太阳辐照度对非饱和砂土内部热湿迁移的影响[1]。1999年陈振乾等人通过实验对不同大气对流速度条件下砂土内温度、含水率分布的变化规律展开了研究，建立了结构内瞬态热湿耦合传递实验方法[2]，以上研究均基于实验结果探讨外部环境因素对土壤热湿迁移所造成的影响。 2000年以后，众多学者对土壤系统内部热湿迁移机理开始探索。2007年张玲基于土柱热湿传递实验研究了土壤中温度变化对其水分迁移的影响，发现土壤中热量传递十分缓慢，近加热端温度梯度大[3]。2010年杨震雷基于非饱和砂箱水汽运移实验，初步探讨了各种水汽运移机制对土壤水分变换的影响[4]。2014年鹿凯凯等人通过测试不同蓄热温度、不同初始含湿量下土壤热湿迁移变化过程，得到热湿迁移过程中温度场和湿度场变化是同步进行、相互影响的结论[5]。同年刘松雨以一维土壤高温蓄热热湿迁移实验为基础，分析了土壤温度和含水率随时间和空间的变化特性[6]。2015年陈红兵、吴玮等人通过一维土壤蓄热实验研究了砂土和壤土两种土壤类型对土壤热湿传递的影响差异，结果表明砂土比壤土蓄热效果好、速度快[7, 8]。本文拟在前人研究基础上将土样类型增加至6种，通过实验来寻求不同土样类型在热湿迁移的一些规律及特性。

1 实验过程

1.1 实验材料

实验材料包括6种土样类型，分别为：砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂、黏土。对6种实验土样颗粒级配分别进行测试分析，可得到各土样类型的级配参数，如表1所示。

1.2 实验装置

本实验使用的实验装置为一维土柱实验台，如图1所示。实验台主要包括以下部分：土柱装置、TDR探头、数据采集器、恒温循环水箱、电脑等。土柱装置采用的PVC管外径110 mm、壁厚2.5 mm、长度1 000 mm，内部由铜板分割为加热段与土样段两部分。侧壁布设有7个TDR探头测孔，按照距铜板距离的大小，由近到远依次编号为：A、B、C、D、E、F、G，它们距铜板的距离依次为：30、80、180、280、430、580、780 mm。

1-加热段；2-铜管；3-铜板；4-TDR探头；5-TDR探头测孔；6-土样段；7-软管图1 实验装置示意图(单位: mm)Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

1.3 实验工况

本次实验6种土样实验工况见表2。击实锤对土样每一次作用的击实功恒定为20 J。

1.4 实验步骤

本实验采用“少量配置分层装填”的方式配制与装填土样，每次配制1 kg含水率为5%的土样装入土柱，用击实锤以20 J

表2 实验工况表Tab.2 The table of experimental condition

的击实功击实5次，然后进行下一次装填，直至土柱装满，以保证土样含水率与孔隙率的一致性。土柱装填完毕后，将土柱水平放置，并将7个TDR探头按编号依次垂直插入对应测孔，待恒温循环水箱预热到设定温度30 ℃时，暂时关闭水箱电源开关。通过软管将恒温循环水箱的输入、输出口与土柱热源段的输入、输出口连通，使二者形成整体闭合循环回路。实验正式开始前，对土样温度、湿度数据进行预采集，以防止数据采集出现滞后现象。实验持续24 h后，关闭循环水箱，导出实验数据。

2 结果与分析

2.1 热迁移变化规律

对同等条件下，砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂、黏土6种土样的温度变化数据进行整理分析，得到A、B、C、D、E、F、G 7个测点的“温度-时间”变化曲线，如图2所示。

图2 不同测试点“温度-时间”变化曲线Fig.2 The curves of “temperature-time” at different test points

分析图2可以得出以下结论：

(1)从曲线变化整体趋势分析：①当测试点靠近热源点时，土样温度随时间变化的曲线为倒“L”型曲线。下面以测点A为例：在土柱加热的前200 min，土体温度急速上升；在200～600 min之间，温度上升速率逐渐变缓；600 min之后，各土样温度均趋于稳定。经观察，其他近热源点“温度-时间”变化曲线也符合此趋势，此处将近热源点“温度-时间”变化曲线分为“温变剧烈期”、“温升趋缓期”和“温度平稳期”3个阶段。②当测试点远离热源时，6种类型的土样“温度-时间”变化曲线多呈“S”型曲线。以测点E的中砂的变化曲线为例：加热初期，温度基本保持初始温度不变；在500～1 100 min，测点位置的土体温度呈现急剧上升趋势；1 100 min之后，测点温度逐渐趋于稳定。其他远热源点“温度-时间”变化曲线大多符合此趋势，因此将远热源点“温度-时间”变化曲线分为“温变前期”、“温变剧烈期”和“温度平稳期”3个阶段。

造成以上线形差异的原因如下：在近热源点，初始温度与热源温差高达9 ℃，较大的温度梯度驱动热量快速向远离热源方向传导，导致土体有一个“快速升温期”；在远热源点，热量传导、温度升高需要一定时间，因此曲线前端的温度变化有一定滞后性，另外，远热源监测点的热量直接来源靠前端土体提供，前端土体温度升高是一个渐变的过程，因此，“温变前期”温度变化整体呈升高趋势，但过渡平缓。

(2)不同土样类型温度变化曲线第一阶段差异分析：①倒“L”型曲线：在“快速升温期”以A、B测点曲线为例进行分析，不同土样距离热源越远，温度差异性越明显。由B测点曲线可以明显看出，同一时刻，粉砂、细砂和黏土的温度整体高于其他土样类型，其中中砂相较于其他土样类型温度最低。②“S”型曲线：对比C、D、E、F、G测点“温度-时间”曲线的“温变前期”段，6种土样温度高低排序依然为：粉砂、细砂和黏土最高，砾砂和粗砂次之，中砂温度最低。

综上所述，针对倒“L”型曲线的“快速升温期”或“S”型曲线的“温变前期”，含水率为5%的不同类型土样热迁移效果由高到低排序如下：粉砂、细砂和黏土热迁移效果最佳，砾砂和粗砂次之，中砂最差。

(3)热源影响半径分析：热源影响半径为在土样加热过程中，受热源影响较明显或温度变化较大的区域之边界距热源的距离。当某测点距热源距离大于温度影响半径时，温度受热源影响极小，温度变化范围较小。以图3的中砂为例，A、B、C、D测点(距热源距离依次：30、80、180、280 mm)初始温度与平稳期温度变化幅度明显；E、F、G测点(距热源距离依次：430、580、780 mm)温度变化幅度较小，因此可认为该工况条件下中砂温度影响半径280 mm≤r≤430 mm。

(4)不同土样类型达到“温度平稳期”消耗时长对比：①在温度影响半径以内，随着土样距热源距离增加，达到温度平稳期所消耗时长逐渐增大。以中砂为例，A、B、C、D测点(距热源距离依次：30、80、180、280 mm)位于温度影响半径之内，它们的

图3 不同土样类型“温度-距离”散点图Fig.3 The scatter plot of “temperature - distance” for different soil samples

温变前期时间依次约为：10、30、120、180 min。温变剧烈期时间依次约为：170、240、330、690 min。②距离热源越近，不同土样类型达到“温度平稳期”消耗时长差异越不明显；距离热源越远，差异越显著。以C测点为例，不同粒径土壤达到“温度平稳期”消耗时间由短到长依次为：中砂、粗砂、砾砂、黏土、粉/细砂，G测点不同粒径土壤达到“温度平稳期”消耗时间由短到长依次为：中砂、黏土、砾/粗砂、粉砂、细砂。结合其他测点结果可以得出：初始状态相同的不同类型土样在热源作用下，中砂温度可以最快达到稳定状态，细砂和粉砂耗时最长，黏土规律性不明显。

加热24 h后，土柱内各测点温度基本趋于稳定，结果如图3。不同土样类型的土柱内各测点温度趋于稳定后，大部分土样类型的稳定温度相差不大，只有中砂在所有测点的稳定温度值均低于其他类型土样，同时，距离热源越远，中砂与其他类型土样稳定温度的差值逐渐变大。

对6种土样类型的实测温度值进行了幂函数y=axb趋势线拟合，结果见图4。由图4可以看出：

图4 不同土样类型“温度-距离”拟合曲线Fig.4 The fitting curves of “temperature-distance” for different soil samples

(1)加热24 h后，随着距热源距离的增加，6种类型土样温度均呈现先减小，后逐渐趋于稳定的趋势。

(3)在土样的初始温度、初始含水率、击实次数及热源温度相同条件下，随土样类型变化，对应的趋势线公式y=axb中，参数a、b值的变化较大。砾砂、粗砂、细砂、中砂、细砂、粉砂、黏土所对应的a值依次为：30.651、30.764、30.482、29.977、30.695、29.560；对应的b值依次为：-0.046、-0.046、-0.052、-0.043、-0.045、-0.039。

(2)在不同土样类型条件下，采用幂函数y=axb对加热24 h后土样的温度值在不同的热源距离下的分布点进行趋势拟合，所得相关系数R2均大于0.99，拟合度较高。

2.2 水分迁移变化规律

以B为近热源代表，以F为远热源代表，对6种类型土样测试所得的含水率进行整理、分析，得到不同土样类型在热源作用下含水率随时间的变化情况，见图5、图6。

由B测点和F测点的土样在加热过程中“时间-含水率”

图5 B测点不同土样类型“时间-含水率”变化曲线Fig.5 The curves of “time-temperature” for different soil samples at testing point B

图6 F测点不同土样类型“时间-含水率”变化曲线Fig.6 The curves of “time-temperature” for different soil samples at testing point F

变化曲线可知：6种测试土样含水率随时间的变化整体表现为振荡曲线。以近热源点的砾砂(测点B)为例进行说明：如图6所示，在加热过程的前900 min，砾砂含水率以较高频率较大振幅在振荡；900 min之后监测点含水率基本保持稳定。根据这个表现特征，本文将含水率变化曲线大致分为两个时期：“含水率剧变期”、“含水率趋稳期”。加热初期，各测点含水率变化曲线振荡频率较高，振幅较大；随加热时间的延长，含水率变化曲线振荡频率逐渐降低，同时振幅也有所减弱。

2.3 热迁移与水分迁移关系

在热影响半径内，土体中热量的传导与含水率的传递相互作用，互为驱动。越靠近热源，温度梯度越成为水分在土样中运移的主要驱动力；越远离热源，湿度梯度越成为温度传导的主要驱动力。本文取砾砂监测数据为代表进行研究，取B测点实验值为近热源点代表，结果见图7：砾砂含水率由“剧变期”进入“趋稳期”的时间突变点约在加热600 min处，同理，砾砂温度变化趋于平稳的时间点约在500 min处，含水率变化相较于温度变化滞后。以上结果说明靠近热源，土样温度梯度驱动水分运移。取F监测点作为远热源点代表，实验结果见图8：砾砂含水率由“剧变期”进入“趋稳期”的时间突变点约在加热400 min处，砾砂温度变化趋于平稳的时间点约在1 000 min处，含水率比温度早进入“趋稳期”，说明远离热源的监测点，湿度梯度驱动温度传导。

图7 B测点砾砂温度与含水率随时间变化曲线Fig.7 The curves of temperature and moisture with time for gravel sample at testing point B

图8 F测点砾砂温度与含水率随时间变化曲线Fig.8 The curves of temperature and moisture with time for gravel sample at testing point F

3 结 语

(1)温度变化曲线与含水率变化曲线均具有阶段性：①靠近热源点，6种土样温度随时间变化的曲线均为倒“L”型曲线，根据温度变化趋势分为“温变剧烈期”、“温升趋缓期”、“温度平稳期”3个阶段；远离热源时，温度随时间变化的曲线多呈“S”型曲线，根据温度变化趋势分为“温变前期”、“温变剧烈期”、“温度平稳期”3个阶段。②含水率变化曲线整体上呈振荡趋势，根据曲线的振幅和振荡频率大致可以分为“含水率剧变期”与“含水率趋稳期”2个阶段。

(2)不同土样类型热迁移过程具有差异性：初始含水率均为5%的6种土样导热性能由高到低排序如下：粉砂、细砂和黏土热迁移效果最佳，砾砂和粗砂次之，中砂热迁移效果最差。在热源作用下，6种土样类型里中砂温度达到稳定状态耗时最短，细砂和粉砂则耗时最长。土柱内各测点温度趋于稳定后，大部分土样类型的稳定温度相差不大，只有中砂在所有测点的稳定温度值均低于其他类型土样，且距离热源越远差值越大。

(3)采用幂函数y=axb拟合6种土样在不同的热源距离下的温度变化，相关系数R2均大于0.99，拟合度较高。随土样类型变化，参数a、b值的变化较大，砾砂、粗砂、细砂、中砂、细砂、粉砂、黏土所对应的a值依次为：30.651、30.764、30.482、29.977、30.695、29.560；对应的b值依次为：-0.046、-0.046、-0.052、-0.043、-0.045、-0.039。

(4)在热影响半径内，土体中热量的传导与含水率的传递相互作用，互为驱动。越靠近热源，温度梯度越成为水分在土样中运移的主要驱动力；越远离热源，湿度梯度越成为温度传导的主要驱动力。在近热源点，含水率变化相较于温度变化滞后，说明靠近热源，土样温度梯度对水分运移驱动作用明显；在远热源点，含水率比温度早进入“趋稳期”，说明远离热源，湿度梯度对温度传导驱动作用显著。

[1] 虞维平，陈振乾，施明恒. 太阳辐射对沙土内部热湿迁移过程影响的实验研究[J]. 太阳能学报，1995,(4):395-400.

[2] 陈振乾，施明恒. 大气对流对土壤内热湿迁移影响的实验研究[J]. 太阳能学报，1999,(1):88-93.

[3] 张 玲. 土壤热湿传递与土壤源热泵的理论与实验研究[D]. 杭州：浙江大学, 2007.

[4] 杨震雷. 非饱和砂箱水汽热运移的试验研究[D]. 北京：中国地质大学, 2010.

[5] 鹿凯凯，董 华. 绝热坑槽内土壤热湿迁移的实验研究[J]. 青岛理工大学学报，2014,(2):86-91.

[6] 刘松雨. 土壤高温蓄热中热湿传递特性的实验研究[D]. 北京：北京建筑大学, 2014.

[7] 陈红兵，丁翰婉，刘松雨，等. 不同土质条件下土壤高温蓄热中热湿传递的实验研究[J]. 太阳能学报，2015,(9):2 314-2 318.

[8] 吴 玮. 水分迁移对非饱和土壤热湿传递特性的影响研究[D]. 北京：北京建筑大学, 2015.