东北多年冻土区粉质黏土导热性能研究

赫盛岚,柳艳杰,丛宇婷,丁 琳

(1.绥化市阁山水库建设管理局，黑龙江 绥化 152200;2.黑龙江大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

中俄原石油管道是我国重大能源战略通道之一，是我国从俄罗斯进口原油资源的重要通道。管道贯穿了我国高纬度多年冻土区，漠大线运营后由于油温一年四季都处于正温，融沉问题已经凸显，地表沉陷、管沟积水、融化圈增大等冻土退化现象明显，管道沉降变形也在持续发展[1]。导致冻土冻融原因是外界温度变化对冻土的物理性质有很大影响，温度降低时土体中的水分子会发生迁移造成土体膨胀，温度升高时，冻土中的冰晶开始融化，土体在各种荷载的作用下开始变形，导致融化下沉，随着温室效应加深，多年冻土退化加快，北极圈冻土南界限(黑龙江)开始北移，加之森林植被锐减导致冻融灾害逐年增加，多年冻土区的浅埋式油管的油温对管线稳定运行构成威胁[2]，而输油管线的修建改变了冻土温度场及地气间的热交换条件，多年冻土处于劣性动态平衡甚至退化过程[3]。

冻土热物理学参数包括导热系数、比热，结冰温度等，导热系数作为重要的热物性参数，是反映土体能量状态、传递和储存热量能力的一个重要表象，是评估外界热扰动改变土体内部能量变化及其状态的重要因数。土壤质地、温度和含水( 冰) 量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素[4]。张楠等[5]研究表明导热系数是影响和决定土体热量传播速度和温度的分布主要原因。温智等[6]研究表明原状冻土和重塑土的导热系数变化有较大差别，对于深部全风化泥岩气体体积的含量对导热系数起主要作用。刘为民等[7]研究表明土体的多孔介质性质决定了土体的导热性质与干土、气体及孔隙充填物(水)的含量有密切关系。原喜忠等[8]人建立了预估模型对土质类型、密实度(孔隙率)和含水率(饱和度)等因素进行了研究。王杉[9]对中俄原石油管道漠大冻害问题研究表明主要病理是冰幔、冻胀、冻拔、季节性 冻胀丘、地表裂缝等病害。吉严峻等[10]对中俄原石油管道沿线不同地貌单元的典型土进行了冻胀试验与评估，对漠河-大庆段地基进行了融沉试验和稳定性评价。唐盼盼等[11]研究了含水率、基质吸力和温度的关系。

本文以中俄原油管道漠河-大庆段粉质黏土为研究对象，通过正规状态法测试原状土冻土样的导热性能试验，对部分土料用稳态法测定其冻融状态下的导热系数，利用冻土骨架比热测试，系统分析冻土粉质黏土的导热系数、骨架比热、含水率与干重度和导热系数之间的关系，利用稳态法模拟试验控制干容重和控制含水量对原状土导热系数变化规律进行研究。本文分析了漠河—大庆管道粉质黏土的热学性质及其影响因素，揭示了热学性质对冻土的冻胀融沉的灾害影响，为中俄原油管道沿线的冻害防护提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1. 1 试验来源

试验土取自典型高纬度多年冻土区，漠河—大庆沿线管道段，取样钻孔深度自地表至10 m，天然密度1.42～2.30 g/cm3，共计103个原状冻土样，具体土类统计及基本物性参数见图1与表1。

图1 土样分类统计

表1 土样基本物性参数

采用量热法测定冻土骨架(干土)比热，本次试验共做了99个土样，试验取土与正规状态法导热系数测定的试验用土相同，将原状土带回实验室重塑试验，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)。为提高试验精度，将待测土样在烘干箱中预烘干2～3 h，然后碾散，放入烘箱在105 ℃恒温烘干8 h，放入干燥器中冷却待用。

1.2 试验仪器

本次试验采用THD-4010低温恒温槽、导温系数试验装置、正规状态法测定冻土导温系数仪器、量热器以试样预冷装置。

1.3 试验步骤

将沿线钻取的原状土样测定天然密度及含水率，按照标准GB/T 50123—2019将原状土带回实验室，用正规状态法导温测试装置测定其导热系数、烧失量以及测定其含水量、干密度、塑性指数，再用量热器系统测定比热参数。

2 试验结果及分析

根据试验绘制了含细粒土砾石融土导热系数在不同干密度下融土导热系数与含水量的关系曲线和不同含水量下融土导热系数与干密度的关系曲线，如图2、图3所示。结果表明，含细粒土砾石融土导热系数在含水量不同的情况下，随着干密度增大而逐渐增大，且成线性增加，但是由于干密度增大过程中，孔隙逐渐减小，从而增大了土体内部的联系，使导热系数增加更为明显，含水量是影响导热系数的重要因数之一，导热系数随着含水量的增加呈现出增长的趋势，当含水量达到液限时导热系数趋于定值，根据二元线性回归分析，其结果：λ=0.036 123W+1.251 75γd-1.317 34,R2=0.736 252,n=10,m=2,F=9.285 479>F0.1(2，7)=3.26，表明了融土导热系数与含水量和干密度呈现显著的相关性。

图2 土料不同干密度融土导热系数与含水量的关系

图3 土料不同含水量融土导热系数与干密度的关系

图4、图5为含细粒土砾石的冻土导热系数与含水量和干密度的关系曲线，冻土导热系数与含水量和干密度的关系与融土的相似，但其增长的速度明显高于融土，相同的含水量在相同的干密度的条件下，冻土的导热系数要比融土的高得多，这是由于土的导热系数与孔隙率有密切的关系，而冻土导致单位体积土的含量减小，从而使土的导热系数增加，冻土的含水量的增加，使导热系数增加的原因是，土体内部水分增加，土颗粒之间在水分的作用下形成液桥，在液桥作用下土颗粒之间的距离减小，土粒连接更加紧凑，空隙率也会明显减小，这也是冻土导热系数比融土导热系数大的原因。根据二元线性回归分析，其结果：λ=0.079 942W+1.367 179γd-1.663 49，R2=0.783 296，n=9，m=2，F=10.8438>F0.1(2，6)=3.46，表明了冻土导热系数与含水量和干密度呈现显著的相关性。

图4 土料不同干密度冻土导热系数与含水量的关系

图5 土料不同含水量冻土导热系数与干密度的关系

根据试验数据绘制的粉质黏土导热系数在不同干密度下融土导热系数与含水量的关系曲线和不同含水量下融土导热系数与干密度的关系曲线如图6、图7所示，由图可知，导热系数随着干密度的增加同一含水率的融土导热系数是呈现线性增长状态，含水量的增大导热系数也明显增长很快，不过相对于含细粒土砾石的导热系数，粉质黏土在低含水量时会发生塑性效应，导热系数会很低，即使在同一干密度下，粉质黏土的含水量即使大于含细粒土砾石的，其导热系数要比之小很多，随着含水量的增加导热系数增长速度比较缓慢。根据二元线性回归分析，其结果：λ=0.020 364W+1.154 471γd-1.325 96，R2=0.637 68，n=10，m=2，F=5.333 21>F0.1(2，7)=3.26，表明了融土导热系数与含水量和干密度呈现显著的相关性。

图6 土料不同干密度融土导热系数与含水量的关系

图7 土料不同含水量融土导热系数与干密度的关系

图8、图9是粉质黏土的冻土导热系数与含水量和干密度的关系曲线，在相同干密度情况下，相同的含水量粉质黏土的导热系数要比含细粒土砾石的小，其即使增大了含水量，导热系数的增长速率也是比较缓慢的，而且粉质黏土受液限、塑限的影响比较大，在塑限之下时会有塑性反应，到达液限之后导热系数就不随含水量的增加而改变。根据二元线性回归分析，其结果：λ=0.061 459W+2.290 524γd-3.821 84，R2=0.885 087，n=10，m=2，F=26.957 75>F0.1(2，7)=3.26，表明了融土导热系数与含水量和干密度呈现显著的相关性。

图8 土料不同干密度冻土导热系数与含水量的关系

图9 土料不同含水量融土导热系数与干密度的关系

3 结 论

本文通过对中俄原石油管道沿线的原状土热学性质实验研究，含水率和干密度对土体的热学性质影响相对较大，孔隙率、土颗粒级配和颗粒成分也是影响土体导热系数重要因素。

(1)粉质黏土在塑限以下时导热系数很小，含水率在塑限以下的时候，土骨架对粉质黏土的导热系数起主要作用；当含水率在塑限以上时，水是影响土体导热系数的主要因素，因此，在含水率达到液限及其以上时，其导热系数趋于稳定

(2)粉质黏土的导热系数要低于含细粒土砾石的冻土导热系数，粉质黏土与含水量和干密度呈现显著的正相关性，根据二元线性回归分析不同粒径土相关性差异明显。粉质黏土导热性能差产生冻胀融沉的较大，对中俄原油管道沿线地基灾害较大。