温控软土地基模型试验装置研发及其应用

邓岳保, 陈 菲, 刘 铨, 王天园, 刘干斌

(宁波大学 岩土工程研究所, 宁波 315211 )

温度作为自然界中一个基本物理量，与时间、长度等有着相同的地位。研究不同温度下材料的物理力学特性，是当今材料学科的一个热点。在岩土工程领域，传统工程活动涉及范围内岩土体的温度场变化幅度通常较小，温度影响可以忽略。但随着地热工程、核废料填埋工程、垃圾填埋工程、热相关的软基处理技术等的兴起，温度场在岩土工程学中的重要性益发彰显[1-3]。例如在地热工程中，由于地埋管的换热作用，使得热交换管与周围土体间的传热和热平衡过程成为其关键技术问题之一[4]。热排水固结法是近年来提出并逐渐引起关注的一种软基处理方法[5]，该法在传统竖向排水井技术基础之上通过对地基进行加热、改善竖井周围土体的固结性状，达到加速软基固结的目的。又如在我国东南沿海地区，建有大量地铁、地下建筑等，地铁车辆和设备等的散热对周围场地的影响以及潜在的爆炸引起的高温-高压-渗流耦合作用，是软土城区地下工程防护设计中值得关注的问题[6]。

实际上，处于一定自然环境下的岩土体都会受到应力场、渗流场、温度场等的综合作用。温度对土体物理力学性质的影响非常复杂，它包括孔压和温度梯度的变化、矿物颗粒组成成分及热膨胀性能变化、土的渗透性变化、压缩和强度特性随温度的变化等多个方面的内容[7-9]。为了研究岩土体在多场耦合作用下的力学特性，国内外学者在常规土工试验仪基础上，开展了诸多温控试验装置的研制和应用。Mitchell等[10]于1963年将压力室置于充满高温气体腔体中(由外接恒温箱控制气体温度)，并通过热水循环控制试样温度，首次开展了饱和粘土的温控固结压缩试验。随后，Demars等[11]、Cekerevac等[12]、Kuntiwattanakul等[13]、Bruyn等[14]、Abuel-Naga等[15]通过水浴加热或电热线圈加热来控制试样温度，研制了不同的温控三轴仪，研究了不同温度方式对土体力学特性的影响。Sultan等[16]改进了GDS三轴仪，将加热线圈置于压力室罩的外壁，并由电热偶控制压力室温度。国内对温控土工试验设备的研制相对较晚，陈正汉等[17]于2005年将常规三轴仪台架与压力室置于一个电热恒温箱内，实现了温控三轴试验的目标。白冰等[18]研制了一种用于饱和土圆柱形试样的温控固结压力室系统。蔡国庆等[19]在土样上下两端设置环形筒状电热板研制了温控非饱和土三轴试验装置。凌道盛等[20]通过设置相互独立的控温环，设计了一种分段式环向控温非饱和土土柱试验装置，可以开展不同温度梯度试验。薛强等[21]也设计了一种温控土柱试验装置，该装置通过加热制冷浴槽来调控温度。高江平等[22]和童森杰等[23]对传统的杠杆式固结仪进行了不同的改进，得到了温控固结仪。另外，张凌凯等[24]、刘干斌等[25]、孔纲强等[26]分别设计了温控无侧限强度试验装置、温控静动三轴试验装置和能量桩桩-土界面摩擦测试装置。上述温控设备研发主要集中在单元体试验，如固结压缩仪、三轴仪和无侧限强度试验仪等；相对来说，温控模型试验装置研究较少。2015年，刘干斌等[27]设计研发了一种竖井排水固结模型试验装置，其特点是利用水循环加热器和地基中预先设置的U型管对地基土进行加热。该装置可较好的对模型地基进行加热，但内置刚性换热管在地基模型中起着桩基的作用，使得地基模型的力学特性研究变得复杂。

受试验仪器设备的制约，国内关于软黏土地基温度特性的研究还非常少。为此基于上述考虑，拟在吸收国内外相关研究成果的基础之上，联合试验仪器生产厂家，设计两套带升温装置的模型试验设备，并通过温度测试试验选用较有优势的实验设备，研制一套适用于软土地基的温控模型试验系统。并利用该系统开展软土地基温控固结模型试验，观测孔压，沉降随时间的变化，分析温度对软土地基的影响。

1 温控软土地基模型试验装置研发

1.1 试验装置总体设计

温控模型试验装置由模型桶(箱)、加载系统、监测系统和温控系统组成，各部分分述如下：

(1)模型桶采用圆桶结构，尺寸满足试验要求；模型桶材料采用300系列的铬-镍奥氏体不锈钢，具有防锈性能好、耐高温等特点；模型桶侧壁能承担土体及加荷以后的侧向土压力，桶壁强度和变形通过了核验。

(2)加载方式采用杠杆式加压，即通过在杠杆端部悬挂砝码吊篮进行加载。杠杆为工字钢，杠杆比1:12。加载系统还包括设置在模型地基顶部的承压板、轴压计、千斤顶和反力架。承压板直径略小于模型桶内径，厚度为12 mm；承压板上按一定间隔设有个排水孔，其目的是使模型地基中的水能从砂垫层中自由排出。轴压计量程为10 t，换算后作用于地基上的压力测量精度约为1 kPa。

(3)监控系统包括百分表(或位移传感器)、温度传感器、孔压传感器及其读数装置。百分表设置在地基顶部，温度传感器和孔压传感器埋设在地基内部，分别用于监测沉降、温度和孔压发展变化情况。其中，孔压传感器量程为0.3 MPa，温度传感器测试范围为0 ～ 120 ℃。

(4)温控系统是温控土工试验设备研制关键。从文献调研发现，已有温控土工试验仪的加热方式主要有3种：① 土样内部加热模式：采用加热线圈、加热棒、加热板等对土体直接加热。该法可以较好地达到试验温度要求，但容易导致试样温度不均。② 土样周围加热模式：在土样容器外围缠绕线圈或循环热水(水浴)对容器内的土体加热，即通过外罩传热使容器内的土体温度升高。该法使试样达到目标温度的时间较长，但试样温度较为均匀。③ 压力室置于恒温箱(室)内模式。该法只需将常规试验仪器置于一个高温环境即可，省去了温控仪器研制过程，但是建立温控实验室的费用较高，对仪器各元件耐温性要求高。综上可见，不同的加热模式有不同的优缺点。对于本文大尺寸模型地基而言，方案三的可行性较小。为此，提出将热源设置在模型内和模型外的两种方案。

1.2 地基模型内部加热方案

该方案在模型桶内部设置螺旋式加热丝，实现在地基内部对土体进行加热，如图1所示。模型桶直径0.4 m、桶高0.6 m、壁厚6 mm。螺旋加热丝通过定位杆预先固定在模型桶内(定位杆的端部为螺纹状，通过正、反旋转可与模型桶底板连接或脱开)。地基土分层填筑，定位杆逐渐往上拨。当软土地基填筑完毕后，定位杆被完全拨出，螺旋加热丝则留在模型地基中。螺旋加热丝与电源连接后即可进行加热，且可以调节和控制温度。

2-a 示意图 2-b 实物图图2 地基外围加热试验装置Fig.2 Test system with external heating equipment

1.3 地基模型外围加热方案

该方案采用热水循环仪对桶壁加热，如图2所示。模型桶为钢制双层空腔式结构，空腔内储水。热水循环仪加热空腔内的水，进而对桶壁加热。模型桶内桶尺寸与前者相同，外桶较内桶在高度和直径上分别增加5 cm和10 cm。内桶顶部距离外桶上边缘5 cm处用环形钢板与外桶进行焊接。钢板上对称开2个直径2.5 cm圆口，并焊接高5 cm的螺纹钢管。该钢管连接水热循环仪的进水口和出水口。模型桶底部钢板开有通水槽，桶外围黏贴隔热的锡纸和厚海绵保温材料。该装置保留了一般模型桶试验装置原有的功能，可以开展常温和升温试验，还可以开展不同温度路径和应力路径的模型试验。水热循环温控仪可分段、分级、线性加热升温及降温，试验过程中根据试验条件可以控制加温-降温开始时间，并对温度进行控制。

1.4 温度测试比较

对两种加热模式下地基中温度场的分布和发展进行了测试。试验土体为重塑软土，含水量设置为液限(饱和流塑状态)。模型地基厚度为40 cm。填筑过程中，在预定位置埋设了3个温度传感器，即T1、T2和T3。传感器位置居于模型地基中轴线，距离地基顶部分别为5 cm、 20 cm和35 cm。地基顶部设置10 cm的中粗砂垫层。待整个模型地基填筑完毕后，施加1 kPa压力进行预压。1周后，沉降基本稳定；开启热源，加载温度设置为60 ℃。图3所示为两种加热方案24 h的温度测试结果。

图3-a所示为内加热方案测试结果。由图可知：在螺旋丝开始加热后，模型地基中的温度迅速上升；加热12 h后，传感器温度上升趋势减弱，表明地基中温度基本达到稳定；加热24 h后，地基不同深度处的温度稳定在46～58℃之间。由于土体上部排出的水及整个桶壁在加热后温度远远高于试验设定温度，导致土体上下部分温度高于土体中间。

图3-b所示为外加热方案测试结果。由图可知：在热水循环仪开始升温后，模型地基中的温度随即开始上升，但上升速度相比于内加热方案慢；加热11 h后，传感器温度上升趋势较之前增强；加温20 h后，温度上升趋于平缓，表明地基中温度基本达到稳定；加热24 h后，地基不同深度处温度稳定在54～58℃；地基中的温度梯度明显，即温度随深度减小而降低，该现象由于温度荷载作用后，地基中的水均被加热(水温50℃左右)。砂垫层和承压板上方的热水，对地基的起到了一定的保温作用。

两者对比：① 前者仪器简单，但操作较复杂；后者空腔式结构较复杂，热水循环仪的运行成本相对较高。② 从安全性来说，前者加热源与土体直接接触，存在烫伤和漏电危险；后者对水进行加热，热源稳定，相对安全。③ 从测试效果来说，前者加热丝周围土体干燥，加热不均匀，地基中的温差较大；后者水浴加热，热源稳定，地基中的温度分布规律性明显，整个地基中的温差较小。④ 螺旋丝设置在土体中，存在加筋作用，对地基整体的力学特性造成一定影响；后者对地基无干扰影响。由此，外围水浴加热虽然结构相对复杂、成本相对高，但从可操作性、安全性和测试效果方面具有明显优势。

2 温控软土地基模型试验装置应用

采用地基模型外围加热方法来开展温控软土地基模型试验。

2.1 试验过程

(1)模型地基填筑。试验土体为宁波城区典型软黏土(第四层土)。天然状态下的基本指标如下：密度1.737 g/cm3；天然含水量42.2 %；颗粒比重2.72；天然孔隙比1.227；液限43.8 %；塑限19.6 %。模型地基填筑之前，将其含水量粗略控制在45 %(大于液限)。然后，将饱和流塑状软土分两层填筑，单层土样虚高25 cm。地基填筑完毕后，放置带孔盖板，并通过砝码施加1 kPa的压力进行预压。一周后，沉降基本稳定(沉降量8.5 cm)。

图4 监测仪器布置示意图Fig.4 Layout diagram of monitoring equipments

(2)仪器埋设。模型地基预压完成后，揭开盖板，按预设位置埋设温度计(3个)和孔压计(3个)，孔压传感器量程为0～0.3 MPa，误差0.02 MPa，工作温度为15～80℃；温度传感器量程为0～120℃，误差为±0.05%F.S，如图4。砂垫层铺设在软黏土地基之上，厚度为10 cm。然后，放置带孔盖板，并在盖板之上对称位置架设两个百分表(量程50 mm)，静置一晚。

(3)分级加载-加温。正式加载之前，记录温度计、孔压计和百分表的读数，作为初始值。然后，对地基模型进行分级加载和加温，如图5所示。图6所示为荷载与温度加载情况。其中：2.5 kPa、12.5kPa和25 kPa均持续2 d；50 kPa的压力维持到试验结束；温度荷载(60℃)在第12天施加，维持9 d；第21天卸除温度荷载，即关闭热水循环仪，去除模型桶外保温材料。

2.2 测试结果

图7所示为温度变化情况，由图可知：温度施加后，地基中温度迅速上升；经过16 h的加温后，地基中的温度基本稳定；在60 ℃的加载温度作用下，模型地基中不同位置处的温度在55～58.7 ℃之间；不同位置处的温度差不大。

图5 温控软土地基模型试验Fig.5Temperaturecontrolledmodeltest图6 温度和荷载Fig.6Loadingandtemperature图7 温度传感器测试结果Fig.7Resultoftemperature

图8所示为超静孔压发展时程曲线(超静孔压为孔压计监测值扣除初始孔压值)。由图可知：① 荷载施加后，超静孔压迅速上升，至峰值后先迅速下降然后逐渐下降；各级加载后的孔压峰值均接近该级加载压力。② 温度荷载施加后，超静孔压迅速上升，至峰值后迅速下降，下降趋势较加载情况更快；温度从常温(20 ℃左右)增加到60 ℃(约40 ℃的温差)引起了65 kPa的超静孔压增量。③ 温度荷载卸除后，超静孔压有一个明显的下降(2～6 kPa)。当模型地基中的温度回归常温后，整个地基的超静孔压消散趋势较之前进一步减缓。

沉降时程曲线如图9所示。由图可知：各级加载后，地基沉降迅速增加，随着时间的延续沉降速率减缓；温度荷载施加后，模型地基首先产生了较小的回弹(回弹量约0.3 mm)，然后沉降速率增大并逐渐减缓；降温过程中，沉降速率变化不明显。

图8 超静孔压发展变化过程 图9 沉降时程曲线Fig.8 Result of excess pore water pressure with time Fig.9 Result of surface settlement with time

2.3 分析及讨论

(1)温度分析。外围水浴加热方式是四周和底面加热，地基顶部无温度荷载。但是，在经历4级加载后，承压板上方有明显的水排出；在温度荷载作用后，地基中的水均被加热(水温50℃左右)。砂垫层和承压板上方的热水，对地基的起到了一定的保温作用。因此，整个地基中的温度差不大。

(2)超静孔压发展分析。① 升温过程中孔压迅速增大，超静孔压超过了地基上覆压力。升温导致的孔压增量值与排水条件密切相关；排水条件越好，孔压值上升越小；若完全不排水，则如同在密闭空间施加温度，孔隙水受热膨胀，孔压将剧增(孔压上升值理论上存在一个极值)。② 孔压达到峰值后迅速消散，其速率快于加载引发的孔压消散。究其原因：一方面，孔压梯度增大使得排水速率加快；另一方面，温度升高后，水的粘滞系数减小，土的渗透性增加，孔压消散速率加快。③ 温度荷载卸除后，超静孔压值下降，这与土体材料的热胀冷缩性质有关。

(3)沉降分析。① 温度升高瞬间沉降由三方面组成：一是荷载(50 kPa)引起的固结沉降；二是加热瞬间土体产生的膨胀；三是升温引起的超静孔压来不及消散，地基中的有效应力为负，导致地基回弹。耦合温度的地基瞬时变形即为这三者的共同作用结果；若土体膨胀回弹量大于土体固结沉降量，地基整体上表现为回弹。② 模型地基经历温度荷载作用后，软土固结系数增大(压缩模量较初始时刻增大；升温使得土的渗透系数提高)，因而在温度荷载作用下软土地基固结沉降速率增加。③ 土体加热后，变形性状宏观上表现为压缩性增大，即温度对地基的最终沉降量有一定影响。

3 结语

(1)在梳理已有研究基础之上，设计了两种温控软土地基模型试验装置，即螺旋式电热丝对地基土内部进行加热和利用热水循环加热模型桶壁的地基外围加热方式。通过试验对比了两种方法的可操作性和加热效果，发现后者操作方便且温度控制效果良好，实现了温控装置研发的目标。

(2)采用外围加热方式对本地区典型软土开展了热排水固结模型试验，发现荷载施加后，超静孔压迅速上升然后逐渐下降；温度从常温增加到60℃引起了约65 kPa的超静孔压增量；温度荷载卸除后，超静孔压明显回落。沉降方面，温度升高瞬间土体沉降发生变化，模型地基在升温后首先产生了小的回弹，然后沉降速率增大并趋于稳定；降温对沉降速率影响不明显。

(3)热排水固结模型试验的试验结果证明了温度对地基沉降及孔压有一定的影响，但其作用机理及如何用理论进行解释，仍需进一步研究。

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