压实填土的热传导系数与密实度相关性研究

孙冬蒲 黄凤青 龙 平 杨旭湟

(西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730124)

1 概述

压实填土密实度检测在众多领域得到了广泛应用，在当今世界的建设和发展中发挥着独特的作用。压实填土应用比较多的工程建设领域有：地基、道路、人工堤坝等，这些项目的建设都离不开压实填土检测技术，目前传统检测方法所需时间较长，现场灌砂灌水法密实度检测的开挖范围相对较大，检测结果的准确性受人为因素影响明显，同时压实填土施工检测点数量大、频次高，能否高效快速准确地检测压实质量是制约工程进度的重要因素。

目前对压实填土密实度检测的方法可以分为介入性检测和无损检测两种。介入检测是传统检测方法，此类方法虽简单，但是耗时长，烘箱里烘干至少8 h，同时灌砂灌水法会对被测体产生破坏性的影响，结果受人为因素影响较大。为弥补传统检测方法的不足，研究出无损检测方法，该方法因其能够减少对工程和环境的破坏，获得了广泛关注。目前研究人员正在研究一些新型检测方法，如核子密度仪检测法、无核密度仪检测法等，其中核子密度仪检测法在国际中广泛应用。但是，略有操作不当便会对检测人员造成危害，仍需要研究更便捷、准确和安全的检测方法。

2 实验原理

文中分别对含水率、击实能进行研究，其目的都是为了研究单因素——密实度对导热系数的影响。实验将烘干的土样制备成不同含水率、相同击实能；不同击实能、相同含水率的回填土样。将制备完成的回填土样放入实验室静置2 h，与室内同温，测定导热系数与孔隙率，得到密实度与导热系数的函数关系。测定完成后，用环刀取试样中心土样，用保鲜膜密封，静置2 h，等待用Hot disk TPS2500S进行实验验证。

3 仪器选择

KD2 Pro使用3种热特性传感器，测量热扩散率、比热、导热率和热阻率。KD2 Pro使用线性热源方法进行测量，通过监测样品中给定某一电压的线性探针的热耗散和温度，计算物质的热特性。一个测量周期包括：30 s平衡、30 s加热和30 s冷却时间，在加热和冷却期间以1 s为间隔进行温度测量，然后用指数积分函数拟合。

KD2 Pro有三种类型的传感器，分别为KS-1 6 cm，TR-1 10 cm和SH-1 30 mm,由于TR-1 10 cm长针主要用于测量坚硬样本的热传导率和热阻，回填土体属于坚硬样本，因此选用TR-1 10 cm长针进行测量。

4 实验设计与实验过程

4.1 实验设计

分别采用粉土为回填材料，基于控制变量的思想，在不同含水率、相同击实能；最优含水率、不同击实能的条件下，将回填材料击实制成回填土土样。利用热线法针式瞬态热传导系数测试仪快速测得非饱和试样热传导系数，再分析数据绘制曲线找到两者的关系。

4.2 实验过程

4.2.1 相同击实能，不同含水率实验过程

1)土样的制备。试样土选用甘肃地区有代表性的粉土，用四分点法取出代表性土样，用烘箱烘干、捣碎，并用5 mm孔径的筛子筛分，均匀加水制成含水率分别为12%，14%，16%，18%，20%回填土样5份，静置12 h以上。

2)试样的制备。a.取标准轻型标准击实仪置于刚性基础上，安装各部件，检查仪器各部件以及配套设备性能是否正常，并做好记录；b.从制备好的土样中称取一定量的土料，分三层倒入击实筒中并将土面平整，分层击实，每层击实25次；c.重复以上过程，直至5份回填土试样制备完毕；d.放入实验室静置2 h以上，使待测试样与室内同温，等待测试。

3)导热系数的测定。取出土样，使用KD2 Pro针式热传导系数仪TR-10 cm长针型传感器测量(见图1)；要求传感器应完全插入被测介质中，且保证传感器周围任意方向上都有厚达1.5 cm以上的测量介质。

4)最优含水率的测定。测完导热系数之后，从试样中心处取两份土料，为30 g。平行测定含水率，分析数据找到此粉土最优含水率。

4.2.2 最优含水率，不同击实能实验过程

1)土样的制备。试样土选用甘肃地区有代表性的粉土，用四分点法取出代表性土样，用烘箱烘干，捣碎，并用5 mm孔径的筛子筛分，均匀加水制成最优含水率击实能分别为5，10，15，20，25回填土样5份，静置12 h以上。

2)试样的制备同上4.2.1中2)。

3)导热系数测定同上4.2.1中3)。

4.3 实验结果分析

在不同含水率、相同击实能条件下，回填土导热系数与压实系数的关系曲线如图2所示，其中ω(H2O)分别为12%，14%，16%，18%，20%时，数据测定表见表1。图2显示当导热系数η>0.58时，随导热系数的增加，回填粉土的压实系数提高，当导热系数η<0.58时，土壤的压实系数K随导热系数η的增大而减小。此结果表明压实系数与含水率有关，因此可以利用此经验公式检验工程中的回填土是否为最优含水率。

表1 不同含水率下的数据测定

K=0.048 2η2-0.058 4η+0.093 49；

R2=0.556 5。

在不同击实能、最优含水率条件下，回填土导热系数与压实系数的关系曲线如图3所示，其中击实能分别为5，10，15，20，25时，数据测定表见表2。图3显示，当导热系数η<1.599时，土壤的压实系数K随导热系数η的增大而减小；当导热系数η>1.599时,土壤的压实系数K随导热系数η的增大而增大。当密实度达到某一值时，继续增大击实能会出现压实系数为常数的情况，这是因为当回填土达到某一密实度时，回填土内孔隙率极低，回填土质量好。此结果表明压实系数与孔隙比有关，当回填土为最优含水率时，密实度的质量决定了回填土工程的质量，因此利用此公式可以检验回填土的压实质量。

表2 不同击实能下数据的测定

K=1.585 2η2-5.070 3η+4.994 5；R2=0.820 3。

5 实验验证

1)实验原理。为了确保实验的准确可靠性，将利用Hot disk TPS2500S仪器进行对比分析验证，如图4所示。由于Hot disk TPS2500S仪器具有更高的精度，因此利用此仪器进行准确度验证，更能证明实验结果的准确性以及可操作性。将KD2 Pro测量完成的试件，切入环刀，为减少水分的流失，用塑料薄膜将环刀土样密封，然后放入实验室静置2 h，等待测量。

2)结果分析。由图5可知，两种仪器之间具有函数关系，可以进行数据之间的相互验证。由图6可知，Hot disk TPS2500S仪器所测得的热传导系数与密实度的关系仍为二项式次关系，则可知实验结果准确可靠。

6 实验结果的解释

在不同含水率条件下，由于干燥状态下颗粒间的热传导的主要途径局限于颗粒接触点，热传导系数越小，证明颗粒间的空隙越大。如果在颗粒周围增加水分，就会在土颗粒表面形成薄膜，迅速增加颗粒的接触面，使热传导系数显著增加，直至颗粒间的有效接触面积达到最大，回填土密实度相应增加到最大值，继续增加水分，颗粒间的有效面积虽然会继续增加，但同时空隙内的水分也会增加，使颗粒间有效面积增加不明显，颗粒间的空隙变大，导热系数增加变缓甚至下降，密实度随导热系数的缓慢增加而下降。

在不同击实能条件下，由于土颗粒间的空隙越大，密实度越小，因此击实能越小，空隙间的颗粒接触点少，热传导系数和密实度也越小，随着击实能的增加，颗粒间有效接触面积增大，密实度随导热系数的增加而增加，直至达到最大值。密实度达到峰值以后，由于土颗粒间接触已经相当紧密，继续增大击实能，导热系数也不会有很大的改变，此时，密实度和热传导系数都趋于常数。

7 结语

1)研究推导出了热传导系数与密实度具有二项式次关系；2)采用热线法针式瞬态热传导系数测试仪可以快速测得非饱和土体的热传导系数，通过分析热传导系数与密实度之间的函数关系，可以快速得到压实系数，为回填土现场施工质量检验提供了一种新的快捷、准确的检测方法；3)由于此实验均在实验室中进行，与工程实际有一定误差，还需进一步讨论分析。