土体热加固方法的研究进展

樊恒辉，倪晓逸，孟敏强，杨秀娟，张 路

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 岩土工程研究所/特殊岩土博物馆， 陕西 杨凌 712100)

土体热加固方法是人类在改造自然过程中，为了提高土体的工程性质而采用的加固技术之一。它属于一种物理化学加固方法，既包括脱水干燥的物理过程，又包括黏土矿物在高温作用下发生质变的化学过程。本方法历史悠久，早在我国新石器时代，先人们就开始采用热加固方法对房屋的墙体和地坪进行处理，提高其坚固性和耐水性，并能起到防潮防寒的目的[1-2]。随着工程实践的需求和科学技术的发展，人们又重新开始审视并应用此项古老的技术。文献查阅表明，M.M菲拉托夫团队于20世纪20年代通过室内和室外试验确定了土在高温(400℃、800℃以及大于1 000℃)条件下的适应性[3]。此后热加固法被应用于各种不良地基的处理中， 奥斯塔舍夫、李特维诺夫、斯捷普拉[3]、宋汉堂[4]、谈鹏燕等[5]通过试验证实了高温可有效消除黄土湿陷性，并在热加固工艺方面做了许多研究，包括热源和加热方法选择、钻孔结构改善、利用电能等。近年，热处理多作为一种协同手段出现在工程加固的各类方法中，邓岳保等[6-7]、王天园等[8]、刘干斌等[9]、尹铁锋等[10]、白冰等[11]从固结原理入手，利用升温引起的热膨胀与超静孔压，通过理论推导、数值模拟与试验验证，探索改良了地基热排水固结法，大大加快了固结效率，减小了工后沉降[12]。除了传统的工程加固，热加固方法在环境岩土土壤修复[13]、古遗迹加固[14]等方面的作用也越来越引人注目。

热加固方法的本质是高温对土体物理、化学、力学、生物等性质的影响，除了土木工程地基处置以外，还涉及农业工程、地质工程、水利工程、交通工程等众多领域。如污染土的土壤热修复技术、核废料地质处置膨润土缓冲/回填材料、地热能源开发与利用、输热地埋管线、土质隧道火灾修复等诸多方面[15-18]。

本文基于土体热加固技术的研究现状及实际需求，提出了热土的概念与分类，阐述了土体热加固技术的方法与机理，分析了高温下土体工程性质的变化规律，列举了相关工程案例，指出了热土研究领域中存在的若干问题，并对未来的研究方向做了展望。

1 热土的概念与分类

1.1 热土的概念

土体热加固方法，是指通过一定技术手段使土体经历一定时间的高温作用，改变其性质和成分，进而使土体获得较高的水稳性和力学强度的处理方法。由于土体经加热改良后具有独特的力学、渗透与变形性质，且这种改良大多具有不可逆性[19]。因此，可在现有的特殊土分类中增加一类土—热土，用于描述经过热效应作用后具有独特的物理、化学、生物、微观结构及工程力学等性质的土体。所以，热土的概念可总结为，是指经过热效应作用后土体的物理化学成分、结构特征和工程特性发生显著改变的土。

1.2 热土的分类

由于受热温度的高低不同，土体的工程性质、生物学性质会受到不同的影响。因此，根据温度的高低，将热土分为低热土(60℃～300℃)、中热土(300℃～600℃)和高热土(600℃以上)。此外，热土还可根据受热方式不同、热加固方法不同等进行分类。根据受热方式不同，可分为主动受热土、被动受热土，前者如地基处置中采用燃油、天然气等加热固化的地基土，后者如核废料地质处置中由于核泄露辐射造成膨润土缓冲材料受热、土质隧道火灾等。根据热加固方法不同，可分为热源热土和微波热土。

2 热加固的方法与机理

加热固化土体的方法有多种，根据加热机理不同可将热加固分为热源加热和微波加热两种方式。

2.1 热源加热机理

热源加固方法指利用高温气体[20]、电热丝[5]等热源在加热孔中长时间焙烧，使孔壁升温产生温度梯度，进而传递到整个待处理土层中，以达到相应处理温度的加固方法。其原理与烧结砖类似，主要用于黏土工程中，通过提高土体环境温度，使土体中水分蒸发，土颗粒收缩凝聚，改变原有的松散孔隙结构与矿物相，直至土颗粒熔融重新凝固形成致密结构，根据土中水的变化大致分为四个阶段[3,21-24]：

(1) 干燥阶段：从室温开始，土体表面的物理吸附水和层间吸附水不断蒸发，颗粒周围水膜丧失互相靠近，发生气成收缩，温度升至100℃～150℃，游离水脱附完全。

(2) 脱水阶段：此时强结合水开始脱附，升温到200℃～300℃时，部分热稳定性极差的矿物开始发生分解，土颗粒进一步靠近，发生火成收缩，400℃～500℃时，火成收缩最为显著，此时土体性质具有可逆性。

(3) 焙烧阶段：继续升温，结构水脱附，发生去羟基反应，引起结晶格架软化和破坏，土体中的大多数矿物发生相变，部分颗粒出现熔融现象，结构发生根本性转变。

(4) 熔化阶段：焙烧温度达到1 000℃以上时，土颗粒熔融流动，土体进入熔化状态，孔隙结构破坏，冷却后形成新的致密结构。

2.2 微波加热机理

微波即波长范围在1 mm～1 m间，频率范围在3.0×102～3.0×105MHz之间，具有波粒二象性的电磁波。微波加热法指利用微波发射装置照射待处理土层，以提高其温度的方法。原理是利用微波的传输特性，通过分子与电磁场相互作用传递能量，进而转换为热能，使介质土层被加热，具体机理包括偶极极化(极性分子高速运动，平均动能大幅提高)、离子导电(电子或离子流动产生电流通过电阻产热)和界面极化(可视为上述两种机理综合作用)三种[25-28]。

热源加热方式中，通过对流、传导和辐射的方式，将热量由表及里地传递至土体中使水分蒸发，能量传递的原始推动力是温度梯度；而微波加热不需要任何热传导过程，直接通过微波在土体内部的介电损耗将能量转移给分子或原子，这种独特的原位能量转移方式有别于热源加热方式。由于电磁波具有穿透性，所以与热源加固技术相比，可做到土料内部和表面温度同时迅速升高，从而大大提高了加热速度。

3 热加固对土体工程性能的影响

土体经加热处理后，它的物理、化学、生物、微观结构、矿物成分等均会发生变化，尤其在高温处理后土体的力学、稳定和变形等工程性质方面的变化最为显著。

3.1 物理性能方面的影响

Towhata等[29]研究认为60℃、110℃、200℃下高岭土和蒙脱土液塑限不随温度变化而变化。松尾新一郎[21]研究发现土在400℃～600℃之间的塑性指数随温度升高而急剧降低，认为在此温度梯段某种黏土矿物再结晶使得土体在亲水性方面产生了不可逆的变化。张登良[30]详细研究了100℃～1 140℃之间西安黄土的物理性质，发现土样在400℃～500℃时颜色逐渐变红，在900℃～1 000℃时颜色逐渐变为棕色；烧失率随着温度的升高而增大；在0℃～100℃和900℃以上时收缩率随着温度的升高而增大，而在100℃～900℃之间体积基本无变化。陈正发等[31]通过对22℃～200℃下上海软黏土的研究发现，随着温度升高，土体干密度增大，饱和度减小，呈现出加热硬化现象；高温环境对土体导热系数有积极作用，初始含水率越高，有效导热系数越大；但相应土体升温会变慢，总的来说，土体的导热性能较差，且土层越深，传热越困难[32-33]。

3.2 化学性能方面的影响

Verdes等[34]研究认为220℃以下的温度对土体的物理化学性质影响并不大；而220℃～460℃之间的温度会加快有机质分解，破坏土体结构；460℃以上的温度会去除土体的羟基，对碳酸盐结构产生不可逆的破坏。同时随着温度的升高，土体中的矿物成分会发生分解、氧化还原等一系列反应，生成新的矿相。Andreu等[35]研究了La Concordia土经高温作用后不同化学成分的变化，结果如表1所示。Edivaldo等[36]研究了刀耕火种模式下25℃～650℃土体的变化，发现随着温度的升高，土体pH值增加，有机质含量降低，各化学成分发生不同的增减，综合比对得到350℃是改良土壤营养含量的最佳温度，且相较于加热时间，峰值温度对土体化学成分的影响更大。

表1 加热处理后La Concordia土化学成分变化

3.3 生物学性能方面的影响

Verdes等[34]提出多数生物体在100℃左右便会死亡。Daniel等[37]研究认为适当的燃烧能促进植物生成更多营养物质，对生态系统有利；而长期或季节性的燃烧往往会引起演替速率的变化，改变地上和地下的物种组成。此外，水文功能的变化会使得小型和大型动物减少，微生物种群也会发生变化。刘银良等[38]通过研究大兴安岭火灾后的沼泽土壤的变化得出火灾使土壤中的微生物数量明显增加并有向纵深发展趋势，高温使土壤呼吸强度升高, 说明火灾后沼泽土壤中微生物活动加强，物质转化趋于活跃。Ashutosh等[39]分析了印度热带干旱森林夏季野火后一年中土壤微生物特性的变化，验证了刘银良等人的结论，并且得出土壤的微生物特性的季节性波动不会被火灾影响，在森林生态中火灾造成的影响会逐渐修复。

3.4 微观结构性能方面的影响

随着热处理温度的升高，土体比表面积逐渐减少，层结构发生塌陷，表面吸附能力降低[40-41]，土颗粒表面平滑度提高，影响颗粒与颗粒、颗粒与水的相互作用[42]。根据烧结理论，加热温度较低时，土颗粒之间主要是点接触，随着温度的升高，土体失水导致颗粒收缩凝结，团聚体增大，大孔总体积随温度升高而增大，孔隙数量增多，在100℃～700℃左右范围内，微孔体积也与温度呈正相关，孔隙度随温度的升高而增大。随着温度进一步提高，颗粒边缘出现熔融，填充到孔隙结构中，导致微孔体积缩小直至消失，孔隙度降低，颗粒之间出现新的接触形式，细小颗粒开始形成晶界并不断发展直至土颗粒液化流动进一步填充气孔，使孔隙变小变密，形成致密结构[22,41,43-45]。

3.5 矿物变化方面的影响

随着温度的升高，550℃左右土体中的高岭石脱羟基生成非晶态的偏高岭石相，升温到900℃以上转变成Al-Si尖晶石, 最后重新结晶形成莫来石与方石英；伊利石在升温过程中结构遭到破坏，最终生成耐高温的莫来石；长石类矿物在温度低于950℃时较为稳定，随着温度继续升高，会发生一系列化学反应生成热稳定性更高的Al2O3-SiO2体系；绿泥石熔点为1 200℃，在900℃～1 000℃条件下，可分解生成镁尖晶石、氧化镁、四氧化三铁等矿物；蒙脱石在800℃左右转变为钙长石与非晶质蒙脱石，升温至1 000℃非晶质蒙脱石形成亚稳态的镁铝硅酸盐相，再继续升温最后分解生成堇青石与少量方石英；石英熔点高达1 750℃，在热加固过程中一般不会发生较大的矿相变化[22-23,46-47]。除此之外，土体中其余化学成分在高温下也会发生一系列化学反应，生成诸如硅酸钙等热稳定性更高的材料，并且加热会使颗粒键合得到优化，改善其工程性质[47-48]。

3.6 力学性能的影响

松尾新一郎[21]研究了温度(100℃～800℃)和时间对土体无侧限抗压强度的影响，得到抗压强度随温度上升而增强的结论。100℃～200℃时，性质具有可逆性，浸水恢复原值；温度达到400℃及以上，性质变化趋于稳定。通过张栋[49]对淤泥质土的研究，发现抗压强度随着温度升高而增大的趋势与温度呈反比，与加热时间呈正比。费康等[50]通过0℃～60℃下的固结剪切试验发现随着温度升高，剪切强度提高，且黏土剪切特性的温度效应较粉土更加明显。通过烧结砖方面的有关研究，也可佐证高温加热能有效提高土体抗压抗剪强度，并且随着加热时间的延长，土体力学性质的提高也更加显著[51-52]。

3.7 变形性能的影响

Akagi等[53]和Shimizu[54]观察到升温会加速饱和黏土的固结和二次压缩。Campanella & Mitchell[55]在不同温度下开展了一系列的一维压缩试验，试验发现温度升高会产生固结线的平移，而土体的压缩指数与回弹指数(λ和κ)与温度无关。Eriksson[56]和Tidfors & Sallfors[57]基于改进的温控固结仪，对不同黏土进行了一维压缩试验后发现黏土先期固结压力随着温度升高而降低[54]。Eriksson[58]、Leroueil[59]、Tidfors[60]对天然软黏土进行了大量的试验研究，将温度对土的压缩和蠕变特性影响与土颗粒间结合水膜厚度的变化及作用的增强或减弱联系起来，探讨了温度对黏性土变形和固结特性的影响。Buodail[61]研究发现温度对天然黏性土的先期固结压力、压缩过程曲线、孔隙水压力影响较大。通常情况下，黏性土的弹性范围随温度的增加而减小，一些学者则通过不同温度下的等温压缩试验，得出温度对弹性和塑性压缩系数影响不一致的结论。

3.8 渗透性能的影响

Morin等[62]研究了22℃～220℃范围内4种土体的渗透率随温度的变化情况，认为黏性土的渗透性在孔隙比一定的情况下随温度增加而增大。Campanella等[63]和Habibagahi[64]研究了温度对黏土固结系数及渗透系数的影响，认为升温会降低孔隙水的黏性，从而提高土的渗透系数。朱厚影等[65]通过对27℃～95℃红黏土渗透效应的研究发现温度与渗透性成正比，且受初始干密度与初始含水率的影响。邵玉娴等[66]认为土体渗透性的温度效应是吸附结合水量变化的结果，同时亲水矿物的含量也对黏土水理特性有较大影响。

4 工程实践与经验

4.1 日本北路干线金沢地区试验施工

1965年日本的国有铁路为了研究热加固技术的实际应用，在北路干线金沢地区进行了试验施工。该地区自修筑开始到营业后，发生了2～3次坡面崩塌，路面基层沉降显著。试验采用自然通风燃烧方式(开口式)，在坡面用高温处理的方式做成L型砖状挡土墙，从而防止坡面崩塌。工程长度约90 m，孔间距2 m。通过高温加热处理之后，该地区土样基本干燥，颗粒相对密度下降，干密度增大，液限下降，塑限下降，塑性指数下降，砂含量增大，粉土含量降低，黏土含量降低，无侧限抗压强度增大。烧结效果好，在炉口凝固成直径约1.5 m、长度约7.5 m的圆锥形，该部分强度是原地基强度的10倍～20倍，可形成L型圆锥状的砖孔壁[21]。

4.2 西安纺织城医院门诊楼地基下沉热加固处理

该地区门诊楼于1978年建成，1979年发现裂纹，后用白灰桩加固。1981年又出现裂纹，将室外散水下2 m换填3∶7灰土，并加宽散水至6 m，此后下沉仍继续，已影响建筑物的正常使用。后经研究决定采用热加固及挤压注浆方法进行地基强化，消除湿陷。在该医院地基事故较为严重的部位布置烧结孔8个，孔深12 m，孔径15 cm，穿过整个湿陷性黄土层，施工历时3个半月。燃料为液化石油气。烧结温度控制在600℃～900℃。烧结孔位置紧靠基础，使得基础下土体烧结孔外半径约1 m内，均能在长时间高温下烧结。经热加固后该地基趋于稳定，安全投入使用[67]。

4.3 前苏联扎波罗什斯克玻璃厂车间烟囱地基沉降加固

该厂车间于1953年建成两个砖砌烟囱，地基为湿陷性黄土，1954年5月由于浸水地基开始不均匀沉降导致烟囱倾斜，同年10月开始采用热加固法处理地基，在每个烟囱地基周围开挖6个2 m深的坑道，于每个坑道底部钻设直径100 mm、深7 m～8 m的钻孔，进行热加固，两个烟囱共置12个焙烧孔，分4批焙烧，每孔130 h～183 h，焙烧直径达2 m，焙烧完成后烟囱倾斜立即停止[20]。

从以上工程实例中可看出，热加固处理技术对于控制地基沉降、消除黄土湿陷性具有良好的效果，该方法对原工程扰动较小且耗时短，尤其是对于含水率较大的地基土，效果显著，常被用于工程抢险、工程修复与不宜换填的软弱地基处理中。

5 存在的若干问题与研究方向

国内外相关研究表明，土体在高温下失水收缩，土颗粒聚集、熔融形成致密结构，内部矿物向强热稳态转变，导致土体抗压抗剪强度上升，固结效率提高，渗透系数增大。但由于热加固技术本身固有的高能耗特点，该方法并未得到普及，其相应技术层面的研究并不成熟，施工技术与施工工艺也还不完善，对于热量在土体中的扩散影响、高温对土体不良性质的改善效果以及加热后的部分工程性质的变化规律、相应机理的研究也不够深入。

(1) 由于使用明火、热空气作为热源的常规加热法存在加热不均匀、安全性较差等缺陷，容易出现工程事故，且加固效果不太理想。建议深入研究电热丝加热、微波加热等技术在地基加固等大型工程中的作用效果、机理及相应技术方法，结合室内试验、计算机模拟、实际操作等各个方面，综合能耗、加热效果等多层面考虑，针对不同的土质及工程问题制定相应的技术规范。

(2) 由于土体本身导热性较差，热加固需要消耗大量的能源，建议采用有限元模拟、试验验证等方法，详细探究单热源的作用范围及多热源的作用规律，优化加热孔深度尺寸设计及布设方式，探索降低能耗的技术手段与新型热加固设备。

(3) 目前在土体温度效应的研究中峰值温度主要集中在200℃以下，对较高温度下土体抗拉、抗剪、渗透等基本性能的研究还不够深入；高温加热对黄土湿陷性具有较好的改善效果，而对其余特殊土改良方面的研究未见相应报道，未来可继续探索高温下土体渗透等性质的变化情况，研究热加固法对分散土、膨胀土等其他特殊土的改性效果与相应微观机理，为工程应用丰富理论基础。

(4) 温度场并非单独存在的物理场，现实中往往与应力-化学-渗流-生物等多种场耦合作用，所以需要深入研究高温处理与初始含水率、作用应力、压实度等多因素共同影响下土体性质的变化规律，探索核废料地质处置等实际工程中的多场耦合问题，建立相应理论模型。

6 结 语

土体热加固技术很早就被应用于土木工程实际中，对于解决软弱性及特殊性地基具有很好的效果，如处置湿陷性黄土、软土热固结等方面。目前，在农业工程、地质工程、水利工程等领域也有所涉及。土体热加固技术由于其本身需要较大的能耗，加固成本相对比较高，因此也有自身的应用与适用范围，一般适宜于重要工程基础的原位加固。随着科学技术的进步，该方法可望得到进一步的推广与应用。