季节冻土区纤维改良路基土热物理学特性研究

夏明海，秦子鹏，王泽成，李栋伟，季 安，何 锦，吕向兵，李 成

(1.伊犁哈萨克自治州奎屯河流域水利工程灌溉管理处，新疆 奎屯 833200；2.浙江水利水电学院水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；3.东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；4.中核华泰建设有限公司，广东 深圳 518055；5.新疆生产建设兵团第七师水利工程管理服务中心，新疆 奎屯 833200)

0 引 言

高速铁路的迅速发展，引发人们对季节性冻土区的关注。由于季节性冻土区昼夜温差大、气温正负交替、水文地质与工程地质等复杂因素，导致路基极易发生冻胀，对高速铁路的建设和运行造成很大的影响[1-4]。我国是冻土资源最丰富的国家之一，仅次于俄罗斯和加拿大，在全球范围内位列第三。而季节性冻土是我国最主要的冻土类型之一，在我国的东北、西北、华北等高纬度地区均有季节性冻土，占全国总面积的53.5%，其中冻土深度在1.5 m以上在季节性冻土中占有37%[5-6]。季节冻土区的铁路设施会改变空气与大地之间的热交换条件及水热传递的方式，使路基在运营过程中会逐渐积累热量，路基土温度升高进而导致季节性冻土融化，造成道路的病害问题[7-8]。无论是冻胀还是融沉过程的研究都会涉及土体温度场的分析，而土中温度随时间的变化是土中热量传递的外在表现，故而温度问题可以当作是热量传递问题[9-10]。

季节冻土区工程施工中，导热系数对于冻土及建筑材料是十分重要的物理参数[11-12]，代表土体的导热能力，冻土中热量的传播速度及温度场的分布都由其决定[13-14]。陈之祥等[15]以温度、干密度、含水率等因素为变量，研究其对冻土导热系数的影响，分析冻土导热系数存在的误差及原因，提出了修正冻土导热系数测试结果的方法。崔福庆等[16]搭建了多种导热系数测试方法及测试平台，运用理论模型测试量进行估算，从测试结果准确性、适用土性类别等多方面对各类测试方法进行了对比。甄作林等[17]采用热常数分析仪进行冻土导热系数的测试，探讨了含水率和干密度对砂土导热性能的影响，并对砂土的导热系数理论预测进行分析。段妍等[18]采用热探针法进行室内试验，测试不同含水率对砂土以及黏土的导热系数的影响，采用最小二乘法对其进行拟合，验证导热系数与含水率之间的关系，最终发现导热系数与含水率之间呈线性关系。

对于冻土区路基来说，揭示其导热特性及影响规律，对路基热工设计及预防措施有极大的参考价值[19-20]。为此，本文以西部地区某铁路路基典型土样——粉砂土为研究对象，采用瞬态热线法对土样的导热系数进行室内测试，分析不同影响因素对路基导热系数的影响规律，为冻土区路基热传导率的测量提供参考。

1 土的基本物理性质

1.1 试验材料

本文室内试验所用土样取自我国西部某季节冻土区铁路路基，深度为10～15 m，将取回的土进行前期处理，对土样进行烘干并碾碎，进行颗粒分析、比重、液塑限、最优含水率及最大干密度试验。其最大干密度为2.01 g/cm3，最优含水率为10%，天然含水率为4%，相对密度为2.67，天然孔隙比为0.423。

1.2 试样制备

室内试验纤维改良粉砂土的制备方法如下：①预估每个试样所需要的土量；②将已烘干粉碎的备用土样取500 g放入盆中；③按照设计纤维掺入量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)向盆中加入纤维；④按照设定初始含水率加入纯水并继续搅拌，为防止手动搅拌不均匀，用搅拌机搅拌均匀；⑤将搅拌好的土放在室内进行标准养护放置12 h，再进行制样。为尽量减小因纤维搅拌均匀度不同而导致试验误差，制作试样时首先将干土与纤维搅拌均匀后再加水搅拌。

2 导热系数测试

2.1 试验仪器

试验测试仪器选用西安夏溪电子科技有限公司自主研发的瞬态热线法导热系数仪TC3000E，见图1。该仪器导热系数测试范围为0.005～10 W/(m·K)，使用温度范围为-60～120 ℃。在主页面设定好相应参数即可进行测量。试样采用静压压制法，测试过程中，将探头放置在2个相同样品中间，见图2。

图2 导热系数现场测量

2.2 试验设计

为研究含水率w、纤维掺入量x、干密度ρd及冻融循环次数n这4种因素对改良粉砂土导热系数的影响，设置4组试验方案，见表1。

表1 导热系数试验设计方案

制作样品时，将粉砂土置于培养箱中干燥，直至恒重，称量出各因素所需质量的粉砂土、纤维及纯净水，先用搅拌器对粉砂土和纤维进行均匀搅拌，再把不同质量水均匀喷到混合物上，用保鲜袋密封24 h，配制目标含水率6%、8%、10%、12%、14%的试样。取出土样，按规定的试样体积、密度、含水量等指标，将所配好的混合土称出相应质量放入模具内，利用小型压力机对其进行静力压实，达到规定的干密度后，静置2 min，再进行脱模和标号。样品的尺寸为圆柱形，直径62 mm，高20 mm，每组制作3组平行试样，并以两对交叉方式进行测量，计算出平均值，以此来确定试件的导热系数。

3 结果分析

本试验只考虑常温条件(即融土)、低温条件(即-10 ℃冻土)状态下的含水率w、干密度ρd、纤维掺量x以及冻融循环次数n对改良粉砂土导热系数λ的影响，忽略土体本身的结构和构造对导热系数的影响。试验研究和分析均采用控制变量法。

3.1 含水率影响下导热系数变化规律

常温、低温条件改良粉砂土含水率与导热系数的关系见图3。从图3可知，在干密度、纤维掺量以及冻融循环次数相同的情况下，改良粉砂土的导热系数随含水率的增大呈非线性增长。常温条件下，含水率在6%～14%范围内，改良粉砂土的导热系数逐渐增大，从0.39 W/(m·K)增长到1.25 W/(m·K)。

图3 改良粉砂土含水率与导热系数的关系

低温条件下，含水率6%～14%范围内，改良粉砂土的导热系数逐渐增大，从0.47 W/(m·K)增长到1.32 W/(m·K)。此外，当土体中的含水率低于12%时，土体的导热系数增加的速率较含水率大于12%时要高，这是因为土体中的含水量增加使单位质量土体中的固体颗粒相对减少，从而导致改良粉砂土的导热系数增加缓慢。当含水率增加到某一值时，土体中的导热系数会趋于某一固定值。相同条件下，冻土的导热系数大于常温土，其原因为常温土为三相体系，即空气、水以及固体颗粒，而冻土为四相体系，即空气、未冻水、冰及固体颗粒，冰的导热系数近似为水的4倍，且冰在土体中有胶结作用，使冻土的导热系数大于常温土。

常温下聚丙烯纤维的导热系数为0.22～0.25 W/(m·K)，水的导热系数为0.54 W/(m·K)，空气的导热系数为0.026 7 W/(m·K)，冰的导热系数为2.22 W/(m·K)。含水率的增加使土体内部孔隙内水所占的比重增大，致使本存在于孔隙内的空气被水所取代，土颗粒之间由于水膜的出现，使得颗粒之间的接触热阻减小，从而在一定范围内，随着含水率的增加，导热系数值变大，但两者之间的这种关系仅限土体内孔隙未完全被水取代，含水率增大到一定时，导热系数的变化不会受此影响，这就是所谓的“液桥”效应[21-22]。

当水分含量较低时，热量传播的主要方式是固-固、固-气和气-气传递。当水分含量增加，土体孔隙内气体逐渐被水所替代，因为水的导热系数更高，孔隙之间的热交换从气-气传递向液-气和液-液传递转化，从而提高了土体的导热系数；另一方面，在土体颗粒表面会形成一层薄薄的水膜，该水膜有利于相邻土体颗粒间的热传导，随着水分含量的增大，薄膜厚度增大，从而提高了导热系数。

3.2 干密度影响下导热系数变化规律

改良粉砂土干密度与导热系数的关系见图4。从图4可知，在其他因素相同的情况下，改良粉砂土的导热系数随干密度的增大而增大，且呈指数增长。常温条件下，干密度在1.6～2.0 g/cm3范围内，改良粉砂土的导热系数逐渐增大，从0.45 W/(m·K)增长到1.38 W/(m·K)。低温条件下，干密度在1.6～2.0 g/cm3范围内，改良粉砂土的导热系数逐渐增大，从0.62 W/(m·K)增长到1.87 W/(m·K)。随着干密度的增加，单位体积内的土体中固体颗粒的含量增加，而土体中的空气和水的含量相对减少，固体颗粒接触更为紧密，导致热量通过气体传递方式减少，更多通过传热途径更为便利的固体骨架固-固以及孔隙内流体与固壁间的固-液方式扩散，因此导热系数随干密度增大而明显提高。此外，混合材料干密度相同时，随着含水率的增大，孔隙内气体进一步减少，热量传递方式更加趋向于固-液、液-液传递，从而使导热系数进一步增大。众所周知，固体的导热系数>液体的导热系数>气体的导热系数，所以随着干密度的增加，改良粉砂土的导热系数增大。

图4 改良粉砂土干密度与导热系数的关系

3.3 纤维掺量影响下导热系数变化规律

改良粉砂土纤维掺量与导热系数的关系见图5。从图5可知，在其他因素相同的情况下，改良粉砂土的导热系数随纤维掺量的增大而线性减小。常温条件下，纤维掺量在0～0.3%范围内，改良粉砂土的导热系数逐渐减小，从1.05 W/(m·K)减少到0.59 W/(m·K)。低温条件下，纤维掺量在0～0.3%范围内，改良粉砂土的导热系数逐渐减小，从1.3 W/(m·K)减少到0.6 W/(m·K)。这是因为纤维掺入增加了土的内部孔隙率，从而导致土内部封闭空间逐渐增多，又因为空气的导热系数远比土的导热系数低得多，导致土的导热系数逐渐下降。因此，掺入纤维能提高改良粉砂土的保温隔热性能，从而达到减少冻胀的效果。

图5 改良粉砂土纤维掺量与导热系数的关系

3.4 冻融循环影响下导热系数变化规律

改良粉砂土冻融循环次数与导热系数的关系见图6。从图6可知，在含水率、干密度以及纤维掺量相同的情况下，改良粉砂土的导热系数随冻融循环次数的增大而线性减小。常温条件下，冻融循环次数为0～7次时，改良粉砂土的导热系数逐渐减小，从0.93 W/(m·K)减小到0.48 W/(m·K)。低温条件下，冻融循环次数为0～7次时，改良粉砂土的导热系数逐渐减小，从1.01 W/(m·K)减小到0.72 W/(m·K)。

在冻结过程中，水转变为冰，体积增加11%，土体颗粒由于受到外力的影响而发生运动，增加了土体的孔隙率，减少了颗粒间的接触面积。第1次冻结后，土壤中的冰晶溶解，土颗粒被抬升，而随着冻融次数的增多，首次出现的冰晶将不能再对孔隙进行重新填充，从而影响到孔隙的结构。因此，在第1次冻融后，导热系数减小，但在冻融循环中，水分仍是影响热传导系数的重要因素。

4 结 语

本文以西部地区某铁路路基典型土样——粉砂土为研究对象，基于冻融循环条件下，对不同含水率、干密度、纤维掺量改良粉砂路基土的导热系数进行了研究，得出以下结论：

(1)不同的含水率、干密度、纤维掺量以及冻融循环次数对路基改良粉砂土的导热系数的影响不同。冰的导热系数近似是水的导热系数的4倍，当其他影响因素都相同时，冻土的导热系数明显大于常温土。

(2)在干密度、纤维掺量以及冻融循环次数相同的情况下，改良粉砂土的导热系数随含水率的增大呈非线性增长，且当含水率超过12%时，增长速率减小。试验范围内，导热系数为0.39～1.32 W/(m·K)。在含水率、纤维掺量以及冻融循环次数相同的情况下，改良粉砂土的导热系数随干密度的增大呈指数增长，且当干密度超过1.9 g/cm3时，增长速率减小。试验范围内，导热系数为0.45～1.87 W/(m·K)。

(3)在含水率、干密度以及冻融次数相同的情况下，改良粉砂土的导热系数随纤维掺量的增大而线性减小，试验范围内，导热系数为0.59～1.3 W/(m·K)。纤维的掺入可有效提高粉砂土的热工性能。在含水率、干密度以及纤维掺量相同的情况下，改良粉砂土的导热系数随冻融循环次数的增大而线性减小，试验范围内，导热系数为0.48～1.01 W/(m·K)。