青藏高原北麓河試驗段原狀凍土導(dǎo)熱系數(shù)的測定

青藏高原北麓河試驗段原狀凍土導(dǎo)熱系數(shù)的測定

1凍土溫度場分析人類多年凍土約占土地面積的25%，中國多年凍土約占土地面積的22.4%。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，近年來修建鐵路、公路等多年冷土項目的建設(shè)和建筑工程的建設(shè)，改變了土氣之間的熱交換條件和水熱交換條件。由于地表熱交換條件的變化，每年沉積的土壤溫度增加，主導(dǎo)土壤溫度惡化。因此，青藏高原冷土基佳能的廣泛標準化是合并和沉降，同時，由于結(jié)晶過程中的水分轉(zhuǎn)移和水分原結(jié)晶體積的擴張，不可避免地會發(fā)生凍脹，這將不可避免地導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)的凍脹。例如，在多年制冷土區(qū)，無論冷土還是沉積層破壞，都不可避免地會影響冷土的分析和計算。熱場分析和計算是冷土區(qū)工農(nóng)業(yè)計算的重要方面之一。土壤的熱參數(shù)是土木工程計算的基礎(chǔ)。關(guān)于土體導(dǎo)熱系數(shù)前人已做了大量的工作,徐敩祖等利用實驗的方法系統(tǒng)研究了各類土在凍結(jié)和融化狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù),給出了土體導(dǎo)熱系數(shù)和各影響因素的關(guān)系;陶兆祥等進行了大含水(冰)量融凍土的導(dǎo)熱系數(shù),擴展了凍融土體導(dǎo)熱系數(shù)的含水(冰)量界限.另外,根據(jù)物質(zhì)各組分和各組分的體積份額進行統(tǒng)計分析也被用于土體導(dǎo)熱系數(shù)的研究中,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法也被應(yīng)用于確定土體的導(dǎo)熱系數(shù).目前的研究基本都集中在各種類型重塑土,對于原狀凍土,由于取樣和制樣等的困難,很少有人研究和涉及.顯然,對于重塑土而言,物質(zhì)組成是控制土體導(dǎo)熱性質(zhì)的最重要因素,土體的導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于土性、容重和含水量.但原狀凍土顯然和重塑土有著極大的差別,室內(nèi)研究結(jié)果表明:當決定土體導(dǎo)熱系數(shù)的其它因素相同時,重塑土體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著干容重的增大而增大,隨含水量的增大而增大.對于原狀凍土,在相同固結(jié)條件下,干容重的增大將伴隨著含水量和含氣量的減小.所以很有必要對原狀凍土的導(dǎo)熱系數(shù)進行研究,以更好的指導(dǎo)工程建設(shè).本文對取自青藏高原北麓河試驗段的原狀凍土,利用QL-30熱物性分析儀測定分析了原狀凍土的導(dǎo)熱系數(shù).通過室內(nèi)試驗研究了青藏高原原狀多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù),希望能為青藏高原多年凍土地區(qū)熱工參數(shù)選取提供參考和依據(jù).2試驗計劃2.1ql-30熱分析方法的主要技術(shù)指標試驗是在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室的QL-30熱分析儀上進行(圖1),QL-30熱分析儀采用非穩(wěn)態(tài)法,可以在較短時間內(nèi)測出試樣的導(dǎo)熱系數(shù).儀器的工作原理是基于被測量材料對熱流脈沖的溫度反應(yīng),插在探頭里的電阻發(fā)熱器產(chǎn)生了熱流,而探頭直接和被測試樣發(fā)生熱聯(lián)系,假設(shè)熱傳播在無限大媒介發(fā)生,從而根據(jù)一定時間間隔內(nèi)樣品的溫度隨時間的變化而得到試樣的導(dǎo)熱系數(shù).本試驗采用圓狀面式探頭測量土樣的導(dǎo)熱系數(shù),探頭要求土樣表面的直徑>60mm,土樣的最小厚度隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大從10～15mm變化,表面平整性的要求隨著被測材料的導(dǎo)熱系數(shù)值的增大而增大.QL-30熱分析儀的主要技術(shù)指標為:測試范圍為0.03～6W·m-1·K-1;溫度范圍為-10～50℃;測量精度:讀數(shù)的±5%+0.001;重復(fù)性:讀數(shù)的±3%+0.001.2.2土樣的切割和密封試驗的原狀凍土土樣全部取自北麓河試驗段DK1136～DK1141范圍內(nèi),土樣采用鉆探法采取,巖芯取出后經(jīng)過簡單的切割和密封包狀后直接放入冰柜,冰柜溫度保持在-5℃以下.土樣運回實驗室后在低溫室切割和磨制成要求的尺寸,然后將試樣置于-5℃以下的低溫環(huán)境中保存.2.3用試樣要求測試試樣的制作(1)觀察、描述凍土試樣,并進行拍照記錄.(2)試樣的切割和磨制.利用切割機在低溫下將試樣磨制成要求形狀和尺寸(圓柱狀,直徑≥60mm,高度≥15mm),要求表面光滑,截面平整.試樣制成后及時放入冰柜保存.(3)試樣置于-8℃的環(huán)境中穩(wěn)定24～48h,使試樣內(nèi)外溫度恒為-8℃.(4)將試樣置于放樣桶,在-8℃冷浴條件下使試樣達到平衡,然后用QL-30熱分析儀測定試樣的導(dǎo)熱系數(shù).(5)在天平上稱量試樣的質(zhì)量,然后采用低溫排液法(煤油)測定試樣容重.容重測定之后,將試樣置于100～105℃的烘箱中烘至恒重,然后再在天平上稱重烘干后的土樣,二者相減可得試樣中水(冰)的質(zhì)量.(6)計算結(jié)果分析3結(jié)果表明，闡明了闡明熱系數(shù)的結(jié)果和分析3.1多年冷土的表面熱系數(shù)3.1.1含土冰層導(dǎo)電系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場鉆探資料,北麓河地區(qū)淺層凍土沉積地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層.主要為粘性土,厚度1～6m,顏色為棕紅色、灰綠色和灰白色,隨含水量的不同融化后為硬塑或軟塑狀.北麓河地區(qū)為厚層地下冰段,地下冰分布極為廣泛.本次試驗取樣范圍內(nèi)均有含土冰層分布,其體積含冰量>50%,多為懸浮狀構(gòu)造,土顆粒懸浮于冰層中,融化后飽和大量出水或呈流動狀.主要分布在凍土上限以下1～3m范圍內(nèi),厚度一般為1～2m,最厚可達3m.圖2是原狀多年凍土導(dǎo)熱系數(shù)隨體積含冰量的變化曲線,可以看出,原狀多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù)是隨著含冰量的增加而線性增加.隨著含冰量的進一步增加,冰在凍土導(dǎo)熱系數(shù)中起主導(dǎo)作用,含土冰層的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸趨于冰的導(dǎo)熱系數(shù).體積含冰量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系可以近似表示為(在95%的信度下):λ=0.65Vi+1.397R2=0.4(1)λ=0.65Vi+1.397R2=0.4(1)式中:λ為原狀多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù);Vi為試樣體積含冰量.3.1.2原狀凍土導(dǎo)熱系數(shù)隨土樣的變化圖3是土質(zhì)相同條件下淺層原狀凍土導(dǎo)熱系數(shù)的變化情況.土樣取樣地點為相鄰鉆孔,土質(zhì)、結(jié)構(gòu)和固結(jié)條件基本相同,土樣體積含冰量均處于72%～73%之間.從圖3(a)可以看出,在其它因素相同的條件下,淺層凍土導(dǎo)熱系數(shù)隨土樣中氣體體積百分含量的增加而減小,減小的趨勢基本呈線性.氣體體積百分含量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系可以近似表示為(在95%的信度下):λ=?9.39Vg+2.15R2=0.97(2)λ=-9.39Vg+2.15R2=0.97(2)式中:λ為淺層多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù);Vg為試樣氣體體積含量.從圖3(b)可以看出,在其它因素相同的條件下,原狀凍土導(dǎo)熱系數(shù)隨土樣容重的增加而增加,增加的趨勢基本呈雙曲線性或線性.原狀凍土容重與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系可以近似表示為(在95%的信度下):λ=3.21γ0?2.34R2=0.91(3)λ=3.21γ0-2.34R2=0.91(3)式中:λ為淺層多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù);γ0為試樣容重.3.2純冰層的導(dǎo)系數(shù)3.2.1地下冰試樣導(dǎo)熱系數(shù)北麓河地區(qū)為厚層地下冰段,地下冰分布極為廣泛,其中厚層分凝冰最為發(fā)育.厚層分凝冰中的純冰層呈透明或半透明狀,土顆粒含量較少,體積含冰量>90%.圖4是不同地下純冰試樣的導(dǎo)熱系數(shù).地下冰試樣個數(shù)為19個,取樣深度為地表下2.0～6.0m,試樣體積含冰量均>97%,含水量>1000%.可以看出,對于19個不同的地下純冰樣,其導(dǎo)熱系數(shù)大部分為2.0～2.2,與純冰體的導(dǎo)熱系數(shù)相當.由于物質(zhì)組成上以冰為主,土顆粒以薄層狀或小顆粒狀充填或懸浮在冰體中,此時冰控制和決定了地下冰試樣的導(dǎo)熱系數(shù).只是由于土中氣體體積含量等因素導(dǎo)致了不同試樣導(dǎo)熱系數(shù)的差異.3.2.2氣體導(dǎo)熱系數(shù)%地下冰形成的過程中,氣體被封閉于冰中形成了圓形和橢圓形氣泡,氣泡數(shù)量較多體積較小,大小不一,無一定方向分布.另外,冰中夾有少量霜(雪)狀冰晶,密實較差,含有較多氣體成分.圖5是地下冰導(dǎo)熱系數(shù)隨氣體體積百分含量(%)的變化曲線.從圖5上可以看出,地下冰的導(dǎo)熱系數(shù)隨著氣體體積含量的增加而線性減小.由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)遠遠小于礦物骨架顆粒和冰的導(dǎo)熱系數(shù),因此地下冰的導(dǎo)熱系數(shù)隨著地下冰中的氣體含量的增加而減小.體積含冰量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系可以近似表示為(在95%的信度下):λ=?0.45Vg+2.3R2=0.45(4)λ=-0.45Vg+2.3R2=0.45(4)式中:λ為原狀地下純冰的導(dǎo)熱系數(shù);Vg為氣體體積百分含量.3.3全風化深度粘土的闡明系數(shù)3.3.1b.氣體體積含量對原狀多年凍土導(dǎo)熱系數(shù)的影響現(xiàn)場鉆探工作表明,北麓河地區(qū)泥巖為上第三系湖相沉積物,以棕紅色為主,局部為灰色、灰綠色,成巖較差,呈強-全風化,裂隙發(fā)育,較為破碎,一般為少冰或多冰凍土.圖6為泥巖導(dǎo)熱系數(shù)隨氣體體積百分含量的變化曲線,從圖6上可以看出,泥巖的導(dǎo)熱系數(shù)和氣體體積含量呈負相關(guān),即隨著氣體體積含量的增加,泥巖的導(dǎo)熱系數(shù)線性遞減.凍土為三相四組分的多孔介質(zhì),未凍水、冰、氣體和土質(zhì)共同組成了凍土體,因此凍土的導(dǎo)熱性能必然由凍土四組分的導(dǎo)熱系數(shù)和含量決定.對于本次試驗的泥巖土樣,成巖條件相近,土質(zhì)基本相同,試驗的平衡溫度為-8℃,未凍水含量較小,不同土樣的未凍水含量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響可忽略.強-全風化泥巖主要由細顆粒土骨架構(gòu)成,含冰量較少,主要為脈狀裂隙冰,少量為膠結(jié)冰,冰對導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻也較小,土體導(dǎo)熱系數(shù)主要由土骨架貢獻,冰主要起填充和膠結(jié)作用.氣體體積含量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系可以近似表示為(在95%的信度下):λ=?0.637Vg+3.06R2=0.58(5)λ=-0.637Vg+3.06R2=0.58(5)式中:λ為原狀多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù);Vg為氣體體積百分含量.3.3.2明體積含冰量對原狀凍土導(dǎo)熱系數(shù)的影響統(tǒng)計分析表明,泥巖的導(dǎo)熱系數(shù)和體積含冰量幾乎沒有相關(guān)關(guān)系(在95%信度條件下,R2=0.25),這說明體積含冰量的大小對泥巖的導(dǎo)熱系數(shù)基本沒影響.主要可能是因為強-全風化泥巖主要由細顆粒土骨架構(gòu)成,含冰量較少,冰對導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻較小,土體導(dǎo)熱系數(shù)主要由土骨架貢獻.原狀凍土土樣中冰的分布極不均勻,這也在一定程度上減弱了冰的充填和膠結(jié)作用對顆粒物接觸面積增大的效果,從而減小了冰對原狀凍土導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻.4干容重和導(dǎo)熱系數(shù)試驗結(jié)果表明,原狀凍土和重塑土的導(dǎo)熱系數(shù)的規(guī)律存在明顯的差別,對于重塑凍土試驗的結(jié)果不能簡單的應(yīng)用到多年凍土區(qū)的溫度場分析和計算中去.重塑土的室內(nèi)實驗結(jié)果表明,當決定土體導(dǎo)熱系數(shù)的其它因素相同時,重塑土體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著干容重的增大而增大,隨含水量的增大而增大;原狀土樣的實驗結(jié)果證實,土樣的干容重和導(dǎo)熱系數(shù)不相關(guān).室內(nèi)實驗時我們可以保持土含水量相同,通過加壓的方式來實現(xiàn)干容重的增加,因此,可以得到以上的室內(nèi)研究結(jié)果.此時,不同干容重試樣的土顆粒的組成增加了(在含水量保持相同的情況下);但對于原狀凍土,相同深度時固結(jié)條件相同,干容重的增大將伴隨著含水量和含氣量的減小.凍土的土性、組構(gòu)、相對密度、初始含水量和未凍水含量顯然與其導(dǎo)熱系數(shù)有直接關(guān)系,尤其是結(jié)構(gòu),對于相同含水量、含土量和氣體含量的重塑土和原狀土,結(jié)構(gòu)是它們的最主要差別.由于試樣的限制,本文未對結(jié)構(gòu)的影響進行研究.對于凍土這種多孔、多相介質(zhì),本次試驗的溫度遠遠低于土中水(冰)的相變溫度,無法反映正凍土中水分相變潛熱和水分遷移引起的顯熱變化特征.對于接近水(冰)相變溫度的凍土導(dǎo)熱系數(shù),需要設(shè)計新的試驗方案和新的試驗測試設(shè)備,有待在今后的研究工作中進一步的分析和補充.另外,受土樣數(shù)量的限制,分析測試的樣本數(shù)偏少,樣本的分布也不均一.因此試驗結(jié)果可能有失偏頗,需要