高速鐵路路基級配碎石層導熱系數試驗研究

楊陳承,蘇 謙

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

鄭西客運專線深厚濕陷性黃土地基處理采用了埋入式連續樁板結構,溫度荷載所引起的結構內力與變形是設計計算以及使用過程中的重要問題。埋入式連續樁板結構完全埋入級配碎石層中,研究級配碎石層的導熱特性對于樁板結構溫度場的確定和分析具有非常重要的現實意義。有文獻表明[6],溫度場主要有日照引起的溫度場、驟然降溫引起的溫度場和年溫變化引起的溫度場。級配碎石是一種非均勻多孔散體介質,由非均勻多孔介質的性質可知它的導熱包括3個過程[2]:(1)固體骨架中的導熱;(2)孔隙氣體介質中的導熱;(3)孔隙和骨架之間的耦合傳熱。由于級配碎石內部結構十分復雜,其內部發生的熱傳遞過程與傳統的均勻介質中發生的過程有很大的差異,各類參數隨著實際多孔介質內部幾何結構的不規律性而出現容積范圍內的不均勻性和不確定性。實際多孔介質的溫度與熱流分布是不均勻和不連續的[3],內部結構是影響溫度分布和熱量傳遞的主要因素。為了深入研究級配碎石層的導熱特性,參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)[4],設計了一套粗顆粒的導熱系數測試裝置,并對不同密度、不同級配、不同含水量條件下級配碎石層的導熱系數進行了試驗研究,以期為埋入式連續樁板結構的設計與優化提供必要的熱力學參數。

圖1 試驗裝置示意圖

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

設計的試驗裝置如圖 1所示,主要由恒定控溫系統、測溫系統和試樣盒組成。保溫箱的內部尺寸為 130 cm(長)×45 cm(寬)×45 cm(高),四周采用厚度為 10 cm的硬質聚胺脂泡沫板作為保溫材料。試驗箱兩側的水箱可加熱并作為試驗熱源,從而使箱兩側形成可以控制的溫度差。試驗材料選用現場提供的級配碎石,試樣設計厚度為25 cm,試驗中填裝在左側試樣箱中。右側試樣箱填裝的是石蠟,作為測量導熱系數的標準對比物質,其導熱系數為 0.29W/(m·K),并且假定該值是不隨溫度而變化[1]。為了使試樣箱、恒溫水箱之間緊密接觸,其間設置 5mm的鋁板作為熱傳導媒介,以使試驗箱內實現一維傳熱。試驗采用的溫度傳感器,測量精度為 0.1℃,布置在距試樣箱壁 2 cm處。共設置 4個傳感器。

1.2 試驗方法

參照《土工試驗方法標準》中有關“凍土導熱系數試驗”的方法,本試驗采用穩態比較法。當試驗箱內溫度場達到穩定狀態時,該系統為一維穩態傳熱問題:

式中:λ、λ0分別為級配碎石層和石蠟的導熱系數;ΔT、ΔT0分別為級配碎石層和石蠟試樣箱中的溫差。由式(1)可得級配碎石層的導熱系數計算公式為式(2):

試驗過程中,為了減少環境溫度的影響,試驗箱內的溫度盡量控制在室溫附近(室溫為 27℃～30℃)。每個試驗從開始控溫到試驗箱內的溫度達到穩定狀態一般需要 8～9 h,以同一時刻試驗箱內相同點的溫差不超過 0.5℃作為溫度場穩定標準。具體控溫條件見表 1。

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2 試驗結果分析

2.1 導熱系數與溫度變化關系

標準級配不同密度下,溫度隨時間的變化規律如圖 2所示。

圖2 不同密度隨溫度的變化

由圖中溫度變化可以看出,級配碎石試樣(1,2號傳感器)溫度變化在初期較快,隨著時間的增加溫度變化趨于平緩,約 8 h以后可達穩定;比對試樣——石蠟(3,4號傳感器)的溫度變化規律類似,但由于其導熱系數較小,所以其溫度的變化較緩慢。另外,對比不同密度試樣溫度變化規律可發現,隨著密度增加,溫度變化加劇,也即試樣導熱系數隨著密度增加而增大。

2.2 導熱系數與級配及含水量關系

試驗中獲得的不同級配和不同含水量下試驗箱內溫度場達到穩定狀態時的導熱系數變化如圖 3所示。

圖3 不同級配碎石導熱系數隨含水量變化

當級配碎石的含水量發生變化,且含水量對于級配碎石本身縫隙填充不太大時,其導熱性能變化不大。但是在本試驗中含水量過大時(含水量達到 9%時),導熱系數增大 1.4倍左右。由于級配碎石這種傳熱特性,在埋入式連續樁板結構的應用中,應該注意控制好碎石的級配以達到對樁板結構溫度應力的控制,還應加強對碎石層的排水處理,防止其積水過多造成級配碎石導熱性明顯增強,使其對埋入式連續樁板結構造成危害。

3 結 論

(1)級配碎石試樣溫度變化在初期較快,隨著時間的增加溫度變化趨于平緩,約 8 h以后可達穩定。標準級配下的級配碎石導熱系數為 0.579W/(m·K)。

(2)對比不同密度和級配試樣溫度變化規律可發現,隨著密度增加,溫度變化加劇,即試樣導熱系數隨著密度增加而增大。

(3)當含水量發生變化且含水量較小時,孔隙水對于級配碎石本身縫隙填充不大,其導熱性能變化不大。但當含水量過大時,導熱系數明顯增強,增大到 1.4倍。

(4)埋入式連續樁板結構路基設計中,選擇合理的級配碎石層厚度和級配,使其起到較好隔溫效果,能夠對埋入式連續樁板結構的推廣應用起到積極的作用。

[1]張建明,盛煜,賴遠明.鐵路道碴層導熱系數測試研究[J].冰川凍土,2003,25(6):628-631

[2]李小川,施明恒,張東輝.非均勻多孔介質有效導熱率分析[J].工程熱物理學報,2006,27(4):644-646

[3]李小川,施明恒,張東輝.非均勻多孔介質中導熱過程[J].東南大學學報(自然科學版),2005,35(5):761-765

[4]GB/T 50123-1999土工試驗方法標準[S]

[5]王鐵行,劉自成,盧靖.黃土導熱系數和比熱容的實驗研究[J].巖土力學,2007,28(4):655-658

[6]付春雨.混凝土梁橋的溫度場與溫度應力研究[D].西南交通大學,2006:6-7