高速鐵路路基級配碎石層導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)研究

楊陳承,蘇 謙

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

鄭西客運(yùn)專線深厚濕陷性黃土地基處理采用了埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu),溫度荷載所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形是設(shè)計(jì)計(jì)算以及使用過程中的重要問題。埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)完全埋入級配碎石層中,研究級配碎石層的導(dǎo)熱特性對于樁板結(jié)構(gòu)溫度場的確定和分析具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。有文獻(xiàn)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(zhì),由非均勻多孔介質(zhì)的性質(zhì)可知它的導(dǎo)熱包括3個過程[2]:(1)固體骨架中的導(dǎo)熱;(2)孔隙氣體介質(zhì)中的導(dǎo)熱;(3)孔隙和骨架之間的耦合傳熱。由于級配碎石內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,其內(nèi)部發(fā)生的熱傳遞過程與傳統(tǒng)的均勻介質(zhì)中發(fā)生的過程有很大的差異,各類參數(shù)隨著實(shí)際多孔介質(zhì)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的不規(guī)律性而出現(xiàn)容積范圍內(nèi)的不均勻性和不確定性。實(shí)際多孔介質(zhì)的溫度與熱流分布是不均勻和不連續(xù)的[3],內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱特性,參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)[4],設(shè)計(jì)了一套粗顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,以期為埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供必要的熱力學(xué)參數(shù)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置如圖 1所示,主要由恒定控溫系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)和試樣盒組成。保溫箱的內(nèi)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(zhì)聚胺脂泡沫板作為保溫材料。試驗(yàn)箱兩側(cè)的水箱可加熱并作為試驗(yàn)熱源,從而使箱兩側(cè)形成可以控制的溫度差。試驗(yàn)材料選用現(xiàn)場提供的級配碎石,試樣設(shè)計(jì)厚度為25 cm,試驗(yàn)中填裝在左側(cè)試樣箱中。右側(cè)試樣箱填裝的是石蠟,作為測量導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)對比物質(zhì),其導(dǎo)熱系數(shù)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(shè)置 5mm的鋁板作為熱傳導(dǎo)媒介,以使試驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)一維傳熱。試驗(yàn)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(shè)置 4個傳感器。

1.2 試驗(yàn)方法

參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)“凍土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)”的方法,本試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)比較法。當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,該系統(tǒng)為一維穩(wěn)態(tài)傳熱問題:

式中:λ、λ0分別為級配碎石層和石蠟的導(dǎo)熱系數(shù);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(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為式(2):

試驗(yàn)過程中,為了減少環(huán)境溫度的影響,試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度盡量控制在室溫附近(室溫為 27℃～30℃)。每個試驗(yàn)從開始控溫到試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)一般需要 8～9 h,以同一時刻試驗(yàn)箱內(nèi)相同點(diǎn)的溫差不超過 0.5℃作為溫度場穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。具體控溫條件見表 1。

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2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)與溫度變化關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)級配不同密度下,溫度隨時間的變化規(guī)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(dá)穩(wěn)定;比對試樣——石蠟(3,4號傳感器)的溫度變化規(guī)律類似,但由于其導(dǎo)熱系數(shù)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(guī)律可發(fā)現(xiàn),隨著密度增加,溫度變化加劇,也即試樣導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度增加而增大。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)與級配及含水量關(guān)系

試驗(yàn)中獲得的不同級配和不同含水量下試驗(yàn)箱內(nèi)溫度場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的導(dǎo)熱系數(shù)變化如圖 3所示。

圖3 不同級配碎石導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量變化

當(dāng)級配碎石的含水量發(fā)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(dǎo)熱性能變化不大。但是在本試驗(yàn)中含水量過大時(含水量達(dá)到 9%時),導(dǎo)熱系數(shù)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(xù)樁板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中,應(yīng)該注意控制好碎石的級配以達(dá)到對樁板結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的控制,還應(yīng)加強(qiáng)對碎石層的排水處理,防止其積水過多造成級配碎石導(dǎo)熱性明顯增強(qiáng),使其對埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)造成危害。

3 結(jié) 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(dá)穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)級配下的級配碎石導(dǎo)熱系數(shù)為 0.579W/(m·K)。

(2)對比不同密度和級配試樣溫度變化規(guī)律可發(fā)現(xiàn),隨著密度增加,溫度變化加劇,即試樣導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度增加而增大。

(3)當(dāng)含水量發(fā)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(dǎo)熱性能變化不大。但當(dāng)含水量過大時,導(dǎo)熱系數(shù)明顯增強(qiáng),增大到 1.4倍。

(4)埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)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?qū)β袢胧竭B續(xù)樁板結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用起到積極的作用。

[1]張建明,盛煜,賴遠(yuǎn)明.鐵路道碴層導(dǎo)熱系數(shù)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(zhì)有效導(dǎo)熱率分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2006,27(4):644-646

[3]李小川,施明恒,張東輝.非均勻多孔介質(zhì)中導(dǎo)熱過程[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,35(5):761-765

[4]GB/T 50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]

[5]王鐵行,劉自成,盧靖.黃土導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007,28(4):655-658

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