青藏高原北麓河地区原状多年冻土导热系数的试验研究

图 1 试验仪器 ) ) ) Q L- 30 热分析仪 F ig . 1 T he test ing instrument ) ) ) Q L- 30
ther mophysical instr ument
2. 2 土样的现场采取和实验室制备 试验的原状冻土土样全部 取自北麓河试验 段
50% , 多为悬浮状构造, 土颗粒悬浮于冰层中, 融 化后饱和大量出水或呈流动状. 主要分布在冻土上 限以下 1~ 3 m 范围内, 厚度一般为 1~ 2 m, 最厚 可达 3 m . 图 2 是原状多年冻土导热系数随体积含 冰量的变化曲线, 可以看出, 原状多年冻土的导热 系数是随着含冰量的增加而线性增加. 随着含冰量 的进一步增加, 冰在冻土导热系数中起主导作用, 含土冰层的导热系数逐渐趋于冰的导热系数. 体积 含冰量与导热系数的关系可以近似表示为( 在 95% 的信度下) :
关于土体导热系数前人已做了大量的工作, 徐 敩祖等[ 5] 利用实验的方法系统研究了各类土在冻结 和融化状态下的导热系数, 给出了土体导热系数和 各影响因素的关系; 陶兆祥等[ 6] 进行了大含水( 冰)
量融冻土的导热系数, 扩展了冻融土体导热系数的 含水( 冰) 量界限. 另外, 根据物质各组分和各组分 的体积份额进行统计分析也被用于土体导热系数的 研究中[ 7] , 人工神经网络等方法也被应用于确定土 体的导热系数[ 8] . 目前的研究基本都集中在各种类 型重塑土, 对于原状冻土, 由于取样和制样等的困 难, 很少有人研究和涉及. 显然, 对于重塑土而言, 物质组成是控制土体导热性质的最重要因素, 土体 的导热系数主要取决于土性、容重和含水量. 但原 状冻土显然和重塑土有着极大的差别, 室内研究结 果表明: 当决定土体导热系数的其它因素相同时, 重塑土体的导热系数随着干容重的增大而增大, 随 含水量的增大而增大. 对于原状冻土, 在相同固结 条件下, 干容重的增大将伴随着含水量和含气量的 减小. 所以很有必要对原状冻土的导热系数进行研 究, 以更好的指导工程建设. 本文对取自青藏高原 北麓河试验段的原状冻土, 利用 QL- 30 热物性分析 仪测定分析了原状冻土的导热系数. 通过室内试验 研究了青藏高原原状多年冻土的导热系数, 希望能 为青藏高原多年冻土地区热工参数选取提供参考和 依据.
3. 1. 1 体积含冰量对导热系数的影响 根据现场钻探资料, 北麓河地区浅层冻土沉积
地层为第四系全新统冲洪积层. 主要为粘性土, 厚 度 1~ 6 m, 颜色为棕红色、灰绿色和灰白色, 随含 水量的不同融化后为硬塑或软塑状. 北麓河地区为 厚层地下冰段, 地下冰分布极为广泛. 本次试验取 样范围内均有含土冰层分布, 其体积含冰量>
图 2 原状冻土导 热系数随体积含冰量的变化 F ig . 2 T he t her mal conductiv ity of undisturbed
permaf rost v s. ice content by v olume
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冰
川
K= 0. 65V i + 1. 397 R2 = 0. 4
第 27 期 第 2 期 2 0 0 5年4月
冰川冻土
JOU RN A L OF GL A CIO L OGY A N D GEO CRY O LO GY
文章编号: 1000- 0240( 2005) 02- 0182- 06
V ol. 27 N o. 2 Apr. 2 0 0 5
青藏高原北麓河地区原状多年冻土 导热系数的试验研究
在职博士生, 主要从事寒区工程研究. E-mail: w enzh i@ lzb. ac. cn
2期
温 智等: 青藏高原北麓河地区原状多年冻土导热系数的试验研究
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2 试验方案
2. 1 试验仪器 试验是在中国科学院寒区旱区环境与工程研究
所冻土工程国家重点实验室的 QL- 30 热分 析仪上
试样制成后及时放入冰柜保存. ( 3) 试样置于- 8 e 的环境中稳定 24~ 48 h,
的导热系数. ( 5) 在天平上称量试样的质量, 然后采用低温
排液法( 煤油) 测定试样容重. 容重测定之后, 将试 样置于 100~ 105 e 的烘箱中烘至恒重, 然后再在 天平上称重烘干后的土样, 二者相减可得试样中水 ( 冰) 的质量.
( 6) 计算结果分析
探头测量土样的导热系数, 探头要求土样表面的直 径> 60 mm, 土样的最小厚度随着导热系数的增大 从 10~ 15 mm 变化, 表面平整性的要求随 着被测
温 智, 盛 煜, 马 巍, 邓友生, 吴基春
( 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000)
摘 要: 取自青 藏高原北 麓河试 验段的 原状冻 土, 利用 QL- 30 热物性 分析仪测 定原状 冻土的 导热 系 数. 结果表明: 原状冻土和重塑土的导热系数变化规律存在着较大差别. 对于浅部 冻土层, 气体体积含 量和 含冰量是影响原状冻土导热系数的控制因素; 而对于地下 冰层, 冰是控制其 导热系数 的最重要 因 素, 气体体积含量的大小也对其导热系数有影响. 对于深部强- 全风化 泥岩, 气 体体积含 量控制着它 的 导热 系数的大小. 关键 词: 多年冻土; 北麓河; 青藏高原; 导热系数 中图 分类号: T U 473 文献标识码: A
使试样内外温度恒为- 8 e . ( 4) 将试样置于放样桶, 在- 8 e 冷浴条件下
使试样达到平衡, 然后用 QL- 30 热分析仪测定试样
进行( 图 1) , Q L- 30 热分析仪采用非稳态法, 可以 在较短时间内测出试样的导热系数. 仪器的工作原 理是基于被测量材料对热流脉冲的温度反应, 插在 探头里的电阻发热器产生了热流, 而探头直接和被 测试样发生热联 系, 假设热 传播在无 限大媒介 发 生, 从而根据一定时间间隔内样品的温度随时间的 变化而得到试样的导热系数. 本试验采用圆状面式
3 导热系数试验结果与分析
3. 1 浅层多年冻土的导热系数
材料的导热系数值的增大而增大. QL- 30 热分析仪 的主要技术指标为: 测试范围为 0. 03~ 6 W # m- 1 # K - 1; 温度范围为- 10~ 50 e ; 测量精度: 读数 的 ? 5% + 0. 001; 重复性: 读数的 ? 3% + 0. 001.
1 前言
地球上多年冻土面积约占陆地面积的 25% , 我 国多年冻土面积约占国土面积的 22. 4% [ 1] . 随着社 会、经济的发展, 多年冻土地区铁路、公路等工程 建设越来越多. 在多年冻土地区修筑工程构筑物以 后, 改变了地气间的热交换条件和水热输运过程, 表面热交换条件改变导致的路基内逐年热积累使下 伏土体温度升高、多年冻土融化, 由此而引起了青 藏高原冻土路基普遍存在的以 融沉为主的严重 病 害[ 2~ 4] . 同时, 由于冻结过程中的水分迁移和水分 原位冻结的体积膨胀, 不可避免的会产生冻胀, 从 而给工程构筑物造成冻胀病害. 多年冻土区不论是 冻胀破坏还是融沉破坏, 都不可避免要涉及到冻土 温度场的分析和计算. 温度场分析和计算是冻土区 热工计算的重要方面之一, 而土体的热参数是土工 计算的基础.
K= - 9. 39V g + 2. 15 R 2 = 0. 97 ( 2)
式中: K为浅层多年冻土的导热系数; V g 为试样气 体体积含量.
冻பைடு நூலகம்
土
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K= 3. 21C0 - 2. 34 R2 = 0. 91
( 3)
式中: K为浅层多年冻土的导热系数; C0 为试样容 重. 3. 2 地下纯冰层的导热系数 3. 2. 1 不同地下纯冰层试样导热系数比较
DK1136~ DK1141 范围内, 土样采用钻探法采取, 岩芯取出后经过简单的切割和密封包状后直接放入 冰柜, 冰柜温度保持在- 5 e 以下. 土样运回实验
室后在低温室切割和磨制成要求的尺寸, 然后将试 样置于- 5 e 以下的低温环境中保存. 2. 3 实验步骤
( 1) 观察、描述冻土试样, 并进行拍照记录. ( 2) 试样的切割和磨制. 利用切割机在低温下 将试样磨制成要求形状和尺寸( 圆柱状, 直径 \60 mm, 高度 \15 m m) , 要 求表面光 滑, 截面平整.
从图 3( b) 可以看出, 在其它因素相同 的条件 下, 原状冻土导热系数随土样容重的增加而增加, 增加的趋势基本呈双曲线性或线性. 原状冻土容重 与导热系数的关系可以近似表示为 ( 在 95% 的信度 下) :
3. 2. 2 气体体积含量对纯冰层导热系数的影响 地下冰形成的过程中, 气体被封闭于冰中形成
图 4 不同地下纯冰层试样的导热系数 F ig . 4 T he ther mal conductivities of different g round ice samples
图 3 浅层原状多年冻土导热系数的变化规律 a. 随气体体积含量的变化; b. 随容重的变化
Fig . 3 T he thermal co nduct ivity of shallow undisturbed permafr ost
了圆形和椭圆形气泡, 气泡数量较多体积较小, 大 小不一, 无一定方向分布. 另外, 冰中夹有少量霜 ( 雪) 状冰晶, 密实较差, 含有较多气体成分. 图 5 是地下冰导热系数随气体体积百分含量( % ) 的变化 曲线. 从图 5 上可以看出, 地下冰的导热系数随着 气体体积含量的增加而线性减小. 由于气体导热系 数远远小于矿物骨架颗粒和冰的导热系数, 因此地 下冰的导热系数随着地下冰中的气体含量的增加而 减小. 体积含冰量与导热系数的关系可以近似表示 为( 在 95% 的信度下) :
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K= - 0. 45V g + 2. 3 R2 = 0. 45
( 4)
式中: K为原状地下纯冰的导热系数; V g 为气体体 积百分含量.
不同土样的未冻水含量对导热系数的影响可忽略. 强- 全风化泥岩主要由细颗粒土骨架构成, 含冰量 较少, 主要为脉状裂隙冰, 少量为胶结冰, 冰对导 热系数的贡献也较小, 土体导热系数主要由土骨架 贡献, 冰主要起填充和胶结作用. 气体体积含量与 导热系数的关 系可以近似表 示为( 在 95% 的信度 下) :
北麓河地区为厚层地下冰段, 地下冰分布极为 广泛, 其中厚层分凝冰最为发育. 厚层分凝冰中的 纯冰层呈透明或半透明状, 土颗粒含量较少, 体积 含冰量> 90% . 图 4 是不同地下纯冰试样的导热系 数. 地下冰试样个数为 19 个, 取样深度为地表下 2. 0~ 6. 0 m, 试样体积含冰量均> 97% , 含水量> 1000% . 可以看出, 对于 19 个不同的地下纯冰样, 其导热系数大部分为 2. 0~ 2. 2, 与纯冰体的导热系 数相当. 由于物质组成上以冰为主, 土颗粒以薄层 状或小颗粒状充填或悬浮在冰体中, 此时冰控制和 决定了地下冰试样的导热系数. 只是由于土中气体 体积含量等因素导致了不同试样导热系数的差异.
( 1)
式中: K为原状多年冻土的导热系数; V i 为试样体 积含冰量. 3. 1. 2 气体体积含量和容重对导热系数的影响
图 3 是土质相同条件下浅层原状冻土导热系数 的变化情况. 土样取样地点为相邻钻孔, 土质、结 构和固结条件基 本相同, 土 样体积含 冰量均处 于 72% ~ 73% 之间. 从图 3( a) 可以看出, 在其它因素 相同的条件下, 浅层冻土导热系数随土样中气体体 积百分含量的增 加而减小, 减小的趋 势基本呈 线 性. 气体体积百分含量与导热系数的关系可以近似 表示为( 在 95% 的信度下) :
收稿日期: 2004-08-10; 修订日期: 2004-11-19 基金项目: 中国科学院知识创新工程重大项目( K ZCX1- SW-04) ; 国家重点基础研究 发展规划项目 ( 2002CB412704 ) ; 国家自然科学基 金
重大项目( 90102006) 资助 作者简介: 温智( 1976- ) , 男, 呼和浩特人, 助理研究员, 1999 年毕业于兰州大学地质系, 现为中国科 学院寒区旱区 环境与工程研究 所