热线法冻土导热系数试验研究

摘要：本次试验采用非稳态法导热系数测定中的瞬态热线法，对粉质粘土扰动土样按不同含水量和干密度进行了冻、融两种状态下的导热系数测量，并将所得数据与规范进行了对比分析，为今后在进行室内导热系数试验方法的选取提供参考。

关键词：导热系数、瞬态热线法、粉质粘土、干密度、含水量

0引言

由于冻土对温度的变化极其敏感，因此研究其温度状况是冻土试验中一项重要内容。土体的冻融循环会给建设工程带来不同程度的危害，例如建筑物地基的不均匀沉降，道路的冻胀、翻浆，桥梁基础的下沉以及输油管道的破裂，为基础设施的运营和维护带来极大的困难。

导热系数是冻土物理学中用来表征土体热传导能力的一项重要指标，常用于土体的热量转换、冻融深度、温度场等建筑工程的热工计算。本次热线法导热系数试验的试验土料为吉林大学冻土物理实验室在2008年进行的热流计法冻土导热系数模拟试验中的2#粉质粘土，并按一定含水量及干密度进行控制，根据参考文献[1][2][3][4]测量冻土状态下的导热系数，并对所得数据进行统计分析，分析影响因素及变化规律，并与规范进行比较，为今后实际工程中对导热系数进行室内试验的测定提供参考依据。

1试验概况

1.1 瞬态热线法试验

土的导热系数测定方法可分为两大类，即稳态法和非稳态法。瞬态热线法是非稳态法中的一种，是通过在均质均温的土样中设置一根“热线”，即电阻丝，使其在恒定功率的作用下释放热量，并使电阻丝及其周边的土样温度升高，最后根据电阻丝温度随时间的变化关系，确定土样的导热系数。传热学中，瞬态热线法适用于导热系数小于2W/(m·K)的各向同性均质材料导热系数的测定。计算公式如下：

或

式中：λ—导热系数，W/(m·K)；

I—电阻丝加热电流，A；

U—电阻丝A、B间的端电压，V；

L—电压引出端A、B间热线的长度，m；

R—测定温度下电阻丝A、B间的电阻值，Ω；

t1和t2—从加热时起至测量时刻的时间，s；

θ1和θ1—t1和t2时刻热线的温升，℃。

1.2 试验设备

①恒温箱，提供恒温环境；②DC3030型低温恒温槽，控制精度0.1℃，控制试样冷端温度；③测温系统，由热电偶配PZ158直流数字电压表；④土样盒为自制矩形铁质试样盒；⑤测量探头，由热电偶丝与热线焊接而成；⑥零温瓶；⑦有机玻璃罩，隔离试样与周围空间；⑧稳压电源；⑨压力机。

1.3 试验方法

按控制含水量、干密度以及土样盒（上下各一个，试验时将两试样盒对接）的体积制备试样，并将土样用压力机压入试样盒，随后将电阻丝至于土样中，与土样充分接触。将上下两个土样盒对接并密封，用有机玻璃罩罩住，接通电源，开始试验。记录每个时间点的电压值，并计算土样温度随时间的变化值。以电压表的变化值不超过0.5μV，并连续出现4、5次，此时可视土样的温度趋于恒定，试验结束。

1.4 试验土料

本次瞬态热线法试验所用土料来自2008年吉林大学冻土物理实验室的瞬态热流计法冻土导热系数模拟试验中的2#粉质粘土。对2#土料进行颗分、液塑限试验，测得的基本物理指标见表1.1。试验控制干密度γd=1.4～1.7g/cm3,控制含水量W=15%～30%。

1.5 试验工作量

本试验共完成冻、融状态下粉质粘土导热系数试验32个。

表1.1试验土料基本物理指标