高富水卵砾石地层热物理参数试验研究

李长清 叶万军 胡双平 吴云涛 姚悟闻 魏雄

李长清, 叶万军, 胡双平, 等. 2020.高富水卵砾石地层热物理参数试验研究[J].工程地质学报, 28(3): 510-519. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-382
引用本文: 李长清, 叶万军, 胡双平, 等. 2020.高富水卵砾石地层热物理参数试验研究[J].工程地质学报, 28(3): 510-519. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-382
Li Changqing, Ye Wanjun, Hu Shuangping, et al. 2020. Experimental study on thermophysical parameters of high water gravel formation for freezing construction[J]. Journal of Engineering Geology, 28(3): 510-519. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-382
Citation: Li Changqing, Ye Wanjun, Hu Shuangping, et al. 2020. Experimental study on thermophysical parameters of high water gravel formation for freezing construction[J]. Journal of Engineering Geology, 28(3): 510-519. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-382

高富水卵砾石地层热物理参数试验研究

doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-382
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41672305

陕西省重点科技创新团队计划 2016KCT-13

中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目 Academy 16-34-01

详细信息
    作者简介:

    李长清(1990-), 男, 博士生, 主要从事冻土强度、变形方面的科研工作. E-mail: 812923887@qq.com

  • 中图分类号: P539

EXPERIMENTAL STUDY ON THERMOPHYSICAL PARAMETERS OF HIGH WATER GRAVEL FORMATION FOR FREEZING CONSTRUCTION

Funds: 

the National Natural Science Foundation of China 41672305

Shaanxi Key Scientific and Technological Innovation Team Plan 2016KCT-13

Scientific Research Projects of China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd Academy 16-34-01

  • 摘要: 冻结法施工设计过程中地层的热物理参数是必须明确的指标, 为了探明高富水卵砾石地层热物理参数以及各参数与影响因素之间的相互作用关系, 本文以现场取回卵砾石样为研究对象, 通过自制试验装置测量试样起始冻结温度、比热容和导热系数, 探究含盐量对试样起始冻结温度的影响, 试样比热容、导热系数与冻结温度之间的相互作用关系, 试验结果表明:随着含盐量升高, 试样中水分的蒸气压不断下降, 造成试样需要更低的温度, 释放更多的能量才会发生冻结, 试样随着含盐量的升高起始冻结温度下降, 1、2、3号试样平均起始冻结温度从-0.46 ℃下降到-1.15 ℃; 随着冻结温度的降低试样中水分冻结, 卵砾石试样中含冰量增多, 未冻水含量减少, 由于冰的比热容是水的一半, 致使比热容不断下降, 卵砾石试样比热容从1.60 J·(g·℃)-1下降到1.06 J·(g·℃)-1; 随着冻结温度的降低试样含冰量增多, 含水量减少, 由于冰的导热系数远远大于水的导热系数, 致使卵砾石试样导热系数不断上升, 由1.71 W·(m·K)-1增加到2.13 W·(m·K)-1; 由于试样中含冰量、未冻水含量随温度不断变化, 固态和液态水的相变, 导致试样热物理性质随温度不断发生改变。
  • 图  1  试样筛分曲线

    Figure  1.  Sample sieving curve

    图  2  起始冻结温度测量装置示意图

    Figure  2.  Schematic figure of initial freezing temperature measuring device

    图  3  起始冻结温度测量装置图

    Figure  3.  Initial freezing temperature measuring device

    图  4  比热容试验试样与装置图

    a.未加水、未冻结试样图; b.加水冻结后试样图; c.量热器结构图

    Figure  4.  Figure of specific heat capacity test samples and device

    图  5  导热系数试验原理图

    Figure  5.  Schematic diagram of thermal conductivity test

    图  6  导热系数试验试样与装置图

    a.未加水、未冻结试样图; b.石蜡盒; c.加水冻结后试样图; d.冻结试样、石蜡连接示意图; e.试验时冻结试样、石蜡放置位置图; f.试验现场图

    Figure  6.  Thermal conductivity test samples and device

    图  7  A、B两组1号试样冻结温度-时间散点拟合图

    Figure  7.  Fitting plot of freezing temperature-time dispersion for No.1 specimens in A and B groups

    图  8  A、B两组2号试样冻结温度-时间散点拟合图

    Figure  8.  Fitting plot of freezing temperature-time dispersion for No.2 specimens in A and B groups

    图  9  A、B两组3号试样冻结温度-时间散点拟合图

    Figure  9.  Fitting plot of freezing temperature-time dispersion for No.3 specimens in A and B groups

    图  10  1、2、3号试样平均起始冻结温度图

    Figure  10.  The average freezing temperature chart for specimens 1, 2 and 3

    图  11  试样比热容随冻结温度的变化规律

    Figure  11.  Variation of specific heat capacity of samples with freezing temperature

    图  12  不同冻结温度下试样平均比热容拟合曲线

    Figure  12.  Fitting curves of average specific heat capacity of samples at different freezing temperatures

    图  13  试样导热系数随冻结温度的变化规律

    Figure  13.  Variation of thermal conductivity of samples with freezing temperature

    图  14  不同冻结温度下试样平均导热系数拟合曲线

    Figure  14.  Fitting curves of mean thermal conductivity of samples at different freezing temperatures

    表  1  高富水卵砾石试样物理性质指标

    Table  1.   Physical properties of high water-rich gravel samples

    含水量
    w/%
    天然密度
    ρ/g·cm-3
    干密度
    ρd/g·cm-3
    孔隙比
    e
    试样比重
    Gs
    饱和度
    Sr/%
    13.9 2.19 1.92 0.415 2.71 91.2
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    表  2  A、B两组试样起始冻结温度成果表

    Table  2.   Results of initial freezing temperature for two sets of samples A and B

    试样编号 含盐量/mg·L-1 起始冻结温度/℃ 平均起始冻结温度/℃
    一价离子 二价离子
    A-1 60 30 -0.45 -0.460
    B-1 60 30 -0.47
    A-2 200 65 -0.90 -0.925
    B-2 200 65 -0.95
    A-3 230 90 -1.10 -1.150
    B-3 230 90 -1.20
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    表  3  试样不同冻结温度下比热容成果表

    Table  3.   Specific heat capacity of samples at different freezing temperatures

    试样冻结温度/℃ C组试样比热容/J·(g·℃)-1 D组试样比热容/J·(g·℃)-1 平均比热容/J·(g·℃)-1
    -6 1.61 1.58 1.60
    -8 1.46 1.37 1.42
    -10 1.25 1.19 1.22
    -12 1.15 1.12 1.14
    -14 1.08 1.03 1.06
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    表  4  不同冻结温度下试样的导热系数成果表

    Table  4.   Thermal conductivity of samples at different freezing temperatures

    试样冻结温度/K E组试样导热系数/W·(m·K)-1 F组试样导热系数/W·(m·K)-1 平均导热系数/W·(m·K)-1
    -6 1.77 1.65 1.710
    -8 1.85 1.81 1.830
    -10 1.98 1.95 1.965
    -12 2.07 2.03 2.050
    -14 2.15 2.11 2.130
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-27
  • 修回日期:  2019-04-20
  • 刊出日期:  2020-06-25

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