升温路径下黄土热力特性及微观机理试验

喻铮曦; 庞志同; 张吾渝; 王文轩; 郭瑞章

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506198

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (25) :10729-10738 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506198

天文学、地球科学

升温路径下黄土热力特性及微观机理试验

喻铮曦 ¹ ,
庞志同 ¹ ,
张吾渝 ¹^,²^,^* ,
王文轩 ¹ ,
郭瑞章 ¹

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Experiment on Thermal Characteristics and Microscopic Mechanism of Loess under Warming Path

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摘要

在地下管廊工作过程中,其内部长期冷热循环作用对周围土体产生累积效应,探究升温路径下温度以及含水率对黄土热力特性的影响及机制是必要的。以青海西宁城北区黄土基坑为例,采用一种升温路径方式即按照地下管廊周围土体每年经历的温度进行升温养护,研究在温度动态变化下土体抗压强度、导热系数变化规律以及土体微观结构的演化机理。结果表明:黄土的导热系数在-30~0 ℃温度区间内随温度升高呈递减趋势,而在0~60 ℃范围内则表现为递增特性。同时,黄土的抗压强度随温度升高呈现显著劣化特征,但在不同温度区间表现出差异化的下降规律。导热系数受到未冻水含量和孔隙变化等耦合影响,抗压强度主要受未冻水含量的影响,两者在不同温度区间相关性不同。微观机理揭示,随着土体发生冻结,土体内大颗粒破碎化,中等大小(30~40 μm)孔隙占比增大,孔隙连通性增强。该研究模拟了土体经历的温度变化过程,为黄土覆盖地区地下管廊工程设计和施工提供依据。

Abstract

Underground utility tunnels subject the surrounding loess to long-term thermal cycles. The coupled effects of temperature and moisture on the thermo-mechanical behavior of loess are investigated. A representative loess foundation pit in Chengbei District, Xining, was selected for the investigation. A site-specific warming path, simulating annual temperature variations, was applied to samples. The evolution of compressive strength, thermal conductivity, and microstructure under these dynamic thermal conditions was systematically analyzed. Results indicate that the thermal conductivity of loess decreases as temperature rises from -30 ℃ to 0 ℃, whereas an increase is observed between 0 ℃ and 60 ℃. Concurrently, significant thermal degradation of the compressive strength is observed with increasing temperature. However, the rate and pattern of this deterioration are found to vary across different temperature intervals. Thermal conductivity is governed by the combined effects of unfrozen water content and pore structure evolution. Compressive strength is primarily influenced by changes in unfrozen water. The correlation between these two properties, therefore, varies with the temperature regime. Microstructural analysis indicates that freezing induces the fragmentation of coarse particles, leading to an increase in medium-sized pores (30-40 μm) and enhanced pore connectivity. This study provides critical insights for the design and construction of utility tunnels in loess regions by realistically simulating the soil’s thermal history.

Graphical abstract

关键词

黄土 / 升温路径 / 热学 / 力学 / 微观结构 / 相关性

Key words

loess / warming path / thermodynamics / mechanics / microstructure / correlation

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喻铮曦, 庞志同, 张吾渝, 王文轩, 郭瑞章. 升温路径下黄土热力特性及微观机理试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(25): 10729-10738 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506198

YU Zheng-xi, PANG Zhi-tong, ZHANG Wu-yu, WANG Wen-xuan, GUO Rui-zhang. Experiment on Thermal Characteristics and Microscopic Mechanism of Loess under Warming Path[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(25): 10729-10738 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506198

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能源是社会发展的基础和动力,为了解决清洁能源分布和需求不协调的矛盾,中国启动了“西气东输”工程。在这一背景下,能源地下结构工程迅速发展,地下管廊在能源地下结构工程中广泛运用,其内部长期的温度循环对周围土体性质产生长期影响^[1],进而对管廊的承载力和变形有较大影响。研究相关温度路径下土体热力特性变化,可为地下管廊的设计提供参考。

针对温度路径下土体热力特性,目前中外学者围绕其导热系数、抗压强度等方面的演化规律及机制,开展了广泛且细致的研究。在导热系数方面,董西好等^[2]探究降温路径(-30~30 ℃)黄土热参数的发展规律,发现导热系数变化曲线随温度降低出现缓慢增大、迅速增大和基本稳定3个阶段,含水率越大,温度影响越显著;刘凤云等^[3]和Xin等^[4]将降温路径中冻结阶段(-25~0 ℃)的温度梯度缩小,研究发现,当温度低于-5 ℃,导热系数由于内部水分迁移和表面水分蒸发而呈现下降趋势,含水率越大,该趋势越显著。Zhang等^[5]在相同温控点条件下,探究升温、降温路径(-20~20 ℃)对黏土导热系数的作用机理,研究表明,两种温度路径下导热系数变化曲线基本一致,随温度降低而持续增大。升温路径在-20~0 ℃区间内未冻水含量少于降温路径的未冻水含量,因此该区间内升温路径的导热系数减小。学者对于抗压强度的研究多集中于降温路径下的冻土,Xu等^[6]通过单轴抗压强度试验,发现负温范围(-7~-2 ℃)内黄土的抗压强度随温度的降低而线性增加,冻结后黄土脆性增大;李怀鑫等^[7]、陈士威等^[8]研究冻结黏土(-15~-5 ℃)的单轴抗压强度,其结果表明,单轴抗压强度和负温之间的函数关系符合指数函数;王振华等^[9]对冻结粉质砂土(-15~-5 ℃)进行了三轴抗压强度试验,明确了冻土强度增大的主要原因是孔隙冰对土颗粒的胶结作用,含水率越高,抗压强度越大,冻土应力-应变软化程度越显著;Fei等^[10]考虑温度(-10.5~-0.5 ℃)、含水率条件,开展粉土抗压强度和应力-应变特性研究,发现冻结粉土抗压强度对含水率并不敏感,应力-应变曲线中存在弹性阶段、应变硬化阶段和应变软化阶段。综上所述,当前针对温度路径下土体热力特性的研究渐趋完善,对进一步认识土体温度作用演化机制具有较好的指导作用和实践价值。然而现有研究中导热系数和抗压强度变化规律较为多样,结果差异大,且针对升温路径下黄土热力特性研究报道较少。因此,有必要参考地下管廊周围土体每年经历的温度,系统地探究地下管廊附近黄土热力特性和微观结构之间潜在的多尺度机理。鉴于此,以青海西宁Q₃重塑黄土为研究对象,分别开展升温路径下青海西宁Q₃重塑黄土导热系数测试试验、单轴抗压强度试验、含水率监测及扫描电镜观测,探索青海西宁Q₃重塑黄土导热系数、抗压强度、细观孔隙及微观颗粒的演变机理与内在联系,揭示升温路径下青海西宁Q₃重塑黄土热力特性劣化的多尺度机制。研究结果对黄土区工程设计具有重要的理论和实践意义。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用土样取自青海省西宁市城北区高教路上一处管道附近黄土基坑(36°74'57″N,101°75'46″E),取土深度为4~5 m的Q₃新鲜黄土,呈土黄色,质地松散,土样基本物理性质指标如表1所示,颗粒级配信息如图1所示。试验中主要考虑含水率和温度对土体物理性质的影响,确定试样干密度为土体的最大干密度1.7 g/cm³。含水率的取值参考西宁市黄土在自然状态下的赋存值,西宁黄土区地处半干旱、半湿润地区,天然含水率常见值为2%~17%,确定本次试验目标含水率为4%、8%、12%、16%。

1.2 试验方案

1.2.1 升温路径试验

地下管廊工程在长期服役过程中,其周边土体常受到大气季节性循环及地下热源等冷热荷载的周期性作用,导致土体成分与微观结构发生演变,进而影响其工程性质,如图2所示。为准确反映实际工况下土体所经历的温度变化历程,结合该地区工程实际,设定符合温度波动特征的升温路径,以模拟土体在升温作用下的响应。统计西宁市近20年的年平均最低温和最高温,西宁土体温度变化范围在-30~35 ℃,地埋热源(地源热泵、能源桩、能源隧道等)的外表温度范围在30~50 ℃^[11]。因此,将本次试验温度的范围定在-30~60 ℃,分别设置-30 ℃和60 ℃为起始温控点和终止温控点,中间设置-15 ℃和30 ℃ 2个温控点作为中间控制点。在试验温度区间内,孔隙水会发生水冰相变,其密度(水在4 ℃时密度最大)也随着改变,因此,在相变区 (-4~0 ℃)将温度梯度缩小至2 ℃并且增加4 ℃这1个温控点,以探究孔隙水相变对土体物理性质变化的影响。每个温控点设置至少12 h以保证土样内部温度稳定,温度路径演示如图3所示,试样从室温降温至-30 ℃后采取梯度升温法至60 ℃。

1.2.2 导热系数测试试验

导热系数测试设备为Hot Disk TPS 1500 型热常数分析仪,该设备采用瞬态热源平面法(transient plane source,TPS)测量土体的热物理性质。TPS探头由导电金属镍经刻蚀处理制成,其测试温度范围为-253~400 ℃。测试时,探头被夹在两块试样中间,在探头上输出恒定电流时,探头产生热量,热量在探头周围土样中向内部传导。

1.2.3 单轴抗压强度试验

单轴抗压强度测试设备采用YYW-2型应变控制式无侧限压力仪,该仪器最大测力为0.6 kN,轴向应变速率为2.4 mm/min。

1.2.4 含水率监测试验

考虑冻结阶段土体内未冻水含量影响其物理性质,采用5TE土壤电导率传感器测试冻结过程中土体介电系数,根据Watanabe等^[12]的研究,冻土和未冻土中的含水量可以根据土壤的介电常数计算,表达式为

(1)$\mathit{\theta }=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{\mathit{\rho }}_{\mathrm{w}}\mathit{s}{\mathit{D}}_{\mathrm{a}}\frac{({\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{r}}-{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{a}})-{\mathit{\theta }}_{\mathrm{s}}({\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{r}}-{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{a}})}{{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{b}\mathrm{w}}-{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{i}}}},\mathit{T}\ge 0\mathit{℃}\\ \sqrt{{\mathit{\rho }}_{\mathrm{w}}\mathit{s}{\mathit{D}}_{\mathrm{a}}\frac{({\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{r}}-{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{a}})-{\mathit{\theta }}_{\mathrm{s}}({\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{r}}-{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{a}})-{\mathit{\theta }}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}({\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{r}}-{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{a}})}{{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{b}\mathrm{w}}-{\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{i}}}},\mathit{T}<0\mathit{℃}\end{array}\right.\mathit{ }$

式(1)中:θ为计算体积含水率,cm³/cm³;θ_s为自由液态水体积含水率,cm³/cm³;θ_tot为冻土中冰的体积含水率,cm³/cm³;T为土体温度;ε_r为土体介电系数,F/m;ρ_w为水的密度,g/cm³;s为比表面积,约为119.5 m²/g^[13];D_a为界面力影响水介电系数的长度,假设为5 nm^[14];ε_a为水的介电系数,约为0.99 F/m^[12];ε_i为冰的介电系数,约为3.27 F/m^[12];ε_bw为水的介电系数,F/m,计算公式为

(2)${\mathit{\varepsilon }}_{\mathrm{b}\mathrm{w}}=88.261-0.4701\mathit{T}+0.0024{\mathit{T}}^{2}-3\times {10}^{-5}{\mathit{T}}^{3}$

1.2.5 扫描电镜试验

对经温度养护后的试样打磨成长条状10 mm×10 mm×20 mm,开展扫描电镜试验,以探究土体微观结构的变化。为保证微观结构代表性,寻找颗粒、孔隙分布均匀部位进行扫描分析,选取试样中具有代表性的5个扫描点拍摄、采集SEM图像(倍率200),将SEM图像采用PCAS软件进行二值化处理后,采用Image-Plus软件进行孔径分析。

1.3 试验步骤

试验共32组,每组试样从起始温控点-30 ℃开始养护,经历温度路径达到中间控制点的同组试样测试后废弃。每组2个环刀试样测试导热系数,1个标准试样测试抗压强度,1个标准试样测试介电系数和进行微观试验,环刀试样和标准试样各1个平行试样检测温度和含水率的变化。

(1)烘干研磨,置水均化。将土样置于70 ℃烘箱中干燥10 h,将其研磨成土颗粒,按照试验目标含水率称取土颗粒和蒸馏水,将蒸馏水均匀喷洒于土样,密封静置一昼夜,使蒸馏水均匀填充土样孔隙。

(2)控制密度,制备试样。按照试验设置初始干密度,称取相应质量土样,分3次装入环刀($\mathit{\varphi }$61.8 mm×20 mm)中,装入后采用细棒对土体进行轻微插捣。采用压力机在位移控制模式下缓慢下压,下压速率为1 mm/min,直至压满环刀;标准试样($\mathit{\varphi }$39.1 mm×80 mm)分5层填装击实,每层击实25次,击实过程中应确保击实锤能自由、垂直落下,并均匀作用于土样表面。

(3)设置温度,静置养护。按照试验设置温度路径操作温度箱,将所有测试试样和平行试样用密封膜紧密包裹后置于温度箱内养护。养护结束后,测量平行试样含水率和温度,若含水率变化显著或者温度没有达到试验标准,则重新制样养护。

(4)试样测试,重复试验。保持温度箱内温度稳定,将TPS探头、YYW-2型应变控制式无侧限压力仪和5TE传感器通过测试孔放入温度箱内,待试样和探头、仪器、传感器温度稳定进行测量,如图4所示。试验结束后,在同一温度、含水率条件下进行重复试验,剔除离散值后,取6次测试结果的平均值作为实测值。

2 试验结果及分析

2.1 升温路径下的导热系数发展规律

黄土试样的导热系数随温度的变化规律如图5所示,导热系数随温度的变化规律可以分为3个阶段。

(1)第1阶段。-30 ℃→-15 ℃→-4 ℃为平稳下降阶段,其特点是:土体完全冻结,随着温度的升高导热系数缓慢减小。试样表面冰晶含量随温度升高而减少,分析认为,水分由于重力作用向试样和TPS探头接触面迁移和重新分布^[15],温度升高,未冻水含量增加,导热系数略有减小。

(2)第2阶段。-4 ℃→-2 ℃→0 ℃为阶梯式下降阶段,其特点是:当温度升高至-4 ℃以上时,导热系数呈阶梯状下降。当温度升高到达-4 ℃时,土体中的大部分冰开始发生相变成液态水,相变过程中,空气重新进入孔隙中,因此导热系数出现跃迁现象。

(3)第3阶段。0 ℃→4 ℃→30 ℃→60 ℃为平缓变化阶段,其特点是:导热系数随着温度升高而增大。当温度在0 ℃以上时,孔隙中的全部冰晶相变成液态水,温度进一步升高,土体内部分子运动越剧烈,热量传递速度更快,土颗粒体积膨胀导致颗粒之间接触面积增大,接触热阻减小,导致导热系数增大。

从图5可得,初始含水率越高,导热系数越大,且导热系数对温度的响应越敏感。当温度由-30 ℃升高至0 ℃,初始含水率16%、12%、8%、4%试样导热系数分别下降0.14、0.113、0.097、0.094 W/(m·K)。冻土由四相系统组成,土体颗粒、水、冰、空气的导热系数分别为2~7.5、0.5、2、0.024 W/(m·K)^[4],各组分之间的导热系数差异为1~30倍,初始含水率高,孔隙主要被水填充,土体冻结时,冰晶含量多。温度升高,土体内发生水冰相变,初始含水率越高,未冻水含量涨幅越大,因此跃迁趋势越显著。当温度由0 ℃升高至60 ℃,导热系数增量分别为0.056、0.03、0.015、0.013 W/(m·K),初始含水率越大,增量越大,温度升高,水的黏滞性降低,流动性增加,促进了热量传递,初始含水率越高,导热性能越好,导热系数增量显著。

2.2 升温路径下的力学性能演化

2.2.1 应力-应变关系

温度对土体的力学性能影响显著,因此,将升温路径以0 ℃为标准划分为冻土阶段(T<0 ℃)和未冻土阶段(T≥0 ℃),试样初始含水率相同,不同温度状态的应力-应变曲线如图6所示。

冻土阶段,不同含水率的冻结黄土应力-应变曲线均呈现软化型,含水率、温度路径导致软化程度不同。土温在-30 ℃和-15 ℃时,应力-应变曲线有明显的屈服点和峰值强度,应力随应变的发展分为弹性、塑性、软化阶段。冰晶的胶结作用使其与土颗粒共同形成的骨架结构刚性增加,应力-应变初始阶段呈现明显线弹性变形,随着应变增加,冰晶先破碎,其胶结能力减弱导致试样发生塑性破坏,土骨架发挥作用,土颗粒破碎和重新排列^[9],试样进入软化阶段。当土温升高至-4~-2 ℃时,冰晶进一步融化,试样以土骨架为主导承载结构,试样硬化程度增加,塑性增强,残余强度增大。初始含水率越高,冰晶含量越多,试样脆性增强,因此,土温在-30 ℃和-15 ℃时,12%、16%含水率试样存在明显屈服点,呈现脆性破坏。

土温高于0 ℃时,冰融化为水,试样融沉导致其强度降低,4%、8%含水率试样以延性破坏为主,12%、16%含水率试样脆性增大^[16]。土温从0 ℃升至4 ℃时,孔隙中自由水收缩,水的润滑作用减弱,试样硬化程度增加。含水率越大,结合水、孔隙水和毛细水越密集,颗粒间的摩擦力越小,因此,软化程度越大。当温度继续升高,试样基质吸力增大,进气值增加,溶解在水中的气体膨胀形成封闭气泡,少量自由水被排出,因此试样硬化程度进一步增加。12%、16%含水率试样硬化程度大于4%、8%含水率试样,其进气值越大,排出的自由水体积越大,结构松散性越明显。

2.2.2 抗压强度

将最大轴向应力作为抗压强度绘制如图7所示。随着土温的升高,4种含水率下黄土在-30~0 ℃区间内抗压强度与土温的绝对值呈现非线性负相关,当温度从-30 ℃升至0 ℃时,试样强度衰减率达87%~96%,以初始含水率为16%的试验结果为例,在-30~-15 ℃温度区间内,抗压强度下降速率为52.5 kPa/℃,而在-15~-2 ℃温度区间内,抗压强度下降速率为32.8 kPa/℃。试样从-30 ℃升温至-15 ℃,一方面,孔隙间的冰晶表面融化,破坏了冰-壤交界面,土骨架结构稳定性下降;另一方面,冰晶的内聚力依赖于温度,温度升高,冰的强度降低。随着温度进一步升高至-4 ℃,未冻水含量增长显著,在标准大气压及相同温度条件下,冰的抗压强度显著高于液态水的承载能力,这种力学性能的差异源于相变过程中水分子氢键排列方式的改变,其中冰的晶体结构赋予其更高的结构完整性和抗压性能,试样抗压强度下降趋势减缓。当土温升高到0 ℃以上时,温度升高导致土颗粒受热膨胀,试样渗透系数和孔隙比增大,颗粒间胶结物的桥接作用衰减,颗粒间黏聚力减小^[17],因此,抗压强度随温度升高而下降。

从图8可以看出,土温在-30~0 ℃内,初始含水率越高,抗压强度越大,且温度对试样抗压强度的影响越显著。初始含水率16%、12%、8%、4%试样抗压强度在该温度区间内分别下降95.8%、95.2%、94.9%、93.9%,含水率每增加4%,强度损失率约提高0.3%~0.5%,分析认为,初始含水率越高,冰晶和冰-壤交界面越多,温度升高,强度弱化效应越明显;土温在0~60 ℃内,初始含水率越高,抗压强度越小,且不会影响抗压强度对温度的敏感性。初始含水率16%、12%、8%、4%试样抗压强度在该温度区间内分别下降4.7%、4.9%、5.9%、5.3%,分析认为,水的润滑作用削弱了土颗粒间的摩擦力和黏聚力,导致含水率低的试样抗压强度高,抗压强度对温度的敏感性低,主要受含水率控制。

2.3 微观孔隙和微观结构

为探究升温路径下土体微观结构变化,以16%含水率黄土为研究对象,从宏观和量化两个角度进行分析,图8为孔隙平均直径占比,图9为黄土微观结构。

由图8、图9可知,经历升温路径后,土体内部孔隙主要集中在30~40 μm,当温度降低至-30 ℃时,土颗粒受到冰晶的挤压,导致孔隙增大,颗粒棱角磨平,边缘破碎,颗粒破碎体围绕在土颗粒周围,土颗粒之间以点—面接触为主^[18]。当温度升高至-4 ℃时,孔隙中的冰晶融化,未冻水含量增加,导致颗粒破碎体流动性增强,颗粒破碎体重新分布,填充到大孔隙中。因此,大孔隙减少,大孔隙演变为小孔隙。当温度继续升高,未冻水含量增多,大孔隙中的颗粒破碎体分布更加均匀,土颗粒扰动增加。温度高于冰的熔点时,冰全部转化为液态水,水的流动性和气溶性大于冰,土体内气体含量增加,部分水排出土体,土颗粒重新排列,颗粒破碎体均匀分布在大孔隙和毛细管中。当温度达到30 ℃时,土颗粒膨胀,土颗粒之间面-面接触增加,颗粒破碎体受热,分子热运动明显,更易附着在土颗粒周围,导致30~40 μm孔隙演变扩大,40~50 μm孔隙占比增加。温度继续升高至60 ℃时,土颗粒膨胀和分子热运动现象进一步扩大,并且更多的液态水被排出土体,孔隙间的气泡扩大,小于30 μm孔隙占比减少。

3 相关性和多尺度机制讨论

在混凝土研究领域,学者较早开展了掺合料混凝土抗压强度和导热系数研究^[19-21],通过热力特性评估最佳掺量和材料潜力。岩土热力学相关性研究主要在改良土方面^[22-23],针对冻融影响的相关性研究较少。温度路径对于黄土热学、力学性质的影响,主要在于温度影响土体内土颗粒、水、气体的状态,因此开展升温路径下导热系数和抗压强度的相关性研究和影响机制分析。

图10为不同初始含水率试样未冻水含量随温度的变化。在试样升温过程中,未冻水含量随温度的升高主要经历3个阶段。

-30~-4 ℃区间内,未冻水含量随温度的上升呈现线性增长的趋势,16%、12%、8%、4%初始含水率试样涨幅分别为31.55%、27.9%、30.4%、19.25%,增量分别为2.49%、1.85%、1.73%、0.72%,该区间内,冰晶表面融化,未冻水主要是土颗粒周围的结合水和部分冰晶与土颗粒形成毛细管中的毛细水^[24]。

-4~-2 ℃区间内,未冻水含量对温度的敏感性增强,增幅达到13.5%~23.2%,增量达到0.6%~3.13%,该区间内,冰晶进一步融化,试样中毛细水含量增加。

-2~0 ℃区间内,未冻水含量增幅为31.8%~98.8%,增长速率为0.81~6.68%/℃,该区间内,水冰相变剧烈,温度升高至0 ℃时,试样未冻水含量和初始含水率接近,冰晶全部融化,融化过程中,孔隙水含量增多。

进一步探究导热系数、抗压强度和未冻水含量之间的关系,如图11所示,导热系数、抗压强度和未冻水含量之间分别为线性负相关和指数正相关,4种不同初始含水率黄土抗压强度与未冻水含量之间的相关性高于导热系数,且抗压强度对未冻水含量的敏感性高于导热系数。

分析认为,抗压强度对未冻水含量表现出的高度敏感性及指数型衰减规律,主要源于冰胶结作用的显著非线性丧失。当温度从-30 ℃开始上升,初始阶段冰晶表面融化,未冻水膜增厚,土颗粒间的冰胶结键开始被削弱。随着温度持续升高,未冻水含量急剧增加,冰胶结物发生大规模融化,由冰提供的土骨架结构强度和颗粒间黏聚力呈指数级加速丧失^[25],导致骨架承载能力急剧下降,从而表现为抗压强度与未冻水含量的指数负相关;导热系数的变化则是多机制耦合的结果,升温过程中,冰晶融化导致土颗粒发生重组,孔隙结构发生变化,导热路径变得更为曲折复杂。导热系数同时受到水冰相变引起的组分替换、孔隙结构变化带来的热阻改变以及界面效应等多重因素的线性与非线性作用的共同影响^[26],这些机制的综合效应在宏观上表现为线性负相关关系。初始含水率不同,导热系数和未冻水的相关系数越大,4种初始含水率的黄土拟合系数R²均大于0.9,12%、16%初始含水率的黄土拟合系数大于0.95;抗压强度和未冻水的相关系数不受初始含水率的影响,均大于0.95。

图12展现了升温路径下不同含水率黄土抗压强度和导热系数的关系,0 ℃划分为冻土区间(T<0 ℃)和未冻土区间(T≥0 ℃)讨论相关性。在冻土区间,抗压强度随导热系数的增长呈现指数正相关,初始含水率不同,增幅和增量不同,根据上述分析可知,黄土热力特性的影响因素不同导致二者相关性无法统一;在未冻土区间,抗压强度随导热系数的增长呈现线性负相关。综合不同初始含水率下的二者关系,可得出抗压强度和导热系数的线性数学关系,拟合系数R²=0.96。该区间内,导热系数和抗压强度对温度的敏感性低于冻土区间,土颗粒膨胀、气体增多、水黏性降低,导致黄土热力特性改变,因此,二者呈现高度相关性。

温度路径影响土体机理示意图如图13所示。究其原因,升温路径下黄土热力特性受到土体组成成分改变和微观结构损伤等多种因素影响,各尺度间逐级渐进、层层互馈,当土温从室温降低至-30 ℃,土体内孔隙水、毛细水、弱结合水先后发生水冰相变,但土颗粒周围的强结合水仍不冻结,冰晶体积增大,导致土体内空气排出和土颗粒的棱角破碎,分布在土颗粒周围的冰晶形成的冰胶结物与土颗粒、冰晶形成牢固的土骨架,如图13(a)所示。土温升高,冰晶表面开始融化,土颗粒周围的结合水膜变厚,未冻水主要是结合水^[27],如图13(b)所示,微观孔隙和细观颗粒无显著变化,冰-壤交界面随温度升高被破坏,土骨架稳定性降低,因此,导热系数和抗压强度降低,抗压强度的敏感性更高。当土温升高至-4 ℃左右,冰晶含量随温度升高而减少,土体基质吸力增大,外界空气重新进入土体内,土体内出现气泡,未冻水含量增多导致颗粒破碎体流动性增强,颗粒破碎体重组,土颗粒间形成毛细管,毛细水含量增多,未冻水主要由结合水和毛细水组成^[24],如图13(c)所示。土温进一步升高至0 ℃时,土体未冻水含量接近于初始含水率,土颗粒重组,毛细管增多,孔隙通道扩大,毛细水和孔隙水含量增加,未冻水由结合水、毛细水、孔隙水组成,对黄土热力特性影响显著,如图13(d)所示。当土温升高至4 ℃时,水随温度升高而收缩,进气值增加,温度继续升高,黄土基质吸力减小,进气值减小,孔隙被水填充,部分气泡以封闭气泡的形成存在^[28]。温度升高导致封闭气泡膨胀,孔隙水的空间被占据,使得孔隙水排出,土颗粒受热膨胀,土颗粒间接触面积增大,如图13(e)所示。分子热运动增加和颗粒间热阻减小导致黄土导热系数增大,黄土颗粒间的摩擦力和黏聚力减小导致黄土抗压强度下降。

4 结论

通过对经历温度路径后的黄土进行导热系数测试、单轴抗压强度试验和微观试验,从宏细观上对黄土的热学、力学特性进行分析。主要结论如下。

(1)黄土的导热系数随温度升高先缓慢下降,当温度高于0 ℃,导热系数开始上升;黄土的抗压强度随温度升高而下降,不同温度区间下降幅度不同。

(2)微观试验表明,经历升温路径后,30~40 μm孔隙演变扩大为40~50 μm孔隙,颗粒破碎体重新分布,小于30 μm孔隙含量减少。

(3)温度改变土体结构、水的形态,引起热学、力学性质的变化,两者之间的变化高度相关,但在不同温度区间内,其趋势不同、影响机制不同。这为构建热力学模型、不同季节西宁地区地下管廊施工提供了依据。

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2025-08-26	2026-09-08	2026-01-09
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2026-09-18

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