・铁路与公路 设计・ －．＿ Ｌ．． Ｃｊ 同 速铁路路基级配碎石层导热系数试验研究 杨陈承，苏 谦 （西南交通大学土木工程学院，四川成都６１００３ １） 【摘要】 采用稳态比较法，考虑一维导热，对高速铁路埋入式连续桩板结构路基级配碎石层的导热系 数进行了测试。试验于常温条件下进行，考虑了密度、级配、含水量三个影响级配碎石层导热性能的主控因 素。试验结果表明：级配碎石层在不同条件下导热性能变化较大，采用合理的碎石级配，能够有利于对埋入 式连续桩板结构温度荷载的控制。标准级配下，级配碎石导热系数为０．５７９ Ｗ／（ｍ・Ｋ）。 【关键词】 高速铁路；埋入式连续桩板结构；导热系数；稳态比较法；级配碎石 【中图分类号】Ｕ２１３．１ 郑西客运专线深厚湿陷性黄土地基处理采用了埋人式 【文献标识码】Ｂ 连续桩板结构，温度荷载所引起的结构内力与变形是设计计 算以及使用过程中的重要问题。埋入式连续桩板结构完全 埋入级配碎石层中，研究级配碎石层的导热特性对于桩板结 构温度场的确定和分析具有非常重要的现实意义。有文献 表明 ，温度场主要有日照引起的温度场、骤然降温引起的 温度场和年温变化引起的温度场。级配碎石是一种非均匀 多孑Ｌ散体介质，南非均匀多孔介质的性质可知它的导热包括 图１试验装置示意图 １．２试验方法 ３个过程 ：（１）固体骨架中的导热；（２）孔隙气体介质中的 导热；（３）孔隙和骨架之间的耦合传热。由于级配碎石内部 结构十分复杂，其内部发生的热传递过程与传统的均匀介质 中发生的过程有很大的差异，各类参数随着实际多孔介质内 参照《土工试验方法标准》中有关“冻土导热系数试验” 的方法，本试验采用稳态比较法。当试验箱内温度场达到稳 部几何结构的不规律性而出现容积范围内的不均匀性和不 确定性。实际多孑Ｌ介质的温度与热流分布是不均匀和不连 续的 ，内部结构是影响温度分布和热量传递的主要因素。 为了深入研究级配碎石层的导热特性，参照《土工试验方法 定状态时，该系统为一维稳态传热问题： ｑ＝Ａ・△ ＝Ａ ０・△Ｔｏ＝ｅｏｎｓｔ （ｔ） 式中：Ａ、 。分别为级配碎石层和石蜡的导热系数；ＡＴ、 ＡＴ 分别为级配碎石层和石蜡试样箱中的温差。由式（１）可 得级配碎石层的导热系数计算公式为式（２）： Ａ：Ａ ０‘△ ０／ＡＴ （２） 标准》（ＧＢ／Ｔ ５０１２３—１９９９） ，设计了一套粗颗粒的导热系 数测试装置，并对不同密度、不同级配、不同含水量条件下级 配碎石层的导热系数进行了试验研究，以期为埋入式连续桩 试验过程中，为了减少环境温度的影响，试验箱内的温 度尽量控制在室温附近（室温为２７℃～３０￣Ｃ）。每个试验从 开始控温到试验箱内的温度达到稳定状态一般需要８～９ ｈ， 以同一时刻试验箱内相同点的温差不超过０．５￣Ｃ作为温度场 稳定标准。具体控温条件见表１。 表１试验温度控制条件 试验序号 左侧温度（℃） 右侧温度（℃） 温差（℃） 板结构的设计与优化提供必要的热力学参数。 ｌ试验装置与方法 １．１试验装置 设计的试验装置如图１所示，主要南恒定控温系统、测 温系统和试样盒组成。保温箱的内部尺寸为１３０ ｃｍ（长）Ｘ ４５ ｃｍ（宽）×４５ ｃｍ（高），四周采用厚度为１０ ｃｒｔｌ的硬质聚胺 脂泡沫板作为保温材料。试验箱两侧的水箱可加热并作为 试验热源，从而使箱两侧形成可以控制的温度差。试验材料 １ ７０．２ ２９．３ ４０ ９ ２ ６８．３ ３０ ３８．３ ３ ６９ ２８ ４１ ４ ６８．６ ２９．３ ３９．３ ５ ７０ ２８．６ ４１．４ 选用现场提供的级配碎石，试样设计厚度为２５ ｃｍ，试验中填 装在左侧试样箱中。右侧试样箱填装的是石蜡，作为测量导 热系数的标准对比物质，其导热系数为０．２９ Ｗ／（ｍ・Ｋ），并 且假定该值是不随温度而变化…。为了使试样箱、恒温水箱 之间紧密接触，其问设置５ ｍｍ的铝板作为热传导媒介，以使 试验箱内实现一维传热。试验采用的温度传感器，测量精度 ［收稿日期］２００９—０５—２６ ［作者简介］杨陈承（１９８２～），男，四川自贡人，在读研 究生。 为０．１ ｏＣ，布置在距试样箱壁２ ｅｍ处。共设置４个传感器。 四川建筑第３Ｏ卷２期２０１０．０４ ６７ 铁路与公 路设计－－ ２试验结果分析 ２．１导热系数与温度变化关系 标准级配不同密度下，温度随时间的变化规律如图２ 所示。 本身缝隙填充不太大时，其导热性能变化不大。但是在本试 验中含水量过大时（含水量达到９％时），导热系数增大１．４ 倍左右。由于级配碎石这种传热特性，在埋人式连续桩板结 构的应用中，应该注意控制好碎石的级配以达到对桩板结构 温度应力的控制，还应加强对碎石层的排水处理，防止其积 水过多造成级配碎石导热性明显增强，使其对埋入式连续桩 板结构造成危害。 ３结论 （１）级配碎石试样温度变化在初期较快，随着时间的增 加温度变化趋于平缓，约８ ｈ以后可达稳定。标准级配下的 时间间 （ｈ１ 级配碎石导热系数为０．５７９ ｗ／（ｍ・Ｋ）。 ◆一ｌ 传感器—◆一２号传感器 （２）对比不同密度和级配试样温度变化规律可发现，随 — 一３弓ｆ§感器—夺一４ 传感器 图２不同密度随温度的变化 着密度增加，温度变化加剧，即试样导热系数随着密度增加 而增大。 由图中温度变化可以看出，级配碎石试样（１，２号传感 （３）当含水量发生变化且含水量较小时，孑Ｌ隙水对于级 器）温度变化在初期较快，随着时间的增加温度变化趋于平 配碎石本身缝隙填充不大，其导热性能变化不大。但当含水 缓，约８ ｈ以后可达稳定；比对试样——石蜡（３，４号传感器） 量过大时，导热系数明显增强，增大到１．４倍。 的温度变化规律类似，但由于其导热系数较小，所以其温度 （４）埋入式连续桩板结构路基设计中，选择合理的级配 的变化较缓慢。另外，对比不同密度试样温度变化规律可发 碎石层厚度和级配，使其起到较好隔温效果，能够对埋人式 现，随着密度增加，温度变化加剧，也即试样导热系数随着密 连续桩板结构的推广应用起到积极的作用。 度增加而增大。 ２．２导热系数与级配及含水量关系 参考文献 试验中获得的不同级配和不同含水量下试验箱内温度 场达到稳定状态时的导热系数变化如图３所示。 ［１］张建明，盛煜，赖远明．铁路道碴层导热系数测试研究［Ｊ］．冰 川冻土，２００３，２５（６）：６２８—６３１ 竺 ［２］李／ｌ，Ｊ ＪＩ，施明恒，张东辉．非均匀多孔介质有效导热率分析 ● 皇 一ｌ粒径满足高速铁路标准 一粒径小于高速铁路标准 ［Ｊ］．工程热物理学报，２００６，２７（４）：６４４—６４６ 一粒径大于高速铁路标准 ［３］李小川，施明恒，张东辉．非均匀多孑Ｌ介质中导热过程［Ｊ］．东 一粒径小于规范标准 一粒径人丁规范标准 南大学学报（自然科学版），２００５，３５（５）：７６１—７６５ 拳 曲 ［４］ＧＢ／Ｔ ５０１２３—１９９９土工试验方法标准［ｓ］ ［５］王铁行，刘自成，卢靖．黄土导热系数和比热容的实验研究 ［Ｊ］．岩土力学，２００７，２８（４）：６５５—６５８ 图３ 不同级配碎石导热系数随含水量变化 ［６］付春雨．混凝土梁桥的温度场与温度应力研究［Ｄ］．西南交通 当级配碎石的含水量发生变化，且含水量对于级配碎石 大学．２００６：６—７ ！ ． ！ ． ． ．． ． ．尔 不 乖 奈 乖 乖 希 零 乖 希 （上接第６６页） 客运站导向标识系统中标识界面的可视性 标准设计，２００８（３）：１２１—１２４ 做了简易的分析，定黾的分析了标识设置高度、文字大小及 ［２］ 张伯明．交通标识汉字识认性的研究［Ｊ］．公路交通科技，１９９３ 文字间距等问题。同时，本文也指出不同的字体对标识信息 （２）：２Ｏ一４６ 的表达能力也有影Ⅱ向。但对于标识色彩、造型等方面因素本 ［３］ 杨久龄，刘会学．ＧＢ ５７６８—１９９９道路交通标志和标线应用指 文并未探讨，有待于进一步思考。 南［Ｍ］．北京：中国标准出版社，新华出版社，２００２ ［４］ 何玉莲．公共环境导向标识系统设计研究［Ｄ］．江南大学，２００７ 参考文献 ［１］ 陈军．铁路旅客列车设置静态标志信息系统的探讨［Ｊ］．铁道 ６８ 四ＪＩＩ建筑第３０卷２期２０１０．０４