土壤热参数及其影响因素测试分析

热性质是岩土体基本的物理性质之一,用以评价热量在其中的保持、传导和分布状况,以导热系数、比热容和热扩散系数最为常见,这些参数也是地热能管理与开发、工程冷冻开挖、寒区工程设计与施工的重要参数。已有研究表明,土壤热参数与土质、来源、含水率、密度等因素有关。通过广东湛江某工地粉质黏土和黏土的热参数测试结果分析发现：随含水率的增大,粉质黏土导热系数和热扩散系数的变化趋势是先增加至最大值,然后减小,而比热容基本呈线性增大。干密度对粉质黏土导热系数的影响与含水率大小有关,当含水率不超过20.0%时,其随干密度的增加而增大,而当含水率超过27.5%后,其随干密度的增加有减小趋势;当含水率在24.5%（液限）左右时,基本没有规律可循。干密度对粉质黏土热扩散系数影响规律不明显。黏土的导热系数和比热容都随含水率和干密度的增加而增大;热扩散系数随含水率的升高整体表现为非线性增加至稳定,在低含水率下干密度的影响不明显,在较高含水率下随干密度的增加热扩散系数先增大后减小。较大颗粒的存在导致粉质黏土的导热性较黏土复杂。     

含水率和干密度对黄土热参数影响的试验研究

黄土的热参数是黄土灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而含水率和干密度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在常温下开展热参数试验,探讨黄土热参数随含水率及干密度的变化规律。研究结果表明:黄土试样含水率一定时,干密度越大,其导热系数、比热容及热扩散系数也越大;黄土试样的导热系数和比热容随含水率的增大基本呈线性规律增大;当含水率较低时,热扩散系数随含水率的增大而增大;当达到一定含水率时,热扩散系数随含水率的增大而减小;继续增大含水率,热扩散系数趋于稳定。含水率对黄土热参数的影响程度大于干密度对其热参数的影响程度。在热工计算中,可根据土体含水率和干密度动态地选择热参数。     

不同遗址土的热物理参数研究

为了研究干密度、含水率和NaCl含量对遗址土热劣化的影响,采用Hot Disk热常数分析仪对良渚遗址、交河故城遗址和通古斯巴西古城遗址的遗址土重塑样进行了热物理参数的测试,分别确定了遗址土的导热系数、热扩散系数和体积比热随干密度和含水率的变化关系。对通古斯巴西古城遗址重塑样掺入了不同含量的NaCl,研究了含盐量对遗址土重塑样导热系数的影响。结果表明,当含水率与干密度增加时,3种遗址土的导热系数均呈线性增长,热扩散系数和体积比热也随着含水率与干密度的增加而增大;相同条件下3种遗址土的热物理参数存在差异,良渚遗址的较大,交河遗址的较小,通古斯巴西古城的居中总体上与土中SiO2含量成正相关关系。当干密度与含水率一定时, 掺入NaCl增加了遗址土的导热系数。     

混合型缓冲砌块导热性能及其均匀性研究

混合型缓冲砌块作为高放废物地质处置库的缓冲屏障具有良好的导热性能。将高庙子(GMZ)膨润土和标准石英砂混合,依据正交试验原则,控制掺砂率Rs=30%,设置含水率变化为7.0%、11.0%、15.0%,干密度变化为1.60、1.70、1.80g/cm~3,采用半自动化液压机压制成大型缓冲砌块。对砌块进行切割分解,开展热传导试验,建立含水率和干密度与导热性能的关系,了解导热性能的空间分布特征。试验结果表明,随着含水率和干密度的增大,混合型缓冲砌块导热系数显著增大,大致呈线性关系,且平均值均大于国际原子能机构国际原子能机构(IAEA)推荐的导热系数下限值0.8 W/m·K,满足推荐要求;热扩散系数先略微减小再增大,总体也呈增大趋势。对混合型缓冲砌块导热系数的空间分布及均匀性分析发现,砌块四周边缘部位的导热系数比中间部位的波动略大,但总体差异性及非均匀性不明显。采用t检验法对混合型缓冲砌块导热系数均匀性进行检验,发现砌块满足均匀性检验条件,试样均匀。用Johansen模型从物理指标可以预测混合型缓冲砌块的导热系数,偏差在±10%以内。     

混合型缓冲砌块导热性能及其均匀性研究

混合型缓冲砌块作为高放废物地质处置库的缓冲屏障具有良好的导热性能。将高庙子（GMZ）膨润土和标准石英砂混合,依据正交试验原则,控制掺砂率Rs=30%,设置含水率变化为7.0%、11.0%、15.0%,干密度变化为1.60、1.70、1.80 g/cm~(3),采用半自动化液压机压制成大型缓冲砌块。对砌块进行切割分解,开展热传导试验,建立含水率和干密度与导热性能的关系,了解导热性能的空间分布特征。试验结果表明,随着含水率和干密度的增大,混合型缓冲砌块导热系数显著增大,大致呈线性关系,且平均值均大于国际原子能机构国际原子能机构（IAEA）推荐的导热系数下限值0.8 W/m · K,满足推荐要求;热扩散系数先略微减小再增大,总体也呈增大趋势。对混合型缓冲砌块导热系数的空间分布及均匀性分析发现,砌块四周边缘部位的导热系数比中间部位的波动略大,但总体差异性及非均匀性不明显。采用t检验法对混合型缓冲砌块导热系数均匀性进行检验,发现砌块满足均匀性检验条件,试样均匀。采用Johansen模型从物理指标可以预测混合型缓冲砌块的导热系数,偏差在±10%以内。     

基于细观模拟的软土导热系数数值预测模型

热环境控制是城市地下空间安全运行的有力保障,科学预测地下围岩的导热性能是地下空间环控系统热负荷评估的基础。软土是地下空间开发中一类常见土体,现有模型主要适合于预测中低含水率范围内土体导热系数的变化,而对于高含水率软土,合适的导热系数预测模型较少。基于细观模拟,本文提出了一种能有效预测软土导热系数的数值模型。该模型除了能够反映含水率、干密度等常规因素影响外,还可考虑矿物组成以及粒径分布等的影响。最后,通过与苏通GIL管廊工程中20个软土样的实测导热系数进行对比以验证数值模型的可靠性。首先借助激光粒度分析仪和X射线衍射分析测试了矿物组成和粒度分布,代入模型进行数字建模并通过细观导热模拟得到导热系数预测值。导热系数模拟预测值与实测值对比结果显示:模拟预测值基本在实测值±20%范围内,验证了本文模型的可靠性,表明了该模型在预测高含水率软土导热系数方面的潜力。此外,该模型还可以直观地展示土内各处局部热流的分布特征,这为深入认识土体导热行为的机理奠定了基础。本文研究可为软土以及土体导热系数的预测评价提供新的思路和方法。     

北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料导热性能研究

高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要作用之一是传导和散失高放废物衰变热,在膨润土中添加石英砂、石墨、花岗岩岩屑等导热性能较好的添加剂是提高缓冲/回填材料导热性能的主要方法。选用北山花岗岩岩屑为添加剂,与高庙子钠基膨润土GMZ01组成混合材料,制备不同含水率、不同密度的试样。使用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪测定样品的导热系数,分析其与花岗岩岩屑含量、干密度、饱和度等参数的关系,并运用多种混合物热传导模型分析预测导热系数。研究结果表明,花岗岩岩屑能够有效提高缓冲/回填材料的导热性能,混合材料的导热系数分别与其饱和度、气体体积存在线性关系;Maxwell方程能够较好预测北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料的导热系数。     

冻结过程土体导热系数影响因素及预测模型研究

为探究土体导热系数的基本规律,采用瞬态平面热源法测试了冻结过程土体导热系数。研究了土体在不同温度、含水率和干密度物理指标下导热系数变化规律,分析了这三个物理指标动态变化对土体导热系数的影响机制。基于试验数据,建立了DT、RF、GBDT、AdaBoost、SVR、BPNN共六种机器学习模型以预测土体导热系数,通过四个性能指标评估了六种机器学习模型的预测能力,并与三种经验模型进行了对比。此外,基于RF和GBDT进行了特征重要性分析。结果表明:未冻结阶段土体导热系数无显著变化。剧烈相变阶段,因含水率和干密度的不同,土体导热系数随温度的降低分别呈现出减小和增大的趋势,其中增大的趋势随着含水率的增加而增加。冻结阶段,因测试过程中土样的水分蒸发和迁移,土体导热系数随着温度的降低而减小。土体导热系数均随干密度和含水率的增加而增加。根据评估结果,六种机器学习模型中RF的表现较好(RMSE=0.036,MAE=0.028,R²=0.993,AD=0.004),明显优于三种经验模型,RF相较于经验模型也能更准确地预测出其他地区的土体导热系数,建议使用RF预测冻结过程土体导热系数。特征...     

中国南海吹填岛礁钙质砂动力特性试验研究

南海对我国经济发展、资源开发与运输、维护国土完整具有战略性意义。目前我国已在南海海域以吹填方式建设了一系列的岛礁,并在其上修建了一系列的结构物（房屋、防波堤、机场等）。作为这些重要结构物的地基材料,珊瑚钙质砂在极端波浪、海底地震等环境荷载作用下的动态响应特性对评价其上结构物的安全稳定性具有重要的意义。以我国南海珊瑚岛礁吹填工程为背景,对取自岛礁吹填体现场的钙质砂样品,以吹填现场实测的颗粒级配和干密度为依据,开展动态三轴循环试验,研究我国南海珊瑚岛礁吹填体钙质砂地基土的动力特性。试验结果表明：岛礁钙质砂受动态循环荷载作用,在排水不通畅的条件下可以达到部分液化状态,在排水通畅的条件下不发生液化;在不排水条件下,岛礁钙质砂归一化的累积孔压u/ 与振次比N/Nf符合Seed提出的反正弦孔压发展模式;在不排水条件下,所有岛礁钙质砂样品的动态变形模量Ed /E0与归一化应变?m /?r之间全部重合在一条双曲线上,表明不排水条件下岛礁钙质砂的Ed /E0与?m /?r之间的关系不受干密度和颗粒级配的影响,具有很好的统一性。     

激光闪射法测量一种砂岩的高温热扩散系数和热导率

沉积岩的热扩散系数和热导率是十分重要的地质学和地热学参数,对精确获得地表热流密度及建立沉积盆地的热结构模型具有重要意义。本研究利用激光导热分析仪LFA 457测量了一种砂岩从298~773 K的热扩散系数,并结合比热容和密度参数计算获得了其这一温度区间的热导率。结果显示,在298 K时,砂岩的热扩散系数为1.20 mm2 s~(-1),比热容为0.80 J·g~(-1)K~(-1),热导率为2.38 W·m~(-1)K~(-1);温度升高时,热扩散系数迅速减小,比热容升高,总体结果是热导率减小(未考虑体积膨胀造成的密度变化)。在研究的温度区间内,热扩散系数减小了69%,热导率减小了54%。结果表明,高温原位的岩石热导率只有室温下的60%左右。因此,使用高温下的热导率值才能获得更准确的地表热流数据。     

青藏工程走廊冻融土热扩散系数特性与预测模型研究北大核心CSCD

热扩散系数是多年冻土对外界热扰动敏感程度的重要影响参数之一,也是寒区工程设计与建设的关键基础数据。基于瞬态平面热源法导热系数测试结果和质量加权法计算获取的比热容理论值,计算获得青藏工程走廊西大滩—唐古拉山沿线典型类别土样热扩散系数,分析对比了走廊带内冻融土热扩散系数的分布特征和参数影响规律,提出了基于经验拟合公式法和RBF神经网络方法的冻融土热扩散系数预测模型,并比较了不同预测模型的预测效果。研究结果表明:青藏工程走廊带内土的热扩散系数与粒径整体呈正相关性,融土热扩散系数按黏性土、粉土、全风化岩类、砂土及碎石土依次增大,冻土热扩散系数按黏性土、全风化岩类、粉土、碎石土及砂土依次增大;热扩散系数与容重及天然含水率相关性随土类及冻融状态差异明显,冻、融土热扩散系数呈显著正线性关系;以融土热扩散系数为拟合参数的冻土热扩散系数三元预测模型的预测精度明显高于二元经验公式;RBF神经网络模型在冻、融土热扩散系数预测中均具有最优的预测精度,为最佳预测模型。     

冀东沿海土样热物性指标与物理参数间关系的统计分析

利用冀东沿海地区地源热泵勘察工程的土样基本物理性质指标和土的导热系数、比热容的测试结果进行统计分析土的导热系数、比热容与含水率、密度的相互关系,总结了相互间的经验计算公式,提出了一种地源热泵设计中可以参考应用的热物性指标计算方法。     

温度变化对碳酸盐岩储层岩石热物性的影响

以苏北盆地某地热井碳酸盐岩储层岩石为研究对象,对处于20、50、100、150、200 ℃ 5个实时温度点的3组岩石样品进行热物性参数测试,分析导热系数、比热容和热扩散系数随温度变化的规律,拟合趋势曲线和经验公式,探讨影响机制。结果表明：在20～200 ℃的温度区间内,随温度的升高,岩石的导热系数拟合曲线以二次多项式关系呈下降趋势,50 ℃的温度点是岩石导热系数由急速下降到缓速下降的拐点,导热系数平均值减小约31.47%;比热容拟合曲线以二次多项式关系呈上升趋势,比热容平均值增大约23.27%;热扩散系数随温度的变化趋势与导热系数一致,且二者具线性相关,100 ℃温度点是热扩散系数由急速下降到缓速下降的拐点,热扩散系数平均值减小约44.48%。随着温度的升高,比热容增大造成的补偿作用是导热系数下降幅度小于热扩散系数的主要原因。     

温度对黄土热参数影响的试验研究

黄土的热参数是黄土冻融灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而温度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度的原状黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在不同温度下开展热参数试验,探讨黄土的热参数随温度的变化规律。研究结果表明:随着温度的降低,试样的导热系数变化曲线大致可分为缓慢增大、迅速增大和基本稳定3个阶段;比热容随温度的降低先增大后减小,最后趋于稳定;热扩散系数则随温度的降低先减小后增大,当温度低于-20℃时保持基本稳定;含水率越大,温度对试样热参数的影响越显著。土体处于未冻结和冻结两种状态下的热参数相差较大。干密度主要通过土体内部矿物质和自由水的含量对热参数产生影响。在黄土冻融灾害成因机制研究和热工计算中,可根据土体温度、含水率和干密度的变化动态选择热参数,而判断土体是否处于冻结状态是确定热参数的关键。     

珊瑚砂界限干密度确定方法的比较研究

界限干密度(包含最大及最小干密度)是影响砂土力学性质的重要参数,将国标规范中干密度测定方法应用于岛礁珊瑚砂时,该类砂在干密度测定过程中产生了不可忽略的颗粒破碎,使得测定结果严重失真。分别采用中国(GB)、美国(ASTM)、日本(JIS)三国的相关规范,开展了针对珊瑚砂的界限干密度测定方法的比较研究;并与ISO标准砂的测定结果进行对比,进而提出适合于珊瑚砂干密度测定的建议方法。研究结果表明：对于不同粒径的珊瑚砂与标准砂,3种规范最小干密度测定结果为：ρ_dmin^JIS<ρ_dmin^GB<ρ_dmin^ASTM;最大干密度测定结果为：ρ_dmax^JIS<ρ_dmax^GB≈ρ_dmax^ASTM。珊瑚砂与标准砂在3种规范中干密度差异性大小△ρ_d随粒径变化规律存在显著的区别。随着含水率的增大,珊瑚砂的最大最小干...     

黄土导热系数和比热容的实验研究

首先探讨了黄土导热系数和比热容的测试方法,组装形成黄土土样试验装置。然后取扰动黄土配制不同密度、不同含水量试样进行试验,测得黄土导热系数和比热容。实验结果揭示出,在含水量一定的情况下,导热系数和比热容随密度增大而增大;在密度相同的情况下,导热系数和比热容亦随含水量的增大而增大。进一步分析得到根据土体含水量、密度确定导热系数和比热容的关系式。相对于随密度的变化,黄土导热系数和比热容随含水量的变化尤为显著,含水量变化可以引起热参数较大的变化。     

重塑膨胀岩热传导性能及影响因素试验研究

以南宁第三系膨胀泥岩为研究对象,采用热探针法研究含水率、干密度、温度及体积变形率对重塑膨胀岩试样导热系数的影响。研究表明：重塑膨胀岩的导热系数随着含水率、干密度的增加而升高,当含水率从10.4%上升至21.9%时,其导热系数最高上升了135.7%,当干密度从1.50 g/cm~3增加到2.00 g/cm~3时,其导热系数最高上升了133.9%,主要原因是含水率的增加减少了土中空气的热阻作用,干密度的增加使土颗粒之间的接触更为紧密;在潜热传输的作用下,重塑膨胀岩的导热系数随温度的增长而升高,土颗粒在温度的影响下粒径不断增大并发生聚集,为潜热传输提供了有利的条件,重塑膨胀岩导热系数随温度的增长呈现缓慢增长和迅速增长2个不同的阶段;重塑膨胀岩的导热系数随体积变形率的增加而降低,当变形率从0.5%增加到5%时,膨胀岩的导热系数降幅在5.7%～29.5%之间,这是由于吸水膨胀后膨胀岩试样更为松散,土颗粒之间的接触减少。     

多孔矿物介质对有机相变材料导热性能的影响

通过对制备的基于膨胀多孔石墨和硅藻土两种多孔矿物介质与硬脂酸丁酯有机相变材料的相变蓄热复合材料,采用调制差示扫描量热方法(MDSC)测试复合材料的导热系数,并借助层状复合材料热传导模型分析多孔矿物介质内部结构特征对复合材料的导热性能的影响,其结果表明,采用膨胀多孔石墨制备的相变蓄热复合材料具有明显的层状结构,其压制方向的导热系数更接近层状复合材料热传导模型c轴方向导热系数预测结果;采用硅藻土制备的相变蓄热复合材料的导热系数符合层状复合材料热传导模型的a-b平面方向导热系数预测结果,说明该复合材料内部结构具有非常好的连通性。多孔矿物介质对相变材料导热系数的增强效果不仅受多孔矿物介质导热系数的影响,还会受到复合材料内部结构特征的明显影响,在热传导方向上形成连通性结构有利于增强效果,而形成与热传导方向垂直的层状结构则不利于导热系数的增强,即使多孔矿物介质具有很高的导热系数。     

土体电阻率与导热系数的相关性实验研究

将南京下蜀土与中砂以不同比例混合,配制了四种土样,利用室内四极法分别测试了每种土样在不同含水率条件下 的电阻率,发现随含水率和黏土颗粒含量的增加,土体电阻率减小;同时,采用DRE导热系数测试仪测试了每个试样的导 热系数,发现随含水率和砂含量的增高,导热系数增大。已有研究表明,土的电阻率与导热系数均与土体饱和度及孔隙率 等物理性质有关。通过将土的电阻率与导热系数进行拟合,发现两者符合指数关系,并建立了表征电阻率与导热系数相关 性的数学模型。该文研究结果为利用现场实测的电阻率指标间接求取土体的导热系数提供了依据。     

昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究

为探究青藏高原工程走廊带昆仑山地区冻融土导热系数基本特征,采用瞬态平面热源法对钻取的349组冻土试样和245组融土试样导热系数进行了测试,分析了五类土导热系数分布特征及天然含水率、干密度与导热系数的偏相关性,并以两者为变量因素建立了经验公式拟合、支持向量回归（SVR）和径向基（RBF）神经网络导热系数预测模型。结果表明:冻融土导热系数整体均呈粗颗粒土大于细颗粒土特征,且冻土和融土导热系数随土性分布规律存在差异;天然含水率、干密度与导热系数均呈正相关性,不同土类偏相关性结果差异明显,典型土导热系数二元经验回归方程表现为非线性拟合结果。对比三种预测模型下各典型土冻融土导热系数预测结果,全风化千枚岩、角砾及砾砂三种预测模型效果整体较佳,粉土的SVR及RBF神经网络预测精度较好;融土导热系数预测效果整体略优于冻土,SVR及RBF神经网络模型下角砾、粉土及全风化千枚岩融土导热系数预测精度较高。综合导热系数模型预测效果和误差结果分析可得,SVR和RBF神经网络模型预测效果显著优于经验方程拟合,后者针对部分土性拟合效果相对较好,可满足一般工程估算需求;SVR和RBF神经网络预测模型针对不同土性导热系数预测效果呈差异性变化,整体预测效果相当,且预测精度更高、应用土性范围更广。