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。     

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...     

基于电测法的路基土物理性质室内测试方法研究

路基土在长期服役过程中性能会发生衰变,其中含水率及压实度是路基施工时的重要控制指标,因此,土体的含水率控制及压实质量是关系路基性能评价的关键因素。为了弥补现有检测方法的不足,基于四极电测量法研发了一种土体物理参数室内快速测试装置,通过改变含水率对不同压实度土样的电阻率、极化率变化进行了一系列室内试验,得到了其相关关系及变化趋势,分析了含水率、压实度对电参数的影响,提出了依据土含水率、压实度计算电阻率、极化率的计算公式,探讨了测试方法的可行性。结果表明:不同地区土的电阻率均随含水率、压实度增加而减小,极化率随含水率、压实度的增加而增大,不同压实度下,土的电阻率、极化率随含水率变化分别呈现相似指数、对数特征;对于天津王庆坨地区壤土,压实度在84. 47%~94. 41%范围内,含水率从15%变化至20%时,电阻率下降为原来的1/3~1/2倍,极化率增大为原来的1. 4~2. 3倍,得到了室内拟合公式;实际工程中,电阻率法更适用于土体含水率检测,极化率法更适用于土体压实度检测;综合应用电阻率、极化率指标对于路基工程具有较好的勘探前景。研究成果将为路基土的工程性质检测及评价提供理论基础。     

基于电阻率的非饱和土基质吸力预测

针对非饱和土吸力测量与计算的困难,提出了一种利用土的电阻率结构参数预测基质吸力的方法。通过滤纸法测试重塑膨胀土的基质吸力,分析了非饱和土的基质吸力与体积含水率的关系,即土-水特征曲线的变化规律。在测试非饱和土横向与竖向电阻率的基础上,探讨了非饱和土的电阻率与其体积含水率的关系,并进一步研究了土的电阻率结构性参数 、 和 随体积含水率的变化规律。发现基质吸力与电阻率结构参数 之间存在良好的抛物线关系,利用这种关系可以准确预测非饱和土的基质吸力。利用土的电阻率结构参数预测吸力,避免了吸力量测与计算的困难,简单实用。     

高黏粒含量海洋土电阻率特征分析及模型构建

在高黏粒含量海洋土中,黏粒吸附孔液中阳离子形成的双电层会直接影响土体导电性,与孔液、土体结构共同形成土体导电性的影响因素,使导电结构变得复杂。对饱和的海洋土而言,固结程度不同代表了土体结构不同。为量化分析双电层对不同固结程度高黏粒含量海洋土导电性的影响,界定电阻率测试技术对海洋土结构变化的反映能力,分别以黄河三角洲和南海北部陆坡海洋土为研究对象,进行电阻率和其他物理性质测试。基于测试结果分析不同黏粒含量海洋土电阻率的变化规律和独有特征,借鉴黏性土多元导电理论构建适合的电阻率模型。研究表明,黏粒含量对不同固结程度海洋土电阻率的影响不同,根据其变化特征可分为3个阶段：正常固结的海洋土电阻率变化可用简化的二元模型公式表示,当孔隙度小于50%时,电阻率随孔隙度呈明显的幂函数降低,当孔隙度介于50%~60%时,电阻率随孔隙度降低速率明显减小;欠固结海洋土孔隙度均高于60%,电阻率随孔隙度线性减小,可用线性模型公式描述。电阻率测量技术对高黏粒含量正常固结海洋土结构变化（孔隙度变化）反映能力良好,探测灵敏度可达25 Ω·m;对欠固结海洋土结构变化反映困难。     

基于未冻水含量的冻土热参数计算分析

为提升冻土温度场预测精度和减少热参数测试工作量,根据饱和冻土的土、水、冰三相组成,对基于导热系数的冻土未冻水含量反演公式进行了推导。根依据干土和饱和土体的二相构成,推导了适用于土体矿物导热系数预估的计算公式。实测了粉质黏土在不同负温下的比热和导热系数值,分别结合比热确定未冻水含量的递推方法和基于导热系数建立的冻土未冻水含量反演公式,计算得到了粉质黏土在不同负温下的未冻水含量。基于实测和反演获取的未冻水含量,确定了随不同负温变化的冻土导热系数、比热和潜热。将基于冻土未冻水含量确定的热参数代入数值计算软件ABAQUS,获取不同计算热参数下的冻土瞬态温度场计算值。分别将各温度场计算值与模型试验实测值进行了比较,结果表明,从未冻水含量角度出发对冻土温度场计算用热参数的测试工作量进行缩减是可行的;基于Johansen法反演获取未冻水含量,进而确定的热参数能够较好地预测冻土温度场。     

楚玛尔河黏性土与砂土导热系数试验研究

为探究青藏工程走廊带楚玛尔河地区冻融土导热系数的基本规律,采用瞬态平面热源法测试了148个冻土试样和88个融土试样导热系数。对楚玛尔河地区黏性土和砂土导热系数的总体特征及影响因素进行分析;对黏性土、砂土导热系数与干密度和含水率之间进行二元回归方程拟合,并分别建立黏性土、砂土RBF神经网络预测模型。结果表明:楚玛尔河黏性土导热系数分布较为集中,砂土导热系数离散度高,分布范围较广;二元回归方程对黏性土、砂土导热系数平均拟合优度较低;与二元回归方程相比,以干密度和含水率作为输入因子所建立的楚玛尔河黏性土、砂土导热系数RBF神经网络预测模型具有更高的精确度。研究成果可有效预测青藏工程走廊带土体导热系数,对冻土温度场计算具有重要指导意义。     

掺石灰黏土电阻率试验研究

利用4电极电阻率测量装置,在室内对各种灰土样的电阻率进行测试对比研究,揭示了不同因素如灰土比、含水率、饱和度、土的结构和土粒粒径等对灰土样电阻率的影响。在不同含水率（15 %、20 %、25 %和30 %）条件下,素土及其与不同石灰掺量（1:10、1:15和1:30）的混合,通过轻型击实试验后,测量其横向及竖向断面上的电阻率,研究电阻率与不同石灰配比击实土样的物理力学性质之间的关系。实验结果表明,当含水率在15 %~20 %之间时,较小的含水率增量引起混合土样电阻率的大幅度下降;当含水率约达到20 %后,其电阻率随含水率的继续增加而减小的幅度很小;在15 %含水率时,掺灰土电阻率比素土样高;在30 %含水率时,其电阻率低于素土样,而且掺量越大,电阻率越低;由于击实导致土体颗粒的结构重新排列,电阻率在横向上大于竖向;电阻率随着无侧限抗压强度的增加而增加,在电阻率大于50 ?•m时,电阻率随无侧限抗压强度的增加而减小;饱和度、干密度与电阻率呈负指数变化规律,孔隙率、孔隙比与电阻率呈指数变化规律;含水率对于电阻率的影响较为敏感。     

大气作用下浅层非饱和黄土温度变化及其影响因素研究

为了研究大气作用下西北地区浅层非饱和黄土温度场的变化规律及其影响因素。填筑一维土柱模型,在室外自然条件中做大气循环作用下的蒸发模型试验。试验结果表明:在0~10 cm深度范围内,土体温度随深度的增加而降低,在土样表层5~10 cm处温度最低;在相同的外界条件下,土体初始体积含水率越高、压实度越大,导热系数越大,温度变化幅度越大。随着深度增加和蒸发时间增长,压实度和含水率引起的导热差异叠加,使得同一深度处不同压实度和不同含水率土体的温差增大;土体初始体积含水率和压实度均对温度的迁移产生影响,相对于随压实度的变化,土体体积含水率的改变对土体温度迁移影响更显著;随着蒸发时间的增加,温度由表及里逐渐升高,在深度方向上温度先减小后增大。不同深度处土体温度增长曲线大致为"S"型递增曲线,可分为蒸发3阶段。     

土体导热系数的评价与计算

土体的导热系数是土木工程热工计算的重要参数.土体的多孔介质性质决定了土体的导热性质与干土、气体及孔隙充填物(水)的含量有密切关系.实验测试结果表明,土体不论处于冻结还是融化状态,其导热系数均随干容重以及含水量的增加而增大.采用土体的物理性质指标,对土体的导热系数进行了分析,给出土体导热系数较为方便的计算方法,有利于工程设计计算参数的选取,同时与实验测试结果对比,有较好的吻合度.     

珊瑚砂热物理参数测试与预测模型对比分析

在我国“海洋强国”建设下,南海岛礁建设顺利推进,以浅层礁坪为介质的地源热泵技术、能量桩等,实质是与礁砂介质能量交换的过程,需进一步掌握珊瑚砂导热性能的演变规律。以南海岛礁珊瑚细砂为研究对象,测定并探讨在不同干密度和含水率下对3大热物理参数的影响,并选用12种砂土热物理参数模型的预测数据与实测数据进行类比分析,提出适宜预测珊瑚细砂导热性能的经验模型。结果表明,珊瑚细砂导热系数和体积比热容、热扩散系数均与干密度呈正相关关系,导热系数和体积比热容与含水率的相关系数高于干密度,而热扩散系数与含水率呈“凸”形增长关系,与干密度的相关系数远高于含水率。基于试验实测数据进行线性回归分析,修订Cote-Konrad模型与Gangadhara Rao模型,显著提高模型对珊瑚细砂导热系数预测准确性;通过De Vries模型与Xu模型的线性修正,大幅缩小珊瑚细砂体积比热容预测值与实测值的差异,在Dai模型相关系数的二元拟合分析基础上,建立表征珊瑚细砂热扩散系数预测模型,为岛礁隔热、控温工程设计以及珊瑚砂热物理特性研究提供参考。     

武汉地区一级阶地黏性土电阻率试验研究

通过电阻率原位测试和室内土工试验,研究黏性土电阻率特性及电阻率与岩土参数的相互关系。在武汉市轨道交通7号线勘察过程中,沿轨道走向,在长江一级阶地共布置完成电阻率测井22组,并于测井位置采取原状土样进行常规土工试验、无侧限抗压试验、直剪快剪试验及三轴UU试验。通过研究发现:黏性土电阻率随含水量及孔隙比的增加而增加,随无侧限抗压强度增加而减小。根据黏性土三轴UU试验结果,其电阻率随黏聚力、内摩擦角的增加而减小。通过拟合,给出了黏性土电阻率与岩土参数间的经验公式,其相关性显著。     

青藏高原含砂砾石土壤导热率实验研究

土壤导热率是土壤的基本物理参数之一,也是陆面模式的重要输入量,对研究土壤热传输、水热耦合运移有重要意义。青藏高原由于独特的地理环境备受学者关注,但目前常用的土壤水、热属性参数化方案仅仅考虑了沙土、粉土和黏土,就砂砾石重要性的认识还不足,很少有模式模拟砾石对青藏高原多年冻土和高寒草地的影响。采用便携式热导仪（KD2 Pro,DECAGON,美国）测量了青藏高原玛多和北麓河两地典型土壤在冻结和未冻结状态下不同水分条件时的土壤导热率,分析了砂砾石含量对土壤孔隙度的影响及冻结和未冻结状态下,不同水分条件下砂砾石含量对土壤导热率的影响。结果表明：当含水量高于某一阈值时,含水土壤冻结状态下的导热率高于未冻结状态下的导热率;土壤含水量对土壤导热率影响显著,导热率随着含水量的增加而增大,在含水量较小时变化更明显;砂砾石含量比重多的土壤孔隙度较小,且砂砾石含量越大的土壤在冻结状态下导热率高。以上结果表明,砂砾石对土壤导热率有显著影响,在将来的模式模拟研究中必须考虑砂砾石对土壤热属性的影响,进而提高土壤水热过程模拟的精度。     

Effect of dry density,soil texture and time-spatial variable water content on the soil thermal conductivity

Study of the heat transfer process in saturated and unsaturated soils requires, basically, a relationship between thermal conductivity and the characteristics of the soil, such as water content, dry density and texture of the soil. This study intends to produce a generic model that can predict soil thermal conductivity with the help of easily measurable parameters. The proposed model is first calibrated using measured thermal conductivities from literature data. In order to validate the proposed model the predicted thermal conductivity of this proposed model as well as existing ones are compared with the measured thermal conductivity in literature for different soils. Validation of the proposed model was also performed on our experimental results obtained for a compacted Misillac sand and in-situ clay loam soils. The results show an average of 15% improvement in prediction accuracy for the proposed model compared to the existing models, considering all soil textures. Moreover, we perform a model to estimate thermal conductivity over time throughout the profile of soil in the context of seasonal variation of temperature. The proposed model shows an important effect of heterogeneity on the thermal conductivity variations of a double layered soil.     

Use of a resistivity cone for detecting contaminated soil layers

A cone-penetration technique was developed to detect contaminated soil layers with electrolytes and NAPLs. In this study, laboratory and field experiments were performed to apply the technique. In the laboratory, the change in resistivity was quantitatively examined by adding salt or oil to soil samples. The results showed that the resistivity measurement was varied with an order of ppm for the electrolyte concentration in soil. It was found that the resistivity of sand increased with increasing oil concentration. The effect of oil content was stronger for lower water content of sand.

The results obtained from field experiments showed that the resistivity cone can be used for detecting the contaminated layer in soils whose background values are known. Particularly, the instrument can be used effectively for examining the effects of remediation, by measuring the resistivity of the ground before and after remediation, unless the soil fabric changes significantly during remediation procedures.     

高温下红黏土热导率的变化规律试验研究

目前国际上对高温下土壤热导率的试验和模型预测研究比较缺乏,通过KD2 Pro测试两种红黏土在较广温度范围（5~90℃）和含水率范围内的热导率,并选择IPCHT模型预测高温下体积含水率-热导率的变化规律。测试结果表明,两种红黏土的热导率对体积含水率的敏感程度与温度有关,且热导率均随温度的升高而增大,在90℃时热导率最高可达5℃的3~4倍。60~90℃范围内热导率随体积含水率的变化存在明显的临界含水率（对应土壤的塑性指数）,但相同温度、体积含水率下,柳州红黏土中水汽潜热传输效应较桂林红黏土要明显。模型预测研究表明,除粉砂质黏壤土外,高温下IPCHT模型预测效果均不理想,经传质增强因子ξ修正后,柳州红黏土以及细砂的热导率预测值和实测值均相符得较好（RMSE < 30%）,但桂林红黏土的整体预测效果仍较差。     

苏通大桥地基中深厚软土电阻率试验研究

通过室内电阻率试验和土工试验,对长江下游苏州-南通长江公路大桥地基中深厚软土电阻率特征及其与物理力学参数的相关关系问题进行了研究。发现,（1）在同一钻孔（即CZK30）中,从粉质黏土→粉砂→细砂→中粗砂,土样的电阻率逐渐增大。电阻率随含水率、孔隙比、饱和度的增加而减小,而随垂直渗透系数、水平渗透系数、压缩模量、标贯等的增加而增大。（2）CZK30孔中粉质黏土电阻率随含水率、孔隙比、饱和度、压缩系数、液限系数增加而减小,而随压缩模量、黏聚力等的增加而增大。（3）通过拟合,提供了软土电阻率与物理力学参数相关关系的量化表达式,拟合曲线与试验数据点的相关程度较高,相关系数绝大部分在0.88以上。结果表明,土电阻率与其它物理力学参数间存在密切的联系。     

砂土混合材料导热性能的试验研究

基于平板探针原理,研究了砂和膨润土及其与水泥混合材料的导热性能,对其中各种物质组成情况、时间以及不同温度对导热性能的影响进行了详细分析,得到了导热系数随各种影响因素而变化的曲线。试验结果表明：膨润土单独与水的混合材料导热性能比较差,应与水泥、砂混合。混合材料的导热系数随水灰比（w/c）的减小而增加;加入大颗粒的骨料对于提高导热系数是有效的,即在混合材料中增加含砂量可以使导热系数往往呈增长趋势。     

A new generalized soil thermal conductivity model for sand–kaolin clay mixtures using thermo-time domain reflectometry probe test

As the demand of exploitation and utilization of geothermal energy increases, more geothermal-related earth structures occur recently. The design of the structures depends upon an accurate prediction of soil thermal conductivity. The existing soil thermal conductivity models were mostly developed by empirical fits to datasets of soil thermal conductivity measurements. Due to the gaps in measured thermal conductivities between any two tested natural soils, the models may not provide accurate prediction for other soils, and the predicted thermal conductivity might not be continuous over the entire range of soil type. In this research, a generalized soil thermal conductivity model was proposed based on a series of laboratory experiments on sand, kaolin clay and sand–kaolin clay mixtures using a newly designed thermo-time domain reflectometry probe. The model was then validated with respect to k _dry–n (thermal conductivity of dry soils and porosity) and k _r–S _r (normalized thermal conductivity and degree of saturation) relationships by comparing with previous experimental studies. The predicted thermal conductivities were found to be in a good agreement with the experimental data collected from both this study and the other literatures with at least 85% confidence interval. It is concluded that the proposed model accounts for the effects of both environmental factors (i.e., moisture content and dry density) and compositional factors (i.e., quartz content and soil type) on soil thermal conductivity, and it has a great potential in predicting soil thermal conductivity more accurately for geothermal applications.