基于ANN的岩土体热阻系数预测模型研究

为准确预测土体热阻系数,通过室内热探针测试与数据分析,简要分析了含水量、干密度、矿物成分和颗粒形态等因素对土体热传导特性的影响,利用人工神经网络(ANN)技术,建立了计算土体热阻系数的预测模型,并与传统经验关系模型进行对比,明确所提计算模型的可靠性与优越性.结果表明:土体传热性能受众多因素影响,其热阻系数难以准确估算,基于ANN的计算模型可以较好地解决这一问题;以含水量和干密度为输入参数的单个模型适用于特定类型土体,而4个输入参数(含水量、干密度、黏粒含量和石英含量)的广义模型不受此限制,增加相关输入参数可有效保证模型计算结果的精确度;单个模型和广义模型的计算结果与实测结果吻合良好,预测能力均显著优于传统经验关系模型;对于工程性质差异显著、沉积环境复杂的不同类型土体,建议优先选用广义模型来估算其热阻系数.     

木质素改良粉土热学与力学特性相关性试验研究

为揭示木质素改良粉土热学与力学特性随养护龄期的演化规律,通过击实试验、热阻系数测试、无侧限抗压强度试验、回弹模量试验、压汞试验和扫描电镜分析试验,探讨改良土热阻系数、强度和刚度与木质素掺量、含水率和养护龄期的变化规律,同时定性/定量评价改良土微观结构变化,分析改良土热学特性与力学特性间的相互关系。结果表明:改良土最大干密度较素土增加,最优含水率减小,干密度对含水率变化的敏感性增加;热阻系数随掺量和养护龄期增加而增加,60 d养护龄期后热阻系数趋于相同,热阻系数与土体密实度和组成成分的热传导特性密切相关;改良土强度随掺量和龄期增长而增加,28 d龄期12%掺量改良土强度约为素土强度6倍;回弹模量的变化特征与无侧限抗压强度类似,对于改良粉土,木质素最优掺量约为12%;改良土孔隙总体积和平均孔径显著减小,木质素包裹、连结土颗粒并填充孔隙,形成更致密土体结构。     

神经网络反馈分析方法预测土体热阻系数研究

为研究不同土体的热传导特性,通过文献数据归纳整理,简要分析了土体热阻系数与主要影响因素的相关关系。利用神经网络反馈分析方法,提出土体热阻系数的预测模型,并对所提模型的有效性与优越性进行了对比验证。结果表明:反馈神经网络能够简便、有效的预测土体热阻系数,所建模型以干密度、饱和度和石英含量为输入参数,较为全面、合理地反映了影响土体热传导性质的主要因素;预测模型具有较高的精度,预测值与实测值的相关系数R~2大于0.93,均方根误差RMSE低于28 K?cm/W,方差比VAF大于94%;与传统经验关系式相比,反馈分析模型在新环境中的预测结果上具有显著的优越性。     

不同因素对浅表土导热系数影响的试验研究

土体导热系数是预测人工冻结温度场发展、冻结壁厚度的重要参数,主要取决于固体颗粒成分、含水率和土体密实程度。本文以南京地区浅表土为研究对象,开展了常温与-10 ℃冻结时含水率、干密度对淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂导热系数的影响规律研究。研究结果表明:土质、含水率、干密度对导热系数影响显著,在试验含水率与干密度范围内,导热系数随含水率、干密度增加呈近似线性规律升高;冻土导热系数大于常温土导热系数,随含水率增加冻土导热系数的增加幅度与干密度相关。     

高温环境下土的导热系数研究

土的导热系数是正确评价土壤热特性的一个重要指标,研究高温环境下土的导热系数的变化规律及预测模型,对预测土在高温环境下的导热能力有重要意义。笔者总结了土的含水量、干密度、矿物成分、构造以及环境温度等因素对土的导热系数的影响;试验研究了105 ℃、150 ℃和200 ℃高温环境下恒温4 h土的导热情况,结果表明,在高温环境下温度对土的导热系数影响显著,湿土和干土的导热系数均随温度升高而增大。基于已有的土的导热系数模型,建立了一个新的导热系数预测模型,该预测模型能对土在高温环境下全饱和度范围内的导热系数进行预测。     

砂土渗透系数影响因素试验研究

砂土渗透系数的大小与土体的颗粒级配、土体干密度、土体孔隙比、土体颗粒粒径和土体矿物成分等因素相关。通过室内常水头渗透试验研究土颗粒粒径、土颗粒级配、土体干密度对砂土渗透系数的影响。采用控制变量法设计3大组试验,并对结果进行分析,确定了渗透系数随3种因素的变化关系。试验结果表明,砂土渗透系数随着颗粒粒径减小而减小,随级配增良而减小,随干密度增大而减小。     

考虑颗粒形貌的干砂热传导特性研究

为揭示颗粒形貌对干砂热导率的影响规律,通过砂颗粒形貌测量和室内热探针试验,研究不同天然河砂的二维颗粒形貌统计分布特征以及颗粒形貌特征参数与热导率的相关关系,同时从细观尺度探讨砂颗粒接触传热的内在机制。结果表明：天然河砂颗粒圆度和球度值的统计分布具有正态分布特征,期望值可作为定量表征颗粒形貌的参数;干砂热导率随孔隙率增加而减小,在半对数坐标中两者具有良好的线性关系,直线斜率与“平均形貌因子”Am呈线性减小关系;相同孔隙率下,浑圆颗粒的干砂热导率值较大,不同干砂间热导率值的差异随孔隙率的增加而逐渐减小;提出的热导率计算新模型综合考虑了颗粒形貌和矿物组分的影响,相比于传统C?té和Konrad模型,具有更好的适用性和先进性;颗粒形貌对干燥状态下无黏性土热传导特性的作用受多因素综合影响,与应力环境、颗粒刚度等密切相关。     

压实膨胀土压实特性试验研究

为了探究膨胀土在压实过程中的应力状态演变规律,利用自主研制的一维压实仪,针对澳大利亚马里兰(ML)膨胀土开展一系列不同初始含水率的压实试验,分析压实过程中的吸力及变形特性。研究结果表明,土体压实系数(C_c)受初始含水量影响显著,当初始含水量小于21.4%时,C_c随初始含水量增加而增加,当初始含水量大于21.4%时,C_c保持不变。土体回弹系数(C_r)不受初始含水量影响,压实过程中吸力因"力学增湿"而不断减小,卸荷后土体吸力显著增大。初始含水量相同时,卸载后吸力增加随饱和度增大而增大。基于压实后吸力,压实平面可分为吸力不受饱和度影响与吸力随饱和度增加而增大两部分;常体积下土水特征曲线受孔隙比影响显著;最后,利用基于吸力、饱和度、平均有效应力、修正吸力、孔隙比构建的水土特征曲线及压实曲线,对压实膨胀土中吸力及体积的变化进行了预测。     

广西红黏土热物理特性及影响因素试验研究

结合矿物组成分析,通过室内试验对广西4种红黏土的热物理特性从土质学角度进行了深入研究,探讨了红黏土的热特性参数与各影响因素之间的关系。研究结果表明:当土体干密度保持不变,红黏土的热导率、比热容随体积含水率的增加而线性递增;热导率变化曲线存在临界含水率点,土体含水率低于该点时,热导率呈线性急剧增加,反之,热导率增长缓慢,趋于稳定;热扩散率以临界含水率点为界,先随含水率的增大而递增,到达临界含水率后随含水率的增加而递减,整体呈抛物线的变化趋势;当土体含水率保持不变,红黏土的热导率、比热容、热扩散率均随干密度的增加而线性递增;红黏土矿物成分中的石英含量对土体的热导率具有显著影响,石英含量与热导率的增长速率呈正相关的关系。     

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。     

南京市各工程地质层热物性及分布特征研究

地层的热物性是地埋管地源热泵系统设计和运行中最重要的参数,本文通过测试南京市100 m深度范围内土层的常规物理参数及热物性参数,得到了各工程地质层的含水率、孔隙比、干密度、导热系数、比热容等,各工程地质亚层平均导热系数分布在1.322~2.443 W·m^-1·K^-1之间,其中最大、最小值分别为②4e、②1b4工程地质亚层。分析了土体常规物理参数与热物性参数的相关性,黏性土导热系数随着含水率的增加而减小,随着干密度的增加而增大,随着孔隙比的增加而减小,并得到了黏性土导热系数与含水率、孔隙比、干密度相关性的经验公式,为地埋管地源热泵的设计提供基础数据和理论支持。     

Thermal property measurements for ecoroof soils common in the western U.S.

To model the impacts of ecoroofs on building envelope heat transfer accurately, thermal property data for ecoroof soils are needed. To address this need we have measured thermal conductivity, specific heat capacity, thermal emissivity, short wave reflectivity (albedo) and density for ecoroof soil samples over a range of moisture states. To represent a wide range of commonly used ecoroof soils we created eight test samples using an aggregate (expanded shale or pumice), sand, and organic matter in varying volumetric composition ratios. The results indicate significant variability in properties as a function both of soil composition and soil wetness. Thermal conductivity ranged from 0.25 to 0.34 W/(m K) for dry samples and 0.31–0.62 W/(m K) for wet samples. Specific heat capacity ranged from 830 to 1123 J/(kg K) for dry samples and 1085–1602 J/(kg K) for wet samples. Albedo was consistently higher for dry samples (0.17–0.40) decreasing substantially (0.04–0.20) as moisture was added. Thermal emissivities were relatively constant at 0.96 ± 0.02 regardless of soil type or moisture status. These results are discussed in the context of their impacts on building energy consumption and the importance of including daily and seasonal property variation within models of the ecoroof energy balance.     

Estimation of thermal conductivity of cemented sands using thermal network models

Effective thermal conductivity of soils can be enhanced to achieve higher efficiencies in the operation of shallow geothermal systems.Soil cementation is a ground improvement technique that can increase the interparticle contact area,leading to a high effective thermal conductivity.However,cementation may occur at different locations in the soil matrix,i.e.interparticle contacts,evenly or unevenly around particles,in the pore space or a combination of these.The topology of cementation at the particle scale and its influence on soil response have not been studied in detail to date.Additionally,soils are made of particles with different shapes,but the impact of particle shape on the cementation and the resulting change of effective thermal conductivity require further research.In this work,three kinds of sands with different particle shapes were selected and cementation was formed either evenly around the particles,or along the direction parallel or perpendicular to that of heat transfer.The effective thermal conductivity of each sample was computed using a thermal conductance network model.Results show that dry sand with more irregular particle shape and cemented along the heat transfer direction will lead to a more efficient thermal enhancement of the soil,i.e.a comparatively higher soil effective thermal conductivity.     

Effects of physical properties on electrical conductivity of compacted lateritic soil

Natural soils of various types have different electrical properties due to the composition,structure,water content,and temperature.In order to investigate the electrical properties of lateritic soil,electrical conductivity experiments have been conducted on a self-developed testing device.Test results show that the electrical conductivity of laterite increases with the increase of water content,degree of saturation and dry density.When the water content is below the optimum water content,the electrical conductivity of soils increases nonlinearly and the variation rate increases dramatically.However,when the water content,degree of saturation,or dry density increases to a certain value,the electrical conductivity tends to be a constant.In addition,soil electrical conductivity increases with the increase of temperature,and it is observed that the electrical conductivity decreases with the increase of the number of wetting–drying cycles.     

高温后上海软黏土的物理性能试验研究

土的温度效应是岩土工程领域的热点问题,但对于100℃以上高温环境下土的物理性能的研究并不多。详细介绍了自行研制的高温加热试验装置,并利用该设备测定了上海软黏土样在105℃,120℃,150℃和200℃等高温加热2.5h和4.0 h后的体积变化、干密度和饱和度的变化,测定了105℃,150℃和200℃下恒温4.0 h土的导热情况。试验结果表明土样的体积和饱和度均随温度增加而减小,土样的干密度随温度的增加而增加,且随加热时间增加变化趋缓;湿土和干土的导热系数均随温度升高而增大,且干土的导热系数小于湿土的导热系数。说明软黏性土在100℃以上高温环境作用下会出现塑性变形和加热硬化现象,高温对土的导热系数影响显著。     

人工冻融黏土导热系数试验研究

基于TC3000型热线法导热系数测试原理,研制了人工冻土导热系数测试系统,该系统具有温度精度高、测试速度快、测试灵活等优点。对冻结地下工程岩土进行了导热系数试验研究,获得人工冻结黏土随干密度、含水率、外界环境温度变化对冻土导热系数的影响规律。试验结果表明:冻融土导热系数随干密度呈线性增加,平均增长速率为0.20~0.25 W/m·K之间;冻融土导热系数随含水率变化平均增长速率相差不超过0.03 W/m·K;温度每降低1℃,冻融土导热系数增加0.01~0.014 W/m·K。研究成果可为类似冻结工程中测试土体导热系数提出一种新的有效方法,对人工冻结温度场计算具有重要指导意义。