冻土导热系数测试和计算现状分析

为认知冻土导热系数测试和计算方法的研究现状,从而服务于冻土温度场的计算,介绍了冻土导热系数的研究背景和导热系数对冻土温度场的贡献,并对冻土的组成和导热系数随不同负温变化的原因进行了分析。阐述了目前冻土导热系数的测试技术、计算方法、理论计算模型及土中固相矿物导热系数的确定方法,并分析了其优缺点和误差存在的原因。对冻土导热系数随温度、干密度、含水率等因素变化的研究成果进行了整理,分析了基于测温法确定冻土导热系数存在的误差及其原因,并初步提出了一种修正冻土导热系数测试结果的方法。在此基础上,提出了对冻土导热系数测试和计算的建议和展望。结果表明:温控环境和测试过程中的相变热对导热系数实测值均存在影响,从未冻水含量的角度修正相变潜热对导热系数测试过程的影响具有理论可行性;线性回归预估模型应考虑土质对测试值的初始影响,从相间热量平衡的角度建立导热系数的理论模型,对于温度场解析问题的研究具有重要作用;考虑土颗粒的多孔特性,推演不随密度变化的土中固相物质导热系数的确定方法,对于提升冻土导热系数计算模型的预测精度具有基础作用;从微观角度出发,建立能够反映土体冻结速率的导热系数模型应是冻土导热系数研究区别于常规土体的重要方向;统筹考虑导热系数、比热和潜热对温度场的影响,从温度场的角度验证导热系数计算模型的可靠度是必要的;所得到的结论可为冻土温度场解析解问题的研究和冻结法施工中的温度场预测提供借鉴。     

砂土导热性能测试与预测研究

地层内砂土的导热性能是地下空间开发建设中暖通空调设计的重要参考指标。采用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪测试,探讨了干密度和含水率对砂土导热性能的影响,分析了砂土的导热系数理论预测问题。结果表明:干密度相同时,重塑砂土的导热系数和体积比热随含水率的增大而增大;含水率低时重塑砂土的热扩散系数随含水率的增大而增大,达到一定含水率后重塑砂土的热扩散系数随含水率的增大趋于稳定或减小;含水率相同时,重塑砂土的导热系数、体积比热和热扩散系数随干密度的增大而增大;重塑砂土与原状砂土的热物理参数随含水率变化的趋势大致相同,后者偏大。讨论了土体导热系数预测理论的适用性,Cote and Konrad模型可以准确得到预测重塑砂土的导热系数。     

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。     

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。     

石油污染土体导热系数变化规律和变化机制

室内测试了不同含水量、污染强度、油水相含量的石油污染土体的导热系数。研究结果表明:干密度和污染强度一定时,其导热系数随含水量的增加而增大;干密度和含水量一定时,随污染强度的增加呈现先减小后增加最后又减小的变化趋势;温度对其导热系数的影响主要取决于各温度区间土体水相的赋存状态。内在的变化机制是:土体内部油、水的赋存位置、相状态、含量以及土体自身的导热性能共同决定了其导热系数的大小。研究成果为定量研究、评价和预测石油污染物扩散、迁移等环境问题以及石油污染土体传热、传质和热稳定性问题研究提供了重要参数;为冻土区环境恶化、冻土退化、冻害形成过程等机理性解释提供依据。     

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。     

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。     

土体热传导性能及其热导率模型研究

为研究不同土体的热传导特性变化规律,利用热探针测试了南京地区典型土体在不同含水量和干密度状态下的热阻系数,分析了含水量、干密度、饱和度以及矿物成分等因素对土体热阻系数的影响,研究了不同状态下土体热导率的预测模型,提出了适用于不同地区土体热阻系数估算的修正系数.结果表明:南京地区典型土体的热阻系数随含水量和干密度增加而减小,当含水量超过一定范围后,热阻系数趋于稳定;热阻系数与饱和度之间的关系表现出与其含水量之间相似的变化规律;土颗粒的热传导特性由其矿物成分决定,石英含量对土颗粒热传导特性有着显著影响;提出了可用于非饱和土热导率估算的修正归一化模型,该模型对于粗粒土具有较高的预测精度,细粒土则需考虑区域差别进行修正.     

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。     

土体温度场物理模拟用土的制备方法研究

为提高冻土模型试验对现场实际的反映程度,基于模型与原型之间的相似关系,提出了一种制备热学参数满足相似原理的模型土方法。首先,根据傅里叶方程、第三边界条件和相似理论推导出了土体冻结过程中热学参数相似准则,并依照Johansen的导热系数广义几何平均计算方法列出了模型土应满足的3个方程。在此基础上,选用高密度聚乙烯、标准砂、活性炭粉制备模型土并模拟了天津地区某粉质黏土冻结过程温度变化。根据高密度聚乙烯、标准砂、活性炭粉和天津地区粉质黏土的导热系数、比热和密度实测值,结合模型土的三个配比方程确定了模型土的相态组成。分别将配制好的模型土以及粉质黏土用于模型试验和原型试验,并将实测温度值进行了对比,验证了模型土配置方法的有效性。 该研究对于冻土温度场的跨尺度预测具有借鉴意义。     

土体在大气作用下吸力变化特征

自然界土体的力学特性随大气的变化而变化,本文目的就是探讨在大气作用下,土体吸力变化规律。对于土体的温度和吸力变化特征,采用Wilson提出的理论加以描述,在此理论中,分别利用Darcy和Fick定律描述水和蒸汽的流动规律,土水特征曲线和水力传导系数假定仅仅相关于非饱和土吸力,水的潜热系数是温度的线性函数,温度传导系数采用De Vries建议方程加以计算。文中考虑降雨、温度和风速等不同因素对岩土孔隙介质力学性质的影响,并利用Penman方程估算水的蒸发率。该理论被利用来模拟法国Boissy现场实测结果,其理论结果和现场实测结果是较一致的。     

秸秆混凝土保温性能试验研究

以菱镁水泥和秸秆为原料制备墙体保温材料,采用正交试验分析秸秆掺量、胶凝材料配比和砂掺量3个因素对秸秆混凝土保温性能的影响。然后,通过单因素试验研究干密度对秸秆混凝土材料导热系数的影响。结果表明,秸秆混凝土的导热系数随着秸秆掺量的增加先减小后增大,干密度随m(氧化镁)∶m(氯化镁溶液)的增大而增大,导热系数随干密度的增大而增大。     

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。     

淤泥质黏土火灾高温下导热系数的试验研究

对火灾高温下隧道衬砌结构周围饱和软黏土的热传导特性进行了试验研究,旨在进一步探讨作用于隧道结构上的荷载变化,以便准确评价其安全状态.采用热探针程序法(美国材料与试验协会(ASTM)确定土体和软岩导热系数的标准方法),应用自行研制的高温土体导热系数测定仪测定了上海淤泥质黏土在高温下的导热系数.试验分别测定了不同温度及不同含水率条件下土样的导热系数,并以KD2导热系数测定仪作为校准仪器对试验结果进行了校正.试验结果表明导热系数随着温度的升高而增大,且其增大的速率随温度的增加而减小,特别是对含有机质的淤泥质黏土因有机质的高温分解而使得这种降低更加明显;此外,在不同高温下土体导热系数随含水率的增加而增大.     

混凝土导热系数的试验研究与预测模型

采用防护热板法和瞬态平面热源法测试了粗骨料、水泥砂浆和混凝土的导热系数,考察了砂率、骨料种类及其体积分数、水灰比和饱和度对混凝土导热系数的影响;利用复合材料导热系数模型,分析了饱和/干燥状态下混凝土内水泥砂浆与粗骨料间界面热阻的影响.结果表明:混凝土导热系数随饱和度、骨料体积分数、骨料导热系数的增大而增加,随水灰比的增大而减小;对干燥混凝土导热系数的预测需考虑界面热阻的影响.在假定混凝土固相导热系数随着饱和度线性增大的基础上,提出了基于饱和度影响的混凝土导热系数计算模型.     

常功率平面热源法测定建筑材料蓄热系数的研究

对常功率平面热源法测定建筑材料的蓄热系数进行数学建模,根据半无限大一维非稳态传热模型得出建筑材料蓄热系数随测试时间变化的数学表达式,并对热脉冲法测定材料蓄热系数的装置进行简化,得到适用于测试建筑材料蓄热系数的简单装置,并以聚苯乙烯泡沫塑料板、岩棉板、蒸压加气混凝土砌块为样品进行实验研究。研究表明,热流密度与测试时间一定时,试件的过余温度与试件的导热系数成反比。导热系数较小的样品,蓄热系数随测试时间先减小而后趋于稳定,导热系数较大的样品,蓄热系数随测试时间先减小而后逐渐增大。导热系数较小的样品,其蓄热系数基本不随热流密度的变化而变化,而导热系数较大的样品,其蓄热系数随热流密度的增大而增大。     

钙质砂热传导性能试验

基于热针法测得了不同条件下南海钙质砂的热传导性能,探讨了含水率、干密度、温度、颗粒粒径等因素对钙质砂热导率的影响。研究结果表明：钙质砂热导率随含水率、干密度的增大而增大,且含水率越大,干密度对热导率的影响越明显;相对于随干密度的变化,钙质砂热导率随含水率的变化尤为显著;钙质砂热导率随温度升高而增大,但是热导率在不同温度下随含水率的增长趋势不同;颗粒粒径对钙质砂热导率的影响甚微;在钙质砂中掺入一定量石英砂有助于改善其导热性能。     

基于桩土相互作用的嵌岩能源桩传热计算

针对螺旋地埋管嵌岩能源桩传热,提出一种新的计算模型,可考虑基岩温度、大气-地面对流换热、桩顶处绝热处理、流体速度和流体热量损耗对其传热影响。首先求解土体温度自由场;接着考虑桩体运行时系统传热相互作用的影响,得到桩体温度场;然后将土体温度场问题转化为一系列未知系数求解;最后通过边界条件得到土体附加温度场。分析表明:在桩顶和桩底两倍桩径范围内,土的附加温度变化幅度最大;桩土传热系数对能源桩传热性能影响最大,减小桩土传热系数可显著提高能源桩传热性能;流体导热系数及流速对桩的传热效果影响不可忽略;土的导热系数及大气-地面对流传热系数对其传热性能影响很小。     

基于主动加热型FBG的土体干密度原位测量方法研究

针对现有干密度原位测量技术的局限性,提出了一种基于主动加热型FBG的土体干密度原位测量方法(简称H-FBG干密度法),该法通过土体的导热系数,建立温度特征值(Tt)与干密度ρd之间的关系,进而对干密度进行原位测量;在室内试验的基础上,讨论了该方法的最优加热参数,研究了土类型与含水率对测量结果的影响,证明了该方法的可行性...     

武汉地区三级阶地粘性土热物理性质试验研究

研究粘性土热物理性质与温度、密度、含水量及孔隙比等参数间的关系。在武汉地铁详勘阶段,采取三级阶地粘性土原状土样26组,在不同室温下进行热物理性质试验,同时测试土样的含水量及密度。结果表明:测试温度对原状土样导热系数及比热容的影响较小;粘性土导热系数随原状土样密度的增加而增加,随孔隙比的增加而降低;比热容随原状土样含水量的增加而增加。并给出便于工程使用的导热系数及比热容计算公式。