岩土热物理性质室内测试方法探讨.pdf

第 2 6 卷 第 1 期 2 01 6 年3 月 安徽地 质 Ge o l o g y o f An h u i Vb 1 2 6 No 1 Ma r c h 2 0 1 6 文章编号： 1 0 0 5 -6 1 5 7 ( 2 0 1 6 ) 0 1 -0 6 1 5 岩热将理性质室内测试方法探讨 赵秀峰 ， 曹景洋 ， 罗惠芬 ( 江苏省地质调查研究院， 江苏南京2 1 0 0 1 8) 摘要 ：介绍了热线法、平面热源法、热平衡法和差示扫描量热 ( DS C)法4 种室内测定岩土热物理性质测试方法 的基本原理 ，分析评价 了每种方法的优缺点和适用范围。指出现场钻探取样、室内样品制备和测试时仪器设备参 数的选择等人员操作因素都直接影响测试结果的可靠性 ，结合笔者 多年实际工作经验 ，给出了相应的建议。国家 相关部 门和科研机构尽快制定统一的测试方法标准和仪器设备产品标准，建立量值溯源体系，保证测试数据的可 靠，提高不同实验室间所测数据的可比性。 关键词：岩土热物理性质；热线法；平面热源法；热平衡法；差示扫描量热法 中图分类号：T U4 5 1 文献标志码：A 0引言 岩土的热物理性质是岩土体的 一 个基本性质 ，一般包括导热系 数、热扩散系数和比热容等指标。 通过试验，准确获得岩土热物理指 标，在诸如浅层地温能开发、轨道 交通设计 、深埋高压电缆 、地下油 气管道埋设 、核废料填埋等领域中 都具有明显 的科学意义和重要 的工 程应用价值，对保证工程质量及降 低工程造价和运行管理有着不可忽 视的影响，是技术创新、开发和科 学研究 的基础 1 。 岩土热物性指标的获得主要通 过室 内测试 和现场热 响应试验 2 种 途径获得。以往的研究主要是针对 现场热响应试验，很少有针对室内 测试 方 法 的研究 ，针对 室 内不 同 方法 的评价及测试结果的相关性的 研究更少 。本文总结了 目前室 内岩 土热物理性质 的主要试验方法 ，分 析了这些方法的优缺点。结合自身 从事岩土热物性测试的实际工作经 验 ，对影响岩土热物性测试的主要 因素进行了讨论 ，给出了建议。 1 室内岩土热物理性质试验方法 目前，室内测定岩土热物I生 的方 法较多，每种方法都有定的适用范 围。笔者查阅了相关资料文献、调研 了多家岩土实验室，结合岩土材料自 身特陛，选择热线法、平面热源法、 热平衡法和差示扫描量热 ( D S C) 法4 种方法进行介绍。 1 1热线法 热线法是瞬态法测定材料导热 系数的一种，其理论依据最早可追 溯 U C a r l s a w。即在匀温的各向同 性均质试样中放 置一根电阻丝 ，当 电阻丝以恒定的功率放热时，热线 和其附近试样 的温度将会 随时间 升高。根据其温度随时间的变化关 系 ，可确定试样 的导热系数 3 】 。热 线法测试装置如图l 所示。 通过试验测出有关参数后 ，按 下式计算岩土的导热系数。 1 I l 垒 = X = l 1 ) 4 石三 一a 、 或 1 n 垒 = 4Z L= I Zl 三 一 、 式 中： 导热系数 W ( m K ) 】 ； 热 线A、B段 的加 热 电压 ( V)： 一 加热丝的电阻 ( Q )； 卜 力 口 热丝的电流 ( A)； 三一 热 线 A 、B段 的 长 度 ( 1 T I )； 、 一 热线的两次测量温升 ( K)； t 。 、 t 2 一测 、 时的加热时间 ( S )。 电流表 、 I - ， J ； ： 压倒 图1热线法测试装置示意图 F i g 1 T e s t i n g u n i t o f h o t - wi r e me o d 收稿 日 期 ： 2 0 1 5 1 1 - 2 4 基金项目： 国土资源部公益性行业科研专项( 2 0 1 3 1 1 0 8 1 3 ) 作者简介： 赵秀峰( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 陕西旬邑人， 工程师， 硕士研究生， 现主要从事岩土物化性能测试及研究工作。 6 2 安徽地 质 2 0 1 6 正 用热线法测量岩土的导热系数 易于操作、实验设备简单。在实际 测量 中能够快速 、较准确的得到测 量结果。但也存在诸如探头金属条 带易发生机械损坏 ，对样品尺寸要 求较长 ，因最终响应只有一半来 自 样品，另一半来 自已知热导率的基 体，从而降低了测量的灵敏度等缺 陷。 1 2平面热源法 平面热源法测定岩土热物性的 原 理是 将 探 头放 置于 两个 样 品 中 间 ，给探头施加恒定直流电 ，探头 放热后样品内部产生动态温度场 ， 同时探头表面产生温升 ，此时探头 电阻增加，使电桥测试系统中原平 衡电桥失衡 ，产生 电位变化量。通 过记 录测试期间不 同时刻 电参数的 变化量，计算得出温度增值随时间 图2平面热源法测试装置示意图 F i g 2 Te s t i n g u n i t o f h o t p l a n e S o u c e me t h o d 变化的函数。通过对函数曲线的拟 合和计算得出样品的导热系数和热 扩散系数 。平面热源法测试装置 如图2 所示。 测试 时 ，通过求解导热微分方 程 ，测 出相关参数后 ，按下列一些 公式求得试样的热扩散系数，导热 系数和比热容。 2 = ( 3 ) 4 r Y 式中： 一 热扩散系数 ( m h)； 距面热源 ( m )温度升高 时的时间 ( h)； 函数 ( Y) 的自变量。 函 ( Y ) 值 ： ( ) ： ( 4 ) 式 中： B( Y) 一 自变量为 的函数； 关掉加热器的时间 ( h)； 一 加热停止后，热源上温度 升高 0 时的时间 ( h )。 ： 亟 ( 5 ) = = = 一 1 ) J S 0 2 刀 式 中： 一 导热系数 w ( m K) ； 卜 加热电流 ( A)； R - J I 热器的电阻 ( Q )； 一 加热器面积 ( I I 1 2 )。 c：3 6 ( 6 ) a p 式中 ： 比热容 k J ( k g K ) ； p 一密度 ( k g m )。 平面热源法能够一次测得岩土 的 导热 系数 和热 扩散 系 数 ，进 而通 过计算得到比热容，测试效率大大 提高。在探头的设计 上也较热线法 得到改进 ，选用 了机械强度较高 的 材质 ，测试时与样品平面接触 ，使 得结果的代表性更高，探头的尺寸 可根据样 品大小进行选择 。但该方 法对样品表面的平整度要求较高， 因而在测试砂类土和岩石时因为与 样品表面接触不良，准确性有所降 低 。 1 3热平衡法 热平衡法又称混合法 、量热杯 法 ，是测 定 岩土 比热 容 的常用 方 法。原理是根据牛顿冷却定律，以 水为标准样品来测定岩土的比热 容 。具体做法是将一定 质量 ，加热 到恒温的岩土样放入盛有一定质量 水的杜瓦瓶中，根据热电偶的温度 测定 ，通过岩土样 的热量释放和水 的热量吸收，准确测量出试样和水 的热传递过程及达到温度平衡的状 态 ，计算出岩土的比热容。热平衡 法测试装置示意图如图3 所示 。 在测得相关参数后 ，按下式计 算岩土 的比热容 。 恒 图3热平衡法测试装置示意图 F i g 3 Te s t i n g u n i t o f h e a l b a l a n e e me t h o d G t 3 一鲁 G 2 ( 1一 ) 2 。 式中： C 一岩土在t 3 lJ t 温度范 围内的 平均 比热容 J ( k g K) ； C 一试样筒材料 ( 黄铜 )在t 到 t 。 温度 范 围 内的平 均 比热容 【 J ( k g K ) 】 ； C 一杜瓦瓶 中水在t 2 lJ t 3 温度范 围内的平均 比热容 J ( k g K ) ； E一水 当量 ( 用已知 比热 的试 样进行测定，可得到雅) ( g )； 岩土下落时的初温 ( K)； 2 杜瓦瓶中水的初温 ( K)； t 一杜瓦瓶中水与岩土混合平 衡后的计算终温 ( K)； G 一水质量 ( g)； G ， 一试样质量 ( g)； G 一试样筒质量 ( g)。 热平衡法原理简单 ，设备简单 易获得 ，曾较广泛应用于岩土比热 容的狈 0 定。但在测试过程中存在试 样质量 、试样 的粒度 、水的质量 、 加热温度、热平衡终点的选择和不 可避免的热量损失等问题，这些问 题都会降低该方法的测试精度。另 外 ，该方法不适合含水量和孔隙率 较高岩土样品的测试，尽管有的实 验室在测得干样 比热后 ，利用 已知 的原状样天然含水率对 比热容结果 进行修正，但修正结果的可靠性仍 无法保证。 第 2 6 卷 第 1 期 赵秀峰， 等： 岩土热物理性质室内测试方法探讨 6 3 1 4差示扫描量热( D S C) 法 差示扫描量热法测定岩土 比热 容的基本原理是被测试样在温度程 序控制下，与标准样品 ( 已知比热 值 )的热量信号进行比对 ， 从而确 定试样的比热值 。一般采用技术 成熟、批量生产的差示扫描量热仪 进行测试 ，标准物质和试样的D S C 曲线示意图如图4 所示 。 图4标准物质和试样的D S C 曲线示意图 F i g 4 DS C C H I V E S o f s t a n d a r d s u b s t a n c e a n d s a mp l e 从 图4 可 以看 出 ，在某一 温度 下，试样的热焓变化率为 a Q 硎 ( 8 ) dt dt 标准物质热焓变化率为 盟： H= c md T f 9 1 dt dt 两式相 比，即可得 到试样得 比 热容为 C： ( 1 0 1 =一I l U l 式 中 ：c 、c 分 别为试样 和标准物质在温度t 时的比热容 ( J ( mg K)； h 、月 -_分别为试样和标准物质 经基线修正后的热流值 ( J )； m、m 一分别为测试 时所用试 样与标准物质得质量 ( mg )。 D S C 法测定材料的比热容具有 仪器设备 自动化程度高、分析速度 快、测温范围广、精度高等优点。 但其适用的样品为经烘干、粉碎 至一定粒度的粉末状样品，而天然 岩土由固、液、气三相组成，即使 组成成分相同，也因形成的环境不 同而具备不同的结构，这些因素都 会对岩土比热容产生影响。另外， D S C 法样品用量仅为几十毫克，因 此对均匀性较差的岩土材料取样代 表性风险较大。 2 存在的问题和建议 目前在岩土热物性测试方面还 存在一些问题 ，包括测试方法、测 试设备、人员操作等方面。 2 1测试方法 室内测试岩土热物性指标 的方 法很多 ，除本文介绍的4 种外，在 一 些岩土实验室和研究单位还采用 热平板保护法、激光闪烁法等。而 每种方法都有其各 自的适用范围和 优缺点 ，因此根据样 品特性和客户 委托要求，选择适合的测试方法非 常重要 。 我 国 目前仅在地源热泵系统工 程技术规范中 ，对岩土热物性现场 测试方法 进行 了相关规定 8 - 9 1 。水 利、交通、铁路等行业土工试验标 准中，对冻土导热系数试验做了 规定 1 o 12 】 ，在地质行业岩石物理力 学性质试验规程 中对岩石导热系数 测定方法 ( 热线法 ) 和岩石比热容 测定方法 ( DS C 法 ) 做了规定8 】 。 在城市轨道交通岩土工程勘察规范 中在仅指出岩土热物性指标的室内 测定 ，可采用面热源法 、热线法或 热平衡法，而对方法本身并无详细 规定1 。可见 ，目 前我国尚无统一 的岩土热物性测试方法标准，关于 每种方法测试结果相关性的研究就 更少 。这就 给岩土热物性测试 的准 确、测试量值的统一、成果应用带 来较大隐患 。因此 ，笔者也在此呼 吁，望相关领域的国家标准能早 日 出台。 2 2仪器设备 岩土热物性测试仪器设备作为 获取岩土热物性指标的主要工具， 应该满足安全性、可靠性 、准确性 等方面的要求。而我国目前的现状 是没有对仪器设备结构 、技术要 求、检验方法等作出相应的规定的 产品标准。很多科研部门和大型企 业出于各自工作的需要，依据测试 方法基本原理自行建立或向仪器生 产厂家定制 了一些岩土热物性测试 设备。而这些热物性测试设备的精 度和可靠性等方面性能参差不齐。 相比直接进口的热物性测试成熟产 品，大部分测试精度和测试等级不 高。 建议国家相关部门尽快制定相 关 产 品标准 ，加 快岩 土热 物性 标 准物质的研制 ，进而建立 国家岩土 热物性测试量值溯源体系，以保证 对测量结果的可靠性的评估有据可 依。 2 3人员操作 多年来 ，通过为多个地热能 、 浅层地温能调查项 目和城市轨道交 通建设项 目的岩土勘察工作提供大 量的岩土热物理性质测试服务实践 证明，在测试方法、仪器设备尚不 完善的情况下 ，技术人员在取样、 制样、环境条件控制等环节操作的 规范性会对结果产生重大影响。 2 3 1 取样 研究表 明，原状岩土的热物理 指标与其岩性、密度、含水率、孔 隙率密切相关1 4 1 8 】 。因此在钻探取 样过程中操作必须规范，宜采用大 孔径的薄壁取样器，砂土采用原状 取砂器。并注意保证所取土样的完 整性和代表性 ，在运输过程中要保 持原状 ，避免扰动 、失水等情况 。 2 3 2样品制备 样 品到达实验室后 ，对要求进 行原状岩土热物性测试的样品应存 放在与测试环境相一致 的场所进行 4 8 h 的温度平衡，同时需对样品的 状态进行检查，严重失水或扰动的 样品已不符合进行热物性测试的要 求。平衡后的样品应尽早测试，以 免造成失水或水分迁移。 热线法和平面热源法对样品的 安徽地 质 2 0 1 6 焦 尺 寸 和平 整 度 均有 一 定 的要 求 ，热人 员参考 ，见 表 1 。 R e v S c i I n s t r u m， 1 9 9 1 ， 6 2 ( 3 ) ： 平衡法和D S C 法则对样品的干燥温2 3 3 仪器设备参数的选择 7 9 7 8 0 4 度、样品破碎或粉磨粒度、用量有 测试过程中，选择符合仪器设 5 】 G u s t a f s s o n S E ， S u l e i m a n B T h e 要求，因此在制样过程中需满足方备设计原理和样品特性的仪器设 仃 a n e n p n e u r c e c h q ： 法 对 试 样 的 各 项 要 求 ， 才 能 保 证 得 备 参 数 至 关 重 要 。 热 线 法 需 根 据 对 e x p 盯 n e n 协 d e “ c rite r ia J ： h 出较为准确的结果。笔者总结了不试样热物性指标的判断，选择适合t 2 e 3 f 3 mp 、： 曲 p re 。 s u r e 9 1 同方法的样品制备要求，仅供检测的探头、档位及校正参数 ，可参考6 】 蒋 红 ，石 文艳 差 示 扫 描 量 热 仪 表1不同方法的样品制备要求 ( DS C撒 用中应注意的一 问题 J ! 呈 ! 兰 呈 旦 ! 旦 ! 旦 ： 呈 ! ! 竺 ! ! ! ! 兰 ! ! 1 1 ! ! ! 企业 技 术 开 发 ，2 0 1 3 ， 3 2 ( 2 2) ： 3 3 望 鱼 ! 塞 垫 壅 量 苎 7 D Z T 0 2 7 6 2 0 1 5 ，岩 石 物 理 力 学 性 质 直 径 4 0 m m 、高 试验规程 s 】 执 线 法 4 0 m m圆柱体或 车 1 曼 测试 面 平整 度 8 D Z T 0 2 2 5 2 0 0 9 ， 浅 层 地 热 能 勘 查 评 Z r 卜 l u l I ，五 l I 月 。 p l 1 0 0 mm6 0 m m5 0 m m 寸要求的试样 0 0 3 mm 一 长方柱体 r 9 1 2 0 o 9 ， 地 源热泵 系统工程 源 法 ： 测 0 淅 0 3 mm 度 一一 热平衡法 0 5 mm 5 0 g 左右 度 3 4 1 1 】 J T G E 4 0 2 0 0 7 ，公路 土工 试验 规程 差示扫描量热法 0 0 7 5 mm 2 0 mg 3 0 mg K干 燥 5 K 温 度 4 1 2 】 1 0 1 0 2 2 0 1 0 ， 铁 路工程 土工试 验 一土工 泵系统工程技术规范等文献资料总 选择等都直接影响测试结果的可靠 韶 瘟蜘持 一 结 的不同岩土热物性指标经验值来性 ，技术人员应该严格按照相关规 1 4 赵秀峰 ，曹景洋， 罗惠芬 采用H。 选择。平面热源法测试结果必须范和作业指导书进行操作，避免人D is k 测量岩土热物性的实验研究 J _ 保证温升 0 3 3 2 K之间，特为因素对结果造成影响。 中 国 测试， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 4 ) ： 1 0 6 1 0 9 征 时间0 在0 31 o ； L间，过低或过 ( 3)国家相关部 门和研究机 1 5 李强_ 、浅层岩土热物性参数测试与分 高都将增大结果的误差，甚至导致构应尽快制定统一的岩土热物性测 柳J 低温建筑技术， 2 0 1 0 ， 1 4 5 ( 7 ) ： 结果错误。热平衡法 ，主要是对加 试方法标准规范和仪器设备产品标 1 0 0 1 0 1 热到稳定温度的选择 ，建议 比测试准，进而建立量值溯源体系，保证 6 ， ， 因 对 拳 表 导 热 时 的 苎 望 堂 右 堂 高 不 同 试 与t- Ds c 法在选择温度程序时，必须考 验室间所测数据的可比性。 1 7 肖 ，“ 莫 雪 洁 ： 商 岩 土 材 料 导 虑的因素有：温度程序的类型 ( 单参考文献： 热系 数计算研究J 路 基工程 ，2 00 7， 一 测试段 、多段测试 、温度调制程 1 】 陈则韶 葛新石， 顾毓沁- 量热技术和 1 3 2 ( 3 ) ： 5 4 5 6 序 )、参数的选择 ( 升温速率、开 热物性测定 M - A肥： 中国 科学技术 1 8 王涛 岩土体热物性影响因素分析 始和结束温度 )、样品的热传导性 大学出版社， 1 9 9 0 ： 7 9 8 0 研究 J 】 建筑设计管理， 2 0 0 4 ，( 1 1 ) ： 等 。其中升温速度最为关键 ，建议 2 苏天明， 刘彤， 李晓昭 南京地区_- k 9 1 9 3 如无特殊要求外，一般可根据样品 体热物理性质测试与分析 - 岩 ( 下转第6 8 页) 屠 同 卉 ： 田新 石力学与工程学报， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 6) ：5 2 0 K 属性的不同 ，在 mi n 调整 佃 子司上 子傲 论 7 8 1 2 8 3 (1 )每种 岩土热物性测试 方 术 ，2 0 0 4 2 3 ( 1 1 ) ： 7 1 7 3 法均有其各自优缺点和适用范围， 【 4 】 G u s t a f s s o n S E T r a n s i e n t p 1 a n e 具体应用时应根据客户需求和样 品 s o u r c e t e c h n i q u e s f o r t h e r ma l 属性加以选择 。 c o n d u c t i v i t y a n d t h e r m a l d i f f u s i v i t y 6 8 安 徽地 质 2 0 1 6 年 期地质灾害预警工作取得成果基础 上，结合我省地质环境信息化平台 建设 ，提 出了依托 国家地质灾害气 象预警技术方法和软件模型，建立 我省地质灾害气象预警预报系统初 步方案，该方案具有以下特点： 将地质环境因素 ( 地形地貌、岩土 体特征 、多年平均降水量、瞬时最 大降水量、地震动峰值加速度、现 状地质灾害发育密度 、人类工程活 动强度 ) 有效降雨 建立独立的预警模型判据，预警精 度大大提高；随着地质灾害易发 性评价单元的进一步细化 ( 例如细 化为l k m1 k m单元格 )，可进一 步相应地提高地质灾害的空间预警 精度；选用l o g i s t i c 回归模型不仅 考虑 了上述 已知的因子 ，在样本充 足的情况下 ，也全面考虑未知 因子 的作用 。综上 ，虽然该方案在预警 指标的选定与量化分级等方面M 】 尚 与降雨参数 ( 预报雨量、 存在需要进一步研究的问题 ，但它4 量 ) 等多因素迭加建立预标志着我省地质灾害气象预报预警 警判据模型；反映不同预警区域工作进入了更科学领域。 地质环境要素 的变化 ，对每个单元参考文献 ： 中国地质环境监测院 地质灾害气象 预 报预警技 术要 求【 z 】 2 0 0 5 叶殿 秀， 张 强， 马 占山 三峡库 区诱发 滑坡发 生 的降水 统计特 征 c 叶殿 秀， 张强， 朱蓉 三峡库 区强 降水诱发 地质灾害研究 第一版 北京： 气象出 版社， 2 0 0 5 ： 9 7 1 0 5 崔 鹏 ， 杨 坤， 陈杰 前 期 降 雨对 泥 石 流 形 成 的 贡 献 以云 南 蒋 家 沟 为 例 J 】 中国 水 土保 持 科 学， 2 0 0 3 ， 1 ( 1 ) ： 1 1 - 1 5 刘传正， 刘艳辉 地质灾害 区域预警原 理与显式预警系统设计研究 J _ 水文 地质工程地质， 2 0 0 7 ， ( 6 ) ： 1 0 9 1 1 5 STUDY o N FoRECA ST AND W ARNI N G M oDEL oF G Eo Lo GI CAL H AZARD W EATH ER I N ANH UI PR oVI N CE ZH U X i ng f e ng， W AN G Bo ，ZH AO Fu- m i ng，YAN G Shi - w e i ，H O U Ji e ( Ge o l o g i c a l En v i r o n me n t Mo n i t o r i n gS t a t i o n o fAn h u i Pr o v i n c e He f e iAn h u i 2 3 0 0 0 1 Ch i n a Abs t r a c t ：Thi s pa pe r di s c us s e d g e o l o gi c a l ha z a r d we a t he r f o r e c a s t a nd wa r ni n g mod e l i n g ba s e d o n g e o l o g i c a l e nv i r on m e n t i nf or ma t i on pl a t f o r m ，a c c or d i ng t o a l r ea d y e s t a bl i s he d ge o l og i c a l ha z a r d wa r ni ng zo ne s a n d vu l ne r a bl e z one s ，w i t h ge o l og i c a l h a za r d v ul ne r a bi 1 i t y，f o r e c a s t e d r a i nf a l l a n d e f f e c t i ve r a i nf a l l a s f a c t or s ， de t e r m i ne d w a r ni ng g r a de o f e a c h a s s e s s e d u ni t us i n g l og i s t i c r e gr e s s i o n m o de l ，a n d m a t e r i a l i z e d ge o l og i c a l ha z a r d w e a t he r r i s k w a r n i ng b y i n t e r po l a t i o n c a l c u l a t i o n a n d p o l y g o n m e r g e r K e y w o r ds ： ge o l o gi c a l h a z a r d；v ul n e r a bi l i t y； r a i nf a l l ；f o r e c a s t a n d w a r ni n g；m o d e l ( 上接第6 4 页 ) D I SCUSSI ON O N TH E M ETH o D oF I NDo o R TESTI NG o F TH ERM AL PHY SI CA L PRo PERTI ES o F R oCK AND So I L ZH A O Xi u fe ng，CA O Ji ng- yang，LU O Hui f e n ( I n s t i t u t e o fGe o l o g i c a l S u r v e y of J i a n g s u Pr o v i n c e , Na n j i n g， J i a n g s u 2 1 0 0 1 8 ， Ch i n a) Abs t r a c t ：Thi s pa pe r i nt r o du c e d t he ba s i c p r i nc i pl e s of 4 i nd o o r t e s t i ng me t h o ds o f t he r ma l p hy s i c a l pr o p e r t i e s o f r o c k a n d s o i l ，s uc h a s ho t wi r e me t ho d ，h o t pl a n e s o u r c e me t ho d，he a t b a l a nc e me t h o d a n d d i f f e r e n t i a l s c a nn i ng c a l o r i me t r y( DS C) ， a n a l y z e d a d v a n t a g e s ， d i s a d V a n t a g e s a n d a p p l i