武汉地区饱和黏性土热物理性质试验研究.pdf

器 工 程 测 量 与 检 测 En gi ne er in g Smwe y敞 e r e c t i on 武汉地区饱和黏性土热物理性质试验研究 朱帆济 代 昂 陈礼兵 1 武汉市政T程设计研究 院有限责任公 司 湖北 武汉4 3 0 0 1 5 2 启东市建筑设 计院有 限公司 江苏 南通2 2 6 2 0 0 摘 要 根据二相 土的组成特点 研究饱和黏性土热物理性 质与其含水量 密度及孔隙比等参数问的关系 在武汉地铁详 勘阶段 采取一级阶地黏性土饱和原状土样 利用 K D 2 P r o T h e r m a l P r o p e r t i e s A n a l y z e r 热参数分析仪进行热物理性质试 验 同时测试土样 的含水茸及密度 对试验结果进行 回归分析 分析时假设 土中水及 同体颗粒骨架的热物理性质为定值 且土中水分没有明显的迁移 结果表明 黏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 结合试验结果及 同外 的经验公式 给出了便于T程使用的导热系数及比热容计算公式 关键词 三相土 饱和黏性土 热物理性质 含水量 密度 孔隙 比 中图分类号 T U 4 4 1 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 9 7 7 6 7 2 0 1 1 0 5 0 1 2 8 0 5 Ex p e r ime n t a l Re s e a r ch o n Th e r mo p h y s ica l Pr o p e r t i e s o f S a t u r a t e d Cla y i n W u h a n Ar e a Z h u F a n j i D a i A n g C h e n L ib in g 1 W u h a n Mu n ici p a l E n g in e e r in g De s ig n Re s e a r ch I n s t it u t e C o L t d Wu h a n 4 3 0 0 1 5 C h in a 2 Q id o n g a r ch i t e ct u r e D e s ig n I n s t i t u t e C O L T D N a n t o n g 2 2 6 2 0 0 C h in a Abs t r a ct Acco r din g t o t h e t h r e e ph r a s e co mpo s it io n o f s a t u r a t e d co h e s iv e s o il t his p a pe r s t u d ie s t h e r e la t i o ns hip b e t we e n t h e r mo p h y s ica l p r o p e r t ie s a n d d e n s it y mo is t u r e co n t e n t v o id r a t io o f s o il Du r in g t h e d e t a il e d e x p l o r e d p h a s e o f W u h a n me t r o e ng in e e r in g e x p e r ime n t s o f t h e r mo p hy s ica l p r o p e r t ie s a nd s o i l t e s t we r e co n d uct e d b y t a k in g u n d is t u r b e d s a mp le s o f s a t u r a t e d co h e s iv e s o ll i n fi r s t t e r r a ce Re g r e s s io n a n a ly s is a r e b a s e d o n t h e a s s u mp t io n s t h a t t h e r ma l p h y s ica l p r o p e rti e s o f wa t e r a n d s o lid p a r t icle s a r e co ns t a n t a nd t h e mo is t u r e mig r a t i o n i s n o t s ig n ifi ca nt Re s u lt s s ho w t h a t t h e r ma l co n d uct iv i t y in cr e a s e s wit h d e n s it y in cr e a s in g a nd d e cr e a s e wi t h v o i d r a t i o in cr e a s in g s p e ci fi c h e a t in cr e a s e s wit h mo is t ur e co n t e n t in cr e a s i ng Empi r ica l f o r mu la s a r e g iv e n t o ca lcula t e t he t h e r ma l co n d u ct iv it y a n d s p e ci fi c h e a t b y a n a ly z in g wh ich a r e e a s y t o o p e r a t e in e n g in e e r i n g d e s ig n Ke y wo r d s t h r e e p h a s e s o i l s a t u r a t e d co h e s i v e s o il t h e r mo p h y s ica l p r 0 p e r t ie s m0 is t u r e co n t e n t d e n s it y v o id r a t io 土体是南大小不同 形状各异的同体颗粒和孑 L 隙 以一定 的形 式 连接 形成 的 多孔介 质 多孔介 质 中 的热 质迁移是多相体系非连续介质的复杂过程 传热研究 的主要 内容就是研究传热传质的基本规律 以及具体 应用 计算给定条件下 的传热传质的速率及其控制 寻 找传热强化及削弱的技术途径l 1 l 含湿多孔介质 的湿 热迁移特性数据包括导热系数 比热容及导温系数等 其大小受密度 含水量及化学成分等因素的影响 导热系数的确定方法 包括实验室l 3 I 测试 和现场 直接测定l 5 6 1 根据测试原理可分为稳态法及瞬态法 1 2 8瘩荭 投东H 1 2 0 1 1 N o 5 S e p V o 1 2 9 根 据热 源 的几何 形状 可 分 为热 线法 热 条 法 及 面热 源 法 稳 态法 是 给试 样施 加 一定 的温度 梯度 并使 其 达 到稳定传热状态 进而确定介质导热系数 南于稳态 法一般需要较长的试验时间 而且试验过程 中土样 的 水分 在 总压 力 梯度 湿 度梯 度 及温 度梯 度作 用 下 很 容 易发生迁移 致使含水率不均匀 影响试验结果 故 实 验 室一 般采 用 瞬态 法 目前 常用 的探针 法便 属 于瞬 态 法 除了直接测定外 采用 B P神经网络l 8 I及分形模型 理论 计算导热系数的方法也有报道 通过分析热物 理性质与土工参数 的关 系 进而给出热物理性质的经 验计算公式也是 当前研究 的热点l 1 0 笔 者通 过对武 汉 地 区一 级 阶地 黏性 土饱 和原 状 土 样导热系数 比热容 密度及含水量测试 分析各组分以 并联形式对整体热物理性质的影响 并以测试数据的统 计结果 为基础 提 H 根据 土体含水 量计算 比热容 的经验 公式及根据密度 孑 L 隙比 率 计算导热系数的经验公式 1 武汉 地 区岩 土层 分布 情况 武汉市地处长江 中下游 跨越长江两岸 为长江 河谷的一部分 属低丘陵一 平原地貌 武汉市 区可分为 3个地貌单元 剥蚀丘陵区 剥蚀堆积垄岗区及河流堆 积平 原 区 根据武汉地区地铁沿线工程地质勘察成果可知 地铁沿线地层分布情况为 1 一级 阶地全新统 冲积及 冲洪 积成因一般黏性 土 软 土 砂 土 及 卵 砾 石层 表 层一 般 为可 塑 黏性 土 即硬 壳层 工 程 测 量 与 检 测 器 En gi ne er in g Sur ve y鼹 De t ec t i on 2 二级阶地堆积平原区上更新统冲积及冲湖积成 因一般 黏性 土 软 土 砂 土及 含黏 土质 卵 砾 石层 3 级阶地剥蚀堆积垄岗区上更新统一 中更新统 冲洪积一般黏性土 局部夹碎石层 4 长江 汉江 故河道 中更新 统一 下更 新统 冲 洪积含 黏性土砂层及卵 砾石层 局部夹透镜体状黏性土层 5 残积 土层 及 基岩层 其 中一级 阶地黏性土 Q 4 在汉 口及武 昌沿 江 地 区分布较广泛 呈厚层状分布 该层黏性土呈灰 褐 灰 褐黄色 饱和 切面较光滑 干强度及韧性中等 呈 可塑一 软 塑状 态 当形 成年 代 及 沉积 环境 相 同时 同一 土 层 因化 学 成 分 基 本 相 同 其 热 物 理 性 质 与土 样 密 度 土 样 含 水 量及其他 因素有关 为保证试 验土样的代表性 试验 所 取 2 4组 原 状 土 样 位 于地 面 下 2 o 0 2 2 0 0 m 范 围 内 分布于长江南岸及北岸的一级阶地 的 5处不 同地 段 均为饱和黏性土 具体情况见表 1 表 1 黏 性土 热 物理 性质 及 土工试 验 结果 武 昌X D X1 4 一 t 2 7 5 2 9 5 粉质黏土 3 3 6 1 9 7 0 0 8 5 1 l 3 1 4 1 2 8 8 徐 东站X D X1 4 2 5 7 5 5 9 5 粉质黏土 2 9 4 1 9 8 1 0 7 8 3 1 4 3 5 1 3 4 8 X D X1 4 3 8 7 5 8 9 5 粉质黏土 3 0 3 1 9 6 7 0 8 0 8 1 8 3 7 2 1 8 9 2 0 1 1 卑第5 期 9一 第 2 9 拳 筝 荭救 川 r 1 2 9 器 工 程 测 量 与 检 测 En gin e er i n g Sur v e y拽 De t ec t i on 2 热 物理 性质 的试 验方 法 探针 法是 测 试饱 和 土 导热 系数 的有 效方 法 之 一 它具有制造成本低 廉 测定仪器简单 测定 时间短 和 准 确度 较 高等 优点 探针 是利 用 瞬态 线热 源原 理测 试 导热系数 的有效手段 试验 时土样基本上保持原有密 度及湿度 使测定结果更符合实际情况l 7 l 试 验 中 导 热 系 数 A 采 用 美 国 D e ca g o n D e v ice s I n c K D 2 P r o T h e r ma l P r o p e r t ie s A n a ly z e r 热参数分 析仪 确 定 在 试验 中 控 制 Q为 常量 于是 线热 源处 温度 的测量值与时间 ln t 之间便呈直线关系 而被测介质的 热导率即由该直线的斜率来确定 比热容通常在探针法测定导热 系数时 通过配置 S H S e n s o r 双探 针测定 3试 验 结果 饱和原状土样热物理性质及土工参数试验结果见 表 1 统计 结果 见表 2 表 2 热物理 性质 及土 工试 验统 计表 统计数 2 4 2 4 2 4 2 4 最大值 4 6 1 1 9 8 1 1 1 9 3 1 8 3 7 最小值 2 9 4 1 7 9 5 0 7 8 3 1 1 7 6 平均值 3 5 6 1 8 9 7 0 9 5 4 1 3 4 4 标准差 3 7 2 O 0 5 0 1 0 0 1 4 变异系数0 1 0 O 0 3 0 1 l 0 1 1 2 4 2 1 8 9 1 24 2 1 5 8 5 O 2 0 0 1 3 4试 验数 据分 析 4 1导 热 系数 分析 及评 价 4 1 1 导热系数计算公式 一 般情况下 土是由同 液 气三相组成 的 南于很 难对多孔介质 的几何参量作严格的描述 所以一般将 多孔介 质看作 在大尺度上假想均匀分布 的虚拟连续 介质 根据瞬态线热源的丁作原理 试验过程中土样 基本上保持原有密度及湿度l 7 一般认 为水及 固体颗 粒的导热系数为定值 根据 以上假设 当考虑各组分 以并联形式参 与对整体 的贡献 时 1 3 1 4 土体的导热 系 数计算公式 采用体积百分 比 为 l v l Z g V V V I V g 1 式中 及 J L 分别为固体颗粒 颗粒问液体及颗粒 问气体的导热系数 W 1 13 K v 1 及 1 分别为 固 体颗粒 颗粒间液体及颗粒间气体的体积 试验所取原状土样均饱 和 颗粒 问气体的体积及 1 3 0辛 投求 E T 2 0 1 1 N o 5 S e p V o 1 2 9 导热系数均较小 故一般忽略不计 令 1 0 P 1 0 x 1 0 k g 13 1 S r 1 0 0 则 式 1 可简 化为 l 一 1 e 2 也可表 示 为 p p w Z l d 1 e 3 式中 e为土样孔隙 比 无量纲 p及 P 分别为土样及 纯水密度 x l0 k g m d 为固体颗粒的土粒 比重 无 量纲 4 1 2 导 热系数 数学 拟合 及分 析 1 由式 2 可 知 导 热 系数 与 l 1 e 呈 线性 关 系 故对表 1中 2 4组数据进行线性拟合 显著性水平 0 0 5 拟合曲线见网 1 拟合结果为 九 0 5 9 1 4 3 1 e 4 式 4 的残差平方 和为 0 2 0 3 1 2 决定 系数为 0 9 9 4 7 5 拟 合结果显著 2 0 1 8 革 L 6 堇 壤 砷 1 2 l O 图 1 黏性 土导 热 系 数 和 孔 隙 比关 系 曲线 2 当黏性土孑 L 隙比 e为零 时 相当于无孔隙的岩 石 此 时黏 性 土 的导 热 系 数 为 同体 颗 粒 的导 热 系数 南式 4 有 2 0 2 W in K 与 页 岩 的 导热 系数 基 本一致 当固体颗粒完全被水代替时 即为纯水 此时 导热 系数为 水 的导热 系数 由式 4 有 L l 0 5 9 W i n k 对 一级 阶地 黏性 土 d 2 7 1 式 3 可转化 为 0 5 9 p 0 4 2 1 e 5 式 5 的残差平方和为 0 4 1 1 决定系数为 0 9 8 9 8 4 拟合效果显著 4 1 3 与 J o h n s e n的经验公 式 对 比 J o h n s e n对 土的导 热 系数进行 了深入研 究 归 纳 出 饱和土体导热系数的经验公式 为 九 6 式 中 为颗粒 间液体 导热系数 一般取 经验值 1 0 5 7 W m K 为 固体颗粒 导 热系数 a 7 7 a x 2 0 a为石英含量 由于一级 阶地黏性土以黏土矿 物为主要成分 a近似为零 故 2 O 0 W m K 式 6 经验值与式 4 拟合结果基本一致 式 6 适用 于各种类型砂土及砂土混合 物 其导 热系数由孔隙率及颗粒的石英含量决定 当土样 中固 体颗粒主要 由黏土矿物构成时 便不宜直接采用式 6 计算黏性土土样的导热系数 事 实上 根 据式 2 的拟 合结果 将 0 5 9 w m K J L 2 0 2 W I n K 代入式 6 中 发现其计 算值较试验值普遍偏小 误差值约为一 1 5 根据分析结 果 建议按修正后的式 7 来计算黏性土导热系数 即 l 0 2 2 7 式 7 的残差平方和为 0 4 0 6 决定系数为 0 9 8 9 9 7 拟合效果显著 4 2比热 容分 析及 评 价 4 2 1 比热容计算公式推导 当固体颗粒 颗粒 间液体及颗粒间气体 以并联形 式参与对整体 比热容 的贡献时 土体 比热容 的计算公 式 采 用质 量 百分 比 为 c C m c J m l cg m m m l m 8 式中 c 及 c 分别为固体颗粒 颗粒问液体及颗粒 间 气体 的 比热容 k I k g K m m 及 m 分别为 固体 颗粒 颗粒问液体及颗粒间气体的质量 k g 试验所取原状土样均饱和 由于颗粒间气体的质 量及 比热容均较小 故一般忽略不计 令 v 1 0 P 1 O x lO k g m S r 1 0 0 则 式 8 可简 化为 c C I 一 C 1 一 c 1 9 式 中 W为土 样含 水量 无 量纲 4 2 2 比热容数学拟合及分析 1 南式 9 可知 比热 容 随含 水 量 的增 加 而增 加 故 对 表 1中 2 4组 数 据 进行 线性 拟 合 显 著 性 水 平 O L 0 0 5 拟合 曲线见图 2 拟合结果见式 1 0 c 4 2 0 3 5 3 1 w 1 0 式 1 0 的残差平方和为 0 1 4 7 9 1 决定系数为 0 9 9 6 8 6 拟合 结果 显 著 2 当黏性土含水量 W为零时 相当于干燥的岩石 此时黏性土的比热容为 同体颗粒的 比热容 由式 1 0 有 c 0 6 7 k J k g K 当固体颗粒完全被水代替 时 即为纯水 此时比热容为水的比热容 由式 1 O 有 c1 4 2 0 k J k g K 1 8 二1 6 兰 雉 霰 丑 1 4 工 程 测 量 与 检 测 器 En gi n eer in g Su r v e y敬 De t ect i on O 6 6 O 6 8 0 7 0 0 7 2 0 7 4 0 7 6 0 7 8 0 0 1 l 1 w 图 2黏性土 比热容和含水量 关系曲线 3 由于水的比热容大于 固体 颗粒 的比热容 随含 水量的增加 饱和土体中液体所占的比例相应增加 导 致 比热容 增加 5结论 1 当黏性土孑 L 隙比 e为零时 相 当于无孔 隙的岩 石 此时黏性土的导热系数为 固体颗粒 的导热系数 与 页岩 的导热 系数 基本 一 致 当固体 颗 粒 完全 被 水 代 替 时 即为纯水 此时导热系数为水 的导热系数 2 当黏性土 含水 量 为零 时 相 当于干燥 的岩石 此时黏性土的比热容为 固体颗粒的 比热容 当固体颗 粒完全被水代替 时 即为纯水 此时 比热容 为水的 比 热容 3 饱和土体 比热容值随含水量增大而增 大 含水 量和 比热容呈非线性关系 对一级阶地黏性土 比热容 和含水量经验计算公式可表示为 c 4 2 0 3 5 3 1 w 4 饱和土体导热系数随密度 的增加而增 加 随孑 L 隙比的增加 而降低 对一级阶地黏性土 导热系数和 孑 L 隙比经验计算公式可表示为 0 5 9 1 4 3 1 e 导 热系数和密 度及孔 隙 比经验 计算公 式可表示 为 0 5 9 p 0 4 2 1 e 文 中所 得经验公式仅适 用于武汉地 区一级 阶地 黏性土 其他地 区热物理性质与土工参数 问经验关 系 有待于当地经验关系的积累和整理 参考文献 1 王补宣 多孔介质 中的对流传 热传质f J 西安交通大学学报 1 9 9 4 2 8 5 5 1 5 8 2 J首都 规划建设委 员会办公 室 G B 5 0 3 0 7 1 9 9 9地下 铁路 轻 轨交通岩土工程勘察规范 S 北京 中国计划 出版社 2 0 0 0 3 张旭 高晓兵 华东地 区土壤及 土沙混合物导 热系数的实验 2 0 1 1 卑第5 期 9一 第2 9 卷 争 荭 投客川 r 1 3 1 器 工 程 测 量 与 检 测 Eng in ee r i ng Sur v ey敞 Det ec t io n 研究 J J 暖通空调 2 0 0 4 3 4 5 8 3 8 6 4 盂凡风 李香龙 吴晓辉 等 利用探针法测定 土壤的导热系 数f J 绝缘材料 2 0 0 6 3 9 6 6 5 6 6 7 0 5 于明志 方肇洪 现场测量深层岩土热物性方法 J 丁程热物 理学报 2 0 0 2 2 3 3 3 5 4 3 5 6 6 于明志 方肇洪 现场测试地 下岩土平 均热 物性 参数方法 J 热力 动力工程 2 0 0 2 1 7 5 4 8 9 4 9 3 7 陈善雄 陈守义 砂 土热 导率的实验研究 J 岩土工程学报 1 9 9 4 1 6 5 4 7 5 3 8 何发祥 黄英 用 B P网络求解土体 的导热系数 J l 1 岩土力学 2 0 0 0 21 1 8 4 8 7 9 徐琳 张旭 徐进波 土壤样 品有效导热系数 的分形计算模型 J 1 可再生能源 2 0 0 9 2 7 1 8 1 8 4 8 7 1 0 肖琳 李 晓昭 赵晓豹 等 含水量 与孑 L 隙率对 土体热 导率 影 响的室 内实验 f J 解放军 理T 大学 学报 自然科 学版 2 0 0 8 9 3 2 41 2 4 7 1 l1苏天 明 刘彤 李 晓昭 等 南 京地区土体 热物理性 质测试 与分析l J 1 岩土力学与1 程学报 2 0 0 6 2 6 5 1 2 7 8 1 2 8 3 1 2 蒋建平 李 晓昭 高广运 等 南 京地铁 融 土热物 理参数 试验研究l J 1 中国铁道科学 2 0 0 9 3 0 1 1 3 1 6 1 3 刘为民 何平 张钊 土体导热系数的评价与计算 J 冰川冻 土 2 0