巖土熱物理試驗與上海地基土熱物性參數(shù)探討

王慶磊 印文東 邢春艷 田麗霞

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引言

巖土熱物性試驗在地下建(構(gòu))筑物通風(fēng)等計算、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計、凍結(jié)法設(shè)計等工程中廣泛應(yīng)用。近年來，隨著城市對地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，對地基土巖土熱物性及工程特性的研究也越來越重要。試驗室測定熱物理指標主要為導(dǎo)熱系數(shù)(λ)、比熱容(C)及導(dǎo)溫系數(shù)(α)，這些熱物理指標主要反映巖土體導(dǎo)熱、儲熱及導(dǎo)溫等能力[1]。其中導(dǎo)熱系數(shù)是分析換熱能力的關(guān)鍵參數(shù)，比熱容為單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高單位溫度所吸收的熱量，導(dǎo)溫系數(shù)又稱熱擴散系數(shù)，指土體在冷卻或加熱時，各部分溫度趨于相同的能力。

結(jié)合前人在上海地區(qū)研究成果，討論上海地區(qū)地基土熱物性參數(shù)，為后續(xù)相關(guān)熱物性測試試驗提供參考。

1 上海地區(qū)巖土層分布情況

按照上海市工程建設(shè)規(guī)范，巖土工程勘察規(guī)范(2012)，將上海地區(qū)按照地貌形態(tài)、時代成因、沉積環(huán)境和組成物質(zhì)等方面的差異，境內(nèi)可分為五大地貌類型，分別為：湖沼平原，濱海平原，河口、砂嘴、砂島，潮坪地帶，剝蝕殘丘等。其中主要以濱海平原地貌為主，結(jié)合野外勘探及室內(nèi)土工試驗成果，按成因類型、分布特征、巖性及工程特性可劃分為12個工程地質(zhì)大層，自上而下分布見表1。

2 熱物理性質(zhì)試驗測試方法

巖土的物理性質(zhì)常受密度、溫度、含水率及化學(xué)成分等因素的影響，試驗室測定熱物性的方法有很多，對于潮濕土質(zhì)材料常用比較法及面熱源法，巖石的導(dǎo)熱系數(shù)采用熱線比較法，通過熱平衡法測試巖土比熱容[2]。

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)常采用熱條法、熱線法和面熱源法測量。第四系地層中的巖土含水率和孔隙率是影響熱物理主要的因素，巖土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率、孔隙率和土的密度呈正相關(guān)分布，含水率比孔隙比對導(dǎo)熱系數(shù)的影響更大。常見的材料和母巖的導(dǎo)熱系數(shù)見表2[2]。

表1 上海地區(qū)濱海平原地貌地基土分布情況簡述

表2 常見物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)λ W/(m·℃)

2.2 比熱容

試驗室常采用冷卻混合法測定物質(zhì)的比熱容。具體方法為：將一定質(zhì)量巖土樣加熱到恒溫放入盛有一定體積水的保溫瓶中，對巖土樣進行熱量釋放和水的熱量吸收，通過熱電偶的溫度測量平衡的狀態(tài)，從而計算巖土比熱容[3]。常見巖石材料和礦物比熱容見表3[4]。

表3 常見物質(zhì)比熱容C kJ/(kg·℃)

2.3 導(dǎo)溫系數(shù)

導(dǎo)溫系數(shù)又稱為熱擴散率，為導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容的比值。

計算公式為：α=λ/(ρ·C)。

其中：α為樣品的導(dǎo)溫系數(shù),m2/h；λ為樣品的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；C為樣品平均比熱容,kJ/(kg·K)；ρ為樣品天然密度，kg/m3。

3 影響熱物理性因素

近幾年來，通過大量的試驗分析測試工作及經(jīng)驗，從取樣、樣品尺寸、試驗溫度設(shè)置及比熱容等四個方面進行討論巖土熱物理指標的影響因素和試驗注意事項。在巖土取樣過程中，其含水量及結(jié)構(gòu)都會受到相應(yīng)的影響，進而影響導(dǎo)熱系數(shù)。影響熱物性參數(shù)的因素不同對影響程度也存在差別，例如比熱容對導(dǎo)熱系數(shù)影響相對較小，但當(dāng)密度與含水率逐漸增大時，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大；密度與孔隙率密切相關(guān)，影響程度卻與之相反；地下水的滲流作用對導(dǎo)熱系數(shù)的影響也更為明顯。

3.1 取樣

對于選取的原狀土試樣要求采用大孔徑薄壁取土器選取，并確保樣品具有一定的代表性及完整性，同時在試樣運輸過程中未發(fā)生失水?dāng)_動等情況。

3.2 樣品尺寸

試樣樣品的尺寸，例如有效面積、高度及厚度等影響著導(dǎo)熱系數(shù)。通常兩個具有相同的面積的試件，由于其高度不同測得的導(dǎo)熱系數(shù)也不同，當(dāng)高度較大時，導(dǎo)溫系數(shù)隨著高度增加而減少，高度較小時則相反。

3.3 試驗溫度設(shè)置

多次重復(fù)試驗證明，含水率、飽和度及密度處于不同的狀態(tài)下，導(dǎo)熱系數(shù)常隨著熱面溫度的增加有遞減的趨勢。

3.4 比熱容

土樣、水樣質(zhì)量的選定及加熱到穩(wěn)定的溫度選擇通常為影響比熱容試驗主要的因素。

4 上海地區(qū)地基土熱物理參數(shù)指標

結(jié)合前人研究成果[5]：對上海某工程實例研究，共進行1個孔15個原狀巖土樣室內(nèi)熱物性測試分析。其野外鉆探結(jié)果顯示：研究地區(qū)自然地面以下100 m深度范圍內(nèi)所揭示的地基土主要為黏性土、粉土及砂土。根據(jù)上海地區(qū)相關(guān)巖土勘察規(guī)范，研究區(qū)自然地面以下100 m深度范圍內(nèi)地基土從上至下分別為：淤泥質(zhì)黏土(0 m～15 m)、粉質(zhì)黏土(15 m～30 m)、黏土(30 m～60 m)及砂土(60 m～100 m)四種類型。根據(jù)工程熱物性試驗以及物理力學(xué)性質(zhì)實驗等，將上海地區(qū)各地層土樣參數(shù)進行平均模擬求值，具體結(jié)果見表4[4]。可作為在上海地區(qū)地基土熱物性參數(shù)試驗參考值。

表4 上海地區(qū)巖土層熱物性參數(shù)

5 結(jié)語

1)上海濱海平原地貌地基土按成因類型、分布特征、巖性及工程特性可劃分為12個工程地質(zhì)大層，其中③層、④層為上海地區(qū)主要的軟弱層。

2)影響熱物理性因素主要為取樣是否具有代表性和完整性、樣品尺寸是否符合規(guī)格、試驗溫度設(shè)置值、比熱容等方面。

[1] 王景莉,邱學(xué)林.哈爾濱軌道交通勘察巖土熱物理指標的測定[J].黑龍江科技信息,2009(20):59.

[2] 肖衡林,吳雪潔,周錦華.巖土材料導(dǎo)熱系數(shù)計算研究[J].路基工程，2007(3):54-56.

[3] 李慧芝,趙亞品.室內(nèi)巖土熱物理指標的試驗方法及試驗要點的探討[J].鐵道勘察,2013,39(1):62-64.

[4] 彭友君,彭 博.巖土熱物理指標的分析計算[J].地下空間與工程學(xué)報,2016,12(1):38-43.

[5] 高 平,張延軍,方靜濤,等.淺層巖土室內(nèi)、外熱物性測試的相關(guān)性[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2014,44(1):259-267.