室內巖土熱物理指標的試驗方法及試驗要點的探討

李慧芝　趙亞品

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

1　熱物理參數的意義

熱物理指標是反映巖土體導熱、導溫、儲熱等能力的指標，一般包括導熱系數、導溫系數和比熱容等。導熱系數是指在穩定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側表面的溫差為1 ℃，在1 s內，通過1 m2面積傳遞的熱量;導溫系數表示土體在加熱或冷卻時，各部分溫度趨于一致的能力，也稱為熱擴散系數，是研究溫度場變化的重要指標;比熱容指單位質量的某種物質升高單位溫度所需的熱量。

隧道周圍的土壤是一個很大的容熱體，夏季地層從空氣中吸熱，降低隧道空氣溫度，冬季則反之，地層向隧道空氣放熱。據資料統計，傳進地鐵隧道周圍土壤的熱量占地鐵產熱量的25%～40%。而天然土層的密度、濕度和化學成分千變萬化，不同的天然土材料有著不同的熱物理指標，其傳熱性能也千變萬化，土壤熱物理指標的測試準確度對降低地鐵造價(龐大的空調系統的設置)，節省能源(大量的電能消耗)和環境控制等方面有著不可忽視的作用。

2　室內確定巖土熱物理指標的試驗方法

巖土屬于多孔介質，其物理性質受溫度、密度、含水量及化學成分等因素的影響。熱物理性質的確定方法，可在實驗室和現場直接測定。

2.1　導熱系數

指標測定：試驗方法可分為穩態法及瞬態法；根據熱源的幾何形狀可分為熱線法、熱條法及面熱源法；根據熱源的幾何形狀可分為熱線法、熱條法及面熱源法。本實驗室采用面熱源法，即給試樣施加一定的溫度梯度，并使其達到穩定熱狀態，進而確定介質導熱系數。

2.2　比熱容

根據牛頓冷卻定律，用冷卻混合法測定物質的比熱容是熱學中常用的方法。以水為標準樣品來測定巖土的比熱容：將一定質量，加熱到恒溫的巖土樣放入盛有一定質量水的保溫瓶中，根據熱電偶的溫度測定，通過巖土樣的熱量釋放和水的熱量吸收，準確測量出試樣和水的熱傳遞過程及達到溫度平衡的狀態，計算出巖土的比熱容。

2.3　導溫系數

導溫系數的試驗方法有諧波法、薄板法、空心板法和正規狀態法等。前三種方法都用于現場直接測試。正規狀態法屬于室內試驗，其主要原理是根據不穩定熱傳導過程中的正規狀態原理，把恒溫試樣投入到恒溫介質中，當試樣和介質間存在溫差時，試樣中各點的溫度隨著時間的變化將經歷三個階段：初始階段受外界情況的影響，試樣中各點的溫度變化速度不同；經過一段時間后進入正規狀態，試樣中各點的溫度變化速度相同；最后經過相當長得時間，試樣和介質溫度逐步達到平衡。相對于比熱容而言，導溫系數的試驗方法及儀器較為復雜，環境溫度不宜控制，所以在試驗測得比熱容和導熱系數的前提下，也可測試比熱容，用比熱容和導熱系數來計算導溫系數。

導溫系數計算公式

式中α——試樣的導溫系數(m2/h)，準確至0.000 01 m2/h；

λ——試樣的導熱系數(W/(m·K))；

C——試樣的平均比熱容(kJ/(kg·K))；

ρ——試樣天然密度(kg/m3)，準確至0.01 kg/m3。

3　室內確定巖土熱物理指標的影響因素及試驗注意事項

到目前為止，國內還沒有關于巖土熱物理指標試驗的規范性試驗方法。我試驗室目前采用面熱源法獲取導熱系數，用混合法獲取比熱容，利用試驗所得的導熱系數和比熱容數據計算導溫系數。多年來，經過試驗獲取了大量的試驗數據和試驗經驗，從以下幾個方面說明室內確定巖土熱物理指標的影響因素和試驗注意事項。

3.1　取樣

土的熱物理指標是整體反映土體導熱、導溫、儲熱等的能力，對于原狀土的熱物理試驗，要求在鉆探取樣過程中，采用大孔徑的薄壁取樣器，并注意保證所取土樣的完整性和代表性，在運輸過程中要保持原狀，不能出現失水、擾動等情況，否則試驗所得的結果就失去了意義。

3.2　試驗狀態

在導熱系數的試驗中，試樣放在冷熱面正中間，旋轉加壓框手輪壓緊試樣。要保證試樣平面的平整性，使試樣與冷熱板面密切貼合，可在試樣兩端面涂上少量導熱硅脂，以保證兩者之間的接觸。如果兩者接觸不好，土樣需要更長的時間達到溫度的平衡以及造成熱量散失，在此過程中會造成土樣內部水分的跟隨熱流流動，使得最終測得的導熱系數偏小。如果接觸非常不好的話，最終結果會超出誤差允許，偏離了土樣本身的熱物理性能指標。

3.3　樣品尺寸

勘察現場鉆探取樣用的標準樣品筒規格一般為(118×200) mm，而熱流計有效工作表面的面積為90 mm×90 mm，所以，取90 mm為制取試件的最大直徑。對于面積相同的試件，其高度不同，測得的導熱系數也不盡相同，當其高度較小時，導熱系數隨著高度的增加而增加；當其高度較大時，導熱系數隨著高度的增加而減少，這說明為了充分的體現材料的導熱性能，存在著一個試件的最小厚度。考慮到散熱以及狀態穩定的因素，試件不能過厚，即存在著一個材料的最大厚度的問題。經大量試驗證明，試件高度大于40 mm以后，土樣的導熱系數增加值僅為1.2%左右。所以，在該種熱流計面積的情況下，認定當直徑為90 mm時，高為40～50 mm的試件尺寸為最佳(高徑比為1∶2左右)。但是，在熱流計面積發生改變的情況下，試件的高徑比宜重新選擇，不可一概而論。

3.4　試驗溫度設置

多次重復試驗證明，加熱板溫度在38～71 ℃區間時，同一種試件(石英或土樣)其導熱系數值呈現隨加熱溫度遞增而遞增現象，遞增率為0.7%～6.0%。加熱溫度在50 ℃之前，每個加熱溫度區間的導熱系數遞增率較大，而在50 ℃及以后的加熱溫度區間，導熱系數遞增率較小。不同含水率、濕密度及飽和度的狀態下，隨著熱面溫度的增加，其導熱系數的差值有遞減的趨勢。

3.5　比熱容

大量的試驗發現，比熱容試驗主要的影響因素是土樣、水樣質量的選定和土樣加熱到穩定的溫度選擇，通過傳熱穩定時間的比選和試樣容器大小的綜合考慮，選定土樣質量在50 g左右，常溫水樣質量在150～200 g范圍之內。可根據季節，土樣加熱到的恒溫溫度，比測試時的環境溫度高出25 ℃左右即可。

4　結論

對室內確定巖土熱物理指標的影響因素進行了分析。為了更好反應土體導熱、導溫、儲熱等能力，獲取導熱系數、比熱容和導溫系數幾項指標，在取樣和試驗過程中應該注意以下幾項：

(1)選擇的土體必須具有代表性，必須保持天然結構及含水率。

(2)試件尺寸應選擇大于等于熱流計工作面積并符和一定的高徑比(1∶2左右)。

(3)根據季節性室溫選擇加熱設定溫度，一般選擇高于室溫25 ℃，使得試件傳熱穩定后的冷熱面平均溫度接近室溫。

(4)比熱容試驗中，可根據季節，設置的恒溫溫度比環境溫度高出25 ℃左右為宜。

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