砂土、粉土和粉质粘土的导热系数确定方法

摘要

本发明提供一种砂土、粉土和粉质粘土的导热系数确定方法，该方法包括步骤：根据土体的冻结温度试验得出土中水开始发生相变的温度区间，水完全结冰的温度区间；根据砂土、粉土和粉质粘土在不同干密度、饱和度和温度下的导热系数，分别建立在未冻结状态、冻结状态和完全冻结状态下导热系数与干密度、饱和度和温度三个参数的数据模型；由最小二乘法分析数据得出回归方程，从而得出导热系数关于干密度、饱和度和温度的经验公式。本发明的效果是可以快速的确定砂土、粉土及粉质粘土在任意干密度、饱和度和冻结温度下的导热系数，为温度场的计算提供准确的导热系数数值，使得温度场模拟计算更贴近实际。就能预测冻结壁的厚度、冻结壁的平均温度和冻结壁的强度等重要参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种导热系数的确定方法，特别是一种砂土、粉土和粉质粘 土的导热系数确定方法。

背景技术

随着社会和经济的发展，很多工程技术问题的设计和研究都需要事先确 定土体的热物理参数。如地下建筑物和设施的热传导计算与分析、地下储热 (冷)技术等。土体导热系数试验和理论研究是冻土工程、土壤温度场水分 迁移、地基温度场变化等研究的一个重要的方面，影响上述问题的设计与施 工。随着冻结法施工技术广泛应用，土体材料的热物理参数逐渐成为研究重 点。

土体的热物理参数是岩土工程热物理场分析和建筑热工计算的基本参 数。在工程建设中，特别是在地下工程人工冻结法施工或寒冷地区建筑和道 路工程设计中，只有掌握了岩土材料热物理参数，才能准确预测地基、路基 及地下工程的温度场，保证冻融稳定性分析和隔热层设计的安全性。

然而，冻土中复杂的热传导系数的变化规律，是冻土热质迁移理论中至 今没有好好解决的问题，因此对冻结温度场的导热系数进行较深入的研究， 得到其准确值，就能更准确的了解温度场的扩展情况。知道了温度场的发展 状况，就了解了冻结壁的发展趋势，从而就能预测冻结壁的厚度、冻结壁的 平均温度和冻结壁的强度等重要参数。

至今为止，国内外已有大量的专家学者对岩土体的导热系数进行了深入 的研究和探讨，并取得了不少的成果。但是，得到土体准确的导热系数过程 很繁琐，国内相关规范以表格的形式仅列举了草炭粉质粘土、粉土-粉质粘 土、碎石粉质粘土和砂砾等4种典型土在不同干密度和含水率条件下的导热 系数，但并未涉及饱和度和温度对导热系数的影响。典型的导热系数可以采 用对规范数据进行内插法或外延法确定，而其他类土导热系数取值则没有可 靠依据。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种砂土、粉土和粉质粘 土的导热系数确定方法，以利于简便、快捷地计算土体导热系数。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段是提供一种砂土、粉土和粉 质粘土的导热系数确定方法，该方法包括以下步骤：

1)根据土体的冻结温度试验得出，土中水开始发生相变的温度区间为 0℃～-1℃，水完全结冰的温度区间为-5℃～-6℃，在冻结阶段分为三个阶段： 起始温度～0℃的未冻结状态、0℃～-5℃的冻结状态和-5℃～-15℃的完全冻结 状态。

2)根据砂土、粉土和粉质粘土在不同干密度在不同干密度、饱和度和 温度下的导热系数，分别建立在未冻结状态、冻结状态和完全冻结状态下导 热系数与干密度、饱和度和温度三个参数的数据模型；由最小二乘法分析数 据得出回归方程，从而得出导热系数关于干密度、饱和度和温度的经验公式。

砂土

粉土

粉质粘土

式中λ为导热系数，单位w/(℃.m)；d_s为干密度，单位g/cm³；S_r为饱和 度，S_r带百分号；T为冻结温度，单位℃。

本发明的效果是可以快速的确定砂土、粉土及粉质粘土在任意干密度、 饱和度和冻结温度下的导热系数，为温度场的计算提供准确的导热系数数 值。克服了在运用固定的导热系数值模拟温度场计算的不足，使得温度场模 拟计算更贴近实际。了解了冻结壁的发展趋势，从而就能预测冻结壁的厚度、 冻结壁的平均温度和冻结壁的强度等重要参数。

具体实施方式

结合实例和附表对本发明的砂土、粉土和粉质粘土的导热系数确定方法 加以说明。以下试验步骤进一步阐明了本发明的试验技术方案，但不作为对 本发明保护范围的限制。

本发明的砂土、粉土和粉质粘土的导热系数确定方法原理是：将砂土、 粉土和粉质粘土按既定的干密度配成不同饱和度的重塑土样，用探针法测试 土样在常温和冷冻状态下的导热系数，分别建立在未冻结状态、冻结状态和 完全冻结状态下导热系数与干密度、饱和度和温度三个参数的数据模型；由 最小二乘法分析数据得出回归方程，从而得出导热系数关于干密度、饱和度 和温度的经验公式。

本发明的砂土、粉土和粉质粘土的导热系数确定方法，该方法包括以下 步骤：

1)根据土体的冻结温度试验得出，土中水开始发生相变的温度区间为 0℃～-1℃，水完全结冰的温度区间为-5℃～-6℃，在冻结阶段分为三个阶段： 起始温度～0℃的未冻结状态、0℃～-5℃的冻结状态和-5℃～-15℃的完全冻结 状态；

2)根据砂土、粉土和粉质粘土在不同干密度、饱和度和温度下的导热 系数，然后分别建立在未冻结状态、冻结状态和完全冻结状态下，导热系数 与干密度、饱和度和温度三个参数的数据模型，由最小二乘法分析数据得出 回归方程，从而得出了导热系数关于干密度、饱和度和温度的公式：

砂土

粉土

粉质粘土

式中：λ为导热系数，单位w/(℃.m)；d_s为干密度，单位g/cm³；S_r为饱 和度，S_r带百分号；T为冻结温度，单位℃。

按上述方案，土样的制备如下：

用比重瓶法测得砂土、粉土和粉质粘土的相对密度，然后用压样法制备 重塑土样，每种土有五个干密度。

将制备好的土样进行饱和处理，饱和后称重，计算饱和后含水量。

根据饱和后的含水量计算出每种干密度下不同饱和度所需含水量，用烘 干土配制所需的不同饱和度的土试样，将试样用保鲜膜包起来备用。

本发明的砂土、粉土和粉质粘土的导热系数确定方法具体步骤如下：

(1)用比重瓶法先测试出三种土的相对密度，分别是砂土d_s＝2.65,粉土 d_s＝2.70，粉质粘土d_s＝2.72。

(2)采用压样法进行扰动土样的制备，制成直径61.8mm，高度120mm 的圆柱土样，每种土5个试样。砂土5个试样干密度分别为1.35、1.4、1.45、 1.5、1.55，粉土干密度为1.5、1.55、1.6、1.65、1.7和粉质粘土干密度为1.5、 1.55、1.6、1.65、1.7。

(3)采用真空饱和法对试样进行饱和处理，饱和后称重，计算饱和后含 水量，根据饱和后的含水量计算出每种干密度下不同饱和度所需含水量，用 烘干土配制所需的不同饱和度的土试样。配制好的土用保鲜膜包起来放置在 室内阴凉处，防止水分流失。由于饱和度20％和0％的土样不容易成型制备， 所以用饱和度40％的土样烘干失水至饱和度为20％和0％。注意烘干成饱和 度20％和0％的土样后应该用保鲜膜包起来，静置24小时，使其内部水分趋 于均匀。

(4)将土样放到冻融箱中，控制温度为15℃、10℃、5℃、0℃、-5℃、 -10℃、-15℃和-20℃。每个温度梯度冻10小时，在冻融箱内测量土样的导 热系数。

(5)将测得的导热系数汇总，并整理成图表，观察其变化规律。

(6)进行土体的冻结温度试验，可以得出，土体开始发生相变的温度区 间为0℃～-1℃，水完全结冰的温度区间为-5℃～-6℃.所以冻结阶段大致分为 三个阶段，未冻结状态的起始温度～0℃、冻结状态为0℃～-5℃和完全冻结状 态-5℃～-15℃。

(7)对影响导热系数的三个因素即干密度、饱和度和冷冻温度进行显著 性分析。显著性分析结果显示，未冻结状态下的导热系数主要与饱和度和干 密度有关，温度的影响可以忽略不计。冻结阶段和完全冻结阶段饱和度、干 密度和温度都对其有显著影响。

(8)依据显著性分析结果，用最小二乘法分析数据推导出三种土体在冻 结的各个阶段导热系数的经验公式。

砂土

粉土

粉质粘土

式中λ为导热系数，单位w/(℃.m)；d_s为干密度，单位g/cm³；S_r为饱和 度，S_r带百分号；T为冻结温度，单位℃。

砂土、粉土、粉质粘土根据经验公式得出的计算结果与实测结果对比见 表1。

表1理论导热系数与实测导热系数的对比

计算导热系数与实测导热系数进行对比，有95％的数据其误差在7％以 下，剩余5％的数据误差在7％～10％。表明计算数据接近实测数据，经验公 式应用于工程实践中可以更有效、更快速地确定出土体的导热系数，具有一 定的实践意义。