颗粒级配和形状及颗粒热特性对土体导热系数影响的试验研究

摘要

土体导热系数作为一项重要的物理参数，对许多岩土结构的设计具有重要的影响，如能量桩、寒冷地区的路基和垃圾填埋场的颗粒保温层等。桩基沉桩过程中往往伴随着较大冲击荷载，使桩体周围的砂土发生破碎，改变其级配和形状，从而影响能量桩的热量交换过程。橡胶颗粒—砂土混合料由于具有良好的绝热性质可以作为路基的颗粒保温层，应用于路基、输油管道和垃圾填埋场等结构，但是橡胶颗粒对混合土体导热系数的影响机理还没有完全研究清楚。针对上述目的，本文的主要研究内容和结论如下：　　① 研究了级配的不均匀系数（分形维数）和孔隙比两个因素对钙质砂导热系数的影响规律。当级配的不均匀系数不超过10时，钙质砂导热系数随着不均匀系数的增大而快速增加；当不均匀系数超过10时，导热系数增长速度缓慢，基本保持不变；当不均匀系数达到 19.8 时，导热系数的增长率将达到最大值 13.9%，这表明研究级配对导热系数的影响具有重要意义。最终引入不均匀系数（分形维数）和孔隙比两个参数建立了钙质砂导热系数的经验模型，并且发现用分形维数描述经验模型与实测数值更加贴合。　　② 通过将玻璃珠与玻璃渣颗粒按照不同的混合比例（玻璃渣颗粒质量占混合物总质量的比，大小分别为0、25%、50%、75%、100%）进行混合得到颗粒形状不同的混合物。采用长宽比、球度、凸度三个形状参数定量描述同一颗粒的 3 个不同维度的形状，最终采用上述参数的加权平均值作为土体的整体形状参数。探究了不同颗粒形状和相对密实度（大小为30%、50%、60%、70%、80%）对玻璃珠和玻璃渣混合土体导热系数的影响，发现颗粒形状只能够直接影响孔隙比，从而间接影响土体的导热系数，并且还发现导热系数与孔隙比之间呈现直线关系。　　③ 将福建标准砂颗粒与不同大小的橡胶颗粒按照不同的体积比例（橡胶颗粒体积占混合物总体积的比，大小分别为10%、20%、30%、45%）进行混合。研究了橡胶颗粒大小和含量对混合土体的基质模式和导热系数的影响。当橡胶含量相同时，随着橡胶颗粒的增大，基质模式从橡胶颗粒基质模式向砂颗粒基质模式转变，导热系数相应快速增大；当橡胶颗粒大小相同时，随着橡胶含量的增大，基质模式从砂颗粒基质模式向橡胶颗粒基质模式转变，导热系数相应快速减小。最终引入相对大小比、体积混合比两个参数建立了混合土体的导热系数经验模型。

目录

主要符号

1 绪论

1.1研究背景及研究意义

1.2土体导热系数的研究现状

1.2.1土体传热机制

1.2.2土体导热系数的测试方法及原理

1.2.3土体导热系数影响因素研究现状

1.2.4土体导热系数模型研究现状

1.3本文主要研究内容

1.4技术路线

2 考虑级配变化对土体导热系数的影响

2.1.1试验材料

2.1.2试验配方

2.2试验仪器与试验过程

2.2.1KD2 Pro热特性分析仪介绍

2.2.2试验过程

2.3.1试验数据

2.3.2试验结果分析

2.3.3级配与孔隙比对导热系数影响的机理分析

2.4与级配相关的钙质砂导热系数经验模型的建立

2.5本章小结

3 考虑颗粒形状对土体导热系数的影响

3.1.1试验材料

3.1.2试验配方

3.2.1试验仪器

3.2.2试验过程

3.3颗粒形状参数的度量

3.3.1图片处理过程及基本几何参数的读取

3.3.2颗粒形状参数与整体颗粒形状参数的定义

3.3.3玻璃珠和玻璃渣的颗粒形状参数的累计曲线图

3.4.1试验数据

3.4.2试验结果分析

3.5本章小结

4 考虑颗粒热特性变化对土体导热系数的影响

4.1.1试验材料

4.1.2试验配方

4.2.1试验数据

4.2.2试验结果分析

4.3标准砂-橡胶颗粒混合土体的导热系数经验模型

4.4本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

A 攻读硕士学位期间的主要学术成果

B 攻读硕士学位期间的主要科研项目

C 攻读硕士学位期间参与的学术会议

D 学位论文数据集

致谢