岩土体热物性影响因素分析研究

2014-12-05王涛

建筑设计管理 2014年11期

王涛

（中化地质矿山总局山东地质勘查院，济南 250013）

0 引言

本文以泰安市某项目为依托，在充分收集研究区区域地质、水文地质、工程地质等资料的基础上，通过补充调查、勘探、试验等工作，对影响岩土体热物性相关因素进行了大量的试验，通过对比分析，得出了研究结果。岩土材料的热导率的影响因素很多，包括岩土种类、成因时代、含水率以及水文地质条件等因素有关。对于特定的岩土体其热导率主要是由干密度、含水率和岩土的孔隙性能等决定。

在此本文重点分析讨论了不同试验方法、不同含水率以及不同岩性等对岩土体热导率的影响，得出了其一定的规律性。

1 不同试验方法对岩土体热物性影响

现场热响应试验采用中国地质大学（武汉）工程学院研制的GP-3型地埋管岩土热响应测试仪。室内试验采用瑞士生产的Hot Disk热常数分析仪，型号：TPS2500s。用于测试岩石和土壤样品，以及其他固体、粉末、液体等多种类型样品的导热系数。

岩土体室内热物性试验与原位热响应测试是两种不同的试验方法，最终得出了钻孔深度范围内岩土体热物性相关参数，但其数值有一定的差别（见表1及图1）。

表1 各孔不同计算方法热物性对比表

上述表图显示，采用Hot Disk热常数分析仪测试的岩土体的热导率要小于采用GP-3型地埋管岩土热响应测试仪测得的数据。分析其原因归纳为以下几点：

1）岩土体热物性与岩土体基本物理性质（结构状态、原始温度、含水量、孔隙率等）密切相关，室内实验时由于样品的采取、封装、运送、制样实验过程中有不同程度的结构扰动，岩土体基本物理性质、结构以及含水量的变化等都将影响其热导率。

图1 导热率差异

2）岩土层的水文地质条件对热物性测试结果也有一定的影响。地下水渗流能减少土壤总传热热阻，有利于提高地埋管的换热效率。地下水渗流速度越大，土壤总传热热阻越小。

3）由于原位热响应试验是模拟地源热泵系统夏季制冷工况下的运行状态，地下埋管换热器向岩土层中释放热量，岩土体温度升高使埋管周围的土壤含水率有所降低，导致土壤导热系数减小。同时通过对DR2钻孔采用不同功率（3 kW和6 kW）的加热试验对比分析可知，较大功率的加热使岩土体温度升高速度和幅度都较大，导致其热导率要比较小功率偏小。

2 岩土体不同含水率热物性关系

水作为岩土体热传导的介质，对岩土体的热物性有重要影响，本次调查共采取了48件岩土样，基本覆盖了研究区的所有岩土体。

图2 粉质黏土热导率与含水率之间的关系

图3 砂质粉土热导率与含水率之间的关系

由图2～5可知，各类土体在含水率较低的情况下，土体热导率都随含水率的增加而增加。这是因为土颗粒之间为点接触，干重度下，土体导热是通过颗粒之间的点接触和孔隙之间的空气进行的，所以热导率最低。随着含水率的增加，一方面土颗粒之间形成水化膜，颗粒之间的接触面积增大，另一方面孔隙之间的空气被排出，被导热效果更好的水所取代，以上两种原因导致了热导率随含水率的增大而增大。

图4 淤泥质土热导率与含水率之间的关系

图5 细砂热导率与含水率之间的关系

但也由上图可以看出，岩性不同，热导率随含水率的增大的幅度也不尽相同，但最终都会趋于平缓。其中特别指出的是，图2所表示的粉质黏土的热导率与含水率之间的关系。在含水率达到20%左右时，粉质黏土热导率达到最大值，而含水率继续增加，热导率反而有所降低。

3 不同岩土层热物性对比分析

研究区域内主要的岩土层为：淤泥质土、粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土、粉砂、细砂、圆砾、全风化基岩、强风化基岩、中风化基岩等，由于岩性成分不同，其基本物理性质也不同，表现在岩土热物性上也各不相同（表2、图6）。

表2 不同岩性热物性对比表

图6 不同岩性热物性对比图

由图6可以看出，在第四系松散沉积土层中，热导率和热扩散系数变化趋势一致，与比热容的变化趋势相反。在所研究的各类土中，热导率和热扩散系数最大的是圆砾，其次依次为细砂、粉砂、粉土、粉质黏土、淤泥质土。而对于风化的基岩，热导率和热扩散系数的大小与风化程度相反，全风化基岩的热导率最小，导热效果最差。

从不同岩性对比表（表2）可见，第四系松散沉积土层的热导率大小关系依次为：淤泥质土〈粉质黏土〈粉土〈粉砂〈细砂〈圆砾；风化基岩的热导率大小关系依次为：全风化〈强风化〈中风化，热扩散系数除中风化基岩大于0.1 m2/d外，其他各岩土层热扩散系数均小于0.1 m2/d。

岩土体比热容及热扩散系数随岩性的不同，变化趋势相反。以上变化情况表明，粗颗粒岩土体释热效果较好，而储热效果较差；相反细颗粒岩土体储热效果较好，而释热效果较差。

4 不同时代岩性热物性参数的对比

为了研究成因时代对岩土体热物性的影响，对不同成因时代的粉砂、粉质黏土、砂质粉土、淤泥质土、圆砾层的热物性分别进行了统计分析。

总体上第四系土同种土层沉积时间越久，土颗粒压缩固结时间越久，接触越致密，热导率的值越大。而热扩散系数总体上无明显变化。比热容除砂质粉土外均呈现下降的趋势，粉质黏土近期沉积又有增大趋势。同一岩性的岩土体，天然密度越大，土体热导率越大，热扩散系数及比热容相反；孔隙率对土体热物性的影响则与天然密度呈现完全相反的变化。