岩土热物理试验与上海地基土热物性参数探讨

2018-03-05王庆磊印文东邢春艳田丽霞

山西建筑 2018年4期

王庆磊印文东邢春艳田丽霞

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引言

岩土热物性试验在地下建(构)筑物通风等计算、地源热泵系统设计、冻结法设计等工程中广泛应用。近年来，随着城市对地铁建设的不断发展，对地基土岩土热物性及工程特性的研究也越来越重要。试验室测定热物理指标主要为导热系数(λ)、比热容(C)及导温系数(α)，这些热物理指标主要反映岩土体导热、储热及导温等能力[1]。其中导热系数是分析换热能力的关键参数，比热容为单位质量的某种物质升高单位温度所吸收的热量，导温系数又称热扩散系数，指土体在冷却或加热时，各部分温度趋于相同的能力。

结合前人在上海地区研究成果，讨论上海地区地基土热物性参数，为后续相关热物性测试试验提供参考。

1 上海地区岩土层分布情况

按照上海市工程建设规范，岩土工程勘察规范(2012)，将上海地区按照地貌形态、时代成因、沉积环境和组成物质等方面的差异，境内可分为五大地貌类型，分别为：湖沼平原，滨海平原，河口、砂嘴、砂岛，潮坪地带，剥蚀残丘等。其中主要以滨海平原地貌为主，结合野外勘探及室内土工试验成果，按成因类型、分布特征、岩性及工程特性可划分为12个工程地质大层，自上而下分布见表1。

2 热物理性质试验测试方法

岩土的物理性质常受密度、温度、含水率及化学成分等因素的影响，试验室测定热物性的方法有很多，对于潮湿土质材料常用比较法及面热源法，岩石的导热系数采用热线比较法，通过热平衡法测试岩土比热容[2]。

2.1 导热系数

导热系数常采用热条法、热线法和面热源法测量。第四系地层中的岩土含水率和孔隙率是影响热物理主要的因素，岩土导热系数与含水率、孔隙率和土的密度呈正相关分布，含水率比孔隙比对导热系数的影响更大。常见的材料和母岩的导热系数见表2[2]。

表1 上海地区滨海平原地貌地基土分布情况简述

表2 常见物质的导热系数λ W/(m·℃)

2.2 比热容

试验室常采用冷却混合法测定物质的比热容。具体方法为：将一定质量岩土样加热到恒温放入盛有一定体积水的保温瓶中，对岩土样进行热量释放和水的热量吸收，通过热电偶的温度测量平衡的状态，从而计算岩土比热容[3]。常见岩石材料和矿物比热容见表3[4]。

表3 常见物质比热容C kJ/(kg·℃)

2.3 导温系数

导温系数又称为热扩散率，为导热系数与比热容的比值。

计算公式为：α=λ/(ρ·C)。

其中：α为样品的导温系数,m2/h；λ为样品的导热系数,W/(m·K)；C为样品平均比热容,kJ/(kg·K)；ρ为样品天然密度，kg/m3。

3 影响热物理性因素

近几年来，通过大量的试验分析测试工作及经验，从取样、样品尺寸、试验温度设置及比热容等四个方面进行讨论岩土热物理指标的影响因素和试验注意事项。在岩土取样过程中，其含水量及结构都会受到相应的影响，进而影响导热系数。影响热物性参数的因素不同对影响程度也存在差别，例如比热容对导热系数影响相对较小，但当密度与含水率逐渐增大时，导热系数也随之增大；密度与孔隙率密切相关，影响程度却与之相反；地下水的渗流作用对导热系数的影响也更为明显。

3.1 取样

对于选取的原状土试样要求采用大孔径薄壁取土器选取，并确保样品具有一定的代表性及完整性，同时在试样运输过程中未发生失水扰动等情况。

3.2 样品尺寸

试样样品的尺寸，例如有效面积、高度及厚度等影响着导热系数。通常两个具有相同的面积的试件，由于其高度不同测得的导热系数也不同，当高度较大时，导温系数随着高度增加而减少，高度较小时则相反。

3.3 试验温度设置

多次重复试验证明，含水率、饱和度及密度处于不同的状态下，导热系数常随着热面温度的增加有递减的趋势。

3.4 比热容

土样、水样质量的选定及加热到稳定的温度选择通常为影响比热容试验主要的因素。

4 上海地区地基土热物理参数指标

结合前人研究成果[5]：对上海某工程实例研究，共进行1个孔15个原状岩土样室内热物性测试分析。其野外钻探结果显示：研究地区自然地面以下100 m深度范围内所揭示的地基土主要为黏性土、粉土及砂土。根据上海地区相关岩土勘察规范，研究区自然地面以下100 m深度范围内地基土从上至下分别为：淤泥质黏土(0 m～15 m)、粉质黏土(15 m～30 m)、黏土(30 m～60 m)及砂土(60 m～100 m)四种类型。根据工程热物性试验以及物理力学性质实验等，将上海地区各地层土样参数进行平均模拟求值，具体结果见表4[4]。可作为在上海地区地基土热物性参数试验参考值。