李慧芝　趙亞品

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

1　熱物理參數(shù)的意義

熱物理指標(biāo)是反映巖土體導(dǎo)熱、導(dǎo)溫、儲(chǔ)熱等能力的指標(biāo)，一般包括導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和比熱容等。導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1 ℃，在1 s內(nèi)，通過1 m2面積傳遞的熱量;導(dǎo)溫系數(shù)表示土體在加熱或冷卻時(shí)，各部分溫度趨于一致的能力，也稱為熱擴(kuò)散系數(shù)，是研究溫度場變化的重要指標(biāo);比熱容指單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高單位溫度所需的熱量。

隧道周圍的土壤是一個(gè)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(jù)資料統(tǒng)計(jì)，傳進(jìn)地鐵隧道周圍土壤的熱量占地鐵產(chǎn)熱量的25%～40%。而天然土層的密度、濕度和化學(xué)成分千變?nèi)f化，不同的天然土材料有著不同的熱物理指標(biāo)，其傳熱性能也千變?nèi)f化，土壤熱物理指標(biāo)的測試準(zhǔn)確度對(duì)降低地鐵造價(jià)(龐大的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置)，節(jié)省能源(大量的電能消耗)和環(huán)境控制等方面有著不可忽視的作用。

2　室內(nèi)確定巖土熱物理指標(biāo)的試驗(yàn)方法

巖土屬于多孔介質(zhì)，其物理性質(zhì)受溫度、密度、含水量及化學(xué)成分等因素的影響。熱物理性質(zhì)的確定方法，可在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場直接測定。

2.1　導(dǎo)熱系數(shù)

指標(biāo)測定：試驗(yàn)方法可分為穩(wěn)態(tài)法及瞬態(tài)法；根據(jù)熱源的幾何形狀可分為熱線法、熱條法及面熱源法；根據(jù)熱源的幾何形狀可分為熱線法、熱條法及面熱源法。本實(shí)驗(yàn)室采用面熱源法，即給試樣施加一定的溫度梯度，并使其達(dá)到穩(wěn)定熱狀態(tài)，進(jìn)而確定介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2　比熱容

根據(jù)牛頓冷卻定律，用冷卻混合法測定物質(zhì)的比熱容是熱學(xué)中常用的方法。以水為標(biāo)準(zhǔn)樣品來測定巖土的比熱容：將一定質(zhì)量，加熱到恒溫的巖土樣放入盛有一定質(zhì)量水的保溫瓶中，根據(jù)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(zhǔn)確測量出試樣和水的熱傳遞過程及達(dá)到溫度平衡的狀態(tài)，計(jì)算出巖土的比熱容。

2.3　導(dǎo)溫系數(shù)

導(dǎo)溫系數(shù)的試驗(yàn)方法有諧波法、薄板法、空心板法和正規(guī)狀態(tài)法等。前三種方法都用于現(xiàn)場直接測試。正規(guī)狀態(tài)法屬于室內(nèi)試驗(yàn)，其主要原理是根據(jù)不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)過程中的正規(guī)狀態(tài)原理，把恒溫試樣投入到恒溫介質(zhì)中，當(dāng)試樣和介質(zhì)間存在溫差時(shí)，試樣中各點(diǎn)的溫度隨著時(shí)間的變化將經(jīng)歷三個(gè)階段：初始階段受外界情況的影響，試樣中各點(diǎn)的溫度變化速度不同；經(jīng)過一段時(shí)間后進(jìn)入正規(guī)狀態(tài)，試樣中各點(diǎn)的溫度變化速度相同；最后經(jīng)過相當(dāng)長得時(shí)間，試樣和介質(zhì)溫度逐步達(dá)到平衡。相對(duì)于比熱容而言，導(dǎo)溫系數(shù)的試驗(yàn)方法及儀器較為復(fù)雜，環(huán)境溫度不宜控制，所以在試驗(yàn)測得比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的前提下，也可測試比熱容，用比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)來計(jì)算導(dǎo)溫系數(shù)。

導(dǎo)溫系數(shù)計(jì)算公式

式中α——試樣的導(dǎo)溫系數(shù)(m2/h)，準(zhǔn)確至0.000 01 m2/h；

λ——試樣的導(dǎo)熱系數(shù)(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(zhǔn)確至0.01 kg/m3。

3　室內(nèi)確定巖土熱物理指標(biāo)的影響因素及試驗(yàn)注意事項(xiàng)

到目前為止，國內(nèi)還沒有關(guān)于巖土熱物理指標(biāo)試驗(yàn)的規(guī)范性試驗(yàn)方法。我試驗(yàn)室目前采用面熱源法獲取導(dǎo)熱系數(shù)，用混合法獲取比熱容，利用試驗(yàn)所得的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)溫系數(shù)。多年來，經(jīng)過試驗(yàn)獲取了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，從以下幾個(gè)方面說明室內(nèi)確定巖土熱物理指標(biāo)的影響因素和試驗(yàn)注意事項(xiàng)。

3.1　取樣

土的熱物理指標(biāo)是整體反映土體導(dǎo)熱、導(dǎo)溫、儲(chǔ)熱等的能力，對(duì)于原狀土的熱物理試驗(yàn)，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(yùn)輸過程中要保持原狀，不能出現(xiàn)失水、擾動(dòng)等情況，否則試驗(yàn)所得的結(jié)果就失去了意義。

3.2　試驗(yàn)狀態(tài)

在導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)中，試樣放在冷熱面正中間，旋轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shí)間達(dá)到溫度的平衡以及造成熱量散失，在此過程中會(huì)造成土樣內(nèi)部水分的跟隨熱流流動(dòng)，使得最終測得的導(dǎo)熱系數(shù)偏小。如果接觸非常不好的話，最終結(jié)果會(huì)超出誤差允許，偏離了土樣本身的熱物理性能指標(biāo)。

3.3　樣品尺寸

勘察現(xiàn)場鉆探取樣用的標(biāo)準(zhǔn)樣品筒規(guī)格一般為(118×200) mm，而熱流計(jì)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(duì)于面積相同的試件，其高度不同，測得的導(dǎo)熱系數(shù)也不盡相同，當(dāng)其高度較小時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著高度的增加而增加；當(dāng)其高度較大時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著高度的增加而減少，這說明為了充分的體現(xiàn)材料的導(dǎo)熱性能，存在著一個(gè)試件的最小厚度?？紤]到散熱以及狀態(tài)穩(wěn)定的因素，試件不能過厚，即存在著一個(gè)材料的最大厚度的問題。經(jīng)大量試驗(yàn)證明，試件高度大于40 mm以后，土樣的導(dǎo)熱系數(shù)增加值僅為1.2%左右。所以，在該種熱流計(jì)面積的情況下，認(rèn)定當(dāng)直徑為90 mm時(shí)，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(jì)面積發(fā)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(yàn)溫度設(shè)置

多次重復(fù)試驗(yàn)證明，加熱板溫度在38～71 ℃區(qū)間時(shí)，同一種試件(石英或土樣)其導(dǎo)熱系數(shù)值呈現(xiàn)隨加熱溫度遞增而遞增現(xiàn)象，遞增率為0.7%～6.0%。加熱溫度在50 ℃之前，每個(gè)加熱溫度區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)遞增率較大，而在50 ℃及以后的加熱溫度區(qū)間，導(dǎo)熱系數(shù)遞增率較小。不同含水率、濕密度及飽和度的狀態(tài)下，隨著熱面溫度的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)的差值有遞減的趨勢(shì)。

3.5　比熱容

大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，比熱容試驗(yàn)主要的影響因素是土樣、水樣質(zhì)量的選定和土樣加熱到穩(wěn)定的溫度選擇，通過傳熱穩(wěn)定時(shí)間的比選和試樣容器大小的綜合考慮，選定土樣質(zhì)量在50 g左右，常溫水樣質(zhì)量在150～200 g范圍之內(nèi)?？筛鶕?jù)季節(jié)，土樣加熱到的恒溫溫度，比測試時(shí)的環(huán)境溫度高出25 ℃左右即可。

4　結(jié)論

對(duì)室內(nèi)確定巖土熱物理指標(biāo)的影響因素進(jìn)行了分析。為了更好反應(yīng)土體導(dǎo)熱、導(dǎo)溫、儲(chǔ)熱等能力，獲取導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)幾項(xiàng)指標(biāo)，在取樣和試驗(yàn)過程中應(yīng)該注意以下幾項(xiàng)：

(1)選擇的土體必須具有代表性，必須保持天然結(jié)構(gòu)及含水率。

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

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

(4)比熱容試驗(yàn)中，可根據(jù)季節(jié)，設(shè)置的恒溫溫度比環(huán)境溫度高出25 ℃左右為宜。

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[4]GB/T 10295—2008絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定：熱流計(jì)法[S]