王 濤

（中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，濟(jì)南 250013）

0 引言

本文以泰安市某項(xiàng)目為依托，在充分收集研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)補(bǔ)充調(diào)查、勘探、試驗(yàn)等工作，對(duì)影響巖土體熱物性相關(guān)因素進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析，得出了研究結(jié)果。巖土材料的熱導(dǎo)率的影響因素很多，包括巖土種類、成因時(shí)代、含水率以及水文地質(zhì)條件等因素有關(guān)。對(duì)于特定的巖土體其熱導(dǎo)率主要是由干密度、含水率和巖土的孔隙性能等決定。

在此本文重點(diǎn)分析討論了不同試驗(yàn)方法、不同含水率以及不同巖性等對(duì)巖土體熱導(dǎo)率的影響，得出了其一定的規(guī)律性。

1 不同試驗(yàn)方法對(duì)巖土體熱物性影響

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院研制的GP-3型地埋管巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀。室內(nèi)試驗(yàn)采用瑞士生產(chǎn)的Hot Disk熱常數(shù)分析儀，型號(hào)：TPS2500s。用于測(cè)試巖石和土壤樣品，以及其他固體、粉末、液體等多種類型樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

巖土體室內(nèi)熱物性試驗(yàn)與原位熱響應(yīng)測(cè)試是兩種不同的試驗(yàn)方法，最終得出了鉆孔深度范圍內(nèi)巖土體熱物性相關(guān)參數(shù)，但其數(shù)值有一定的差別（見(jiàn)表1及圖1）。

表1 各孔不同計(jì)算方法熱物性對(duì)比表

上述表圖顯示，采用Hot Disk熱常數(shù)分析儀測(cè)試的巖土體的熱導(dǎo)率要小于采用GP-3型地埋管巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀測(cè)得的數(shù)據(jù)。分析其原因歸納為以下幾點(diǎn)：

1）巖土體熱物性與巖土體基本物理性質(zhì)（結(jié)構(gòu)狀態(tài)、原始溫度、含水量、孔隙率等）密切相關(guān)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)由于樣品的采取、封裝、運(yùn)送、制樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有不同程度的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，巖土體基本物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及含水量的變化等都將影響其熱導(dǎo)率。

圖1 導(dǎo)熱率差異

2）巖土層的水文地質(zhì)條件對(duì)熱物性測(cè)試結(jié)果也有一定的影響。地下水滲流能減少土壤總傳熱熱阻，有利于提高地埋管的換熱效率。地下水滲流速度越大，土壤總傳熱熱阻越小。

3）由于原位熱響應(yīng)試驗(yàn)是模擬地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷工況下的運(yùn)行狀態(tài)，地下埋管換熱器向巖土層中釋放熱量，巖土體溫度升高使埋管周圍的土壤含水率有所降低，導(dǎo)致土壤導(dǎo)熱系數(shù)減小。同時(shí)通過(guò)對(duì)DR2鉆孔采用不同功率（3 kW和6 kW）的加熱試驗(yàn)對(duì)比分析可知，較大功率的加熱使巖土體溫度升高速度和幅度都較大，導(dǎo)致其熱導(dǎo)率要比較小功率偏小。

2 巖土體不同含水率熱物性關(guān)系

水作為巖土體熱傳導(dǎo)的介質(zhì)，對(duì)巖土體的熱物性有重要影響，本次調(diào)查共采取了48件巖土樣，基本覆蓋了研究區(qū)的所有巖土體。

圖2 粉質(zhì)黏土熱導(dǎo)率與含水率之間的關(guān)系

圖3 砂質(zhì)粉土熱導(dǎo)率與含水率之間的關(guān)系

由圖2～5可知，各類土體在含水率較低的情況下，土體熱導(dǎo)率都隨含水率的增加而增加。這是因?yàn)橥令w粒之間為點(diǎn)接觸，干重度下，土體導(dǎo)熱是通過(guò)顆粒之間的點(diǎn)接觸和孔隙之間的空氣進(jìn)行的，所以熱導(dǎo)率最低。隨著含水率的增加，一方面土顆粒之間形成水化膜，顆粒之間的接觸面積增大，另一方面孔隙之間的空氣被排出，被導(dǎo)熱效果更好的水所取代，以上兩種原因?qū)е铝藷釋?dǎo)率隨含水率的增大而增大。

圖4 淤泥質(zhì)土熱導(dǎo)率與含水率之間的關(guān)系

圖5 細(xì)砂熱導(dǎo)率與含水率之間的關(guān)系

但也由上圖可以看出，巖性不同，熱導(dǎo)率隨含水率的增大的幅度也不盡相同，但最終都會(huì)趨于平緩。其中特別指出的是，圖2所表示的粉質(zhì)黏土的熱導(dǎo)率與含水率之間的關(guān)系。在含水率達(dá)到20%左右時(shí)，粉質(zhì)黏土熱導(dǎo)率達(dá)到最大值，而含水率繼續(xù)增加，熱導(dǎo)率反而有所降低。

3 不同巖土層熱物性對(duì)比分析

研究區(qū)域內(nèi)主要的巖土層為：淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)砂、圓礫、全風(fēng)化基巖、強(qiáng)風(fēng)化基巖、中風(fēng)化基巖等，由于巖性成分不同，其基本物理性質(zhì)也不同，表現(xiàn)在巖土熱物性上也各不相同（表2、圖6）。

表2 不同巖性熱物性對(duì)比表

圖6 不同巖性熱物性對(duì)比圖

由圖6可以看出，在第四系松散沉積土層中，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)變化趨勢(shì)一致，與比熱容的變化趨勢(shì)相反。在所研究的各類土中，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)最大的是圓礫，其次依次為細(xì)砂、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土。而對(duì)于風(fēng)化的基巖，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的大小與風(fēng)化程度相反，全風(fēng)化基巖的熱導(dǎo)率最小，導(dǎo)熱效果最差。

從不同巖性對(duì)比表（表2）可見(jiàn)，第四系松散沉積土層的熱導(dǎo)率大小關(guān)系依次為：淤泥質(zhì)土〈粉質(zhì)黏土〈粉土〈粉砂〈細(xì)砂〈圓礫；風(fēng)化基巖的熱導(dǎo)率大小關(guān)系依次為：全風(fēng)化〈強(qiáng)風(fēng)化〈中風(fēng)化，熱擴(kuò)散系數(shù)除中風(fēng)化基巖大于0.1 m2/d外，其他各巖土層熱擴(kuò)散系數(shù)均小于0.1 m2/d。

巖土體比熱容及熱擴(kuò)散系數(shù)隨巖性的不同，變化趨勢(shì)相反。以上變化情況表明，粗顆粒巖土體釋熱效果較好，而儲(chǔ)熱效果較差；相反細(xì)顆粒巖土體儲(chǔ)熱效果較好，而釋熱效果較差。

4 不同時(shí)代巖性熱物性參數(shù)的對(duì)比

為了研究成因時(shí)代對(duì)巖土體熱物性的影響，對(duì)不同成因時(shí)代的粉砂、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)土、圓礫層的熱物性分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

總體上第四系土同種土層沉積時(shí)間越久，土顆粒壓縮固結(jié)時(shí)間越久，接觸越致密，熱導(dǎo)率的值越大。而熱擴(kuò)散系數(shù)總體上無(wú)明顯變化。比熱容除砂質(zhì)粉土外均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，粉質(zhì)黏土近期沉積又有增大趨勢(shì)。同一巖性的巖土體，天然密度越大，土體熱導(dǎo)率越大，熱擴(kuò)散系數(shù)及比熱容相反；孔隙率對(duì)土體熱物性的影響則與天然密度呈現(xiàn)完全相反的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)域的綜合調(diào)查、測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)的分析，我們得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）原位試驗(yàn)條件下測(cè)得的巖土體導(dǎo)熱性能要優(yōu)于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)工程而言，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可滿足測(cè)試要求，而且更接近實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

2）各類巖土體在含水率較低的情況下，土體熱導(dǎo)率都隨含水率的增加而增加，并最終趨于穩(wěn)定值。粉質(zhì)黏土熱導(dǎo)率達(dá)到最大值時(shí)的含水率為20%左右，含水率繼續(xù)增加，熱導(dǎo)率反而有所降低。

3）第四系松散沉積土層的熱導(dǎo)率大小關(guān)系依次為：淤泥質(zhì)土〈粉質(zhì)黏土〈粉土〈粉砂〈細(xì)砂〈圓礫；風(fēng)化基巖的熱導(dǎo)率大小關(guān)系依次為：全風(fēng)化〈強(qiáng)風(fēng)化〈中風(fēng)化，熱擴(kuò)散系數(shù)除中風(fēng)化基巖大于0.1 m2/d外，其他各巖土層熱擴(kuò)散系數(shù)均小于0.1 m2/d。

4）總體上第四系土同種土層沉積時(shí)間越久，熱導(dǎo)率的值越大，熱擴(kuò)散系數(shù)無(wú)顯著變化。

[1]王書(shū)中，由世俊，張光平.熱響應(yīng)測(cè)試在土壤熱交換器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，Vol128，No14，Apr1，2007.

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