王慶磊 印文東 邢春艷 田麗霞

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引言

巖土熱物性試驗在地下建(構(gòu))筑物通風(fēng)等計算、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計、凍結(jié)法設(shè)計等工程中廣泛應(yīng)用。近年來，隨著城市對地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，對地基土巖土熱物性及工程特性的研究也越來越重要。試驗室測定熱物理指標(biāo)主要為導(dǎo)熱系數(shù)(λ)、比熱容(C)及導(dǎo)溫系數(shù)(α)，這些熱物理指標(biāo)主要反映巖土體導(dǎo)熱、儲熱及導(dǎo)溫等能力[1]。其中導(dǎo)熱系數(shù)是分析換熱能力的關(guān)鍵參數(shù)，比熱容為單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高單位溫度所吸收的熱量，導(dǎo)溫系數(shù)又稱熱擴散系數(shù)，指土體在冷卻或加熱時，各部分溫度趨于相同的能力。

結(jié)合前人在上海地區(qū)研究成果，討論上海地區(qū)地基土熱物性參數(shù)，為后續(xù)相關(guān)熱物性測試試驗提供參考。

1 上海地區(qū)巖土層分布情況

按照上海市工程建設(shè)規(guī)范，巖土工程勘察規(guī)范(2012)，將上海地區(qū)按照地貌形態(tài)、時代成因、沉積環(huán)境和組成物質(zhì)等方面的差異，境內(nèi)可分為五大地貌類型，分別為：湖沼平原，濱海平原，河口、砂嘴、砂島，潮坪地帶，剝蝕殘丘等。其中主要以濱海平原地貌為主，結(jié)合野外勘探及室內(nèi)土工試驗成果，按成因類型、分布特征、巖性及工程特性可劃分為12個工程地質(zhì)大層，自上而下分布見表1。

2 熱物理性質(zhì)試驗測試方法

巖土的物理性質(zhì)常受密度、溫度、含水率及化學(xué)成分等因素的影響，試驗室測定熱物性的方法有很多，對于潮濕土質(zhì)材料常用比較法及面熱源法，巖石的導(dǎo)熱系數(shù)采用熱線比較法，通過熱平衡法測試巖土比熱容[2]。

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)常采用熱條法、熱線法和面熱源法測量。第四系地層中的巖土含水率和孔隙率是影響熱物理主要的因素，巖土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率、孔隙率和土的密度呈正相關(guān)分布，含水率比孔隙比對導(dǎo)熱系數(shù)的影響更大。常見的材料和母巖的導(dǎo)熱系數(shù)見表2[2]。

表1 上海地區(qū)濱海平原地貌地基土分布情況簡述

表2 常見物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)λ W/(m·℃)

2.2 比熱容

試驗室常采用冷卻混合法測定物質(zhì)的比熱容。具體方法為：將一定質(zhì)量巖土樣加熱到恒溫放入盛有一定體積水的保溫瓶中，對巖土樣進行熱量釋放和水的熱量吸收，通過熱電偶的溫度測量平衡的狀態(tài)，從而計算巖土比熱容[3]。常見巖石材料和礦物比熱容見表3[4]。

表3 常見物質(zhì)比熱容C kJ/(kg·℃)

2.3 導(dǎo)溫系數(shù)

導(dǎo)溫系數(shù)又稱為熱擴散率，為導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容的比值。

計算公式為：α=λ/(ρ·C)。

其中：α為樣品的導(dǎo)溫系數(shù),m2/h；λ為樣品的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；C為樣品平均比熱容,kJ/(kg·K)；ρ為樣品天然密度，kg/m3。

3 影響熱物理性因素

近幾年來，通過大量的試驗分析測試工作及經(jīng)驗，從取樣、樣品尺寸、試驗溫度設(shè)置及比熱容等四個方面進行討論巖土熱物理指標(biāo)的影響因素和試驗注意事項。在巖土取樣過程中，其含水量及結(jié)構(gòu)都會受到相應(yīng)的影響，進而影響導(dǎo)熱系數(shù)。影響熱物性參數(shù)的因素不同對影響程度也存在差別，例如比熱容對導(dǎo)熱系數(shù)影響相對較小，但當(dāng)密度與含水率逐漸增大時，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大；密度與孔隙率密切相關(guān)，影響程度卻與之相反；地下水的滲流作用對導(dǎo)熱系數(shù)的影響也更為明顯。

3.1 取樣

對于選取的原狀土試樣要求采用大孔徑薄壁取土器選取，并確保樣品具有一定的代表性及完整性，同時在試樣運輸過程中未發(fā)生失水?dāng)_動等情況。

3.2 樣品尺寸

試樣樣品的尺寸，例如有效面積、高度及厚度等影響著導(dǎo)熱系數(shù)。通常兩個具有相同的面積的試件，由于其高度不同測得的導(dǎo)熱系數(shù)也不同，當(dāng)高度較大時，導(dǎo)溫系數(shù)隨著高度增加而減少，高度較小時則相反。

3.3 試驗溫度設(shè)置

多次重復(fù)試驗證明，含水率、飽和度及密度處于不同的狀態(tài)下，導(dǎo)熱系數(shù)常隨著熱面溫度的增加有遞減的趨勢。

3.4 比熱容

土樣、水樣質(zhì)量的選定及加熱到穩(wěn)定的溫度選擇通常為影響比熱容試驗主要的因素。

4 上海地區(qū)地基土熱物理參數(shù)指標(biāo)

結(jié)合前人研究成果[5]：對上海某工程實例研究，共進行1個孔15個原狀巖土樣室內(nèi)熱物性測試分析。其野外鉆探結(jié)果顯示：研究地區(qū)自然地面以下100 m深度范圍內(nèi)所揭示的地基土主要為黏性土、粉土及砂土。根據(jù)上海地區(qū)相關(guān)巖土勘察規(guī)范，研究區(qū)自然地面以下100 m深度范圍內(nèi)地基土從上至下分別為：淤泥質(zhì)黏土(0 m～15 m)、粉質(zhì)黏土(15 m～30 m)、黏土(30 m～60 m)及砂土(60 m～100 m)四種類型。根據(jù)工程熱物性試驗以及物理力學(xué)性質(zhì)實驗等，將上海地區(qū)各地層土樣參數(shù)進行平均模擬求值，具體結(jié)果見表4[4]?？勺鳛樵谏虾５貐^(qū)地基土熱物性參數(shù)試驗參考值。

表4 上海地區(qū)巖土層熱物性參數(shù)

5 結(jié)語

1)上海濱海平原地貌地基土按成因類型、分布特征、巖性及工程特性可劃分為12個工程地質(zhì)大層，其中③層、④層為上海地區(qū)主要的軟弱層。

2)影響熱物理性因素主要為取樣是否具有代表性和完整性、樣品尺寸是否符合規(guī)格、試驗溫度設(shè)置值、比熱容等方面。

[1] 王景莉,邱學(xué)林.哈爾濱軌道交通勘察巖土熱物理指標(biāo)的測定[J].黑龍江科技信息,2009(20):59.

[2] 肖衡林,吳雪潔,周錦華.巖土材料導(dǎo)熱系數(shù)計算研究[J].路基工程，2007(3):54-56.

[3] 李慧芝,趙亞品.室內(nèi)巖土熱物理指標(biāo)的試驗方法及試驗要點的探討[J].鐵道勘察,2013,39(1):62-64.

[4] 彭友君,彭 博.巖土熱物理指標(biāo)的分析計算[J].地下空間與工程學(xué)報,2016,12(1):38-43.

[5] 高 平,張延軍,方靜濤,等.淺層巖土室內(nèi)、外熱物性測試的相關(guān)性[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2014,44(1):259-267.