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土体热特性是土体的一项重要物理指标,在地铁等封闭地下建筑的环境控制系统中,土体热特性非常重要,在有关热流传播的地下工程中也都非常重要。目前,国内外众多学者对土体热特性进行了大量的研究,但大多只研究了某一类土,即使研究多类土也认为不同土的热导率随影响因素的变化趋势相同。且对某影响因素进行分析时,未保持其它因素固定不变,从而不能得出热导率与影响因素间的确定性关系。土体有着复杂的微观结构,但现有预测模犁都是针对某理想结构的材料建立的,并不适用于土体。因此在研究土体热物性参数时,应深入剖析土体的传热机制,在保持其它因素不变的情况下,系统研究各类土体的热导率变化规律,并从土体真实结构入手进行预测模型的研究。本论文主要研究工作如下:
1.通过大量实验对干土比热容进行统计分析,给出不同土体干燥状态下比热容的大致取值范围。对土体热导率进行实验研究,在保持其它因素不变的情况下,分别研究含水量及孔隙率对土体热导率的影响规律,发现不同种类的土体,其热导率随含水量和孔隙率的变化有所区别,并给出粉砂、粉土及粉质粘土的热导率计算公式。并从微观角度进行分析,研究土体的内在传热机制,发现粘粒含量是土体热导率递变速率发生明显变化的重要表征因素,土体的临界含水量随其内部粘粒含量的增大而增大。
2.对土颗粒热导率实验进行改进,发现用某物质代替传统实验介质聚乙烯效果较好,且所需实验装置较简单,降低了实验成本。并在扫描电镜图片基础上进行数字建模,运用ANSYS软件进行有效热导率的数值分析。通过Matlab软件进行随机建模,分析此模型下的有效热导率。
3.通过模型实验对土体热导率计算公式进行验证,发现公式计算值能准确的给出土体热导率值。同时发现士体(均质体)内同一时刻,距圆筒壁面不同距离处的温度以指数形式进行变化,距离越远温度越小;时间越久圆筒内流体的温度影响范围越大。除圆筒外壁面外,距圆筒壁某距离处的温度,随时间的增长而逐渐增长;距圆筒壁较近处土体温度较高,温度增长速率随时间的增长而逐渐减小,距圆筒壁面距离较远处温度较低,其增长速率随时间的增长而逐渐增大。
4.通过土体原位测试数据及钻孔取样测试数据间的对比分析,对土样的物理参数进行修正。对南京逸仙桥地区的地温场进行监测后发现,运用物理参数的修正值计算得到的土样热导率能较准确的反应出土体的原位热导率情况:地表温度随季节变化较大,随着埋深的增大,地层温度受季节的影响逐渐减小,直至到达常温层;与常温层温度差别较大的季节,地层内温度变化也较大。