KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試土體熱物理參數(shù)的可行性研究

王月中，李雄威，劉正明,桂彬

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001;2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032;3.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，江蘇常州213022;4.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004)

KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試土體熱物理參數(shù)的可行性研究

王月中1，李雄威2，劉正明3,桂彬4

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001;2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032;3.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，江蘇常州213022;4.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004)

土體熱物理參數(shù)在巖土工程應(yīng)用中越來越廣泛，同時(shí)對(duì)熱物理參數(shù)的準(zhǔn)確性要求也越來越嚴(yán)格。目前，巖土工程中多采用一些傳統(tǒng)的設(shè)備儀器對(duì)土體熱物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，誤差較大，并且在工程適用性方面還有很多限制。對(duì)先進(jìn)的KD2Pro和傳統(tǒng)的ISOMET熱特性分析儀進(jìn)行了介紹，用KD2Pro熱特性分析儀對(duì)膨脹土、紅黏土、常州區(qū)域典型土層土體進(jìn)行了測(cè)試，將在工程實(shí)例中用ISOMET測(cè)得的土體熱物理參數(shù)結(jié)果與KD2Pro熱特性分析儀測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)將其中的膨脹土、紅黏土的測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，KD2Pro熱特性分析儀較傳統(tǒng)的ISOMET熱特性分析儀無論在工程適用性還是準(zhǔn)確性方面都有很大改善。

土體;熱物理參數(shù);KD2Pro熱特性分析儀;測(cè)試

0 引言

土體熱物理參數(shù)在工程應(yīng)用中占有很重要的地位[1]，例如在地下工程凍結(jié)法施工中[2]，在應(yīng)用熱絕緣技術(shù)的土木工程中[3]，在煤、石油及天然氣的勘探采掘中[4-6]等等，都會(huì)用到土體的熱物理參數(shù)。土體熱物理參數(shù)在工程上的廣泛應(yīng)用使熱物理參數(shù)的測(cè)試及其準(zhǔn)確性在工程施工中占據(jù)很重要的位置。

在巖土工程中主要是通過各種熱物理參數(shù)測(cè)試儀器來獲得巖土熱物理性指標(biāo)，王海波等[7]在研究孔隙率與飽和度對(duì)土熱物理特性的影響時(shí)采用ISOMET熱特性分析儀對(duì)土樣進(jìn)行熱物理參數(shù)測(cè)試；蔣建平等[8]在研究南京地鐵地基黏性土樣熱物理參數(shù)與土工參數(shù)相關(guān)關(guān)系時(shí)分別用差示掃描儀DSC-6測(cè)試比熱容，用TC Probetm熱導(dǎo)儀測(cè)試熱導(dǎo)率。

本文利用KD2Pro熱特性分析儀，對(duì)膨脹土、紅黏土和常州區(qū)域典型分布土體進(jìn)行熱物理參數(shù)測(cè)試，并與傳統(tǒng)方法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，目的是為先進(jìn)測(cè)試儀器的工程應(yīng)用和科學(xué)研究提供依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 測(cè)試方法

1.1測(cè)試儀器

試驗(yàn)所用土體熱物理參數(shù)測(cè)試儀器是由美國DECAGON公司研制的KD2Pro熱特性分析儀，如圖1所示，包括KD2Pro主機(jī)和配備的KS-1型6 cm、TR-1型10 cm、SH-1型30 mm三種傳感器，其中KS-1型6 cm長單針型傳感器用于測(cè)量熱傳導(dǎo)率和熱阻，適用于包括液體在內(nèi)的大多數(shù)樣本；TR-1型10 cm長單針型傳感器的精度不高，主要用于測(cè)量堅(jiān)硬樣本的熱傳導(dǎo)率和熱阻；本文中所用的傳感器探頭是SH-1型，測(cè)量范圍如下：熱導(dǎo)率為0.02～2 W/(m·K);熱擴(kuò)散率為0.1～1.0 mm2/s；體積熱容為0.5～4 MJ/(m3·K)，可以直接測(cè)量熱傳導(dǎo)性材料，測(cè)量參數(shù)還包含熱阻。儀器測(cè)量精度高，周期短，操作步驟簡單，黑白顯示屏可以輸出字母、數(shù)字，便于讀數(shù)和記錄，并且重量輕，方便攜帶，能夠進(jìn)行戶外測(cè)量。

圖1 KD2Pro熱特性分析儀

1.2KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試原理

KD2Pro熱特性分析儀使用線性熱源方法進(jìn)行測(cè)量，通過監(jiān)測(cè)樣品中給定某一電壓的線性探針的熱耗散和溫度，計(jì)算物質(zhì)熱特性。一個(gè)測(cè)量周期包括30 s平衡、30 s加熱和30 s冷卻時(shí)間，在加熱和冷卻期間以1 s為間隔進(jìn)行溫度測(cè)量，然后用指數(shù)積分函數(shù)進(jìn)行擬合。儀器對(duì)測(cè)量期間樣品溫度變化進(jìn)行線性校正，最優(yōu)化測(cè)量精度。

2 測(cè)試土樣

2.1膨脹土

膨脹土是典型的非飽和土，具有吸水膨脹軟化、失水收縮開裂等特性。試樣所用的土樣來自廣西南寧郊外，土樣取至地表下1.5～1.8 m，呈灰白色，可塑,黏性較強(qiáng)，天然含水率較高，在高溫多雨的廣西地區(qū)具有代表性。

2.2紅黏土

紅黏土為碳酸鹽系巖石風(fēng)化殘積、坡積后經(jīng)復(fù)雜的紅土化作用而形成的棕紅、褐黃等色的高塑性黏土，在我國中西部地區(qū)分布較廣，土體一般為硬塑或堅(jiān)硬狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性。試樣所用的土樣來自貴州，土樣按一定的含水率重塑。

2.3常州地下土層土體

在常州市軌道交通一號(hào)線一期工程聯(lián)絡(luò)通道周邊結(jié)構(gòu)上下范圍內(nèi)，取樣間距為1.0～1.5 m，采用鉆孔方法取樣，取樣位置視土層的埋深及厚度變化情況而定，所取土樣名稱及其描述見表1。

表1 常州地下土層土體描述

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1ISOMET儀器簡介與測(cè)試結(jié)果

在常州市軌道交通一號(hào)線一期工程中，土體的熱物理參數(shù)采用傳統(tǒng)的ISOMET熱特性分析儀測(cè)得，該儀器可直接用于測(cè)量熱傳導(dǎo)性材料的導(dǎo)熱性，配備多種型號(hào)的探頭。本試驗(yàn)采用的是針式探頭。熱導(dǎo)率與體積熱容的測(cè)量范圍分別為1.0～2.0 W/(m·K)和1.5～4 MJ/(m3·K)，試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，但是仍需要10 min左右的測(cè)量時(shí)間，根據(jù)材料的溫度變化，利用探頭給土樣加熱，然后周期性地測(cè)量土樣的熱量變化，計(jì)算出熱傳導(dǎo)率，從而得到土體熱物理參數(shù)的結(jié)果。

3.2KD2Pro儀器測(cè)試步驟與結(jié)果

1)將測(cè)試土體制成φ38 mm×80 mm的圓柱體土樣，同時(shí)用余土測(cè)定其含水率和密度等力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 各土體物理力學(xué)性質(zhì)

2)將制好的土樣用飽和器固定好放在真空飽和裝置中飽和48 h以上。

3)將SH-1型30 mm傳感器一端連接在KD2Pro熱特性分析儀主機(jī)上，一端插入飽和后的土樣中，打開主機(jī)等待5 min以上即可進(jìn)行測(cè)試。傳感器插入土樣位置如圖2、圖3所示，對(duì)每種土體的測(cè)試不少于4次，同時(shí)記錄下每次測(cè)得的數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試圖

圖3 傳感器測(cè)試土樣位置圖

4 土體熱物理參數(shù)理論計(jì)算

4.1熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率λt表示土體傳導(dǎo)熱量的能力，可以定義為在單位溫度梯度作用下單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積和長度的土介質(zhì)的熱量，其單位為W/(m·K)。有關(guān)土體熱導(dǎo)率的計(jì)算公式有很多，本文采用的是Johansen方法[9]。

對(duì)于飽和土體而言，其熱導(dǎo)率λsat與組成成分的熱導(dǎo)率和組成比例有關(guān)。

(1)

式中：λs是土顆粒的熱導(dǎo)率；λw是孔隙水的熱導(dǎo)率，通常為0.605 W/(m·K)；n是孔隙率。

對(duì)于黏性較強(qiáng)的灰白色黏土，土體顆粒的熱導(dǎo)率可取為1.5 W/(m·K)，紅黏土土體顆粒的熱導(dǎo)率可取為4.39 W/(m·K)。

4.2體積熱容

體積熱容λv定義為單位容積的土壤在溫度增減1 K時(shí)所吸收或釋放的能量，單位為J/(m3·K)。由于土壤是一個(gè)多相的分散體，其熱容取決于所含的固相物質(zhì)、液相物質(zhì)(水)和氣相物質(zhì)(空氣)在土壤中所占的容積比?？諝獾某煞窒鄬?duì)較小，可以忽略，因此，土體體積熱容表達(dá)式[10]如下：

λv=λvsVs+λvwVw

(2)

式中：λvs是土顆粒的體積熱容，一般可取為1.875 MJ/(m3·K);λvw為水的體積熱容，一般為4.187 MJ/(m3·K);Vs和Vw分別為單位體積土壤中固液兩相物質(zhì)的體積。

根據(jù)式(1)和式(2)算得飽和膨脹土與飽和紅黏土的熱導(dǎo)率與體積熱容的理論計(jì)算值，如表3所示。

表3 理論計(jì)算表

5 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

5.1ISOMET與KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比

將工程中ISOMET測(cè)得的常州區(qū)域典型土層的三種土體粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂的熱物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果與KD2Pro熱特性分析儀測(cè)得的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見圖4。

(a)體積熱容

(b)熱導(dǎo)率

(c)熱擴(kuò)散率圖4 不同儀器測(cè)試土體熱參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖可見，對(duì)于熱導(dǎo)率來說，ISOMET熱特性分析儀測(cè)試結(jié)果與KD2Pro熱特性分析儀的測(cè)試結(jié)果相差不大，但體積熱容的測(cè)試結(jié)果ISOMET熱特性分析儀明顯低于KD2Pro熱特性分析儀。熱導(dǎo)率、體積熱容與熱擴(kuò)散率三者之間的關(guān)系也導(dǎo)致了ISOMET熱特性分析儀測(cè)試熱擴(kuò)散率結(jié)果高于KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試結(jié)果。綜合來講兩種儀器測(cè)試土體熱物理參數(shù)結(jié)果存在著較大差別，尤其是土體體積熱容的測(cè)試結(jié)果，這說明兩種儀器至少有一種儀器的測(cè)試值與實(shí)際值存在較大誤差，在工程施工中若冒然使用誤差大的儀器測(cè)試土體熱參數(shù)，很可能影響工程的準(zhǔn)確性和可靠性。

5.2KD2Pro熱特性分析儀實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖5可以看出，KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果無論熱導(dǎo)率還是體積熱容在數(shù)值上都相當(dāng)接近。土體熱導(dǎo)率與體積熱容的理論計(jì)算方法有很多，本文采用的是較權(quán)威的Johansen方法，這種方法被很多學(xué)者應(yīng)用，理論計(jì)算值與真實(shí)值之間誤差極小。由此可說明采用KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試土體的熱物理參數(shù)能夠較好地表示土體實(shí)際熱物理參數(shù)。在巖土工程中采用KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試土體熱參數(shù)在一定程度上保證了工程質(zhì)量的可靠。

(a)熱導(dǎo)率

(b)體積熱容圖5 KD2Pro熱特性分析儀實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

6 結(jié)論

1)ISOMET和KD2Pro兩種儀器的測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于體積熱容，ISOMET熱特性分析儀測(cè)試結(jié)果明顯低于KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試結(jié)果，兩種儀器測(cè)試結(jié)果存在著一定的差異。

2) KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果整體比較接近，可以很好地用來測(cè)試土體的熱物理參數(shù)，在工程中采用KD2Pro熱特性分析儀測(cè)試土體熱物理參數(shù)在一定程度上保證了工程質(zhì)量的可靠。

3) KD2Pro熱特性分析儀測(cè)量周期短、精度高，便于記錄讀數(shù)，并且攜帶方便，能夠進(jìn)行戶外測(cè)量，在工程施工中更加適用于工程作業(yè)。

隨著熱物理參數(shù)在工程上的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)熱物理參數(shù)的精確要求必然越來越嚴(yán)格，新的更加準(zhǔn)確方便和更加實(shí)用的儀器設(shè)備還會(huì)出現(xiàn)。

[1]沈顯杰，楊淑貞，張文仁.巖石熱物理性質(zhì)及測(cè)試[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[2]孫立強(qiáng),任宇曉,閆澍旺,等.人工凍土凍結(jié)過程中熱-力耦合的數(shù)值模擬方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2015(S2):137-142.

[3]DENV ENDRA N D,KONCHEN APALLI D.Generalized relationships for estimating soil thermal resistivity [J].Experimental Thermal and Fluid Science,2000,22(3-4)：133-143.

[4]DAVIES T G,BANERJEE P K.Constitutive relationships for ocean sediments subjects to stress and temperature gradients [R].Cardiff Department of Civil and Structural Engineering,1980.

[5]SLEGEL D L,DAVIS L R.Transient heat and mass transfer in soils in the vicinity of heated porous pipes [J].Journal of Heat Transfer,1977,99(4)：541-641.

[6]SANGER F J.Ground freezing in construction[J].Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering Division ASCE 94 SM1 1968,94(1):131-158.

[7]王海波,楊平,何忠意.孔隙率與飽和度對(duì)粉土導(dǎo)熱特性的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(2):42-46.

[8]蔣建平,李曉昭,高廣運(yùn),等.南京地鐵(融)土熱物理參數(shù)試驗(yàn)研究[J].中國鐵道科學(xué),2009，30(1):13-16

[9]JOHANSEN O.Thermal Conductivity of Soils[D].Trondheim：University of Trondheim,1975.

[10]秦耀東.土壤物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

責(zé)任編輯：唐海燕

FeasibilityStudyonThermalPhysicalParametersofSoilbyKD2ProThermalCharacteristicAnalyzer

WANGYuezhong1,LIXiongwei2,LIUZhengming3,GUIBin4

(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001; 2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032;3.The 2nd Geological Brigade of Jiangsu Geology & Mineral Exploration Bureau,Changzhou 213022; 4.School of Civil and Architectural Engineering，Guilin University of Technology,Guilin 541004)

Thermal physical parameters of soil are more widely used in geotechnical engineering,which asks for greater accuracy of thermal physical parameters.At present,thermal physical parameters of soil in geotechnical engineering are tested by traditional equipment,which can only produce values of lesser accuracy with broad limitations in engineering applicability.After an introduction of the advanced KD2Pro thermal characteristic analyzer and traditional ISOMET tester,the KD2Pro thermal characteristic analyzer is used to test expansive soil,red clay and typical soil in Changzhou area.The soil thermal physical parameters mea-sured by the KD2Pro thermal characteristic analyzer are compared with those measured by the ISOMET instrument in the engineering example.The results of expansive soil and red clay are compared with the theoretical values.The comparison shows that the KD2Pro thermal characteristic analyzer greatly improves engineering applicability and accuracy compared with the traditional test instruments.

soil;thermal physical parameter;KD2Pro thermal characteristic analyzer;test

10.3969/j.issn.1671- 0436.2017.03.002

2017- 03- 01

江蘇省第五期“333工程”培養(yǎng)資金資助項(xiàng)目(BRA2016113);江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局科研技改項(xiàng)目(2015-ky-3)

王月中(1991— ),男，碩士研究生。

TU411

：A

：1671- 0436(2017)03- 0006- 05