陜西關(guān)中盆地粉質(zhì)黏土熱物理性質(zhì)研究

薛圣澤， 周陽(yáng)， 劉建強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.西安科技大學(xué)煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054； 3.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710054；4.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068)

0 引言

淺層地?zé)崮芫哂锌稍偕⑽廴拘?、分布范圍廣等特點(diǎn)，具有極高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值[1]，目前已有一些學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的淺層地?zé)崮艿馁x存規(guī)律及時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究[2-3]。關(guān)中盆地淺層地?zé)豳Y源豐富[4]，但復(fù)雜的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造體系對(duì)淺層地?zé)豳Y源的賦存條件和分布特征影響較大，目前關(guān)中地區(qū)淺層地?zé)豳Y源利用率仍然較低[5-6]。研究不同地層中巖土體的熱導(dǎo)率、導(dǎo)溫系數(shù)和比熱容等熱物理性質(zhì)有助于加深對(duì)地層工程性質(zhì)如何影響地?zé)衢_(kāi)發(fā)過(guò)程的理解，對(duì)淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)與利用具有重要意義。Wang等[7]利用試驗(yàn)證明了熱導(dǎo)率與電阻率間存在線性關(guān)系; 周陽(yáng)等[8]在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上較為系統(tǒng)地分析了不同條件對(duì)巖土體熱導(dǎo)率的影響; 高志友等[9]對(duì)濟(jì)南市巖土熱物性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了熱導(dǎo)率和導(dǎo)溫系數(shù)隨孔隙率變化的經(jīng)驗(yàn)公式; Sun等[10]對(duì)-20～10 ℃溫度范圍下土壤熱導(dǎo)率和電阻率的關(guān)系進(jìn)行研究，并建立了相應(yīng)的模型; Zhang等[11]利用線性回歸分析等方法對(duì)多種土壤熱導(dǎo)率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià); 李婷等[12]試驗(yàn)測(cè)定了不同土壤的熱物理性質(zhì)，計(jì)算并分析了不同條件下的導(dǎo)溫系數(shù); 王鐵行等[13]利用重塑擾動(dòng)黃土開(kāi)展試驗(yàn)，研究了熱導(dǎo)率和比熱容隨含水量和密度的變化規(guī)律?，F(xiàn)有研究對(duì)熱導(dǎo)率、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)間宏觀規(guī)律的研究較少，無(wú)法在實(shí)際工程中較為高效和直觀地了解地層的熱物理性質(zhì)，這限制了探查地?zé)崮苜x存和分布規(guī)律的效率。

本文通過(guò)分析關(guān)中盆地各主要城市巖土體的熱物理性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同條件下熱物理性質(zhì)間的宏觀變化規(guī)律進(jìn)行分析，為關(guān)中盆地淺層地?zé)崮苜Y源的開(kāi)發(fā)利用提供了理論參考。

1 研究區(qū)概況

關(guān)中盆地位于我國(guó)內(nèi)陸中心，具有聯(lián)結(jié)東西部地區(qū)，溝通南北部地區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，是西部地區(qū)重要的交通樞紐。本文的研究區(qū)包括西安、咸陽(yáng)、渭南和寶雞4個(gè)關(guān)中盆地的主要城市(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

關(guān)中盆地南起秦嶺，北接黃土高原，整體走勢(shì)由西向東逐漸變寬，渭河是關(guān)中盆地的主要河流之一，沿渭河兩岸形成多級(jí)階地地貌，盆地地形向渭河傾斜。關(guān)中盆地位于鄂爾多斯地塊與秦嶺造山帶之間，于喜馬拉雅期陷落形成新生代斷陷盆地，下部為燕山隆起，斷裂構(gòu)造發(fā)育。新生界沉積厚度大； 古近系至第四系均有發(fā)育。

圖2為關(guān)中盆地第四系的典型鉆孔柱狀圖。圖中顯示鉆孔最大深度150.3m，其中粉質(zhì)黏土總厚度為66.78m，占比約44.43%。由此可見(jiàn)，研究區(qū)內(nèi)各種沉積相中粉質(zhì)黏土分布廣泛，在不同條件下其熱物理性質(zhì)的變化規(guī)律對(duì)淺層地?zé)崮苜Y源的開(kāi)發(fā)和利用具有較大影響。因此本文對(duì)取自關(guān)中盆地野外巖心中的粉質(zhì)黏土開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定其熱物理性質(zhì)，分析其變化規(guī)律。

圖2 關(guān)中盆地典型鉆孔柱狀圖

2 樣品采集及試驗(yàn)方法

本研究在關(guān)中盆地的西安市、咸陽(yáng)市、渭南市和寶雞市的范圍內(nèi)共采集樣品223件，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了熱物理性質(zhì)參數(shù)測(cè)定。根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)熱物理性質(zhì)參數(shù)間的規(guī)律進(jìn)行了分析。

2.1 樣品采集

為確保采集的樣品能夠滿足熱物理性質(zhì)測(cè)定的要求，并保證所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確代表地層中巖土體的熱物理性質(zhì)，在研究區(qū)范圍內(nèi)從各鉆孔中的粉質(zhì)黏土層采集直徑大于10 cm、高度大于15 cm的原狀巖心樣。巖心取出后迅速用樣皮和塑料袋封好并貼上標(biāo)簽，標(biāo)注采集時(shí)間、地點(diǎn)、層深等取樣信息并及時(shí)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

對(duì)采集的巖心樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土多呈褐色，土質(zhì)均勻且飽和密實(shí)，塑性多為硬塑狀態(tài)，部分樣品中含有黑色鐵錳質(zhì)或白色鈣質(zhì)結(jié)核。粉質(zhì)黏土的天然含水率主要分布于18.5%～25.6%，平均天然含水率為22.1%； 天然重度主要分布于17.6～20.7 kN/m3，平均天然重度為19.5 kN/m3； 孔隙率大多分布于37.1%～46.5%，平均孔隙率為39.8%。

2.2 試驗(yàn)方法

利用削土刀和削樣器將采集的巖心樣加工成直徑50 mm、高度25 mm的圓柱形試樣用于測(cè)試。制成的試樣高度誤差不大于2 mm，直徑誤差不超過(guò)0.3 mm，兩端面的不平行度小于0.05 mm，兩端與試樣周線的最大偏角不大于0.25°。

利用Hot Disk熱常數(shù)分析儀測(cè)定粉質(zhì)黏土試樣的比熱容、導(dǎo)溫系數(shù)和熱導(dǎo)率，采用雙面法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將探頭固定于樣品支架的中間部位，將一個(gè)試樣放在測(cè)試臺(tái)上，調(diào)整樣品支架高度，使試樣上端面貼住探頭，隨后在探頭上放置另一個(gè)試樣并與下試樣對(duì)齊，擰緊固定螺絲使上下試樣夾緊探頭，蓋上擋風(fēng)罩防止外界因素影響試驗(yàn)精度。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱導(dǎo)率隨含水率變化規(guī)律

研究區(qū)范圍內(nèi)各試樣熱導(dǎo)率λ隨含水率w變化曲線如圖3所示。

圖3 研究區(qū)粉質(zhì)黏土試樣熱導(dǎo)率-含水率曲線

試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)分布在以曲線λ=1.451-0.023w為下界限，以曲線λ=3.408-0.056w為上界限的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)含水率較低時(shí)，熱導(dǎo)率的分布區(qū)間較大，隨著含水率的增加，試樣熱導(dǎo)率的分布趨于集中，在含水率為18%～28%的范圍內(nèi)尤為顯著。與前人的研究結(jié)果不同[14-16]，本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)試樣進(jìn)行整體的宏觀分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)范圍內(nèi)粉質(zhì)黏土的熱導(dǎo)率隨含水率的增大總體呈減小趨勢(shì)。

3.2 比熱容隨導(dǎo)溫系數(shù)變化規(guī)律

熱物性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。關(guān)中盆地及其中各市范圍內(nèi)試樣的比熱容隨導(dǎo)溫系數(shù)變化的趨勢(shì)如圖4所示?？梢钥闯觯P(guān)中盆地及其中各市范圍內(nèi)試樣的比熱容均隨導(dǎo)溫系數(shù)的增大總體呈減小趨勢(shì)。

表1 研究區(qū)試樣熱物性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 導(dǎo)溫系數(shù)隨熱導(dǎo)率變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制研究區(qū)各市及關(guān)中盆地整體的試樣導(dǎo)溫系數(shù)隨熱導(dǎo)率變化曲線(圖5)?？梢钥闯觯鲄^(qū)域內(nèi)試樣的導(dǎo)溫系數(shù)隨熱導(dǎo)率的增大均呈線性增大，且擬合曲線方程可表示為

α=a+bλ

。

(1)

式中：α為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h;λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K);a、b為擬合參數(shù)

各地區(qū)擬合曲線中的相應(yīng)參數(shù)有所不同，關(guān)中盆地及其各主要城市范圍內(nèi)試樣的擬合曲線參數(shù)a、b及相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R2如表2所示?？梢钥闯?，各區(qū)域擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均較高，熱導(dǎo)率的變化對(duì)導(dǎo)溫系數(shù)具有顯著影響。擬合曲線斜率最大的為咸陽(yáng)市，截距最大的為寶雞市。

表2 研究區(qū)粉質(zhì)黏土試樣導(dǎo)溫系數(shù)-熱導(dǎo)率曲線參數(shù)表

4 結(jié)論

(1)關(guān)中盆地內(nèi)粉質(zhì)黏土的比熱容隨導(dǎo)溫系數(shù)的增大總體呈減小趨勢(shì)。

(2)關(guān)中盆地內(nèi)粉質(zhì)黏土的導(dǎo)溫系數(shù)隨熱導(dǎo)率的增大呈線性增大，且能夠與線性函數(shù)表達(dá)式良好擬合。

(3)關(guān)中盆地內(nèi)的粉質(zhì)黏土的含水率在18%～28%范圍內(nèi)時(shí)，熱導(dǎo)率隨含水率的增大整體呈明顯的減小趨勢(shì)，且大多分布于1.23～1.75 W/(m·K)范圍內(nèi)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上更加直觀地指出了關(guān)中盆地內(nèi)粉質(zhì)黏土各項(xiàng)熱物理性質(zhì)間的宏觀規(guī)律，為工程實(shí)踐過(guò)程中開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮芴峁┝艘欢ǖ睦碚摶A(chǔ)。