砂土热物性试验研究

论文总字数：21753字

摘 要

本文介绍了MTN01测试设备的技术理论以及操作方法，采用了非稳态热探针对南京地区细砂进行了热导率、热阻系数测试。主要研究了随细砂含水量、干密度的改变，热导率的变化规律。研究结果表明：MTN01测试设备可高效的测试细砂的热导率；细砂热导率随含水量的增大而增大，即热阻系数随含水量的增大而减小，且当含水量增大至近饱和时热阻系数趋于常数；细砂干密度越大、粒径越大，热阻系数越小。除此之外，本文探究了细砂在有水渗流条件下的热导率，结果显示热导率随着渗流速度的增大而增大。

关键词：热导率；含水量；干密度；粒径；渗流

Abstract

The technology theory and operation method of the MTN01 testing equipment are introduced by this paper, the thermal resistivity of fine sand in Nanjing area is tested by transient probe. The study mainly show the relationships between the soil thermal resistivity and moisture, dry densities and grain size. It can be concluded that transient thermal probe can efficiently test the fine soil thermal conductivity. Fine sand thermal conductivity increases with the increase of moisture content, and thermal resistivity decreases with the increase of moisture content; When the water content of fine sand is closed to saturation moisture content, the thermal resistivity tend to be a constant. The thermal resistivity decreases with the grain size and dry densities increase. What’s more, the thermal conductivity of fine sand under the condition of seepage is tested, the thermal conductivity increases with the speed of seepage increases.

Key words: thermal conductivity; moisture content; dry density; grain size; seepage

目录

摘要 1

Abstract 2

目录 3

第一章 绪论 5

1.1 背景和意义 5

1.2 国内外研究现状 6

1.2.1 砂土热物性测试方法 6

1.2.2 渗流作用对土体传热性能的影响理论 7

1.3 论文主要内容 8

第二章 砂土热物性室内测试原理 9

2.1 热探针测试原理 9

2.2 测量设备 10

2.3砂土热物性研究实验流程图 12

第三章 含水率对砂土热物性的影响研究 14

3.1砂土试样制备 14

3.1.1 实验材料 14

3.1.2 烘干 14

3.1.3 测量细砂的干密度 15

3.1.4 细砂级配 15

3.1.5 制备样本 16

3.1.6 实验准备各项数据 17

3.2 甘油标定 18

3.3 测试结果分析 19

3.2.1热阻率、热阻系数与含水率 20

3.2.2 热阻率、热阻系数与颗粒粒径 22

3.2.3热导率、热阻系数与干密度 23

第四章 渗流对砂土的热物性的影响研究 25

4.1测试方法及原理 25

4.1.1实验目的 25

4.1.2实验仪器 25

4.1.3 测试方法 26

4.1.4 测试砂土渗流系数 27

4.2 测试结果分析 29

4.2.1 渗流方向与探针贯入方向平行时 29

4.2.2 渗流方向与探针贯入方向垂直时 30

4.2.3 不同含水状态、相同加热电压条件下的细砂温度变化 31

第五章 试验中遇到的问题 33

5.1 试验中需要注意的操作细节 33

5.2 在渗透条件下测试热导率出现的问题 33

第六章 总结与展望 35

6.1 总结 35

6.2 前景展望 35

致谢 36

参考文献 37

第一章 绪论

1.1 背景和意义

近年来，随着全球能源危机的不断加剧，各国的能源战略也开始由替代能源战略开始向建立清洁无害，环境友好型能源战略，开始发展“低碳经济”，一时间“可再生能源”成为世界各国实现国家经济走上可持续发展之路的一致口号。而利用浅层地热能的地源热泵系统，因其良好的稳定性、环保性逐渐成为各国政府和行业协会推荐使用的热泵类型，其应用规模逐年增加地热的应用，像能源桩，地源热泵和钻井热能存储越来越流行。地源热泵技术是利用地下土体的恒温地带作为热能的蓄能体。通过地源热泵，在夏季地面相比较炎热的情况下，把建筑内的热量传递到恒温带中，起到了制冷的作用；而冬季地面相比较寒冷时，再通过地源热泵将储存于地下的热能传递到建筑内部，起到制热的作用。随着近年来能源供求的紧缺，地源热泵逐渐成为一个研究热点。然而，地热系统的设计要求对土壤热传导有更深入的理解，这主要取决于土壤的热性能，也就是热导率，比热和热扩散系数。土壤中的热传导是一个受地下水和机械作用的复杂现象。然而，一般情况下，这一耦合温度-地下水-机械作用的过程是不成熟的，而且热导率使用经验或半经验模型评估的，这一未考虑复杂的环境因素的方法始于1960年。

土壤热性能测量技术可以分为两类：稳态方法和瞬态方法。稳态方法要求土壤样品处于稳定的温度场，而瞬态方法测量时可以接受瞬时的温度场，这很大程度上减少了测量时间和水动力作用过程的影响。被广泛应用的热探针依据ASTM D5334-08标准，原理基于瞬态测量。

因为土是一种多相复合介质，土体热导率很大程度取决于土壤成分，含湿量，密度和其他因素。因此，土壤性质如含湿量和密度（或孔隙比）是得到土壤热性能精确描述所需信息。所以，这些性能的同步测量技术连同土壤热性能测量对土壤热能的研究是至关重要的。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 砂土热物性测试方法

土体热物理性能一直是地质、能源以及岩土专业学者探讨和总结的重要方向。岩土材料在实际工程应用中极为广泛，如天然气、石油、大型泄洪、城市下水管道的设计；铁路、公路、地铁、地下空间工程的修建；以及近年地源热泵技术的开发利用等。而热阻率成为了岩土工程温度场分析的重要参数，成为了影响岩土体传热性能最直接的参数。近些年来，国内外很对学者对影响岩土体热传导性能的因素进行了大量的研究，具体到土体含水量，干密度，孔隙比，颗粒大小等对热导性能的影响。

Gangadhara等[1]人通过自主研发的非稳态热探针测试设备，测定了印度黑棉土、粉砂和粉煤灰等岩土材料的热阻率，并且提出了热阻系数的相关预测模型。苏天明等[2]人研究了江苏省南京地区的粉质黏土、黏土等岩土材料的比热容和热导率与含水量、孔隙比等之间的关系，并提出了相关的对数拟合公式。杨文兵等[3]人根据线性热源瞬态导热模型，研究设计了用于测试含湿土壤导热系数的热探针系统，探究了加热功率、加热时间、探针厚壁等因素对岩土体导热系数测定的影响，进而对在不同含水量条件下的土壤导热系数进行测定，得出纯土、河沙含水量的导热系数拟合关系式。结果表明，热探针测定含湿土壤的导热系数具有便捷、准确的特点。陈梅倩等分析了岩土体含湿量、孔隙率等因素对砂土的导热系数、比热容、导温系数等热物性能的影响规律，该实验采用的是平板法测量，研究的结果可以为地埋管地源热泵受周围土壤换热性能影响问题提供基础数据。吴江涛等[4]在对准稳态法测导热系数原理分析的基础上，研制了一整套用准稳态法测定导热系数的实验装置，攻克了以往用准稳态法导热系数测量装置中一些不足，同时研发了运行于Windows环境下的全自动测量软件。其结果表明，所研发设计的实验装置能够很准确地测得有限范围内固态式样的导热系数，且可同时满足实际工程当中导热系数测量的需要。陈则韶等用热探针测导热系数，而不是从算式中直接求出导热系数，介于这一种方法与传统方法完全不同，其是从误差分析的角度出发，根据导热系数误差最小的同时其热扩散率的离散度也最小的原理导出的方法，而且其有与热探针法相当的高精度。Tang等[5]通过室内试验探究了岩土体干密度、含水量、饱和度对美国MX80膨润土热导率的影响，根据实验结果，其提出了关于土体热导系数与空隙气体体积的线性表达式。陈宝等[6]采用KD2型热传导仪测试了上海地铁隧道穿越的粉质粘土层的热导系数，提出了当土体含水量较低时，热导系数随含水量增加而增加，含水量较高时，热导系数随含水量增加而减小的结论，同时还建立了热导系数与含水量之间的拟合公式。在上述影响土体热导特性的众多因素中，含水量、干密度和颗粒粒径是影响土体热导特性的内在主要因素，而这些因素与热阻系数之间的关系尚缺乏系统的相关认识。张涛等[7]人采用非稳态热探针对南京地区的粘土、粉土、细砂和粗砂4种不同岩土材料进行热阻系数测试，研究在不同干密度条件下含水量改变引起的土体热阻系数的变化规律。结果表明：非稳态热探针可高效的测试土体热阻系数；土体热阻系数随含水量增加而减小，当含水量接近或超过临界含水量时，热阻系数趋于常数；临界含水量由土体固有的基本特性所决定；干密度越小，热阻系数；热阻系数随颗粒粒径的增大而减小，颗粒粒径对土体热传导特性的影响还与其他因素密切相关。最后针对现有的热阻模型存在的不足，基于实验结果和现有的模型，提出考虑多因素的土体热阻预测模型，并通过算例验证了该模型的有效性和可靠度。

1.2.2 渗流作用对土体传热性能的影响理论

土体热物性能在实际工程应用中，地下水文条件也是一个重要影响因素。要准确地评估地下换热装置的传热性能对于整个测量系统的优化设计有着极为重要的作用。地埋管道的传热模型分析大多是基于在已有钻孔中埋管与周围土体的线热源放热假设而提出的，而实际中，由于有地下水渗流情况的存在，其对土体传热也有一定的影响，如果忽略了这一因素，则会低估埋管换热器的传热量，若应用与实际中，就会对能源造成浪费，使原有投资增加。Gehlin 等[8]、[27]、[28]通过有限差分的方法建立一个二维的传热器模型，模拟了在有水渗流作用的条件下，地埋管与周围岩土体的传热情况，可以清楚的呈现出渗流作用的影响会造成埋管周围土壤温度升高幅度明显比没有水渗流状况下导热温升低。张琳琳等[9]通过构建无限长可移动线热源与钻孔准三维传热的综合模型，研究分析了渗流作用对地埋管传热性能的影响，实验表明：不同土壤类型对地埋管导热性能有重要影响非常大，渗流作用对地埋管的散热作用起到了很大的促进作用，也就是说，渗流速度越大，散热越快。刘涛等[10]针对富水土壤的特点，模拟土壤含水率对其导热性能的影响以及南宁市低温分布图，利用数值积分求解现有模型，分析了渗流作用对土体传热的影响。范蕊等人[11]采用了数值模拟的方法对地下水渗流作用下的地埋管导热状况进行了统一求解，表明了渗流速度越大，导热系数越小，热导率越大，且影响越明显。陆观立等[12]，采用建模软件GAMBTT建模，用数值软件FLUENT进行数值模拟计算，分析了不同土壤的热物性能（热导率、比热容等），还探究了地下水渗流速度以及换热量对土壤温度场的分布的影响。刘虎等以多孔介质的流动机理和传热理论为依据，对在有地下水渗流的情况下对土壤热物性能的影响进行了研究，并建立了包含渗流的热渗耦合传热模型，并进行了计算，研究了地下水渗流对传热器周围土壤温度场的影响，结果表明：在有渗流情况下，土壤温度场不再是无渗流情况下那样呈现圆形对称分布，而是发生了向渗流方向明显的偏移。Zanchini 等运用数值模拟的方法模拟分析了渗流作用对于冬夏两季地热取放热量不平衡的地埋管群长期性的影响分析，得出不管热量取放渗流作用都会在很大程度上促进地埋管的换热性能。Angelotti 等将U 型埋管换热器在沙土中传热过程的数值模拟结果用来评估热泵系统的行过性能，表明渗流速度越大，土壤中的等温线沿渗流方向偏移越大且热作用距离越长。

1.3 论文主要内容

影响岩土体热传导性能的因素，主要有土体含水量，干密度，孔隙比，颗粒大小等。本论文主要是在前人研究的基础上，单独分析了细砂的热阻物理性能。实验主要通过控制细砂的干密度、含水量、粒径大小的不同来研究这些因素对细砂热物性的影响。除此之外，通过结合渗流实验，研究测试了细砂在有水渗流的情况下，其热阻系数的变化；随着渗流速度的变化，细砂热阻系数有何种变化规律；而且还探讨了采用热探针法测试细砂在有水渗流情况下，探针与渗流方向平行时测得的热阻系数和探针与渗流方向垂直时测得的热阻系数有何不同。

通过本论文一系列的实验得出的细砂在特定情况下的热阻系数，以及各种变化规律，可以为后来研究者提供实时的对比数据，对于地源热泵技术的开发运用，也可以提供丰富的土壤热物性参数。

第二章 砂土热物性室内测试原理

2.1 热探针测试原理

热探针法是基于非稳态测量机理的一种测试导热系数以反映土体热传导性能的测量方法，源自于线热源理论。而线源模型是1948年Ingersoll和Plass等人发展的Kelvin线热源理论，国内目前大多数地源热泵的研究设计及埋管传热模型均以该理论为基础，由于线热源模型是把换热器当做一个热源来处理，不受具体的换热器形式限制，所以计算起来相对简单，而且能够满足一般的工程中对地源热泵的相关计算，因此具有广泛的实用性。线热源可以看做是无数个点热源的结合体，每一个点热源都已恒定的输出功率持续发热，经过一段时间后，该线热源本身以及周围传热介质的温度将升高，根据热传导理论，距离线热源径向距离为r处的温度变化值为：

δθ=du （1）

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