重塑黏土導熱系數影響因素灰色關聯分析

胡其志 程佳會 許兆棟

關鍵詞：重塑黏土;土壤源熱泵系統;導熱系數;瞬態平面熱源法;地熱能;灰色關聯分析

地熱能具有可再生、可持續、清潔（非二氧化碳排放）的特點，且是直接使用能源，因此隨著全球新資源需求的增加，地熱能的開發利用逐漸成為新興地區的新興產業[1]。地源熱泵系統是利用地下土壤常年溫度相對穩定的特性，通過埋入建筑物周圍的地耦管與建筑物內部完成熱交換的裝置，因此土壤傳熱性質的研究顯得尤為重要。已有研究表明，土體導熱系數的影響因素很多，包括干密度、含水量、飽和度以及土壤礦物成分等。眾多學者為明晰土壤導熱特性與其影響因素之間的關系做了許多有價值的研究工作。皇甫紅旺等采用熱探針法測定了不同含水率土樣的導熱系數，并對其變化規律進行了分析，結果表明，5種土樣的導熱系數均隨著含水率的增加呈非線性增加趨勢[2]。王鐵行等通過采用準穩態法研究了黃土導熱系數和比熱容的變化規律發現，隨著土體密度和含水率的增加，黃土的導熱系數和比熱容均呈增大趨勢，其中隨著含水率的變化尤為顯著[3]。王海波等采用ISOMET熱特性分析儀對粉土的重塑樣及原狀樣熱物理參數進行了測試，從土體三相構成角度分析了粉土熱物理參數與孔隙率、飽和度的演化關系，得出孔隙率、飽和度與導熱系數呈非線性關系[4]。

目前，采用灰色關聯分析法對重塑土導熱系數影響因素進行分析的研究較少。本研究運用平板熱源法在室內分析影響重塑土導熱性能的因素，并在此基礎上采用灰色關聯分析法對影響重塑土導熱系數的因素進行研究，分析重塑黏土干密度、含水率、固結壓力等因素對導熱系數的影響程度，以期為土壤熱學參數的研究提供借鑒，為土壤源熱泵系統的實際應用提供指導。

1 導熱系數測試

1.1 試驗用土

試驗用土為取自湖北省武漢市某地區的黏土，通過室內土工測試手段對其進行測試，得到該黏土的物理性參數（表1）。

1.2 試驗設備

本試驗主要利用DRE-Ⅲ多功能快速導熱測試儀完成，該儀器的熱阻范圍為0.000 005～0.500 000 m2·K/W，導熱系數測定范圍為0.005～100 W/（m·K），溫度測定范圍為室溫至120 ℃，可同時測得導熱系數、熱擴散系數和比熱容。

該導熱測試儀基于TBS瞬態平面熱源法原理，主要利用Hot Disk探頭來測定土體的導熱系數。試驗時，將Hot Disk探頭放在2個具有相同條件的試樣之間，并保證導熱儀有一定的電流輸入和輸出，在這個過程中，探頭的溫度會發生變化，其變化情況受2個土樣導熱性能的影響。當探頭的溫度變化較小時，表示探頭產生的熱量被測試樣快速轉移了，說明被測試樣的導熱性能較好;當探頭的溫度變化較大時，則表示探頭產生的熱量發生了較少傳遞，說明被測試樣的導熱性能較差[5]。

1.3 試驗步驟

在實驗室將土料制備成重塑土試樣，開展重塑黏土的熱參數試驗。根據土工試驗標準，將土樣風干，碾碎，過2 mm分析篩，烘干。取適量干土樣，分別配置成含水率為15%、20%、25%、30%的濕土，然后放置在玻璃缸中靜置24 h，備用。采用4種含水率濕土分別設計制作干密度為1.40 g/cm3、直徑為61.80 mm、高度為20.00 mm的環刀試樣，并對其進行熱參數試驗。為保證試驗的可靠性，每種干密度取8個環刀試樣設為一組并進行編號，以便采用雙面法進行測試。然后取固結壓力為0 kPa、干密度為1.40 g/cm3的土樣分別設計制作含水率為15%、20%、25%、30%的環刀試樣，并對其進行熱參數試驗;取固結壓力為0 kPa、含水率為20%的濕土分別設計制作干密度為1.30、1.40、1.50、1.60 g/cm3的環刀試樣，并對其進行熱參數試驗;最后取干密度為1.40 g/cm3、含水率為20%的土樣分5級施加軸向固結壓力（0、100、200、300、400 kPa），并對其熱參數進行測試。表2為實測試樣的導熱系數。

2 重塑黏土導熱系數隨影響因素的變化規律分析

2.1 重塑黏土導熱系數與影響因素的關系

土壤導熱系數的影響因素有很多，其中土體的三相（固、液、氣相）組成方式是影響其導熱系數的因素之一，土壤中各組分的容量比例、固體顆粒的大小和排列以及固、液相間界面關系的不同，對土壤導熱系數的影響方式也不同。另外，不同地理位置、不同地下深度的土壤組成也不盡相同。因此，影響土體導熱系數的因素有土壤密度、含水率、孔隙率、飽和度以及土壤類型、地下水位深度等[6]。

2.2 導熱系數隨影響因素的變化規律

根據表2中的導熱系數測定結果，分別繪制重塑黏土導熱系數隨含水率、干密度、固結壓力等因素的變化曲線，結果如圖1至圖3所示。

結合表2、圖1至圖3可知，含水率是影響黏土土體性質的一個重要指標，含水率大的土壤土體間孔隙較小，導熱系數相對較大。干密度是反映土體密實程度的一個物理性質指標，該指標越大，導熱系數越大。固結壓力可反映不同深度黏土的應力狀態，從測試結果可以看出，黏土的導熱系數隨著固結壓力的增大而增大。由圖1可知，在干密度和固結壓力一定的條件下，隨著土樣含水率的增大，導熱系數呈增大趨勢。這主要是由于在固、液、氣三相中，氣體的導熱系數最小，固體顆粒導熱系數最大，當含水率較大時，土體間的孔隙逐漸被水填充，導熱性能好的水替代了導熱性能差的氣體，使土體的導熱性能增強，但當含水率超過25%后，水幾乎充滿了土體間的孔隙，使得土體趨向于通過固、液二相傳熱，隨著含水率繼續的增大，土體導熱系數的增長趨勢減緩。這表明含水率是影響土體導熱系數的因素之一。

由圖2和圖3可知，隨著土體干密度、固結壓力的增大，黏土的導熱系數同樣呈增大趨勢，分析認為，這主要與土體內的礦物成分含量有關，同一地區的黏土基本成分相同，單位體積不同干密度土壤的礦物成分含量不同，土體導熱能力隨著礦物質含量的增大而增強，干密度越大，土體的礦物成分含量越大，土體的導熱系數也就越大。當固結壓力增大時，土體間的孔隙減小，土壤礦物質顆粒之間的接觸面積增大，進而使導熱系數增大。這表明土體的含水率、干密度、固結壓力與導熱系數的關系密切。