土体剖面温度物理模型试验研究.pdf

J o u r n a l o fE n g in e e r in g G e o l o g y 工程地质学报 1 0 0 4 9 6 6 5 2 0 1 0 1 8 ( 6 ) 一 0 9 1 3 0 7 土体 剖面温度物理模 型试 验研究 术 唐朝生 施 斌 高 ( 南京大学地球科学与工程学院 磊顾 凯刘 春 南京2 1 0 0 9 3 ) 摘要利用 自主开发的土体温度物理模型试验系统， 研究了土体剖面温度随时间的变化规律， 通过改变土体表面的覆盖层 属性 ， 对比分析了裸土和混凝土板覆盖下土体剖面的热传递特点。结果表明： 在恒定热源作用下， 土体剖面温度迅速上升到 一 定值之后逐渐趋于稳定 ， 初始升 温速率 随深度 的增加 而呈指 数递减 ， 最 终平衡温度 随深度 的增加 而显著衰减 ；温度在 土体 剖面上的传递存在明显的滞后效应； 混凝土板覆盖下土体的初始升温速率和最终平衡温度较裸土高；土体剖面热通量反映 了土体中热量的传递特征， 其变化规律与上下土层间的温度差变化规律一致。 关键词土体剖面土体温度物理模型热传导热通量 中图分类号 ： T U 4 1 1 1 文献标识码 ： A PHYS I CAL M oDEL TES TI NG oF TEM PoRAL VARI ATI oN oF S oI L TEM PERATUE I N DEPTH l ANG Ch a o s h e n g S HI Bi n GAO L e i GU Ka i LI U Ch u n ( S ch o o l o fE a a h S ci e n ce s a n d E n g in e e r i n g ， n g U n i v e r s it y ， n g 2 1 0 0 9 3 ) Ab s t r act A p h y s i ca l mo d e l e x p e ri me n t a l s y s t e m is d e v e l o p e d in o r d e r t o i n v e s t ig a t e t he t e mp e r a t ur e v a ri a t io n wit h t i me in s o il d e p t h p r o fil e Th e t h e r ma l co n du ct io n ch a r a ct e ri s t ics in s o il p r o fil e wi t h d if f e r e n t s u r f a ce co v e F S b u t u n d e r t h e s a me h e a t s o u r ce a r e co mp a r e d a n d a n a l y z e d T h e o b t a i n e d r e s u l t s s h o w t h a t( a ) t h e s o l l t e mp e r a t u r e in cr e a s e s q u ick l y a t t h e b e g in n in g s t a g e a n d t h e n t e n d s t o a r e l a t i v e s t a b l e v a l u e ；( b ) w i t h i n cr e a s in g d e p t h ， t h e in it ia l t e m p e r a t u r e in cr e a s e r a t e o f s o il d e cr e a s e s e x p o n e n t i a l l y ； a n d( C ) t h e fin a l e q u il i b riu m t e m p e r a t u r e o f s o i l a l s o d e cr e a s e s wi t h i n cr e a s in g d e p t h I t is o b s e r v e d t h a t t he da mpi ng a n d r e t a r d in g e f f e ct s o f s o il t e mp e r a t u r e wit h de p t h a r e o b v i o u s By co mpa ri n g wit h ba r e s o il ， t h e i ni t ia l t e mp e r a t u r e in cr e a s e r a t e a n d fi n a l e q u il ib ri u m t e mp e r a t u r e o f s o il wi t h s u rfa ce co n cr e t e p l a t e co v e r a r e hi g h e r Th e t he r ma l fl u x in s o il p r o fi l e， wh ich is me a s u r e d b y t h e rm al f l u x p l a t e， r e fle ct s t he t h e r ma l co n d u ct io n cha r a ct e ri s t ics i n t ime， a n d d ir e ct l y d e p e n d s o n t h e v a ri a t io n o f t e mp e r a t u r e g r a d i e n t b e t we e n s o il l a y e r s Ke y wo r ds S o il p r o fil e， S o i l t e mp e r a t ur e， P hy s ica l mo de l ， Th e r ma l co n d u ct io n， Th e r ma l flu x 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 7 2 4 ；收到修改稿 日期 ： 2 0 1 0 0 7 0 5 基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目( 4 0 7 3 0 7 3 9 ) 第一作者简介 ： 唐朝生 ， 主要从事工程地质和环境工程研究工作 E m a i l ： t a n g ch a o s h e n g n j u e d u cn 9 1 4 J o u r n a l o fE n g in e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 1 0 1 引 言 土体温度是决定土体物理状态的重要参数 ， 其 随时间和空问的变化规律反映了土体与周围环境发 生能量和物质交换 的特点和过程。在 自然界中， 温 度制约土中水 的蒸发、 渗流以及土一 水相互作用机 制 ， 并最终影 响土体 的工程性质 ( 强度 、 变形 、 渗透 性、 持水能力、 液塑限等) 。 。随着人类工程、 经济 活动强度和频率的不断增加， 特别是城市化进程的 快速发展， 某些局部土体原有的温度场平衡被扰乱， 由温度变化所导致 的各类工程地质 问题也逐渐凸 显。如温度升高加剧了冻土融沉、 熔岩发育、 地面沉 降和水土流失等， 并因此诱导相关地质灾害的发生。 地面或地下的一些工程结构物也常常因为土体温度 场的突然改变而失稳甚至破坏。因此， 了解土体与 外界的热量交换以及温度在土体中的传递特点对指 导人们工程实践活动和避免相关工程地质问题有重 要意义。 由于地表是土体与大气发生能量和物质交换的 主要场所 ， 过去几百年来人们对地表温度场随气候 发生周期性的 日变化和季节变化规律开展了大量的 研究。随着地下工程( 地铁、 隧道、 地下商场和固体 废弃物地下处置库等) 的快速发展 ， 土体 内部温度 随深度的变化和分布特征逐渐引起人们的重视。过 去普遍认为土体内部 的温度场是基本恒定的 ， 但事 实并非如此。许多研究表明， 地表以下特别足浅层 土体( 一 2 m 内) 的温度受气候 的影 响非常显著 。 这主要是因为土体是一个导热体 ， 在温度梯度作用 下， 表层土体的热量会向下传递 ， 其传递速率和影响 深度受土体结构、 成分等土质条件的制约 ， 特别是土 体的密度和含水量两个参数 ， 对土体的比热容、 热传 导 系数 和热 扩散 系 数 等 热 物 理 性 能 有 重 要影 响 。因此 ， 要准确预测地温场和土体热状态随 时间空间的变化和分布规律是一项极具挑战性的工 作。 目前 ， 国内外大部分研究基本集 中在地表和近 地面大气温度的测量， 并在实测数据的基础上建立 了各种数学预测模型 。但对地表 以下土体温度 场变化规律的系统研究还不多见 ， 相关 的理论也还 不成熟， 这主要有两个方面的原因： ( 1 ) 开展这类试 验需要大量布点进行长期观测 ， 研究成本高， 耗时费 力 ；( 2 ) 影响土体热特性和土 气热交换 的因素多 ， 且不易受人为控制和调节， 研究难度大。已有的现 场监测试验一般具有持续时间短 、 布点数量少和监 测深度浅等特点， 受当地气候条件 、 地质条件、 地形 条件和土质条件等因素的影响， 所得数据随机性大， 在时间和空间上存在 明显的局限性。然而， 近些年 来 ， 地下空间的开发和利用有了突飞猛进的发展 ， 越 来越多的工程活动发生在地面以下甚至在深部地质 体中， 仅仅了解地表和大气温度 的变化无法为这类 地下工程的优化设计和施工提供必要的热性质参 数。除此之外 ， 城市化的发展极大地改变了原有地 表覆盖物的属性 ， 特别表现在草地和裸土被大量的 混凝土所替代 ， 地表与大气界面问的物质能量交换 过程及土体内部温度场可能因此发生变化。因此， 为了克服前文中提到现场温度监测试验 中存在的困 难和不足 ， 帮助人们更好地认识温度在土体内部的 传递特征及传递机理， 有针对性地开展一些物理模 型试验是可取的途径。 本文利用课题组开发的土体温度物理模型试验 系统 ， 通过控制环境温度 ， 研究了土体在给定热源条 件下剖面温度的传递特点；通过改变表面覆盖层的 属性 ， 分析对比了裸土界面与混凝土界面对剖面温 度传递的影响。相关结果能为今后类似研究的开展 和土体温度预测模型的建立提供参考。 2 试验设备 图 1为课题组所开发的土体温度物理模型试验 系统示意图。该系统主要由四个部分组成 ： 模型箱 、 热源 、 温度和含水量监测装置 以及数据采集装置。 模型箱高 1 6 5 0 m m， 内径 3 0 0 x 3 0 0 m m， 箱体四壁和箱 图 1 土体温度物理模型试验系统示意图 Fig 1 S k e t chy d r a win g o f t h e p hy s ica l mo d e l e x pe r ime n t a l s y s t e m f o r s o il t e mpe r a t u r e 1 8 ( 6 ) 唐朝生等 ：土体剖 面温度物理模 型试验研 究 9 1 5 盖均由隔热材料制成 ， 箱盖上开有排气孔 ， 以便土体 水分的蒸发 ， 底部开有出水 口， 以便模拟降雨入渗和 开展饱和土试验。热源 固定在箱盖上 ， 其主要功能 是对土体表面进行加热 ， 通过控制热源的功率可调 节温度的高低和加热速率。在土体 内不 同深度处埋 藏有温度传感器( T l - 7 ) 和含水量传感器 ( T D R 1 7 ) ， 主要用于监测试验过程中土体剖面温度和含水量的 变化。温度传感器 1 1 D位于土体表面 ， 用于监测 土 气界面温度的变化。其中温度传感器类型为铂 电阻 P t l 0 0， 精度为-+ 0 1 o C， 含水量传感器采用 T D R， 精度 为 2 。当土体表面有覆盖层时 ， 在覆盖层与土体 界面处安装有热通量板 ， 用于监测 界面间热量的传 递情况。试验过程中所有数据均可 自动采集并保存 在 电脑硬 盘 中 。 3 材料和试验方法 中， 然后再取适量的土体对小槽进行填实 ， 直到与周 围土体的干密度大体一致。试验中共埋设了 7组温 度和含 水 量 传感 器 ， 对 应 编号 分 别 为 T l7和 T D RI7 ， 埋设 深度分别为 3 5 、 1 8 5 、 3 3 5 、 5 8 5 、 8 3 5 、 1 0 8 5 、 1 3 3 5 m m( 距土体上表面， 图 1 ) 。 土体填充完毕待系统与环境温度达到平衡后 ， 固定好箱盖， 设定热源功率对土体进行加热。本次 研究采用了两种热源 ， 分别为 白炽灯和水浴。采用 白炽灯时， 功率为 4 0 W， 灯泡距 土体表面 约 1 5 cm； 采用水浴时 ， 设定水浴温度从 3 0 逐渐增加到 4 5 和 6 0 ， 水浴 箱底面距土体表面 约 l O cm。为了研 究不 同表面覆盖物对土体剖面温度传递 的影响， 本 文分别对裸土( 无覆盖物) 和有混凝 土板 覆盖 面的 土体 开 展 了试 验 ( 图 1 ) ， 其 中混 凝 土板 厚 度 为 3 0 mm。由于试验采用 的土样为风干下蜀土， 初始含 水量 比较低 ， 在试验过程中不考虑土体剖面含水量 变化 ， 剖面温度的变化是本文研究的重点。 3 试 验材料 4 试 验结果 试验中所用土样为南京地 区的下蜀土。下蜀土 普遍分布在长江中下游地区 ， 形成于第 四纪晚更新 世 。土样取回后经风干碾碎 ， 并过 2 mm筛 ， 相关物 理力学性质如表 1 所示 。 表 1 下蜀土的物理力学性质 T a b l e 1 P h y s ica l a n d me ch a n ica l b e h a v io r s o f Xia s h u s o il 液限塑性最佳含最大干 比重W L 指数水量 W 密度 粒度成分 ( ) ( ) ( ) g a m一 3 2 试 验方 法 首先在模型箱底部 填 8 0 mm厚的细砂 ， 均匀击 实 ， 目的是为了在开展饱和土或渗 流试验时改善土 体的排水条件 。然后称取 5 k g 过筛后的风干下蜀土 ( W= 5 ) ， 倒入箱 内并手动击实直到厚度为 3 5 ram， 其对应的干密度为 1 5 3 g a m 一， 重复上述操作直到 箱内填土高度达 1 3 5 0 m m。在填土过程 中根据 事先 设置好的间距埋入温度和含水量传感器 ， 为了保证 数据的可靠性 ， 传感 器必须与土体保 持 良好 接触 。 由于 T D R的尺寸相对温度传感器要大得多 ， 在埋设 时需要特别注意 ， 以避免对土体 的扰动。本次研究 中， 首先在击实好的土体中开挖出尺寸与 T D R相当 的小槽 ， 将 T D R 的 4根 探针沿小槽 水平插 入土体 4 1 白炽灯 加 热 图 2给出了试验 中裸土剖面温度随时间的变化 情况 。从图中可以看出， 在加热前 ， 试验箱中土体初 始温度为 1 5 2 ， 打开热源后 ， 土体表面的气体温 度( ) 迅速上升 ， 经过 0 3 5 d后达 到 4 0 3 c IC， 此 时 关掉电源 ， 经过 0 6 2 d的散热后 1 1 D 基本恢复到环境 温度 1 6 4 C。然后再次打开热源 ， 对土体持续加热 到第 5 d ， 1 1 D的最终平衡温度为 4 3 6 。在此过程 中， 只有 T 1 、 T 2和 受到热源的影响， 影响深度为 3 3 5 mm。通过对 比可以发现， 随深度的增加 ， 热源的 图2 裸土剖面温度随时问的变化 Fig 2 Pr o fi l e t e mpe r a t ur e v a r ia t io n wit h t ime o f b a r e s o il 蛞 笛 己 赠 9 1 6 J o m。 z o f E n g in e e r i n g C e o l o g y 工程地质学报2 0 1 0 影响强度逐渐减弱 ， 并存在明显的滞后效应 。例如 ： T 1 经过 0 7 5 d 后达到第一个峰值 3 1 4 ， 第 5 d的 温度为 3 7 2 ； T 2经过 0 9 3 d后达 到第一个峰值 2 3 8 ， 第 5 d的温度为 3 7 2 ；T 3经过 1 1 1 d后 到第一个峰值 1 6 6 ， 第 5 d的温度为 1 9 3 。 当土体表面为混凝土板覆盖时， 剖面温度的传 递过程如图 3所示 ， 其试验过程与图 2所示的裸土 相似。打开热源前 ， 土体的初始温度为 1 8 3 ， 加 热到 0 0 8 d时， 关闭热源， 此时混凝土板上方的气体 温度( rI D ) 达到 3 5 8 。在第 0 4 7 d时， 重新打开热 源， 持 续加 热 到 第 2 5 d ， 的最 终 平 衡 温 度 为 4 9 6 。从图 3中可 以看出， 此次加热过程 的影响 深度也为 3 3 5 m m， 剖面温度 T 1 、 和 r 乃 的变化趋 势与图 2相似 ， 存在明显的滞后效应 ， 且最终平衡温 度随深度的增加而减小 。但是在有混凝土板覆盖的 情况下， 土体剖面的最终平衡温度略高于裸土， 且温 差随深度增加 而减小， 如 3 5 mm处最终 温差约 为 3 ， 3 3 5 m m处最终温差约为 1 ( 图2和图 3 ) 。 5 O 4 0 p 赠 3 o 0 0 O S 1 O 1 5 20 25 时间 d 图 3 混凝土板覆盖下土体剖 面温度随时间的变化 Fig3 P r o fi l e t e mp e r a t ur e v a r ia t io n wit h ti me o f s o il wit h co ncr e t e pl a t e co v e r 试验中在混凝土板和土体接触面问安装有一块 热通量板， 监测界面间热量的传递情况， 相关结果如 图4所示。由于热通量板介于温度传感器 1 1 D和 T 1 之间 ， 因此监测到的土体热通量大小 取决 于 m 和 T 1的温度差。结合图 3和图 4的数据可以看出， 打 开热源后 ， 由于1 D的温度迅速升高 ， 而 T 1的升温过 程相对滞后， 和 T 1间的温度差逐渐扩大， 导致土 体热通量也迅速增加， 并在第 0 0 8 d时达到第一个 峰值( 4 4 9 W m ) ， 此后由于热源关闭， 土体热通量 开始减小 ， 在第 0 1 7 d时变为负值 ， 这是 因为此时 T 1的温度高于 T O( 图3 ) ， 热量传递的方向发生改 00 05 1 0 1 5 20 2 5 时间 d 图4 混凝土板与土体接触面间热通量随时间的变化 Fig4 Th e r ma l f l u x v a r ia t io n wi t h t ime b e t we e n t h e in t e r f a ce o f co n cr e t e p l a t e a n d s o il s u rfa ce 变。当第二次打开热源后 ， 土体热通量再次增加， 在 达到第二个峰值后逐渐减小并最终趋于稳定。 通过计算 图 2和 图 3中加热前期 ( 0 2 d ) 曲线 的平均斜率 ， 便得到不同深度处土体的初始升温速 率( o C d ) ( 图 5 ) 。从 图中可以看 出， 土体初始升 温速率随深度 的增加呈指数递减。靠近土体表面， 混凝土板覆盖下土体的升温速率明显高于裸土， 但 随着深度的增加， 土体表面覆盖层属性对初始升温 速率的影响程度逐渐减弱。 1 0 0 0 5 0 1 D O 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 35 0 剖 面深度 一 图5 裸土与混凝土板覆盖下土体剖面的初始升温速率 Fig5 I n it ia l t e mp e r a t u r e incr e a s e r a t e o f ba r e s o il a n d co n cr e t e p l a t e co v e r e d s o il a t d iff e r e n t d e p t h 4 2 水 浴加 热 为了实现加热过程 中热源的温度可控可调， 研 究小组根据模型箱顶部的尺寸， 设计了一个水浴箱。 图 6给出了采用水浴箱对裸土加热时 ， 剖 面温度 ( TO一 ) 随时问的变化关系。从图上看 出， 土体 的 初始温度约为 2 0 ， 当水浴温度分别设定为 3 0 、 4 5 和 6 0 时( 第 4 d到第 6 5 d发生仪器故障) ， 土 惦嚣巧佑协 0 蚓赠雅 刊 柏 0 T P 瓣瑙赙柬 1 8 ( 6 ) 唐朝 生等 ：土体剖面温度物理模型试验研 究 9 1 7 体剖面温度随水浴温度 的增加而增加， 在深度方 向 也存在一定 的滞后效应 ， 这与 图 2和 图 3所观察到 的现象相似 。以土体表面温度 为例 ， 在三次升温 作用 下 ， 最 终平 衡 温度 分 别 为 2 5 8 、 3 4 5 和 4 3 3 ， 与水浴的设定温度差分别 为 4 2 、 1 0 5 和 l 6 7 。说明在加热过程 中热源到土体 表面存 在一定的热量损失 ， 损失量 随热源温度 的增加而增 加 。 5 5 50 45 4 0 越 3 赠 30 2 5 2 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 时问 d 图6 水浴作用下裸土剖面温度随时问的变化 Fig 6 Pr o f il e t e mpe r a t u r e v a r ia t io n wit h t ime o f b a r e s o il b y h e a t in g wit h wa t e r ba t h 5 讨论 5 1 热量在土体 中的传递及影晌因素 自然界中土体温度的变化主要取决于地表处辐 射能、 热能和潜能发生交换 的时空特点及强度 ， 在温 度梯度作用 下， 热量会从地表向土体 内部传递 ， 增加 地温场的强度 。由于土体是一个非常复杂的多孔介 质 ， 包含 固、 液 、 气三相 ， 因此 ， 热量在土体 中的传递 过程异常复杂 ， 一直是人们 的研究重点和热点。归 纳起来 ， 热量的传递存在三种基 本模式 ： 传导 、 辐射 和对流。以图7为例 ， 则热量在 土颗粒和孔隙流体 ( 气) 间的传导机理 和途径有 以下几种 形式 ： 热 量在颗粒内的传导、 颗粒接触面 问的传导 ( 当土颗 粒相互接触时) 、 颗粒一 流体传导 、 颗粒 一 流体一 颗粒 传导( 当土颗粒被孔 隙流体分开时) 、 孔隙流体 中的 传导 、 颗粒对相邻介质的热辐射和孔隙流体 ( 水和 气) 的对流等。 Y u n等 指出， 土体 中各相 的热导系数存在显 著 的差 异 ， 一 般矿 物成分 的热导 系数大 于 3 Wm k ， 孔隙水的热导系数为 0 5 6 wm k ( 0 C时) ， 而 l 1 I l l j I j I I l热 量 土 颗 粒孔 隙 流 体 ( 水 气 ) 图7 热量在土颗粒及孔隙流体间的传导机理和途径 F ig 7 T h e r ma l co n d u ct i o n me ch a n is ms a n d p a t h s be t we e n s o il pa r t icl e s a n d p o r e flu id 1 颗粒 传导； 2 接触面传导；3 颗粒 一 液体传导 ； 4 颗粒一 流体一 颗粒 传导 ；5 孔 隙流 体传 导 ； 6 颗 粒 一 颗 粒辐 射 ； 7 颗粒辐射 ； 8 孔 隙流体对流 孔隙气体的热导系数非常小 ， 只有 0 0 2 6 wm k 。 由此可见 ， 热量在土体剖面的传递速率和影响深度 将受土质成分、 含水量 、 孔隙率等因素的影响。通常 情况下， 土体 中石英含量越 高、 含水量或干密度越 大 ， 热量在土体中的传导速率也越快 。李守 巨 等 的研究结果表明 ： 岩土材料 的导热系数 随孔 隙 比的增加而减小；张延 军等 列发 现温度对土体 的 导热性能也有一定的影响。本次研究中模型箱 内土 体为分层击实 ， 各层土体的干密度基本一致， 因此剖 面的热传导性质受孔隙率或密实度 的影响可忽略不 计。由于土体初始为风干状态， 含水量较低 ， 则热量 在土体剖面的传递主要是以固体颗粒间的接触面为 途径 ， 孔隙流体的影响较小。根据文献 7 对干土 开展的热传导研究结果可知， 模型箱 内风干下蜀土 在加热 过程 中剖 面 的 热传 导 系 数 应 该小 于 0 5 W m一 k。 热量在土体剖面传递过程 中， 一部分热量由土 体所吸收 ， 表现为土体温度的增加 ， 另一部分热量则 通过模型箱边界散失 ， 这两个过程均会导致 土体剖 面温度梯度的改变 。由 图 2 、 图 3和 图 6的结果可 知， 土体 的温度一 时间曲线 明显分为两段 ： 升温段和 相对平 稳 段。在 加 热初 期 ， 温度 上 升 速率 较 快， 0 5 d内土体的温度 已经达到整个加热过程 的 9 0 以上 ， 这主要是 因为刚开始加热时土体与热源 以及 土层之间的温度梯度大， 热量传递速率快。随着加 热时间的延长， 土体吸收的热量多 ， 温度逐渐接近热 源的温度 ， 上下土层之间的温度梯度逐渐减小， 热量 的传递速率开始下降 ， 直到等于热量通 过边界的散 失速率 ， 此时土体热量的收支达到平衡 ， 温度趋于稳 9 l 8 J o u r n a l o fE n g in e e r in g G e o l o g y 工程地质学报2 0 1 0 定。但图2 、 图3和图 6的结果还表明， 稳定之后土 体的温度明显随深度的增加而递减， 进一步验证了 热量在土体剖面传递过程 中的损失。由此可见 ， 深 度变化引起的温度衰减和滞后 ， 可归因于热量传递 路径中土体对热量的吸收或释放 。 土体升温速率随深度的变化反映了热量在剖面 的传递速率。图5的结果说 明， 尽管热源的功率不 变 ， 加热过程中热量的传递速率随深度的增加而递 减。这主要是因为在土体剖面上 ， 下层土体升温所 需的热量都来 自上层土体传递的热量， 换言之 ， 下层 土体的升温速率取决于上层土体热量的传递速率。 由前文的分析可知， 深度的增加会加剧温度的衰减 ， 表现为上下土层温度梯度和热通量的减小， 从而上 层土体对下层土体的热传递速率也因此而降低。 5 2覆盖物对土体温度场的影响 对比图 2和图3可知， 在混凝土板覆盖下 ， 土体 温度平衡时较裸土高 ， 土体 的初始升温速率也高于 裸土 ( 图 5 ) ， 说明土体剖面温度场的变化受覆盖物 的影响 ， 主要原因是不 同的覆盖物具有不同的热物 理性质。通常情况下 ， 混凝土的热容量低于裸土 ， 热 导系数较裸土高， 而表面反射率相对裸土要低， 使混 凝土能吸收更多的辐射并转化为热量 。除此之 外 ， 由于混凝土板的覆盖 ， 在一定程度上阻碍 了下层 土体热量的散失。这进一步解释了城市热岛效应产 生的一个原因 ， j 。即在城市发展过程中， 原有的 自然土体表面被大量人为材料 ( 水泥、 混凝土、 沥青 等) 所取代， 极大地改变了地表 的热特性 以及地表 一 大气和地表一 下层土体之间的热量和物质交换。但 是， 城市热导的成 因机理非常复杂， 影响因素繁多， 地表覆盖特性的改变只是其 中之一。除此之外 ， 地 下工程特别是城市地铁在施工、 营运过程 中， 由于原 有地质体被混凝土取代， 围岩的传热规律 、 温度场演 化的时空特征也随之发生改变。因此 ， 实际工程中， 有必要对围岩系统传热进行科学的预测与评价， 以 改善地下空间内的热环境， 节省工程投资。在接下 来的工作中， 本课题组将对其它材料覆盖下土体剖 面的传热特点开展模型试验研究 。 5 3 土体热通量 土体热通量是研究土体能量平衡的一个重要参 数 ， 目前最常用的测量方法是采用热通量板 。热 通量板的原理很简单， 制造热通量板材料的热导系 数一般是恒定的， 因此只要通过封装在板 内的温差 电堆( t h e r m o p il e ) 感应板上下表面间的温度梯度 ， 便 能计算出通过板 内的热量。根据傅里叶定律 ， 土体 的热导系数 A与热通量 G存在如下关系 ： G= 一A ( d T d z ) ( 1 ) 式中， d T d z即土体剖面方向的平均温度梯度。本 文假定模型箱 中混凝土板的温度分布均匀 ， 且与板 上方空气温度 1 1 D 一致 ， 通过热通量板的热量与通过 土体的热量相等 ， 则根据图 3中 1 1 D 和 T 1 的数据以 及图 5中测得的土体表面热通量值 ， 由式( 1 ) 可计 算得模型箱内风干下属土的热导系数为 0 1 1 Wm k 一。S a u e r 等 通过试验 测试 了另一种 风干黏土 ( 砂含量 3 2 ， 粉粒含量 2 5 ， 黏粒含量 4 3 ， 含水 量 3 6 ， 干密度 1 3 9 g cm ) 的热导 系数 ， 其结 果为 0 2 6 Wm k ， 略高于本文的研究结果 ， 这主 要是因为 S a u e r 等采用的土样中含砂量 ( 3 2 ) 远远 高于下蜀土( 0 2 ) ( 表 1 ) 。 尽管热通量板具有小巧 、 方便、 耐用和快速测量 等优点 ， 并被广泛用于大气科学、 农业、 林业和生态 学等领域的现场土体试验中， 但需要强调的是 ， 通过 热通量板测得 的土体热通量数据一般较真实值偏 小 。导致这一差异的原因主要有以下三个方面： ( 1 ) 热通量板的埋入会导致周边土体热流 的紊乱 ； ( 2 ) 热通量板与土体接触面对热流的通过会产生阻 碍作用 ；( 3 ) 土体 中各相之间相互转换 ( 液 气 ) 所 消耗的能量无法通过热通量板测得。因此 ， 直接采 用热通量板所测的数据应该通过适 当的修正 ， 否则 只能作为定性的参考。 6 结论 本文通过 自主开发的土体温度物理模型试验系 统 ， 研究了土体剖面温度的传递特点和规律 ， 分析了 表面覆盖层对土体剖面热传导性质的影响 ， 得到如 下结论 ： ( 1 ) 开发的土体温度物理模 型试验系统具有较 好的灵敏性和精度 ， 为开展室内土体温度场试验提 供了良好的平台。 ( 2 ) 在热源作用下， 土体剖面温度随时间的变 化存在两个不同的阶段 ： 迅速升温和相对平稳阶段 ， 其中升温阶段土体的温度能在短时间内达到最终平 衡温度的9 0 以上。采用水浴作为热源， 能较好地 实现热源温度的调控。 ( 3 ) 温度在土体剖面上的传递存在明显 的滞后 效应 ， 深度增加 ， 温度衰减越显著。靠近热源越近， 1 8 ( 6 ) 唐朝生等：土体剖面温度物理模型试验研究 9 1 9 土体的初始升温速率越 高， 但 随深度增加而呈指数 递减 。 ( 4 ) 不同覆盖层对土体剖面温度传递过程和特 点有一定影响。在混凝土板覆盖的情况下 ， 由于表 面热物理性质的改变， 剖面土体平衡时温度较裸土 高 ， 土体的初始升温速率也高于裸土 ， 但随着深度的 增加 ， 混凝土板覆盖层对初始升温速率的影 响程度 逐渐减弱。 ( 5 ) 热通量板能用于监测模型箱 内土体剖 面的 热量平衡情况 ， 利用澳 0 得的热通量数据初步估算 了 9 1 O 1 1 模型箱内风干下蜀土的热导系数 ， 结果为 0 1 1 Wm 1 2 k 。 本文仅对 干土剖面温度 场变化开展 了初步研 究， 在不同含水量或者饱和条件下， 由于存在显著的 水分蒸发和热 一 水耦合作用 ， 土体剖面温度和热传 导性质将更加复杂 ， 也更接近实际情况 ， 这些工作将 在接下来的物理模型试验中逐一开展。 l 1 3 J 1 2 3 4 5 6 7 8 参考文献 【 a g u ms J G Ef f e ct o f t e mp e r a t u r e O il s o me e n g in e e ri n g p r o p e r t i e s o f cl a y s o i l s C I n t C ro ft E f f e ct s o f T e m p e r a t u r e a n d He a t o n E n - g in e e ri n g B e h a v io u r o f S o il s t t ig h wa y Re s e a r ch B o a r d P u b l is h e r s ， W a s h in g t o n， D C ， S p e c Re p ， 1 9 6 9， 1 0 3：1 8 61 9 3 Ct o r i P T h e e f f e ct s o f t e mp e r a t u r e o n t h e p h y s i ca l p r o p e rtie s o f co h e s i v e s o l l J j G r o u n d E n g i n e e ri n g ，1 9 8 9， 2 2( 5 ) ： 2 62 7 B r u y n D D ， Th imu s J F T h e in fl u e n ce o f t e mp e r a tur e o ff me - ch a n ie al ch a r a c t e r is t ics o f B o o m cl a y：T h e r e s u l t s o f a ft in it ia l l a b o r a t o r y p r o g r a mm e J E n g i n e e rin g G e o l o g y，1 9 9 6， 4 1 ：1 1 7 1 2 6 Wu J ， No f z ig e r DI I n co r p o r a t in g t e mp e r a t u r e e f f e ct s o n p e s t i- ci d e d e g r a d a t i o n i n t o a m a n a g e me n t mo d e l J J E n v i r o n Q u a1 ， 1 9 9 9， 2 8 ：9 21 0 0 H i l l e l D I n t r o d u ct i o n t o e n v i r o n m e n t a l s o i l p h y s i cs M U S A： El s e v ie r Aca d e mic P r e s s ，2 0 0 4 Mih a l a k a k o u G On e s t ima t in g s p it s u r f a ce t e mp e r a t u r e p r o fi l e s J E n e r gy a n d B u i l d i n g s ， 2 0 0 2 ， 3 4： 2 5 12 5 9 Yu n T S ， S a n t a ma rin a J C F u n d a me n t al s t u d y o f t h e r ma l co n d u c t i o n i n d r y s o i l s J G r a n u l a r Ma t t e r ， 2 0 0 8 ， 1 0： 1 9 7 2 0 7 Wie r e n g a P J ， Nie l s e n D R ， Ha g a n RM T h e rm al p r o p e r t ie s o f s o i l b a s e d u p o n fie l d a n d l a b o r a t o ry me a s u r e me n t s J S o i l S ci - e n ce S o ci e t y o f A me ri ca P r o ce e d in g s ，1 9 6 9， ( 3 3 ) ： 3 5 43 6 0 1 4 1 5 1 6 1 7 【 1 8 1 9 刘 为民，何平 ， 张钊 土体导热系数的评价与计算 J 冰川冻 土 ， 2 0 0 2 ， 2 4 9 ( 6 ) ： 7 7 07 7 3 L iu We imin， He P in g， Zh a n g Zh a o A calcu l a t i o n me t h o d o f t h e r ma l co n d u ct iv it y o f s o il s J o u r n a l o f Gl a cio l o g y a n d Ge o e r y o l o g y， 2 0 0 2， 2 4 9 ( 6) ： 7 7 0 7 7 3 Kr is h n a ia h SDe t e r min a t io n o f in flu e n ce o f v a r io u s p a r a me t e r s o n t h e rma l p r o p e r t i e s o f s o i l s J I n t C o mm H e a t M a s s T r a n s f e r ， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 6 ) ： 8 6 1 8 7 0 Co s e n z a P ， Gu e r in R ， T ab b a g h A Re l a t io n s h ip b e t we e n t h e r - ma l c o n d u ct iv it y a n d wa t e r co n t e n t o f s o il s u s in g n u me ri ca l mo d - cl i n g J E u r o p e a n J o u r n a l o f S o i l S ci e n ce ，2 0 0 3， 5 4 ：5 8 1 5 8 7 李守 巨， 范永思 ， 张德 岗， 等 岩土材料 导热系数与孔 隙率关 系 的数值 模 拟分 析 J 岩 土 力学 ，2 0 0 7 ，2 8( 增 ) ：2 4 4 2 4 8 L i S h o u j u ， F a n Yo n g s i， Z h a n g D e g a n g ， e t a1 N u m e ri ca l s i mu l a t i o n o f r e l a t io n s h ip b e twe e n t h e rm a l co n d u c t iv ity o f g e o t e e h n ic al ma t e r im a n d it s p o r o s i t y Ro ck a n d S o il Me c h a n ics ， 2 0 07， 28 ( s