土体电阻率与导热系数的相关性实验研究
刘子文;张丹;程健
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【摘 要】将南京下蜀土与中砂以不同比例混合,配制了四种土样,利用室内四极法分别测试了每种土样在不同含水率条件下的电阻率,发现随含水率和黏土颗粒含量的增加,土体电阻率减小;同时,采用DRE导热系数测试仪测试了每个试样的导热系数,发现随含水率和砂含量的增高,导热系数增大.已有研究表明,土的电阻率与导热系数均与土体饱和度及孔隙率等物理性质有关.通过将土的电阻率与导热系数进行拟合,发现两者符合指数关系,并建立了表征电阻率与导热系数相关性的数学模型.该文研究结果为利用现场实测的电阻率指标间接求取土体的导热系数提供了依据.%Four different types of soil were made by mixing Nanjing Xiashu soil and fine sand in different proportions.The resistivity of soil with different water content was measured by four electrodes method.It was found that the resistivity of soil decread with the increa of water content and clay content.Meanwhile,the thermal conductivity of soil samples was tested by DRE thermal conductivity apparatus,and it was found that the thermal conductivity incread with the increa of water content and sand content.It has b
een verified that the soil resistivity and thermal conductivity are related to the physical properties of soil,such as saturation and porosity, etc.By fitting the resistivity and thermal conductivity of the soil,a good exponential relationship was found.A mathematical model was established to characterize the correlation between resistivity and thermal conductivity.This study provides the basis for the indirect determination of the thermal conductivity of the soil by using the measured in-itu resistivity index.
【期刊名称】《高校地质学报》
【年(卷),期】2018(024)002
【总页数】6页(P251-256)
【关键词】电阻率;导热系数;含水率;相关性;指数模型
【作 者】刘子文;张丹;程健
【作者单位】单词南京大学地球科学与工程学院,南京210023;南京大学地球科学与工程学院,南京210023;南京大学地球科学与工程学院,南京210023
【正文语种】中 文
【中图分类】P642.1
1 引言
essay范文导热系数是岩土体的重要热力学指标，是地源热泵地下换热器设计的关键因素，也是计算地下浅层能量平衡、能量分布特征和蓄能能力的基本参数，对土壤源热泵地埋管换热器的换热效率有直接的影响（于明志等，2006）。因此，准确测定岩土体的导热系数及其他热物性参数并掌握其变化规律，是土壤源热泵系统在满足空调使用要求的同时，发挥其节能、经济、环保等优势的重要保障，对浅层地温能的可持续开发和利用的理论研究和工程设计具有重要的意义（余闯等，2009）。导热系数的测定方法包括现场测试法、室内测试法和组分类型辨别法（刘建军和刘海蕾，2009）。其中，组分类型辨别法可以为土体热物性的确定提供一定理论依据，但难以满足精度要求。室内测试法包括稳态测试法和非稳态测试法，但由于试验过程中，土样的结构和含水率有可能发生较大的变化，造成其物性参数也发生变化。现场测试法通常采用热响应试验，按线热源模型和柱热源模型计算导热系数，精度较好，但测试成本相对较高。
土的电阻率是表征土体导电性的基本参数，是土的基本物性参数之一，通常可以利用电阻率综合反映土的物理性质和状态。目前，电阻率孔压静力触探RCPTU已成为评价岩土污染和地下水污染特征的有效手段之一，蔡国军等（2012）采用RCPTU测试技术对场地的污染物分布运移规律进行了初步的研究，得出电阻率分布与农药污染物范围相对应。Campanella等（1998）对加拿大东部一硫化物尾矿蓄池场地进行RCPTU勘探，指出孔隙水中可溶物总量与土体体积电阻率呈线性递减关系。邹海峰和刘松玉（2013）采用电阻率孔压静力触探（RCPTU）对饱和粉质砂土液化势进行有效评估。
土的电阻率与导热系数都与土的基本物理性质密切相关。基于此，本文对两者的相关性进行试验研究，建立电阻率与导热系数相关关系的数学模型。为工程勘察阶段，根据电阻率与导热系数的关系，利用实测的电阻率指标间接求取土体的导热系数提供依据。
2 实验方案
2.1 实验材料
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uplink实验选用的细粒土取自南京地区典型下蜀土，粒径大小如表1所示，化学成分见表2，所选用中砂的粒度组成如表3所示。
justaboutenough下蜀土经过风干、磨碎、筛选、烘干后，与中砂以不同质量配比混合，制成不同粒度成分的四组试样，质量配比分别为1∶0、1∶0.2、1∶0.6和1∶1（下蜀土与中砂质量之比），四组试样的颗粒级配如图1所示。加入适量的水，通过分层压实制作
世界上最长的单词表1 下蜀土粒度组成Table 1 Granular composition of Xiashu loess粒级颗粒直径所占百分比/%砂粒＞0.075 12.08粉粒0.075～0.005 74.47粘粒＜0.005 13.45
表2 下蜀土化学成分Table 2 Chemical constituents of Xiashu loess化学成分含量/%SO2 69.95 Fe2O3 6.11 FeO 0.7 Al2O3 13.33 GaO 4.89 Na2O 5.02
表3 中砂粒度组成Table 3 Granular composition of fine sand particles粒级颗粒直径所占百分比/%黏土＜0.075 0.6粉砂0.075～0.1 5.8细砂0.1～0.25 16.23中砂0.25～0.5 70.76粗砂0.5～1 6.61
图1 试样粒径级配曲线Fig.1 Granular composition curve of the mixed soil
为不同含水率的三轴试样，试样的尺寸为6.18 cm×12 cm，干密度为1.7 g/cm3。
2.2 实验方法
2.2.1 电阻率测试
fullof土样电阻率是通过测试电极两端的电压及电极间的电流，按式（1）计算出土样电阻率ρ的大小。北京日语翻译公司
式中，S为土样横截面积，m2；L为电极距离，m；I为电流大小，A；ΔV为两电极电压降。
现有的室内测试土样电阻率方法按电极数量主要有四极法及二极法（Bryson et al.,2005），如图2所示。
图2 土电阻率测试方法Fig.2 Earth resistivity test methods
二极法是直接测试土样两端电极的电压计算电阻率，操作简单，对土样造成的扰动作用小。但测试结果包含电极与土样间的接触电阻，为尽量减少接触电阻对测量结果的影响，可以在电极和土样之间涂抹一层导电性能良好的介质材料，例如石墨，进行接触电阻修正，减少试验误差。
四极法是在土样上选取恰当位置，将电压极插入土样中，测试电压极两端的电压降，式（1）中的L是电压极两端的距离。此方法能够准确的测量土样电阻率，但插入电压极会对土样造成扰动作用，且电极间的距离难以准确确定（刘松玉等，2006）。
电流类型对测试结果也有影响。研究表明，直流电流会产生极化效应，导致电阻率测试结果不准确（Hamed et al.,1990）。土壤电阻率的测量，宜采用交流信号以抑制极化效应带来的测量误差。而高频交流电流会导致土电性改变（Mitchell and Anulanandan,1968），周密等（2011）采用不同频率交流电流测试土体电阻率，发现频率1000 Hz以内土体电阻率测量结果相差不大。结合实验条件，采用四极法测量土样电阻率，电流类型为交流信号，频率为50 Hz。采用调压器调节土样两端电压，测试电压为90 V。经过多次测试后，电压极间距确定为9 cm。电压极插入深度为0.5 cm。
2.2.2 导热系数测试
导热系数采用DRE导热系数测试仪进行测试。此系统基于TPS瞬态平面热源技术，用Hot Disk作为探头的导热系数测定仪。导热系数测定范围0.01～100 W/(m·k)，温度范围 -40～120 ℃，测量相对误差≤3%。重复性误差≤3%。测试中将三份平行土样两两组合，将测试
探头夹在两块试样块中间，同一组合测试可用不同的试样接触面进行测试。因此，对于同一组土，可以测试6～8组有效数据，以消除随机误差对测试结果的影响。
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