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摘 要：瞬态平面热源法,通过探头和试样直接进行热量传播,具有耗时短,精度高,导热系数测试范围广泛以及测试材料种类多等特点.应用于天津地铁的通风计算中,不仅可以提供精确的试验参数,还可以节约大量时间.运用DRE-2C导热系数测试仪分析黏质粉土以及粉质粘土试样尺寸、天然含水率对导热系数试验结果的影响,说明瞬态平面热源法在探头半径固定的情况下,试样本身的厚度需大于探头产生的热波在热流方向进入试样的深度,并推荐了适用于DRE-2C导热系数测试仪的试样规格；黏质粉土以及粉质粘土的导热系数随天然含水率升高而升高.为今后瞬态平面热源法在天津地区的应用提供了参考.
关键词：瞬态平面热源法；城市轨道交通；试样尺寸；天然含水率
在城市轨道交通工程的通风计算中,热物理指标扮演着重要的角色.获得导热系数的方法主要为稳态法以及非稳态测试法两种[1].稳态测试法需借助上下托板使试样达到热平衡,费时费力,显然不能满足进度日益加快的地铁勘察项目.为了提供优质的城市轨道交通设计方案,合理降低工程论文范文,试验室需快捷准确地提供所取岩土体的热物理指标,以保证工程的顺利进行,为此国内外学者对非稳态测试法进行了一系列研究.
古斯塔夫森（瑞典）在上世纪70年代致力于研究物体的热扩散率以及导热系数等热物理性质.在研究了瞬态热带法以及瞬态论文范文法等测试手段后,他提出了瞬态平面热源法理论,并将其应用于测试材料的热物理性质当中[2].由此,瞬态平面热源法大幅缩短了试验时间,为紧张的工程建设节约时间成本.
王景莉、邱学林等人以哈尔滨地铁勘察项目为基础,运用瞬态平面热源法,总结并积累了该地区的试验数据[3]；肖红俊、于帆等人运用数值模拟,研究了试样在加热过程中温度变化情况对试验结果的影响,并证明了瞬态平面热源法在高温环境下具有可行性[4]；孟飞燕在研究了瞬态平面热源法的各项影响因素后得出了试样湿度的变化会对试验结果造成显著影响的论断[5].
天津地区地铁勘察中导热系数试验主要以稳态法为主,运用瞬态平面热源法的试验较少.依托铁道第三勘察设计院集团有限公司承揽的天津地铁勘察设计项目的导热系数试验,使用DRE-2C导热系数测试仪进行相关瞬态平面热源法试验,探讨试样规格以及天然含水率对试验结果的影响.
1.瞬态平面热源法
1 1 瞬态平面热源法简介
瞬态平面热源法作为非稳态测试法的一个分支,其区别于稳态测试法的特点有：
（1）耗时短,整个试验过程一般不超过20分钟；
（2）测试范围广,可以测试包括土样、岩石以及金属在内的多种工程建筑材料；
（3）适用面较广且精度高,导热系数范围在0.01～100 W/(mK)的材料均在仪器测试范围之内.
瞬态平面热源法仪器的探头主体是由金属镍丝制成的同心圆环,金属镍具有较高的电阻温度系数.在实验过程中仪器会对探头施加恒定功率,探头的电阻随着温度的升高而变化,进而改变探头电压,所以探头电阻的变化可以通过探头电压值表现出来.与此同时,探头会在试样内产生一个非稳态的温度场,在这个温度场的作用下,探头对试样进行加热,试样内温度随时间变化.为了获得岩土体导热系数,仪器会记录整个试验过程中探头的温度变化,相关热物理指标就是通过测试试样温度变化的速率得来的[1].
为了符合地铁勘察精度,实验前,仪器需进行约30分钟预热.将探头置于试样中间,使试样和探头紧密接触.当试样和探头温度达到一个稳定平稳状态时,才能进行测试.
在实际操作过程中,探头和试样接触面的温度会稍有不同,这主要是由两方面原因引起的.一方面是,探头和试样之间会产生接触热阻,使热量在传播过程中产生一定的消耗；另一方面,为了给探头提供电绝缘性,同时提升探头的机械强度,在金属镍的表层会涂有具有抗腐蚀性的论文范文物,具有一定的厚度.所以试样表面的温度会低于探头的温度.
1 2 瞬态平面热源法原理
当仪器开始工作时,探头阻值和时间的关系如下[6]：
式中t为测试时间,R0为t等于0时刻探头的阻值,T为探头护层两侧温度差值,α为镍的电阻温度系数,T论文范文e(τ)为试样温度升高值.
其中τ的表达式为：
2.天津地区工程地质概况
天津市位于华北平原东部,海河流域下游,北依燕山,东临渤海.天津市地形自西北向东南逐渐降低.北部山区约占全市总面积的5%,大部分是低于800m的低山和相对高度在200m以下的丘陵,境内最高峰1052m.京沈公路以南渐趋平缓.自北向南倾斜,南缘与近代河流冲积平原交接处地势相对低洼,形成洼淀.再向南是辽阔的海河冲积平原,海拔5～10m.
沿线区段位于自中生代早期以来形成的黄骅凹陷和沧县隆起的过渡区,构造单元主要包括白塘口凹陷,小韩庄凸起,板桥凹陷、北塘凹陷和塘沽鼻状构造带.工程范围地貌单元为海积~冲积滨海平原,地形较平坦,地势开阔,地面高程一般为1.70～4.25m.沿线主要河流有污水河、四化河、卫津河、津河、海河、新开河等.各河流量受季节及上游降水量影响较大,雨季水量明显增加.取样的地层范围主要以第四系海陆交互地层为主.此次热物理试验取样深度在地下30米左右,此深度岩性以黏质粉土以及粉质黏土为主.
3 试验结果及分析
3 1 式样尺寸对实验结果的影响
导热系数试验要求土样严格保持原始状态,天津地区空气湿度较低,取样以及制备过程需严格按照规范执行[8],不能令其干湿状态受到外界影响,并且要求试样上下表面、试样同探头的接触面需足够光滑平整——这是确保导热系数试验顺利开展、试验数据准确的必要条件.
DRE-2C导热系数测试仪上下托盘的直径为80mm,适用于此仪器的常规试样的规格有“直径80mm×高40mm”、“直径80mm×高20mm”,考虑到工程中经常遇到直径108mm的钻头,在试验中加入“直径90mm×高60mm”的试样进行对比.根据试验规程[8],在天然含水率以及天然密度一定的前提下,分别将粉质粘土以及黏质粉土制成以上尺寸的试样分别进行试验[9],得到试验结果如表1.
由表1可以看出,对于同一种岩性的试样来说,试样规格为“直径80mm×高40mm”以及“直径90mm×高60mm”的试验结果相差不大.但规格为“直径80mm×高20mm”的试样的试验结果却和其他尺寸的试验结果有很大差别.对照《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307-2012）[10],试样规格为“直径80mm×高40mm”以及“直径90mm×高60mm”的试验结果更加符合规范要求.
这主要是因为在进行瞬态平面热源法在试验时,仪器会假设试样是一个无限大介质.在这个前提下,加热过程中的热量交换才会只发生在探头和试样之间.一旦不能满足这个条件,所得到的试验结果就与实际值具有较大差距.根据文献[5]探头半径和探测深度应满足：1.1r_0≤P≤2r_0,其中r_0为探头半径,P为探测深度.在具体试验过程中,当仪器探头半径固定时,必须保证试样本身的厚度大于探头产生的热波在热流方向进入试样的深度,当不满足这个条件时,外界的物体会参与到试验的热量交换当中,严重影响试验结果,因此试样的尺寸不应小于探测深度.
由于规格为“直径90mm×高60mm”的试样是为了对比参照,实际操作中并不容易制备,所以推荐规格为“直径80mm×高40mm”的试样.
3 2 天然含水率对实验结果的影响
地下岩土体是一个复杂的多孔介质系统,其组成包括固、液、气三相[11],含水土体导热主要通过土体颗粒之间的接触点、水以及空气进行传导.天津地区地下水位较浅,所取样品埋深均低于地下水位,所以各层含水率一般较高.根据工程勘察钻探取样试验可知,黏质粉土和粉质粘土的天然含水率主要集中在17%～34%之间.
为了探讨天津地区土体导热系数随其含水量的变化,选取并制备不同天然含水率黏质粉土以及粉质黏土试样进行试验,测得导热系数如图2、图3所示.
根据图2、图3可知,天津地区的黏质粉土以及粉质粘土,随着天然含水率的增大,其导热系数显示出增大的趋势.这主要是由于所取样品埋深低于地下水位,水体通过孔隙进入土体,土中的空气随着含水率的提高逐渐被水取代,而水的导热系数是空气的20倍左右[12]；另一方面,吸附在土体颗粒表面的水形成水膜,令颗粒之间的接触点减少,减少了颗粒之间的接触热阻；与此同时,含水量的增加使得土体的热潮迁移作用上升,所以当试样含水量提高时,试样的固、液、气三相比例就会发生变化,其导热系数也随之升高.
4.结语
瞬态平面热源法为天津城市轨道交通提供了快捷有效的获取试验参数的方法.运用DRE-2C导热系数测试仪,对试样规格以及含水率对实验结果的影响作出分析：
（1）试验过程中要注意探头的半径和试样规格之间的关系.采用三种规格的试样进行对比试验,将试验结果与《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307-2012）对比,推荐天津地区使用规格为“直径80mm×高40mm”的试样,以保证试样本身的厚度在探头产生的热波方向上大于进入试样的深度.
由于瞬态平面热源法试验过程中,探头产生的热量在试样中的扩散同试样的特性相关,所以不同种岩性的试样的探测深度不尽相同,对于适用于不同种岩性的试样尺寸值得进一步研究.
（2）选取并制备不同天然含水率的试样分别进行试验.天然含水率是影响天津地区土体导热系数的关键因素,随着天然含水率的升高,黏质粉土以及粉质粘土的导热系数也随之升高.
天津地区土体的导热系数以及含水率拟合公式有待进一步研究.
参考文献
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Data Series[M] ,V01．2．New York：Plenum Press,1970：13a-25a．
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［3］王景莉,邱学林. 哈尔滨轨道交通勘察岩土热物理指标的测定[J]. 黑龙江科技信息, 2009(20):59-59.
［4］肖红俊,于帆,张欣欣. 瞬态平面热源法测量材料导热系数[J]. 工程科学学报, 2012l,34(12):1432-1436.
［5］孟飞燕,张玫,马亿珠,邱跃龙. 瞬态平面热源法测试材料热导率的影响因素分析[J].《河南科技》,
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［11］王铁行,刘自成,卢靖. 黄土导热系数和比热容的实验研究[J]. 岩土力学, 2007,28(4):654-658.
［12］瞿成松,曹袁,徐丹,陈海洋. 上海地区岩土导热系数初步分析[C]. 第九届全国工程地质大会论文集, 青岛：2012.
作者简介
刘其琛：男,1989年生,助理工程师,铁道第三勘察设计院集团有限公司
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