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1、关于土的导热系数变化规律的研究关于土的导热系数变化规律的研究青藏铁路数字路基及仿真平台青藏铁路数字路基及仿真平台 目目 录录1.引言引言 2.影响导热系数的主要因素影响导热系数的主要因素 3.高含水（冰）量的土的导热系数变化规律高含水（冰）量的土的导热系数变化规律 4.导热系数的估算方法导热系数的估算方法5.土的导热系数的确定原则土的导热系数的确定原则 6.存在问题1.引 言1.1青藏铁路在数值仿真计算中目前还面临两大难题：冻土导热系数的变化规律 边界条件的影响因素1.2冻土的导热系数影响因素多，关系复杂。1.3主要做的工作：a：基于国内外专家的试验资料来做一些热参数的回归分析，给出估算导热系
2、数计算公式。b：对于关系复杂具有非线性关系的高含水（冰）量土的导热系数用建立其预测模型。c：对以前经验公式或模型人工神经网络进行了系统的分析、比较、总结，提出比较合理的选取方法。2.影响导热系数的主要因素影响导热系数的主要因素 2.1干密度对导热系数的影响干密度对导热系数的影响 2.2含水量对导热系数的影响含水量对导热系数的影响 2.3孔隙率对导热系数的影响孔隙率对导热系数的影响 2.4土的物质组成对导热系数的影响土的物质组成对导热系数的影响 2.5温度对导热系数的影响温度对导热系数的影响 2.6传热方式对导热系数的影响传热方式对导热系数的影响2.7土的级配对导热系数的影响土的级配对导热系数的
3、影响 2.1干密度对导热系数的影响干密度对导热系数的影响在含水量一定时，导热系数随干密度的增加而成线性、指数形式或者对数形式增加。下面以四种不同的土来研究具体的关系：2.1.1草炭粉质粘土草炭粉质粘土导热系数随干密度变化的回导热系数随干密度变化的回归分析归分析如上图为草炭粉质粘土在含水量为110时导热系数与干密度关系的线型方程、指数型方程和对数型方程的拟合情况，可以看出直线型方程拟合的最好融土导热系数干密度10009008007006005004003001.41.21.0.8.6.4.2ObservedLinearLogarithmicExponential冻土导热系数干密度10009008
4、007006005004003002.52.01.51.0.5ObservedLinearLogarithmicExponential2.1.2砂砾导热系数随干密度变化的回归分析砂砾导热系数随干密度变化的回归分析对于砂砾在含水量为14时，指数型方程拟合的最好(R2=0.99256)，融土导热系数干密度19001800170016001500140013002.22.01.81.61.41.2ObservedLinearLogarithmicExponential冻土导热系数干密度19001800170016001500140013003.02.82.62.42.22.01.81.61.4Obs
5、ervedLinearLogarithmicExponential2.1.3粉质粘土导热系数随干密度变化的回归分析粉质粘土导热系数随干密度变化的回归分析 下图是粉质粘土在含水量为35时，导热系数计算方程的拟合情况 冻土的线性回归方程要拟合的好，而融土的指数型回归方程(R2=0.99377)拟合的好融土导热系数干密度17001600150014001300120011001.61.41.21.0.8ObservedLinearLogarithmicExponential冻土导热系数干密度17001600150014001300120011002.62.42.22.01.81.61.4Observ
6、edLinearLogarithmicExponential2.1.4碎石粉质粘土导热系数随干密度变化的模型分析碎石粉质粘土导热系数随干密度变化的模型分析 对于碎石粉质粘土，分析含水量分别为10、13、15时的导热系数回归模型，发现直线性方程拟合的最好。融土导热系数干密度1900180017001600150014001300120011001.61.41.21.0.8.6.4ObservedLinearLogarithmicExponential冻土导热系数干密度1900180017001600150014001300120011001.81.61.41.21.0.8.6ObservedLi
7、nearLogarithmicExponential2.2含水量对导热系数的影响含水量对导热系数的影响 含水量与导热系数关系是成正比关系的木下诚一在确定含水量与导热系数的关系时认为，在干密度一定时，导热系数随含水量的增大而成指数形式增加。还有一部分学者认为其关系成线性关系。但是，对徐敩祖所做的特定的含水量范围内试验资料进行回归分析，发现还存在对数形式的关系2.2.1草炭粉质粘土导热系数随含水量草炭粉质粘土导热系数随含水量变化的回归分析变化的回归分析 在干密度为400 kg/m3和600 kg/m3时做回归分析，发现直线型方程拟合的最好。下图是在干密度为600kg/m3时，导热系数与含水量关系的
8、回归方程的拟合情况。融土导热系数含水量14012010080604020.9.8.7.6.5.4.3.2.1ObservedLinearLogarithmicExponential冻土导热系数含水量140120100806040202.01.51.0.50.0ObservedLinearLogarithmicExponential2.2.1粉质粘土导热系数随含水量变化的分析粉质粘土导热系数随含水量变化的分析 融土导热系数含水量4030201001.21.0.8.6.4.2ObservedLinearLogarithmicExponential冻土导热系数含水量4030201002.01.51.
9、0.50.0ObservedLinearLogarithmicExponential对粉质粘土在干密度为1300 kg/m3时进行回归分析发现，在融化情况下，对数型回归方程拟合的较好，而在冻结情况下，直线型回归方程拟合的较好2.2.3碎石粉质粘土导热系数随含水量变化分析碎石粉质粘土导热系数随含水量变化分析 对碎石粉质粘土在干密度为1600 kg/m3时进行回归分析，发现碎石粉质粘土的导热系数与含水量的关系是直线型方程拟合的最好融土导热系数含水量181614121086421.61.41.21.0.8.6.4.2ObservedLinearLogarithmicExponential冻土导热系数
10、含水量181614121086421.81.61.41.21.0.8.6.4.2ObservedLinearLogarithmicExponential2.2.4砂砾导热系数随含水量变化的模型分析砂砾导热系数随含水量变化的模型分析 对砂砾在干密度为1400 kg/m3时进行回归分析，发现砂砾的导热系数与含水量的关系是对数型回归方程拟合的最好融土导热系数含水量201001.81.61.41.21.0.8.6.4ObservedLinearLogarithmicExponential冻土导热系数含水量201002.52.01.51.0.50.0ObservedLinearLogarithmicEx
11、ponential孔隙率与干密度的关系密切，其关系为 rd=(1-n)rs，rd为干密度，rs为土颗粒密度，n为孔隙率。当孔隙率增大时，意味着土体的干密度减小，土体的干密度减小，土的导热系数相应的减小。2.3孔隙率对导热系数的影响孔隙率对导热系数的影响 2.4土的物质组成对导热系数的影响土的物质组成对导热系数的影响 土的导热系数主要由土中各组成物质的导热系数决定的，因为土的各物质成分导热系数差别很大（如下表），且含量不同。石英的导热系数是空气的将近350倍，冰的导热系数是水的4倍左右 名称石英矿物土壤有机物水空气冰导热系数w/(m.k)8.42.90.250.60.0262.37密度kg/m3
12、26502650130010001.29002.5温度对导热系数的影响温度对导热系数的影响 2.5.1温度对导热系数的温度对导热系数的影响很大影响很大.2.5.3在负温时在负温时,温度对导热系数的影响分两个温度对导热系数的影响分两个阶段阶段:第一阶段:敏感区.温度范围大概为0-3度左右.第二阶段:非敏感区.2.5.4正温情况下土的导热系数随温度的变化很小。2.5.5目前,大量的数值仿真计算在负温时导热系数只考虑一个常值,有点不合理,有待于更进一步的实验研究.2.6传热方式对导热系数的影响传热方式对导热系数的影响 2.6.1土的传热方式有三种：热传导、对流及辐射。2.6.2如果Rayleigh数
13、 大于39.48时，会发生对流，此时的等效导热系数要远大于 单纯传导的导热系数。2.6.3铁道部科学研究院西北分院曾做过试验，发现块石层中，由于对流作用，冬季导热系数是夏季导热系数12.2倍。2.6.4对于辐射，Wakao et al.指出对于几乎干燥的砾石，辐射对传热也起着显著的影响（在正常温度下，辐射的影响可以达到总传热的10）TKgRa02.7土的级配对导热系数的影响土的级配对导热系数的影响 优良级配的土体其导热系数一般大于不连续级配土体的导热系数。优良级配土体的颗粒间接触较好，而不连续级配土颗粒间存在所谓的接触阻力（De Vries,1952）.从这一点可见，在碎石路基中提倡使用级配良
14、好的碎石，以保证冬季的导热系数达到最大，使之降温效果最好 2.8冻土和融土导热系数的差异冻土和融土导热系数的差异 当含水量小于临界含水量，冻土导热系数可能小于融土导热系数。因为含水量在临界值以下时发生冻结，颗粒之间的未冻水迁移到孔隙中形成冰，这使得接触点的传热效率下降。有些专家研究了临界含水量范围,草炭亚黏土可达1535，亚黏土1218，碎石亚黏土为36 2.9高含水（冰）量的土的导热系数变化规律高含水（冰）量的土的导热系数变化规律大含水（冰）量土的导热系数红色粉质粘土黄色粉土青海风火山兰 州干密度kg/m3含水量%热传导系数w/(m.C)干密度kg/m3含水量%热传导系数w/(m.C)融土
15、冻土融土冻土380202.40.732.154002002.13680109.20.942.067001002.0890078.21.031.97100055.82.051000601.081.951200401.942.021100501.081.951400351.861.91120044.91.091.881400301.721.81120034.31.091.67初步得出：1.高含水（冰）量的各种土，导热系数与干密度和含水量的关系比较复杂。2.我们还发现，不论是黄土还是红色粉质粘土，它们的冻土的导热系数随着含水量的增加都是趋近与冰的导热系数。解决办法：用人工神经网络（ANN）建立高含冰
16、（水）量土的导热系数随干密度和含水量变化的预测模型。ANN模型具有学习、记忆、计算和智能处理功能，具有较强的处理非线性问题能力。4.导热系数的估算方法导热系数的估算方法 4.1 Johansen方法方法4.2块石路堤、护坡中导热系数的计算块石路堤、护坡中导热系数的计算4.3根据冬季当量导热系数与暖季当量导热系数根据冬季当量导热系数与暖季当量导热系数的比例关系计算的比例关系计算 4.4根据回归方程计算根据回归方程计算 4.5Nield多孔介质导热系数的计算多孔介质导热系数的计算4.6福田的三相多孔介质的传热理论系统福田的三相多孔介质的传热理论系统4.7人工神经网络预测高含水（冰）量导热系数人工神经网络预测高含水（冰）量导热系数4.8模型方法的比较模型方法的比较4.1Johansen方法方法 4.1.1.干土，干土，用经验公式来计算用经验公式来计算 4.1.2.干碎石材料，用经验公式算可以看出此方法误差较大.%20947.027007.64135.0dddry%25039.022ndry 干密度 干土导热系数 加减0.217000.270.4718000.310.51孔隙率0.870.90
