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《南京大学》 2019年
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双重孔隙土导热特性的宏细观研究

周殷康  
【摘要】:地下空间目前已被公认是一种空间资源,广泛地用于解决大中型城市交通拥堵、用地紧张等问题的重要举措,地下空间的开发利用对于保障城市可持续发展具有非常重要的意义。同时浅层地温能及地热也是一宝贵自然资源,目前也已逐渐被开发和利用。在地下空间和地热能的协同开发利用中,需要研究围岩(主要是土)的传热特性。目前,对土体导热特性的研究多依赖试验测试,分析土体导热性能指标(导热系数)的变化规律。需要指出的是,导热系数只是土体导热过程的宏观平均化反映,是衡量土层整体热传导能力大小的简易指标。然而,该指标掩盖了土内局部热流运动的差异性,同时也忽视了土内整体热流分布的不均匀性。因此,单纯从导热系数角度研究土体导热性能还不够全面,缺乏对土内实际热流运动过程分析,无法揭示土体的导热规律的内在机理。因此,有必要加强对土的导热特性研究。土具有结构性,它对其导热行为有重要影响。热流总是优先经由热阻最低的颗粒骨架运动,具有明显的优势流特征。由于土结构的特殊性,其导热性能与其他材料的导热性有很大的不同,因此应加强研究土体结构对土体导热特性影响。本文以典型双重孔隙结构土体作为研究对象,结合多厚度修正原理,研制了稳态法导热系数改进测试技术,首先对双重孔隙土导热特性进行了一系列试验分析。同时,开发了结构性土细观导热模拟系统,包括土结构的细观建模和稳态热传导模拟技术,对双重孔隙土的导热特性进行了系统地模拟。以期进一步全面地认识土体的导热特性,深入地揭示土的导热机理、科学地预测土体的导热规律。本文主要研究成果如下:(1)地下一定深度范围的土体温度波动较小,基本处于恒温状态,属于稳态热传导条件。因此采用稳态法导热测试方法可以更好地贴近土体实际传热工况。然而,稳态法测试土体导热测试存在不足—接触热阻问题,接触热阻的存在会使得测试结果偏小,影响测试的可靠性。为此,本文基于多厚度测试原理提出了一种可消除接触热阻影响的改进测试方法,提高了测试结果的准确性,该方法为系统研究土体导热特性奠定了试验基础。(2)基于改进的导热测试技术,对压实下蜀土的导热特性进行了系统的测试。结果表明压实下蜀土导热系数随含水率和干密度的增加而增大。当压实下蜀土干密度保持不变时,其导热系数随含水率增大而增大,同时存在导热系数与含水率关系曲线呈现拐点分段特征。并通过细观导热模拟揭示了该现象与水分在压实下蜀土双重孔隙内的非均匀分布密切相关。(3)采用双重孔隙模型开展双重孔隙土细观导热特性模拟研究。结合QSGS方法(四参数随机生长法)和分步嵌套建模策略,本文提出了双重孔隙土的细观结构建模方法。同时在建模中又考虑了水分优先在团聚体内孔隙中分布的非均匀分布特征。(4)针对所构建的传热模型采用Matlab语言编制了土体细观热传导模拟程序,通过与解析解、商业软件以及实测结果的对比表明,本文所开发的土体细观导热特性模拟算法是可靠的。通过细观模拟,不仅可以有效预测土体的导热系数,而且还可以直观地展示土内热流的运动特征。(5)基于新开发的土体细观导热特性模拟算法,对双重孔隙土结构的传热效应进行了系统的细观模拟研究。结果发现:①总孔隙比e不变,让团聚体内孔隙比(em)和团聚体间孔隙比(eM)变化。此时整体导热系数随em的增大而减小。②保持em或eM一个不变,另外一个变化。此时,整体导热系数对em的变化更加敏感。③em和eM都固定不变,但水分优先分布在团聚体内孔隙中时。此时,导热系数随含水率的增加刚好呈现拐点式分段上升特征。(6)论文还将土体宏细观导热模拟技术应用到苏通GIL综合管廊工程和常熟电厂输水隧道工程中获得成功。在苏通GIL综合管廊工程中,对20个原状细粒土样进行了宏观试验测试(已用于实际工程)和细观导热模拟,结果表明本文所建的细观预测模型能较好地预测工程中土体的导热系数。在常熟电厂输水隧道工程中,针对含气软土取样难以保持原状结构的问题,从细观角度模拟了该种特殊土的导热特性。研究结果表明浅层气对含气软土的导热系数有很大影响。这一研究为冻结施工设计中该层土热物理参数的合理取值提供了科学依据。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TU41

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1 周殷康;双重孔隙土导热特性的宏细观研究[D];南京大学;2019年
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