【摘要】：地下空間目前已被公認(rèn)是一種空間資源,廣泛地用于解決大中型城市交通擁堵、用地緊張等問題的重要舉措,地下空間的開發(fā)利用對(duì)于保障城市可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。同時(shí)淺層地溫能及地?zé)嵋彩且粚氋F自然資源,目前也已逐漸被開發(fā)和利用。在地下空間和地?zé)崮艿膮f(xié)同開發(fā)利用中,需要研究圍巖(主要是土)的傳熱特性。目前,對(duì)土體導(dǎo)熱特性的研究多依賴試驗(yàn)測(cè)試,分析土體導(dǎo)熱性能指標(biāo)(導(dǎo)熱系數(shù))的變化規(guī)律。需要指出的是,導(dǎo)熱系數(shù)只是土體導(dǎo)熱過程的宏觀平均化反映,是衡量土層整體熱傳導(dǎo)能力大小的簡(jiǎn)易指標(biāo)。然而,該指標(biāo)掩蓋了土內(nèi)局部熱流運(yùn)動(dòng)的差異性,同時(shí)也忽視了土內(nèi)整體熱流分布的不均勻性。因此,單純從導(dǎo)熱系數(shù)角度研究土體導(dǎo)熱性能還不夠全面,缺乏對(duì)土內(nèi)實(shí)際熱流運(yùn)動(dòng)過程分析,無法揭示土體的導(dǎo)熱規(guī)律的內(nèi)在機(jī)理。因此,有必要加強(qiáng)對(duì)土的導(dǎo)熱特性研究。土具有結(jié)構(gòu)性,它對(duì)其導(dǎo)熱行為有重要影響。熱流總是優(yōu)先經(jīng)由熱阻最低的顆粒骨架運(yùn)動(dòng),具有明顯的優(yōu)勢(shì)流特征。由于土結(jié)構(gòu)的特殊性,其導(dǎo)熱性能與其他材料的導(dǎo)熱性有很大的不同,因此應(yīng)加強(qiáng)研究土體結(jié)構(gòu)對(duì)土體導(dǎo)熱特性影響。本文以典型雙重孔隙結(jié)構(gòu)土體作為研究對(duì)象,結(jié)合多厚度修正原理,研制了穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)改進(jìn)測(cè)試技術(shù),首先對(duì)雙重孔隙土導(dǎo)熱特性進(jìn)行了一系列試驗(yàn)分析。同時(shí),開發(fā)了結(jié)構(gòu)性土細(xì)觀導(dǎo)熱模擬系統(tǒng),包括土結(jié)構(gòu)的細(xì)觀建模和穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模擬技術(shù),對(duì)雙重孔隙土的導(dǎo)熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)地模擬。以期進(jìn)一步全面地認(rèn)識(shí)土體的導(dǎo)熱特性,深入地揭示土的導(dǎo)熱機(jī)理、科學(xué)地預(yù)測(cè)土體的導(dǎo)熱規(guī)律。本文主要研究成果如下:(1)地下一定深度范圍的土體溫度波動(dòng)較小,基本處于恒溫狀態(tài),屬于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)條件。因此采用穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱測(cè)試方法可以更好地貼近土體實(shí)際傳熱工況。然而,穩(wěn)態(tài)法測(cè)試土體導(dǎo)熱測(cè)試存在不足—接觸熱阻問題,接觸熱阻的存在會(huì)使得測(cè)試結(jié)果偏小,影響測(cè)試的可靠性。為此,本文基于多厚度測(cè)試原理提出了一種可消除接觸熱阻影響的改進(jìn)測(cè)試方法,提高了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,該方法為系統(tǒng)研究土體導(dǎo)熱特性奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。(2)基于改進(jìn)的導(dǎo)熱測(cè)試技術(shù),對(duì)壓實(shí)下蜀土的導(dǎo)熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試。結(jié)果表明壓實(shí)下蜀土導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率和干密度的增加而增大。當(dāng)壓實(shí)下蜀土干密度保持不變時(shí),其導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率增大而增大,同時(shí)存在導(dǎo)熱系數(shù)與含水率關(guān)系曲線呈現(xiàn)拐點(diǎn)分段特征。并通過細(xì)觀導(dǎo)熱模擬揭示了該現(xiàn)象與水分在壓實(shí)下蜀土雙重孔隙內(nèi)的非均勻分布密切相關(guān)。(3)采用雙重孔隙模型開展雙重孔隙土細(xì)觀導(dǎo)熱特性模擬研究。結(jié)合QSGS方法(四參數(shù)隨機(jī)生長(zhǎng)法)和分步嵌套建模策略,本文提出了雙重孔隙土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)建模方法。同時(shí)在建模中又考慮了水分優(yōu)先在團(tuán)聚體內(nèi)孔隙中分布的非均勻分布特征。(4)針對(duì)所構(gòu)建的傳熱模型采用Matlab語言編制了土體細(xì)觀熱傳導(dǎo)模擬程序,通過與解析解、商業(yè)軟件以及實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比表明,本文所開發(fā)的土體細(xì)觀導(dǎo)熱特性模擬算法是可靠的。通過細(xì)觀模擬,不僅可以有效預(yù)測(cè)土體的導(dǎo)熱系數(shù),而且還可以直觀地展示土內(nèi)熱流的運(yùn)動(dòng)特征。(5)基于新開發(fā)的土體細(xì)觀導(dǎo)熱特性模擬算法,對(duì)雙重孔隙土結(jié)構(gòu)的傳熱效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的細(xì)觀模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):①總孔隙比e不變,讓團(tuán)聚體內(nèi)孔隙比(em)和團(tuán)聚體間孔隙比(eM)變化。此時(shí)整體導(dǎo)熱系數(shù)隨em的增大而減小。②保持em或eM一個(gè)不變,另外一個(gè)變化。此時(shí),整體導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)em的變化更加敏感。③em和eM都固定不變,但水分優(yōu)先分布在團(tuán)聚體內(nèi)孔隙中時(shí)。此時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增加剛好呈現(xiàn)拐點(diǎn)式分段上升特征。(6)論文還將土體宏細(xì)觀導(dǎo)熱模擬技術(shù)應(yīng)用到蘇通GIL綜合管廊工程和常熟電廠輸水隧道工程中獲得成功。在蘇通GIL綜合管廊工程中,對(duì)20個(gè)原狀細(xì)粒土樣進(jìn)行了宏觀試驗(yàn)測(cè)試(已用于實(shí)際工程)和細(xì)觀導(dǎo)熱模擬,結(jié)果表明本文所建的細(xì)觀預(yù)測(cè)模型能較好地預(yù)測(cè)工程中土體的導(dǎo)熱系數(shù)。在常熟電廠輸水隧道工程中,針對(duì)含氣軟土取樣難以保持原狀結(jié)構(gòu)的問題,從細(xì)觀角度模擬了該種特殊土的導(dǎo)熱特性。研究結(jié)果表明淺層氣對(duì)含氣軟土的導(dǎo)熱系數(shù)有很大影響。這一研究為凍結(jié)施工設(shè)計(jì)中該層土熱物理參數(shù)的合理取值提供了科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU41
【圖文】：

本文技術(shù)路線圖

２．２ＨＣ－１１０型導(dǎo)熱儀特征逡逑本文所采用的穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱儀為ＥＫＯ公司生產(chǎn)的ＨＣ－１１０型導(dǎo)熱測(cè)試儀。該逡逑儀器具有原理清晰，可直接準(zhǔn)確地獲得導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)首先對(duì)ＨＣ－１１０型導(dǎo)逡逑熱儀的基本特征進(jìn)行介紹。逡逑２．２．１儀器組成逡逑ＨＣ－１１０型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的主要組成部分如圖２．１所示。逡逑

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1 周殷康;雙重孔隙土導(dǎo)熱特性的宏細(xì)觀研究[D];南京大學(xué);2019年

本文編號(hào)：2716606