土體復(fù)電阻率特征參數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)性研究

導(dǎo)熱系數(shù)是介質(zhì)熱傳遞能力的具體量度。導(dǎo)熱系數(shù)作為一個重要的參數(shù)，在地下淺層地?zé)嵯到y(tǒng)，掩埋管道及高壓電纜鋪設(shè)等與土體熱傳導(dǎo)有關(guān)的工程設(shè)計中起著決定性作用。但是當(dāng)前導(dǎo)熱系數(shù)的測試最主要方法是原位測試，要求有鉆孔配合，測試費用高、周期長，不便于形成多點監(jiān)測，因此工程應(yīng)用十分不便。探索一種快速低成本的間接測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法是解決這一問題的途徑之一。巖土體導(dǎo)熱系數(shù)取決于土體的礦物成分、顆粒大小、含水率、干密度和飽和度等物理特性參數(shù)。與此同時，理論分析及試驗也表明這些參數(shù)對電阻率的影響具有較強(qiáng)的規(guī)律，也就是說導(dǎo)熱系數(shù)和電阻率取決于一些相同的參數(shù)，因此建立導(dǎo)熱系數(shù)與電阻率間的相關(guān)關(guān)系是可能的。于是本項目以此為切入點，研究土體導(dǎo)熱系數(shù)與電性參數(shù)的相關(guān)性，這是將電法勘探應(yīng)用到導(dǎo)熱系數(shù)間接測量的關(guān)鍵。 本項目以長春地區(qū)粉質(zhì)黏土為主要研究對象，在長春地區(qū)36個地點，取了一百多個粉質(zhì)黏土原狀土樣，利用本項目研制的基于熱探針法的導(dǎo)熱系數(shù)測試系統(tǒng)和HotDisk進(jìn)口熱物性參數(shù)測試儀進(jìn)行土樣導(dǎo)熱系數(shù)的測試，同時利用項目研制的復(fù)電阻率測試電極盒配合阻抗分析儀進(jìn)行復(fù)電阻率測試。利用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析確定了導(dǎo)熱系數(shù)及電阻率與土體各物性參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。為了驗證這一關(guān)系式的適用性，制作了8種不同粒徑組成的重塑土，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)普氏壓實試驗，在改變含水量的條件下將不同粒組單元的土按設(shè)計好的比例混合壓實，并保證每種類型不同飽和度的有效試樣有7個。發(fā)現(xiàn)重塑土的電阻率與導(dǎo)熱系數(shù)都存在同樣的規(guī)律。最后，項目探索性的采用掃描電鏡，從土樣的微觀結(jié)構(gòu)特征分析了原狀土與重塑土電阻率與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系式存在差別的原因。這為利用電法進(jìn)行地?zé)崮芸碧揭约皩Φ責(zé)崮荛_發(fā)利用潛能的評價奠定理論基礎(chǔ)，同時也進(jìn)一步為利用電法測試對正在運行的地?zé)峋挠绊懛秶?、及其對環(huán)境的影響進(jìn)行實時監(jiān)測提供了思路。 2100433B

導(dǎo)熱系數(shù)與電性參數(shù)的相關(guān)性是將電法勘探應(yīng)用到導(dǎo)熱系數(shù)間接測量的關(guān)鍵。初步研究成果表明基于飽和度變化的土體導(dǎo)熱系數(shù)與電導(dǎo)率（電阻率倒數(shù)）具有一定的相關(guān)性。為了更深層次地分析和探索二者的相關(guān)關(guān)系，并建立健狀性和普遍適用性更高的相關(guān)關(guān)系式，本項目以長春地區(qū)粉質(zhì)粘土、粘土為主要研究對象，利用有限元模擬與室內(nèi)實驗相結(jié)合的方法，研究土體微觀結(jié)構(gòu)及顆粒組成、干密度、含水量、環(huán)境溫度等因素對導(dǎo)熱系數(shù)、復(fù)電阻率特征參數(shù)的影響權(quán)重，利用回歸分析法探索具有普適性的土體復(fù)電阻率與導(dǎo)熱系數(shù)的相關(guān)關(guān)系式。這將為利用復(fù)電阻率法進(jìn)行地?zé)崮芸碧揭约皩Φ責(zé)崮荛_發(fā)利用潛能的評價奠定理論基礎(chǔ)，同時也進(jìn)一步為利用二維、三維電法測試對正在運行的地?zé)峋挠绊懛秶?、及其對環(huán)境的影響進(jìn)行實時監(jiān)測提供了思路，具有較好的理論研究意義和實際應(yīng)用價值。

通常，物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過理論和實驗兩種方式來獲得。

理論上，從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，以量子力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)為基礎(chǔ)，通過研究物質(zhì)的導(dǎo)熱機(jī)理，建立導(dǎo)熱的物理模型，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析和計算可以獲得導(dǎo)熱系數(shù)。但由于理論的適用性受到限制，而且隨著新材料的快速增多，人們迄今仍尚未找到足夠精確且適用于范圍廣泛的理論方程，因此對于導(dǎo)熱系數(shù)實驗測試方法和技術(shù)的探索，仍是物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)的主要來源。

導(dǎo)熱系數(shù)的測試分為動態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法又分為熱流計法和防護(hù)熱板法?？紤]到儀器精度以及控溫范圍，參照GB/T10294-2008標(biāo)準(zhǔn)，采用防護(hù)熱板法進(jìn)行測試。

實驗儀器如圖1所示，包括主體、冷熱源控制系統(tǒng)和智能測量儀3部分。

主體由熱板、冷板和試件夾緊系統(tǒng)組成。熱板包括主加熱板、護(hù)加熱板以及背護(hù)加熱板3個主要部分。主加熱板和護(hù)加熱板由電阻加熱器及智能測量儀控溫，背護(hù)加熱板由精密恒溫水槽控溫，使3塊加熱板的溫度保持一致。冷板由鋁板、半導(dǎo)體制冷體和冷卻水套組成，可精確控制冷板溫度在設(shè)定值。智能測量儀用于整個測試系統(tǒng)的溫度測量及控制，以實現(xiàn)全自動的測試。

每種材料各制備3~6個尺寸為30cm×30cm×3~5cm的試件，在不同溫度和含濕量下對導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行12~35次測試。測試前先將試件培養(yǎng)至不同的含濕量，然后將試件的各面用4層塑料薄膜包裹起來。薄膜的水蒸氣滲透阻Sd > 1.5m，可視為不透氣。其厚度和熱阻分別為0.0225mm和0.000537m²K/W，均可以忽略。

本項目針對現(xiàn)代土力學(xué)研究中對結(jié)構(gòu)性土定量結(jié)構(gòu)分析的困難，以膨脹土、黃土、復(fù)合粘土等典型土為研究對象，采用電學(xué)方法進(jìn)行土的電阻率特性測試研究，通過系統(tǒng)的室內(nèi)試驗，掌握非飽和膨脹土吸水膨脹過程、黃土濕陷過程、擊實膨脹土、水泥土強(qiáng)度變化過程中電阻率變化的基本規(guī)律，建立描述結(jié)構(gòu)性土結(jié)構(gòu)變化的電阻率定量評價體系包括形狀因子、結(jié)構(gòu)因子、均勻指數(shù)等，并提出非飽和土特征指標(biāo)的電阻率評價方法。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析宏觀力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與電阻率指標(biāo)的關(guān)系，為建立實用的結(jié)構(gòu)性模型和非飽和土強(qiáng)度變形分析理論提供依據(jù)。本研究將從根本上改變結(jié)構(gòu)性土結(jié)構(gòu)定量研究和實際應(yīng)用的困難，大大提高土結(jié)構(gòu)指標(biāo)的可操作性和一致性，為非飽和土理論的工程應(yīng)用、現(xiàn)場原位結(jié)構(gòu)指標(biāo)的確定奠定基礎(chǔ)。研究成果對土結(jié)構(gòu)模型建立、非飽和土力學(xué)理論應(yīng)用、地基處理評價，環(huán)境巖土工程測試等具有重要理論意義和應(yīng)用前景。 2100433B

針對圓形壓電纖維復(fù)合物具有的電極與壓電纖維為點接觸、極化和工作電場分布不均勻等缺點，以及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性為理論模型的建立和分析帶來的困難，本項目采用粘稠塑性加工技術(shù)得到方形壓電纖維復(fù)合物，通過微觀結(jié)構(gòu)分析、壓電和介電性能測試以及計算機(jī)模擬，獲得結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性指數(shù)、非活躍區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)、IDE電極與PZT纖維之間的聚合物層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)與方形壓電纖維復(fù)合物介電性能和壓電性能之間的量化關(guān)系，揭示方形壓電纖維復(fù)合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其壓電驅(qū)動性能影響的機(jī)制。確定結(jié)構(gòu)參數(shù)中的關(guān)鍵影響因素，發(fā)展合理的方形壓電纖維復(fù)合物的結(jié)構(gòu)模型，明確進(jìn)一步提高方形壓電纖維復(fù)合物驅(qū)動性能的途徑，建立制備高性能方形壓電纖維復(fù)合物的技術(shù)原型，為推動該技術(shù)在國內(nèi)的智能材料和智能結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。