土體復電阻率特征參數(shù)與導熱系數(shù)相關性研究

導熱系數(shù)是介質熱傳遞能力的具體量度。導熱系數(shù)作為一個重要的參數(shù)，在地下淺層地熱系統(tǒng)，掩埋管道及高壓電纜鋪設等與土體熱傳導有關的工程設計中起著決定性作用。但是當前導熱系數(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，因此工程應用十分不便。探索一種快速低成本的間接測量導熱系數(shù)的方法是解決這一問題的途徑之一。巖土體導熱系數(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的規(guī)律，也就是說導熱系數(shù)和電阻率取決于一些相同的參數(shù)，因此建立導熱系數(shù)與電阻率間的相關關系是可能的。于是本項目以此為切入點，研究土體導熱系數(shù)與電性參數(shù)的相關性，這是將電法勘探應用到導熱系數(shù)間接測量的關鍵。 本項目以長春地區(qū)粉質黏土為主要研究對象，在長春地區(qū)36個地點，取了一百多個粉質黏土原狀土樣，利用本項目研制的基于熱探針法的導熱系數(shù)測試系統(tǒng)和HotDisk進口熱物性參數(shù)測試儀進行土樣導熱系數(shù)的測試，同時利用項目研制的復電阻率測試電極盒配合阻抗分析儀進行復電阻率測試。利用測試數(shù)據(jù)進行回歸分析確定了導熱系數(shù)及電阻率與土體各物性參數(shù)的相關關系。為了驗證這一關系式的適用性，制作了8種不同粒徑組成的重塑土，根據(jù)標準普氏壓實試驗，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，從土樣的微觀結構特征分析了原狀土與重塑土電阻率與導熱系數(shù)關系式存在差別的原因。這為利用電法進行地熱能勘探以及對地熱能開發(fā)利用潛能的評價奠定理論基礎，同時也進一步為利用電法測試對正在運行的地熱井的影響范圍、及其對環(huán)境的影響進行實時監(jiān)測提供了思路。 2100433B

導熱系數(shù)與電性參數(shù)的相關性是將電法勘探應用到導熱系數(shù)間接測量的關鍵。初步研究成果表明基于飽和度變化的土體導熱系數(shù)與電導率（電阻率倒數(shù)）具有一定的相關性。為了更深層次地分析和探索二者的相關關系，并建立健狀性和普遍適用性更高的相關關系式，本項目以長春地區(qū)粉質粘土、粘土為主要研究對象，利用有限元模擬與室內(nèi)實驗相結合的方法，研究土體微觀結構及顆粒組成、干密度、含水量、環(huán)境溫度等因素對導熱系數(shù)、復電阻率特征參數(shù)的影響權重，利用回歸分析法探索具有普適性的土體復電阻率與導熱系數(shù)的相關關系式。這將為利用復電阻率法進行地熱能勘探以及對地熱能開發(fā)利用潛能的評價奠定理論基礎，同時也進一步為利用二維、三維電法測試對正在運行的地熱井的影響范圍、及其對環(huán)境的影響進行實時監(jiān)測提供了思路，具有較好的理論研究意義和實際應用價值。

通常，物質的導熱系數(shù)可以通過理論和實驗兩種方式來獲得。

理論上，從物質微觀結構出發(fā)，以量子力學和統(tǒng)計力學為基礎，通過研究物質的導熱機理，建立導熱的物理模型，經(jīng)過復雜的數(shù)學分析和計算可以獲得導熱系數(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，因此對于導熱系數(shù)實驗測試方法和技術的探索，仍是物質導熱系數(shù)數(shù)據(jù)的主要來源。

導熱系數(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熱板法?？紤]到儀器精度以及控溫范圍，參照GB/T10294-2008標準，采用防護熱板法進行測試。

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、護加熱板以及背護加熱板3個主要部分。主加熱板和護加熱板由電阻加熱器及智能測量儀控溫，背護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、半導體制冷體和冷卻水套組成，可精確控制冷板溫度在設定值。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熱系數(shù)進行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)代土力學研究中對結構性土定量結構分析的困難，以膨脹土、黃土、復合粘土等典型土為研究對象，采用電學方法進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、水泥土強度變化過程中電阻率變化的基本規(guī)律，建立描述結構性土結構變化的電阻率定量評價體系包括形狀因子、結構因子、均勻指數(shù)等，并提出非飽和土特征指標的電阻率評價方法。在此基礎上，系統(tǒng)分析宏觀力學性質指標與電阻率指標的關系，為建立實用的結構性模型和非飽和土強度變形分析理論提供依據(jù)。本研究將從根本上改變結構性土結構定量研究和實際應用的困難，大大提高土結構指標的可操作性和一致性，為非飽和土理論的工程應用、現(xiàn)場原位結構指標的確定奠定基礎。研究成果對土結構模型建立、非飽和土力學理論應用、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用前景。 2100433B

針對圓形壓電纖維復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，以及其結構的復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得到方形壓電纖維復合物，通過微觀結構分析、壓電和介電性能測試以及計算機模擬，獲得結構關聯(lián)性指數(shù)、非活躍區(qū)域的體積分數(shù)、IDE電極與PZT纖維之間的聚合物層厚度等結構參數(shù)與方形壓電纖維復合物介電性能和壓電性能之間的量化關系，揭示方形壓電纖維復合物的結構參數(shù)對其壓電驅動性能影響的機制。確定結構參數(shù)中的關鍵影響因素，發(fā)展合理的方形壓電纖維復合物的結構模型，明確進一步提高方形壓電纖維復合物驅動性能的途徑，建立制備高性能方形壓電纖維復合物的技術原型，為推動該技術在國內(nèi)的智能材料和智能結構控制領域的發(fā)展和應用奠定理論基礎和技術依據(jù)。