浅层地下空间岩土体的热物理性质分析和热物理环境研究

• 作 者: 苏天明
• 机 构: 南京大学
• 出 处: 南京大学
• 发表日期: 2003年期
• 关键词: 岩土体 热物理性质 比热 导热 地下空间 热物理环境

随着地球表面土地资源的逐渐匮乏，能源短缺情况的不断加剧和人类工程活动的发展，在不远的将来，一定会对地下空间进行大力的开发和利用，地下空间热环境的问题将会引起广泛的关注。对岩土体热物理性能的研究已经有比较长的历史，但是系统、专门的研究进行的还较少，可参考的文献也较少。本文在总结前人研究成果的基础上，对岩土体热性质进行系统性的阐述。文章探讨了比热的构成及其影响因素，在微观层面上说明了岩土体的比热在常温状态下基本为定值；在低温状态下时，比热将随着温度的升高较快的增大；高温时将随着温度的升高而缓慢的逐渐增大。讨论了热的加和性原理，得到该原理可在岩土体比热测试和计算时得到很好的应用的结论。文章对南京地区岩土材料的测试数据进行了分析，分析表明，岩土体的比热和其含水量关系密切，一般来说，用线性关系就可以比较好的描述。
文章还对岩土体的传热机制和矿物、孔隙比对热导率的影响作了详细的阐述。通过测试，对热导率和孔隙比、含水量的关系以及相对热导率(KW-KS)/KW和孔隙比的关系作了详细的数学模拟。模拟结果认为：岩土体的热导率随着孔隙比的增大而减小；饱和岩土体热导率随着含水量的增大而减小；非饱和岩土体热导率随着孔隙比的增大而减小，随着饱水度的增大而增大；相对热导率随着孔隙比的增大而增大。文章还对分析结果进行了解释。
根据岩土体热导率的各向异性的规律，对于结构岩体的热导率计算公式进行了推导。在浅层地下空间热环境方面，应用傅立叶定律，对浅层地下空间的特点进行了概括简化，建立了一个稳态传热情况下的热流计算模型。