土体复电阻率特征参数与导热系数相关性研究

导热系数是介质热传递能力的具体量度。导热系数作为一个重要的参数，在地下浅层地热系统，掩埋管道及高压电缆铺设等与土体热传导有关的工程设计中起着决定性作用。但是当前导热系数的测试最主要方法是原位测试，要求有钻孔配合，测试费用高、周期长，不便于形成多点监测，因此工程应用十分不便。探索一种快速低成本的间接测量导热系数的方法是解决这一问题的途径之一。岩土体导热系数取决于土体的矿物成分、颗粒大小、含水率、干密度和饱和度等物理特性参数。与此同时，理论分析及试验也表明这些参数对电阻率的影响具有较强的规律，也就是说导热系数和电阻率取决于一些相同的参数，因此建立导热系数与电阻率间的相关关系是可能的。于是本项目以此为切入点，研究土体导热系数与电性参数的相关性，这是将电法勘探应用到导热系数间接测量的关键。 本项目以长春地区粉质黏土为主要研究对象，在长春地区36个地点，取了一百多个粉质黏土原状土样，利用本项目研制的基于热探针法的导热系数测试系统和HotDisk进口热物性参数测试仪进行土样导热系数的测试，同时利用项目研制的复电阻率测试电极盒配合阻抗分析仪进行复电阻率测试。利用测试数据进行回归分析确定了导热系数及电阻率与土体各物性参数的相关关系。为了验证这一关系式的适用性，制作了8种不同粒径组成的重塑土，根据标准普氏压实试验，在改变含水量的条件下将不同粒组单元的土按设计好的比例混合压实，并保证每种类型不同饱和度的有效试样有7个。发现重塑土的电阻率与导热系数都存在同样的规律。最后，项目探索性的采用扫描电镜，从土样的微观结构特征分析了原状土与重塑土电阻率与导热系数关系式存在差别的原因。这为利用电法进行地热能勘探以及对地热能开发利用潜能的评价奠定理论基础，同时也进一步为利用电法测试对正在运行的地热井的影响范围、及其对环境的影响进行实时监测提供了思路。 2100433B

导热系数与电性参数的相关性是将电法勘探应用到导热系数间接测量的关键。初步研究成果表明基于饱和度变化的土体导热系数与电导率（电阻率倒数）具有一定的相关性。为了更深层次地分析和探索二者的相关关系，并建立健状性和普遍适用性更高的相关关系式，本项目以长春地区粉质粘土、粘土为主要研究对象，利用有限元模拟与室内实验相结合的方法，研究土体微观结构及颗粒组成、干密度、含水量、环境温度等因素对导热系数、复电阻率特征参数的影响权重，利用回归分析法探索具有普适性的土体复电阻率与导热系数的相关关系式。这将为利用复电阻率法进行地热能勘探以及对地热能开发利用潜能的评价奠定理论基础，同时也进一步为利用二维、三维电法测试对正在运行的地热井的影响范围、及其对环境的影响进行实时监测提供了思路，具有较好的理论研究意义和实际应用价值。

通常，物质的导热系数可以通过理论和实验两种方式来获得。

理论上，从物质微观结构出发，以量子力学和统计力学为基础，通过研究物质的导热机理，建立导热的物理模型，经过复杂的数学分析和计算可以获得导热系数。但由于理论的适用性受到限制，而且随着新材料的快速增多，人们迄今仍尚未找到足够精确且适用于范围广泛的理论方程，因此对于导热系数实验测试方法和技术的探索，仍是物质导热系数数据的主要来源。

导热系数的测试分为动态法和稳态法，稳态法又分为热流计法和防护热板法。考虑到仪器精度以及控温范围，参照GB/T10294-2008标准，采用防护热板法进行测试。

实验仪器如图1所示，包括主体、冷热源控制系统和智能测量仪3部分。

主体由热板、冷板和试件夹紧系统组成。热板包括主加热板、护加热板以及背护加热板3个主要部分。主加热板和护加热板由电阻加热器及智能测量仪控温，背护加热板由精密恒温水槽控温，使3块加热板的温度保持一致。冷板由铝板、半导体制冷体和冷却水套组成，可精确控制冷板温度在设定值。智能测量仪用于整个测试系统的温度测量及控制，以实现全自动的测试。

每种材料各制备3~6个尺寸为30cm×30cm×3~5cm的试件，在不同温度和含湿量下对导热系数进行12~35次测试。测试前先将试件培养至不同的含湿量，然后将试件的各面用4层塑料薄膜包裹起来。薄膜的水蒸气渗透阻Sd > 1.5m，可视为不透气。其厚度和热阻分别为0.0225mm和0.000537m²K/W，均可以忽略。

本项目针对现代土力学研究中对结构性土定量结构分析的困难，以膨胀土、黄土、复合粘土等典型土为研究对象，采用电学方法进行土的电阻率特性测试研究，通过系统的室内试验，掌握非饱和膨胀土吸水膨胀过程、黄土湿陷过程、击实膨胀土、水泥土强度变化过程中电阻率变化的基本规律，建立描述结构性土结构变化的电阻率定量评价体系包括形状因子、结构因子、均匀指数等，并提出非饱和土特征指标的电阻率评价方法。在此基础上，系统分析宏观力学性质指标与电阻率指标的关系，为建立实用的结构性模型和非饱和土强度变形分析理论提供依据。本研究将从根本上改变结构性土结构定量研究和实际应用的困难，大大提高土结构指标的可操作性和一致性，为非饱和土理论的工程应用、现场原位结构指标的确定奠定基础。研究成果对土结构模型建立、非饱和土力学理论应用、地基处理评价，环境岩土工程测试等具有重要理论意义和应用前景。 2100433B

针对圆形压电纤维复合物具有的电极与压电纤维为点接触、极化和工作电场分布不均匀等缺点，以及其结构的复杂性为理论模型的建立和分析带来的困难，本项目采用粘稠塑性加工技术得到方形压电纤维复合物，通过微观结构分析、压电和介电性能测试以及计算机模拟，获得结构关联性指数、非活跃区域的体积分数、IDE电极与PZT纤维之间的聚合物层厚度等结构参数与方形压电纤维复合物介电性能和压电性能之间的量化关系，揭示方形压电纤维复合物的结构参数对其压电驱动性能影响的机制。确定结构参数中的关键影响因素，发展合理的方形压电纤维复合物的结构模型，明确进一步提高方形压电纤维复合物驱动性能的途径，建立制备高性能方形压电纤维复合物的技术原型，为推动该技术在国内的智能材料和智能结构控制领域的发展和应用奠定理论基础和技术依据。