解其鹏 高素景
天津市地质工程勘察院
摘要: 土的热物理性质是土木工程，地下工程，特别是地铁建设的重要参数，岩土体（地基土）的热学性质是反映岩土体（地基土）导热、导温、储热能力指标，在浅层地下空间开发利用，地热开发、地下轨道交通、地下高压电缆、核废料填埋等工程建设中都具有重要意义。本文探讨了天津市各实验室常用仪器设备,操作方法和仪器的校验。
关键词：物理性质；土木工程；地铁建设
前言
随着天津地铁建设的不断发展，对地铁穿越地基土的工程特性及其热物理参数的研究也日益显著，目前土的热物理试验已经有不少实验室在做了，城轨规范也明确要求做这个项目，但遗憾找不到试验规范，只能按仪器说明书操作，在工程地质勘察规范中只有岩土热物性试验要求，而缺少岩土热物理试验规程，没有国家和地方标准。因而要对岩土体热物理试验方法及仪器设备的校验进行研究，本文主要结合天津地铁四号线的土工试验进行研究，根据试验数据分析，对岩土热物理理仪器的校定，试验操作的规范，比热容计算公式E的取值等进行了完善补充。
1热物理试验采用仪器及其校准、操作方法
1.1热物理试验采用仪器及原理
1.1.1导热系数的试验方法热盘法比较新颖，设备也较简单，通常是中小型实验室优先考虑的技术方法。DRE－2C导热系数测试仪采用瞬态平面热源法（该方法也称Gustafsson探头法或热盘法），将特制探头安装在两片样品中间进行测试。探头的温升是时间的函数，由于这种探头既是热源又是温度传感器，利用对应的模型和边界条件对响应进行分析，精确方便。
1.1.2比热容是根据牛顿冷却定律，常用冷却混合法来测定。将一定质量加热到恒温的试样放入到一定质量水的保温瓶中，根据热电偶的温度测定，通过试样的热量释放和水的热量吸收，准确测量出试样和水的热传递过程及达到温度平衡的状态，从而计算得出试样的比热容。整个测量装置由恒温烘箱、保温桶和测温器三部分组成。
注：混合法的基本原理：温度不同的物体混合后，热量由高温物体传给低温物体，最后系统达到温度不同的物体混合之后，热量由高温物体传给低温物体，最后系统将达到均匀稳定的平衡温度，如果在混合过程中和外界没有热交换，则高温物体放出的热量等于低温物体所吸收的热量，此称为热平衡原理。所以，混合法测定比热容的关键控制要点是要减少试验过程中测量系统的热量损失。
1.1.3导温系数可利用室内试验测定的导热系数和比热容两个热物理参数，按以下计算公式，间接测出导温系数：
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1.2热物理试验中仪器的校准
1.2.1 DRE-2C导热系数测试仪仪器校准：首先打开机器预热三十分钟，用同试样大小的石英块夹入夹样器中，导热片上涂上导热硅脂，点击开始测试，石英的已知导热系数在1.4左右，测试完毕后取出，擦拭干净导热片，冷却20分钟后，重新测试，两次平行误差不能超过百分之三。试验完毕后，探头应紧密夹在夹样器的胶片中间。
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1.2.2 BRR比热容测试仪的仪器校准：主要测试保温桶的完好性，保温性能，放入冰块测试常温水的温度，检查测试导线触头是否接触完好。用已知水的比热溶值测试水当量E的取值标定，带入公式计算。
1.3热物理试验操作方法
1.3.1导热系数的测定
（1） 准备工作：试验前应检查仪器是否处于校准有效状态，测试系统的安装、连接、运行是否正常。开机预热约30min；
（2） 制样：选取代表性土样用环刀法制备4个符合要求的试件，称重计算密度，并测定天然含水率。制备的试件放入保湿缸中备用。
（3）启动DRE导热系数测试软件。用不透水圆板将样品从环刀中小心推出，用两块试样从上下平整地贴压探头，使探头埋置于试样中部，施加1～2kPa压力，使土样与探头平整贴合。探头埋置于试样中，约需20min左右的稳定时间，使试样和探头温度达到一个稳定平衡状态，才能进行测试。待试件内温度均匀稳定后，按“调零输出”键，调“调零”电位器，使电压表读数在零附近，调好后点停止。注意：调整按钮的时间应迅速，时间不宜过长。
（4）按“开始测试”键，仪器进入自动测试状态，屏幕显示温升曲线，完成后自动显示测量结果。
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（5） 按菜单“保存结果”，弹出保存结果界面，按“确认”后，结果保存。如需保存曲线图，单击菜单“试验曲线～保存曲线”，把图形保存在选定的位置。
（6） 按菜单“生成报告”，弹出输入实验信息界面，输入相关信息后按“确认”键，自动生成Excel格式的报告，如需保存报告，请改名另存。
（7）第一组测试完毕后，取下土样，擦拭好探头和夹土器，待电流冷却稳定后，测试第二组，平行测定误差应满足控制要求，否则应取样再测。
1.3.2比热容试验的测定
（1）准备工作：进行比热容试验需预先制备适当数量的冰块备用；试验前应检查仪器是否处于校准有效状态，开机预热，检查温度传感器是否正常。打开恒温箱，使箱内温度高于室温20℃左右。
（2）选取代表土样50g左右揉匀并用保鲜膜包好，称重，立即转入试样筒中。用钢针在试样中心插入一个孔，将热电偶T1端的一根引脚线插入试样中部。整体置入恒温箱中。
（3）称取150g～200g左右的清水，放入常温保温桶中，将热电偶T2端一根引脚线插入常温桶清水中。
（4）在零摄氏度保温桶中加入一定量的冰水混合物，将热电偶T1和T2的另两根引线插入冰水中（测温系统以冰水混合物作为0℃的参照）拧紧桶盖。
（5）试样筒内土样在烘箱中加温，当试样中心温度（热电偶显示值）与恒温箱温度相等时，认为试样温度均匀，此过程约需2h。此时的温度为试件入水前温度（试样下落时的初温t1）。
（6）用测温热电偶读出常温保温桶中水的温度（保温桶内水的初温t2）。
（7） 快速从恒温箱中把试样取出倒入常温保温桶的水中。用塑料薄片快速将试样切分成多个小片块，立即盖严保温桶并用橡皮泥封堵插线孔，摇匀，记录水和样品混合物温度，当温度稳定时，记作桶内水土混合物终温(热电偶显示值t3)。
注意：将样品从恒温箱中移出放入保温桶的过程中的热量损失是测量误差的主要来源，这个步骤要熟练快速，要求在15s内完成。保温桶质量也是测量系统的误差主要来源，应有较好的密封性和绝热保温性能。
（8）试验结束后，拆除样品，清洁试验场所，填写仪器使用记录。
（9）结果的整理
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3总结
本文通过对天津地铁四号线四千多土样的测试，总结了出了仪器的校验、试验操作方法，对发现的问题进行了研究，纠正，希望以上所述对热物理试验的操作、规范的编订提供参考帮助。
参考文献:
[1]国标《城市轨道交通岩土工程勘察规范》GB 50307－2012.北京：中国计划出版社，2012
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[3]《铁路工程土工试验规程》TB10102-2010
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[5]《天津市地基土层序划分技术规程》DB/T29-191-20096、
[6]《岩土工程勘察规范》GB50021-2001.北京建筑工业出版社，2002
[7]蒋建平,李晓昭,高广运,等. 《南京地铁地基黏土物理力学参数相关性试验研究》[J].中国铁道科学,2007,28
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