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水 利 学 报

２０２３年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０３ － ０３１１ － １２

分散性黏土导热系数试验与预测方法研究

２
１
王理想 １，２ ，宋新江 ，黄 铭 ，王 淼 ３
（１．合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 ２３０００９；
２．安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽 合肥 ２３３０００；
３．黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 １５００８６）

摘要：分散性黏土冻融循环导致的破坏非常普遍，在我国东北地区水利工程中尤为严重。开放系统中分散性黏土
冻融特性有别于非分散性黏土，土体导热系数是土体热分析最重要的参数之一。本文以分散性黏土为研究对象，
阐明了影响分散性黏土导热系数的因素；基于 Ｊｏｈａｎｓｅｎ法的改进，建立了适合分散性黏土特点的导热系数预测方
法。研究表明，分散性黏土导热系数的影响因素主要为矿物成分、含水率、孔隙率（干密度）和温度。土体温度为
负温时，温度越低，土的导热系数越大。初始含水率低于 １０％，土的导热系数不受温度的影响；初始含水率大于
１５％，土的导热系数受温度影响较大。饱和状态下的分散性黏土导热系数有别于非分散性黏土，采用串联?并联预
测模型方法来计算。所提出的分散性黏土导热系数预测方法和公式，可反映土体温度、土体矿物成分、含水率、
干密度的影响，与试验结果吻合，并可为分散性黏土研究和工程应用提供参考和指导。
关键词：分散性黏土；导热系数；冻土；影响因素；预测方法
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＵ４１１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０４３９

１ 研究背景

分散性黏土（ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｃｌａｙ）是一种易受水侵蚀的黏性土，其土中易溶盐和胶体颗粒溶于低盐水中
而使得土体呈悬浮状和浑浊状 ［１］ 。采用该土修筑的大坝和渠道易产生冲蚀破坏和管涌破坏。分散性黏
土分布广泛，我国在分散性黏土上修建了大量水利工程和道路工程，如新疆额尔齐斯河水利枢纽工
程，宁夏马家树水库，黑龙江尼尔基水库引嫩工程、双阳河水库、安肇新河和肇兰新河等 ［２］ 。美国、
西班牙、澳大利亚、南非和伊朗等国家也有在分散性黏土上修建水利工程和道路工程的成功案例。
土体的导热系数是进行工程热分析的重要参数，其影响因素包括组成因素、环境因素和其它因
素，其中组成因素有矿物组成、颗粒级配等；环境因素包括土的含水率、干密度和温度；其它因素包
括土中有机质、易溶盐等 ［３］ 。国内最先由徐学祖等 ［４］ 对草炭粉质黏土、粉土 － 粉质黏土、碎石粉质黏
土和砂砾等 ４种典型土类以表格的形式给出了不同含水率和干密度下的导热系数。从 ２０世纪开始，
国内外针对不同类型的土提出了一系列导热系数预测模型，主要分为理论模型和经验模型 ［３］ 。Ｗｉｅｎｅｒ
等 ［５］ 根据土体的三相性分别提出了导热系数的串联和并联模型，类似与土的渗流模型，认为热量分别
通过土的各相组成部分。Ｄｅｖｒｉｅｓ等 ［６］ 根据土体各组分体积比提出整体导热系数为各组分按照体积比下
的加权平均值。Ｊｏｈａｎｓｅｎ等 ［７］ 提出土体的导热系数为固体颗粒导热系数、孔隙水导热系数和孔隙气体
导热系数三部分，按照各部分所占体积比例的指数函数相乘积来得到。Ｔｏｎｇ等 ［８］ 在 Ｗｉｅｎｅｒ模型的基

收稿日期：２０２２ － ０６ － ０６；网络首发日期：２０２２ － １１ － ２５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２１１２４．１６２６．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：安徽省自然科学基金 “水科学” 联合基金项目（２２０８０８５ＵＳ０１）；中国博士后基金面上项目（２０２１Ｍ６９０９４６）；黑龙江省
自然科学基金项目（ ＬＨ２０２１Ｅ１１１）
作者简介：王理想（ １９８７ － ），博士后，工程师，主要从事分散性黏土灾害机理与治理研究。Ｅ － ｍａｉｌ：２２５００７４１８４＠ｑｑ．ｃｏｍ
通讯作者：宋新江（１９７１ － ），博士，教授级高级工程师，主要从事岩土工程灾变机制研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｓｘｊ０６＠１６３．ｃｏｍ

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