土体复电阻率特征参数与导热系数相关性研究

The soil is a porous medium; its thermal conductivity and resistivity depend on numerous parameters such as mineralogical composition, grain composition, porosity and moisture content. The fact that both thermal conductivity and electrical resistivity depend on the same parameters, indicates the possibility of their interrelation. So we did a series of experiments about this, and the results indicate that the thermal conductivity can be expressed as function of resistivity. In order to refine the relation for the robust model and the prediction of thermal conductivity from resistivity of soils, the further research we adopt complex resistivity method to get more parameters about the soils’ electrical characteristics, and explore various models of thermal conductivity and resistivity, such as different water content models、different environmental temperature models、different grain composition models and model of seepage flow etc.. Firstly, to get the important roles of deciding soil’s thermal conductivity from soil particles, dry density, moisture content, temperature and other factors; Secondly, to research the electrical parameters that can best represents soil’s particles, dry density, moisture content, temperature and other factors; Third, use multivariate regression analysis method to build the relation between the electrical parameters and the thermal conductivity of soil.The findings of this experiment will be foundation of using the complex resistivity method to exploration geothermal energy, and then we can use two-dimensional or three-dimensional electrical method to study the influence range of the running geothermal wells. In a word we believe that this research has better theoretical and practical significance.

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。

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。