不同地层条件下岩土热响应测试试验参数优化研究

【资料简介】

不同地层条件下岩土热响应测试试验参数优化研究

摘要

我国地域辽阔，地层条件差异巨大，砂土、卵石、黏土、基岩等不同地层热物性差别显著，统一的试验参数设置并不能适配全部地质条件。不合理的加热功率、试验时长、采样间隔会造成测试结果离散度增大。北京鸿鸥成运岩土热响应测试仪支持六档功率灵活配置、采样间隔自由设定，可适配多样地质工况。本文选取黏土、砂层、卵石、花岗岩基岩四类典型地层，开展对照试验；分析地层导热能力对加热功率、试验时长的影响；研究不同地层条件下单位孔深热负荷、有效试验时长、采样间隔设置；总结不同地质条件下热响应测试参数选型表；针对高导热基岩地层、低导热黏土地层分别给出作业优化方案。研究结果可为不同地质区域热响应测试现场参数设置提供参考依据。

关键词：热响应测试；地层热物性；地埋管换热器；试验参数；卵石地层；基岩

0 引言

JGJ/T 438‑2018标准给出热响应测试通用要求，单位孔深热负荷50‑80W/m，试验总时长不宜小于48h。但是国内地质条件千差万别：东部平原厚层黏土、粉土地层导热系数偏低；中西部卵石、花岗岩基岩地层导热系数很高。如果所有地层机械套用同一套加热功率与试验时长，会出现部分工况试验条件偏离合理区间。

低导热黏土地层，如果加热功率过高，钻孔周边温度快速堆积，偏离线热源模型假设；高导热卵石、基岩地层，热量向远处地层快速扩散，需要足够的试验时长保证数据有效。因此需要针对不同地层开展参数优化研究。

1 不同地层热物性基本特征

黏土、粉质黏土：导热系数0.8‑1.4 W/(m·K)，比热容大，热量扩散慢；

中粗砂、砂卵石：导热系数1.8‑2.6 W/(m·K)，热量扩散速度中等；

花岗岩、片麻岩基岩：导热系数2.5‑3.4 W/(m·K)，导热能力强，热量快速向周边传递。

2 试验工况与测试方案

选取四处典型场地开展对照试验，全部采用双U地埋管，孔深180‑220m：

场地A：华北平原黏土地层；

场地B：冲洪积砂层地层；

场地C：河谷卵石地层；

场地D：花岗岩基岩地层。

使用鸿鸥成运热响应测试仪，六档加热模块灵活调节功率，设置多组单位孔深热负荷，对比不同参数下计算结果离散程度。

3 试验结果与参数分析

3.1低导热黏土地层（场地A）

黏土导热能力差，热量容易聚集在钻孔周边。若单位孔热负荷取80W/m，埋管周边温升幅度大，容易偏离无限介质线热源假设。

试验得出黏土地层推荐单位孔深热负荷50‑60W/m；试验时长≥48h，不建议盲目延长试验时间，长时间热量堆积反而会增大误差；采样间隔建议5‑10min。

3.2砂层‑砂卵石地层（场地B、C）

砂卵石为国内地源热泵最常见地层，导热处于中等水平。单位孔深热负荷宜取60‑75W/m；有效试验时长≥48‑60h；采样间隔5‑10min。该地质条件下标准规范参数适用性最好。

3.3花岗岩基岩地层（场地D）

岩石导热系数高，热量快速向外扩散，埋管进出口温升幅度偏小。如果热负荷偏低，进出水温差过小，温度传感器相对误差放大。

基岩地层单位孔深热负荷可取70‑80W/m；同时试验时长建议不低于60‑72h；采样间隔5min，高频采集捕捉温度变化细节。试验时长不足48h，计算结果离散性明显增大。

4 采样间隔参数选择

高频短间隔（2‑5min）：适合前期升温阶段、基岩高导热地层；

长间隔（10min）：适合长时间连续记录，黏土类低导热地层。

设备支持灵活设置，工程中可根据地质情况选择。

5 不同地层热响应测试参数汇总表

地层类型	推荐单位孔深热负荷	有效试验时长	推荐采样间隔
黏土/粉质黏土	50‑60W/m	≥48h	5‑10min
砂、砂卵石	60‑75W/m	48‑60h	5‑10min
花岗岩基岩	70‑80W/m	60‑72h	5min

6 现场施工配套优化措施

黏土地层：控制加热功率不要过高，外露管路充分保温，减少附加散热；

基岩地层：保证足够试验时长，不能压缩测试周期；充分排气，保证循环流量稳定。

7 结论

不同地质地层热物理特性差异显著，全部工况套用统一试验参数会带来测试结果离散度变大。北京鸿鸥成运岩土热响应测试仪六档可调加热功率、可自定义采样间隔，能够适配黏土、砂卵石、基岩等多种地层条件。针对低导热黏土地层适度降低单位孔深热负荷；高导热基岩地层适当提高热负荷并延长有效试验时长，可以有效降低测试结果离散误差。该参数优化方案对国内不同区域浅层地热能勘察测试具备工程参考价值。

参考文献

[1] JGJ/T 438‑2018，地源热泵热响应测试标准[S].

[2] 王贵玲.中国浅层地热能资源[M].北京:科学出版社,2017.

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