15. 2 土壤中的热传递机理
土壤的热量传导主要是通过矿物颗粒进行， 其次是固体颗粒间水汽的传导和空气的热辐射。 热阻取决于土壤成分、 土壤结构、 密度和其他次要因素。 这种复杂的内部关系不能简单通过一个公式表述； 每种土壤的热阻都要通过测试确定。 值得注意的是， 一旦电缆敷设完成， 土壤中的水汽含量是唯一会随着时间增长发生变化的影响参数。
影响土壤热阻系数的因素有很多：
1） 土壤组成成分： a. 矿物含量和成分； b. 有机物含量； c. 粒子间的化学键。
2） 土壤结构： a. 颗粒尺寸分布； b. 颗粒形状。
3） 水/ 水汽含量： a. 饱和度； b. 多孔性。
4） 干土密度： a. 多孔性； b. 土壤内容物； c. 内部颗粒成分； d. 空隙分布。
5） 环境温度。
6） 其他因素： a. 可溶的盐分和矿物质； b. 水位变化。
盐分是土壤矿物颗粒成分之一， 是典型的点对点连接， 颗粒间空隙被水和空气填满。 给定土壤的热阻系数与它本身组成部分的固有阻抗成函数关系。 其中部分成分的热阻系数可能在 12 ℃ cm / W （ 石英）， 40 ℃ cm / W （ 石灰石）， 165 ℃ cm / W （ 水） 到 500 ℃ cm / W （ 有机物） 之间 （ 见表 15- 1）。 在压实的土壤中，局部空气还可能占到 30% ， 这部分土壤非常干燥， 且填充了非常高热阻系数的空气 （4500 ℃ cm / W）。
石英的传热是其他矿物质的 3 ～ 5 倍。 黏性矿物质使土壤局部粘合在一起； 土壤中存在云母片， 则可以表明这部分土壤结构很松散。 另外， 颗粒形状 （ 圆形，长条状， 片状） 和角的部分也会影响土壤密度、 颗粒含量和微观结构。 高有机物含量也会显著增加热阻系数。
土壤纹理与土壤颗粒尺寸， 形状和微颗粒尺寸等级有关。 由于大部分热传导都是通过固体颗粒以及接触面进行的， 为了尽可能降低土壤热阻系数， 就要使接触面最大化， 如图 15- 2 所示。 土壤中成分的热阻见表 15- 2。 优质的材料和其他组分
（ 与图 15- 1 所示的圆形或均匀颗粒正好相反） 通常颗粒更细小并压实到更高密度。这样的土壤由于空气少， 更有助于阻止水分迁移。 为了确定回填土热学性能， 要对粒子大小的极限值进行细致的规定和筛分。
表 15- 1 土壤成分
材 料 | 热阻系数/ （ ℃ cm / W） |
石英， 硅 | 12 |
花岗岩 | 30 |
石灰石 | 40 |
砂石 | 50 |
页岩 | 60 |
页岩 （ 易碎的） | 200 |
云母 | 170 |
冰 | 45 |
水 | 165 |
有机物 | ～ 500 |
空气 | ～ 4500 |
在湿土中， 水分给热量提供了容易传导的通路。 如果土壤变干燥就会发生热量
传导的不连续， 热阻系数会变大。
将土壤压实会增强矿物粒子之间的接触并排除空气 （ 例如会降低孔隙率）， 从而减小土壤热阻系数， 含水量较低的情况下效果很显著。 分选好的土壤可以视为紧实的， 因为较小的颗粒可以有效填满较大颗粒之间的空隙 （ 见图 15- 2）。 经过修正的回填土干土密度准确值是获取要求的热性能的主要因素。
图 15- 1 高热阻系数土壤
（ 低密度高孔隙率）
图 15- 2 低热阻系数土壤
（ 高密度低孔隙率）
对于给定的土壤， 影响热阻系数的最主要因素是含水量。 干燥状态下缝隙被空气填满 （ ～ 4500 ℃ cm / W） ； 因此极大地限制了热量的传导通道， 热量只能通过无机物之间的接触进行传输。 如果用水 （ ～ 165 ℃ cm / W） 替代空气， 由于良好的热传导通道得到扩展 （ 热桥， 见图 15 - 3 ） 导致土壤的热阻系数显著降低 （ 降低3 ～ 8 倍） 。 热干燥曲线图如图 15 - 4 所示 （ 热阻系数与土壤含水量关系） 。 具有良好保水性的土壤和干燥后可补湿的土壤都会具有较好的热性能。
图 15- 3 水 （ 含水量） 对热阻系数的影响
a） 潮湿土壤： 高的含水量为热传导提供良好通道 （ 热桥） b） 变干土壤：土壤变干后， 由于含水量低， 土壤的热传导路径变得不连续， 因此热阻系数增加
电缆若安装在地下水位以下就会有稳定的较低的热阻系数， 然而一旦水位降低
到电缆下方， 热量使土壤变得干燥， 高热阻系数也随之出现。 低于地下水位时， 虽然在黏性很高的土壤中对电缆加过高的热负载会造成土壤一定程度的干燥， 但热稳定性通常不是问题。
在水位线以上时， 土壤周围的含水量随季节变化。 热阻系数应在可预见的最干燥情况下进行测量。
自然土壤干燥状态下的密度不随时间变化， 但实际上相同成分和含水量的土壤的密度可能存在差异； 也可能在回填过程中造成与自然情况下的密度不同。
15. 2. 1 土壤临界含水量
在土壤含水量较高的情况下， 热干燥曲线近似是平的。 含水量较低时曲线倾斜程度较大， 土壤小幅的干燥会造成热阻系数有较大的增幅。 临界含水量定义为热阻系数不成比例增大的点， 分选好的颗粒状土壤的热干燥曲线有明显的拐点， 临界含水量有清晰的定义 （ 见图 15- 4）。 对于这种土壤， 临界含水量规定为平滑的曲线中热阻系数增加 10% 时的值。
临界含水量在良好颗粒化的逐渐倾斜的土壤热干燥曲线中没有明显地体现出，而成为了主观上的选择； 对这种土壤而言， 阿特贝里 （ Atterberg） 塑限/ ASTM
在土壤是可塑的前提下， 塑限是最低的含水量， 因而具有很直观的意义。 不再包含 “ 任意” 含量的水， 在含水量更低的情况下土壤会出现粉碎的情况。 相应的热量会造成水汽构成的热桥断裂 ； 因此在低于塑限时， 热阻系数应该是已经开始成比例、 更大幅地增加了。