昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究

刘志云, 张伟, 王伟, 崔福庆. 昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究[J]. 水文地质工程地质, 2021, 48(1): 105-113. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202003003
引用本文: 刘志云, 张伟, 王伟, 崔福庆. 昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究[J]. 水文地质工程地质, 2021, 48(1): 105-113. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202003003
LIU Zhiyun, ZHANG Wei, WANG Wei, CUI Fuqing. Research on experimental tests and prediction models of thermal conductivity of freezing-thawing soil in the Kunlun Mountains[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2021, 48(1): 105-113. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202003003
Citation: LIU Zhiyun, ZHANG Wei, WANG Wei, CUI Fuqing. Research on experimental tests and prediction models of thermal conductivity of freezing-thawing soil in the Kunlun Mountains[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2021, 48(1): 105-113. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202003003

昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目资助(51574037;41502292);中国交通建设股份有限公司应用基础研究(2018-ZJKJ-PTJS03;2016-ZJKJ-02)
详细信息
    作者简介: 刘志云(1979-)男,副教授,主要从事冻土工程热灾害防治研究。E-mail: dcdgx33@chd.edu.cn
    通讯作者: 崔福庆(1984-)男,博士,主要从事冻土传热传质研究。E-mail: cfq731@chd.edu.cn
  • 中图分类号: P642.14

Research on experimental tests and prediction models of thermal conductivity of freezing-thawing soil in the Kunlun Mountains

More Information
  • 为探究青藏高原工程走廊带昆仑山地区冻融土导热系数基本特征,采用瞬态平面热源法对钻取的349组冻土试样和245组融土试样导热系数进行了测试,分析了五类土导热系数分布特征及天然含水率、干密度与导热系数的偏相关性,并以两者为变量因素建立了经验公式拟合、支持向量回归(SVR)和径向基(RBF)神经网络导热系数预测模型。结果表明:冻融土导热系数整体均呈粗颗粒土大于细颗粒土特征,且冻土和融土导热系数随土性分布规律存在差异;天然含水率、干密度与导热系数均呈正相关性,不同土类偏相关性结果差异明显,典型土导热系数二元经验回归方程表现为非线性拟合结果。对比三种预测模型下各典型土冻融土导热系数预测结果,全风化千枚岩、角砾及砾砂三种预测模型效果整体较佳,粉土的SVR及RBF神经网络预测精度较好;融土导热系数预测效果整体略优于冻土,SVR及RBF神经网络模型下角砾、粉土及全风化千枚岩融土导热系数预测精度较高。综合导热系数模型预测效果和误差结果分析可得,SVR和RBF神经网络模型预测效果显著优于经验方程拟合,后者针对部分土性拟合效果相对较好,可满足一般工程估算需求;SVR和RBF神经网络预测模型针对不同土性导热系数预测效果呈差异性变化,整体预测效果相当,且预测精度更高、应用土性范围更广。

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  • 图 1  钻孔取样路线

    Figure 1. 

    图 2  土样分类统计

    Figure 2. 

    图 3  Hot Disk导热系数测试系统

    Figure 3. 

    图 4  导热系数测试流程图

    Figure 4. 

    图 5  土类占比及导热系数均值

    Figure 5. 

    图 6  土样导热系数频率分布

    Figure 6. 

    图 7  全风化千枚岩导热系数预测模型结果对比

    Figure 7. 

    表 1  土样基本物性参数

    Table 1.  Basic physical parameters of the soil samples

    土性 含水率/% 干密度/(g·cm−3
    分布范围 均值 分布范围 均值
    砂土类 2.6~83.0 22.2 0.880~2.297 1.665
    碎石土类 2.9~118.0 20.9 0.688~2.280 1.705
    黏土类 6.9~148.2 30.1 0.612~2.046 1.551
    粉土类 4.5~99.3 27.5 0.813~1.977 1.560
    全风化岩类 1.6~75.4 18.3 0.810~2.290 1.760
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    表 2  Hot Disk测试仪参数

    Table 2.  Hot Disk tester parameters

    传感器 导热系数范围/(W·m−1·K−1 温度范围/K 精度/% 重复性/%
    Kapton 0.005~20 10~1000 ±3 ±1
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    表 3  导热系数与含水率、干密度偏相关分析

    Table 3.  Partial correlation analysis of thermal conductivity with moisture content and dry density

    土性 变量 融土 冻土 变量 融土 冻土
    相关性 显著性 相关性 显著性 相关性 显著性 相关性 显著性
    砂土类 含水率 0.508 0.001 0.282 0.022 干密度 0.545 0.000 0.199 0.109
    导热系数 导热系数
    碎石土类 含水率 0.700 0.000 0.339 0.002 干密度 0.566 0.000 0.246 0.029
    导热系数 导热系数
    黏土类 含水率 0.186 0.096 0.232 0.016 干密度 0.325 0.003 0.236 0.014
    导热系数 导热系数
    粉土类 含水率 0.004 0.986 0.215 0.201 干密度 0.203 0.301 0.206 0.221
    导热系数 导热系数
    全风化岩类 含水率 0.571 0.000 0.207 0.132 干密度 0.359 0.019 0.061 0.664
    导热系数 导热系数
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    表 4  各种土二元经验回归拟合结果

    Table 4.  Binary empirical regression fitting results for all kinds of soil

    土类 导热系数经验回归公式
    砾砂
    角砾
    粉质黏土
    粉土
    全风化千枚岩
      注:式中w为含水率,ρd为干密度,abcde为拟合参数。
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    表 5  各种土二元经验回归公式参数

    Table 5.  Binary empirical regression formula parameters for all kinds of soil

    土类 a b c d e
    砾砂 融土 −1.82 −2.59 2.83
    冻土 0.97 −5.03 1.36
    角砾 融土 −41.50 4.27×101 1.50×10−2 −3.72 −2.11
    冻土 −503.54 5.01×102 2.00×10−3 1.43 1.04
    粉质黏土 融土 −1.85 −3.20×10−2 1.00×10−3 3.83 −1.01
    冻土 0.24 1.70×10−2 0 0.58 0.15
    粉土 融土 0.42 2.90×10−1 −1.70×10−2 −0.41
    冻土 1.35 8.70×10−2 −2.00×10−3 −0.67
    全风化千枚岩 融土 −2.70 7.80×10−1 3.40×10−1 1.32
    冻土 −343.66 3.40×102 3.00×10−3 1.80
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    表 6  SVR预测模型网格搜索优选参数

    Table 6.  SVR optimal parameters obtained from grid search of the prediction model

    土性 砾砂 角砾 粉质黏土 粉土 全风化千枚岩
    融土 冻土 融土 冻土 融土 冻土 融土 冻土 融土 冻土
    惩罚参数(C 0.25 2.00 5.66 22.63 1.41 0.09 1.00 90.51 1.00 4.00
    核函数超参数(g 3.28×104 32.00 1.41 1.41 4.00 128.00 11.31 16.00 16.00 4.00
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    表 7  经验公式与机器学习回归模型预测结果

    Table 7.  Forecast results of the empirical formula and regression model of machine learning

    土性 砾砂 角砾 粉质黏土 粉土 全风化千枚岩
    融土 冻土 融土 冻土 融土 冻土 融土 冻土 融土 冻土
    经验公式 R2 0.59 0.60 0.68 0.58 0.21 0.12 0.59 0.34 0.75 0.83
    MSE 0.05 0.08 0.03 0.08 0.03 0.09 0.01 0.07 0.02 0.04
    MAPE/% 10.50 11.54 7.78 11.28 9.41 12.19 6.32 10.78 7.14 8.92
    相对误差10%内 50.00 52.78 70.97 52.00 59.10 47.73 77.78 60.00 75.00 63.64
    SVR R2 0.79 0.85 0.86 0.73 0.51 0.25 0.91 0.85 0.87 0.88
    MSE 0.04 0.04 0.01 0.06 0.02 0.07 0.00 0.02 0.01 0.03
    MAPE/% 7.55 5.05 4.52 8.40 6.58 10.40 2.42 3.55 4.07 6.03
    相对误差10%内 70.00 83.33 87.10 66.00 75.76 56.82 89.66 85.71 83.33 69.70
    RBF R2 0.72 0.77 0.98 0.81 0.50 0.43 0.93 0.72 0.92 0.91
    MSE 0.03 0.06 0.00 0.04 0.02 0.06 0.00 0.03 0.01 0.02
    MAPE/% 7.99 6.65 1.24 7.71 7.51 10.00 2.49 6.35 3.70 5.60
    相对误差10%内 65.00 72.22 96.77 68.00 71.21 56.82 96.55 74.29 93.33 78.79
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出版历程
收稿日期:  2020-03-02
修回日期:  2020-05-25
刊出日期:  2021-01-15

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