压实土热阻率的水分路径依赖滞后性及其在能源与岩土工程系统中的应用

《Scientific Reports》：Moisture-path-dependent thermal resistivity hysteresis of compacted soils for energy and geotechnical systems

　　# 摘要对土壤热传递和热阻特性的理解不足，会加速地下能源基础设施和岩土工程基础设施系统的劣化，进而影响其短期和长期的安全性与可靠性。本研究提出了一个统一的、跨土质的分析框架，用于量化土壤颗粒尺寸对由滞后效应（吸湿和干燥路径）引起的土壤热阻变化的影响，涵盖复杂土质结构和含水量条件。我们在从粗粒到富含细粒的代表性土壤类型上开展了一系列标准化实验，在受控的吸湿和干燥含水状态下，表征了各土类特有的滞后行为。研究结果表明，吸湿路径和干燥路径产生了系统性不同的热阻响应，其中吸湿路径的热阻值比干燥路径高至255%。这种差异受颗粒级配、相关的孔隙网络特性以及各土壤类型的持水能力的控制。干燥路径——即通过让压实饱和土壤自然失水获得——相比吸湿路径，最能代表原位土壤热状况，因此推荐作为基础设施设计的测量路径候选方案。基于这些经过实验验证的结果，我们提出了一个新的、相对接近现场代表性的标准化热干燥曲线生成框架，该框架以三种物理上可区分的含水状态（烘干状态、吸湿含水量和最优含水量）为指导，且适用于任何分类的土壤类型。综合而言，这些研究结果为土壤热阻的可靠、高效且相对接近现场代表性的表征提供了稳健的指导，推动了地下和岩土基础设施的测量规程和设计实践的发展。