土体导热系数是地热工程前期设计和解决各类温度场问题所涉及的一个重要参数。土体由土颗粒、水、空气三相物质组成,其导热系数与三相物质自身导热性能有关,但研究表明三相物质组成比例既土体的基本物理性质参数对导热系数的影响更加显著。鉴于此,定量分析土体基本物性参数与导热系数之间的相关关系及土体导热机理以便更加科学的利用该参数进行工程设计具有重要的指导意义。本文以长春地区典型粉质黏土为研究对象。在长春市36个试验点利用勘察钻孔取样,取40组原状试样。通过室内实验,测试原状土和重塑土的导热系数及孔隙率、含水率,利用SPSS统计分析软件对导热系数与物性参数进行多元线性回归拟合,原状土导热系数与含水率、孔隙率多元拟合效果较好,自变量能较好的解释因变量的变异,获得了长春地区典型粉质黏土导热系数与孔隙率、含水率的相关关系。为了研究单一因素对土体导热系数的影响,以原状土为原料制作了19组重塑土样,获取了土体导热系数随各基本物性参数的变化规律:导热系数随含水率增长而增大,整个增长趋势由急剧增长逐渐趋于稳定,随着孔隙率的增大,导热系数呈线性下降,多元拟合结果其调整的R~2为0.965,拟合效果好。原状土与重塑土获取的相关数据的多元拟合关系表达形式相同,其中土体导热系数与含水率呈正相关,与孔隙率呈负相关。受实验条件限制,利用实验的方法无法获取单一因素在更加宽泛的范围内与土体导热系数的相关关系。为了进一步研究含水率、孔隙率和温度对导热系数影响规律,以实验测得土基本物理性质参数为基础,构建数值模型,基于控制变量法采用ANSYS APDL有限元分析软件对不同模型的导热性能进行数值模拟。数值模拟结果表明,在孔隙率一定的条件下,导热系数在整个含水率变化范围内整体呈增长趋势,整个增长趋势依据增长速率可分为三个阶段。当含水率低于土体饱和度50%时对应的含水率,导热系数随着含水率的增长而呈快速线性增长;当含水率进一步增大至土体达到初饱和状态(饱和度80%)时,导热系数随含水率变化的线性增长速率变缓,含水率每增长5%,导热系数增量为上一阶段的一半;当含水率超过土体初饱和状态时对应的含水率,导热系数的增长趋势变缓并逐渐趋于稳定,二者成幂函数关系。在控制其他影响因素的条件下,土的导热系数随孔隙率增加而减少。依据下降速率可分为三个阶段,当孔隙率低于45%时,导热系数随孔隙率的增加呈缓慢下降,孔隙率每增长5%,导热系数以低于5%的下降幅度缓慢减少;当孔隙率范围在45%~60%时,导热系数随孔隙率的增长以平均8%的下降幅度减少;当孔隙率超过60%且不断增大,导热系数以高于10%的下降幅度快速减少,且下降幅度不断增大。当控制含水率和孔隙率一定时,随着温度的上升,导热系数逐渐增大,二者间呈线性关系。最后,从微观角度研究土体微观结构参数对导热系数的影响。取部分原状土样,利用微观扫描电镜实验获取微观土样的SEM图像,对SEM图像进行处理和分析进一步获取土样孔隙形状系数、孔隙概率熵、孔隙区域概率分布指数和孔隙分形维数等微观参数,分析微观参数对土体导热系数的影响。其中,土体导热系数随着孔隙的形状系数、概率熵和分形维数的增大而变小,随着孔隙区域概率分布指数的增大而变大。说明土颗粒的形状越趋向尖锐狭长,相互之间的连接减弱,颗粒间的接触热阻增大,导热系数减小;土颗粒和孔隙的排列由有序逐渐转为随机排列,造成土颗粒连接减弱、土颗粒和孔隙之间的接触面积增大,导热系数减小;单位体积孔隙所占的比例升高,土颗粒减少,导热系数减小。而其单位区域内大孔隙的数量减少,土颗粒间的连接更加紧密,导热路径内空气占比下降,土体导热系数逐渐增长。