随着地下能源工程的发展,地源热泵、能源桩等技术得到很大程度的发展。地源热泵技术是利用地球表面浅层土体中的地热能作为冷(热)源,实现建筑物冬季供暖、夏季制冷的一种高效、环保的节能技术。传统的地埋管地源热泵技术存在占地大(地下空间)、成本高等问题,在城市地区和经济发达地区应用经常受到限制。能源桩作为基于传统地热泵技术改进得到的新型建筑节能技术,它将传统地源热泵的热交换管路置于建筑桩基内,利用其管内循环传热介质与桩周岩土体之间的温差,实现与桩周岩土体之间的热交换。土层热物性参数表征的是当物体被施加热荷载时的反应能力,其中土的热传导系数是土热物性的关键性质,其准确性直接影响地下能源工程设计是否可靠以及合理。土体热物性参数测试方法主要有室内试验法和现场原位测试方法。室内试验例如热探针试验、温度时域反射探针(thermal time domain reflectometry,简称T-TDR)试验以及热平板试验主要是通过改变土体温度,并通过测定土体温度随时间变化的曲线推导土体热传导系数,室内试验具有效率高、耗时短的特性,体量小且测试成本较低的优点,但由于远离测试现场,其测试精度有限,同时不能反映原位土体的其他力学性质。原位测试是在现场对土热物性进行测试,例如热响应试验基于土体的现场环境,能够综合分析土性、地下水等因素的影响,对地下能源工程的开展具有很大的指导意义但存在耗时长,精度低等问题。本文即是在此背景下,针对国内外土的热传导系数测试方法存在的问题,基于瞬态线热源法测试原理,研发了新的热传导孔压静力触探探头(thermal piezocone penetration testing,简称TCPTU)。其次,通过多物理场耦合有限元分析软件模拟还原了TCPTU探头在真实土体中传热并测试的过程,以此分析验证TCPTU测试原理的可靠性以及TCPTU探头设计的合理性。此外,再根据模型试验设计要求,以东南大学自主研发的TCPTU测试设备,依照东南大学自主研发的模型槽设备针对典型粘土、粉质粘土、砂土进行室内模型槽试验、室内热探针试验、以及原位现场测试,验证TCPTU测试方法的可靠性,总结该测试方法的工程实践流程,并分析其热传导系数在不同干密度和含水率中的变化规律,结合模型槽试验结果以及室内热探针测试结果,建立通过土体干密度以及含水率等因素预测土体热传导系数的预测模型。以使TCPTU测试方法对地热能源开发以及能源工程有重要的实践意义和指导意义。本文主要研究工作如下:(1)总结了目前国内外正在进行的几种热传导模型研究,以明确TCPTU测试方法的测试原理。阐述国内外已有的土体热物性测试设备情况及测试原理,结合文献对目前广泛应用的几种测试方法的优缺点、适用范围进行归纳总结,通过几种测试方法的分析总结提出建设性意见。总结了目前对于土体换热过程的的数值模拟,以明确本文数值模拟的任务及目的。并通过总结国内外对热传导系数现场试验的研究,提出TCPTU测试方法的现场测试流程。(2)基于瞬态线热源理论对总结了计算方法以及试验结果的解译方法。并通过线热源法建立TCPTU测试方法计算模型研发出能够测试土体热传导系数的TCPTU探头。通过不断优化热源及探头材质的选择,传感器的排布以及线材的更改,数据接收设备的设计等,使TCPTU探头满足试验以及工程试验要求。(3)基于COMSOL多物理场耦合有限元分析软件,充分考虑真实土体中的TCPTU探头传热测试过程,利用固体传热模型和多孔介质传热模型分别针对TCPTU探头材质本身传热以及测试土体的传热过程进行模拟。模拟计算时采用拉格朗日自由网格划分方法对土体传热进行网格划分,通过隐式时间求解算法进行瞬时研究计算,还原测试土体以及探头传感器的温度随时间变化过程。对比不同时间段测试土体温度变化规律,以及通过TCPTU测试计算方法对传感器温度变化曲线求解得到模拟热导率,总结归纳TCPTU探头测试方法的可靠性以及TCPTU探头设计的合理性。(4)利用自主研发的TCPTU以及热探针对典型粘土,粉质粘土以及砂土进行了热传导系数模型试验,并在九龙湖能源桩场地、东南大学原位测试大厅进行现场测试。通过测试结果验证TCPTU测试方法的可靠性与高效性,并研究分析其热传导系数在干密度和含水率变化条件下的变化规律。分析结果表明:在固定干密度条件下,土体热传导系数在含水率低于最优含水率时随含水率增加而增加,最优含水率为土体本身结构固有性质,其值与塑限含水率相近。土体在固定含水率条件下,热传导系数随着干密度的增加而增加,在含水率接近最优含水率时,其变化不明显。基于以上试验结论及数据,建立了通过土体干密度及含水率等多种因素预测土体热传导系数的预测模型,并通过其他文献实测值来验证其模型可靠性并总结现场试验流程。