在地質與巖土工程領域，準確預測土體的熱物理性質對于分析地熱能開發、深層地下工程的熱環境變化以及寒區工程的凍融過程等問題至關重要。紅層土是一種廣泛分布于中國西南等地區的典型地質材料，具有高黏土含量、低水分散性、顯著流變性和強親水性等特點，這些特性使其在工程應用中面臨巨大挑戰。然而，與針對其力學特性、滲透性及微觀結構的大量研究相比，關于紅層土導熱系數的研究卻相對匱乏，其熱傳導機制仍不甚清晰。鑒于紅層土作為一種典型的多孔介質（包含固體顆粒、孔隙水和空氣），其導熱性能直接受到飽和度、孔隙度、密度和溫度等多種因素的復雜影響。因此，系統地研究并構建能夠反映紅層土多相物理特性的導熱系數預測模型，對于填補這一領域的知識空白、提升相關工程的熱學設計與評估精度具有重要意義。近期，題為“Predicting the thermal conductivity of red-bed soil based on multiphase medium”的研究論文發表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上，該研究為這一難題提供了新的解決方案。

本研究綜合采用了理論建模、實驗室實驗與數值模擬相結合的技術路徑。首先，基于Wiener邊界理論推導了三相多孔介質等效導熱系數的表達式，建立了理論框架。隨后，研究團隊對取自三峽庫區彭家橋滑坡前、中、后部的紅層土樣進行了顆粒級配和比重測試，并開展了比熱容實驗（采用熱平衡法）及導熱系數實驗（結合傅里葉定律與點熱源法）。最后，利用有限元方法進行了點熱源數值模擬，生成了補充數據集，用于校準模型參數并完善預測模型。

研究首先闡明了紅層土在水利工程中的普遍性與工程特性挑戰，并指出目前針對其導熱系數的研究不足。文章回顧了前人針對砂土、黃土等多種土壤導熱系數的研究成果，指出孔隙度和飽和度是控制土壤熱傳導通路連續性的主導因素，并強調了紅層土因其高黏土含量、強膠結、低滲透性等獨特微觀結構，導致其熱行為無法用現有普通土壤模型準確表征，從而確立了本研究的必要性。

本研究將多孔介質土壤視為三相復合材料。基于Wiener邊界理論，推導了導熱系數模型，該模型通過引入與孔隙度相關的結構因子η₁及與孔隙度、飽和度均相關的組成因子η₂，來描述熱傳導在串聯和并聯混合模式下的行為，最終得到一個更靈活、更貼近實際的三相復合介質等效導熱系數(λ_s-w-g)表達式（如文中公式(5)所示），并固定了三相（固、液、氣）材料在20°C下的導熱系數值以簡化計算。

通過實驗測定，得到了紅層土固相比熱容與溫度的函數關系（公式(21)），并結合文獻中水的比熱容與溫度關系（公式(22)），建立了紅層土等效比熱容的計算公式。

通過導熱系數實驗（使用半徑4 mm的Ni80Cr20合金加熱棒作為點熱源），在兩種含水量（0%和10%）、三種不同孔隙度和飽和度的壓實條件下，測量了土樣的溫度瞬態響應，獲取了計算導熱系數所需的熱流密度和溫度梯度數據。

基于瞬態熱傳導方程（公式(15)）及其Galyokin離散形式（公式(16)），將土壤導熱系數的確定構建為一個反問題。

采用最小二乘法迭代求解反問題，通過最小化數值解與實驗測量溫度之間的目標函數（公式(19)），獲得最優的導熱系數值。

建立了與實際實驗一致的圓柱形有限元模型，模擬不同飽和度（0.578, 0.701, 0.757）和孔隙度（0.386, 0.415, 0.469）條件下的熱傳導過程，生成了擴充數據集，用于擬合和校準理論模型中的η₁和η₂參數。

比熱容實驗結果顯示，在24°C至63°C范圍內，紅層土比熱容在0.764至0.988 kJ/(kg·K)之間變化，總體變化較小，并得到了高精度的擬合關系式。

實驗和模擬結果分析表明，紅層土的導熱系數對孔隙度和飽和度變化敏感。研究成功確定了η₁和η₂與孔隙度和飽和度的函數關系（例如，η₁與孔隙度的擬合函數為η₁=0.014?+0.123，η₂為η₂=0.28Sr^0.5+0.16?）。將上述關系代入三相等效導熱系數模型（公式(5)），最終建立了一個預測模型。

通過將本研究的預測模型、文獻中現有的C?té-Konrad模型、Johansen模型、Gori模型以及純數值模擬結果與實測數據進行比較，證明在廣泛的孔隙度和飽和度范圍內，本文提出的模型預測精度更高，與實測數據吻合良好。尤其重要的是，該模型能夠準確捕捉紅層土在低飽和度下導熱系數隨飽和度增加而急劇上升，以及在高飽和度下增長趨于平緩的趨勢，而許多現有模型難以準確描述這一非線性特征。

本研究成功開發了一個基于多相介質理論的紅層土導熱系數預測模型。該模型通過綜合考慮固、液、氣三相的貢獻，并引入與孔隙度和飽和度相關的結構因子，能夠精確地描述和預測紅層土的導熱性能。研究發現，紅層土的導熱系數隨孔隙度增加而減小，隨飽和度增加而增大，尤其是在低飽和度范圍內，飽和度的微小變化即可導致導熱系數的顯著提升。所建立的預測模型有效彌補了傳統經驗模型對紅層土這種特殊地質材料預測精度不足的缺陷，不僅為理解紅層土的熱力學行為提供了理論洞見，也為涉及熱傳遞分析的實際工程（如地源熱泵系統設計、高放廢物地質處置庫的熱評估、寒區路基熱穩定性分析等）提供了可靠的技術工具和設計依據，具有重要的理論價值和工程應用前景。