CN102053103B - 钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法及所用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，包括带有螺纹接头(1)的原位探头(2)；原位探针(3)包括探针管(12)和针尖(13)，针尖(13)与探针管(12)的底端固定相连，在探针管(12)的外表面设置螺旋状外螺纹(14)；在探针管(12)的内腔(9)中分别设置加热丝(6)、热电偶(8)以及填充物(11)；探针管(12)的顶端与原位探头(2)固定相连；加热导线(10)与加热丝(6)相连，温度接收导线(7)与热电偶(8)相连。本发明还同时提供了利用上述装置所进行的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法。采用本发明可获得分层岩土层的热物性参数。

Description

钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法及所用装置

技术领域

本发明涉及一种原位测试岩土热物性参数的方法，特别涉及一种通过钻入方式，可现场测试任意埋置深度岩土层的热物性参数的方法。

背景技术

现在尚没有能在原位测试任意埋置深度岩土层热物性参数的方法。现有的分层岩土热物性的测试方法为：将现场不同埋置深度的岩土体取样到实验室内，再针对取出的岩土体样品做热物性试验，从而获得相应参数。

在将现场岩土体取样到实验室的过程中，存在以下严重问题：一是取样及运输过程中破坏了岩土体的结构性；二是取样及运输过程中岩土体的含水量会部分丢失；三是将深层岩土体取到地面以上，取出的样品卸载回弹变的疏松；四是由于测试土样的体积局限性，难以满足线性热源到被测岩土体边界无限大的假设。

上述四个情况恰好是影响岩土体热物性参数测试准确与否的重要因素，在这四种情况存在的条件下，在实验室内无论怎样模拟也无法逼近岩土样的原始赋存状态。通常情况下，破坏了岩土体的结构性，也就是破坏了岩土体的连续性，会导致岩土体导热系数的减小。岩土体含水量减少，也会导致岩土体导热系数的减小。岩土体卸载以后回弹变的疏松也使岩土体导热系数变小。由于室内测试土样体积的局限性，线热源的热量很快影响到土样边界，导致测试数据不真实。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过钻入方式将探针钻入岩土体，能在原位测试任意埋置深度岩土体热物性参数的方法，该测试方法完全满足岩土体原始赋存状态，测试出来的参数真正代表岩土体所在位置的真实值。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，包括带有螺纹接头的原位探头；原位探针位于原位探头的下方，原位探针包括探针管和针尖，针尖与探针管的底端固定相连，在探针管的外表面设置螺旋状外螺纹；在探针管的内腔中分别设置加热丝和至少一个的作为感温元件的热电偶，在探针管的内腔中填充为低热容材料的填充物；探针管的顶端与原位探头固定相连；加热导线与加热丝相连，温度接收导线与热电偶相连。

作为本发明的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的改进：探针管长度L1是探针管外径D的30～120倍，即探针管的长径比为30～120。

作为本发明的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进：加热丝的长度＝探针管长度L1。

作为本发明的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进：探针管由高导热性质材料制成。

作为本发明的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进：低热容材料为环氧树脂；高导热性质材料通常为不锈钢或硬度≥180HBS的合金钢。

作为本发明的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进：在原位探头和螺纹接头内分别设有通道；加热导线的顶端和温度接收导线的顶端均依次穿越原位探头内的通道和螺纹接头内的通道而外露。

本发明还同时提供了利用上述装置所进行的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法，利用岩土工程勘察所产生的取土孔作为测试孔，依次包括以下步骤：

1)、通过螺纹接头使原位探头与钻杆相连，即，使原位探头替换地质钻头；

2)、通过钻机使钻杆带动原位探头沿着测试孔下沉至被测岩土层；从而使原位探针的针尖与被测岩土层相接触；

3)、在地面用钻机钻动钻杆，带动原位探头，从而使整个原位探针钻入被测岩土层；静止5-10min后(待钻入过程中的摩擦热量散尽)，加热导线加热内腔中的加热丝，利用温度接收导线在地面接收热电偶的信号，并记录t₁，t₂以及T₁，T₂；

t₁，t₂：分别为加热记录的起始时间和终止时间，单位：s；加热开始后80～120s为加热记录的起始时间，加热结束时间为加热记录的终止时间；即，t₁一般在加热稳定后开始计算时间，通常可取开始加热后80～120s(例如100s)计时；

T₁，T₂：分别对应于时间t₁，t₂时热电偶的温度，单位：K；

4)、获得被测岩土层的导热系数K：

所述被测岩土层的导热系数

q：单位长度线热源的发热功率，

单位W/m；

U：原位探针加热电压，单位V；

R：原位探针电阻，由加热丝的材料确定，又称制作电阻，单位Ω；

L：加热丝的长度，单位m，同探针管的长度L1。

在本发明中，原位探针按照线性热源模型制作，即满足外表面设置螺旋状外螺纹的探针管的长径比为30～120。因此原位探针视为线性热源。

在本发明中，加热丝和热电偶均位于填充物内，且分别位于填充物的两侧(或者加热丝位于填充物的一侧，而热电偶靠近探针管的中心轴线)；加热丝和热电偶均不与探针管相接触，且加热丝和热电偶相互之间也不发生接触。

本发明，适用于任何密实程度的岩土层，由于不同岩土层的导热速度不同，因此输入的U值不同，还随原位探针的的电阻、原位探针的长度而变化。在原位探针电阻R＝100Ω，原位探针长度L1＝700mm时，输入电压U通常可设定为40-55V。

为了获得正确的数据，(1)式应满足，被测物体的边界距离热源足够远；热源很小，以至于可以假设为几何上无限小；热源必须足够长，以逼近线热源的热流模型；线热源和被测物体存在完全的热接触。采用本发明的测试装置和测试方法能自动满足上述要求。

在本发明中，可在地面通过岩土工程勘察钻杆，从而使原位探针钻入被测岩土层。

在本发明的测试方法中，先利用常规的含有地质钻头的钻机进行钻孔，然后再以本发明的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置来替换地质钻头；从而进行测试。

与现有岩土的热物性测试技术相比，本发明的特征是：原位探针与被测岩土体边界足够远；原位探针的热源很小，与被测岩土体相比，在几何上可以认为无限小；原位探针(螺旋状螺纹探针管)的长度与直径比大于≥30(考虑到成本，将该长径比的上限值设定为120)，热源已经足够长，已经逼近线热源的热流模型；原位探针采用钻入方式钻入被测岩土体，探针表面和岩土体存在完全的热接触。因此，本发明具有以下有益效果：

1、由于在原位进行测试，克服了室内测试存在的问题，即不对岩土层的结构性进行扰动，岩土层的含水量即为原始含水量，被测岩土层不会因为卸载而变的疏松。

2、可以在现场测试任意埋置深度的岩土层，获得分层岩土层的热物性参数。

3、可以在进行岩土工程勘察过程中实施，利用岩土工程勘察取土孔的钻孔作为测试孔，无须另行成孔，大幅度降低测试费用。

4、采用钻入式，可将原位探针钻入被测试的密实的岩土层。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的结构示意图；

图2是图1在实际使用状态时的A-A剖视示意图；

图3是图1中的原位探针3的剖视构造图。

图中：

1--螺纹接头，2--原位探头，3--原位探针，4--护套，5--被测岩土层，6--加热丝，7--温度接收导线，8--热电偶，9--内腔，10--加热导线，11--填充物，12--探针管，13--针尖，14--螺旋状外螺纹。

L₁：探针管12的长度，m；

D：探针管12的直径，m。

具体实施方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

实施例1、一种钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，包括带有螺纹接头1的原位探头2以及原位探针3，原位探针3位于原位探头2的下方。原位探针3包括探针管12和针尖13，针尖13与探针管12的底端固定相连，在探针管12的外表面设置螺旋状外螺纹14。探针管12长度L1是探针管12外径D的30～120倍，即探针管12的长径比为30～120，针尖13的尖角一般可为30～60度。探针管12的壁厚为探针管12直径的1/10左右。探针管12由高导热性质材料(例如为硬度≥180HBS的合金钢)制成。

在探针管12的内腔9中分别设置加热丝6和2个作为感温元件的热电偶8，加热丝6的长度＝探针管12长度L1。2个热电偶8上下并列的设置；一个热电偶8位于距离探针管12底端1/3的探针管12高度处，另一个热电偶8位于距离探针管12底端2/3的探针管12高度处，设置2个热电偶8的目的是保证获得的温度能准确反映原位探针3的温度。加热丝6和热电偶8一左一右的位于内腔9内，即加热丝6和热电偶8相互之间不直接接触，且加热丝6和热电偶8均不与探针管12相接触。在内腔9内填充低热容材料(例如为环氧树脂)制成的填充物11。

探针管12的顶端与原位探头2固定相连，在原位探头2和螺纹接头1内分别设有通道。加热导线10的底端依次穿过螺纹接头1内的通道、原位探头2内的通道和探针管12的顶部后与位于内腔9中的加热丝6相连，加热导线10与探针管12的顶部之间必须保证密封性，从而避免内腔9中的填充物11外泄。温度接收导线7的底端依次穿过螺纹接头1内的通道、原位探头2内的通道和探针管12的顶部后与位于内腔9中的2个热电偶8分别相连，温度接收导线7与探针管12的顶部之间必须保证密封性，从而避免内腔9中的填充物11外泄。

为了保护露在整个原位探针3外部的加热导线10和温度接收导线7，可将外露的加热导线10和温度接收导线7套装在护套4内。

上述原位探针3可视作线性热源。

实施例2、利用如实施例1所述装置所进行的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法，依次包括以下步骤：

1)、通过岩土工程勘察取土器取土来鉴别被测岩土层5的名称，确定被测岩土层5的土层性质及埋置深度。具体为：使钻机上的地质钻头从地表钻入至被测岩土层5，同时通过取土器鉴别被测岩土层5的名称，从而使地面至被测岩土层5之间产生一条通道(即取土孔)。

上述内容是岩土工程勘察的常规内容。

在以下步骤中，利用上述取土孔作为测试孔。

2)、使地质钻头提起至地面，从钻机上取下地质钻头；然后通过螺纹接头1使原位探头2与钻杆相连，即，使原位探头2替换地质钻头；

3)、通过钻机使钻杆带动原位探头2和原位探针3沿着步骤1)所产生的通道(即取土孔，又名测试孔)下沉至被测岩土层5；即，使原位探针3的针尖13与被测岩土层5相接触；

4)、在地面钻动钻杆，利用螺旋状外螺纹14，从而使整个的原位探针3(包括探针管12和针尖13)钻入被测岩土层5；静止5-10min(待钻入过程中的摩擦热量散尽)，利用加热导线10加热内腔9内的加热丝6，利用温度接收导线7在地面接收热电偶8的信号，并记录t₁，t₂以及T₁，T₂；

t₁，t₂：分别为加热记录的起始时间和终止时间，单位：s；一般在加热稳定后开始计算时间t₁，因此通常可取开始加热后100s计时；t₂为加热结束时间；

T₁，T₂：对应于时间t₁，t₂时的温度，单位：K；均取2个热电偶8所得温度的平均值；即，t₁时2个热电偶8所得温度的平均值为T₁，t₂时2个热电偶8所得温度的平均值为T₂；

5)、获得被测岩土层5的导热系数K：

所述被测岩土层5的导热系数

q：单位长度线热源的发热功率，

单位W/m；

U：原位探针3加热电压，单位V；

R：原位探针3电阻，由加热丝6的材料确定，又称制作电阻，单位Ω；

L：加热丝6的长度，单位m，同探针管12的长度；

利用实施例2所述的方法对不同的被测岩土层5的土层进行以下检测实验：

实验1、通过岩土工程勘察取土器取土鉴别，确定被测试岩土层5的土层性质为粘土；埋置深度在地面下15m处(即，取土孔的深度为15m)。探针管12的长度700mm，探针管12的直径20mm，即，原位探针3的长径比为35。U＝45V(即，加热导线10所通入的电压为45V)；R＝100Ω。记录得：t₁＝100s；t₂＝700s；T₁＝21.1K；T₂＝24.2K。

因此，被测岩土层5的热物性参数，即导热系数

$K=\frac{U^2}{4\mathrm{\πRL}}\·\frac{\ln (t_2/t_1)}{T_2-T_1}=\frac{{45}^2}{4\×3.14\×100\×0.7}\frac{\ln (700/100)}{24.2-21.1}=1.446(W/m\·K).$

实验2、通过岩土工程勘察取土器取土鉴别，确定被测岩土层5的土层性质为粉土。埋置深度在地面下45m处。探针管12的长度700mm，探针管12的直径20mm，即，原位探针3的长径比为35。U＝47V；R＝100Ω。记录得：t₁＝100s；t₂＝700s；T₁＝21.4K；T₂＝24.2K。

因此，被测岩土层5的热物性参数，即导热系数

$K=\frac{U^2}{4\mathrm{\πRL}}\·\frac{\ln (t_2/t_1)}{T_2-T_1}=\frac{{47}^2}{4\×3.14\×100\×0.7}\frac{\ln (700/100)}{24.2-21.4}=1.746(W/m\·K)$

实验3、通过岩土工程勘察取土器取土鉴别，确定被测岩土层5的土层性质为密实砂土；埋置深度在地面下75m处。探针管12的长度700mm，探针管12的直径20mm，即，原位探针3的长径比为35。U＝52V；R＝100Ω。记录得：t₁＝100s；t₂＝700s；T₁＝21.3K；T₂＝23.3K。

因此，被测岩土层5的热物性参数，即导热系数

$K=\frac{U^2}{4\mathrm{\πRL}}\·\frac{\ln (t_2/t_1)}{T_2-T_1}=\frac{{52}^2}{4\×3.14\×100\×0.7}\frac{\ln (700/100)}{23.3-21.3}=2.992(W/m\·K).$

实验4、通过岩土工程勘察取土器取土鉴别，确定被测试岩土层5的土层性质为卵石土。埋置深度在地面下110m处。探针管12的长度700mm，探针管12的直径20mm，即，原位探针3的长径比为35。U＝47V；R＝100Ω。记录得：t₁＝100s；t₂＝700s；T₁＝21.0K；T₂＝23.3K。

因此，被测岩土层5的热物性参数，即导热系数

$K=\frac{U^2}{4\mathrm{\πRL}}\·\frac{\ln (t_2/t_1)}{T_2-T_1}=\frac{{47}^2}{4\×3.14\×100\×0.7}\frac{\ln (700/100)}{23.3-21.0}=2.126(W/m\·K)$

采用本发明方法获得的岩土体导热系数，与中华人民共和国标准《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)提供的岩土体导热系数参考值接近。下表是本测试方法获得的导热系数与规范提供的参考值比较(单位W/m·K)

土类名称	本测试方法	规范参考数值
			粘土	1.446	1.4-1.9
粉土	1.746	1.6-2.1
			砂土	2.992	2.8-3.8
卵石土	2.126	2.08-2.42

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法，利用了钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：

钻入式原位分层测试岩土热物性参数的装置包括带有螺纹接头（1）的原位探头（2）；原位探针（3）位于原位探头（2）的下方，所述原位探针（3）包括探针管（12）和针尖（13），针尖（13）与探针管（12）的底端固定相连，在所述探针管（12）的外表面设置螺旋状外螺纹（14）；在探针管（12）的内腔（9）中分别设置加热丝（6）和至少一个的作为感温元件的热电偶（8），在所述探针管（12）的内腔（9）中填充环氧树脂作为填充物（11）；所述探针管（12）的顶端与原位探头（2）固定相连；加热导线（10）与加热丝（6）相连，温度接收导线（7）与热电偶（8）相连；

利用岩土工程勘察所产生的取土孔作为测试孔，依次包括以下步骤：

1）、通过螺纹接头（1）使原位探头（2）与钻杆相连；

2）、通过钻机使钻杆带动原位探头（2）沿着测试孔下沉至被测岩土层（5）；从而使原位探针（3）的针尖（13）与被测岩土层（5）相接触；

3）、在地面用钻机钻动钻杆，带动原位探头（2），从而使整个原位探针（3）钻入被测岩土层（5）；静止5-10min后，加热导线（10）加热内腔（9）中的加热丝（6），利用温度接收导线（7）在地面接收热电偶（8）的信号，并记录t₁,t₂以及T₁,T₂；

t₁,t₂：分别为加热记录的起始时间和终止时间，单位：s；加热开始后80~120s为加热记录的起始时间，加热结束时间为加热记录的终止时间；

T₁,T₂：分别对应于时间t₁,t₂时热电偶（8）的温度，单位：K；

4）、获得被测岩土层（5）的导热系数K：

所述被测岩土层（5）的导热系数

            ；

q：单位长度线热源的发热功率， ， 单位W/m；

U：原位探针（3）加热电压，单位V；

R：原位探针（3）电阻，由加热丝（6）的材料确定，单位Ω；

L：加热丝（6）的长度，单位m，所述加热丝（6）的长度=探针管（12）长度L1。

2.根据权利要求1所述的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法，其特征是：所述探针管（12）长度L1是探针管（12）外径D的30~120倍。

3.根据权利要求2所述的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法，其特征是：所述探针管（12）由硬度≥180HBS的合金钢或者不锈钢制成。

4.根据权利要求3所述的钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法，其特征是：在原位探头（2）和螺纹接头（1）内分别设有通道；所述加热导线（10）的顶端和温度接收导线（7）的顶端均依次穿越原位探头（2）内的通道和螺纹接头（1）内的通道而外露。

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