CN102175713A - 压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

本发明公开了一种压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)；在原位探头(2)内设有探头空腔(10)，在探头空腔(10)内设有液压箱组件和原位探针(5)；原位探针(5)包括探针管(17)和针尖(18)，在探针管(17)的内腔(15)中分别设置加热丝(14)和热电偶(13)，在探针管(17)的内腔(15)中填充为低热容材料的低热容填充物(16)；探针管(17)与活塞(4)的底端固定相连；加热导线(21)与加热丝(14)相连，温度接收导线(11)与热电偶(13)相连。本发明还同时提供了利用上述装置所进行的压入式原位分层测试岩土热物性参数的方法。

Description

压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，特别涉及一种通过静压方式，可以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静压方式，将探针压入岩土体，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，本发明提供一种压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；在原位探头内设有探头空腔，在探头空腔内设有液压箱组件和位于液压箱组件下方的原位探针；

液压箱组件包括液压箱壳体，在液压箱壳体的内腔中设有与液压箱壳体滑动相连的活塞，液压管与液压箱壳体的内腔相连通；

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，探针管的外表面为光滑表面；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低热容填充物；探针管与活塞的底端固定相连；加热导线与加热丝相连，温度接收导线与热电偶相连。

作为本发明的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的改进：在探针管的内腔顶部设置绝热填充物，绝热填充物位于低热容填充物之上，绝热填充物与探针管密封相连。

作为本发明的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进：在探头空腔的下部设置带有探针定向导孔的定向板，在原位探头的底面设有通孔，探针定向导孔和通孔的孔径均略大于探针管的外径D；探针定向导孔、通孔、探针管和针尖的中心轴线相重叠。

作为本发明的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进：探针管长度L1是探针管外径D的30～120倍。

作为本发明的压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。

作为本发明的压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。

作为本发明的压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，所述绝热填充物由导热系数小于0.1W/m·K的材料(例如复合硅酸盐类材料等)制成。

作为本发明的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进：在螺纹接头内设有通道；加热导线的底端依次穿越螺纹接头内的通道、探头空腔和绝热填充物后与加热丝相连，温度接收导线的底端依次穿越螺纹接头内的通道、探头空腔和绝热填充物后与热电偶相连。

本发明还同时提供了利用上述装置所进行的压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；

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)、在地面启动液压泵，通过活塞带动整个原位探针压入被测岩土层；静止5-10min(目的是使压入过程中因摩擦所产生的热量散尽)后，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，单位Ω；

L：加热丝的长度，单位m，同探针管的长度。

在本发明中，原位探针按照线性热源模型制作，即满足探针管的长径比为30～120。因此原位探针视为线性热源。

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，可在地面利用液压泵，从而使原位探针压入被测岩土层。

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，然后再以本发明的压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。

本发明，适用于软到中等硬度的岩土层，具体为饱和软黏土、软塑到可塑状态的黏性土以及粉土等岩土层，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40-50V。

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；原位探针采用压入方式压入被测岩土体，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，即不对岩土体的结构性进行扰动，岩土体的含水量即为原始含水量，被测岩土体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，获得分层岩土体的热物性参数。

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、采用压入式，可将原位探针压入被测试的以粘性土、粉土为主的岩土体。

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是本发明的压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的A-A剖视放大示意图；

图3是图1的B-B剖视放大示意图；

图4是图1在原位探针5入土时的示意图；

图5是图1中的原位探针5的剖视示意图。

图中：

1--螺纹接头，2--原位探头，3--液压箱，4--活塞，5--原位探针，6--探针定向导孔，7-护管，8--液压管，9--被测岩土层，10--探头空腔，11--温度接收导线，12--绝热填充物，13--热电偶，14--加热丝，15--内腔，16--低热容填充物，17--探针管，18--针尖，19--支撑架，20--通孔，21-加热导线。

L₁：探针管17的长度，m；

D：探针管17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、一种压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；在原位探头2内设有探头空腔10，在探头空腔10内设有液压箱组件和位于液压箱组件下方的原位探针5。螺纹接头1内设有通道。

液压箱组件包括液压箱壳体3，该液压箱壳体3通过支撑架19与探头空腔10的内壁固定相连，在液压箱壳体3的内腔中设有与液压箱壳体3滑动相连的活塞4，液压管8的底端与液压箱壳体3的内腔相连通，液压管8的顶端穿过螺纹接头1内的通道而外露。

原位探针5包括探针管17和针尖18，针尖18与探针管17的底端固定相连，探针管17的外表面为光滑表面，探针管17长度L1是探针管17外径D的30～120倍，即探针管17的长径比为30～120，针尖18的尖角一般可为30～60度。探针管17由高导热性质材料(例如为不锈钢材料)制成。

在探头空腔10的下部设置带有探针定向导孔6的定向板，在原位探头2的底面设有通孔20，探针定向导孔6和通孔20的孔径均略大于探针管17的外径D(例如比探针管17的外径D大5mm左右)；探针定向导孔6、通孔20、探针管17和针尖18的中心轴线相重叠。探针定向导孔6和通孔2共同起到对原位探针5径向定位的作用。

在探针管17的内腔15中分别设置加热丝14和2个作为感温元件的热电偶13，加热丝14的长度＝探针管17长度L1。2个热电偶13上下并列的设置；一个热电偶13位于距离探针管17底端1/3的探针管17高度处，另一个热电偶13位于距离探针管17底端2/3的探针管17高度处，设置2个热电偶13的目的是保证获得的温度能准确反映原位探针5的温度。加热丝14和热电偶13一左一右的位于内腔15内，即加热丝14和热电偶13相互之间不直接接触，且加热丝14和热电偶13均不与探针管17相接触。在内腔15内填充低热容材料(例如为环氧树脂)制成的低热容填充物16。

在探针管17的内腔15顶部设置绝热填充物12(由导热系数小于0.1W/m·K的材料制成，比如复合硅酸盐类材料等)，该绝热填充物12位于低热容填充物16之上，绝热填充物12与探针管17密封相连，从而将低热容填充物16密封在探针管17的内腔15中。设置绝热填充物12的目的是限制原位探针5加热后，温度向上传递，从而引起原位探针5(即探针管17)内的温度损失。绝热填充物12的高度略大于(例如大5mm左右)探针定向导孔6和通孔20之间的距离。

探针管17与活塞4的底端固定相连。加热导线21的底端依次穿过螺纹接头1内的通道、探头空腔10和绝热填充物12后与位于内腔15中的加热丝14相连；加热导线21与绝热填充物12之间必须保证密封性，从而避免内腔15中的低热容填充物16外泄。温度接收导线11的底端依次穿越螺纹接头1内的通道、探头空腔10和绝热填充物12后与位于内腔15中的2个热电偶13分别相连。温度接收导线11与绝热填充物12之间必须保证密封性，从而避免内腔15中的低热容填充物16外泄。为了保护加热导线21和温度接收导线11，可将露在整个原位探针5外部的加热导线21和温度接收导线11套装在护套7内。

上述原位探针5可视作线性热源。

实施例2、利用如实施例1所述装置所进行的压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9的名称，确定被测岩土层9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9，同时通过取土器鉴别被测岩土层9的名称，从而使地面至需要测试的岩土层之间产生一条通道(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；使液压泵与液压管8相连通；

3)、通过钻机使钻杆带动原位探头2(包含液压箱组件和原位探针5)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9；即，使原位探头2的底面与被测岩土层9相接触；

4)、在地面启动液压泵，液压泵内的高压液压油通过液压管8进入液压箱壳体3的内腔，从而使活塞4带动整个原位探针5(包括探针管17和针尖18)依次穿过探针定向导孔6和通孔2后压入被测试岩土层9；此时活塞4的底端抵着探针定向导孔6所在的定向板；静止5-10min(待压入过程中的摩擦热量散尽)，利用加热导线21加热内腔15内的加热丝14，利用温度接收导线11在地面接收热电偶13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时热电偶13的温度，单位：K；均取2个热电偶13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5加热电压，单位V；

R：原位探针5电阻，由加热丝14的材料确定，又称制作电阻，单位Ω；

L：加热丝14的长度，单位m，同探针管的长度L1。

利用实施例2所述的方法对不同的被测岩土层9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，确定被测岩土层9的土层性质为淤泥质粉质黏土；埋置深度在地面下18m处。探针管17的长度700mm，探针管17的直径20mm，即，原位探针5的长径比为35。U＝40V；R＝100Ω。记录得：t₁＝100s；t₂＝700s；T₁＝21.2K；T₂＝24.9K。

因此，被测岩土层9的热物性参数，即导热系数

$K=\frac{U^2}{4\mathrm{\πRL}}\·\frac{\ln (t_2/t_1)}{T_2-T_1}=\frac{{40}^2}{4\×3.14\×100\×0.7}\frac{\ln (700/100)}{24.9-21.2}=0.957(W/m\·K).$

实验2、通过岩土工程勘察取土器取土鉴别，确定被测试岩土层9的土层性质为粘土。埋置深度在地面下50m处。探针管17的长度700mm，探针管17的直径20mm，即，原位探针5的长径比为35。U＝45V；R＝100Ω。记录得：t₁＝100s；t₂＝700s；T₁＝21.5K；T₂＝24.3K。

因此，被测岩土层9的热物性参数，即导热系数

$K=\frac{U^2}{4\mathrm{\πRL}}\·\frac{\ln (t_2/t_1)}{T_2-T_1}=\frac{{45}^2}{4\×3.14\×100\×0.7}\frac{\ln (700/100)}{24.3-21.5}=1.601(W/m\·K)$

实验3、通过岩土工程勘察取土器取土鉴别，确定被测试岩土层9的土层性质为粉土。埋置深度在地面下90m处。探针管17的长度700mm，探针管17的直径20mm，即，原位探针5的长径比为35。U＝50V；R＝100Ω。记录得：t₁＝100s；t₂＝700s；T₁＝21.3K；T₂＝24.6K。

因此，被测岩土层9的热物性参数，即导热系数

$K=\frac{U^2}{4\mathrm{\πRL}}\·\frac{\ln (t_2/t_1)}{T_2-T_1}=\frac{{50}^2}{4\×3.14\×100\×0.7}\frac{\ln (700/100)}{24.6-21.3}=1.677(W/m\·K)$

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1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)。

表1

土类名称	本测试方法	规范参考数值
			淤泥质粉质黏土	0.957	0.7-1.0
粘土	1.601	1.4-1.9
			粉土	1.677	1.0-2.1

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 (9)

1.压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：包括带有螺纹接头(1)的原位探头(2)；在原位探头(2)内设有探头空腔(10)，在探头空腔(10)内设有液压箱组件和位于液压箱组件下方的原位探针(5)；

所述液压箱组件包括液压箱壳体(3)，在液压箱壳体(3)的内腔中设有与液压箱壳体(3)滑动相连的活塞(4)，液压管(8)与液压箱壳体(3)的内腔相连通；

所述原位探针(5)包括探针管(17)和针尖(18)，针尖(18)与探针管(17)的底端固定相连，所述探针管(17)的外表面为光滑表面；在探针管(17)的内腔(15)中分别设置加热丝(14)和至少一个的作为感温元件的热电偶(13)，在所述探针管(17)的内腔(15)中填充为低热容材料的低热容填充物(16)；所述探针管(17)与活塞(4)的底端固定相连；加热导线(21)与加热丝(14)相连，温度接收导线(11)与热电偶(13)相连。

2.根据权利要求1所述的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：在所述探针管(17)的内腔(15)顶部设置绝热填充物(12)，所述绝热填充物(12)位于低热容填充物(16)之上，所述绝热填充物(12)与探针管(17)密封相连。

3.根据权利要求1或2所述的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：在探头空腔(10)的下部设置带有探针定向导孔(6)的定向板，在原位探头(2)的底面设有通孔(20)，所述探针定向导孔(6)和通孔(20)的孔径均略大于探针管(17)的外径D；探针定向导孔(6)、通孔(20)、探针管(17)和针尖(18)的中心轴线相重叠。

4.根据权利要求3所述的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：所述探针管(17)长度L1是探针管(17)外径D的30～120倍。

5.根据权利要求4所述的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：加热丝(14)的长度＝探针管(17)长度L1。

6.根据权利要求5所述的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：所述探针管(17)由高导热性质材料制成。

7.根据权利要求6所述的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：所述低热容材料为环氧树脂；所述高导热性质材料为不锈钢或硬度≥180HBS的合金钢，所述绝热填充物(12)由导热系数小于0.1W/m·K的材料制成。

8.根据权利要求7所述的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：在螺纹接头(1)内设有通道；所述加热导线(21)的底端依次穿越螺纹接头(1)内的通道、探头空腔(10)和绝热填充物(12)后与加热丝(14)相连，所述温度接收导线(11)的底端依次穿越螺纹接头(1)内的通道、探头空腔(10)和绝热填充物(12)后与热电偶(13)相连。

9.利用权利要求1～8中任意一种装置所进行的压入式原位分层测试岩土热物性参数的方法，其特征是：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(9)；从而使原位探针(5)的针尖(18)与被测岩土层(9)相接触；

3)、在地面启动液压泵，通过活塞(4)带动整个原位探针(5)压入被测岩土层(9)；静止5-10min后，加热导线(21)加热内腔(15)中的加热丝(14)，利用温度接收导线(11)在地面接收热电偶(13)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(13)的温度，单位：K；

4)、获得被测岩土层(9)的导热系数K：

所述被测岩土层(9)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(5)加热电压，单位V；

R：原位探针(5)电阻，由加热丝(14)的材料确定，单位Ω；

L：加热丝(14)的长度，单位m，同探针管(17)的长度。

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