CN105136846B - 岩土体热物性参数原位测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土体热物性参数原位测试仪，包括测试探头、控制装置和数据采集装置，其中测试探头包括由内向外依次布置的中空轴、弹性气囊、绝热层、电加热片和保护套，弹性气囊上下两端通过法兰盘固定在中空轴上，中空轴与气囊之间布置有弹性气囊膨胀监测装置；控制装置包括直流稳压电源和压力控制装置，直流稳压电源与电加热片通过电线相连接，压力控制装置与弹性气囊通过压力管路相连接；数据采集装置与布置在测试探头上的位移传感器相连接。本发明具有结果准确、低成本和易于操作等优点。

Description

岩土体热物性参数原位测试仪

技术领域

本发明涉及岩土原位测试领域，具体涉及一种可测岩土体热物性参数的测试仪器。

背景技术

岩土体热物性参数的准确获取是地下工程温度场计算合理性的先决条件，岩土体热物理性测试方法主要有室内实验法和现场原位测试方法。室内实验法包括热线法和热带法，其原理是测量时样品的温度随时间发生变化，通过测量温度变化来推导导热系数，室内实验具有快捷方便、测试成本低等优点，但室内试验试样制备破坏了岩土体的原有结构和状态，所得的热物性参数无法如实反映岩土体的传热特性，其测试精度有限；原位测试方法包括热探针法和岩土热响应测试法，热探针测试的原理是向岩土体内插入加热探针，监测岩土体温度随时间的变化，从而推导岩土体的热物性参数，热探针测试能准确反映土层条件对其热物性的影响，但其测试深度有限，并且无法应用于坚硬岩土体的热物性测试；岩土热响应测试是利用加热设备向垂直地埋管换热器中输入热量或冷量，监测热交换器中传热循环介质的入口、出口温度和流速，利用传热模型反演岩土的热物性参数。岩土热响应试验可以准确反映施工现场的地质条件，能够得到较准确的土壤平均热传导系数和钻孔热阻等，但岩土热响应试验无法获得指定深度处岩土体的热物性参数。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结果准确、低成本、易于操作的岩土体热物性参数原位测试仪。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的岩土体热物性参数原位测试仪，包括测试探头、控制装置和数据采集装置，其中：

所述测试探头包括由内向外依次布置的中空轴、弹性气囊、绝热层、电加热片和保护套，所述弹性气囊上下两端通过法兰盘固定在中空轴上，所述中空轴与气囊之间布置有弹性气囊膨胀监测装置；

所述控制装置包括直流稳压电源和压力控制装置，所述直流稳压电源与电加热片通过电线相连接，所述压力控制装置与弹性气囊通过压力管路相连接；

所述数据采集装置与布置在测试探头上的位移传感器相连接。

具体地，所弹性气囊膨胀监测装置包括沿中空轴径向分布的连接杆和位移传感器，所述连接杆的两端与弹性气囊内壁连接，所述位移传感器串联于连接杆上。

具体地，所述保护套两侧和弹性气囊两侧布置有温度传感器，所述温度传感器连接到数据采集装置。

具体地，所述电加热片是沿弹性气囊环形布置的四片，相邻电加热片之间利用伸缩接头重叠搭接。

具体地，所述弹性气囊由弹性橡胶材料制成，长度为1m，外径为105mm。

具体地，所述中空轴横截面为圆形，在底端10cm范围梅花形布置充气孔，在距离中空轴底端25cm、50cm和75cm处预留连接杆穿越孔。

具体地，所述位移传感器分三层垂直交错布置，垂直间距为25cm。

本发明同时提供上述岩土体热物性参数原位测试仪的测试方法，其具体步骤如下：

第一步，将测试探头装入现场勘查钻孔中，测试探头中的弹性气囊在充气压力作用下发生膨胀，安装在气囊内部可伸缩的位移监测装置与气囊内壁同步伸展，根据气囊内壁位移监测值判断气囊的充填程度；

第二步，待测试探头与钻孔壁紧密接触后，利用直流稳压电源给测试探头内的电加热片提供恒定功率的电能，加热钻孔周围岩土体，利用温度传感器实时监测岩体、测试探头的温度随时间变化，根据圆柱热源理论，利用监测数据反演岩体的热物性参数。

使用时，本发明的岩土体热物性参数原位测试仪，包括测试探头、电线、压力管路、直流稳压电源、压力控制装置和数据采集装置。测试探头通过压力管路与压力控制装置连接，压力装置提供用于测试探头内弹性气囊膨胀所需要的膨胀压力；直流稳压电源提供测试探头内电加热片加热所需的电能；数据采集装置采集温度传感器和位移传感器监测数据。测试探头包括弹性气囊、绝热层、保护套、中空轴、连接杆、法兰盘、电加热片、温度传感器和位移传感器；弹性气囊上下两端通过法兰盘固定在中空轴上，连接杆垂直穿过中空轴预留孔洞与弹性气囊内壁和位移传感器连接，形成弹性气囊膨胀监测装置；绝热层粘贴在弹性气囊外侧；电加热片布设于绝热层与保护套之间，通过电线与直流稳压电源连接；电加热片沿弹性气囊环形布置，总计四片，电加热片之间利用伸缩接头连接，相邻加热片之间有一定重叠搭接；每片加热片的长度为95cm，宽度为8.7cm；温度传感器布置于保护套两侧和弹性气囊两侧。

弹性气囊为弹性橡胶材料，长度为1m，外径为105mm。中空轴横截面为圆形，距离中空轴底端10cm范围梅花形布置充气孔，在距离中空轴底端25cm、50cm和75cm处预留连接杆穿越孔。温度传感器分三层垂直交错布置，垂直间距为25cm。

有益效果：本发明的岩体热物性参数原位测试仪如实反映岩体的地应力状态、地下水条件、岩体结构特性对岩体传热性的影响，与室内热线法和热带法相比，其测试精度更高；本发明可用于测试任意指定深度处岩土体的热物性参数，解决了热探针无法测试坚硬岩体的缺陷，以及解决了地源热泵岩土热响应试验无法获得指定深度处岩土体的热物性参数的缺陷；本发明的测试钻孔可利用岩土工程勘察钻孔，易操作、测试周期短、测试成本低。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的岩土体热物性参数原位测试仪所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1中测试探头的立面图；

图3是测试探头的横断面图；

图中：1压力控制装置;2液氮瓶;3直流稳压电源;4数据采集装置;5钻孔;6测试探头;7压力管路;8电线;9导线;10中空轴;11保护套;12电加热片;13绝热层;14弹性气囊;15连接杆;16温度传感器; 17伸缩接头; 18位移传感器;19充气孔;20法兰盘。

具体实施方式

实施例：

本本实施例的岩土体热物性参数原位测试仪如图1所示，包括布置在钻孔5外部的压力控制装置1，液氮瓶2、直流稳压电源3和数据采集装置4，以及布置在钻孔5中的测试探头6，通过压力管路7、电线8和导线9将两者相连接。其中直流稳压电源3提供测试探头内电加热片12加热所需的热能，通过电线8连接到测试探头6；压力控制装置1提供用于弹性气囊膨胀所需要的压力，通过压力管路连接到测试探头6。数据采集装置4用于采集各传感器的监测数据，通过导线9连接到测试探头6上的各个传感器。

如图2和图3所示，测试探头包括从内向外依次布置的中空轴10、弹性气囊14、绝热层13、电加热片12和保护套11，弹性气囊14上下两端通过法兰盘20固定在中空轴10上。中空轴10上具有多个预留孔，连接杆15穿过预留孔并将弹性气囊14内壁和位移传感器18连接，形成气囊膨胀监测装置。中空轴10的底端布置有连通弹性气囊14内外的充气孔19。温度传感器16布置于保护套11两侧和弹性气囊14两侧，温度传感器16和位移传感器18将监测数据反馈到外部的数据采集装置。绝热层13粘贴在弹性气囊14外侧，电加热片12布设于绝热层13与保护套11之间，通过电线连接到外部的直流稳压电源。电加热片12沿弹性气囊14环形布置，总计四片，电加热片12之间利用伸缩接头17连接，相邻电加热片12之间有一定重叠搭接。

制造时，弹性气囊由弹性橡胶材料制成，长度为1m，外径为105mm。中空轴横截面为圆形，在底端10cm范围梅花形布置充气孔，在距离中空轴底端25cm、50cm和75cm处预留连接杆穿越孔。位移传感器分三层垂直交错布置，垂直间距为25cm。每片电加热片的长度为95cm，宽度为8.7cm。

使用时，测试探头中的弹性气囊在充气压力作用下发生膨胀，安装在气囊内部可伸缩的位移监测装置与气囊内壁同步伸展，根据气囊内壁位移监测值判断气囊的充填程度，待测试探头与钻孔壁紧密接触后，利用直流稳压电源给测试探头内的电加热片提供恒定功率的电能，加热钻孔周围岩土体，利用温度传感器实时监测岩体、测试探头的温度随时间变化，根据圆柱热源理论，利用监测数据反演岩体的热物性参数。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种岩土体热物性参数原位测试仪，包括测试探头、控制装置和数据采集装置，其特征在于：

所述测试探头包括由内向外依次布置的中空轴、弹性气囊、绝热层、电加热片和保护套，所述弹性气囊上下两端通过法兰盘固定在中空轴上，所述中空轴与气囊之间布置有弹性气囊膨胀监测装置；

所述控制装置包括直流稳压电源和压力控制装置，所述直流稳压电源与电加热片通过电线相连接，所述压力控制装置与弹性气囊通过压力管路相连接；

所述数据采集装置与布置在测试探头上的位移传感器相连接；

所弹性气囊膨胀监测装置包括沿中空轴径向分布的连接杆和位移传感器，所述连接杆的两端与弹性气囊内壁连接，所述位移传感器串联于连接杆上；

所述保护套两侧和弹性气囊两侧布置有温度传感器，所述温度传感器连接到数据采集装置。

2.根据权利要求1所述的岩土体热物性参数原位测试仪，其特征在于：所述电加热片是沿弹性气囊环形布置的四片，相邻电加热片之间利用伸缩接头重叠搭接。

3.根据权利要求2所述的岩土体热物性参数原位测试仪，其特征在于：所述弹性气囊由弹性橡胶材料制成，长度为1m，外径为105mm。

4.根据权利要求3所述的岩土体热物性参数原位测试仪，其特征在于：所述中空轴横截面为圆形，在底端10cm范围梅花形布置充气孔，在距离中空轴底端25cm、50cm和75cm处预留连接杆穿越孔。

5.根据权利要求4所述的岩土体热物性参数原位测试仪，其特征在于：所述位移传感器分三层垂直交错布置，垂直间距为25cm。

6.根据权利要求1所述的岩土体热物性参数原位测试仪，其特征在于：使用该测试仪的测试方法包括以下步骤：

第一步，将测试探头装入现场勘查钻孔中，测试探头中的弹性气囊在充气压力作用下发生膨胀，安装在气囊内部可伸缩的位移监测装置与气囊内壁同步伸展，根据气囊内壁位移监测值判断气囊的充填程度；

第二步，待测试探头与钻孔壁紧密接触后，利用直流稳压电源给测试探头内的电加热片提供恒定功率的电能，加热钻孔周围岩土体，利用温度传感器实时监测岩体、测试探头的温度随时间变化，根据圆柱热源理论，利用监测数据反演岩体的热物性参数。