CN107727687A - 一种测试土体热导率的离轴热导率动态贯入原位测试装置 - Google Patents

一种测试土体热导率的离轴热导率动态贯入原位测试装置 Download PDF

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    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity

Abstract

本发明公开了一种测试土体热导率的离轴热导率动态贯入原位测试装置，该装置包括探杆，探杆的一端设有CPTU探头，另一端设有离轴热探头、平衡翼和数据接收模块，其中，离轴热探头和平衡翼分别设于探杆的两侧；离轴热探头包括加热线、用于连接加热线与探杆的支撑片和温度传感器；加热线、支撑片和探杆之间形成土体贯入部。本发明的优点是将离轴热探头与孔压静力触探技术相结合，能够快速有效地测试土体的热导率，使得勘测工程方便、快速、准确、经济，能够为地热能源研究和能源装工程设计提供快捷有效成本低廉的测试参数，具有原位、多功能、自动化程度高等特点，对浅层热流的研究、热能源桩工程的实施有着重要意义。

Description

一种测试土体热导率的离轴热导率动态贯入原位测试装置
技术领域
本发明涉及一种土体热导率的测试装置，具体涉及一种利用瞬态线热源法测试土体热导率的离轴动态贯入原位测试装置。
背景技术
瞬态线热源法是一种基于无限大介质脉冲加热线性体形成线热源产生的瞬态温度响应，通过记录并拟合温升与探头响应时间关系，进而通过公式计算求出材料热导率的实验法，可用于解决热工程中的材料热力学性质分析。该方法由热线法和热带法发展而来，并且融合了热线法和热带法的优点，逐步成为热力学性能测试中备受青睐的测试方法。热导率系数是岩土工程中一个非常重要的参数，它是确定浅层岩土体热力学性能的基础。表层岩土体热导率的大小不仅决定着浅层地温场的展布形态，也决定着热泵计算功率的核心，是影响地源热泵工程投资和能耗的关键因素。目前实验室用于测试土样热力学性质的方法主要是瞬态线热源法，其响应速度快，测试较为精准，但其适用范围窄。
孔压静力触探技术(CPTU)是岩土工程原位测试的主要技术之一，具有快速便捷、不需取样、数据量大、测试可靠等优点，尤其适用于高速公路、铁路这种线形分布、范围宽广的大型工程。但是，现有的孔压静力触探技术仅作为土侧压力系数的确定，功能单一且效率不高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种利用瞬态线热源法测试土体热导率的多功能离轴动态贯入原位测试装置。
技术方案：一种测试土体热导率的离轴热导率动态贯入原位测试装置，该装置包括探杆，所述探杆的一端设有CPTU探头，探杆的另一端设有离轴热探头、平衡翼和数据接收模块，其中，所述离轴热探头和平衡翼分别设于探杆的两侧；所述离轴热探头包括加热线、用于连接加热线与探杆的支撑片和温度传感器。
为了保证更好的平衡性及较小的土体贯入阻力，所述土体贯入部为梯形。
为了达到该装置的稳定性，通过计算得所述平衡翼为梯形。
为了达到较好的导热性及抗磨性，所述加热线的外部为钛合金不锈钢。
本发明采用的加热线为镍铬合金材料；所述离轴热探头的测量范围为80～105K，测量精度为10mK，加热源能量范围为0～120W/m，重量为2kg。
加热线进行热脉冲加热后，利用传感器记录土体温度变化，并通过数据接收模块与电脑相连并记录传感器的电信号变化，对电信号处理后得到土体热响应曲线进而推导出土体热导率，其计算公式如下：
λ＝(Q/4πΔT)ln(t2/t1)
式中，λ为热导率，Q为热源能量，ΔT为温度变化值，t2、t1为加热时间，其中t1为前一段加热时间，t2为后一段加热时间二者间隔应大于100s。
本发明的有效测试深度<500m，锥尖阻力量程为25MPa，侧壁摩阻力量程为0.25MPa，孔隙水压力量程为1MPa。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点如下：(1)将离轴热探头与孔压静力触探技术(CPTU)相结合，能够快速有效地测试土体的热导率，使得勘测工程方便、快速、准确、经济，能够为地热能源研究和能源装工程设计提供快捷有效成本低廉的测试参数，具有原位、多功能、自动化程度高等特点，对浅层热流的研究、热能源桩工程的实施有着重要意义。(2)针对现有的原位测试土体热力学性质仪器的缺失，以及现有仪器笨重耗时且操作困难，成本高的问题，提出一种能够原位动态测试土体基本工程力学特性以及热力学性质的动态贯入原位测试装置，并能自行进行数据收集、处理、储存工作，能够为地热能源研究和能源装工程设计提供快捷有效成本低廉的测试参数。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种测试土体热导率的离轴热导率动态贯入原位测试装置，该装置包括探杆1，探杆1的一端设有CPTU探头2，探杆1的另一端设有离轴热探头3、平衡翼4和数据接收模块5，其中，离轴热探头3和平衡翼4分别设于探杆1的两侧，平衡翼4为一梯形片状结构，梯形的高度为7cm；数据接收模块5设于探杆1的端部；离轴热探头3包括加热线301、用于连接加热线与探杆的支撑片302和温度传感器；加热线301、支撑片302和探杆1之间形成一梯形土体贯入部；加热线301的外部为钛合金不锈钢，离轴热探头长度为30cm、直径为19cm；离轴热探头的测量范围为80～105K，测量精度为10mK，加热源能量范围为0～120W/m，重量为2kg；CPTU探头2包括摩擦筒201、孔压过滤环202和探头203，摩擦筒201表面积为180cm2，孔压过滤环202的厚度为5mm，探头203的锥角为60°，锥底截面积为15cm2，探头203的有效面积比为0.8，其中，有效面积比为孔压测试元件截面积与整体截面积之比，孔压测试元件外部套有孔压过滤环，二者截面积之和为整体截面积。本发明的有效测试深度<500m，锥尖阻力量程为25MPa，侧壁摩阻力量程为0.25MPa，孔隙水压力量程为1MPa。
本发明的工作原理是：当具体测试时，将测试装置的土体贯入部以恒定速度贯入土体，在贯入过程中，通过数据接收模块5采集通过摩擦筒201、孔压过滤环202和探头203所得到的侧壁摩阻力、孔隙水压力和锥尖阻力数据。在达到测试深度时，停止贯入，利用热源对离轴热探头内部的加热线301进行热脉冲加热一定时间后，通过温度传感器记录土体温度变化，收集数据并通过数据接收模块5将数据传输到PC端，对电信号处理后得到土体热响应曲线进而推导出土体热导率。

Claims (5)

1.一种测试土体热导率的离轴热导率动态贯入原位测试装置，该装置包括探杆(1)，所述探杆(1)的一端设有CPTU探头(2)，其特征在于：所述探杆(1)的另一端设有离轴热探头(3)、平衡翼(4)和数据接收模块(5)，其中，所述离轴热探头(3)和平衡翼(4)分别设于探杆(1)的两侧；所述离轴热探头(3)包括加热线(301)、用于连接加热线与探杆的支撑片(302)和温度传感器；所述加热线(301)、支撑片(302)和探杆(1)之间形成土体贯入部。
2.根据权利要求1所述的离轴热导率动态贯入原位测试装置，其特征在于：所述土体贯入部为梯形。
3.根据权利要求1所述的离轴热导率动态贯入原位测试装置，其特征在于：所述平衡翼(4)为梯形。
4.根据权利要求1所述的离轴热导率动态贯入原位测试装置，其特征在于：所述加热线(301)的外部为钛合金不锈钢。
5.根据权利要求1所述的离轴热导率动态贯入原位测试装置，其特征在于：所述加热线(301)为镍铬合金材料。
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