CN108107072A - 一种土体导热系数测试方法及试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体导热系数测试方法及试验装置,该方法包括以下步骤：1）对土样进行电阻率和导热系数测试试验，同时获得土样的电阻率和导热系数数据；2）建立试样电阻率与导热系数的相关关系；3）根据现场或实验室测试的电阻率数据，预测土体的导热系数。鉴于土体导热系数和电阻率与土体结构参数均具有强烈的相关性的特点，本发明提出根据简单易测的电阻率指标，快速获得土体导热系数的方法及试验装置。在不破坏样本的前提下，根据试验测试电阻率数据，实现方便快捷地预测土样的导热系数，非常适合现场大面积岩土体的导热系数检测。

Description

一种土体导热系数测试方法及试验装置

技术领域

本发明涉及一种土体导热系数测试方法及试验装置，属于岩土体导热性测试技术领域。

背景技术

岩土体导热系数是研究工程热传导问题的关键热工参数之一，是反映岩土体导热性能的最重要的参数。目前直接测定材料导热系数的方法主要有稳态法和非稳态法。稳态法通过对试样施加温度扰动，待试样内部温度场分布稳定后，根据试样内部温度梯度和热流量，计算材料的导热系数，该方法测试耗时长，对试验条件要求高，因此应用受到一定限制。非稳态法是根据测量试样内部或边界在温度扰动作用下的响应，结合适当反分析方法，计算材料的导热系数，该方法对测量环境要求苛刻，测试结果准确性依赖于试验测试数据的精度和反分析方法的适定性。

导热系数是材料固有的热物理属性，其大小取决于材料的内部结构、孔隙流体特性和环境等诸多因素。电阻率是表征介质导电性的物理量，同样取决于土体的结构特征和孔隙流体特性，如土体颗粒成分和状态、孔隙率、孔隙结构、饱和度、温度等。电阻率法作为一种方便、无损、快速、低廉的检测手段，已经被广泛应用于岩土领域。因此，如果能建立导热系数与电阻率的相关关系，采用电阻率快速无损测试材料导热系数，对于指导实践及现场快速检测均具有重要指导意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种土体导热系数测试方法及试验装置，用于快速无损地检测土体导热系数。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种土体导热系数测试的试验装置，包括电脑、装样装置、导热系数测试装置和电阻率测试装置；

所述装样装置包括试模，所述试模的一端布置土体试样，另一端布置细砂，其中，所述土体试样的两端分别布置第一铝板和第二铝板，用于测试土体试样的电阻，且所述第一铝板位于所述土体试样和所述细砂之间；所述试模的底部和顶部还分别布置有保温泡沫板，且所述土体试样和所述细砂置于保温泡沫板之间；

所述导热系数测试装置包括用于供电的直流电源、温度控制装置和温度采集装置，其中，所述温度控制装置包括布置在细砂中的加热棒；所述温度采集装置包括数据采集卡以及分别与其连接的布置在所述第一铝板两端的第一温度传感器和第二温度传感器、布置在所述第二铝板内侧的第三温度传感器、布置在所述土体试样中部的湿度传感器，所述数据采集卡与所述电脑连接；

所述电阻率测试装置包括电阻测试仪、继电器模块，其中，所述电阻测试仪通过所述继电器模块与第一铝板和第二铝板连接，所述电阻测试仪与所述电脑连接。

作为本发明的进一步技术方案，所述电阻测试仪的正电极通过继电器模块的接口OUT1和OUT2分别与第一铝板和第二铝板连接，负电极通过接口OUT3和OUT4分别与第二铝板和第一铝板连接，第一铝板和第二铝板通过继电器模块的接口OUT8短接。

作为本发明的进一步技术方案，采用二相电极法测试土体试样的电阻，第一铝板(10)和第二铝板分别作为两个电极测点。

另一方面，本发明还提供一种基于如上任一所述的土体导热系数测试的实验装置的测试方法，包括以下步骤：

1)对土体试样进行电阻率和导热系数测试试验，同时获得土体试样的电阻率和导热系数数据；

2)建立土体试样的电阻率与导热系数的对应关系；

3)根据电阻率测试数据，预测土体试样的导热系数。

作为本发明的进一步技术方案，土体试样的电阻率R为土体试样的电阻，A为土体试样的断面面积，L为土体试样的长度。

作为本发明的进一步技术方案，土体试样的导热系数λ_al为第一铝板的导热系数，T₁、T₂、T₃分别为温度稳定后的第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器采集的温度，Δ为Δ为铝板(10，11)的厚度。

作为本发明的进一步技术方案，步骤2中采用线性系数拟合，建立土体试样的电阻率与导热系数的对应关系λ_soil＝0.006ρ-0.0019。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明可以解决传统稳态法和非稳态法测试导热系数耗时长、对测试环境要求高等问题，实现快速无损地测试土体导热系数；

2、本发明的电阻率和导热系数联合测试试验装置能同时获得试样的导热系数和电阻率，消除了样本差异性带来的误差，测试结果可靠；

3、本发明的电阻率测试试验装置可以有效克服电流对土样的极化现象产生的误差，测试结果准确。

附图说明

图1是电阻率和导热系数联合测试试验装置；

图2是电阻测试连接示意图；

图3是导热系数与电阻率关系曲线图；

图中：1-电脑、2-直流电源、3-数据采集卡、4-继电器模块、5-电阻测试仪、6-试模、7-保温泡沫板、8-细砂、9-加热棒、10-第一铝板、11-第二铝板、12-土体试样、13-第一温度传感器、14-第二温度传感器、15-第三温度传感器、16-湿度传感器。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明一种土体导热系数测试的试验装置，包括电脑1、装样装置、导热系数测试装置和电阻率测试装置。所述装样装置包括试模6，所述试模6的一端布置土体试样12，另一端布置细砂8，其中，所述土体试样12的两端分别布置第一铝板10和第二铝板11，用于测试土体试样12的电阻，且所述第一铝板10位于所述土体试样12和所述细砂8之间。所述试模6的底部和顶部还分别布置有保温泡沫板7以减少热量散失，且所述土体试样12和所述细砂8置于保温泡沫板7之间。所述导热系数测试装置包括用于供电的直流电源(2)、温度控制装置和温度采集装置，其中，所述温度控制装置包括布置在细砂8中的加热棒9；所述温度采集装置包括数据采集卡3以及分别与其连接的布置在所述第一铝板10两端的第一温度传感器13和第二温度传感器14、布置在所述第二铝板11内侧的第三温度传感器15、布置在所述土体试样12中部的第四温度传感器16，所述数据采集卡3与所述电脑1连接；所述电阻率测试装置包括电阻测试仪5、继电器模块4，其中，所述电阻测试仪5通过所述继电器模块4与第一铝板10和第二铝板11连接，所述电阻测试仪5与所述电脑1连接。

本发明中的加热棒、温度传感器和湿度传感器通过各自引线穿过预设在泡沫板的小孔的方式布置在试样和细砂中，细砂使加热棒产生的热量均匀地施加给土体试样12。

本发明中的导热系数测试装置，采用加热棒对土体试样12施加温度扰动，温度传感器布置于第一铝板10的两端和土体试样12另一端(第二铝板11的内侧)，实时采集土体试样在温度扰动下的各温度传感器的温度随时间变化值，通过数据采集卡实现与电脑实时通信，待温度分布稳定后，可认为通过任意截面的热通量相等，满足关系式：式中，λ_soil、λ_al分别为土体试样12和铝板A的导热系数(W·m^-1·K^-1)，L为土样长度(m)，Δ为铝板厚度(m)，T₁、T₂、T₃分别为温度稳定后的第一、第二和第三温度传感器采集的温度(℃)。

进一步得到，土体试样12的导热系数

本发明中的电阻率测试装置，采用电阻测试仪与电脑相连接，实时采集土体试样12的电阻，使用时，将电阻测试仪正负探头分别置于试样两端铝板上，快速测试出试样此方向电阻，然后快速交换正负探头的位置，测试试样反向电阻，测试完成后使试样两端铝板短接，以消除电流对土体试样12的的极化现象，将两个方向电阻的平均值作为测试的试样电阻R，单位为Ω，计算得到土体试样12的的电阻率：其中，ρ为试样电阻率(Ω·m)，A为试样断面面积(m²)。

在测试土体试样12的导热系数和电阻率的过程中，通过布置于试样中心的湿度传感器，实现对试样含水量的实时监测。

实施例

本发明中通过上述一种土体导热系数测试的试验装置进行土体导热系数测试的方法，包括以下步骤：

1)对土体试样12进行电阻率和导热系数联合测试试验，同时获得土体试样12的电阻率和导热系数试验数据；

2)建立土体试样12的电阻率与导热系数的对应关系；

3)根据电阻率测试数据，预测土体试样12的导热系数。

步骤1)具体为：

1-1)制样与装样：按照《土工试验规程》、《土工实验方法标准》或其他部门的土工试验标准制备不同含水量的土体试样12；将第一铝板10和第二铝板11固定在适当位置(可调节第一铝板10的位置以制备不同长度的土体试样12)，在控制密度条件下将土体试样12装入试模6的一端，另一端装入细砂8。在试模6底部和顶部设置保温泡沫板7。

1-2)埋设传感器与连线：在顶部保温泡沫板7预留孔洞处，埋设加热棒9、温度传感器13，14，15和湿度传感器16。按照图2所示连接方式组装电阻率测试装置，电阻测试仪5的正电极通过继电器模块4的接口OUT1和OUT2分别与第一铝板10和第二铝板11连接，负电极通过接口OUT3和OUT4分别与第二铝板11和第一铝板10连接，第一铝板10和第二铝板11通过继电器模块4的接口OUT8短接。

1-3)土样导热性能测试：试验开始时，开启计算机，打开自动控制和数据采集软件，确定温度变化范围，调整加热棒9功率并接通电源，施加给土体试样12温度扰动，多个温度传感器和湿度传感器16通过数据采集卡3记录各测点的温度随时间变化值以及试样含水量变化值，温度分布稳定后，采用公式计算试样导热系数。

1-4)土样电阻率测试：试验开始时，开启计算机，打开自动控制和数据采集软件，继电器模块4中的接口OUT1和OUT3闭合，其他接口开关断开，快速测试试样12的正向电阻(默认从铝板A10到铝板B11方向的试样电阻成为正向电阻)；正向电阻测试完成后，接口OUT2和OUT4闭合，其他接口开关断开，快速测试试样的负向电阻；一次正负向电阻测试完成后，保持接口OUT8闭合，其他接口开关断开，使试样处于短接状态，尽量减小电流极化累积效应。取测试的正负向电阻平均值作为试样电阻的测试值R，通过电阻测试仪5记录土体试样12的电阻随时间变化值。利用公式ρ＝RA/L计算得到土体试样12的电阻率。

1-5)设置另一种温度范围重复步骤1-3)和步骤1-4)，获得不同温度条件下的导热系数与电阻率试验数据。

1-6)替换另一试样重复步骤1-2)至步骤1-5)，获得不同土体试样12在不同温度条件下的导热系数和电阻率数据。

步骤2)具体为：利用步骤1)测试的导热系数与电阻率数据，分析导热系数与电阻率的关系，采用线性函数拟合，建立土体试样12电阻率与导热系数的对应关系λ_soil＝0.006ρ-0.0019，相关系数R²＝0.9425，见图3。

步骤3)具体为：根据现场或者实验室试验测试的电阻率数据，代入拟合公式λ_soil＝0.006ρ-0.0019，即可方便快捷地计算材料导热系数。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种土体导热系数测试的试验装置，其特征在于，包括电脑(1)、装样装置、导热系数测试装置和电阻率测试装置；

所述装样装置包括试模(6)，所述试模(6)的一端布置土体试样(12)，另一端布置细砂(8)，其中，所述土体试样(12)的两端分别布置第一铝板(10)和第二铝板(11)，用于测试土体试样(12)的电阻，且所述第一铝板(10)位于所述土体试样(12)和所述细砂(8)之间；所述试模(6)的底部和顶部还分别布置有保温泡沫板(7)，且所述土体试样(12)和所述细砂(8)置于保温泡沫板(7)之间；

所述导热系数测试装置包括用于供电的直流电源(2)、温度控制装置和温度采集装置，其中，所述温度控制装置包括布置在细砂(8)中的加热棒(9)；所述温度采集装置包括数据采集卡(3)以及分别与其连接的布置在所述第一铝板(10)两端的第一温度传感器(13)和第二温度传感器(14)、布置在所述第二铝板(11)内侧的第三温度传感器(15)、布置在所述土体试样(12)中部的湿度传感器(16)，所述数据采集卡(3)与所述电脑(1)连接；

所述电阻率测试装置包括电阻测试仪(5)、继电器模块(4)，其中，所述电阻测试仪(5)通过所述继电器模块(4)与第一铝板(10)和第二铝板(11)连接，所述电阻测试仪(5)与所述电脑(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种土体导热系数测试的试验装置，其特征在于，所述电阻测试仪(5)的正电极通过继电器模块(4)的接口OUT1和OUT2分别与第一铝板(10)和第二铝板(11)连接，负电极通过接口OUT3和OUT4分别与第二铝板(11)和第一铝板(10)连接，第一铝板(10)和第二铝板(11)通过继电器模块(4)的接口OUT8短接。

3.根据权利要求1所述的，其特征在于，采用二相电极法测试土体试样(12)的电阻，第一铝板(10)和第二铝板(11)分别作为两个电极测点。

4.一种基于如权利要求1至3中任一所述的土体导热系数测试的实验装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对土体试样(12)进行电阻率和导热系数测试试验，同时获得土体试样(12)的电阻率和导热系数数据；

2)建立土体试样(12)的电阻率与导热系数的对应关系；

3)根据电阻率测试数据，预测土体试样(12)的导热系数。

5.根据权利要求4所述的，其特征在于，土体试样(12)的电阻率R为土体试样(12)的电阻，A为土体试样(12)的断面面积，L为土体试样(12)的长度。

6.根据权利要求4所述的，其特征在于，土体试样(12)的导热系数λ_al为第一铝板(10)的导热系数，T₁、T₂、T₃分别为温度稳定后的第一温度传感器(13)、第二温度传感器(14)和第三温度传感器(15)采集的温度，Δ为铝板(10，11)的厚度。

7.根据权利要求1所述的，其特征在于，步骤2中采用线性系数拟合，建立土体试样(12)的电阻率与导热系数的对应关系λ_soil＝0.006ρ-0.0019。