CN109655495A - 一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚；所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试。所述测试系统包括所述测试探头。所述测试方法使用所述测试系统实施。本发明的测试探头、系统及方法，通过现场测试电阻率和剪切波速，利用建立的计算模型得到土体的导热系数。本发明公开的一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，解决了在原位准确、快速测量土体导热系数的工程难题，测试操作简便，所测数据可信度高，为土体导热系数的测试提供了新的途径。

Description

一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法

技术领域

本发明属于土体工程性质测试技术领域，具体是一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法。

背景技术

土体的导热系数在工程设计、施工过程中起着至关重要的作用，是计算地下浅层能量平衡、温度分布特征和蓄能能力的基本参数。目前，导热系数的测量方法主要有原位试验、室内测试、组分类型辨别法和探针法四种。

室内测试包括稳态测试法和非稳态测试法。室内测试法脱离原始环境，使得测量数据与实际情况偏差较大。原位测试法需要在现场进行热响应试验，常用柱热源模型和线热源模型计算场地的综合导热系数，操作复杂，成本较高。探针法早在1833年就被提出，结合线热源模型可在工程现场简洁方便的测出土壤的导热系数，但是加热范围很小，不足以代表整个土体的导热系数。组分类型辨别法利用钻孔取出的试样分析组分，根据岩石热物性参数表得到导热系数的大致范围。组分类型辨别法得到的导热系数范围很大，不利于实际施工取值。而且不同地理位置、钻孔深度得到的数据千差万别。可见，能在现场准确地测量不同深度土体导热系数的方法目前还不成熟。

土体电阻率是表征土体导电性的基本参数，可以反映土的物理性质和状态。土体电阻率是工程勘察阶段比较容易获取的土的基本物性参数之一，测量方法简单、准确，可信度高。

土体的剪切波速对土力学的研究和地基工程设计起着至关重要的作用。剪切波速在室内或工程场地内都方便易得，目前，剪切波速已成为表征土体物理、力学性质和评价土体扰动或地基处理效果的重要指标之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，以解决难以便捷、快速得到可靠的原位导热系数测试数据的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种土体分层导热系数原位快速测试探头为一扁平板状，底端有刃脚。所述测试探头利用钻机或贯入设备可将探头贯入土中一定深度。所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试。

进一步的，为了实现电阻率的准确测试，所述电阻率测试探头包括4个平行排列的铜质电极，所述铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料隔离，铜质电极等间距排列；所述铜质电极均与外部的供电回路连接，外侧2个铜质电极为供电电极与土体接触构成供电回路，内部2个铜质电极为测量电极与土体接触构成测量回路，共同构成电阻率测试探头。

进一步的，为了实现剪切波速的测量，所述剪切波速测试探头包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个弯曲元为激发元，用于激发剪切波信号；另一个弯曲元为接收元，用于接收由激发元激发并经土体传递的剪切波信号，从而形成剪切波速测试探头。

进一步的，所述弯曲元由表面涂有环氧树脂的压电陶瓷片构成。

进一步的，所述激发元与接收元的周围充填隔震吸波材料，避免剪切波信号首先通过探头本体传递至接收元。

一种土体分层导热系数原位快速测试系统，包括测试探头、空心钻杆、数据传输线、数据采集模块、数据处理模块、电压表、示波器和供电模块；所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚，所述测试探头顶端与空心钻杆相连。所述测试探头利用钻机或贯入设备可将探头贯入土中一定深度。所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试；所述供电模块包括供电电源和供电回路。

进一步的，为了实现电阻率的准确测试，所述电阻率测试探头包括4个平行排列的铜质电极，所述铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料隔离，铜质电极等间距排列。所述铜质电极均与所述供电回路连接，外侧2个铜质电极为供电电极，与土体接触构成供电回路；内侧2个铜质电极为测量电极，与土体接触构成测量回路，共同构成电阻率测试探头。

进一步的，所述为了实现剪切波速的测量，所述剪切波速测试探头包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个弯曲元为激发元，用于激发剪切波信号。另一个弯曲元为接收元，用于接收由激发元激发并经土体传递的剪切波信号，从而形成剪切波速测试探头。

进一步的，由于电阻率测试探头工作时需要供交流电，因此所述供电模块包括交流供电电源。所述供电模块包括0-90V可调的交流电路，用于测试探头进行电阻率测试的供电。

由于剪切波速测试探头工作时需要供直流电，因此所述供电模块包括直流供电电源。所述供电模块包括0-36V可调的直流电路，用于测试探头进行剪切波速测试的供电。

一种土体分层导热系数原位快速测试方法，包括以下步骤：

1)将测试探头贯入待测土中；

2)开启供电模块，将输出电压调为90V AC，电流通过供电电极(9)和土体后形成回路。电阻率测试探头与所述电压表相连。所述数据采集模块测得数据导入数据处理系统即可得到土体的电阻率。

3)为了提高测试的准确性，在同一位置、同一深度的测试点位通过改变电压，测得三组以上数据，依据拉伊达准则剔除异常数据取平均值，即可得到该测试点位所测电阻率值。

4)将供电模块的输出电压调为20V DC；打开所述数据收集模块中内置的示波器激，发出一个完整周期的20KHz正弦波，正弦波通过信号传输线到达剪切波速测试探头的激发元并激发出剪切波信号，剪切波信号通过土体后，在剪切波速测试探头的接收元接收到剪切波信号，然后所述剪切波信号传输到数据采集模块中。由于剪切波速测试探头激发元与接收元之间的间距是固定的，数据收集模块收集激发元激发正弦信号的起振点与接收元接收到振动信号的第一个起跳点之间有时间差，通过距离与时间差的比值即可得到该测试土体的剪切波速。传入数据采集模块中的剪切波速信号经信号放大后通过示波器解调，将激发信号和接收信号导入到数据处理系统中得到土体的剪切波速。

5)多次重复步骤4)中所述测试步骤，依据拉伊达准则剔除所测得数据中的异常数据后取平均值即可得到该点位所测得剪切波速值。

6)通过上述步骤的测量，可以得到该测试点位的电阻率值和剪切波速值。将数据导入数据处理模块中，利用电阻率、剪切波速与导热系数的关系式K＝Alnρ+Bν+C即可得到该测试点位的导热系数；式中，K为导热系数,W/(m·K)；ρ为电阻率,Ω·m；v为剪切波速,m/s；A、B、C均为常量参数。

步骤2)和3)为一组步骤，步骤4)和5)为一组步骤，这两组步骤的先后顺序可以调换。

本发明公开的一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，通过现场测试电阻率和剪切波速，利用建立的计算模型得到土体的导热系数。

本发明公开的一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，解决了在原位准确、快速测量土体导热系数的工程难题，测试操作简便，所测数据可信度高，为土体导热系数的测试提供了新的途径。

附图说明

图1示出了本发明的原位导热系数测试系统的实施例的整体结构示意图；

图2示出了本发明测试探头结构图。

图3示出了图2中电阻率测试探头详细示意图。

图4示出了图2中剪切波速测试探头详细示意图。

其中，上述附图中包括以下附图标记：

1、电阻率测试探头；2、剪切波速测试探头；3、空心钻杆；4、数据采集模块；5、数据处理模块；6、供电回路；7、数据传输线；8、供电电源；9、供电电极；10、绝缘材料；11、隔震吸波材料；12、接收元；13、激发元；14测量电极。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图2所示，本发明公开的一种土体分层导热系数原位快速测试探头为一扁平板状，底端有刃脚。测试探头利用钻机或贯入设备可将探头贯入土中一定深度。测试探头一侧安装有电阻率测试探头1，用于土体电阻率测试；测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头2，于土体剪切波速测试。

为了实现电阻率的准确测试，如图3所示，电阻率测试探头1包括4个平行排列的铜质电极，铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料10隔离，铜质电极等间距排列；铜质电极均与外部的供电回路6连接，外侧2个铜质电极为供电电极9与土体接触构成供电回路6，内部2个铜质电极为测量电极14与土体接触构成测量回路，共同构成电阻率测试探头1。

为了实现剪切波速的测量，如图4所示，剪切波速测试探头2包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个弯曲元为激发元13，用于激发剪切波信号；另一个弯曲元为接收元12，用于接收由激发元13激发并经土体传递的剪切波信号，从而形成剪切波速测试探头2。

弯曲元由表面涂有环氧树脂的压电陶瓷片构成。

激发元13与接收元12的周围充填隔震吸波材料11，避免剪切波信号首先通过探头本体传递至接收元12。

利用上述测试探头，可以形成一种土体分层导热系数原位快速测试系统，以南京地区下蜀土为例，选择合适的场地，利用钻机或贯入设备将空心钻杆及测试探头插入所需测试深度，将测试系统按照图1所示安装完成。试通电检查系统是否工作正常。土体分层导热系数原位快速测试系统包括测试探头、空心钻杆3、数据传输线7、数据采集模块4、数据处理模块5、电压表、示波器和供电模块；电压表、示波器也可以内置在数据采集模块4中。数据采集与数据处理模块通过采集电压、电流数据，根据欧姆定律计算电极周围土体的电阻率大小，并将其传输到计算机显示和存储。数据采集与数据处理模块还包括剪切波激发和接收示波器，激发信号和接受信号可传输到计算机，用于进一步的数据处理。数据处理模块是一套可视化的数据处理软件，可以显示所有测试数据，并计算得到土体电阻率、剪切波速，并根据导热系数与电阻率和剪切波速的关系模型计算得到土体的原位导热系数。需要说明的是，利用上述测试探头的形式多种多样，不限于本实施例所列举的土体分层导热系数原位快速测试系统。

测试探头为一扁平板状，底端有刃脚，测试探头顶端与空心钻杆3相连。测试探头利用钻机或贯入设备可将探头贯入土中一定深度。测试探头一侧安装有电阻率测试探头1，用于土体电阻率测试；测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头2，用于土体剪切波速测试；供电模块包括供电电源8和供电回路6。

为了实现电阻率的准确测试，电阻率测试探头1包括4个平行排列的铜质电极，铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料10隔离，铜质电极等间距排列。铜质电极均与供电回路6连接，外侧2个铜质电极为供电电极9，与土体接触构成供电回路6；内侧2个铜质电极为测量电极14，与土体接触构成测量回路，共同构成电阻率测试探头1。

为了实现剪切波速的测量，剪切波速测试探头2包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个弯曲元为激发元13，用于激发剪切波信号。另一个弯曲元为接收元12，用于接收由激发元13激发并经土体传递的剪切波信号，从而形成剪切波速测试探头2。

进一步的，由于测试探头1工作时需要供电，电阻率测试需要供交流电，剪切波速测试需要供直流电，因此供电模块包括0-90V可调的交流电源和0-36V可调的直流电源

一种利用上述土体分层导热系数原位快速测试系统的测试方法，包括以下步骤：

1)将测试探头贯入待测土中；

2)开启供电模块，将输出电压调为90V AC，电流通过供电电极9(9)和土体后形成回路。电阻率测试探头1与电压表相连。数据采集模块4测得数据导入数据处理系统即可得到土体的电阻率。

3)为了提高测试的准确性，在同一位置、同一深度的测试点位通过改变电压，测得三组以上数据，依据拉伊达准则剔除异常数据取平均值，即可得到该测试点位所测电阻率值。

4)将供电模块的输出电压调为20V DC；打开数据收集模块中内置的示波器激，发出一个完整周期的20KHz正弦波，正弦波通过信号传输线到达剪切波速测试探头2的激发元13并激发出剪切波信号，剪切波信号通过土体后，在剪切波速测试探头2的接收元12接收到剪切波信号，然后剪切波信号传输到数据采集模块4中。由于剪切波速测试探头2激发元13与接收元12之间的间距是固定的，数据收集模块收集激发元13激发正弦信号的起振点与接收元12接收到振动信号的第一个起跳点之间有时间差，通过距离与时间差的比值即可得到该测试土体的剪切波速。传入数据采集模块4中的剪切波速信号经信号放大后通过示波器解调，将激发信号和接收信号导入到数据处理系统中得到土体的剪切波速。

5)多次重复步骤4)中测试步骤，依据拉伊达准则剔除所测数据中的异常数据后取平均值即可得到该点位所测得剪切波速值。

6)通过上述步骤的测量，可以得到该测试点位的电阻率值和剪切波速值。将数据导入数据处理模块5中，利用电阻率、剪切波速与导热系数的关系式K＝Alnρ+Bν+C即可得到该测试点位的导热系数；式中，K为导热系数,W/(m·K)；ρ为电阻率,Ω·m；为剪切波速,m/s；A、B、C均为常量参数。步骤2)和3)为一组步骤，步骤4)和5)为一组步骤，这两组步骤的先后顺序可以调换。

利用钻机或者贯入设备将扁平板探头压入下一测试位置，重复上述过程得到该深度土体的原位导热系数。

以上所述仅为本发明的工程应用实例之一。针对不同的工程地质条件和环境条件，对于本领域应用的工程技术人员来说，电压值及测试方法可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚；所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试。

2.根据权利要求1所述的土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述电阻率测试探头包括4个平行排列的铜质电极，所述铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料隔离，铜质电极等间距排列；所述铜质电极均与外部的供电回路连接，外侧2个铜质电极为供电电极与土体接触构成供电回路，内部2个铜质电极为测量电极与土体接触构成测量回路。

3.根据权利要求1所述的土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述剪切波速测试探头包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个所述弯曲元为激发元，用于激发剪切波信号；另一个所述弯曲元为接收元，用于接收由激发元激发并经土体传递的剪切波信号。

4.根据权利要求3所述的土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述弯曲元由表面涂有环氧树脂的压电陶瓷片构成。

5.根据权利要求3所述的土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述激发元与接收元的周围充填隔震吸波材料。

6.一种土体分层导热系数原位快速测试系统，其特征在于，包括测试探头、空心钻杆、数据传输线、数据采集模块、数据处理模块、电压表、示波器和供电模块；所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚，所述测试探头顶端与空心钻杆相连；所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试；所述供电模块包括供电电源和供电回路。

7.根据权利要求6所述的土体分层导热系数原位快速测试系统，其特征在于，所述电阻率测试探头包括4个平行排列的铜质电极，所述铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料隔离，铜质电极等间距排列；所述铜质电极均与所述供电回路连接，外侧2个铜质电极为供电电极，与土体接触构成供电回路；内侧2个铜质电极为测量电极，与土体接触构成测量回路。

8.根据权利要求6所述的土体分层导热系数原位快速测试系统，其特征在于，所述剪切波速测试探头包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个所述弯曲元为激发元，用于激发剪切波信号；另一个所述弯曲元为接收元，用于接收由激发元激发并经土体传递的剪切波信号，从而形成剪切波速测试探头。

9.根据权利要求6所述的土体分层导热系数原位快速测试系统，其特征在于，所述供电模块包括交流供电电源和直流供电电源；所述供电模块包括0-90V可调的交流电路和0-36V可调的直流电路。

10.一种土体分层导热系数原位快速测试方法，包括以下步骤：

1)将测试探头贯入待测土中；

2)开启供电模块，将输出电压调为90V AC，电流通过供电电极（9）和土体后形成回路；电阻率测试探头与所述电压表相连；所述数据采集模块测得数据导入数据处理系统即可得到土体的电阻率；

3) 为了提高测试的准确性，在同一位置、同一深度的测试点位通过改变电压，测得三组以上数据，依据拉伊达准则剔除异常数据取平均值，即可得到该测试点位所测电阻率值；

4) 将供电模块的输出电压调为20V DC；打开所述数据收集模块中内置的示波器,激发出一个完整周期的20KHz正弦波，正弦波通过信号传输线到达剪切波速测试探头的激发元并激发出剪切波信号，剪切波信号通过土体后，在剪切波速测试探头的接收元接收到剪切波信号，然后所述剪切波信号传输到数据采集模块中；传入数据采集模块中的剪切波速信号经信号放大后通过示波器解调，将激发信号和接收信号导入到数据处理系统中得到土体的剪切波速；

5) 多次重复步骤4)中所述测试步骤，依据拉伊达准则剔除所测得数据中的异常数据后取平均值即可得到该点位的剪切波速；

6) 通过上述步骤的测量，可以得到该测试点位的电阻率值和剪切波速值；将数据导入数据处理模块中，利用电阻率、剪切波速与导热系数的关系式即可得到该测试点位的导热系数；式中，K为导热系数, W/(m·K)；为电阻率, Ω·m；为剪切波速,m/s；A、B、C均为常量参数；

步骤2)和3)为一组步骤，步骤4)和5)为一组步骤，这两组步骤的先后顺序可以调换。