CN110320234A - 一种抽气式土体导热系数的测量装置及实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抽气式土体导热系数的测量装置。该测量装置包括外仓室、试样室、导热系数测试探针、PTFE薄膜、圆柱形透水板、橡胶圈和橡胶垫片，导热系数探针放置于试样室内部，试样室放置于外仓室内部。将外仓室于外部抽气泵连接，导热系数测试探针与外部稳压器、温度监测仪连接。本发明同时提供一种抽气式土体导热系数的测量装置的实施方法。本发明的有益效果是：有效解决土体固相组成物质导热系数难以获得问题，能有效测量固相组成物质，土水混合物的导热系数；对于饱和及非饱和土体导热系数的测量与研究具有重要的价值；对于温度场理论研究具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明属于岩土体基本热参数测试研究领域，特别是涉及一种抽气式土体导热系数的测量装置及实施方法。用以测量岩土的土体固相组成物质以及土水混合物的导热系数。
背景技术
对于饱和及非饱和土体导热系数研究，得到土体固相组成物质以及土水混合物的导热系数是十分重要的。但是现有的装置及测试手段，不能直接测得土体固相组成物质以及土水混合物的导热系数，急需一种测试土体固相组成物质以及土水混合物的导热系数的装置和方法，用来准确测量出饱和及非饱和土体的固相组成物质以及土水混合物的导热系数，对于土体热参数研究、土工热计算以及温度场分析具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决土体固相组成物质以及土水混合物的导热系数较难直接测量获得而提供一种抽气式土体导热系数的测量装置。
本发明的第二个目的是提供利用一种抽气式土体导热系数的测量装置获得土体固相组成物质以及土水混合物的导热系数的方法。
为实现上述目的，本发明采用的第一个技术方案是：.一种抽气式土体导热系数的测量装置，包括压力室、试样室、导热系数测试探针装置，所述导热系数测试探针装置设置在试样室内，所述试样室设置在压力室内，所述压力室设有导气单向阀，所述导热系数测试探针装置包括设置在圆柱形基座上的探针和导线。
所述试样室为空心圆柱体，所述圆柱体底部外侧设有与压力室固定的下翼缘，内侧上、下各带有凹槽，下凹槽且与圆柱形基座相适配，上凹槽内设有圆柱形透水板，所述透水板上、下层均设有PTFE薄膜且经上部固定环固定在圆柱体上，所述圆柱体底部与压力室之间设有环形橡胶垫片。
所述压力室包括顶板、底板和侧壁，所述侧壁上下端部分别设有与顶板、底板密封的橡胶圈的橡胶圈放置槽，所述顶板设有有导气孔且在外部连接导气单向阀，所述底板设有与圆柱形基座的圆柱形底槽和导线引出孔。
所述PTFE薄膜为聚四氟乙烯材料，所述圆柱形透水板为透水石或高分子材料。
所述温度测试仪连接有稳压器。
本发明的另一个技术方案是：一种抽气式土体导热系数的测量装置的实施方法，步骤如下：
步骤如下：
1)将圆柱形试样放置在试样室，并将探针插入试样的中心；
2)将抽气泵的抽气管连接在导气单向阀上，并检查装置密封性；
3)确保装置密封完好后，利用抽气泵抽取装置内部气体，观察抽气泵仪表读数，维持装置内部和外部1MPa的气压差；
4)待抽气泵的仪表读数稳定后，将导热系数测试探针的导线分别与温度测试仪和稳压器连接，其中：导线的2根温度线连接在温度测试仪，红色正极线连接稳压器正极，黑色负极线连接稳压器负极；
5)打开稳压器，并调节稳压器的输出功率：稳压器的输出功率不宜过大，输出功率控制在0.45-0.5W之间，然后关闭稳压器。输出功率P计算式为
P＝UI (1)
式中，P为稳压器输出功率，单位W；U为输出电压，单位V；I为输出电流，单位A；
打开温度测试仪测试试样的温度变化，待到温度测试仪的温度示数不再变化时，打开稳压器对探针进行加热，待到温度测试仪的温度示数稳定时，关闭稳压器，并保存温度数据；
6)根据步骤5)保存的温度数据，将数据整理成T-lnt曲线，并利用通用公式(2)计算导热系数
式中，λ为导热系数，W/(m·K)；q为热流密度，单位J/(m2·s)；T为温度，单位K；t为时间，单位h。
由于通过抽气排除了试样中空气的影响，所以通过公式(2)得到的导热系数需要通过公式(3)计算，可以得到固相组成物质，土水混合物的导热系数
式中，λ1为固相组成物质，土水混合物的导热系数；n为试样的空隙率，通过公式(4)计算获得
式中，ρ、ρw、ρd分别为土体密度、水密度、干土密度；w为土体含水率。
本发明的有益效果是：抽气式土体导热系数测试装置能准确测量出饱和及非饱和土体的固相组成物质以及土水混合物的导热系数，对于土体热参数研究、土工热计算以及温度场分析具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明的试样室结构示意图；
图2为本发明的导热系数测试探针结构示意图；
图3为本发明的固定环结构示意图；
图4为本发明的橡胶垫结构示意图；
图5为本发明的橡胶圈结构示意图；
图6为本发明的PTFE薄膜和圆柱形透水板结构位置示意图；
图7为本发明的压力室侧壁结构示意图；
图8为本发明的压力室顶板结构示意图；
图9为本发明的压力室底板结构示意图；
图10为本发明导线说明图；
图11为本发明的抽气式土体导热系数测试装置的组装图；
图12为本发明的抽气式土体导热系数测试装置的结构示意图。
图中：
1.压力室 2.试样室 3.导热系数测试探针
4.PTFE薄膜 5.圆柱形透水板 6.橡胶圈
7.橡胶垫片 11.顶板 12.底板
13.侧壁 14.螺丝 21.下翼缘
22.边槽 23.固定环 31.圆柱形基座
32.探针 33.导线 111.导气孔
112.橡胶圈放置槽 113.螺丝孔 114.导气单向阀
121.圆柱形底槽 122.导线孔 331.温度线
332.红色正极线 333.黑色负极线
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种抽气式土体导热系数的测量装置及实施方法加以说明。
一种抽气式土体导热系数的测量装置及实施方法是基于：当土体中的气体被抽走时，即土体处于低真空状态，可认为土体为土体单相体传热体或土水两相传热体。通过测试低真空环境下的土体，能有效得到饱和及非饱和土体的固相组成物质以及土水混合物的导热系数，从而达到导热系数测量的目的。
如图1至图12所示，一种抽气式土体导热系数的测量装置：包括压力室1、试样室2、导热系数测试探针3、PTFE薄膜4、圆柱形透水板5、橡胶圈6、橡胶垫片7组成。其中压力室1由顶板11、底板12、侧壁13、螺丝14构成。顶板11包含有导气孔111、橡胶圈放置槽112、螺丝孔113、导气单向阀114。底板12包含橡胶圈放置槽112、螺丝孔113、圆柱形底槽121、导线孔122。侧壁13包括上下两个橡胶圈放置槽112。试样室2主体为带有下翼缘21的空心圆柱体，试样室2上下各带有下凹的边槽22，且试样室2带有螺丝孔113、固定环23和螺丝14，固定环23为带有螺丝孔113的空心圆柱体。导热系数测试探针3由圆柱形基座31、探针32、导线孔122、导线33组成，导线33由2根温度线331、1根红色正极线332、1根黑色负极线333组成。PTFE薄膜4是由聚四氟乙烯材料制成的透气不透水的高分子薄膜。圆柱形透水板5可使用高质量透水石或高分子透水板。橡胶圈6由橡胶材料制成，为圆环状。橡胶垫片7由橡胶材料制成，呈空心圆柱形薄片，且带有螺丝孔113。
本发明的一种抽气式土体导热系数的测量装置的组装步骤：
1)将导热系数测试探针3的导线33由内到外穿过底板12的导线孔122，并将导热系数测试探针3放置在底板12的圆柱形底槽121内。
2)将橡胶垫片7放置在底板12的圆柱形底槽121周边，再将试样室2由上到下压盖住橡胶垫片7，并保证下翼缘21、底板12、橡胶垫片7的螺丝孔113对齐，用螺丝14拧紧固定。
3)将PTFE薄膜4、圆柱形透水板5、PTFE薄膜4按顺序放置在试样室2的边槽22上，并用固定环23覆盖，通过螺丝14将试样室2与固定环23固定。
4)将橡胶圈6放置在侧壁13的橡胶圈6放置槽112内，放置在顶板11和底板12之间，并通过螺丝14将顶板11、侧壁13、底板12固定。由此组装成一种抽气式土体导热系数的测量装置。
一种抽气式土体导热系数的测量装置的实施方法，包括以下步骤：
1)将圆柱形土体试样放置在试样室，并将探针插入试样的中心。将压力室内部和试样室外部的浮土清理干净，根据测量装置的组装步骤1)—4)将装置组装完整；
2)将抽气泵的抽气管连接在导气单向阀上，并在顶板、底板、侧壁的连接处涂抹肥皂水，低压向装置内充气，观察顶板、底板、侧壁的连接处是否起泡以此检查装置密封性。如果起泡说明装置密封性不好，需要检查橡胶圈是否完好以及压力室螺丝是否拧紧；
3)确保装置密封完好后，将装置的导气单向阀与外部抽气泵连接，利用抽气泵抽取装置内部气体。并观察抽气泵的压力表读数，维持装置内部和外部至少1MPa的气压差；
4)待抽气泵的仪表读数稳定后，将装置的导热系数测试探针的导线分别与温度测试仪和稳压器连接。其中，装置导线的2根温度线连接在温度测试仪，装置导线的红色正极线连接稳压器正极，装置导线的黑色负极线连接稳压器负极；
5)打开稳压器，并调节稳压器的输出功率。稳压器的输出功率不宜过大，输出功率控制在0.45-0.5W之间，然后关闭稳压器。输出功率P计算式为
P＝UI (1)
式中，P为稳压器输出功率，W；U为输出电压，V；I为输出电流，A。
打开温度测试仪测试试样的温度变化，待到温度测试仪的温度示数不再变化时，打开稳压器对探针进行加热，待到温度测试仪的温度示数稳定时，关闭稳压器，并保存温度数据；
6)根据步骤5)保存的温度数据，将数据整理成T-lnt曲线，并利用通用公式(2)计算导热系数
式中，λ为导热系数，W/(m·K)；q为热流密度，J/(m2·s)；T为温度，K；t为时间，h。
由于通过抽气排除了试样中空气的影响，所以通过公式(2)得到的导热系数需要通过公式(3)计算，可以得到固相组成物质，土水混合物的导热系数
式中，λ1为固相组成物质，土水混合物的导热系数；n为试样的空隙率，通过公式(4)计算获得。
式中，ρ、ρw、ρd分别为土体密度、水密度、干土密度；w为土体含水率。
7)试验完毕后，把试样清理，将装置冲洗干净并组装好。
本发明的效果是：抽气式土体导热系数测试装置操作简便，能准确测量出饱和及非饱和土体的固相组成物质以及土水混合物的导热系数，对于研究土体热参数、工程上的土工热计算以及温度场分析具有重要的现实意义。
Claims (6)
1.一种抽气式土体导热系数的测量装置，其特征是：包括压力室(1)、试样室(2)、导热系数测试探针装置(3)，所述导热系数测试探针装置(3)设置在试样室(2)内，所述试样室(2)设置在压力室(1)内，所述压力室(1)设有导气单向阀(114)，所述导热系数测试探针装置(3)包括设置在圆柱形基座(31)上的探针(32)和导线(33)。
2.根据权利要求1所述的一种抽气式土体导热系数的测量装置，其特征是：所述试样室(2)为空心圆柱体，所述圆柱体底部外侧设有与压力室(1)固定的下翼缘(21)，内侧上、下各带有凹槽，下凹槽(22)且与圆柱形基座(31)相适配，上凹槽内设有圆柱形透水板(5)，所述透水板(5)上、下层均设有PTFE薄膜(4)且经上部固定环(23)固定在圆柱体上，所述圆柱体底部与压力室(1)之间设有环形橡胶垫片(7)。
3.根据权利要求1所述的一种抽气式土体导热系数的测量装置，其特征是：所述压力室(1)包括顶板(11)、底板(12)和侧壁(13)，所述侧壁(13)上下端部分别设有与顶板(11)、底板(12)密封的橡胶圈(6)的橡胶圈放置槽(112)，所述顶板(11)设有有导气孔(111)且在外部连接导气单向阀(114)，所述底板(12)设有与圆柱形基座(31)的圆柱形底槽(121)和导线引出孔。
4.根据权利要求1所述的一种抽气式土体导热系数的测量装置，其特征是：所述PTFE薄膜(4)为聚四氟乙烯材料，所述圆柱形透水板(5)为透水石或高分子材料。
5.根据权利要求1所述的一种抽气式土体导热系数的测量装置，其特征是：所述探针(32)由2根温度线(331)、1根红色正极线(332)、1根黑色负极线(333)组成，得到温度线(331)与外部温度测试仪连接，红色正极线(332)和黑色负极线(333)与稳压器对应的正负极连接。
6.一种根据权利要求1所述抽气式土体导热系数的测量装置的实施方法，步骤如下：
1)将圆柱形试样放置在试样室，并将探针插入试样的中心；
2)将抽气泵的抽气管连接在导气单向阀上，并检查装置密封性；
3)确保装置密封完好后，利用抽气泵抽取装置内部气体，观察抽气泵仪表读数，维持装置内部和外部至少1MPa的气压差；
4)待抽气泵的仪表读数稳定后，将导热系数测试探针的导线分别与温度测试仪和稳压器连接，其中：导线的2根温度线连接在温度测试仪，红色正极线连接稳压器正极，黑色负极线连接稳压器负极；
5)打开稳压器，并调节稳压器的输出功率：稳压器的输出功率不宜过大，输出功率控制在0.45-0.5W之间，然后关闭稳压器，输出功率P计算式为
P＝UI (1)
式中，P为稳压器输出功率，单位W；U为输出电压，单位V；I为输出电流，单位A；
打开温度测试仪测试试样的温度变化，待到温度测试仪的温度示数不再变化时，打开稳压器对探针进行加热，待到温度测试仪的温度示数稳定时，关闭稳压器，并保存温度数据；
6)根据步骤5)保存的温度数据，将数据整理成T-lnt曲线，并利用通用公式(2)计算导热系数：
式中，λ为导热系数，W/(m·K)；q为热流密度，单位J/(m2·s)；T为温度，单位K；t为时间，单位h；
通过抽气排除试样中空气的影响，通过公式(3)得到固相组成物质，土水混合物的导热系数为：
式中，λ1为固相组成物质的土水混合物的导热系数；
n为试样的空隙率，通过公式(4)计算获得：
式中，ρ、ρw、ρd分别为土体密度、水密度、干土密度；w为土体含水率。
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