CN116593523A - 一种地层温度梯度测试设备及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地层温度梯度测试设备及其方法，方法如下：1：监测点定位；2：监测孔钻进；3：温度梯度监测装置下放；4：温度梯度监测装置安装；5：温度梯度测量，利用温度梯度监测装置的测温盘内设置的多个温度传感器数据，对待监测的地层温度梯度进行测试，将采集到的温度梯度信息传输至地面终端系统，通过温度梯度计算公式进行温度梯度的计算。本发明解决了现有地层人工冻结法技术中仅靠土体温度进行冻结效果评估，无法采集地层某一固定点位温度梯度的问题，能够实现对地层温度梯度的精确测量，适用于地下工程冻结施工技术领域。
Description
技术领域
本发明属于地下工程冻结施工技术领域，具体的说，涉及一种地层温度梯度测试设备及其方法。
背景技术
目前我国人工冻结技术蓬勃发展，是目前富水软土地层加固的主要方法之一。目前冻结法被广泛应用于地铁联络通道、隧道、基坑等地下工程施工中。但在大量的工程实践中发现，在冻结法中仅依靠某点或者多点的温度数据很难对冻结效果进行精准评估，尤其是对于含风险因素地层的冻结效果评估，单纯以温度数据进行评估效果并不十分满意。而对于冻结效果中的另一重要数据-温度梯度，目前缺乏工程级别的有效采集方法。对于温度梯度数据，其采集不仅包含数值大小，还要包括温度梯度方向，而由于冻结法施工地层中，测温孔施工价格高昂，且密度不宜过大，因此很难对某一区域的温度梯度进行精准测量。因此如何在富水软土地层中某一点位附近实现地层温度梯度的精准测量是目前亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明提供一种地层温度梯度测试方法，用于解决目前市政工程冻结法进行地下工程施工过程中，仅靠土体温度进行冻结效果评估技术，无法采集地层某一固定点位温度梯度的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种地层温度梯度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：监测点定位，根据地层加固冻结设计方案，在冻结工程所需监测的设计冻结壁位置划定温度梯度监测点；
步骤2：监测孔钻进，利用水平锚固钻打孔，进行监测点钻进，钻进完成后利用泥浆护壁，然后下放温度梯度监测管至钻孔底端；
步骤3：温度梯度监测装置下放，温度梯度监测管下放完成后，利用测温杆下放温度梯度监测装置至温度梯度监测管底端；
步骤4：温度梯度监测装置安装，利用测温杆将温度梯度监测装置下放至温度梯度监测管底端后与温度梯度监测管端部螺纹固定连接，使温度梯度监测装置固定安装于温度梯度监测管的底端，并使之位于待测点位；
步骤5：温度梯度测量，利用温度梯度监测装置的测温盘内设置的多个温度传感器数据，对待监测的地层温度梯度进行测试，将采集到的温度梯度信息传输至地面终端系统，通过温度梯度计算公式进行温度梯度的计算。
进一步的，所述步骤5中的温度梯度计算公式如下：
令四个温度传感器成正方形分布，四个温度传感器的数据分别记作T1、T2、T3、T4，温度梯度监测装置下放完成后根据实际需求进行采集频率设定，单侧采集数据共计四个温度数据，利用对角数据对温度梯度求解：
(1)
(2)
式中、/>为两个互相垂直方向的温度梯度数据，L为测温盘中心到任意一个测温点的距离，根据上述公式（1）-（2）求解温度梯度及其与T1、T3温度传感器所在直线的夹角如下：
(3)
(4)。
进一步的，所述地层温度梯度数据采集频率宜为1小时/次，一旦发生温度梯度异常波动，则应加密至10分钟/次，每次求解后将温度梯度数据代入温度梯度的计算公式，获得温度梯度的大小与方向。
进一步的，所述测温杆包括若干个固定连接的下放杆，相邻两下放杆和以及下放杆与温度梯度监测装置之间螺纹固定连接，下放杆与温度梯度监测装置的连接座之间采用正向螺纹连接，下放杆与下放杆之间通过反向螺纹连接。
进一步的，所述地面终端系统包括数据接收终端和数据处理终端，温度梯度监测装置与地面终端系统通过无线传输进行信息传递，地面终端系统利用数据接收终端对温度梯度监测装置的数据发射终端所发射数据进行接收，并利用外部数据传输线导入数据处理终端，进行数据处理。
本发明还公开了一种地层温度梯度测试设备，用于上述温度梯度测试方法，包括温度梯度监测管和温度梯度监测装置，所述温度梯度监测管包括首段测温管和若干个普通测温管，首段测温管的一端设有用于连接温度梯度监测装置的前端连接螺纹，另一端设有与普通测温管连接的外螺纹，相邻两普通测温管以及普通测温管与首段测温管之间通过螺纹连接，形成一个深至指定位置，且与外界连接的温度梯度监测管。
进一步的，所述首段测温管和普通测温管均采用直径均为108mm低碳无缝钢管制作，钻孔钻头直径不小于110mm，首段测温管长度为1.0m，其前端内螺纹距离管体端部长度为10cm，普通测温管长度根据冻结法施工场地空间确定，每段普通测温管长度不超过2.0m。
进一步的，所述温度梯度监测装置包括依次固定连接的顶进锥、测温盘和连接座，测温盘内充填有所测试位置土体导温系数一致的重塑土，测温盘的重塑土内呈90度以正方形结构分布有4个温度传感器，各温度传感器通过内部数据传输线路连接有数据发射终端，数据发射终端设置于连接座中。
进一步的，所述测温盘与顶进锥一体成型，测温盘与连接座、连接座与测温杆之间螺纹连接，并在各部件螺纹尾端预留凹槽安装橡胶止水圈。
进一步的，所述顶进锥的尖端锥度为45∽60°，温度传感器采用DS18b20或PT100型温度传感器。
本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
在监测点定位之后，对该位置进行监测孔钻进，然后将温度梯度监测管下放至孔底，为温度梯度监测装置提供一个稳定且不受外界干扰的温度梯度监测装置下放路径及监测环境，之后将温度梯度监测装置沿着该测温路径下放至孔底的待测点位，并与温度梯度监测管的底端安装固定，最后通过温度梯度监测装置根据需求频率采集不同位置的多组温度数据信息传输至地面数据接收终端，通过温度梯度计算公式进行温度梯度的数据，解决了现有技术中仅靠土体温度进行冻结效果评估技术，无法采集地层某一固定点位温度梯度的问题，能够实现对地层温度梯度的精确测量，适用于地下工程冻结施工技术领域。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1 为本发明中地层温度梯度测试设备的结构示意图；
图2 为本发明实施例中温度梯度监测装置及测温杆的结构示意图；
图3为本发明实施例中温度梯度监测管的结构示意图；
图4为本发明实施例中地面终端系统的结构示意图；
图5本发明实施例中测温盘A-A剖面结构示意图；
图6为本发明实施例中温度梯度求解示意图。
标注部件：1.前端连接螺纹；2.首段测温管；3.普通测温管；4.顶进锥；5.温度传感器；6.测温盘；7.内部数据传输线；8.数据发射终端；9.橡胶止水环；10.下放杆；11.杆件连接螺纹；12.数据接收终端；13.数据处理终端；14.外部数据传输线；15.设计冻结壁位置；16.温度梯度监测点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了，如图1所示，一种地层温度梯度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：监测点定位，根据地层加固冻结设计方案，在冻结工程所需监测的设计冻结壁位置15划定温度梯度监测点16位；
步骤2：监测孔钻进，利用水平锚固钻打孔，进行监测点钻进，钻进完成后利用泥浆护壁，然后下放温度梯度监测管至钻孔底端；
步骤3：温度梯度监测装置下放，温度梯度监测管下放完成后，利用测温杆下放温度梯度监测装置至温度梯度监测管底端；
将连接座与测温杆进行螺纹连接，并在连接座与测温杆前端的连接螺纹相接触部分缠绕生料带，安装橡胶止水环9后再进行温度梯度监测装置下放，根据下放深度将下放杆10通过螺纹连接进行不断加长，单根下放杆10宜长度1.0∽1.5m。
步骤4：温度梯度监测装置安装，利用测温杆将温度梯度监测装置下放至温度梯度监测管底端后与温度梯度监测管端部螺纹固定连接，使温度梯度监测装置固定安装于温度梯度监测管的底端，并使之位于待测点位；
利用钻杆内部标记，对于T1∽T4测温孔位置及计算坐标系进行修订，然后利用反扣旋转，分离下放杆10与连接座。
步骤5：温度梯度测量，利用温度梯度监测装置的测温盘6内设置的多个温度传感器5数据，对待监测的地层温度梯度进行测试，将采集到的温度梯度信息传输至地面终端系统，通过温度梯度计算公式进行温度梯度的计算。所述地面终端系统包括数据接收终端12和数据处理终端13，温度梯度监测装置与地面终端系统通过无线传输进行信息传递，地面终端系统利用数据接收终端12对温度梯度监测装置的数据发射终端8所发射数据进行接收，并利用外部数据传输线14导入数据处理终端13，进行数据处理。
温度梯度监测管内底部数据发射终端8与数据接收终端12采用无线传输，进行测量温度数据信息的传递，如现场场地较大，则可以根据情况增加中间传输设备，保证温度测试信息完整进入采集端。温度梯度监测管安装施工前，采用水平锚固钻进行钻孔，钻孔完成后取出水平锚固钻后下放上述温度梯度监测管。
作为一个具体的实施方式，所述步骤5中的温度梯度计算公式如下：
令四个温度传感器5成正方形分布，如图5所示，四个温度传感器5以测温盘6的轴线为中心，相邻两温度传感器5之间90°布置，四个温度传感器5的数据分别记作T1、T2、T3、T4，温度梯度监测装置下放完成后根据实际需求进行采集频率设定，所述地层温度梯度数据采集频率宜为1小时/次，一旦发生温度梯度异常波动，则应加密至10分钟/次，每次求解后将温度梯度数据代入温度梯度的计算公式，获得温度梯度的大小与方向。单侧采集数据共计四个温度数据，利用对角数据对温度梯度求解：
(1)
(2)
式中、/>为两个互相垂直方向的温度梯度数据，L为测温盘6中心到任意一个测温点的距离，根据上述公式（1）-（2）求解温度梯度及其与T1、T3温度传感器5所在直线的夹角如下：
(3)
(4)。
作为一个具体的实施方式，所述测温杆包括若干个固定连接的下放杆10，下放杆10端部设有杆件连接螺纹11，相邻两下放杆10和以及下放杆10与温度梯度监测装置之间螺纹固定连接，下放杆10与温度梯度监测装置的连接座之间采用正向螺纹连接，下放杆10与下放杆10之间通过反向螺纹连接。两处连接螺纹互为反扣，因此下放完成后是可以通过反向旋转进行杆件拆除的。利用正反螺纹连接的方式，保证了温度梯度监测装置端头的下放，同时，下放完成后主要测温杆可以抽出，从而利用剩余空间，进行地层温度监测，一举两得。
本发明还公开了一种地层温度梯度测试设备，用于上述温度梯度测试方法，如图1所示，包括温度梯度监测管和温度梯度监测装置，如图3所示，所述温度梯度监测管包括首段测温管2和若干个普通测温管3，首段测温管2的一端设有用于连接温度梯度监测装置的前端连接螺纹1，另一端设有与普通测温管3连接的外螺纹，相邻两普通测温管3以及普通测温管3与首段测温管2之间通过螺纹连接，形成一个深至指定位置，且与外界连接的温度梯度监测管。所述首段测温管2和普通测温管3均采用直径均为108mm低碳无缝钢管制作，钻孔钻头直径不小于110mm，首段测温管2长度为1.0m，其前端内螺纹距离管体端部长度为10cm，普通测温管3长度根据冻结法施工场地空间确定，每段普通测温管3长度不超过2.0m。所述顶进锥4的尖端锥度为45∽60°，温度传感器5采用DS18b20或PT100型温度传感器5。
作为一个具体的实施方式，如图2所示，所述温度梯度监测装置包括依次固定连接的顶进锥4、测温盘6和连接座，测温盘6内充填有所测试位置土体导温系数一致的重塑土，测温盘6的重塑土内呈90度以正方形结构分布有4个温度传感器5，各温度传感器5通过内部数据传输线7路连接有数据发射终端8，数据发射终端8设置于连接座中，并与地面终端系统通过无线传输进行信息传递，地面终端系统利用数据接收终端12对数据发射终端8所发射数据进行接收，并利用有线传输设备导入数据处理终端13，进行数据处理。
作为一个具体的实施方式，所述测温盘6与顶进锥4一体成型，测温盘6与连接座、连接座与测温杆之间螺纹连接，并在各部件螺纹尾端预留凹槽安装橡胶止水圈。通过设置顶进锥4，其锥形结构可以减小阻力，更加方便的向前方待测土中顶进，通过设置橡胶止水圈，可以对连接座内通讯设备起到良好的防水作用。
通过本发明提供的上述地层温度测试设备及其方法，可以有效且准确的完成地层温度体梯度的测量，为地下工程冻结施工提供准确的数据信息，保证工程的顺利进行。
综上所述，在监测点定位之后，对该位置进行监测孔钻进，然后将温度梯度监测管下放至孔底，为温度梯度监测装置提供一个稳定且不受外界干扰的温度梯度监测装置下放路径及监测环境，之后将温度梯度监测装置沿着该测温路径下放至孔底的待测点位，并与温度梯度监测管的底端安装固定，最后通过温度梯度监测装置根据需求频率采集不同位置的多组温度数据信息传输至地面数据接收终端12，通过温度梯度计算公式进行温度梯度的数据，解决了现有技术中仅靠土体温度进行冻结效果评估技术，无法采集地层某一固定点位温度梯度的问题，能够实现对地层温度梯度的精确测量，适用于地下工程冻结施工技术领域。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种地层温度梯度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：监测点定位，根据地层加固冻结设计方案，在冻结工程所需监测的设计冻结壁位置确定温度梯度监测点；
步骤2：监测孔钻进，利用水平锚固钻机在温度梯度监测点进行监测孔钻进，钻进完成后利用泥浆护壁，在不塌孔的条件下下放温度梯度监测管；
步骤3：温度梯度监测装置下放，温度梯度监测管下放完成后，利用测温杆下放温度梯度监测装置至温度梯度监测管底端；
步骤4：温度梯度监测装置安装，利用测温杆将温度梯度监测装置下放至温度梯度监测管底端后与温度梯度监测管端部螺纹固定连接，使温度梯度监测装置固定安装于温度梯度监测管的底端，并使之位于待测点位；
步骤5：温度梯度测量，利用温度梯度监测装置的测温盘内设置的多个温度传感器，对待监测的地层温度梯度进行测试，将采集到的温度梯度信息传输至地面终端系统，通过温度梯度计算公式进行温度梯度的计算。
2.根据权利要求1所述的一种地层温度梯度测试方法，其特征在于，所述步骤5中的温度梯度计算公式如下：
令四个温度传感器成对角分布，四个温度传感器的数据分别记作T1、T2、T3、T4，温度梯度监测装置下放完成后根据实际需求进行采集频率设定，单侧采集数据共计四个温度数据，利用对角数据对温度梯度求解：
(1)
(2)
式中、/>为两个互相垂直方向的温度梯度数据，L为测温盘中心到任意一个测温点的距离，根据上述公式（1）-（2）求解温度梯度及其与T1、T3温度传感器所在直线的夹角如下：
(3)
(4)。
3.根据权利要求2所述的一种地层温度梯度测试方法，其特征在于：所述地层温度梯度数据采集频率宜为1小时/次，一旦发生温度梯度异常波动，则应加密至10分钟/次，每次求解后将温度梯度数据代入温度梯度的计算公式，获得温度梯度的大小与方向。
4.根据权利要求1所述的一种地层温度梯度测试方法，其特征在于：所述测温杆包括若干个固定连接的下放杆，相邻两下放杆以及下放杆与温度梯度监测装置之间螺纹固定连接，下放杆与温度梯度监测装置的连接座之间采用正向螺纹连接，下放杆与下放杆之间通过反向螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种地层温度梯度测试方法，其特征在于：所述地面终端系统包括数据接收终端和数据处理终端，温度梯度监测装置与地面终端系统通过无线传输进行信息传递，地面终端系统利用数据接收终端对温度梯度监测装置的数据发射终端所发射数据进行接收，并利用外部数据传输线导入数据处理终端，进行数据处理。
6.一种地层温度梯度测试设备，用于上述1-5任一项地层温度梯度测试方法，其特征在于：包括温度梯度监测管和温度梯度监测装置，所述温度梯度监测管包括首段测温管和若干个普通测温管，首段测温管的一端设有用于连接温度梯度监测装置的前端连接螺纹，另一端设有与普通测温管连接的外螺纹，相邻两普通测温管以及普通测温管与首段测温管之间通过螺纹连接，形成一个深至指定位置，且与外界连接的温度梯度监测管。
7.根据权利要求6所述的一种地层温度梯度测试设备，其特征在于：所述首段测温管和普通测温管均采用直径均为108mm低碳无缝钢管制作，钻孔钻头直径不小于110mm，首段测温管长度为1.0m，其前端内螺纹距离管体端部长度为10cm，普通测温管长度根据冻结法施工场地空间确定，每段普通测温管长度不超过2.0m。
8.根据权利要求6所述的一种地层温度梯度测试设备，其特征在于：所述温度梯度监测装置包括依次固定连接的顶进锥、测温盘和连接座，测温盘内充填有所测试位置土体导温系数一致的重塑土，测温盘的重塑土内呈90度以正方形结构分布有4个温度传感器，各温度传感器通过内部数据传输线路连接有数据发射终端，数据发射终端设置于连接座中。
9.根据权利要求8所述的一种地层温度梯度测试设备，其特征在于：所述测温盘与顶进锥一体成型，测温盘与连接座、连接座与测温杆之间螺纹连接，并在各部件螺纹尾端预留凹槽安装橡胶止水圈。
10.根据权利要求9所述的一种地层温度梯度测试设备，其特征在于：所述顶进锥的尖端锥度为45∽60°，温度传感器采用DS18b20或PT100型温度传感器。
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| CN117540481A (zh) * | 2024-01-09 | 2024-02-09 | 石家庄铁道大学 | 冻土区衬砌损伤预测方法、装置、电子设备及存储介质 |
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| CN117540481A (zh) * | 2024-01-09 | 2024-02-09 | 石家庄铁道大学 | 冻土区衬砌损伤预测方法、装置、电子设备及存储介质 |
| CN117540481B (zh) * | 2024-01-09 | 2024-03-12 | 石家庄铁道大学 | 冻土区衬砌损伤预测方法、装置、电子设备及存储介质 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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