一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置及测试方法

摘要

本申请属于岩土工程领域，涉及一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置及测试方法，包括由上向下依次连接的探杆、伸缩热探杆以及探头；伸缩热探杆包括伸缩套杆、环形热传感器、热线源以及微型马达；伸缩套杆的一端连接于探头、另一端连接于探杆；微型马达有两个及以上，两个及以上的微型马达间隔均匀的安装于伸缩套杆上，伸缩套杆能在微型马达的动力作用下进行伸缩；环形热传感器有两个及以上，环形热传感器对应安装于微型马达上；热线源设于伸缩套杆内。其将地热梯度与热导率测试相结合，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。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程领域中一种能够有效精确的获得土体基本工程性质和热力学性质的原位试验测试元件及装置，涉及一种利用瞬态线热源法测试土体热导率和热梯度的分段贯入原位测试装置，具体涉及一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置及测试方法。

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。

地热梯度也是岩土工程中非常重要的参数之一，它确定了浅层地热交换效率和地热井打入深度。是影响地热泵工程投资能耗的关键因素之一，目前的测试仪器较为笨重，且测试效率低下，经济耗费较高。

发明内容

本发明基于瞬态线热源法测量土体热导率系数的方法，提出了一种伸缩分段式的热探头测试仪器，将地热梯度与热导率测试相结合，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。

为实现上述技术目的，本发明采取具体的技术方案为，一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置，包括由上向下依次连接的探杆、伸缩热探杆以及探头；伸缩热探杆包括伸缩套杆、环形热传感器、热线源以及微型马达；伸缩套杆的一端连接于探头、另一端连接于探杆；微型马达有两个及以上，两个及以上的微型马达间隔均匀的安装于伸缩套杆上，伸缩套杆能在微型马达的动力作用下进行伸缩；环形热传感器有两个及以上，环形热传感器对应安装于微型马达上，并能随伸缩套杆的伸缩发生位移；热线源设于伸缩套杆内，并且热线源的一端连接于探头，另一端延伸至探杆内。

作为本发明改进的技术方案，还包括数据接收模块，数据接收模块设于探杆的尾端，用于接收环形热传感器检测的数据。

作为本发明改进的技术方案，伸缩套杆为钛合金不锈钢材质。

作为本发明改进的技术方案，探杆为合金钢材质。

作为本发明改进的技术方案，探头为合金钢材质。

作为本发明改进的技术方案，探头为圆锥形结构，并且圆锥形结构的尖端设于远离伸缩热探杆的一侧。

作为本发明改进的技术方案，伸缩热探杆长度变化范围为1m。

本发明另一目的是提供土体热导率和地热梯度的原位测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、调整热伸缩探杆，使其处于最短长度；将探头以恒定速度贯入土体；

步骤二、当探头到达测试深度时，微型马达控制伸缩套杆伸长，每伸长20cm，处于相对最上位的一个微型马达带动该微型马达所对应的环形热传感器随伸缩套杆移动，直至所有环形热传感器全部释放完毕，停止贯入；

步骤三、保持静止直至探头与土体的地温一致，数据接收模块接收此时环形热传感器的测试数据；

步骤四、启动热线源对土体进行加热，设定加热时间，环形热传感器检测加热后土体的地温；数据接收模块接收此时环形热传感器检测的温度；

步骤五、外用外部数据处理系统处理步骤三中数据接收模块接收的数据以及步骤四中数据接收模块接收的数据，得到不同深度土体的热导率。

有益效果

本申请装置结构简单，操作方便，测试准确率高；其通过在探头与探杆之间设定伸缩热探杆，使得能在原位测定不同深度的土体温度及热导率，这是本领域技术人员不能够轻易想到的；另外，本申请采用微型马达、环形热传感器以及数据接收模块的配合实现土体温度实时准确测量，同时还能自行进行数据收集、处理、储存工作，使得每次实验测试的数据具有参考价值。

综上，本申请的装置有效解决国内现有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。

附图说明

图1本申请装置的结构示意图；

图2本申请装置使用过程示意图；

图3伸缩热探杆的剖视图；

图4伸缩热探杆的横截面示意图；

图中，1、探杆；2、伸缩热探杆；3、探头；4、环形热传感器；5、热线源；6、微型马达；7、数据接收模块；8、微动马达传力装置；9、伸缩套杆。

具体实施方式

实施例中，探杆1、伸缩热探杆2、探头3、环形热传感器4、热线源5、微型马达6、数据接收模块7、微动马达传力装置8、伸缩套杆9。

本申请是一种利用瞬态线热源法测试土体热导率和地热梯度的分段贯入原位测试装置，具体为如图1‐2所示的土体热导率和地热梯度的原位测试装置，

包括由上向下依次连接的探杆、伸缩热探杆以及探头；伸缩热探杆包括伸缩套杆、环形热传感器、热线源以及微型马达；伸缩套杆的一端连接于探头、另一端连接于探杆；微型马达有两个及以上，两个及以上的微型马达间隔均匀的安装于伸缩套杆上，伸缩套杆能在微型马达的动力作用下进行伸缩；环形热传感器有两个及以上，环形热传感器对应安装于微型马达上，并能随伸缩套杆的伸缩发生位移；热线源设于伸缩套杆内，并且热线源的一端连接于探头，另一端延伸至探杆内。

具体的，如图3‐4所示伸缩热探杆包括伸缩套杆、环形热传感器、热线源以及微型马达；伸缩套杆的一端连接于探头、另一端连接于探杆；环形热传感器有两个及以上(本实施例中优选为五个环形热传感器)，环形热传感器间隔均匀的安装于伸缩套杆上；微型马达有两个及以上(本实施例中优选为五个微型马达)，微型马达间隔均匀的安装于伸缩套杆上，并且微型马达与环形热传感器对应安装(环形热传感器安装于微型马达上)，具体的微型马达安装于伸缩套杆上，环形热传感器通过微型马达简接的安装于伸缩套杆上；在伸缩套杆需要伸缩时，微型马达对伸缩套杆作用使得伸缩套杆进行伸缩，相应的微型马达上的环形热传感器也随之运动；热线源设于伸缩套杆内，并且热线源的一端连接于探头，另一端延伸至探杆内，热线源对土体进行加热时，位于伸缩套杆不同位置的环形热传感器能对自身周围的土体进行温度检测，使得伸缩热探杆部分能够快速有效的测试土体的热导率和地热梯度，为土体热力学性质的室内测试提供了一种方便和精确的试验方法，对浅层热流的研究，热能源桩工程的实施有着重要意义。

为了及时快速获取数据，还包括数据接收模块，数据接收模块设于探杆的尾端，用于接收环形热传感器检测的数据。

为了保证测试的准确度，以及装置的使用寿命，伸缩套杆为钛合金不锈钢材质。

为了保证测试的准确度，以及装置的使用寿命，探杆为合金钢材质；探头为合金钢材质。

为了方便使用，探头为圆锥形结构，并且圆锥形结构的尖端设于远离伸缩热探杆的一侧。

本实施例中，伸缩热探杆长度变化范围为1m，即伸缩套杆可随着贯入过程伸长1m左右。

本发明另一目的是提供土体热导率和地热梯度的原位测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、调整热伸缩探杆，使其处于最短长度；将探头以恒定速度贯入土体；

步骤二、当探头到达测试深度时，微型马达控制伸缩套杆伸长(具体的是伸缩套杆在微型马达作用下进行伸缩，微型马达固定在伸缩套杆上，同时与环形热传感器固定连接，在需要伸缩时，微型马达作用于伸缩套杆以使其伸长达到指定深处，在到达指定位置后，第一段伸缩套杆达到最长，微型马达制动保证环形传感器在指定位置保持静止，微型马达停止作用并解除对伸缩套杆的制动，从而达到释放环形传感器的作用)，每伸长20cm，处于最上位的一个微型马达带动释放该微型马达所对应的环形热传感器，直至所有环形热传感器全部释放完毕，停止贯入；即该装置在达到指定深度后，每贯入20cm，伸缩套杆随之伸长20cm，并于该位置放置一个环形热传感器；

步骤三、保持静止一端时间，保证探头与土体的地温一致，数据接收模块接收此时环形热传感器的测试数据；

步骤四、启动热线源对土体进行加热，设定加热时间，环形热传感器检测加热后土体的地温(即不同深度土体的热响应数据)；数据接收模块接收此时环形热传感器检测的温度；

步骤五、外用外部数据处理系统处理步骤三中数据接收模块接收的数据以及步骤四中数据接收模块接收的数据，得到不同深度土体的热导率。

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。

该装置结合了热导率系数和地热梯度的测定，解决了国内现有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。