一种分布式土体导热系数测试系统及其测试方法技术方案

本发明专利技术公开了一种分布式土体导热系数测试方法及其测试系统，测试方法包括以下步骤：将复合光缆埋设于待测土体中，所述复合光缆包括光纤及包覆所述光纤的热电阻材料层；利用加热控制模块通过所述热电阻材料层对所述待测土体加热，利用光信号处理控制模块持续采集地层的加热温度数据；利用光信号处理控制模块对加热温度数据进行处理，根据导热系数计算公式计算并输出待测土体的不同深度的导热系数，并绘制导热系数与深度的曲线图；本发明专利技术的测试系统体积小巧、便于携带，测试距离长，监测更深范围内岩土体的温度变化，测试效率高，测试结果误差小，在较短的测试时间内获得精细化的地层导热系数。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式土体导热系数测试系统及其测试方法
本专利技术涉及地质检测
，尤其涉及一种分布式土体导热系数测试方法及其测试系统。
技术介绍
岩土体的导热系数是反映岩土体导热性能的关键参数。获取导热系数一方面可以服务于浅层地温能评价、地下工程、冷冻施工或冻融区地基设计等，另一方面还可以通过导热系数间接计算土体含水率、地下水渗流、污染物转移等参数。获取导热系数的方法包括室内试验和现场测试。室内试验包括平板法和热线法，现场测试为瞬态热线法。对于瞬态热线法，是在测试时将一根金属丝(热线)插入岩土体中，以恒定功率对热线通电加热，热线温度升高，向周围的岩土体中传递热量。热线温度升高速度的快慢与周围岩土体的导热能力有关，通过测量热线温升与时间的对应关系，即可得到岩土体的导热系数。对于热线法以及相关衍生方法，其测试手段均是热响应测试，即通过线热源的温度变化来计算周围岩土体的导热系数。根据热线法计算导热系数的计算公式可知，其需要满足以下两个假设条件：线热源的半径足够小；测试获得的温度为线热源的温度。因此，线热源和温度传感器的性能对岩土体导热系数的计算十分重要。在地温能的研究领域中，最成熟的热响应测试方法是现场热响应测试(ThermalResponseTest，TRT)，其原理是通过水作为传热介质在换能管中循环，在一定的放热量或取热量下，连续记录换能管进出口的水温度，并根据温度随时间变化的规律推知岩土体导热系数。然而，TRT只能得到钻孔处地层总的热物性参数，无法获得多个地层独立的导热系数。因此，TRT无法确定每一土层的导热系数，进而无法分析各土层在含水率、渗流、温度场等因素不断变化条件下的换热能力，无法定量分析不同因素对土体换热能力的影响。此外，TRT存在测试设备体积较大不便携带、测试要求高、步骤繁琐、耗时长等问题。为了解决上述问题，在TRT方法的基础上，一些测试方法将温度传感器(如传统温度计或测温光缆)附着于换能管之上，进而获得不同深度地层的热物性参数。其中，将分布式光纤测温与TRT结合的方法称为分布式热响应测试(DistributedThermalResponseTest，DTRT)。DTRT在现有的换能管的不同深度上布置温度传感器(如点式传感器或者分布式传感器)，从而获得不同深度的温度变化数据，进而可以计算得到不同深度岩土体的导热系数。该方法虽然克服了TRT仅能反映整个钻孔的导热性质的平均水平的主要缺点，但是其测试原理和测试设备没有改变，仍然存在测试设备体积较大不便携带、测试要求高、步骤繁琐、耗时长等问题。此外，TRT和DTRT的热源均是以水为载体，其比热容大且循环的模式会造成整个换能管加热功率不均匀的问题。为了解决上述问题，出现了一些非水热源的测试方法，如将一根电缆单独作为热源和测温光缆进行组合，如电缆和测温光缆分别放在换能管中、电缆和测温光缆简单组合后绑在换能管上、钻头牵引直接埋在地层中等。但是仍然没有一个统一且有效的获取导热系数的方法。此外，出现了一种基于内加热光缆的热响应测试方法，一些学者称为主动光纤加热方法(ActivelyHeatedFiberOpticmethod，AHFO)，其主要应用于水分场测试、地下水渗流测试以及管道渗漏检测领域。水分场的测试的目的在于获取非饱和土体的含水率，应用的场景通常为前地表(一般小于10m)，地下水渗流测试的目的在于获取一定深度范围内的地下水渗流速度，通过对流弥散方程建立温升数据和渗流速度的关系。管道的渗漏监测一般通过温升数据的异常段判断渗漏段。虽然该方法已经得到了一些应用，但是在获取分布式的导热系数方面还没有被提出。明显的是应用于获取其它参数的热响应测试方法，很难满足热线法的假设条件，因此很难满足导热系数的计算要求。因此，亟需一种解决上述问题的导热系数测试方法，其能够短时间获取深层地层的精细化的导热系数，并且体积小巧、便于携带。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中的不足，提供一种改进的分布式土体导热系数测试系统及其测试方法。本专利技术的第一个目的，提供一种改进的分布式土体导热系数测试方法，包括以下步骤：步骤S1、将复合光缆埋设于待测土体中，所述复合光缆包括光纤及热电阻材料层，用于对所述待测土体加热的所述热电阻材料层包覆所述光纤，所述光纤用于测试所述待测土体的温度；步骤S2、利用加热控制模块通过所述热电阻材料层对所述待测土体加热，所述热电阻材料层的单位长度加热功率为q，加热时间为t；利用光信号处理控制模块采集所述待测土体位于深度h的所述待测土体的温度T；步骤S3、所述光信号处理控制模块根据公式计算获得所述深度h的所述待测土体的导热系数λ：所述待测土体的深度包括多个深度，所述光信号处理控制模块同时获得所述待测土体的所述多个深度的对应位置的所述待测土体的所述导热系数；步骤S4、绘制所述导热系数与所述深度的曲线图。本方法可以应用于多种需要测土体导热系数的应用场景，特别适用于以垂直方式埋设于待测土体中的测试。一些实施例中，在所述步骤S2中，包括：步骤S21、利用所述加热控制模块以预设功率P0通过所述热电阻材料层对所述待测土体加热，所述热电阻材料层的电阻为R，实时记录电压值V；步骤S22、根据所述电压值V及所述电阻R计算实时功率P，并对比所述实时功率P与所述预设功率P0的关系，如果P＞(1±0.05)P0，结束；如果P≤(1±0.05)P0，执行步骤S23；步骤S23、记录所述待测土体的实时温度Ti，计算所述待测土体不同监控深度所述加热时间t的k值，其中，对所述k值与所述加热时间t进行线性回归，计算R2，其中如果R2≥0.95，开始存储所述实时温度Ti为所述待测土体的所述温度T，重复步骤S23，并执行所述步骤S3；如果R2＜0.95，停止存储所述温度T，重复步骤S23。一些实施例中，所述步骤S21之前，还包括：步骤S20、利用所述光信号处理控制模块采集所述待测土体的初始温度，采集间隔为0.5min，采集时间t1≥30min；判断所述初始温度的标准差σ，如果标准差σ≤0.5℃，存储所述初始温度，执行步骤S21；如果标准差σ＞0.5℃，重复所述步骤S20。一些实施例中，在步骤S4之后，还包括：步骤S5、停止所述加热控制模块，所述光信号处理控制模块采集冷却过程中的所述待测土体的冷却温度，冷却采集时间t2为30min，判断所述冷却温度的标准差σ，如果标准差σ＞0.3℃，重复所述步骤S5；如果标准差σ≤0.3℃，结束。一些实施例中，所述多个深度的间隔为0.4m；所述步骤S23中，所述不同监控深度的间隔为4-6m。一些实施例中，所述复合光缆垂直埋设于所述待测土体中，所述复合光缆呈U型布置，其包括下沉段及与所述下沉段相对布置的折返段。本专利技术的第二个目的，在于提供一种改进的分布式土体导热系数测试系统，用于测试待测土体的导热系数，所述分布式土体导热系数测试系统包括：复合光缆，所述复合光缆为内加热光缆，所述复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式土体导热系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1、将复合光缆埋设于待测土体中，所述复合光缆包括光纤及热电阻材料层，用于对所述待测土体加热的所述热电阻材料层包覆所述光纤，所述光纤用于测试所述待测土体的温度；/n步骤S2、利用加热控制模块通过所述热电阻材料层对所述待测土体加热，所述热电阻材料层的单位长度加热功率为q，加热时间为t；/n利用光信号处理控制模块采集所述待测土体位于深度h的所述待测土体的温度T；/n步骤S3、所述光信号处理控制模块根据公式

【技术特征摘要】
1.一种分布式土体导热系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将复合光缆埋设于待测土体中，所述复合光缆包括光纤及热电阻材料层，用于对所述待测土体加热的所述热电阻材料层包覆所述光纤，所述光纤用于测试所述待测土体的温度；
步骤S2、利用加热控制模块通过所述热电阻材料层对所述待测土体加热，所述热电阻材料层的单位长度加热功率为q，加热时间为t；
利用光信号处理控制模块采集所述待测土体位于深度h的所述待测土体的温度T；
步骤S3、所述光信号处理控制模块根据公式计算获得所述深度h的所述待测土体的导热系数λ：
所述待测土体的深度包括多个深度，所述光信号处理控制模块同时获得所述待测土体的所述多个深度的对应位置的所述待测土体的所述导热系数；
步骤S4、绘制所述导热系数与所述深度的曲线图。


2.根据权利要求1所述的分布式土体导热系数测试方法，其特征在于，在所述步骤S2中，包括：
步骤S21、利用所述加热控制模块以预设功率P0通过所述热电阻材料层对所述待测土体加热，所述热电阻材料层的电阻为R，实时记录电压值V；
步骤S22、根据所述电压值V及所述电阻R计算实时功率P，并对比所述实时功率P与所述预设功率P0的关系，如果P＞(1±0.05)P0，结束；如果P≤(1±0.05)P0，执行步骤S23；
步骤S23、记录所述待测土体的实时温度Ti，计算所述待测土体不同监控深度所述加热时间t的k值，其中，对所述k值与所述加热时间t进行线性回归，计算R2，其中，如果R2≥0.95，开始存储所述实时温度Ti为所述待测土体的所述温度T，重复步骤S23，并执行所述步骤S3；
如果R2＜0.95，停止存储所述温度T，重复步骤S23。


3.根据权利要求2所述的分布式土体导热系数测试方法，其特征在于，所述步骤S21之前，还包括：
步骤S20、利用所述光信号处理控制模块采集所述待测土体的初始温度，采集间隔为0.5min，采集时间t1≥30min；判断所述初始温度的标准差σ，如果标准差σ≤0.5℃，存储所述初始温度，执行步骤S21；
如果标准差σ＞0.5℃，重复所述步骤S20。


4.根据权利要求1-3任一权利要求所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾凯，施斌，张博，魏广庆，向伏林，魏壮，曹鼎峰，
申请(专利权)人：南京大学，苏州南智传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32