本发明专利技术公开了一种压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，包括带有螺纹接头(1)的原位探头(2)；在原位探头(2)内设有探头空腔(10)，在探头空腔(10)内设有液压箱组件和原位探针(5)；原位探针(5)包括探针管(17)和针尖(18)，在探针管(17)的内腔(15)中分别设置加热丝(14)和热电偶(13)，在探针管(17)的内腔(15)中填充为低热容材料的低热容填充物(16)；探针管(17)与活塞(4)的底端固定相连；加热导线(21)与加热丝(14)相连，温度接收导线(11)与热电偶(13)相连。本发明专利技术还同时提供了利用上述装置所进行的压入式原位分层测试岩土热物性参数的方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种原位测试岩土热物性参数的方法，特别涉及一种通过静压方式， 可以现场测试任意埋置深度岩土层的热物性参数的方法。
技术介绍
现在尚没有能在原位测试任意埋置深度岩土层热物性参数的方法。现有的分层岩土热物性的测试方法为将现场不同埋置深度的岩土体取样到实验室内，再针对取出的岩土体样品做热物性试验，从而获得相应参数。在将现场岩土体取样到实验室的过程中，存在以下严重问题一是取样及运输过程中破坏了岩土体的结构性；二是取样及运输过程中岩土体的含水量会部分丢失；三是将深层岩土体取到地面以上，取出的样品卸载回弹变的疏松；四是由于测试土样的体积局限性，难以满足线性热源到被测岩土体边界无限大的假设。上述四个情况恰好是影响岩土体热物性参数测试准确与否的重要因素，在这四种情况存在的条件下，在实验室内无论怎样模拟也无法逼近岩土样的原始赋存状态。通常情况下，破坏了岩土体的结构性，也就是破坏了岩土体的连续性，会导致岩土体导热系数的减小。岩土体含水量减少，也会导致岩土体导热系数的减小。岩土体卸载以后回弹变的疏松也使岩土体导热系数变小。由于室内测试土样体积的局限性，线热源的热量很快影响到土样边界，导致测试数据不真实。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种通过静压方式，将探针压入岩土体，能在原位测试任意埋置深度岩土体热物性参数的方法，该测试方法完全满足岩土体原始赋存状态，测试出来的参数真正代表岩土体所在位置的真实值。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，包括带有螺纹接头的原位探头；在原位探头内设有探头空腔，在探头空腔内设有液压箱组件和位于液压箱组件下方的原位探针；液压箱组件包括液压箱壳体，在液压箱壳体的内腔中设有与液压箱壳体滑动相连的活塞，液压管与液压箱壳体的内腔相连通；原位探针包括探针管和针尖，针尖与探针管的底端固定相连，探针管的外表面为光滑表面；在探针管的内腔中分别设置加热丝和至少一个的作为感温元件的热电偶，在探针管的内腔中填充为低热容材料的低热容填充物；探针管与活塞的底端固定相连；加热导线与加热丝相连，温度接收导线与热电偶相连。作为本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的改进在探针管的内腔顶部设置绝热填充物，绝热填充物位于低热容填充物之上，绝热填充物与探针管密封相连。作为本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进在探头空腔的下部设置带有探针定向导孔的定向板，在原位探头的底面设有通孔，探针定向导孔和通孔的孔径均略大于探针管的外径D ；探针定向导孔、通孔、探针管和针尖的中心轴线相重叠。作为本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进探针管长度Ll是探针管外径D的30 120倍。作为本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进加热丝的长度=探针管长度Li。作为本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进探针管由高导热性质材料制成。作为本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进低热容材料为环氧树脂；高导热性质材料通常为不锈钢或硬度> 180HBS的合金钢，所述绝热填充物由导热系数小于0. lff/m · K的材料(例如复合硅酸盐类材料等)制成。作为本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的进一步改进在螺纹接头内设有通道；加热导线的底端依次穿越螺纹接头内的通道、探头空腔和绝热填充物后与加热丝相连，温度接收导线的底端依次穿越螺纹接头内的通道、探头空腔和绝热填充物后与热电偶相连。本专利技术还同时提供了利用上述装置所进行的压入式原位分层测试岩土热物性参数的方法，利用岩土工程勘察所产生的取土孔作为测试孔，依次包括以下步骤1)、通过螺纹接头使原位探头与钻杆相连；2)、通过钻机使钻杆带动原位探头沿着测试孔下沉至被测岩土层；从而使原位探针的针尖与被测岩土层相接触；3)、在地面启动液压泵，通过活塞带动整个原位探针压入被测岩土层；静止 5-10min(目的是使压入过程中因摩擦所产生的热量散尽)后，加热导线加热内腔中的加热丝，利用温度接收导线在地面接收热电偶的信号，并记录t1; t2以及T1, T2 ；t1 t2 分别为加热记录的起始时间和终止时间，单位s ；加热开始后80 120s为加热记录的起始时间，加热结束时间为加热记录的终止时间；即，、一般在加热稳定后开始计算时间，通常可取开始加热后80 120s(例如100s)计时；T1, T2 分别对应于时间t1; t2时热电偶的温度，单位K ；4)、获得被测岩土层的导热系数K q \n{t2 /t,)所述被测岩土层的导热系数足=+· ‘2 ‘‘(1);T2 -T1q 单位长度线热源的发热功率…=，单位W/m ；RLU 原位探针加热电压，单位V ；R 原位探针电阻，由加热丝的材料确定，单位Ω ；L 加热丝的长度，单位m，同探针管的长度。在本专利技术中，原位探针按照线性热源模型制作，即满足探针管的长径比为30 120。因此原位探针视为线性热源。为了获得正确的数据，(1)式应满足，被测物体的边界距离热源足够远；热源很小，以至于可以假设为几何上无限小；热源必须足够长，以逼近线热源的热流模型；线热源和被测物体存在完全的热接触。采用本专利技术的测试装置和测试方法能自动满足上述要求。在本专利技术中，可在地面利用液压泵，从而使原位探针压入被测岩土层。在本专利技术的测试方法中，先利用常规的含有地质钻头的钻机进行钻孔，然后再以本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置来替换地质钻头；从而进行测试。本专利技术，适用于软到中等硬度的岩土层，具体为饱和软黏土、软塑到可塑状态的黏性土以及粉土等岩土层，由于不同岩土层的导热速度不同，因此输入的U值不同，还随原位探针的电阻、原位探针的长度而变化。在原位探针电阻R= 100Ω，原位探针长度Ll = 700mm时，输入电压U通常可设定为40-50V。与现有岩土的热物性测试技术相比，本专利技术的特征是原位探针与被测岩土体边界足够远；原位探针的热源很小，与被测岩土体相比，在几何上可以认为无限小；原位探针的长度与直径比大于> 30(考虑到成本，将该长径比的上限值设定为120)，热源已经足够长，已经逼近线热源的热流模型；原位探针采用压入方式压入被测岩土体，探针表面和岩土体存在完全的热接触。因此，本专利技术具有以下有益效果1、由于在原位进行测试，克服了室内测试存在的问题，即不对岩土体的结构性进行扰动，岩土体的含水量即为原始含水量，被测岩土体不会因为卸载而变的疏松。2、可以在现场测试任意埋置深度的岩土层，获得分层岩土体的热物性参数。3、可以在进行岩土工程勘察过程中实施，利用岩土工程勘察取土孔的钻孔作为测试孔，无须另行成孔，大幅度降低测试费用。4、采用压入式，可将原位探针压入被测试的以粘性土、粉土为主的岩土体。 附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。图1是本专利技术的压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置的结构示意图；图2是图1的A-A剖视放大示意图；图3是图1的B-B剖视放大示意图；图4是图1在原位探针5入土时的示意图；图5是图1中的原位探针5的剖视示意图。图中1-螺纹接头，2-原位探头，3-液压箱，4-活塞，5-原位探针，6—探针定向导孔，7-护管，8本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．压入式原位分层测试岩土热物性参数的装置，其特征是：包括带有螺纹接头（１）的原位探头（２）；在原位探头（２）内设有探头空腔（１０），在探头空腔（１０）内设有液压箱组件和位于液压箱组件下方的原位探针（５）；所述液压箱组件包括液压箱壳体（３），在液压箱壳体（３）的内腔中设有与液压箱壳体（３）滑动相连的活塞（４），液压管（８）与液压箱壳体（３）的内腔相连通；所述原位探针（５）包括探针管（１７）和针尖（１８），针尖（１８）与探针管（１７）的底端固定相连，所述探针管（１７）的外表面为光滑表面；在探针管（１７）的内腔（１５）中分别设置加热丝（１４）和至少一个的作为感温元件的热电偶（１３），在所述探针管（１７）的内腔（１５）中填充为低热容材料的低热容填充物（１６）；所述探针管（１７）与活塞（４）的底端固定相连；加热导线（２１）与加热丝（１４）相连，温度接收导线（１１）与热电偶（１３）相连。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马海龙，马宇飞，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：86
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