壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的方法及所用裝置的製作方法

2023-12-10 10:42:27

專利名稱：壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的方法及所用裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種原位測試巖土熱物性參數的方法，特別涉及一種通過靜壓方式， 可以現場測試任意埋置深度巖土層的熱物性參數的方法。
背景技術：
現在尚沒有能在原位測試任意埋置深度巖土層熱物性參數的方法。現有的分層巖土熱物性的測試方法為將現場不同埋置深度的巖土體取樣到實驗室內，再針對取出的巖土體樣品做熱物性試驗，從而獲得相應參數。在將現場巖土體取樣到實驗室的過程中，存在以下嚴重問題一是取樣及運輸過程中破壞了巖土體的結構性；二是取樣及運輸過程中巖土體的含水量會部分丟失；三是將深層巖土體取到地面以上，取出的樣品卸載回彈變的疏鬆；四是由於測試土樣的體積局限性，難以滿足線性熱源到被測巖土體邊界無限大的假設。上述四個情況恰好是影響巖土體熱物性參數測試準確與否的重要因素，在這四種情況存在的條件下，在實驗室內無論怎樣模擬也無法逼近巖土樣的原始賦存狀態。通常情況下，破壞了巖土體的結構性，也就是破壞了巖土體的連續性，會導致巖土體導熱係數的減小。巖土體含水量減少，也會導致巖土體導熱係數的減小。巖土體卸載以後回彈變的疏鬆也使巖土體導熱係數變小。由於室內測試土樣體積的局限性，線熱源的熱量很快影響到土樣邊界，導致測試數據不真實。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種通過靜壓方式，將探針壓入巖土體，能在原位測試任意埋置深度巖土體熱物性參數的方法，該測試方法完全滿足巖土體原始賦存狀態，測試出來的參數真正代表巖土體所在位置的真實值。為了解決上述技術問題，本發明提供一種壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，包括帶有螺紋接頭的原位探頭；在原位探頭內設有探頭空腔，在探頭空腔內設有液壓箱組件和位於液壓箱組件下方的原位探針；液壓箱組件包括液壓箱殼體，在液壓箱殼體的內腔中設有與液壓箱殼體滑動相連的活塞，液壓管與液壓箱殼體的內腔相連通；原位探針包括探針管和針尖，針尖與探針管的底端固定相連，探針管的外表面為光滑表面；在探針管的內腔中分別設置加熱絲和至少一個的作為感溫元件的熱電偶，在探針管的內腔中填充為低熱容材料的低熱容填充物；探針管與活塞的底端固定相連；加熱導線與加熱絲相連，溫度接收導線與熱電偶相連。作為本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置的改進在探針管的內腔頂部設置絕熱填充物，絕熱填充物位於低熱容填充物之上，絕熱填充物與探針管密封相連。作為本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置的進一步改進在探頭空腔的下部設置帶有探針定嚮導孔的定向板，在原位探頭的底面設有通孔，探針定嚮導孔和通孔的孔徑均略大於探針管的外徑D ；探針定嚮導孔、通孔、探針管和針尖的中心軸線相重疊。作為本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置的進一步改進探針管長度Ll是探針管外徑D的30 120倍。作為本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置的進一步改進加熱絲的長度=探針管長度Li。作為本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置的進一步改進探針管由高導熱性質材料製成。作為本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置的進一步改進低熱容材料為環氧樹脂；高導熱性質材料通常為不鏽鋼或硬度> 180HBS的合金鋼，所述絕熱填充物由導熱係數小於0. lff/m · K的材料(例如複合矽酸鹽類材料等)製成。作為本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置的進一步改進在螺紋接頭內設有通道；加熱導線的底端依次穿越螺紋接頭內的通道、探頭空腔和絕熱填充物後與加熱絲相連，溫度接收導線的底端依次穿越螺紋接頭內的通道、探頭空腔和絕熱填充物後與熱電偶相連。本發明還同時提供了利用上述裝置所進行的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的方法，利用巖土工程勘察所產生的取土孔作為測試孔，依次包括以下步驟1)、通過螺紋接頭使原位探頭與鑽杆相連；2)、通過鑽機使鑽杆帶動原位探頭沿著測試孔下沉至被測巖土層；從而使原位探針的針尖與被測巖土層相接觸；3)、在地面啟動液壓泵，通過活塞帶動整個原位探針壓入被測巖土層；靜止 5-10min(目的是使壓入過程中因摩擦所產生的熱量散盡)後，加熱導線加熱內腔中的加熱絲，利用溫度接收導線在地面接收熱電偶的信號，並記錄t1; t2以及T1, T2 ；t1 t2 分別為加熱記錄的起始時間和終止時間，單位s ；加熱開始後80 120s為加熱記錄的起始時間，加熱結束時間為加熱記錄的終止時間；即，、一般在加熱穩定後開始計算時間，通常可取開始加熱後80 120s(例如100s)計時；T1, T2 分別對應於時間t1; t2時熱電偶的溫度，單位K ；4)、獲得被測巖土層的導熱係數K
q \n{t2 /t,)所述被測巖土層的導熱係數足=+· 『2 『『(1);
T2 -T1q 單位長度線熱源的發熱功率…=，單位W/m ；
RLU 原位探針加熱電壓，單位V ；R 原位探針電阻，由加熱絲的材料確定，單位Ω ；L 加熱絲的長度，單位m，同探針管的長度。在本發明中，原位探針按照線性熱源模型製作，即滿足探針管的長徑比為30 120。因此原位探針視為線性熱源。為了獲得正確的數據，(1)式應滿足，被測物體的邊界距離熱源足夠遠；熱源很小，以至於可以假設為幾何上無限小；熱源必須足夠長，以逼近線熱源的熱流模型；線熱源和被測物體存在完全的熱接觸。採用本發明的測試裝置和測試方法能自動滿足上述要求。在本發明中，可在地面利用液壓泵，從而使原位探針壓入被測巖土層。在本發明的測試方法中，先利用常規的含有地質鑽頭的鑽機進行鑽孔，然後再以本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置來替換地質鑽頭；從而進行測試。本發明，適用於軟到中等硬度的巖土層，具體為飽和軟黏土、軟塑到可塑狀態的黏性土以及粉土等巖土層，由於不同巖土層的導熱速度不同，因此輸入的U值不同，還隨原位探針的電阻、原位探針的長度而變化。在原位探針電阻R= 100Ω，原位探針長度Ll = 700mm時，輸入電壓U通常可設定為40-50V。與現有巖土的熱物性測試技術相比，本發明的特徵是原位探針與被測巖土體邊界足夠遠；原位探針的熱源很小，與被測巖土體相比，在幾何上可以認為無限小；原位探針的長度與直徑比大於> 30(考慮到成本，將該長徑比的上限值設定為120)，熱源已經足夠長，已經逼近線熱源的熱流模型；原位探針採用壓入方式壓入被測巖土體，探針表面和巖土體存在完全的熱接觸。因此，本發明具有以下有益效果1、由於在原位進行測試，克服了室內測試存在的問題，即不對巖土體的結構性進行擾動，巖土體的含水量即為原始含水量，被測巖土體不會因為卸載而變的疏鬆。2、可以在現場測試任意埋置深度的巖土層，獲得分層巖土體的熱物性參數。3、可以在進行巖土工程勘察過程中實施，利用巖土工程勘察取土孔的鑽孔作為測試孔，無須另行成孔，大幅度降低測試費用。4、採用壓入式，可將原位探針壓入被測試的以粘性土、粉土為主的巖土體。


下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明。圖1是本發明的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置的結構示意圖；圖2是圖1的A-A剖視放大示意圖；圖3是圖1的B-B剖視放大示意圖；圖4是圖1在原位探針5入土時的示意圖；圖5是圖1中的原位探針5的剖視示意圖。圖中1-螺紋接頭，2-原位探頭，3-液壓箱，4-活塞，5-原位探針，6—探針定嚮導孔，7-護管，8—液壓管，9一被測巖土層，10-探頭空腔，11-溫度接收導線，12-絕熱填充物，13—熱電偶，14-加熱絲，15-內腔，16—低熱容填充物，17-探針管，18-針尖， 19-支撐架，20-通孔，21-加熱導線。L1 探針管17的長度，m;D 探針管17的直徑，m。
具體實施例方式結合附圖，下面對本發明進行詳細說明。實施例1、一種壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，包括帶有螺紋接頭1的原位探頭2 ；在原位探頭2內設有探頭空腔10，在探頭空腔10內設有液壓箱組件和位於液壓箱組件下方的原位探針5。螺紋接頭1內設有通道。液壓箱組件包括液壓箱殼體3，該液壓箱殼體3通過支撐架19與探頭空腔10的內壁固定相連，在液壓箱殼體3的內腔中設有與液壓箱殼體3滑動相連的活塞4，液壓管8的底端與液壓箱殼體3的內腔相連通，液壓管8的頂端穿過螺紋接頭1內的通道而外露。原位探針5包括探針管17和針尖18，針尖18與探針管17的底端固定相連，探針管17的外表面為光滑表面，探針管17長度Ll是探針管17外徑D的30 120倍，即探針管17的長徑比為30 120，針尖18的尖角一般可為30 60度。探針管17由高導熱性質材料(例如為不鏽鋼材料)製成。在探頭空腔10的下部設置帶有探針定嚮導孔6的定向板，在原位探頭2的底面設有通孔20，探針定嚮導孔6和通孔20的孔徑均略大於探針管17的外徑D (例如比探針管 17的外徑D大5mm左右)；探針定嚮導孔6、通孔20、探針管17和針尖18的中心軸線相重疊。探針定嚮導孔6和通孔2共同起到對原位探針5徑向定位的作用。在探針管17的內腔15中分別設置加熱絲14和2個作為感溫元件的熱電偶13， 加熱絲14的長度=探針管17長度Li。2個熱電偶13上下並列的設置；一個熱電偶13位於距離探針管17底端1/3的探針管17高度處，另一個熱電偶13位於距離探針管17底端 2/3的探針管17高度處，設置2個熱電偶13的目的是保證獲得的溫度能準確反映原位探針 5的溫度。加熱絲14和熱電偶13 —左一右的位於內腔15內，S卩加熱絲14和熱電偶13相互之間不直接接觸，且加熱絲14和熱電偶13均不與探針管17相接觸。在內腔15內填充低熱容材料(例如為環氧樹脂)製成的低熱容填充物16。在探針管17的內腔15頂部設置絕熱填充物12 (由導熱係數小於0. lff/m ·Κ的材料製成，比如複合矽酸鹽類材料等)，該絕熱填充物12位於低熱容填充物16之上，絕熱填充物12與探針管17密封相連，從而將低熱容填充物16密封在探針管17的內腔15中。設置絕熱填充物12的目的是限制原位探針5加熱後，溫度向上傳遞，從而引起原位探針5 (即探針管17)內的溫度損失。絕熱填充物12的高度略大於(例如大5mm左右)探針定嚮導孔 6和通孔20之間的距離。探針管17與活塞4的底端固定相連。加熱導線21的底端依次穿過螺紋接頭1內的通道、探頭空腔10和絕熱填充物12後與位於內腔15中的加熱絲14相連；加熱導線21 與絕熱填充物12之間必須保證密封性，從而避免內腔15中的低熱容填充物16外洩。溫度接收導線11的底端依次穿越螺紋接頭1內的通道、探頭空腔10和絕熱填充物12後與位於內腔15中的2個熱電偶13分別相連。溫度接收導線11與絕熱填充物12之間必須保證密封性，從而避免內腔15中的低熱容填充物16外洩。為了保護加熱導線21和溫度接收導線 11，可將露在整個原位探針5外部的加熱導線21和溫度接收導線11套裝在護套7內。上述原位探針5可視作線性熱源。實施例2、利用如實施例1所述裝置所進行的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的方法，依次包括以下步驟1)、通過巖土工程勘察取土器取土來鑑別被測巖土層9的名稱，確定被測巖土層 9的土層性質及埋置深度。具體為使鑽機上的地質鑽頭從地表鑽入至被測巖土層9，同時通過取土器鑑別被測巖土層9的名稱，從而使地面至需要測試的巖土層之間產生一條通道(即取土孔)。上述內容是巖土工程勘察的常規內容。在以下步驟中，利用上述取土孔作為測試孔。2)、使地質鑽頭提起至地面，從鑽機上取下地質鑽頭；然後通過螺紋接頭1使原位探頭2與鑽杆相連，即，使原位探頭2替換地質鑽頭；使液壓泵與液壓管8相連通；3)、通過鑽機使鑽杆帶動原位探頭2 (包含液壓箱組件和原位探針幻沿著步驟1) 所產生的通道(即取土孔，又名測試孔)下沉至被測巖土層9;S卩，使原位探頭2的底面與被測巖土層9相接觸；4)、在地面啟動液壓泵，液壓泵內的高壓液壓油通過液壓管8進入液壓箱殼體3的內腔，從而使活塞4帶動整個原位探針5 (包括探針管17和針尖18)依次穿過探針定嚮導孔6和通孔2後壓入被測試巖土層9 ；此時活塞4的底端抵著探針定嚮導孔6所在的定向板；靜止5-lOmin(待壓入過程中的摩擦熱量散盡)，利用加熱導線21加熱內腔15內的加熱絲14，利用溫度接收導線11在地面接收熱電偶13的信號，並記錄t1; t2以及T1, T2 ；ti; t2 分別為加熱記錄的起始時間和終止時間，單位s ；—般在加熱穩定後開始計算時間tl，因此通常可取開始加熱後IOOs計時；t2為加熱結束時間；T1, T2 對應於時間t1; t2時熱電偶13的溫度，單位K ；均取2個熱電偶13所得溫度的平均值。即，、時2個熱電偶8所得溫度的平均值為T1, t2時2個熱電偶8所得溫度的平均值為T2 ；5)、獲得被測巖土層的導熱係數K
q \n{t2 /t,)所述被測巖土層的導熱係數足=+· 『2 『『(1);
T2 -T1q 單位長度線熱源的發熱功率…=，單位W/m ；
RLU 原位探針5加熱電壓，單位V ；R 原位探針5電阻，由加熱絲14的材料確定，又稱製作電阻，單位Ω ；L 加熱絲14的長度，單位m，同探針管的長度Li。利用實施例2所述的方法對不同的被測巖土層9的土層進行以下檢測實驗實驗1、通過巖土工程勘察取土器取土鑑別，確定被測巖土層9的土層性質為淤泥質粉質黏土 ；埋置深度在地面下18m處。探針管17的長度700mm，探針管17的直徑20mm， 即，原位探針5的長徑比為35。U = 40V ；R = 100Ω。記錄得= 100s ;t2 = 700s J1 = 21. 2K ； T2 = 24. 9K。因此，被測巖土層9的熱物性參數，即導熱係數
U2 Ht2Ztl)402ln(700/100)
Λ =---=--= U.y57 (w/m · K)。
AnRL T2-T1 4x3.14x100x0.7 24.9-21.2v』實驗2、通過巖土工程勘察取土器取土鑑別，確定被測試巖土層9的土層性質為粘土。埋置深度在地面下50m處。探針管17的長度700mm，探針管17的直徑20mm，即，原位探針 5 的長徑比為 35。U = 45V ；R = 100 Ω。記錄得 = 100s ;t2 = 700s J1 = 21. 5K ； T2 = 24. 3Κ0
因此，被測巖土層9的熱物性參數，即導熱係數
v U2 Hi2Zi1)452ln(700/100)K =---^aZ =--^-- = 1.601 (W/m.K)
AnRL T2-T1 4x3.14x100x0.7 24.3-21.5v』實驗3、通過巖土工程勘察取土器取土鑑別，確定被測試巖土層9的土層性質為粉土。埋置深度在地面下90m處。探針管17的長度700mm，探針管17的直徑20mm，即，原位探針 5 的長徑比為 35。U = 50V ；R = 100 Ω。記錄得、=100s ;t2 = 700s J1 = 21. 3K ； T2 = 24. 6K。因此，被測巖土層9的熱物性參數，即導熱係數
U2 \n(t2lt)502ln(700/100) K =---^^ =----- = 1.677 (w/m · K)
AnRL T2-T1 4x3.14x100x0.7 24.6-21.3v』採用本發明方法獲得的巖土體導熱係數，與中華人民共和國標準《地源熱泵系統工程技術規範》(GB50366-20(^)提供的巖土體導熱係數參考值接近。下表1是本測試方法獲得的導熱係數與規範提供的參考值比較(單位W/m · K)。表 1
土類名稱本測試方法規範參考數值淤泥質粉質黏土0. 9570. 7-1. 0粘土1. 6011. 4-1. 9粉土1. 6771. 0-2. 1 最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的若干個具體實施例。顯然，本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。
權利要求
1.壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，其特徵是包括帶有螺紋接頭(1)的原位探頭⑵；在原位探頭⑵內設有探頭空腔(10)，在探頭空腔(10)內設有液壓箱組件和位於液壓箱組件下方的原位探針(5)；所述液壓箱組件包括液壓箱殼體(3)，在液壓箱殼體(3)的內腔中設有與液壓箱殼體 ⑶滑動相連的活塞G)，液壓管⑶與液壓箱殼體⑶的內腔相連通；所述原位探針( 包括探針管(17)和針尖(18)，針尖(18)與探針管(17)的底端固定相連，所述探針管(17)的外表面為光滑表面；在探針管(17)的內腔(1 中分別設置加熱絲(14)和至少一個的作為感溫元件的熱電偶(13)，在所述探針管(17)的內腔(15)中填充為低熱容材料的低熱容填充物(16)；所述探針管(17)與活塞(4)的底端固定相連；加熱導線(21)與加熱絲(14)相連，溫度接收導線(11)與熱電偶(13)相連。
2.根據權利要求1所述的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，其特徵是在所述探針管(17)的內腔(1 頂部設置絕熱填充物(12)，所述絕熱填充物(1 位於低熱容填充物(16)之上，所述絕熱填充物(1 與探針管(17)密封相連。
3.根據權利要求1或2所述的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，其特徵是 在探頭空腔(10)的下部設置帶有探針定嚮導孔(6)的定向板，在原位探頭O)的底面設有通孔(20)，所述探針定嚮導孔(6)和通孔00)的孔徑均略大於探針管(17)的外徑D ；探針定嚮導孔(6)、通孔(20)、探針管(17)和針尖(18)的中心軸線相重疊。
4.根據權利要求3所述的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，其特徵是所述探針管(17)長度Ll是探針管(17)外徑D的30 120倍。
5.根據權利要求4所述的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，其特徵是加熱絲(14)的長度=探針管(17)長度Li。
6.根據權利要求5所述的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，其特徵是所述探針管(17)由高導熱性質材料製成。
7.根據權利要求6所述的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，其特徵是所述低熱容材料為環氧樹脂；所述高導熱性質材料為不鏽鋼或硬度> 180HBS的合金鋼，所述絕熱填充物(12)由導熱係數小於0. lff/m · K的材料製成。
8.根據權利要求7所述的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，其特徵是在螺紋接頭(1)內設有通道；所述加熱導線的底端依次穿越螺紋接頭(1)內的通道、探頭空腔(10)和絕熱填充物(1 後與加熱絲(14)相連，所述溫度接收導線(11)的底端依次穿越螺紋接頭(1)內的通道、探頭空腔(10)和絕熱填充物(1 後與熱電偶(1 相連。
9.利用權利要求1 8中任意一種裝置所進行的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的方法，其特徵是利用巖土工程勘察所產生的取土孔作為測試孔，依次包括以下步驟1)、通過螺紋接頭(1)使原位探頭( 與鑽杆相連；2)、通過鑽機使鑽杆帶動原位探頭( 沿著測試孔下沉至被測巖土層(9)；從而使原位探針(5)的針尖(18)與被測巖土層(9)相接觸；3)、在地面啟動液壓泵，通過活塞(4)帶動整個原位探針( 壓入被測巖土層(9)；靜止5-lOmin後，加熱導線(21)加熱內腔(15)中的加熱絲(14)，利用溫度接收導線(11)在地面接收熱電偶(13)的信號，並記錄、，、以及T1, T2;t1 t2 分別為加熱記錄的起始時間和終止時間，單位s ；加熱開始後80 120s為加熱記錄的起始時間，加熱結束時間為加熱記錄的終止時間；T1, T2 分別對應於時間ti; t2時熱電偶(13)的溫度，單位=K ； 4)、獲得被測巖土層(9)的導熱係數K:所述被測巖土層(9)的導熱係數
全文摘要
本發明公開了一種壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的裝置，包括帶有螺紋接頭(1)的原位探頭(2)；在原位探頭(2)內設有探頭空腔(10)，在探頭空腔(10)內設有液壓箱組件和原位探針(5)；原位探針(5)包括探針管(17)和針尖(18)，在探針管(17)的內腔(15)中分別設置加熱絲(14)和熱電偶(13)，在探針管(17)的內腔(15)中填充為低熱容材料的低熱容填充物(16)；探針管(17)與活塞(4)的底端固定相連；加熱導線(21)與加熱絲(14)相連，溫度接收導線(11)與熱電偶(13)相連。本發明還同時提供了利用上述裝置所進行的壓入式原位分層測試巖土熱物性參數的方法。
文檔編號G01N25/20GK102175713SQ20101060575
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月25日 優先權日2010年12月25日
發明者馬宇飛, 馬海龍 申請人:浙江理工大學