本發(fā)明屬于熱物性測(cè)試裝置領(lǐng)域，涉及巖土熱物性參數(shù)測(cè)試裝置，尤其涉及一種原位巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)能源煤炭、石油的大力使用，一方面使得能源的消耗迅速增加，另一方面使得環(huán)境演化愈來(lái)愈惡劣。因此，對(duì)于開(kāi)發(fā)一種新能源是一個(gè)必然趨勢(shì)，而地?zé)崮芫哂星鍧?、高效、可再生、?chǔ)量巨大等優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)于目前勘探原位巖土體淺層地?zé)崮艿募夹g(shù)設(shè)備比較有限且不成熟，大多數(shù)都是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，少數(shù)能進(jìn)行原位測(cè)試的一般都是先用貫入器進(jìn)行成孔，然后進(jìn)行熱物性參數(shù)的測(cè)試，但是這樣會(huì)導(dǎo)致原位土擾動(dòng)和水分變化，測(cè)試數(shù)據(jù)不能反映真實(shí)情況，同時(shí)對(duì)于巖土體熱物性測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)少，大部分只得出導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)于深入研究巖土體的熱物性及地溫變化有一定的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有設(shè)備及技術(shù)的不足，提供了一種原位巖土熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

原位巖土熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置，其特征在于，包括一個(gè)中空的圓柱筒狀的螺旋鉆桿，螺旋鉆桿底部螺紋連接有一個(gè)含孔錐形探頭，含孔錐形探頭為圓錐形且內(nèi)部裝有填充物，含孔錐形探頭的頂點(diǎn)處開(kāi)有探頭孔，螺旋鉆桿內(nèi)部有可上下移動(dòng)的探桿，探桿底部通過(guò)探針固定裝置連接有一根探針，探針可穿過(guò)含孔錐形探頭內(nèi)的填充物從探頭孔穿出，探針和探桿內(nèi)部封裝有溫度傳感器和加熱絲，加熱絲與恒壓直流電源的電源輸出端c連接，溫度傳感器與溫度接收器的數(shù)據(jù)輸入端a連接，溫度接收器的數(shù)據(jù)輸出端b和恒壓直流電源的電源輸入端d連接可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)輸入端e，可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)輸出端f與計(jì)算機(jī)連接，可編程邏輯控制器通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制可以對(duì)加熱絲隨時(shí)加熱或停止以及對(duì)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫，GPS導(dǎo)航儀內(nèi)嵌于計(jì)算機(jī)內(nèi)部，螺旋鉆桿的外表面有成螺旋狀分布的間隔均勻的螺旋葉片，螺旋鉆桿通過(guò)頂部的固定鉸支座與一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)器固定連接。

進(jìn)一步的技術(shù)方案包括：

所述的機(jī)械旋轉(zhuǎn)器包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)桿、一個(gè)圓盤(pán)和固定在圓盤(pán)底面圓心處的固定絞，兩個(gè)對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)桿的中心固定在圓盤(pán)的圓心處，兩個(gè)對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)桿之間的夾角為60°。

所述的螺旋鉆桿的長(zhǎng)度為1000mm、直徑為30mm，所述的螺旋葉片的螺旋外徑為60mm，螺旋葉片的葉片間距為100mm。

所述的含孔錐形探頭內(nèi)部的填充物為土或者中砂，所述的含孔錐形探頭底部的探頭孔孔徑為3.5mm。

所述的探桿直徑為10mm，探針的直徑為3mm，探針的長(zhǎng)度為150mm。

所述的溫度傳感器采用PT1000鉑電阻，加熱絲采用漆包康銅絲。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明所述的原位巖土熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置，僅需通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)桿對(duì)螺旋鉆桿進(jìn)行施加扭矩，從而使螺旋鉆桿以一定速度貫入土層，待鉆桿到達(dá)待測(cè)深度土層時(shí)，通過(guò)探桿作用使探針沖出含孔錐形探頭，進(jìn)行原位土熱物性參數(shù)的測(cè)試，要求含孔錐形探頭內(nèi)部貫入前需充填一定量的土或者中砂，防止在螺旋鉆桿貫入時(shí)土顆粒進(jìn)入鉆桿導(dǎo)致探針受損。待某土層測(cè)試完后，通過(guò)探桿將探針提至鉆桿內(nèi)部，繼續(xù)向下貫入，以同樣的方式進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)達(dá)到1m深度后，螺旋鉆桿上部連接不含螺旋葉片但帶有中空的圓柱狀鉆桿繼續(xù)向下貫入并測(cè)試任一深度土層。測(cè)試時(shí)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制得出數(shù)據(jù)，并處理、分析，最終得到溫度、熱擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容值，同時(shí)利用嵌入計(jì)算機(jī)里的GPS導(dǎo)航儀進(jìn)行自動(dòng)記錄測(cè)試點(diǎn)位并可輸入及記錄測(cè)試地點(diǎn)地表環(huán)境溫度、測(cè)試時(shí)間、周?chē)h(huán)境、測(cè)試深度等。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的原位巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的原位巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置的螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所述的原位巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置的待測(cè)土層深度1m以上所連接鉆桿整體示意圖；

圖4為本發(fā)明所述的原位巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置的機(jī)械旋轉(zhuǎn)器的平面俯視圖；

圖5為本發(fā)明所述的原位巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置的機(jī)械旋轉(zhuǎn)器正視圖；

圖6為本發(fā)明所述的原位巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體連接示意圖

圖中：1.含孔錐形探頭，2.填充物，3.探針，4.探針固定裝置，5.螺旋葉片，6.探桿，7.螺旋鉆桿，8.螺紋，9.加熱絲，10.溫度傳感器，11.固定鉸支座，12.錐形探頭孔徑，13.溫度接收器，14.恒壓直流電源，15.可編程邏輯控制器，16.計(jì)算機(jī)，17.GPS導(dǎo)航儀，18.對(duì)稱(chēng)螺旋桿，19.圓盤(pán)，20.機(jī)械旋轉(zhuǎn)器鉸支座，a.溫度接收器的數(shù)據(jù)輸入端，b.溫度接收器的數(shù)據(jù)輸出端，c.恒壓直流電源的電源輸出端，d.恒壓直流電源的電源輸入端，e.可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)輸入端，f.可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)輸出端。

具體實(shí)施方式

.原位巖土熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置，包括一個(gè)中空的圓柱筒狀的螺旋鉆桿7，螺旋鉆桿7底部螺紋連接有一個(gè)含孔錐形探頭1，含孔錐形探頭1為圓錐形且內(nèi)部裝有填充物，含孔錐形探頭1的頂點(diǎn)處開(kāi)有探頭孔，螺旋鉆桿7內(nèi)部有可上下移動(dòng)的探桿6，探桿6底部通過(guò)探針固定裝置4連接有一根探針3，探針3可穿過(guò)含孔錐形探頭1內(nèi)的填充物從探頭孔穿出，探針3和探桿6內(nèi)部封裝有溫度傳感器10和加熱絲9，加熱絲9與恒壓直流電源14的電源輸出端c連接，溫度傳感器10與溫度接收器13的數(shù)據(jù)輸入端a連接，溫度接收器13的數(shù)據(jù)輸出端b和恒壓直流電源14的電源輸入端d連接可編程邏輯控制器15的數(shù)據(jù)輸入端e，可編程邏輯控制器15的數(shù)據(jù)輸出端f與計(jì)算機(jī)16連接，可編程邏輯控制器15通過(guò)計(jì)算機(jī)16的控制可以對(duì)加熱絲9隨時(shí)加熱或停止以及對(duì)溫度傳感器10進(jìn)行測(cè)溫，GPS導(dǎo)航儀17內(nèi)嵌于計(jì)算機(jī)16內(nèi)部，螺旋鉆桿7的外表面有成螺旋狀分布的間隔均勻的螺旋葉片5，螺旋鉆桿7通過(guò)頂部的固定鉸支座11與一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)器固定連接。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)器包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)桿18、一個(gè)圓盤(pán)19和固定在圓盤(pán)底面圓心處的固定絞20，兩個(gè)對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)桿18的中心固定在圓盤(pán)19的圓心處，兩個(gè)對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)桿18之間的夾角為60°。

螺旋鉆桿7的長(zhǎng)度為1000mm、直徑為30mm，所述的螺旋葉片5的螺旋外徑為60mm，螺旋葉片5的葉片間距為100mm。

含孔錐形探頭1內(nèi)部的填充物為土或者中砂，所述的含孔錐形探頭1底部的探頭孔孔徑12為3.5mm。

探桿6直徑為10mm，探針3的直徑為3mm，探針3的長(zhǎng)度為150mm。

溫度傳感器10采用PT1000鉑電阻，加熱絲9采用漆包康銅絲。

一種原位巖土熱物性參數(shù)測(cè)試一體化裝置，包括貫入系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

貫入系統(tǒng)利用螺旋鉆桿7通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)器在外力的作用下，以旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)入一定深度的待測(cè)土層，螺旋鉆桿7長(zhǎng)1000mm，直徑為30mm，內(nèi)部中空，供探桿進(jìn)行無(wú)障礙上下移動(dòng)，其中螺旋外徑為60mm，螺旋葉片5的葉片間距100mm。螺旋鉆桿7通過(guò)固定鉸支座與機(jī)械旋轉(zhuǎn)器連接，通過(guò)外力對(duì)兩個(gè)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)桿18進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作用，將螺旋鉆桿7貫入土層，機(jī)械旋轉(zhuǎn)器上對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)桿18長(zhǎng)度800mm，相近兩桿角度為60°，通過(guò)有一定厚度的圓盤(pán)19固定在一起，圓盤(pán)厚度45mm。

測(cè)試系統(tǒng)主要封裝在探針中，探針3長(zhǎng)150mm，直徑3mm，長(zhǎng)徑比為50，滿(mǎn)足線(xiàn)熱源測(cè)試原理，探針3中含有加熱絲9和溫度傳感器10，在恒壓直流電源14作用下對(duì)加熱絲9進(jìn)行加熱，溫度傳感器10采用PT1000鉑電阻，加熱絲9采用較細(xì)的漆包康銅絲。在中空螺旋鉆桿7底部，含孔錐形探頭1與螺旋鉆桿7連接，可以進(jìn)行拆卸，含孔錐形探頭1的孔徑為3.5mm，且在進(jìn)行貫入前含孔錐形探頭1中應(yīng)充填一定量的土或中砂。在螺旋鉆桿7貫入待測(cè)土層深度后，通過(guò)探桿6作用使探針沖出鉆桿進(jìn)行熱物性參數(shù)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后，同樣在探桿6的作用下將探針提到螺旋鉆桿內(nèi)部。螺旋鉆桿7長(zhǎng)度1000mm，當(dāng)待測(cè)土層大于1m深度時(shí)，在螺旋鉆桿7上部連接不含螺旋葉片但帶有中空的圓柱狀鉆桿。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是利用恒壓直流電源14對(duì)加熱絲9進(jìn)行加熱，溫度傳感器10對(duì)其測(cè)試溫度變化，探針3中測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)外部?jī)x器溫度接收器13轉(zhuǎn)換，連接可編程邏輯控制器15傳達(dá)到計(jì)算機(jī)16，并進(jìn)行記錄、處理和分析，得出沿土層深度方向上溫度、熱擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容值。同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)16內(nèi)部嵌入GPS導(dǎo)航儀17可以自動(dòng)記錄測(cè)試點(diǎn)位并可輸入及記錄測(cè)試地點(diǎn)地表環(huán)境溫度、測(cè)試時(shí)間、周?chē)h(huán)境、測(cè)試深度等。

根據(jù)非穩(wěn)態(tài)線(xiàn)熱源法，針對(duì)于探針模型溫度響應(yīng)公式為：Δθ＝Alnt+B，其中A＝q/(4πλ)，B＝(q/4πλ)·[ln(4a/r₂)-C_E]，式中，θ是過(guò)余溫度，q為加熱功率，λ為土導(dǎo)熱系數(shù)，a為土熱擴(kuò)散系數(shù)，r在這里可以為底部探針的半徑，可直接測(cè)出，C_E為歐拉常數(shù)，值為0.57726,t為測(cè)試時(shí)間，本設(shè)備可直接通過(guò)電源提供加熱功率q，利用溫度傳感器可以測(cè)出溫度隨時(shí)間的變化，通過(guò)對(duì)土層原位測(cè)試，根據(jù)溫度與時(shí)間的變化關(guān)系，取圖像中近直線(xiàn)段，求得其斜率和截距，即可得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)一步可得體積比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)λ＝q/4πA，熱擴(kuò)散系數(shù)體積比熱容ρ_v＝λ/a。

本發(fā)明的使用過(guò)程：請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，本發(fā)明在貫入時(shí)，要求連接有探針3的探桿6放入螺旋鉆桿7內(nèi)部，并將含孔錐形探頭1在貫入前充填一定量的土或中砂2，防止貫入時(shí)土顆粒進(jìn)入探頭對(duì)探針3損傷，通過(guò)操作機(jī)械旋轉(zhuǎn)器將帶有探桿6的螺旋鉆桿7以一定速度貫入土層，當(dāng)螺旋鉆桿7到達(dá)待測(cè)土層內(nèi)部時(shí)，通過(guò)探桿6帶動(dòng)探針3沖出鉆桿進(jìn)行原位巖土熱物性的測(cè)試，在測(cè)試時(shí)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)16對(duì)加熱系統(tǒng)和測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行控制，以得到該土層深度溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線(xiàn)，然后進(jìn)一步根據(jù)測(cè)試原理計(jì)算出測(cè)試土層的原位熱物性參數(shù)，待某深度測(cè)試結(jié)束，通過(guò)探桿6作用將探針3提至鉆桿內(nèi)部，繼續(xù)向下貫入，可以得到1m深度范圍內(nèi)任意土層的熱物性參數(shù)。本發(fā)明在1m深度測(cè)試結(jié)束后，取下機(jī)械旋轉(zhuǎn)器，在螺旋鉆桿7上部連接上不含螺旋葉片5但帶有中空的圓柱狀鉆桿，且規(guī)格一致，通過(guò)螺紋連接，以此進(jìn)行1m以下深度任意巖土熱物性的測(cè)試。本發(fā)明在采集數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)16內(nèi)部嵌入GPS導(dǎo)航儀17可以自動(dòng)記錄測(cè)試點(diǎn)位并可以同時(shí)輸入及記錄測(cè)試地點(diǎn)地表環(huán)境溫度、測(cè)試時(shí)間、周?chē)h(huán)境、測(cè)試深度等。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)行周邊環(huán)境、氣候等因素影響的修正，通過(guò)將測(cè)試點(diǎn)位投影在該區(qū)域地圖上，畫(huà)出不同深度溫度等值線(xiàn)圖，進(jìn)行評(píng)價(jià)該區(qū)域巖土熱物理性質(zhì)，尤其是凍土區(qū)土層的熱物性，以及對(duì)該區(qū)域溫度熱異常進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于尋找地?zé)豳Y源靶區(qū)具有重要意義。