熱傳導(dǎo)cptu探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱傳導(dǎo)CPTU探頭，包括測試裝置、控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，測試裝置包括從上到下依次連接的探桿、加熱模塊、壓力模塊和探頭；控制裝置包括直流穩(wěn)壓電源，所述直流穩(wěn)壓電源與加熱模塊通過探桿內(nèi)部的導(dǎo)線相連接；數(shù)據(jù)采集裝置與布置在加熱模塊的溫度傳感器通過探桿內(nèi)部的導(dǎo)線相連接。測試探頭和加熱模塊由直流穩(wěn)壓電源提供電能；數(shù)據(jù)采集裝置采集溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本發(fā)明具有易操作、測試周期短、測試成本低等優(yōu)點。
【專利說明】
熱傳導(dǎo)CPTU探頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于巖土原位測試領(lǐng)域，具體涉及一種可測巖土體熱物性參數(shù)的熱傳導(dǎo) CPTU探頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖土體熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確獲取是地下工程溫度場計算合理性的先決條件，巖土體 熱物理性測試方法主要有室內(nèi)實驗法和現(xiàn)場原位測試方法。室內(nèi)實驗法包括熱線法和熱帶 法，其原理是測量時樣品的溫度隨時間發(fā)生變化，通過測量溫度變化來推導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)，室內(nèi) 實驗具有快捷方便、測試成本低等優(yōu)點，但室內(nèi)試驗試樣制備破壞了巖土體的原有結(jié)構(gòu)和 狀態(tài)，所得的熱物性參數(shù)無法如實反映巖土體的傳熱特性，其測試精度有限；原位測試方法 包括熱探針法和巖土熱響應(yīng)測試法，熱探針測試的原理是向巖土體內(nèi)插入加熱探針，監(jiān)測 巖土體溫度隨時間的變化，從而推導(dǎo)巖土體的熱物性參數(shù)，熱探針測試能準(zhǔn)確反映土層條 件對其熱物性的影響，但其測試深度有限，并且無法應(yīng)用于堅硬巖土體的熱物性測試;巖土 熱響應(yīng)測試是利用加熱設(shè)備向垂直地埋管換熱器中輸入熱量或冷量，監(jiān)測熱交換器中傳熱 循環(huán)介質(zhì)的入口、出口溫度和流速，利用傳熱模型反演巖土的熱物性參數(shù)。巖土熱響應(yīng)試驗 可以準(zhǔn)確反映施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件，能夠得到較準(zhǔn)確的土壤平均熱傳導(dǎo)系數(shù)和鉆孔熱阻 等，但巖土熱響應(yīng)試驗無法獲得指定深度處巖土體的熱物性參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)果準(zhǔn)確、低成本、 易于操作的測量土體熱物性參數(shù)的熱傳導(dǎo)CPTU探頭。
[0004] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的熱傳導(dǎo)CPTU探頭，包括測試裝置、 控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于：
[0005] 所述測試裝置包括從上到下依次連接的探桿、加熱模塊、壓力模塊和探頭；
[0006] 所述控制裝置包括直流穩(wěn)壓電源，所述直流穩(wěn)壓電源與加熱模塊通過探桿內(nèi)部的 導(dǎo)線相連接；
[0007] 所述數(shù)據(jù)采集裝置與布置在加熱模塊的溫度傳感器通過探桿內(nèi)部的導(dǎo)線相連接。
[0008] 具體地，所述加熱模塊位于壓力模塊上方，通過預(yù)制的螺紋與壓力模塊連接，壓力 模塊與加熱模塊內(nèi)部通過中空軸相連；
[0009] 具體地，所述壓力模塊與加熱模塊的線路通過中空軸牽引出來，制成集成線路，再 與探桿的接口連接；
[0010]具體地，所述加熱裝置包含220V強度的電壓，可以滿足不同土性的測試要求；
[0011 ]具體地，加熱模塊底高100cm，模塊采用空心金屬圓柱，外徑3.6cm，內(nèi)徑3cm，所述 加熱模塊由外到內(nèi)依次為金屬保護殼、加熱片、回填材料和中空軸；
[0012] 具體地，所述金屬外殼采用導(dǎo)熱性良好的鎳絡(luò)合金材料，外徑3 · 6cm，內(nèi)徑3cm;
[0013] 具體地，所述加熱片為規(guī)格100x12cm硅膠加熱片，總厚度為1.5mm，由加熱絲和絕 緣布構(gòu)成，所述加熱絲為總長20m直徑0.5mm單位長度電阻5.5 Ω /m的鎳絡(luò)合金絲，所述絕緣 布為可粘貼硅橡膠高溫絕緣布上，表面附有雙面膠，可直接粘在金屬外殼上，同時在加熱片 上布置四個溫度傳感器，所述加熱片實際操作中最大發(fā)熱功率密度可以達到〇.221w/cm 2， 在加熱120s的情況下，能使加熱裝置金屬外殼升溫15°C;
[0014] 具體的，所述回填材料與中空軸交界處布置4個溫度傳感器，分析加熱時加熱模塊 內(nèi)部的熱量傳輸；
[0015] 具體地，所述回填材料為粉末狀聚四氟乙烯，填充在中空軸與加熱片之間，起隔熱 作用；
[0016] 具體地，所述壓力模塊可以測量土體的錐尖摩阻力和側(cè)摩阻力，與加熱模塊相結(jié) 合，可以同時測量土體的熱物性參數(shù)與物理力學(xué)參數(shù)。
[0017] 使用時本發(fā)明的熱傳導(dǎo)CPTU探頭獲取巖體的熱物性參數(shù)的操作步驟如下：
[0018] 第一步，將熱傳導(dǎo)CPTU探頭打入指定深度當(dāng)中；
[0019] 第二步，待打入過程中由于摩擦產(chǎn)生的熱量消散完畢后，利用直流穩(wěn)壓電源給測 試探頭內(nèi)的電加熱片提供恒定功率的電能，加熱鉆孔周圍巖土體，利用溫度傳感器實時監(jiān) 測巖體、測試探頭的溫度隨時間變化，根據(jù)圓柱熱源理論，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)反演巖體的熱物性 參數(shù)。
[0020] 有益效果:本發(fā)明的熱傳導(dǎo)CPTU探頭能夠同時測量地下巖土體的尖端摩阻力、側(cè) 摩阻力以及熱物性參數(shù)，有助于分析土壤的熱物性參數(shù)與物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)系及相互影 響，與室內(nèi)熱線法和熱帶法相比，其測試精度更高;本發(fā)明可用于測試任意指定深度處巖土 體的熱物性參數(shù)，解決了熱探針測量深度有限的缺陷，以及解決了地源熱栗巖土熱響應(yīng)試 驗無法獲得指定深度處巖土體的熱物性參數(shù)的缺陷；本發(fā)明的測試方法利用CPTU現(xiàn)場試 驗，易操作、測試周期短、測試成本低。
[0021 ]除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技 術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點外，本發(fā)明的熱傳導(dǎo)CPTU探頭所能解決的其他技術(shù)問題、 技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點，將結(jié)合附圖做出進一步詳 細的說明。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是圖1中加熱模塊的立面圖；
[0024]圖3是加熱模塊的橫斷面圖；
[0025]圖4是硅膠加熱片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5是導(dǎo)熱系數(shù)1.50[W/(m*K)]、密度1200kg/m3、熱容1500J/kg*K時監(jiān)測點溫度； [0027]圖6是導(dǎo)熱系數(shù)1.50[W/(m*K)]、密度2200kg/m3、熱容1500J/kg*K時監(jiān)測點溫度； [0028]圖7是導(dǎo)熱系數(shù)1.50[W/(m*K)]、密度1200kg/m3、熱容2500J/kg*K時監(jiān)測點溫度； [0029]圖8是導(dǎo)熱系數(shù)1.80[W/(m*K)]、密度1200kg/m3、熱容1500J/kg*K時監(jiān)測點溫度； [0030]圖中：1數(shù)據(jù)采集裝置;2直流穩(wěn)壓電源;3集成線路;4探桿;5鉆孔;6加熱模塊;7壓 力模塊;8制孔;9加熱片；10中空軸；11金屬外殼；12導(dǎo)線；13集成線路接頭；14螺紋；15絕緣 材料;16熱傳感器;17可粘貼熱絕緣布;18鎳鉻加熱絲。
【具體實施方式】 [0031] 實施例：
[0032]本實施例的熱傳導(dǎo)CPTU探頭整體示意圖如圖1所示，包括布置在鉆孔/外部的直流 穩(wěn)壓電源2和數(shù)據(jù)采集裝置1，以及布置在鉆孔5中的測試探頭，通過集成線路3將兩者相連 接。其中直流穩(wěn)壓電2提供測試探頭加熱模塊6加熱所需的熱能，通過集成線路3穿入到探桿 4,再連接到加熱模塊6,數(shù)據(jù)采集裝置1用于采集各傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過集成線路3穿入 到探桿4,再連接到測試裝置上的各個傳感器。
[0033]制造時，選用與CPTU探頭直徑相當(dāng)?shù)目招慕饘賵A柱作為加熱模塊金屬外殼，加熱 模塊高l〇〇cm，模塊采用空心金屬圓柱，外徑3.6cm，內(nèi)徑3cm，金屬外殼采用導(dǎo)熱性良好的鎳 鉻合金材料。
[0034]制造時，將預(yù)制好的硅膠加熱片（100x12cm)粘到金屬外殼上，所述硅膠加熱片總 厚度為1.5mm，由加熱絲和絕緣布構(gòu)成，所述加熱絲為總長20m直徑0.5mm單位長度電阻5.5 Ω /m的鎳鉻合金絲，所述絕緣布為可粘貼硅橡膠高溫絕緣布上，表面附有雙面膠，可直接粘 在金屬外殼上，同時在加熱片上布置四個溫度傳感器(如圖4)，所述加熱片實際操作中最大 發(fā)熱功率密度可以達到0.221 W/cnf 2，在加熱60s的情況下，能使加熱裝置金屬外殼升溫15 Γ。
[0035] 制造時，中空軸與加熱片之間填充粉末狀聚四氟乙烯材料，實現(xiàn)熱絕緣效果。制造 時，將加熱模塊下部延伸出2cm的螺紋，與原有CPTU模塊相連接，加熱模塊內(nèi)部貫穿中空軸， 中空軸起固定作用，同時在中空軸上預(yù)留預(yù)制孔，用以傳輸加熱絲和傳感器線路。
[0036] 連接時，將加熱絲的導(dǎo)線和溫度傳感器數(shù)據(jù)線通過中空軸上的預(yù)制孔牽入中空軸 中，再將線路迀出制成集成電路，插入到CPTU探桿當(dāng)中。
[0037] 使用時，利用直流穩(wěn)壓電源給測試探頭內(nèi)的電加熱絲提供恒定功率的電能，加熱 鉆孔周圍巖土體，利用溫度傳感器實時監(jiān)測巖體、測試探頭的溫度隨時間變化，根據(jù)熱傳導(dǎo) 線熱源模型理論，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)反演巖體的熱物性參數(shù)。
[0038]該熱傳導(dǎo)CPTU探頭的計算過程如下：
[0039] 1.尺寸設(shè)計：
[0040]加熱模塊尺寸的設(shè)計需要參考已有的熱探針設(shè)計經(jīng)驗以及參數(shù)求解的理論模型， 在保證裝置可行性的基礎(chǔ)上，尺寸設(shè)計需要使參數(shù)求解精確化，盡量避免可能產(chǎn)生的誤差。 [0041] KlUitenberg(1995)總結(jié)以往的熱探針設(shè)計經(jīng)驗，提出在熱探針設(shè)計時，探針直徑 d越大，熱物性參數(shù)測量越不準(zhǔn)確，探針長度L越長，熱物性參數(shù)的測量越準(zhǔn)確；任圖生 (1999)通過設(shè)計經(jīng)驗，提出了滿足線熱源理論模型的熱探針長徑比設(shè)計準(zhǔn)則：
[0043] 其中L為探針長度cm;d為探針直徑cm。
[0044]綜合以上設(shè)計經(jīng)驗，加熱模塊外徑與CPTU探頭外徑相同，取3.6cm;在保證線熱源 計算模型的精度的基礎(chǔ)上，為了保證加熱功率的可行性，加熱模塊設(shè)計高1 〇 〇 cm;金屬外殼 的內(nèi)徑的設(shè)計需要參考保證整個加熱模塊的硬度，同時應(yīng)為回填材料留下一定的空間，參 考CPTU探頭金屬外殼厚度，加熱模塊內(nèi)徑取;3cm;為了保證傳熱的質(zhì)量，中空軸半徑的設(shè)計 需要盡可能小，同時中需保證中空軸內(nèi)導(dǎo)線的順利傳輸，已知國產(chǎn)探桿螺紋插線端內(nèi)徑為 1.84cm，設(shè)計加熱模塊中空軸內(nèi)徑為1.84cm〇
[0045] 2.材料選擇：
[0046] 依照既有的熱探針設(shè)計經(jīng)驗，加熱模塊金屬外殼采用導(dǎo)熱性良好的鎳鉻合金，該 合金能夠同時滿足加熱模塊所需要的硬度和導(dǎo)熱性的要求;加熱片的選取需要同時考慮加 熱密度、發(fā)熱的均勻性以及加熱片的規(guī)格，設(shè)計采用ΙΟΟχ 15cm的硅膠加熱片，該加熱片由可 粘貼式熱絕緣布和鎳鉻加熱絲構(gòu)成，厚度1.5_，加熱片可以根據(jù)實際需求的選擇合適規(guī)格 的鎳鉻合金絲，安裝時只需要將布滿鎳鉻合金絲的加熱布貼到金屬外盒上即可;為了保證 時間內(nèi)加熱量大部分傳輸?shù)酵馏w中，回填材料應(yīng)選用熱絕緣材料，綜合考慮回填材料的熱 傳導(dǎo)性和施工工藝，這里采用粉末狀聚四氟乙烯材料。3電壓大小及電阻絲規(guī)格：
[0047] 電壓大小及電阻絲規(guī)格的設(shè)計需要借助數(shù)值模擬軟件，本計算模型采用大型數(shù)值 模擬軟件Comsol Multiphysics，建立與設(shè)計尺寸相同的三維數(shù)值模型，通過模擬不同土性 下的加熱條件，研究最適合熱傳導(dǎo)CPTU探頭的加熱功率和實施電壓。
[0048] 3.1模型簡介
[0049] 模型內(nèi)部圓柱體高100cm，內(nèi)圓為中空軸，直徑1.84cm，外圓為金屬外殼，外徑 3.6cm，內(nèi)徑3cm，金屬片厚度為1.5mm，模型加熱片與中空軸中間部分為回填材料，模型采用 材料的熱物性參數(shù)如表1所示;模型計算區(qū)域為30X30X100cm，用來模擬不同熱物性參數(shù)的 土體。
[0050] 表1加熱裝置材料的熱物性參數(shù)
[0052] 3.1計算準(zhǔn)則
[0053]計算采用固體傳熱模塊，根據(jù)加熱裝置的實際尺寸以及材料的熱物性參數(shù)建立三 維數(shù)值模型。模型分析土體的不同熱物性參數(shù)對實際加熱片所需要的加熱功率的影響，計 算極端情況下所需要的最大熱功率，并以此功率為基準(zhǔn)求解熱傳導(dǎo)CPTU探頭所需要的工作 電壓。模型計算參考了現(xiàn)有的能源粧地下?lián)Q熱、TCT(thermal cone test)實驗以及熱探針 實驗的成果，以加熱片加熱120s，使金屬外殼溫升達到15°C為控制條件，求解加熱片所需要 的功率密度;再根據(jù)設(shè)計電熱絲的規(guī)格，計算實際熱傳導(dǎo)CPTU探頭加熱所需要的恒溫電壓。 3.3計算結(jié)果及對比分析
[0054] 依照既有文獻說明，設(shè)定計算模型加熱片功率密度為0.17W/cm2,考慮到加熱裝置 邊際溫度效應(yīng)的影響，同時模擬實際裝置中溫度感應(yīng)器的位置，溫度監(jiān)測點設(shè)置在加熱裝 置金屬外殼內(nèi)徑的中點；為了分別觀察土體導(dǎo)熱系數(shù)、密度和熱容對加熱功率的影響，分別 進行四組模擬，每組模擬的土體熱物性參數(shù)如表2所示：
[0055] 表2不同組數(shù)的土體熱物性參數(shù)
[0058]將每組模擬溫度監(jiān)測點的結(jié)果繪制成表格，得出結(jié)果如圖5-8所示：
[0059]分析得到，當(dāng)土體導(dǎo)熱系數(shù)越大、密度越大、熱容越高時，加熱120s時金屬外殼的 溫升越低，因此在加熱片加熱電壓設(shè)計時，需考慮土體的極端情況，即在土體導(dǎo)熱系數(shù)最 大、密度最大、熱容最高，加熱片加熱120s、金屬外殼溫升達到15°C時，加熱片所需要的穩(wěn)壓 電源的大小。
[0060]表3不同材料的熱物性性參數(shù)
[0062]表4典型巖土體熱物參數(shù)
[0065]表3和表4分別給出了不同材料和巖土體典型的熱物性參數(shù)，分析表中數(shù)據(jù)，取導(dǎo) 熱系數(shù)為3.8W/m*K、密度2650g/cm3、熱容1.92J/g*K為土體熱物性參數(shù)，反演加熱時間 120s、金屬外殼溫升15°C時所需要的加熱密度。
[0066] 加熱片功率密度為0.221W/cm2時，計算采用總長20m、直徑0.5mm、單位長度電阻 5.5 Ω/m的鎳鉻加熱絲，可計算得到所需穩(wěn)壓電源的加熱電壓為195V。
[0067]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做出詳細說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實 施方式。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實施 方式進行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種熱傳導(dǎo)CPTU探頭，包括測試裝置、控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于： 所述測試裝置包括從上到下依次連接的探桿、加熱模塊、壓力模塊和探頭； 所述控制裝置包括直流穩(wěn)壓電源，所述直流穩(wěn)壓電源與加熱模塊通過探桿內(nèi)部的導(dǎo)線 相連接； 所述數(shù)據(jù)采集裝置與布置在加熱模塊的溫度傳感器通過探桿內(nèi)部的導(dǎo)線相連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱傳導(dǎo)CPTU探頭，其特征在于:所述加熱模塊與壓力模塊通過 螺紋相連接，所述壓力模塊與加熱模塊內(nèi)部貫穿有中空軸。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱傳導(dǎo)CPTU探頭，其特征在于:所述壓力模塊與加熱模塊的線 路通過中空軸引出并制成集成線路，所述集成線路與探桿的接口連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱傳導(dǎo)CPTU探頭，其特征在于:所述加熱模塊采用空心金屬圓 柱，由外到內(nèi)依次為金屬保護殼、加熱片、回填材料和中空軸。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱傳導(dǎo)CPTU探頭，其特征在于:所述金屬外殼采用鎳鉻合金外 殼，所述加熱片是由加熱絲和絕緣布構(gòu)成的硅膠加熱片，所述加熱絲為鎳鉻合金絲，所述絕 緣布為可粘貼硅橡膠高溫絕緣布。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱傳導(dǎo)CPTU探頭，其特征在于:所述回填材料與中空軸交界處 設(shè)有4個溫度傳感器，所述回填材料是填充在中空軸與加熱片之間的粉末狀聚四氟乙烯。7. -種如權(quán)利要求1所述的熱傳導(dǎo)CPTU探頭的測量方法，其特征在于:所述熱傳導(dǎo)CPTU 探頭包含測試探頭、壓力模塊、加熱模塊、控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，所述測試探頭和加熱 模塊由直流穩(wěn)壓電源提供電能;數(shù)據(jù)采集裝置采集溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，壓力模塊測量 土體的錐尖摩阻力和側(cè)摩阻力，根據(jù)圓柱熱源理論，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)反演土體的熱物性參數(shù) 與物理力學(xué)參數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱傳導(dǎo)CPTU探頭的測量方法，其特征在于包括以下操作步驟： 第一步，將熱傳導(dǎo)CPTU探頭打入指定深度當(dāng)中； 第二步，待打入過程中由于摩擦產(chǎn)生的熱量消散完畢后，利用直流穩(wěn)壓電源給測試探 頭內(nèi)的電加熱片提供恒定功率的電能，加熱鉆孔周圍巖土體，利用溫度傳感器實時監(jiān)測巖 體、測試探頭的溫度隨時間變化，根據(jù)圓柱熱源理論，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)反演土體的熱物性參 數(shù)。
【文檔編號】G01N25/20GK106093109SQ201610387121
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月2日 公開號201610387121.5, CN 106093109 A, CN 106093109A, CN 201610387121, CN-A-106093109, CN106093109 A, CN106093109A, CN201610387121, CN201610387121.5
【發(fā)明人】劉松玉, 周遊, 張國柱, 蔡國軍
【申請人】東南大學(xué)