[发明专利]一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置及测试方法

说明书

本申请属于岩土工程领域，涉及一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置及测试方法，包括由上向下依次连接的探杆、伸缩热探杆以及探头；伸缩热探杆包括伸缩套杆、环形热传感器、热线源以及微型马达；伸缩套杆的一端连接于探头、另一端连接于探杆；微型马达有两个及以上，两个及以上的微型马达间隔均匀的安装于伸缩套杆上，伸缩套杆能在微型马达的动力作用下进行伸缩；环形热传感器有两个及以上，环形热传感器对应安装于微型马达上；热线源设于伸缩套杆内。其将地热梯度与热导率测试相结合，使得勘测工程方便、快速、准确、经济，能够为地热能源研究和能源装工程设计提供快捷有效成本低廉的测试参数。

技术领域

本发明属于岩土工程领域中一种能够有效精确的获得土体基本工程性质和热力学性质的原位试验测试元件及装置，涉及一种利用瞬态线热源法测试土体热导率和热梯度的分段贯入原位测试装置，具体涉及一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置及测试方法。

背景技术

瞬态线热源法是一种基于无限大介质脉冲加热线性体形成线热源产生的瞬态温度响应，通过记录并拟合温升与探头响应时间关系，进而通过公式计算求出材料热导率的实验法，可用于解决热工程中的材料热力学性质分析。该方法由热线法和热带法发展而来，并且融合了热线法和热带法的优点，逐步成为热力学性能测试中备受青睐的测试方法。

热导率系数是岩土工程中一个非常重要的参数，它是确定浅层岩土体热力学性能的基础。表层岩土体热导率的大小不仅决定着浅层地温场的展布形态，也决定着热泵计算功率的核心，是影响地源热泵工程投资和能耗的关键因素。目前实验室用于测试土样热力学性质的方法主要是瞬态线热源法，其响应速度快，测试较为精准。

地热梯度也是岩土工程中非常重要的参数之一，它确定了浅层地热交换效率和地热井打入深度。是影响地热泵工程投资能耗的关键因素之一，目前的测试仪器较为笨重，且测试效率低下，经济耗费较高。

发明内容

本发明基于瞬态线热源法测量土体热导率系数的方法，提出了一种伸缩分段式的热探头测试仪器，将地热梯度与热导率测试相结合，使得勘测工程方便、快速、准确、经济，能够为地热能源研究和能源装工程设计提供快捷有效成本低廉的测试参数。

为实现上述技术目的，本发明采取具体的技术方案为，一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置，包括由上向下依次连接的探杆、伸缩热探杆以及探头；伸缩热探杆包括伸缩套杆、环形热传感器、热线源以及微型马达；伸缩套杆的一端连接于探头、另一端连接于探杆；微型马达有两个及以上，两个及以上的微型马达间隔均匀的安装于伸缩套杆上，伸缩套杆能在微型马达的动力作用下进行伸缩；环形热传感器有两个及以上，环形热传感器对应安装于微型马达上，并能随伸缩套杆的伸缩发生位移；热线源设于伸缩套杆内，并且热线源的一端连接于探头，另一端延伸至探杆内。

作为本发明改进的技术方案，还包括数据接收模块，数据接收模块设于探杆的尾端，用于接收环形热传感器检测的数据。

作为本发明改进的技术方案，伸缩套杆为钛合金不锈钢材质。

作为本发明改进的技术方案，探杆为合金钢材质。

作为本发明改进的技术方案，探头为合金钢材质。

作为本发明改进的技术方案，探头为圆锥形结构，并且圆锥形结构的尖端设于远离伸缩热探杆的一侧。

作为本发明改进的技术方案，伸缩热探杆长度变化范围为1m。

本发明另一目的是提供土体热导率和地热梯度的原位测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、调整热伸缩探杆，使其处于最短长度；将探头以恒定速度贯入土体；

步骤二、当探头到达测试深度时，微型马达控制伸缩套杆伸长，每伸长20cm，处于相对最上位的一个微型马达带动该微型马达所对应的环形热传感器随伸缩套杆移动，直至所有环形热传感器全部释放完毕，停止贯入；