一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚；所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试。所述测试系统包括所述测试探头。所述测试方法使用所述测试系统实施。本发明专利技术的测试探头、系统及方法，通过现场测试电阻率和剪切波速，利用建立的计算模型得到土体的导热系数。本发明专利技术公开的一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，解决了在原位准确、快速测量土体导热系数的工程难题，测试操作简便，所测数据可信度高，为土体导热系数的测试提供了新的途径。

A Rapid in-situ Testing Probe, System and Method for Soil Layered Thermal Conductivity

The invention discloses a probe, system and method for in-situ rapid testing of thermal conductivity of soil layers, which is a flat plate-shaped probe with a blade foot at the bottom; a resistivity testing probe is installed on one side of the testing probe for testing soil resistivity; and a shear wave velocity testing probe is installed on the other side of the testing probe for testing soil shear wave velocity. The test system includes the test probe. The test method is implemented using the test system. The testing probe, system and method of the present invention can obtain the thermal conductivity of soil by field testing resistivity and shear wave velocity and using the established calculation model. The invention discloses a probe, system and method for in-situ rapid testing of thermal conductivity of soil layers, which solves the engineering problem of accurately and rapidly measuring thermal conductivity of soil in situ, has simple test operation and high reliability of measured data, and provides a new way for testing thermal conductivity of soil.

【技术实现步骤摘要】
一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法
本专利技术属于土体工程性质测试
，具体是一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法。
技术介绍
土体的导热系数在工程设计、施工过程中起着至关重要的作用，是计算地下浅层能量平衡、温度分布特征和蓄能能力的基本参数。目前，导热系数的测量方法主要有原位试验、室内测试、组分类型辨别法和探针法四种。室内测试包括稳态测试法和非稳态测试法。室内测试法脱离原始环境，使得测量数据与实际情况偏差较大。原位测试法需要在现场进行热响应试验，常用柱热源模型和线热源模型计算场地的综合导热系数，操作复杂，成本较高。探针法早在1833年就被提出，结合线热源模型可在工程现场简洁方便的测出土壤的导热系数，但是加热范围很小，不足以代表整个土体的导热系数。组分类型辨别法利用钻孔取出的试样分析组分，根据岩石热物性参数表得到导热系数的大致范围。组分类型辨别法得到的导热系数范围很大，不利于实际施工取值。而且不同地理位置、钻孔深度得到的数据千差万别。可见，能在现场准确地测量不同深度土体导热系数的方法目前还不成熟。土体电阻率是表征土体导电性的基本参数，可以反映土的物理性质和状态。土体电阻率是工程勘察阶段比较容易获取的土的基本物性参数之一，测量方法简单、准确，可信度高。土体的剪切波速对土力学的研究和地基工程设计起着至关重要的作用。剪切波速在室内或工程场地内都方便易得，目前，剪切波速已成为表征土体物理、力学性质和评价土体扰动或地基处理效果的重要指标之一。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，以解决难以便捷、快速得到可靠的原位导热系数测试数据的问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种土体分层导热系数原位快速测试探头为一扁平板状，底端有刃脚。所述测试探头利用钻机或贯入设备可将探头贯入土中一定深度。所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试。进一步的，为了实现电阻率的准确测试，所述电阻率测试探头包括4个平行排列的铜质电极，所述铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料隔离，铜质电极等间距排列；所述铜质电极均与外部的供电回路连接，外侧2个铜质电极为供电电极与土体接触构成供电回路，内部2个铜质电极为测量电极与土体接触构成测量回路，共同构成电阻率测试探头。进一步的，为了实现剪切波速的测量，所述剪切波速测试探头包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个弯曲元为激发元，用于激发剪切波信号；另一个弯曲元为接收元，用于接收由激发元激发并经土体传递的剪切波信号，从而形成剪切波速测试探头。进一步的，所述弯曲元由表面涂有环氧树脂的压电陶瓷片构成。进一步的，所述激发元与接收元的周围充填隔震吸波材料，避免剪切波信号首先通过探头本体传递至接收元。一种土体分层导热系数原位快速测试系统，包括测试探头、空心钻杆、数据传输线、数据采集模块、数据处理模块、电压表、示波器和供电模块；所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚，所述测试探头顶端与空心钻杆相连。所述测试探头利用钻机或贯入设备可将探头贯入土中一定深度。所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试；所述供电模块包括供电电源和供电回路。进一步的，为了实现电阻率的准确测试，所述电阻率测试探头包括4个平行排列的铜质电极，所述铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料隔离，铜质电极等间距排列。所述铜质电极均与所述供电回路连接，外侧2个铜质电极为供电电极，与土体接触构成供电回路；内侧2个铜质电极为测量电极，与土体接触构成测量回路，共同构成电阻率测试探头。进一步的，所述为了实现剪切波速的测量，所述剪切波速测试探头包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个弯曲元为激发元，用于激发剪切波信号。另一个弯曲元为接收元，用于接收由激发元激发并经土体传递的剪切波信号，从而形成剪切波速测试探头。进一步的，由于电阻率测试探头工作时需要供交流电，因此所述供电模块包括交流供电电源。所述供电模块包括0-90V可调的交流电路，用于测试探头进行电阻率测试的供电。由于剪切波速测试探头工作时需要供直流电，因此所述供电模块包括直流供电电源。所述供电模块包括0-36V可调的直流电路，用于测试探头进行剪切波速测试的供电。一种土体分层导热系数原位快速测试方法，包括以下步骤：1)将测试探头贯入待测土中；2)开启供电模块，将输出电压调为90VAC，电流通过供电电极(9)和土体后形成回路。电阻率测试探头与所述电压表相连。所述数据采集模块测得数据导入数据处理系统即可得到土体的电阻率。3)为了提高测试的准确性，在同一位置、同一深度的测试点位通过改变电压，测得三组以上数据，依据拉伊达准则剔除异常数据取平均值，即可得到该测试点位所测电阻率值。4)将供电模块的输出电压调为20VDC；打开所述数据收集模块中内置的示波器激，发出一个完整周期的20KHz正弦波，正弦波通过信号传输线到达剪切波速测试探头的激发元并激发出剪切波信号，剪切波信号通过土体后，在剪切波速测试探头的接收元接收到剪切波信号，然后所述剪切波信号传输到数据采集模块中。由于剪切波速测试探头激发元与接收元之间的间距是固定的，数据收集模块收集激发元激发正弦信号的起振点与接收元接收到振动信号的第一个起跳点之间有时间差，通过距离与时间差的比值即可得到该测试土体的剪切波速。传入数据采集模块中的剪切波速信号经信号放大后通过示波器解调，将激发信号和接收信号导入到数据处理系统中得到土体的剪切波速。5)多次重复步骤4)中所述测试步骤，依据拉伊达准则剔除所测得数据中的异常数据后取平均值即可得到该点位所测得剪切波速值。6)通过上述步骤的测量，可以得到该测试点位的电阻率值和剪切波速值。将数据导入数据处理模块中，利用电阻率、剪切波速与导热系数的关系式K＝Alnρ+Bν+C即可得到该测试点位的导热系数；式中，K为导热系数,W/(m·K)；ρ为电阻率,Ω·m；v为剪切波速,m/s；A、B、C均为常量参数。步骤2)和3)为一组步骤，步骤4)和5)为一组步骤，这两组步骤的先后顺序可以调换。本专利技术公开的一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，通过现场测试电阻率和剪切波速，利用建立的计算模型得到土体的导热系数。本专利技术公开的一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法，解决了在原位准确、快速测量土体导热系数的工程难题，测试操作简便，所测数据可信度高，为土体导热系数的测试提供了新的途径。附图说明图1示出了本专利技术的原位导热系数测试系统的实施例的整体结构示意图；图2示出了本专利技术测试探头结构图。图3示出了图2中电阻率测试探头详细示意图。图4示出了图2中剪切波速测试探头详细示意图。其中，上述附图中包括以下附图标记：1、电阻率测试探头；2、剪切波速测试探头；3、空心钻杆；4、数据采集模块；5、数据处理模块；6、供电回路；7、数据传输线；8、供电电源；9、供电电极；10、绝缘材料；11、隔震吸波材料；12、接收元；13、激发元；14测量电极。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术提出的一种土体分层导热系数原位快速测试探头、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚；所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试。

【技术特征摘要】
1.一种土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚；所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试。2.根据权利要求1所述的土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述电阻率测试探头包括4个平行排列的铜质电极，所述铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料隔离，铜质电极等间距排列；所述铜质电极均与外部的供电回路连接，外侧2个铜质电极为供电电极与土体接触构成供电回路，内部2个铜质电极为测量电极与土体接触构成测量回路。3.根据权利要求1所述的土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述剪切波速测试探头包括2个测试剪切波速的弯曲元，其中一个所述弯曲元为激发元，用于激发剪切波信号；另一个所述弯曲元为接收元，用于接收由激发元激发并经土体传递的剪切波信号。4.根据权利要求3所述的土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述弯曲元由表面涂有环氧树脂的压电陶瓷片构成。5.根据权利要求3所述的土体分层导热系数原位快速测试探头，其特征在于，所述激发元与接收元的周围充填隔震吸波材料。6.一种土体分层导热系数原位快速测试系统，其特征在于，包括测试探头、空心钻杆、数据传输线、数据采集模块、数据处理模块、电压表、示波器和供电模块；所述测试探头为一扁平板状，底端有刃脚，所述测试探头顶端与空心钻杆相连；所述测试探头一侧安装有电阻率测试探头，用于土体电阻率测试；所述测试探头另一侧安装有剪切波速测试探头，于土体剪切波速测试；所述供电模块包括供电电源和供电回路。7.根据权利要求6所述的土体分层导热系数原位快速测试系统，其特征在于，所述电阻率测试探头包括4个平行排列的铜质电极，所述铜质电极呈棒状，每个铜质电极之间用绝缘材料隔离，铜质电极等间距排列；所述铜质电极均与所述供电回路连接，外侧2个铜质电极为供电电极，与土体接触构成供电回路；内侧2个铜质电极为测量电极，与土体接触构成测量回路。8.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丹，刘洋，桑宏伟，施斌，高雨龙，郑博宁，吴冠中，方袁江，
申请(专利权)人：南京大学苏州高新技术研究院，南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32