一种测定软土界面接触热阻的试验装置及方法

本发明涉及界面接触热阻试验装置领域，更具体地说，涉及一种测定软土界面接触热阻的试验装置及方法。

背景技术：

软土一般是指天然含水量大、压缩性高、承载力低和抗剪强度很低的呈软塑～流塑状态的黏性土。软土是一类土的总称，并非指某一种特定的土，工程上常将软土细分为软黏性土、淤泥质土、淤泥、泥炭质土和泥炭等。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。

两个名义上互相接触的固体表面，实际上接触仅仅发生在一些离散的面积元上，在未接触的界面之间的间隙常常充满了空气，热量将以导热的方式穿过这种气隙层，这种情况与固体表面完全接触相比，增加了附加的传递阻力，称为接触热阻。接触热阻等于两个交界表面温度之差除以热流量。接触热阻单位是：㎡·k/w。

交界面上接触热阻的存在主要是由于表面粗糙度的影响。接触部位之间普遍存在着空隙，在多数工程实践中，间隙中充满着空气。因此传热是借通过接触间隙的传导和/或者辐射、对流实现的。接触热阻可以看作是两个并联的热阻：1，来自于接触面积部位产生；2，由间隙产生。接触面积通常很小，特别是粗糙的表面，其主要作用的是间隙所产生的热阻。

与一般的固体介质不同，由于软土自身具有一定的流动性，相邻两种软土层之间的界面基本没有明显的边界，故传统的打桩送入传感器的方法极易对软土层之间的界面造成破坏，影响最后的测量结果，使测量误差较大。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种测定软土界面接触热阻的试验装置及方法，可以实现不易在打桩送入传感器过程中造成相邻软土层之间界面的破坏，影响最后的测量结果，减小测量误差。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种测定软土界面接触热阻的试验装置，包括桩体，所述桩体的侧壁上开凿有第一测量室和第二测量室，所述第一测量室位于第二测量室的上侧，所述第一测量室和第二测量室的侧壁上均固定连接有电动伸缩杆，两个所述电动伸缩杆的另一端均固定连接有测量球，位于第一测量室内的所述测量球内装设有加热装置，所述测量球的外壁上固定连接有多个针形温度传感器，多个所述针形温度传感器均匀分布在测量球的外壁上，所述测量球的外侧套设有保护球，所述保护球位于针形温度传感器的外侧，所述电动伸缩杆靠近测量球的一端贯穿保护球并与保护球固定连接，所述电动伸缩杆上开凿有通气室，所述通气室上开凿有通风通孔，所述通风通孔内滑动连接有与自身相匹配的密封活塞，所述密封活塞的侧壁上开凿有一对通气孔，所述通气孔贯穿密封活塞，所述通气室内壁上固定连接有一对限位滑杆，看两个所述限位滑杆远离通气室内壁的一端均贯穿密封活塞并延伸至密封活塞的下侧，所述限位滑杆的外侧套设有压缩弹簧，所述压缩弹簧的两端分别于通气室内壁和密封活塞固定连接，可以实现不易在打桩送入传感器过程中造成相邻软土层之间界面的破坏，影响最后的测量结果，减小测量误差。

进一步的，一种测定软土界面接触热阻的试验装置的使用方法，主要步骤包括：

s1、布桩，技术人员根据实际的测量需求，选择测量组数和并选择布桩位置，再检测桩体是否可以正常工作，包括但不仅限于电动伸缩杆能否正常伸长和缩短和是否可以向保护球内充入定量气体等，之后将通过检测的桩体插入预设的位置，完成布桩工作；

s2、准备工作，向完成步骤s1的桩体发出指令，向保护球内充入气体，使保护球整体鼓起，之后控制电动伸缩杆伸长，利用电动伸缩杆产生的冲力撞破防护罩，通过控制电动伸缩杆的具体伸长长度来将测量球送入指定的测量位置，而在测量球被送入指定位置时，继续向保护球内充入气体，直至保护球破裂，停止空气充入，此时软土会自动填入保护球原本存在的空间内，将测量球和针形温度传感器包覆住，将测量球和针形温度传感器测量的位置与桩体在步骤s1过程中破坏的接触界面错开，减小布桩过程对软土截面破坏所造成的测量误差；

s3、界面接触热阻测量，启动位于上侧的测量球内的加热装置，将位于上侧的测量球所处软土的温度加热到预设温度之上20摄氏度，保温10分钟后，断开加热装置的电源，让软土自然冷却至预设温度，记录上下两个测量球所在软土层的温度，并启动加热装置，使得位于上侧的测量球所在软土层温度保持在预设温度，同时位于下册的测量球检测自身软土层的温度变化，持续1个小时，并每隔5分钟记录位于上侧测量球内的加热装置工作发出的能量和位于下侧的测量球实时检测的温度，用于计算最后的界面接触热阻。

进一步的，所述防护罩的内壁上开凿有预制槽，所述预制槽的深度为防护罩厚度的三分之二，方便保护球在电动伸缩杆作用下将防护罩冲破。

进一步的，所述保护球内埋设有强化网，所述强化网与保护球固定连接，增加保护球的强度，使得充满空气的保护球不易在外力作用下破裂。

进一步的，所述保护球的内壁开凿有多个破裂槽，所述强化网上开凿有多个与破裂槽相匹配的预制缺口，使得保护球破裂时会分成多个可控的碎片，方便进行回收工作。

进一步的，所述强化网上固定连接有填充管，所述填充管远离强化网的一端延伸到保护球内侧，所述填充管位于保护球内的一部相互交错呈现三维空间立体结构，填充管一方面可以增加保护球之间的连接强度，即使保护球碎裂呈多个碎片，也能在填充管的牵引下进行统一回收，另一方面，填充在保护球内的填充管可以作为缓冲材料，大幅减小保护球在软泥层内位移过程中，软泥经过对保护球挤压产生的力对针形温度传感器的影响，使得针形温度传感器不易损坏。

进一步的，所述填充管位于保护球内的一端为弹性胶管体，所述弹性胶管体呈三维螺旋状，相邻弹性胶管体之间交错纠缠形成三维空间立体结构，增加弹性胶管体的整体强度，易于弹性胶管体保持弹性，不易在外力作用下导致弹性胶管体三维空间立体结构崩溃，不易造成弹性胶管体的保护作用失效。

进一步的，所述弹性胶管体内开凿有填充腔，所述填充腔内填充有毛细纤维，增加弹性胶管体的弹性，增加填充管整体抵抗外力的能力。

进一步的，所述毛细纤维靠近弹性胶管体的一端贯穿弹性胶管体并延伸至弹性胶管体的外侧，并包覆在弹性胶管体的外侧，相邻所述弹性胶管体之间通过毛细纤维的纠缠连接，一方面增加弹性胶管体的自身的强度，另一方面通过毛细纤维的纠缠增加弹性胶管体之间的连接强度。

进一步的，所述弹性胶管体上开凿有多个毛细裂纹，多个所述毛细裂纹均贯穿弹性胶管体，使得弹性胶管体在保护球破裂时会沿毛细裂纹处撕裂，不易将针形温度传感器拉扯损坏。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本方案通过电动伸缩杆将检测主体测量球运输到远离桩体的位置，错开测量球与桩体布桩过程中损坏的软土间截面的位置，减小因布桩造成的系统误差，增加检测的准确性。

在电动伸缩杆运送测量球的过程中通过充满空气并鼓起的保护球对测量球和针形温度传感器进行保护，不易被软泥损坏或包覆，不易影响检测结果。

在测量球运输到指定位置后，可以通过向保护球内注入足量的空气，使得保护球破裂，实现测量球和针形温度传感器与软泥层接触，而破裂的保护球则会在强化网和填充管的牵扯作用下保持相对完整，方便后续统一回收，不易造成额外的环境污染。

附图说明

图1为本发明的软土界面接触热阻的试验装置的主要结构示意图；

图2为本发明的软土界面接触热阻的试验装置防护罩拆卸下来后的结构示意图；

图3为本发明的软土界面接触热阻的试验装置防护罩的侧面剖视结构示意图；

图4为本发明的测量球处的局部结构示意图；

图5为图4中a处的结构示意图；

图6为图5中b处的结构示意图；

图7为本发明的填充管的结构示意图；

图8为本发明的填充管的剖面结构示意图；

图9为本发明热量传导效率计算用结构示意图。

图中标号说明：

1桩体、2第一测量室、3第二测量室、4防护罩、5预制槽、6电动伸缩杆、7测量球、8针形温度传感器、9保护球、10破裂槽、11强化网、12填充管、1201弹性胶管体、1202填充腔、1203毛细纤维、1204毛细裂纹、13通气室、14密封活塞、15通气孔、16限位滑杆、17压缩弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是适配型号元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-5，一种测定软土界面接触热阻的试验装置，包括桩体1，桩体1的侧壁上开凿有第一测量室2和第二测量室3，第一测量室2位于第二测量室3的上侧，第一测量室2和第二测量室3的侧壁上均固定连接有电动伸缩杆6，两个电动伸缩杆6的另一端均固定连接有测量球7，位于第一测量室2内的测量球7内装设有加热装置，测量球7的外壁上固定连接有多个针形温度传感器8，多个针形温度传感器8均匀分布在测量球7的外壁上，测量球7的外侧套设有保护球9，保护球9位于针形温度传感器8的外侧，电动伸缩杆6靠近测量球7的一端贯穿保护球9并与保护球9固定连接，电动伸缩杆6上开凿有通气室13，通气室13上开凿有通风通孔，通风通孔内滑动连接有与自身相匹配的密封活塞14，密封活塞14的侧壁上开凿有一对通气孔15，通气孔15贯穿密封活塞14，通气室13内壁上固定连接有一对限位滑杆16，看两个限位滑杆16远离通气室13内壁的一端均贯穿密封活塞14并延伸至密封活塞14的下侧，限位滑杆16的外侧套设有压缩弹簧17，压缩弹簧17的两端分别于通气室13内壁和密封活塞14固定连接。

特别的，通气室13远离密封活塞14的一端与外界空间相连通，且通气室13内置有高压气泵，高压气泵可以将外界空气抽入通气室13内，此为本领域技术人员的公知技术，固未在本申请中详细说明，本领域技术人员可以根据现有技术对上述装置的和结构进行合理的设计、安装，已达到上述使用要求，同时方案中图1所示的结构仅供参考，其各个部件的尺寸及其间距均需要根据本领域技术人员实际测量需求进行合理的设计生产，而非统一的固定尺寸。

一种测定软土界面接触热阻的试验装置的使用方法，主要步骤包括：

s1、布桩，技术人员根据实际的测量需求，选择测量组数和并选择布桩位置，再检测桩体1是否可以正常工作，包括但不仅限于电动伸缩杆6能否正常伸长和缩短和是否可以向保护球9内充入定量气体等，之后将通过检测的桩体1插入预设的位置，完成布桩工作，为了增加试验的准确度，可以在待检测软土区域内选择多个测量点进行软土界面接触热阻的检测，去除部分相差较大的数据后，取平均值得到最终测量结果；

s2、准备工作，向完成步骤s1的桩体1发出指令，向保护球9内充入气体，使保护球9整体鼓起，之后控制电动伸缩杆6伸长，利用电动伸缩杆6产生的冲力撞破防护罩4，通过控制电动伸缩杆6的具体伸长长度来将测量球7送入指定的测量位置，而在测量球7被送入指定位置时，继续向保护球9内充入气体，直至保护球9破裂，停止空气充入，此时软土会自动填入保护球9原本存在的空间内，将测量球7和针形温度传感器8包覆住，将测量球7和针形温度传感器8测量的位置与桩体1在步骤s1过程中破坏的接触界面错开，减小布桩过程对软土截面破坏所造成的测量误差；

s3、界面接触热阻测量，启动位于上侧的测量球7内的加热装置，将位于上侧的测量球7所处软土的温度加热到预设温度之上20摄氏度，保温10分钟后，断开加热装置的电源，让软土自然冷却至预设温度，记录上下两个测量球7所在软土层的温度，并启动加热装置，使得位于上侧的测量球7所在软土层温度保持在预设温度，同时位于下册的测量球7检测自身软土层的温度变化，持续1个小时，并每隔5分钟记录位于上侧测量球7内的加热装置工作发出的能量和位于下侧的测量球7实时检测的温度，用于计算最后的界面接触热阻，其中加热装置发出的能量在进行界面接触热阻时需要按比例换算，即位于测量球7内加热装置所散发的热量可以影响到位下侧测量球7土层面积与测量球7表面积的之比即为上述比例，与两个测量球7的尺寸和间距有关，本领域技术人员可以根据实际情况进行合理推算。

具体比例的计算请参阅图9，可以认为加热装置所散发的能量波为均匀向四周发射，而下侧的测量球7所能受到影响的能量波的范围如图9所示，故上述比例的具体值为位于上侧的测量球7在能量波内的表面积与测量球7整体表面积的商值。

请参阅图3-4和7-8，防护罩4的内壁上开凿有预制槽5，预制槽5的深度为防护罩4厚度的三分之二，方便保护球9在电动伸缩杆6作用下将防护罩4冲破，保护球9内埋设有强化网11，强化网11与保护球9固定连接，增加保护球9的强度，使得充满空气的保护球9不易在外力作用下破裂，保护球9的内壁开凿有多个破裂槽10，强化网11上开凿有多个与破裂槽10相匹配的预制缺口，使得保护球9破裂时会分成多个可控的碎片，方便进行回收工作，强化网11上固定连接有填充管12，填充管12远离强化网11的一端延伸到保护球9内侧，填充管12位于保护球9内的一部相互交错呈现三维空间立体结构，填充管12一方面可以增加保护球9之间的连接强度，即使保护球9碎裂呈多个碎片，也能在填充管12的牵引下进行统一回收，另一方面，填充在保护球9内的填充管12可以作为缓冲材料，大幅减小保护球9在软泥层内位移过程中，软泥经过对保护球9挤压产生的力对针形温度传感器8的影响，使得针形温度传感器8不易损坏。

填充管12位于保护球9内的一端为弹性胶管体1201，弹性胶管体1201呈三维螺旋状，相邻弹性胶管体1201之间交错纠缠形成三维空间立体结构，增加弹性胶管体1201的整体强度，易于弹性胶管体1201保持弹性，不易在外力作用下导致弹性胶管体1201三维空间立体结构崩溃，不易造成弹性胶管体1201的保护作用失效，弹性胶管体1201内开凿有填充腔1202，填充腔1202内填充有毛细纤维1203，增加弹性胶管体1201的弹性，增加填充管12整体抵抗外力的能力，毛细纤维1203靠近弹性胶管体1201的一端贯穿弹性胶管体1201并延伸至弹性胶管体1201的外侧，并包覆在弹性胶管体1201的外侧，相邻弹性胶管体1201之间通过毛细纤维1203的纠缠连接，一方面增加弹性胶管体1201的自身的强度，另一方面通过毛细纤维1203的纠缠增加弹性胶管体1201之间的连接强度，弹性胶管体1201上开凿有多个毛细裂纹1204，多个毛细裂纹1204均贯穿弹性胶管体1201，使得弹性胶管体1201在保护球9破裂时会沿毛细裂纹1204处撕裂，不易将针形温度传感器8拉扯损坏。

本方案通过电动伸缩杆6将检测主体测量球7运输到远离桩体1的位置，错开测量球7与桩体1布桩过程中损坏的软土间截面的位置，减小因布桩造成的系统误差，增加检测的准确性，同时在电动伸缩杆6运送测量球7的过程中通过充满空气并鼓起的保护球9对测量球7和针形温度传感器8进行保护，不易被软泥损坏或包覆，不易影响检测结果，而在测量球7运输到指定位置后，可以通过向保护球9内注入足量的空气，使得保护球9破裂，实现测量球7和针形温度传感器8与软泥层接触，而破裂的保护球9则会在强化网11和填充管12的牵扯作用下保持相对完整，方便后续统一回收，不易造成额外的环境污染。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。