热传导cptu探头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种热传导CPTU探头，包括测试装置、控制装置和数据采集装置，测试装置包括从上到下依次连接的探杆、加热模块、压力模块和探头；控制装置包括直流稳压电源，所述直流稳压电源与加热模块通过探杆内部的导线相连接；数据采集装置与布置在加热模块的温度传感器通过探杆内部的导线相连接。测试探头和加热模块由直流稳压电源提供电能；数据采集装置采集温度传感器的监测数据。本发明具有易操作、测试周期短、测试成本低等优点。
【专利说明】
热传导CPTU探头
技术领域
[0001] 本发明属于岩土原位测试领域，具体涉及一种可测岩土体热物性参数的热传导 CPTU探头。
【背景技术】
[0002] 岩土体热物性参数的准确获取是地下工程温度场计算合理性的先决条件，岩土体 热物理性测试方法主要有室内实验法和现场原位测试方法。室内实验法包括热线法和热带 法，其原理是测量时样品的温度随时间发生变化，通过测量温度变化来推导导热系数，室内 实验具有快捷方便、测试成本低等优点，但室内试验试样制备破坏了岩土体的原有结构和 状态，所得的热物性参数无法如实反映岩土体的传热特性，其测试精度有限；原位测试方法 包括热探针法和岩土热响应测试法，热探针测试的原理是向岩土体内插入加热探针，监测 岩土体温度随时间的变化，从而推导岩土体的热物性参数，热探针测试能准确反映土层条 件对其热物性的影响，但其测试深度有限，并且无法应用于坚硬岩土体的热物性测试;岩土 热响应测试是利用加热设备向垂直地埋管换热器中输入热量或冷量，监测热交换器中传热 循环介质的入口、出口温度和流速，利用传热模型反演岩土的热物性参数。岩土热响应试验 可以准确反映施工现场的地质条件，能够得到较准确的土壤平均热传导系数和钻孔热阻 等，但岩土热响应试验无法获得指定深度处岩土体的热物性参数。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结果准确、低成本、 易于操作的测量土体热物性参数的热传导CPTU探头。
[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的热传导CPTU探头，包括测试装置、 控制装置和数据采集装置，其特征在于：
[0005] 所述测试装置包括从上到下依次连接的探杆、加热模块、压力模块和探头；
[0006] 所述控制装置包括直流稳压电源，所述直流稳压电源与加热模块通过探杆内部的 导线相连接；
[0007] 所述数据采集装置与布置在加热模块的温度传感器通过探杆内部的导线相连接。
[0008] 具体地，所述加热模块位于压力模块上方，通过预制的螺纹与压力模块连接，压力 模块与加热模块内部通过中空轴相连；
[0009] 具体地，所述压力模块与加热模块的线路通过中空轴牵引出来，制成集成线路，再 与探杆的接口连接；
[0010]具体地，所述加热装置包含220V强度的电压，可以满足不同土性的测试要求；
[0011 ]具体地，加热模块底高100cm，模块采用空心金属圆柱，外径3.6cm，内径3cm，所述 加热模块由外到内依次为金属保护壳、加热片、回填材料和中空轴；
[0012] 具体地，所述金属外壳采用导热性良好的镍络合金材料，外径3 · 6cm，内径3cm;
[0013] 具体地，所述加热片为规格100x12cm硅胶加热片，总厚度为1.5mm，由加热丝和绝 缘布构成，所述加热丝为总长20m直径0.5mm单位长度电阻5.5 Ω /m的镍络合金丝，所述绝缘 布为可粘贴硅橡胶高温绝缘布上，表面附有双面胶，可直接粘在金属外壳上，同时在加热片 上布置四个温度传感器，所述加热片实际操作中最大发热功率密度可以达到〇.221w/cm 2， 在加热120s的情况下，能使加热装置金属外壳升温15°C;
[0014] 具体的，所述回填材料与中空轴交界处布置4个温度传感器，分析加热时加热模块 内部的热量传输；
[0015] 具体地，所述回填材料为粉末状聚四氟乙烯，填充在中空轴与加热片之间，起隔热 作用；
[0016] 具体地，所述压力模块可以测量土体的锥尖摩阻力和侧摩阻力，与加热模块相结 合，可以同时测量土体的热物性参数与物理力学参数。
[0017] 使用时本发明的热传导CPTU探头获取岩体的热物性参数的操作步骤如下：
[0018] 第一步，将热传导CPTU探头打入指定深度当中；
[0019] 第二步，待打入过程中由于摩擦产生的热量消散完毕后，利用直流稳压电源给测 试探头内的电加热片提供恒定功率的电能，加热钻孔周围岩土体，利用温度传感器实时监 测岩体、测试探头的温度随时间变化，根据圆柱热源理论，利用监测数据反演岩体的热物性 参数。
[0020] 有益效果:本发明的热传导CPTU探头能够同时测量地下岩土体的尖端摩阻力、侧 摩阻力以及热物性参数，有助于分析土壤的热物性参数与物理力学参数的关系及相互影 响，与室内热线法和热带法相比，其测试精度更高;本发明可用于测试任意指定深度处岩土 体的热物性参数，解决了热探针测量深度有限的缺陷，以及解决了地源热栗岩土热响应试 验无法获得指定深度处岩土体的热物性参数的缺陷；本发明的测试方法利用CPTU现场试 验，易操作、测试周期短、测试成本低。
[0021 ]除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技 术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的热传导CPTU探头所能解决的其他技术问题、 技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详 细的说明。
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例的结构示意图；
[0023]图2是图1中加热模块的立面图；
[0024]图3是加热模块的横断面图；
[0025]图4是硅胶加热片的结构示意图；
[0026]图5是导热系数1.50[W/(m*K)]、密度1200kg/m3、热容1500J/kg*K时监测点温度； [0027]图6是导热系数1.50[W/(m*K)]、密度2200kg/m3、热容1500J/kg*K时监测点温度； [0028]图7是导热系数1.50[W/(m*K)]、密度1200kg/m3、热容2500J/kg*K时监测点温度； [0029]图8是导热系数1.80[W/(m*K)]、密度1200kg/m3、热容1500J/kg*K时监测点温度； [0030]图中：1数据采集装置;2直流稳压电源;3集成线路;4探杆;5钻孔;6加热模块;7压 力模块;8制孔;9加热片；10中空轴；11金属外壳；12导线；13集成线路接头；14螺纹；15绝缘 材料;16热传感器;17可粘贴热绝缘布;18镍铬加热丝。
【具体实施方式】 [0031] 实施例：
[0032]本实施例的热传导CPTU探头整体示意图如图1所示，包括布置在钻孔/外部的直流 稳压电源2和数据采集装置1，以及布置在钻孔5中的测试探头，通过集成线路3将两者相连 接。其中直流稳压电2提供测试探头加热模块6加热所需的热能，通过集成线路3穿入到探杆 4,再连接到加热模块6,数据采集装置1用于采集各传感器的监测数据，通过集成线路3穿入 到探杆4,再连接到测试装置上的各个传感器。
[0033]制造时，选用与CPTU探头直径相当的空心金属圆柱作为加热模块金属外壳，加热 模块高l〇〇cm，模块采用空心金属圆柱，外径3.6cm，内径3cm，金属外壳采用导热性良好的镍 铬合金材料。
[0034]制造时，将预制好的硅胶加热片（100x12cm)粘到金属外壳上，所述硅胶加热片总 厚度为1.5mm，由加热丝和绝缘布构成，所述加热丝为总长20m直径0.5mm单位长度电阻5.5 Ω /m的镍铬合金丝，所述绝缘布为可粘贴硅橡胶高温绝缘布上，表面附有双面胶，可直接粘 在金属外壳上，同时在加热片上布置四个温度传感器(如图4)，所述加热片实际操作中最大 发热功率密度可以达到0.221 W/cnf 2，在加热60s的情况下，能使加热装置金属外壳升温15 Γ。
[0035] 制造时，中空轴与加热片之间填充粉末状聚四氟乙烯材料，实现热绝缘效果。制造 时，将加热模块下部延伸出2cm的螺纹，与原有CPTU模块相连接，加热模块内部贯穿中空轴， 中空轴起固定作用，同时在中空轴上预留预制孔，用以传输加热丝和传感器线路。
[0036] 连接时，将加热丝的导线和温度传感器数据线通过中空轴上的预制孔牵入中空轴 中，再将线路迀出制成集成电路，插入到CPTU探杆当中。
[0037] 使用时，利用直流稳压电源给测试探头内的电加热丝提供恒定功率的电能，加热 钻孔周围岩土体，利用温度传感器实时监测岩体、测试探头的温度随时间变化，根据热传导 线热源模型理论，利用监测数据反演岩体的热物性参数。
[0038]该热传导CPTU探头的计算过程如下：
[0039] 1.尺寸设计：
[0040]加热模块尺寸的设计需要参考已有的热探针设计经验以及参数求解的理论模型， 在保证装置可行性的基础上，尺寸设计需要使参数求解精确化，尽量避免可能产生的误差。 [0041] KlUitenberg(1995)总结以往的热探针设计经验，提出在热探针设计时，探针直径 d越大，热物性参数测量越不准确，探针长度L越长，热物性参数的测量越准确；任图生 (1999)通过设计经验，提出了满足线热源理论模型的热探针长径比设计准则：
[0043] 其中L为探针长度cm;d为探针直径cm。
[0044]综合以上设计经验，加热模块外径与CPTU探头外径相同，取3.6cm;在保证线热源 计算模型的精度的基础上，为了保证加热功率的可行性，加热模块设计高1 〇 〇 cm;金属外壳 的内径的设计需要参考保证整个加热模块的硬度，同时应为回填材料留下一定的空间，参 考CPTU探头金属外壳厚度，加热模块内径取;3cm;为了保证传热的质量，中空轴半径的设计 需要尽可能小，同时中需保证中空轴内导线的顺利传输，已知国产探杆螺纹插线端内径为 1.84cm，设计加热模块中空轴内径为1.84cm〇
[0045] 2.材料选择：
[0046] 依照既有的热探针设计经验，加热模块金属外壳采用导热性良好的镍铬合金，该 合金能够同时满足加热模块所需要的硬度和导热性的要求;加热片的选取需要同时考虑加 热密度、发热的均匀性以及加热片的规格，设计采用ΙΟΟχ 15cm的硅胶加热片，该加热片由可 粘贴式热绝缘布和镍铬加热丝构成，厚度1.5_，加热片可以根据实际需求的选择合适规格 的镍铬合金丝，安装时只需要将布满镍铬合金丝的加热布贴到金属外盒上即可;为了保证 时间内加热量大部分传输到土体中，回填材料应选用热绝缘材料，综合考虑回填材料的热 传导性和施工工艺，这里采用粉末状聚四氟乙烯材料。3电压大小及电阻丝规格：
[0047] 电压大小及电阻丝规格的设计需要借助数值模拟软件，本计算模型采用大型数值 模拟软件Comsol Multiphysics，建立与设计尺寸相同的三维数值模型，通过模拟不同土性 下的加热条件，研究最适合热传导CPTU探头的加热功率和实施电压。
[0048] 3.1模型简介
[0049] 模型内部圆柱体高100cm，内圆为中空轴，直径1.84cm，外圆为金属外壳，外径 3.6cm，内径3cm，金属片厚度为1.5mm，模型加热片与中空轴中间部分为回填材料，模型采用 材料的热物性参数如表1所示;模型计算区域为30X30X100cm，用来模拟不同热物性参数的 土体。
[0050] 表1加热装置材料的热物性参数
[0052] 3.1计算准则
[0053]计算采用固体传热模块，根据加热装置的实际尺寸以及材料的热物性参数建立三 维数值模型。模型分析土体的不同热物性参数对实际加热片所需要的加热功率的影响，计 算极端情况下所需要的最大热功率，并以此功率为基准求解热传导CPTU探头所需要的工作 电压。模型计算参考了现有的能源粧地下换热、TCT(thermal cone test)实验以及热探针 实验的成果，以加热片加热120s，使金属外壳温升达到15°C为控制条件，求解加热片所需要 的功率密度;再根据设计电热丝的规格，计算实际热传导CPTU探头加热所需要的恒温电压。 3.3计算结果及对比分析
[0054] 依照既有文献说明，设定计算模型加热片功率密度为0.17W/cm2,考虑到加热装置 边际温度效应的影响，同时模拟实际装置中温度感应器的位置，温度监测点设置在加热装 置金属外壳内径的中点；为了分别观察土体导热系数、密度和热容对加热功率的影响，分别 进行四组模拟，每组模拟的土体热物性参数如表2所示：
[0055] 表2不同组数的土体热物性参数
[0058]将每组模拟温度监测点的结果绘制成表格，得出结果如图5-8所示：
[0059]分析得到，当土体导热系数越大、密度越大、热容越高时，加热120s时金属外壳的 温升越低，因此在加热片加热电压设计时，需考虑土体的极端情况，即在土体导热系数最 大、密度最大、热容最高，加热片加热120s、金属外壳温升达到15°C时，加热片所需要的稳压 电源的大小。
[0060]表3不同材料的热物性性参数
[0062]表4典型岩土体热物参数
[0065]表3和表4分别给出了不同材料和岩土体典型的热物性参数，分析表中数据，取导 热系数为3.8W/m*K、密度2650g/cm3、热容1.92J/g*K为土体热物性参数，反演加热时间 120s、金属外壳温升15°C时所需要的加热密度。
[0066] 加热片功率密度为0.221W/cm2时，计算采用总长20m、直径0.5mm、单位长度电阻 5.5 Ω/m的镍铬加热丝，可计算得到所需稳压电源的加热电压为195V。
[0067]以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实 施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施 方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种热传导CPTU探头，包括测试装置、控制装置和数据采集装置，其特征在于： 所述测试装置包括从上到下依次连接的探杆、加热模块、压力模块和探头； 所述控制装置包括直流稳压电源，所述直流稳压电源与加热模块通过探杆内部的导线 相连接； 所述数据采集装置与布置在加热模块的温度传感器通过探杆内部的导线相连接。2. 根据权利要求1所述的热传导CPTU探头，其特征在于:所述加热模块与压力模块通过 螺纹相连接，所述压力模块与加热模块内部贯穿有中空轴。3. 根据权利要求2所述的热传导CPTU探头，其特征在于:所述压力模块与加热模块的线 路通过中空轴引出并制成集成线路，所述集成线路与探杆的接口连接。4. 根据权利要求1所述的热传导CPTU探头，其特征在于:所述加热模块采用空心金属圆 柱，由外到内依次为金属保护壳、加热片、回填材料和中空轴。5. 根据权利要求4所述的热传导CPTU探头，其特征在于:所述金属外壳采用镍铬合金外 壳，所述加热片是由加热丝和绝缘布构成的硅胶加热片，所述加热丝为镍铬合金丝，所述绝 缘布为可粘贴硅橡胶高温绝缘布。6. 根据权利要求4所述的热传导CPTU探头，其特征在于:所述回填材料与中空轴交界处 设有4个温度传感器，所述回填材料是填充在中空轴与加热片之间的粉末状聚四氟乙烯。7. -种如权利要求1所述的热传导CPTU探头的测量方法，其特征在于:所述热传导CPTU 探头包含测试探头、压力模块、加热模块、控制装置和数据采集装置，所述测试探头和加热 模块由直流稳压电源提供电能;数据采集装置采集温度传感器的监测数据，压力模块测量 土体的锥尖摩阻力和侧摩阻力，根据圆柱热源理论，利用监测数据反演土体的热物性参数 与物理力学参数。8. 根据权利要求7所述的热传导CPTU探头的测量方法，其特征在于包括以下操作步骤： 第一步，将热传导CPTU探头打入指定深度当中； 第二步，待打入过程中由于摩擦产生的热量消散完毕后，利用直流稳压电源给测试探 头内的电加热片提供恒定功率的电能，加热钻孔周围岩土体，利用温度传感器实时监测岩 体、测试探头的温度随时间变化，根据圆柱热源理论，利用监测数据反演土体的热物性参 数。
【文档编号】G01N25/20GK106093109SQ201610387121
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610387121.5, CN 106093109 A, CN 106093109A, CN 201610387121, CN-A-106093109, CN106093109 A, CN106093109A, CN201610387121, CN201610387121.5
【发明人】刘松玉, 周遊, 张国柱, 蔡国军
【申请人】东南大学