用于测定冻土各向导热系数的装置的制作方法

本实用新型属于冻土工程的热参数测试领域，特别是一种用于测定冻土各向导热系数的装置，可同时测定不同负温冻土在不同方向的导热系数。

背景技术：

冻土是由土骨架、水、冰和气体组成的四相体系，受土体碎散和结构性影响，土体具有较强的各向异性特性。不同温度下的非饱和冻土中水分分布情况复杂，受冷源和土体宏微观力影响，土体中的未冻水进行着非线性的水分迁移。因此，冻土的导热系数呈现出较大的各向异性。

常规冻土温度场计算中，导热系数通常假定为各向同性或正交各向异性，这与冻土实际是不相符的。将某一方向冻土的导热系数作为冻土的实际导热系数，使得温度场计算值与真值之间存在一定误差，据数值分析这种误差约为真值的10％～75％。目前的冻土导热系数方法分为稳态法和瞬态法，稳态法测定的为某区域冻土导热系数的平均值，瞬态法一般仅能测定某一方向冻土的导热系数。因此，有必要对冻土导热系数的各向异性特性进行认识，从而正确认识和评估冻土的温度场分布。该方法对提升冻土工程的温度场计算精度具有重要价值。

技术实现要素：

本实用新型目是提供一种用于测定冻土各向导热系数的装置，实现冻土各向导热系数的直接测试，将需要多次测试的土体各向导热系数简化为一次，同时解决了试样易扰动和测试热源不唯一的难题。

为实现上述目的，本实用新型提出用于测定冻土各向导热系数的装置，该用于测定冻土各向导热系数的装置插入土体内部，并与数据采集系统相连接，其中：该装置包括一根加热测温探针、三根测温探针、手柄、数据线，所述加热测温探针的内部布置有加热丝、上测温点、下测温点、探针壁、填充砂；测温探针端部内壁设置有测温点，测温探针的探针壁、填充砂；手柄由手持圆柱和安装圆柱组成，手持圆柱的圆面和安装圆柱的圆面相连接，安装圆柱上设置有四个探针安装孔。数据线经手柄孔道和探针安装孔与一根加热测温探针和三根测温探针相连接；数据线由加热测温探针的一组加热线、加热测温探针的二组测温线和测温探针的三组测温线组成；将数据线与数据采集系统相连接，形成用于测定冻土各向导热系数的装置。

本实用新型的效果是该装置具备测试时间较短、计算便捷等优势，为计算冻土各向的导热系数提供一种手段。通过对比计算和实测值，该装置的预测误差在7.2％以内。精度的提高能够最大限度提升对冻土热传导性能的认识，为冻土温度场的热参数选取提供保障。

附图说明

图1为本实用新型的用于测定冻土各向导热系数的装置；

图2为本实用发明新型涉及的加热测温探针组成示意图；

图3为本实用新型涉及的测温探针示意图；

图4为本实用新型涉及的手柄左视图；

图5为本实用新型涉及的手柄右视图。

图中：

1.加热测温探针 2.测温探针 3.手柄 4.数据线 11.加热丝 12.上测温点 13.下测温点 14.探针壁 15.填充砂 21.测温点 31.手持圆柱 32.安装圆柱 33.探针安装孔 34.孔道 41.加热线 42.测温线

具体实施方式

结合附图对本实用新型的用于测定冻土各向导热系数的装置加以说明。

本实用新型的用于测定冻土各向导热系数的装置的原理：基于线热源法在导热系数测定中的应用，通过测定水平三个方向和竖直二个方向的导热系数，提出了用于测定冻土各向导热系数的装置。

本实用新型的用于测定冻土各向导热系数的装置结构是，用于测定冻土各向导热系数的装置插入土体内部，并与数据采集系统相连接，该装置包括一根加热测温探针1、三根测温探针2、手柄3、数据线4，如图1所示。所述加热测温探针1的内部布置有加热丝11、上测温点12、下测温点13、探针壁14、填充砂15；如图2所示。测温探针2端部内壁设置有测温点21，测温探针2同样设有探针壁14、填充砂15；如图3所示。手柄3由手持圆柱31和安装圆柱32组成，手持圆柱31的圆面和安装圆柱32的圆面相连接，安装圆柱32上设置有四个探针安装孔33，如图4和图5所示。数据线4经手柄3孔道34和探针安装孔33与一根加热测温探针1和三根测温探针2相连接；数据线4由加热测温探针1的一组加热线41、加热测温探针1的二组测温线42和测温探针2的三组测温线42组成；将数据线4与数据采集系统相连接，即形成用于测定冻土各向导热系数的装置。

本实用新型的用于测定冻土各向导热系数装置使用时：

1)将用于测定冻土各向导热系数的装置垂直插入待测试样中，将数据线4中的一组加热线41与数据采集系统的加热电源连接；将数据线4的测温线42与数据采集系统的温度采集仪相连接。

2)分别对测温点进行编号，其中加热测温探针1的上下测温点分别命名为a、b；三根测温探针2按照顺时针命名为c、d、e。

3)采集温度数据，待数据采集系统的温度采集仪读数稳定后记录加热测温探针1和测温探针2读取的温度值，记为T_j1；随后用数据采集系统的加热电源对加热测温探针1内部的加热丝进行加热，记录加热开始开始t₁和结束时间t₂；同时记录数据采集系统的加热电源提供的电流强度I和输出电压U；待数据采集系统的温度采集仪读数再次稳定后，关闭数据采集系统的加热电源，并记录加热测温探针1和测温探针2读取的温度值，记为T_j2。

4)依据数据采集系统记录的测温点a、b、c、d、e的温度值T_a1、T_a2；T_b1、T_b2；T_c1、T_c2；T_d1、T_d2；T_e1、T_e2；结合式(1)计算冻土的导热系数，式(1)为：

式(1)中，I为电流强度，A；U为输出电压，V；t₁和t₂为加热过程开始与结束时间；T_j1和T_j2为测温点j记录的加热开始与结束时对应的温度，℃；均在步骤3)中获取。依据该方法可获取不同负温下冻土各向的导热系数，为冻土温度场的热参数选取提供保障。

通过对粉质粘土重塑试样与常规的稳态法多次多角度测试结果进行比较，提出的用于测定冻土各向导热系数的装置在水平方向的误差保持在4.4％以内，在竖直方向的误差保持在7.2％以内。精度的提高能够最大限度提升对冻土热传导性能的认识，为冻土温度场的热参数选取提供保障

以上所述仅为结合本次计算过程进行说明，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可有各种变化和更改。凡依据本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。