一种触探式地层热物性测试仪及使用方法与流程

本发明属于岩土工程能源岩土技术领域，涉及一种适用于分层岩土体热物性测试仪器，并进一步包含其测试原理及方法。

背景技术：

浅层地热能作为重要的清洁绿色能源，成为我国能源开发战略的重要发展方向之一。目前，地源热泵和其他诸如能量桩、能源地下连续墙、能源隧道等多种能源地下结构是浅层地热能的主要利用方式。在能源地下结构的设计中，岩土体热物性参数的测试精度决定了岩土层的储热性能、导热性能以及其他热力性质，对能源地下结构设计结果极为重要。

岩土层热物性参数包括热导率、比热容和热扩散系数。目前，热物性参数的测试主要通过实验室测试和现场热响应试验获取，实验室测试法主要包括稳态热流法和非稳态热流法。在现场热响应测试中，通常首先在测试场地钻孔布管，提供一个稳定的加热功率，记录进出水口温度随时间变化图。在地下换热管和岩土体传热过程中，管内循环流体温度逐渐升高，并达到传热平衡。热响应测试通常以传热理论公式为基础，在对数时间坐标下通过最小二乘法拟合斜率，计算土壤的导热系数，进而推导出比热容和热扩散率。然而值得注意的是，目前热响应试验有几个值得注意的问题。首先，热响应测试所测得热物性参数是一定深度土体的综合参数。实际工程中，不同岩土体成分不同，岩体和土体错综夹杂，不同地层之间的热物性差异有时候会很大；其次对于某些埋管较深的能量桩或竖向埋管地源热泵，进行设计的时候需要考虑深层岩土体的热物性参数，而传统的热响应测试此时较难满足要求。

因此，本发明针对上述问题，利用远程遥控及信号传输技术，提供一种可准确、便捷测试深部岩土体热物性测试仪器及其测试方法。

技术实现要素：

本发明针对现有热响应测试仪器的不足之处，利用远程遥控及信号传输技术，提供一种可准确、便捷测试深部岩土体热物性测试仪器及其测试方法，可便捷、准确地测得分层岩土体某一预选深度的热物性参数。

本发明的技术方案：

一种触探式地层热物性测试仪，包括作动系统、探头系统和无线信号系统；

所述的作动系统包括缆绳1、外壳2、固定装置3、壳内固定装置4、控制装置5、动力装置6和壳下固定装置13；所述的固定装置3对称设置于外壳2两侧，使用时贴紧测试土体16的孔壁18，起到固定作用；所述的缆绳1位于外壳2的顶部，其将触探式地层热物性测试仪置于钻孔17内；所述的壳内固定装置4、控制装置5和动力装置6位于外壳内部，壳内固定装置4用于固定控制装置5，控制装置5起到总控作用，同时对动力装置6传输操控指令；所述的壳下固定装置13位于钻孔17的底部，其对测试起到稳定作用；

所述的探头系统包括旋转作动装置7、法兰轴承装置8、水平向作动装置9、定功率加热探头10、测温探头11、信息采集模块12、信息存储模块14和导轨卡槽19；所述的旋转作动装置7固定在外壳2的底部，作动系统的动力装置6对旋转作动装置7进行控制；旋转作动装置7用于控制位于外壳2外部的水平向作动装置9、定功率加热探头10和测温探头11按照设定角度，绕法兰轴承装置8进行旋转；所述的法兰轴承装置8一端与旋转作动装置7连接，另一端与壳下固定装置13连接；所述的水平向作动装置9固定在法兰轴承装置8上，定功率加热探头10和测温探头11分别水平固定在水平向作动装置9中；所述的水平向作动装置9将定功率加热探头10和测温探头11平行贯入到土体某一深度，定功率加热探头10对土体加热，测温探头11实时记录温度变化数据；所述的信息采集模块12和信息存储模块14相连，分别用于记录和储存测试过程中产生的信息，信息采集模块12位于外壳2的外部，信息存储模块14位于外壳2内部；

所述的定功率加热探头10和测温探头11之间的距离通过设置在水平向作动装置9内部的导轨卡槽19进行调整。

所述的无线信号系统由大功率无线信号传输装置15构成，大功率无线信号传输装置15安装于外壳2的内部，其与信息存储模块14相连，存储于信息存储模块的测试信息通过大功率无线信号传输装置进行信号传输，经接收终端接收信号后，实时了解钻孔17下测试过程和结果。

所述的外壳2内所有装置和模块均由固定装置3进行固定和连接。

所述的定功率加热探头10为整体发热。

本发明的有益效果：对不同深度地层的热物性进行分层测试，测试结果更趋近于真实情况；可在不同岩土体、任意深度、不同温度和含水率的钻孔下进行测试，对土体扰动小，测试精度高；通过无线传输技术，帮助测试人员实时掌握测试过程。本发明集成度和智能化程度高，小巧灵活，操作简便，在能源岩土领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的整体布置示意图；

图2是本发明定功率加热探头、测温探头与作动装置传动连接示意图；

图中：1缆绳；2外壳；3固定装置；4壳内固定装置；5控制装置；6动力装置；7旋转作动装置；8法兰轴承装置；9水平向作动装置；10定功率加热探头；11测温探头；12信息采集模块；13壳下固定装置；14信息存储模块；15大功率无线信号传输装置；16测试土体；17钻孔；18孔壁；19导轨卡槽。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围不仅仅局限于本实施方式的描述。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护范围之内。

如图1所示为本发明的触探式地层热物性测试仪示意图，包括作动系统、探头系统和无线信号系统。所述的作动系统包括缆绳1、外壳2、固定装置3、壳内固定装置4、控制装置5、动力装置6和壳下固定装置13。所述的固定装置3对称设置于外壳2两侧，使用时贴紧孔壁18，起到固定作用；所述的缆绳1可将测试仪器置于钻孔17测试深度；所述的控制装置5起到总控作用，可对动力装置6传输操控指令；所述壳下固定装置13对测试起到稳定作用。

所述的探头系统包括旋转作动装置7、法兰轴承装置8、导轨卡槽19、水平向作动装置9、定功率加热探头10、测温探头11、信息采集模块12和信息存储模块14。所述的旋转作动装置可控制水平向作动装置9、定功率加热探头10和测温探头11按照设定角度，绕法兰轴承装置8进行旋转；所述的水平向作动装置9可将定功率探头10和测温探头11平行贯入到土体某一深度，而后定功率加热探头10对土体加热，测温探头11实时记录温度变化数据；所述的信息采集模块12和信息存储模块14可记录和储存测试过程中产生的信息；所述的定功率加热探头10和测温探头11之间的距离可通过导轨卡槽19进行调整。

所述的无线信号系统由大功率无线信号传输装置15构成。存储于信息存储模块14的测试信息可通过大功率无线信号传输装置15进行信号传输，经接收终端接收信号后，可实时了解钻孔17下测试过程和结果。

优选地，所述的壳内所有装置和模块均由壳内固定装置4进行固定和连接。

特别地，所述定功率发热探头10为整体发热。

一种触探式地层热物性测试仪的使用方法，步骤如下：

(1)首先，在待测试岩土体场地钻孔17；其次调试仪器，确保仪器工作正常，将触探式地层热物性测试仪置于预选深度；而后，将触探式地层热物性测试仪与孔壁18之间通过固定装置3进行固定。

(2)设定旋转角度，启动动力装置6，驱动旋转作动装置7，使得定功率加热探头10和测温探头11旋转至固定方向；驱动法兰轴承装置8，将定功率加热探头10和测温探头11沿着导轨卡槽19调整至设定距离；驱动水平向作动装置9，使得定功率加热探头10和测温探头11平行匀速降压入孔壁18测试点处，达到设定时间后(多于10h)，收回定功率加热探头10和测温探头11，测试结束。

(3)测试过程中，测试日志信息均全程实时记录于信息采集模块12，并进行处理；处理后的测试数据由信息存储模块14进行存储，可通过大功率无线信号传输装置15发送至地面试验人员，即可得知所测预选深度的地层热物性。

本发明同时对信息采集模块12中信息处理过程进行进一步的说明，其具体处理步骤如下：

(1)根据无限长热源模型，得t时刻距离热源任意距离r处温度变化为：

其中，当时间大于10h时：

式中：γ为欧拉常数，取为0.577216；

r为测试点与热源之间距离；

q为加热探头功率；

λs为所测地层导热系数；

αs所测地层的热扩散率；

t1所测地层初始温度；

t2所测地层温度变化。

(2)将(1)中方程进行变形，可得：

即地层所测温度t2与时间对数ln(t)之间呈现直线关系：

t2＝aln(t)+b

其中，

通过测得t2与时间对数ln(t)之间的关系曲线即可得到所测地层热物性：

式中，cs为所测地层比热容；ρs为所测地层密度。