[发明专利]温控各向异性土体热物性联合测试装置及测试方法

说明书

本发明涉及温控各向异性土体热物性联合测试装置及测试方法。测试装置包括恒温水箱、隔热材料、2个传热容器、试样筒、带加热线圈的绝热圆柱体、2个金属导热片、温度传感器、温控开关、温度采集仪和计算机；利用已知热物性的金属导热片和温度传感器制成热通量传感器；在试验台上，依次放置传热容器Ⅱ、嵌有温度传感器的金属导热片Ⅱ、装有土样的试样筒、嵌有温度传感器的金属导热片Ⅰ和传热容器Ⅰ，并在外侧设置隔热材料。测试装置可以获得土样横向和纵向热物性参数，且具有结构简单、操作简单、数据获得简便、费用低和精度高等优点。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及温控各向异性土体热物性联合测试装置及测试方法。

背景技术

随着全球能源危机以及环境问题的日益加剧，“煤荒”、“油荒”、“电荒”等资源紧缺问题已经越发频频出现，现有的常规能源和相对较低的一次能源利用率已经很难满足国民经济的快速增长。近年来，地热能、太阳能、风能等可再生能源获得了蓬勃发展，这些可再生能源不仅可以节约化石能源，而且能减少污染的排放。依托桩基、地下连续墙以及隧道等地下结构工程，埋设传热管形成能源地下结构，在承担传统结构荷载的同时，起到地埋管换热器的功用。能源地下结构可以充分利用建筑物地下结构的地下空间，减少埋管的占地空间和钻孔费用，逐渐在实际工程中获得一定的推广应用。能源地下结构设计与计算离不开土体热物性参数；土体热物性参数不仅受含水率、矿物质、相对密度、粒径等因素影响，而且与土体的各向异性相关。基于KD2热针法的测试仪器等作为目前国内外常用热物性测试仪器，具有快速、便捷等技术特点，但是仪器成本价格相对昂贵、只能测定单向土体的热物性参数。热物性参数，包括导热率、热扩散率、比热以及热阻。

在本发明之前，中国专利“一种测试土样热物性参数的装置”(CN106353359A)介绍了一种基于KD2Pro的室内测试土体热物性装置；该装置可以完成试样制备、试样热物性参数测试，且具有结构简单、操作方便、精读高等技术优点。中国专利“一种非饱和土热物性参数测试系统”(CN105784761A)介绍了一种测量非饱和土热物性参数的装置与测试方法，该方法可以测量非饱和土的热物性参数。但是，这些装置无法控制所测试试样的温度、且仅能单独测量土样一个方向上的热物性参数，即无法同时测定各向异性土样的多向热物性参数。因此，研发一种可以测试各项异性土体热物性参数、且价格低廉的热物性测试仪显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，同时测得土体竖向和横向的土体导热系数，提出一种温控条件下各向异性土体竖向和横向热物性联合测试装置及测试方法；该测试装置与方法不仅适用于饱和土体、也适用于非饱和土体。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：温控各向异性土体热物性联合测试装置，其特征在于，包括从上到下依次紧挨设置的供热元件Ⅰ、金属导热片Ⅰ、试样筒、金属导热片Ⅱ和供热元件Ⅱ，所述金属导热片Ⅰ和金属导热片Ⅱ的上下两面均嵌有温度传感器，所述供热元件Ⅰ和供热元件Ⅱ用于为土样提供稳定热量，所述试样筒用于装土样，带温度可控加热线圈的绝热圆柱体设于试样筒中用于加热土样，试样筒内壁设有温度传感器，金属导热片Ⅰ和金属导热片Ⅱ内的温度传感器以及试样筒内壁的温度传感器均与温度采集仪、计算机相连。

进一步地，所述供热元件Ⅰ包括传热容器Ⅰ、与传热容器Ⅰ的进水口和出水口相连的恒温水箱Ⅰ，所述供热元件Ⅱ包括传热容器Ⅱ、与传热容器Ⅱ的进水口和出水口相连的恒温水箱Ⅱ，所述传热容器Ⅰ设于所述金属导热片的上面，传热容器Ⅱ设于金属导热片Ⅱ的下面。

进一步地，在供热元件Ⅱ、金属导热片Ⅱ、试样筒、金属导热片Ⅰ和供热元件Ⅰ的外侧都设置隔热材料，隔热材料内径与相应位置的供热元件Ⅰ、试样筒及供热元件Ⅱ的外径一致。

进一步地，所述试样筒内的土样与水头管连通，所述水头管用于控制土样的饱和状态。