一种模拟不同热负荷下土体热物性参数的测试方法与流程

本发明属于岩土工程热分析测试技术领域，特别涉及一种模拟不同热负荷下土体热物性参数的测试方法。

背景技术：

土体的热物性参数主要包括土体的热导率、比热容和热扩散率，它们在工程应用中占据着非常重要的位置，例如需要热绝缘技术的工程，封闭的地下建筑，污染土的热处理，天然气、石油管道及核废处置设备的设计和放置，电缆的埋设，加热和冷却的地基改良技术，天然气、煤及石油的勘探采掘以及浅层地热能的开发应用等。然而实际工程中要较为准确获取土体的热物性，大多借助于室内热物性试验（因为实际工程环境较复杂，且原位测试技术扰动大、有滞后性、耗时、高成本）。特别的，目前模拟不同热环境（主要是热负荷）下土体热物性的室内试验鲜见报道，这是因为实际工程应用中，复杂多变的热环境往往是室内热物性试验较难模拟的因素之一，但热环境的差异对土体热物性的影响是不容忽视的（相关研究表明，不同热环境对土体热物性有较大的影响）。因此，能够真实模拟不同热负荷环境就显得意义重大，从而对具体工程下土体热物性有更准确的认识。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种模拟不同热负荷下土体热物性参数的测试方法。

具体步骤为：

(1)设置一种测试装置，包括制样系统和试验系统，制样系统用来完成土体试样的制备，试验系统用来完成不同热负荷下土体试样热物性参数的测试；其中，制样系统包括制样管、外延伸管、金属杆和小型击实器，制样管采用PVC管加工制成，内径为55.0mm，高度为90.0mm，壁厚3.0mm；外延伸管采用PVC管加工制成，内径为55.0mm，高度为30.0mm，壁厚3.0mm；小型击实器由底座和击锤组成，底座的直径为53.0mm，高度为20.0mm，击锤的直径为20.0mm，高度为60.0mm，底座和击锤均采用不锈钢材料制成，底座焊接于金属杆上，且套在制样管内，击锤中部设置小圆孔，并通过中部的小圆孔恰好套在金属杆上，能够自由上下滑动；而外延伸管则是同轴线方向叠在制样管上，用橡皮膜扎紧；制样管提供了击实制样过程中对土体试样的形状与体积的约束，严格控制了制样过程中土体试样的初始干密度以及含水率，而外延伸管主要起到辅助击样的功能，即在分层击样过程中，松散的土样往往会超出制样管，将配套的外延伸管叠在制样管上避免松散土样散落出制样管，保证制样过程的精度和制样方便；小型击实器的作用是放置于松散土样上对其实现击实的目的，即通过击锤抬升做自由落体运动对底座产生冲击力，从而能够作用于松散土样上实现击实的目的；试验系统包括高低温交变湿热试验箱、热探针和KD2 Pro热特性分析仪，高低温交变湿热试验箱的内部设置有水平的不锈钢支架，用于放置装有土体试样的制样管，热探针通过探针线穿过高低温交变湿热试验箱的侧壁与KD2 Pro热特性分析仪连接，KD2 Pro热特性分析仪的作用是测试土体试样的热物性参数，即通过热探针插入到土体试样正中间测试其热物性参数，并通过探针线反馈给KD2 Pro热特性分析仪，而高低温交变湿热试验箱主要是提供需求的热负荷环境，即通过温度编程控制功能按试验需求设置不同的热负荷，从而模拟不同的热环境工况，高低温交变湿热试验箱能够分段编程严格控制试验箱内温度变化快慢，温度变化幅度，以实现近似模拟大部分实际热负荷工况，高低温交变湿热试验箱的长为600.0mm，宽为500.0mm，高为800.0mm。

(2)根据实验计划需要，将待测的土样风干后碾散过2mm筛备用。

(3)按设计的土样干密度和含水率计算制备一个制样管的土体试样所需风干土的质量和加水量，将土置于塑料盆中用喷雾器分层均匀喷洒后，用塑料膜扎紧，润湿一昼夜，使含水率分布均匀。

(4)采用小型击实器制备土体试样，将润湿一昼夜的土样均分四次倒入制样管，每倒入一次即用小型击实器击实，即先将土样面层摊匀，再将小型击实器的底座置于其上，推动击锤击实土样直至土样面达到预定的高度，下一层击实前应先对面层进行“拉毛”，以保证制备的土体试样不出现分层现象，特别要注意的是，最后一层土样击实时，应先将外延伸管套在制样管上，再将土样倒入制样管内重复之前的击实工作，同时避免松散土样洒落到制样管外。

(5)将热探针插入步骤(4)制备好的土体试样正中心并做好密封措施，最后将连接好的装置放置在高低温交变湿热试验箱内的不锈钢支架上于室温下养护24小时。

(6)重复步骤(2)~(5)，制得同一批次的试样，进行后续不同热负荷工况下的热物性测试试验。

(7)通过高低温交变湿热试验箱的温度控制编程功能，模拟不同的热负荷环境，即按需求设置高低温交变湿热试验箱的热负荷工况，热负荷工况设置完毕后运行高低温交变湿热试验箱。

(8)通过KD2 Pro热特性分析仪实时采集土体试样的热物性参数，并做好记录工作，即实现模拟不同热负荷下土体热物性参数的测试。

本发明方法的优点：

(1)本发明方法在试样制备过程中，依靠制样系统（包括制样管后期的密封措施）既能够较精确控制土体试样的初始状态（包括含水率和干密度等），也能够保证试验过程中土体试样的含水率和干密度不发生变化，从而更好的研究热负荷这一变量的影响（控制变量的方法）。

(2)本发明方法在参数测试阶段中，依托高低温交变湿热试验箱的温度控制功能，能够实现大多实际热负荷工况的模拟。

(3)本发明方法原理简单，操作方便，可模拟不同热负荷工况，易掌握，且测试结果精度较高，可为岩土工程热分析领域的研究与应用提供便利，便于工程运用和大规模推广。

附图说明

图1为本发明所使用装置中制样系统的主视图。

图2为本发明所使用装置中制样系统的俯视图。

图3为本发明所使用装置中试验系统的示意图。

图中标记：1-底座；2-击锤；3-制样管；4-外延伸管；5-土体试样；6-热探针；7-高低温交变湿热试验箱；8-KD2 Pro热特性分析仪；9-不锈钢支架。

图4是本发明实施例中热负荷模拟结果。

图5是本发明实施例中桂林红粘土热物性测试结果。

具体实施方式

实施例：

本实施例以桂林红粘土处于一种热负荷工况下的热物性测试试验为例。

(1)设置一种测试装置，包括制样系统和试验系统，制样系统用来完成土体试样5的制备，试验系统用来完成不同热负荷下土体试样5热物性参数的测试；其中，制样系统包括制样管3、外延伸管4、金属杆和小型击实器，制样管3采用PVC管加工制成，内径为55.0mm，高度为90.0mm，壁厚3.0mm；外延伸管4采用PVC管加工制成，内径为55.0mm，高度为30.0mm，壁厚3.0mm；小型击实器由底座1和击锤2组成，底座1的直径为53.0mm，高度为20.0mm，击锤2的直径为20.0mm，高度为60.0mm，底座1和击锤2均采用不锈钢材料制成，底座1焊接于金属杆上，且套在制样管3内，击锤2中部设置小圆孔，并通过中部的小圆孔恰好套在金属杆上，能够自由上下滑动；而外延伸管4则是同轴线方向叠在制样管3上，用橡皮膜扎紧；制样管3提供了击实制样过程中对土体试样5的形状与体积的约束，严格控制了制样过程中土体试样5的初始干密度以及含水率，而外延伸管4主要起到辅助击样的功能，即在分层击样过程中，松散的土样往往会超出制样管3，将配套的外延伸管4叠在制样管3上避免松散土样散落出制样管3，保证制样过程的精度和制样方便；小型击实器的作用是放置于松散土样上对其实现击实的目的，即通过击锤抬升做自由落体运动对底座产生冲击力，从而能够作用于松散土样上实现击实的目的；试验系统包括高低温交变湿热试验箱7、热探针6和KD2 Pro热特性分析仪8，高低温交变湿热试验箱7的内部设置有水平的不锈钢支架9，用于放置装有土体试样5的制样管3，热探针6通过探针线穿过高低温交变湿热试验箱7的侧壁与KD2 Pro热特性分析仪8连接，KD2 Pro热特性分析仪8的作用是测试土体试样5的热物性参数，即通过热探针6插入到土体试样5正中间测试其热物性参数，并通过探针线反馈给KD2 Pro热特性分析仪8，而高低温交变湿热试验箱7主要是提供需求的热负荷环境，即通过温度编程控制功能按试验需求设置不同的热负荷，从而模拟不同的热环境工况，高低温交变湿热试验箱7能够分段编程严格控制试验箱内温度变化快慢，温度变化幅度，以实现近似模拟大部分实际热负荷工况，高低温交变湿热试验箱7的长为600.0mm，宽为500.0mm，高为800.0mm。

(2)根据实验计划需要，将现场取回的桂林红粘土风干后碾散过2mm筛备用。

(3)按设计的红粘土干密度和含水率计算制备一个制样管的土体试样5所需风干土的质量和加水量，将土置于塑料盆中用喷雾器分层均匀喷洒后，用塑料膜扎紧，润湿一昼夜，使含水率分布均匀。

(4)采用小型击实器制备土体试样5，将润湿一昼夜的土样均分四次倒入制样管3，每倒入一次即用小型击实器击实（先将土样面层摊匀，再将小型击实器底座1置于其上，推动击锤2击实试样直至试样面达到预定的高度），下一层击实前应先对面层进行“拉毛”（保证土体试样5不出现分层现象），特别要注意的是，最后一层土样击实时，应先将外延伸管4套在制样管3上，再将土样倒入制样管3内重复之前的击实工作（避免松散土样洒落到制样管3外）。

(5)将热探针6插入步骤(4)制备好的土体试样5正中心并做好密封措施（见图3），最后将连接好的装置放置在高低温交变湿热试验箱7内的不锈钢支架9上于室温下养护24小时。

(6)重复步骤(2)~(5)，分别制备同一批次试样，进行以下设定热负荷工况下的热物性测试试验。

(7)通过高低温交变湿热试验箱7的温度控制编程功能，设置高低温交变湿热试验箱7按以下热负荷运行（，式中T 为试验箱7内的温度，单位为℃，t 为运行时间，单位为h 。），这种热负荷工况描述的是温度先随时间线性增长，当温度达到某一设定最大值时即保持恒温运行。热负荷工况设置完毕后运行高低温交变湿热试验箱7。

(8)通过KD2 Pro热特性分析仪8实时采集土体试样的热物性参数（包括热导率、热扩散率、比热容、热阻以及土体的初始温度）并做好记录工作，即实现模拟不同热负荷下土体热物性参数的测试。

本实施例制得的桂林红粘土试样在设定热负荷工况下的热物性参数测试结果精度较高，如较接近的热负荷（温度）下热物性参数仍可区别开来，可较好分析不同热负荷下土样热物性的变化规律；且KD2 Pro热特性分析仪的初始温度测试结果同我们预设的热负荷（温度）的变化比较一致，可见该试验装置模拟不同热负荷工况比较准确可靠；因此，可将该发明方法推广到岩土工程热分析的应用中。