一种含气土含气量原位测试装置以及触探装置

1.本发明涉及原位土体性质测试技术领域，具体涉及一种含气土含气量原位测试装置以及触探装置。


背景技术：

2.热渗效应是指随着地层中某点或某区域的温度的升高，孔隙流体压力升高明显的现象，主要原因为土颗粒和孔隙流体受热体积膨胀的差异导致了孔隙流体压力的产生和增长，但随土体热固结作用的发挥，孔隙流体压力值出现先增大而后减小的规律，并最终趋于0。
3.利用热渗效应测试含气土中含气量的原位测试装置的原理如下：利用装置加热环加热装置周围土体，引起土体中流体的膨胀，由于含气土中的流体部分包括水和气，而气体对温度的反应远高于水和土体，利用室内试验以及理论推导所建立的土体含气量与流体压力的定量关系，获得原位土体含气量。
4.目前热渗效应的研究主要集中于“地热资源的开发与利用”领域，例如能源桩，其主要针对饱和土体或非饱和土体进行进行热源热固结问题研究，也形成了例如“饱和土体圆柱形热源热固结问题的一个近似解”、“考虑热渗效应的有限热源固结近似解”、“热-水-力耦合作用下非饱和土变形特性的弹塑性模拟”等文章；以及“cn201810935522.9公开的软黏土热固结实验模型装置”、“cn201710110118.3公开的一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法”等专利方法，但以上装置主要为了建立温度与固结效应的关系，虽然本专利同样利用了热渗效应的现象，但本文的装置主要为了获得含气土含气量。
5.原位含气土的土体含气量测试是非常关键的，目前关于含气土中含气量的测试主要有“基于mip-cpt技术的海底浅层气探测方法”、“一种贯入式测试浅层气含量的装置”的原位测试装置，以上方法具有价格昂贵以及扰动大等缺点。
6.目前含气土含气量原位测试方法具有价格昂贵以及扰动大等缺点，例如：
7.(1)、例如cn201510677546.5公开的基于mip-cpt技术的海底浅层气探测方法，mip膜价格非常高，同时该方法需要母船，所以很难推广应用，其次，其对于检测气体成分非常适用，但是对于土体中的含气量不能准确估计，然而在研究土体力学性质式，单元土体内的气体含量是最重要的参数；
8.(2)、例如cn201610455222.1公开的用于原位测量海底含气土中气体含量的装置及其测量方法，需要通过在探杆上预留空腔，土体挤入空腔内，封闭空腔测试压缩波波速和最高能够压缩的体积来估计单元土体中的含气量，主要存在如下问题：1、预留空腔会对贯入杆的强度产生影响；2、在原位挤入空腔内的土体是扰动后的土体；3、该方法需要进行测试时空腔完全封闭；4、在原位测试时需要抽入和挤出土体，连续性差；
9.(3)、目前室内试验测试含气土的模量和含气量的方法主要是弯曲元法，即建立压缩波波速和土体含气量的关系，该方法要求测试单元位于接收器和发射器中间，才能接收到压缩波，在原位测试时除非采用两个杆同时贯入，在同一个探杆上无法实现该方法的应
用。
10.综上所述，应用中迫切希望能推出一种新的含气土含气量检测方法和检测装置，能不依赖复杂的仪器设备，检测费用经济，便于广泛推广和应用，满足大规模含气土含气量测试的需要。解决以上问题需要将较常用的灵敏度高的元器件集合于一个单元内，同时该单元能够搭载到目前常用的静力触探探杆上，实现非扰动贯入测试，并且采用的传感器需要的采集设备简单。
11.热渗效应虽然被早早发现，但目前应用范围有限，扩展热渗效应用于含气土含气量的定量评价，由于气体体积和压力对温度的反应远高于水和土体，其会造成总压力和孔隙水压力的大幅值升高，是检测和判断含气土的有效方法，同时如果建立含气量-温度-压力的定量关系，可以用于计算含气土中气体含量。


技术实现要素：

12.本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于热渗效应进行含气量测试，结构简单，不依赖价格高昂的母船，检测费用经济,便于广泛推广和应用的含气土含气量原位测试装置以及触探装置。
13.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
14.一种含气土含气量原位测试装置，包括机体，所述机体上设置有加热系统、土压力测试系统和水压力测试系统；
15.所述土压力测试系统包括压力腔和土压力传感器，所述压力腔具有弹性侧壁，所述土压力传感器设置在压力腔内；
16.所述水压力测试系统包括密封腔和水压力传感器，所述密封腔上开设有透水孔，所述水压力传感器设置在密封腔内。
17.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
18.一种触探装置，包括贯入杆以及若干个上述的含气土含气量原位测试装置。
19.本发明的有益效果在于：通过螺栓结构和螺纹结构连接到贯入杆上(该装置为标准尺寸)，就位后调节土压力测试系统，使压力测试面与土体紧贴，应变片复位，完成测试前准备工作。通过控制加热系统加热周围土体，温度高于周围土体，逐级加热，保证最终温度低于80℃，测试加热过程中的透水孔(水) 压、土压以及温度，到达最终加热温度后，停止加热，进行消散过程的孔压、土压以及温度。孔压和土压力大幅值提高说明土体中含有气体，通过含气量-温度-压力的定量关系，计算含气土中气体含量。
附图说明
20.图1为本发明具体实施方式的一种含气土含气量原位测试装置的示意图；
21.标号说明：1、机体；2、加热环；3、压力腔；4、土压力传感器；5、弹性侧壁；6、密封腔；7、水压力传感器；8、透水孔；9、第一温度传感器；10、第一温度校正传感器；11、第二温度校正传感器；12、活塞；13、连杆；14、步进电机；15、应变传感器；16、金属片；17、透水石；18、采集仪；19、第一信号放大器；20、第二信号放大器；21、第二温度传感器；22、静水压进入孔；23、螺栓结构；24、螺纹结构。
具体实施方式
22.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
23.请参照图1，一种含气土含气量原位测试装置，包括机体1，所述机体1上设置有加热系统、土压力测试系统和水压力测试系统；
24.所述土压力测试系统包括压力腔3和土压力传感器4，所述压力腔3具有弹性侧壁5，所述土压力传感器4设置在压力腔3内；
25.所述水压力测试系统包括密封腔6和水压力传感器7，所述密封腔6上开设有透水孔8，所述水压力传感器7设置在密封腔6内。
26.从上述描述可知，通过控制加热系统加热周围土体，温度高于周围土体，逐级加热，保证最终温度低于80℃，测试加热过程中的透水孔8(水)压、土压以及温度，到达最终加热温度后，停止加热，进行消散过程的孔压、土压以及温度。孔压和土压力大幅值提高说明土体中含有气体，通过含气量-温度-压力的定量关系，计算含气土中气体含量。
27.进一步的，所述压力腔3还设置有第一温度传感器9和第一温度校正传感器10，所述密封腔6内还设置有第二温度校正传感器11。
28.从上述描述可知，通过第一温度传感器9和第一温度校正传感器10，能够对土压力传感器4进行校正；通过第二温度校正传感器11，能够对水压力传感器7进行校正。
29.进一步的，所述土压力测试系统还包括活塞12、连杆13以及步进电机14，所述压力腔3内填充有液压油；所述压力腔3具有供活塞12运动的密封部，所述步进电机14通过连杆13与活塞12连接并带动活塞12沿密封部往复运动。
30.进一步的，所述弹性侧壁5为橡胶膜，所述橡胶膜向外一侧上开设有容纳槽，所述容纳槽内具有应变传感器15，所述应变传感器15上覆盖有金属片16。
31.从上述描述可知，所述土压力测试系统起到了保护土压力传感器4的作用，在含气土含气量原位测试装置贯入前步进电机14控制连杆13和活塞12向下运动，橡胶膜和金属片16略向内凹，应变传感器15会测试到拉伸的信号，贯入就位后，控制步进电机14推动连杆13和活塞12，通过压力腔3，使应变传感器15复位，测试土体和金属片16将紧密接触，锁死步进电机14，加热后土体压力升高，将作用于橡胶膜和薄金属片16，进而压缩液压油腔，则压差式压力传感器所测试的压力为土体压力，同时辅助以第一温度校正传感器10，对土压力传感器4进行温度校正。
32.进一步的，所述密封腔6靠近透水孔8处设置有透水石17。
33.进一步的，所述机体1上开设有静水压进入孔22，所述静水压进入孔22封闭与压力腔3、密封腔6连通。
34.从上述描述可知，通过静水压进入孔22的设置，能够将净水压力导入，主要为了适应高水压地层条件，例如深海环境，压差传感器仅测量孔压和土压改变量，所以在高背景值的情况下，可以大大提高测试精度。
35.进一步的，所述加热系统包括多个的加热环2，多个所述加热环2分布在机体1的外表面上。
36.进一步的，所述含气土含气量原位测试装置还包括采集控制系统，所述采集控制系统包括采集仪18、第一信号放大器19、第二信号放大器20以及第二温度传感器21，所述采
集仪18通过第一信号放大器19与土压力传感器4电性连接，所述采集仪18通过第二信号放大器20与水压力传感器7电性连接，所述第二温度传感器21设置在机体1的侧壁上且位于多个加热环2之间，所述第二温度传感器与采集仪18电性连接；
37.所述采集控制系统采集来自加热系统、土压力测试系统和水压力测试系统的数据并控制加热系统、土压力测试系统和水压力测试系统的工作。
38.从上述描述可知，通过第一信号放大器19、第二信号放大器20能够将微电流转换为正常的采集电压；本技术所涉电性连接采用防水电缆实现。
39.一种触探装置，包括贯入杆以及若干个上述的含气土含气量原位测试装置。
40.进一步的，所述机体1为柱体，所述机体1的顶部为突出的螺栓结构23，所述机体的底部为与螺栓结构23对应的凹陷的螺纹结构24；所述贯入杆上具有相同的螺栓结构23以及螺纹结构24；
41.所述含气土含气量原位测试装置有多个，多个所述含气土含气量原位测试装置、贯入杆通过螺栓结构23、螺纹结构24相互配合固定。
42.过螺栓结构23和螺纹结构24连接到贯入杆上(该装置为标准尺寸)，就位后调节土压力测试系统，使压力测试面与土体紧贴，应变片复位，完成测试前准备工作。
43.实施例一
44.一种含气土含气量原位测试装置，包括机体，所述机体上设置有加热系统、土压力测试系统和水压力测试系统；所述加热系统、土压力测试系统和水压力测试系统设置在机体内；机体为密封结构；
45.所述土压力测试系统包括压力腔和土压力传感器，所述压力腔具有弹性侧壁，所述土压力传感器设置在压力腔内；所述机体的侧壁上开设有供弹性侧壁与外界接触的开口。
46.所述水压力测试系统包括密封腔和水压力传感器，所述密封腔上开设有透水孔，所述水压力传感器设置在密封腔内。所述机体的侧壁上开设有供透水孔与外界连接的通道；
47.所述压力腔还设置有第一温度传感器和第一温度校正传感器，所述密封腔内还设置有第二温度校正传感器。
48.所述土压力测试系统还包括活塞、连杆以及步进电机，所述压力腔内填充有液压油；所述压力腔具有供活塞运动的密封部，所述步进电机通过连杆与活塞连接并带动活塞沿密封部往复运动。
49.所述弹性侧壁为橡胶膜，所述橡胶膜向外一侧上开设有容纳槽，所述容纳槽内具有应变传感器，所述应变传感器上覆盖有金属片。
50.所述密封腔靠近透水孔处设置有透水石。
51.所述机体上开设有静水压进入孔，所述静水压进入孔封闭与压力腔、密封腔连通。
52.所述加热系统包括两个的加热环，所述机体外周上设置有容纳加热环的槽体；两个所述加热环分布在槽体内。所述弹性侧壁、透水孔位于两个加热环之间。
53.所述含气土含气量原位测试装置还包括采集控制系统，所述采集控制系统包括采集仪、第一信号放大器、第二信号放大器以及第二温度传感器，所述采集仪通过第一信号放大器与土压力传感器电性连接，所述采集仪通过第二信号放大器与水压力传感器电性连
接，所述第二温度传感器设置在机体的侧壁上且位于多个加热环之间，所述第二温度传感器与采集仪电性连接；
54.所述采集控制系统采集来自加热系统、土压力测试系统和水压力测试系统的数据并控制加热系统、土压力测试系统和水压力测试系统的工作。
55.通过第一信号放大器、第二信号放大器能够将微电流转换为正常的采集电压；本技术所涉电性连接采用防水电缆实现。
56.实施例二
57.一种触探装置，包括贯入杆以及实施例一所述的含气土含气量原位测试装置。
58.所述机体为柱体，所述机体的顶部为突出的螺栓结构，所述机体的底部为与螺栓结构对应的凹陷的螺纹结构；所述贯入杆上具有相同的螺栓结构以及螺纹结构；
59.所述含气土含气量原位测试装置有多个，多个所述含气土含气量原位测试装置、贯入杆通过螺栓结构、螺纹结构相互配合固定。
60.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。