一种测试土体比热容用制样装置及其使用方法

本发明涉及土体热物性检测设备，更具体地说，涉及一种测试土体比热容用制样装置及其使用方法。

背景技术：

1、比热容是土体重要的热物理性质之一，物理意义是改变单位质量土体单位温度所吸收或放出的热量，表征着土体的蓄热能力的大小。在涉及土体传热以及温度场分析的工程中，如冻结法施工、浅层地温能提取、核废料处置库散热设计等应用，比热容都是必不可少的重要参数。

2、在土工测试中，涉及土体比热容部分普遍采用的是混合量热法，通过将土体与温度不同的溶液(通常是水)均匀混合后达到热平衡状态。该过程中高温物体释放的热量应等于低温物体吸收的热量，通过热量守恒公式计算土体比热容。实际上，混合量热法测试的是土体平均比热容，更适用于比热容不随温度变化的材料，但在不同温度下，土体比热容并不是固定不变的。

3、双针热脉冲法于上世纪九十年代被发明，并被应用于测试材料的热物性。在实验研究或者工程应用中，一般使用双针热脉冲法测试土体导热系数，而非土体比热容。原因在于：探针偏斜与双针间距波动对土体的导热系数没有较大影响，但是对比热容的测试精度影响显著。但是近年来，也有研究去探索如何利用双针热脉冲法进行土体比热容，以拓宽双针热脉冲法的应用范围。如，liu g,li b g,ren t s,et al.analytical solution of theheat pulse method in aparallelepiped sample space[j].soil science society ofamerica journal,2008.72(5):1208-1216，研究指出，理论上，2％的探针间距变化会引起比热容出现4％的相对误差，探针1°偏转甚至会导致比热容出现10％的误差；因此在使用热探针法测定土体比热容时，减小探针的间距误差和相对偏转误差具有重要意义。

4、还有学者(liu)通过对埋孔探针间距进行修正，在一定程度上提高了双针热脉冲法的比热容测试精度，但依然不能从源头上解决埋孔探针偏差问题。

5、关于如何减少探针偏斜与双针间距的误差，有通过在制样过程中设置预留孔的方式来减少热探针法误差的研究。如，申请号为2023113713398的中国专利，该申请案公开了一种散粒体材料导热特性测试用装置及方法，包括探针本体，还包括圆筒、下承台、上承台和击实装置；下承台和上承台分别与圆筒螺纹连接；下承台的顶部中心处安装有预留孔柱；击实装置的组成包括竖向管、压盘、堵头和下击实锤；压盘的外径小于圆筒的内径；压盘的中心处开设有上粗下细的连接孔；连接孔的顶端与竖向管底端螺纹连接；堵头具体为t型柱状结构，其横向部分的外径大于预留孔柱的外径并小于连接孔顶端内径；堵头竖向部分的外径、连接孔底端内径和预留孔柱的外径均相同，并不大于竖向管的内径；下击实锤套设在竖向管上；该申请案可有效避免采用钻孔手段对试样进行导热特性测试时存在的缺陷。通过设置预留孔柱等可有效的在所得试样中形成用于供探针本体插入的预留孔，且预留孔的尺寸与探针本体插入所需的尺寸一致，使得所得试样后期无须进行钻孔测试，避免了对试样进行钻孔测试时存在的缺陷。但是该预留孔柱的结构设置相对复杂，且取出预留孔柱相对困难。

6、又如，申请号为2019104779972的中国专利，该申请案公开了一种侧插探针式三轴土样制样装置及方法，包括试样顶帽、试样底座、对开模具和乳胶膜，乳胶膜顶部套装于顶帽凸台外部，乳胶膜底部套装于底座凸台外部，对开模具配合安装于乳胶膜外部，乳胶膜上开有耳环孔，对开模具上开有定位孔，对开模具的定位孔中安装有耳环，耳环由耳环部和筒体部组成，耳环部位于乳胶膜内侧，筒体部依次配合穿过耳环孔和定位孔，耳环内部安装探针传感器，探针传感器包括探针和线缆，探针置于乳胶膜的土样腔中，线缆置于耳环外部；试样顶帽开有与土样腔相连通的出水孔道，试样底座开有进水孔道。该申请案可以完成预先植入探针传感器的三轴土样制备，用于测定土样内部的应力、温度、水分、声学或应力波等特征参数。但是该申请案中预先植入探针的方式，在土样制备的过程中，可能会对探针造成损伤。

技术实现思路

1、针对现有技术中带有预留孔道的土样制样设备相对复杂的问题，本发明提供了一种测试土体比热容用制样装置及其使用方法。该方案通过提供一种相对简单的测试土体比热容用制样装置，利用该装置能够制备带预留孔道的比热容测试用土样，且该土样为一体成型。

2、为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

3、本发明第一方面提供了一种测试土体比热容用制样装置，包括：内压模具，所述内压模具包括圆柱状的模具主体，模具主体的顶部位于其中心线的两侧对应设有两个与所述中心线平行且对称分布的孔道凸起，且两个孔道凸起的一端均延伸至模具主体的顶部外缘，该孔道凸起用于在第一次压制土样时生成供低熔点合金柱放置的孔道；低熔点合金柱，所述低熔点合金柱用于在第二次压制土样时生成供探针插入的孔道；外护筒，所述外护筒的内径与内压模具的直径相匹配，其套装于内压模具，所述内压模具的高度小于外护筒的高度；以及压样器，所述压样器用于压制外护筒内部的土料。

4、进一步的，孔道凸起为半圆柱状。

5、进一步的，还包括限位器，所述限位器内壁设有沿其周向环绕的第一连接槽和第二连接槽，其中第二连接槽的内径与内压模具的直径相匹配，第一连接槽的内径与外护筒的外径相匹配。

6、进一步的，所述压样器包括压实块和限位部，压实块的直径与内压模具的直径相匹配，限位部设置在压实块的上端面，限位部的直径大于压实块的直径，所述压实块高度大于等于第二连接槽的高度。

7、进一步的，利用所述内压模具制备得到的第一试样的高度与所述模具主体的高度相同。

8、进一步的，所述内压模具采用3d打印制备。

9、本发明第一方面提供了一种上述测试土体比热容用制样装置的使用方法，包括：s1：计算所需土料的用量，将一半湿土料放置到外护筒中；内压模具孔道凸起朝下放置于外护筒中，压样器对外护筒内的土料进行压制，制得第一个试样；s2：将第一个试样以及内压模具从外护筒中取出；s3：在第一个试样放置于外护筒中，其孔道处所在面朝上，并在第一个试样的孔道处放置与其相适应的圆柱状低熔点合金柱，以作为第二个试样压制的模具；s4：将剩余的湿土料放置到外护筒的上部空腔中；压样器对外护筒内的土料进行压制，制得整体试样；s5：将制得的整体试样从外护筒中取出，加入到合金柱的熔点并倒出液态合金，得到带有孔道的一体成型的整体试样。

10、进一步的，所述s1中，在内压模具放置于外护筒之前，在外护筒的底部和内壁垫入塑料薄膜；所述s3中，在第一个试样放置于外护筒之前，在外护筒的底部和内壁垫入塑料薄膜；以及所述s3中，在第一个试样的孔道处放置与其相适应的圆柱状低熔点合金柱后，在第一个试样的表面进行刮毛处理。

11、进一步的，所述s5中，对整体试样加热在恒温恒湿箱进行。

12、进一步的，所述圆柱状低熔点合金柱的熔点为47～70℃。

13、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

14、(1)本发明通过对土样制备所用的内压模具进行优化设计，在模具主体的顶部设置两个用于在压制土样时生成用于供探针插入的孔道的两个孔道凸起，压样器下行对土样进行压制，压样器压制土料的方向与孔道凸起的轴线方向相互垂直。一方面，制备了带有侧插预留孔道的土样；另一方面，在利用第一试样作为第二个试样压制的模具时，该压制路径的设计，更有利于试样的制备，且提高土样制备的精度。此外，还能够制备得到一体成型的试样。

15、(2)本发明通过在一体成型试样的压制过程中预置低熔点合金柱，通过低温加热即可以使得低熔点合金柱熔化，然后从一体成型的试样中倒出。该种取出预置物体的方式，与传统需要通过转动来取出预置物体相比，避免了破坏孔道内壁，进一步提高孔道的精密度。同时，低熔点合金柱的熔化时间较短，液态合金在土样中的流动性较小，从而减少了液态合金在土样中的扩散，进一步减少了对土样的不利影响。