本發(fā)明屬于巖土工程熱分析測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測試土體試樣熱物性參數(shù)的裝置。

背景技術(shù)：

土體的熱物性參數(shù)主要包括土體的熱導(dǎo)率、比熱容和熱擴(kuò)散率，它們在工程應(yīng)用中占據(jù)著非常重要的位置，例如需要熱絕緣技術(shù)的工程，封閉的地下建筑，污染土的熱處理，天然氣、石油管道及核廢處置設(shè)備的設(shè)計(jì)和放置，電纜的埋設(shè)，加熱和冷卻的地基改良技術(shù)，天然氣、煤及石油的勘探采掘以及淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)應(yīng)用等。然而實(shí)際工程中要較為準(zhǔn)確獲取土體的熱物性，大多借助于室內(nèi)熱物性試驗(yàn)（因?yàn)閷?shí)際工程環(huán)境較復(fù)雜，且原位測試技術(shù)擾動大、有滯后性、耗時(shí)、高成本）。特別的，目前模擬不同熱環(huán)境（主要是熱負(fù)荷）下土體熱物性的室內(nèi)試驗(yàn)鮮見報(bào)道，這是因?yàn)閷?shí)際工程應(yīng)用中，復(fù)雜多變的熱環(huán)境往往是室內(nèi)熱物性試驗(yàn)較難模擬的因素之一，但熱環(huán)境的差異對土體熱物性的影響是不容忽視的（相關(guān)研究表明，不同熱環(huán)境對土體熱物性有較大的影響）。因此，能夠真實(shí)模擬不同熱負(fù)荷環(huán)境就顯得意義重大，從而對具體工程下土體熱物性有更準(zhǔn)確的認(rèn)識。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種測試土體試樣熱物性參數(shù)的裝置。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種測試土體試樣熱物性參數(shù)的裝置，包括制樣系統(tǒng)和試驗(yàn)系統(tǒng)，制樣系統(tǒng)用來完成土體試樣的制備，試驗(yàn)系統(tǒng)用來完成不同熱負(fù)荷下土體試樣熱物性參數(shù)的測試；其中，制樣系統(tǒng)包括制樣管、外延伸管、金屬桿和小型擊實(shí)器，制樣管采用PVC管加工制成，內(nèi)徑為55.0mm，高度為90.0mm，壁厚3.0mm；外延伸管采用PVC管加工制成，內(nèi)徑為55.0mm，高度為30.0mm，壁厚3.0mm；小型擊實(shí)器由底座和擊錘組成，底座的直徑為53.0mm，高度為20.0mm，擊錘的直徑為20.0mm，高度為60.0mm，底座和擊錘均采用不銹鋼材料制成，底座焊接于金屬桿上，且套在制樣管內(nèi)，擊錘中部設(shè)置小圓孔，并通過中部的小圓孔恰好套在金屬桿上，能夠自由上下滑動；而外延伸管則是同軸線方向疊在制樣管上，用橡皮膜扎緊；制樣管提供了擊實(shí)制樣過程中對土體試樣的形狀與體積的約束，嚴(yán)格控制了制樣過程中土體試樣的初始干密度以及含水率，而外延伸管主要起到輔助擊樣的功能，即在分層擊樣過程中，松散的土樣往往會超出制樣管，將配套的外延伸管疊在制樣管上避免松散土樣散落出制樣管，保證制樣過程的精度和制樣方便；小型擊實(shí)器的作用是放置于松散土樣上對其實(shí)現(xiàn)擊實(shí)的目的，即通過擊錘抬升做自由落體運(yùn)動對底座產(chǎn)生沖擊力，從而能夠作用于松散土樣上實(shí)現(xiàn)擊實(shí)的目的；試驗(yàn)系統(tǒng)包括高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱、熱探針和KD2 Pro熱特性分析儀，高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱的內(nèi)部設(shè)置有水平的不銹鋼支架，用于放置裝有土體試樣的制樣管，熱探針通過探針線穿過高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱的側(cè)壁與KD2 Pro熱特性分析儀連接，KD2 Pro熱特性分析儀的作用是測試土體試樣的熱物性參數(shù)，即通過熱探針插入到土體試樣正中間測試其熱物性參數(shù)，并通過探針線反饋給KD2 Pro熱特性分析儀，而高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱主要是提供需求的熱負(fù)荷環(huán)境，即通過溫度編程控制功能按試驗(yàn)需求設(shè)置不同的熱負(fù)荷，從而模擬不同的熱環(huán)境工況，高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱能夠分段編程嚴(yán)格控制試驗(yàn)箱內(nèi)溫度變化快慢，溫度變化幅度，以實(shí)現(xiàn)近似模擬大部分實(shí)際熱負(fù)荷工況，高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱的長為600.0mm，寬為500.0mm，高為800.0mm。

本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，依靠制樣系統(tǒng)（包括制樣管后期的密封措施）既能夠較精確控制土體試樣的初始狀態(tài)（包括含水率和干密度等），也能夠保證試驗(yàn)過程中土體試樣的含水率和干密度不發(fā)生變化，從而更好的研究熱負(fù)荷這一變量的影響，測試結(jié)果精度較高，可為巖土工程熱分析領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供便利，便于工程運(yùn)用和大規(guī)模推廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置中制樣系統(tǒng)的主視圖。

圖2為本發(fā)明裝置中制樣系統(tǒng)的俯視圖。

圖3為本發(fā)明裝置中試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。

圖中標(biāo)記：1-底座；2-擊錘；3-制樣管；4-外延伸管；5-土體試樣；6-熱探針；7-高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱；8-KD2 Pro熱特性分析儀；9-不銹鋼支架。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中使用裝置所得的熱負(fù)荷模擬結(jié)果。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中使用裝置對桂林紅粘土熱物性進(jìn)行測試的結(jié)果。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

本實(shí)施例以桂林紅粘土處于一種熱負(fù)荷工況下的熱物性測試試驗(yàn)為例。

一種測試土體試樣熱物性參數(shù)的裝置，包括制樣系統(tǒng)和試驗(yàn)系統(tǒng)，制樣系統(tǒng)用來完成土體試樣5的制備，試驗(yàn)系統(tǒng)用來完成不同熱負(fù)荷下土體試樣5熱物性參數(shù)的測試；其中，制樣系統(tǒng)包括制樣管3、外延伸管4、金屬桿和小型擊實(shí)器，制樣管3采用PVC管加工制成，內(nèi)徑為55.0mm，高度為90.0mm，壁厚3.0mm；外延伸管4采用PVC管加工制成，內(nèi)徑為55.0mm，高度為30.0mm，壁厚3.0mm；小型擊實(shí)器由底座1和擊錘2組成，底座1的直徑為53.0mm，高度為20.0mm，擊錘2的直徑為20.0mm，高度為60.0mm，底座1和擊錘2均采用不銹鋼材料制成，底座1焊接于金屬桿上，且套在制樣管3內(nèi)，擊錘2中部設(shè)置小圓孔，并通過中部的小圓孔恰好套在金屬桿上，能夠自由上下滑動；而外延伸管4則是同軸線方向疊在制樣管3上，用橡皮膜扎緊；制樣管3提供了擊實(shí)制樣過程中對土體試樣5的形狀與體積的約束，嚴(yán)格控制了制樣過程中土體試樣5的初始干密度以及含水率，而外延伸管4主要起到輔助擊樣的功能，即在分層擊樣過程中，松散的土樣往往會超出制樣管3，將配套的外延伸管4疊在制樣管3上避免松散土樣散落出制樣管3，保證制樣過程的精度和制樣方便；小型擊實(shí)器的作用是放置于松散土樣上對其實(shí)現(xiàn)擊實(shí)的目的，即通過擊錘抬升做自由落體運(yùn)動對底座產(chǎn)生沖擊力，從而能夠作用于松散土樣上實(shí)現(xiàn)擊實(shí)的目的；試驗(yàn)系統(tǒng)包括高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7、熱探針6和KD2 Pro熱特性分析儀8，高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7的內(nèi)部設(shè)置有水平的不銹鋼支架9，用于放置裝有土體試樣5的制樣管3，熱探針6通過探針線穿過高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7的側(cè)壁與KD2 Pro熱特性分析儀8連接，KD2 Pro熱特性分析儀8的作用是測試土體試樣5的熱物性參數(shù)，即通過熱探針6插入到土體試樣5正中間測試其熱物性參數(shù)，并通過探針線反饋給KD2 Pro熱特性分析儀8，而高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7主要是提供需求的熱負(fù)荷環(huán)境，即通過溫度編程控制功能按試驗(yàn)需求設(shè)置不同的熱負(fù)荷，從而模擬不同的熱環(huán)境工況，高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7能夠分段編程嚴(yán)格控制試驗(yàn)箱內(nèi)溫度變化快慢，溫度變化幅度，以實(shí)現(xiàn)近似模擬大部分實(shí)際熱負(fù)荷工況，高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7的長為600.0mm，寬為500.0mm，高為800.0mm。

利用本實(shí)施例中測試土體試樣熱物性參數(shù)的裝置按照以下步驟進(jìn)行測試：

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃需要，將現(xiàn)場取回的桂林紅粘土風(fēng)干后碾散過2mm篩備用。

(2)按設(shè)計(jì)的紅粘土干密度和含水率計(jì)算制備一個(gè)制樣管的土體試樣5所需風(fēng)干土的質(zhì)量和加水量，將土置于塑料盆中用噴霧器分層均勻噴灑后，用塑料膜扎緊，潤濕一晝夜，使含水率分布均勻。

(3)采用小型擊實(shí)器制備土體試樣5，將潤濕一晝夜的土樣均分四次倒入制樣管3，每倒入一次即用小型擊實(shí)器擊實(shí)（先將土樣面層攤勻，再將小型擊實(shí)器底座1置于其上，推動擊錘2擊實(shí)試樣直至試樣面達(dá)到預(yù)定的高度），下一層擊實(shí)前應(yīng)先對面層進(jìn)行“拉毛”（保證土體試樣5不出現(xiàn)分層現(xiàn)象），特別要注意的是，最后一層土樣擊實(shí)時(shí)，應(yīng)先將外延伸管4套在制樣管3上，再將土樣倒入制樣管3內(nèi)重復(fù)之前的擊實(shí)工作（避免松散土樣灑落到制樣管3外）。

(4)將熱探針6插入步驟(3)制備好的土體試樣5正中心并做好密封措施（見圖3），最后將連接好的裝置放置在高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7內(nèi)的不銹鋼支架9上于室溫下養(yǎng)護(hù)24小時(shí)。

(5)重復(fù)步驟(1)~(4)，分別制備同一批次試樣，進(jìn)行以下設(shè)定熱負(fù)荷工況下的熱物性測試試驗(yàn)。

(6)通過高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7的溫度控制編程功能，設(shè)置高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7按以下熱負(fù)荷運(yùn)行（，式中T 為試驗(yàn)箱7內(nèi)的溫度，單位為℃，t 為運(yùn)行時(shí)間，單位為h 。），這種熱負(fù)荷工況描述的是溫度先隨時(shí)間線性增長，當(dāng)溫度達(dá)到某一設(shè)定最大值時(shí)即保持恒溫運(yùn)行。熱負(fù)荷工況設(shè)置完畢后運(yùn)行高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱7。

(7)通過KD2 Pro熱特性分析儀8實(shí)時(shí)采集土體試樣的熱物性參數(shù)（包括熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱容、熱阻以及土體的初始溫度）并做好記錄工作。

本實(shí)施例的裝置對桂林紅粘土試樣在設(shè)定熱負(fù)荷工況下的熱物性參數(shù)測試結(jié)果精度較高，如較接近的熱負(fù)荷（溫度）下熱物性參數(shù)仍可區(qū)別開來，可較好分析不同熱負(fù)荷下土樣熱物性的變化規(guī)律；且KD2 Pro熱特性分析儀的初始溫度測試結(jié)果同我們預(yù)設(shè)的熱負(fù)荷（溫度）的變化比較一致，可見該試驗(yàn)裝置模擬不同熱負(fù)荷工況比較準(zhǔn)確可靠；因此，該裝置能夠推廣到巖土工程熱分析的應(yīng)用中。