本發明屬于熱物性測試裝置領域，涉及巖土熱物性參數測試裝置，尤其涉及一種原位巖土體熱物性參數測試一體化裝置。

背景技術：

隨著經濟的快速發展，傳統能源煤炭、石油的大力使用，一方面使得能源的消耗迅速增加，另一方面使得環境演化愈來愈惡劣。因此，對于開發一種新能源是一個必然趨勢，而地熱能具有清潔、高效、可再生、儲量巨大等優點。但是對于目前勘探原位巖土體淺層地熱能的技術設備比較有限且不成熟，大多數都是進行實驗室測試，少數能進行原位測試的一般都是先用貫入器進行成孔，然后進行熱物性參數的測試，但是這樣會導致原位土擾動和水分變化，測試數據不能反映真實情況，同時對于巖土體熱物性測試參數數據少，大部分只得出導熱系數，對于深入研究巖土體的熱物性及地溫變化有一定的局限性。

技術實現要素：

本發明針對上述現有設備及技術的不足，提供了一種原位巖土熱物性參數測試一體化裝置。

本發明所采用的技術方案是：

原位巖土熱物性參數測試一體化裝置，其特征在于，包括一個中空的圓柱筒狀的螺旋鉆桿，螺旋鉆桿底部螺紋連接有一個含孔錐形探頭，含孔錐形探頭為圓錐形且內部裝有填充物，含孔錐形探頭的頂點處開有探頭孔，螺旋鉆桿內部有可上下移動的探桿，探桿底部通過探針固定裝置連接有一根探針，探針可穿過含孔錐形探頭內的填充物從探頭孔穿出，探針和探桿內部封裝有溫度傳感器和加熱絲，加熱絲與恒壓直流電源的電源輸出端c連接，溫度傳感器與溫度接收器的數據輸入端a連接，溫度接收器的數據輸出端b和恒壓直流電源的電源輸入端d連接可編程邏輯控制器的數據輸入端e，可編程邏輯控制器的數據輸出端f與計算機連接，可編程邏輯控制器通過計算機的控制可以對加熱絲隨時加熱或停止以及對溫度傳感器進行測溫，GPS導航儀內嵌于計算機內部，螺旋鉆桿的外表面有成螺旋狀分布的間隔均勻的螺旋葉片，螺旋鉆桿通過頂部的固定鉸支座與一個機械旋轉器固定連接。

進一步的技術方案包括：

所述的機械旋轉器包括兩個對稱旋轉桿、一個圓盤和固定在圓盤底面圓心處的固定絞，兩個對稱旋轉桿的中心固定在圓盤的圓心處，兩個對稱旋轉桿之間的夾角為60°。

所述的螺旋鉆桿的長度為1000mm、直徑為30mm，所述的螺旋葉片的螺旋外徑為60mm，螺旋葉片的葉片間距為100mm。

所述的含孔錐形探頭內部的填充物為土或者中砂，所述的含孔錐形探頭底部的探頭孔孔徑為3.5mm。

所述的探桿直徑為10mm，探針的直徑為3mm，探針的長度為150mm。

所述的溫度傳感器采用PT1000鉑電阻，加熱絲采用漆包康銅絲。

本發明的有益效果：

本發明所述的原位巖土熱物性參數測試一體化裝置，僅需通過機械旋轉桿對螺旋鉆桿進行施加扭矩，從而使螺旋鉆桿以一定速度貫入土層，待鉆桿到達待測深度土層時，通過探桿作用使探針沖出含孔錐形探頭，進行原位土熱物性參數的測試，要求含孔錐形探頭內部貫入前需充填一定量的土或者中砂，防止在螺旋鉆桿貫入時土顆粒進入鉆桿導致探針受損。待某土層測試完后，通過探桿將探針提至鉆桿內部，繼續向下貫入，以同樣的方式進行測試，當達到1m深度后，螺旋鉆桿上部連接不含螺旋葉片但帶有中空的圓柱狀鉆桿繼續向下貫入并測試任一深度土層。測試時可以通過計算機控制得出數據，并處理、分析，最終得到溫度、熱擴散系數、導熱系數、比熱容值，同時利用嵌入計算機里的GPS導航儀進行自動記錄測試點位并可輸入及記錄測試地點地表環境溫度、測試時間、周圍環境、測試深度等。

附圖說明

圖1為本發明所述的原位巖土體熱物性參數測試一體化裝置的整體結構示意圖；

圖2為本發明所述的原位巖土體熱物性參數測試一體化裝置的螺旋鉆桿的結構示意圖；

圖3為本發明所述的原位巖土體熱物性參數測試一體化裝置的待測土層深度1m以上所連接鉆桿整體示意圖；

圖4為本發明所述的原位巖土體熱物性參數測試一體化裝置的機械旋轉器的平面俯視圖；

圖5為本發明所述的原位巖土體熱物性參數測試一體化裝置的機械旋轉器正視圖；

圖6為本發明所述的原位巖土體熱物性參數測試一體化裝置的數據采集系統具體連接示意圖

圖中：1.含孔錐形探頭，2.填充物，3.探針，4.探針固定裝置，5.螺旋葉片，6.探桿，7.螺旋鉆桿，8.螺紋，9.加熱絲，10.溫度傳感器，11.固定鉸支座，12.錐形探頭孔徑，13.溫度接收器，14.恒壓直流電源，15.可編程邏輯控制器，16.計算機，17.GPS導航儀，18.對稱螺旋桿，19.圓盤，20.機械旋轉器鉸支座，a.溫度接收器的數據輸入端，b.溫度接收器的數據輸出端，c.恒壓直流電源的電源輸出端，d.恒壓直流電源的電源輸入端，e.可編程邏輯控制器的數據輸入端，f.可編程邏輯控制器的數據輸出端。

具體實施方式

.原位巖土熱物性參數測試一體化裝置，包括一個中空的圓柱筒狀的螺旋鉆桿7，螺旋鉆桿7底部螺紋連接有一個含孔錐形探頭1，含孔錐形探頭1為圓錐形且內部裝有填充物，含孔錐形探頭1的頂點處開有探頭孔，螺旋鉆桿7內部有可上下移動的探桿6，探桿6底部通過探針固定裝置4連接有一根探針3，探針3可穿過含孔錐形探頭1內的填充物從探頭孔穿出，探針3和探桿6內部封裝有溫度傳感器10和加熱絲9，加熱絲9與恒壓直流電源14的電源輸出端c連接，溫度傳感器10與溫度接收器13的數據輸入端a連接，溫度接收器13的數據輸出端b和恒壓直流電源14的電源輸入端d連接可編程邏輯控制器15的數據輸入端e，可編程邏輯控制器15的數據輸出端f與計算機16連接，可編程邏輯控制器15通過計算機16的控制可以對加熱絲9隨時加熱或停止以及對溫度傳感器10進行測溫，GPS導航儀17內嵌于計算機16內部，螺旋鉆桿7的外表面有成螺旋狀分布的間隔均勻的螺旋葉片5，螺旋鉆桿7通過頂部的固定鉸支座11與一個機械旋轉器固定連接。

機械旋轉器包括兩個對稱旋轉桿18、一個圓盤19和固定在圓盤底面圓心處的固定絞20，兩個對稱旋轉桿18的中心固定在圓盤19的圓心處，兩個對稱旋轉桿18之間的夾角為60°。

螺旋鉆桿7的長度為1000mm、直徑為30mm，所述的螺旋葉片5的螺旋外徑為60mm，螺旋葉片5的葉片間距為100mm。

含孔錐形探頭1內部的填充物為土或者中砂，所述的含孔錐形探頭1底部的探頭孔孔徑12為3.5mm。

探桿6直徑為10mm，探針3的直徑為3mm，探針3的長度為150mm。

溫度傳感器10采用PT1000鉑電阻，加熱絲9采用漆包康銅絲。

一種原位巖土熱物性參數測試一體化裝置，包括貫入系統、測試系統、數據采集系統；

貫入系統利用螺旋鉆桿7通過機械旋轉器在外力的作用下，以旋轉的方式進入一定深度的待測土層，螺旋鉆桿7長1000mm，直徑為30mm，內部中空，供探桿進行無障礙上下移動，其中螺旋外徑為60mm，螺旋葉片5的葉片間距100mm。螺旋鉆桿7通過固定鉸支座與機械旋轉器連接，通過外力對兩個稱旋轉桿18進行旋轉作用，將螺旋鉆桿7貫入土層，機械旋轉器上對稱旋轉桿18長度800mm，相近兩桿角度為60°，通過有一定厚度的圓盤19固定在一起，圓盤厚度45mm。

測試系統主要封裝在探針中，探針3長150mm，直徑3mm，長徑比為50，滿足線熱源測試原理，探針3中含有加熱絲9和溫度傳感器10，在恒壓直流電源14作用下對加熱絲9進行加熱，溫度傳感器10采用PT1000鉑電阻，加熱絲9采用較細的漆包康銅絲。在中空螺旋鉆桿7底部，含孔錐形探頭1與螺旋鉆桿7連接，可以進行拆卸，含孔錐形探頭1的孔徑為3.5mm，且在進行貫入前含孔錐形探頭1中應充填一定量的土或中砂。在螺旋鉆桿7貫入待測土層深度后，通過探桿6作用使探針沖出鉆桿進行熱物性參數的測試，測試結束后，同樣在探桿6的作用下將探針提到螺旋鉆桿內部。螺旋鉆桿7長度1000mm，當待測土層大于1m深度時，在螺旋鉆桿7上部連接不含螺旋葉片但帶有中空的圓柱狀鉆桿。

數據采集系統，數據采集系統主要是利用恒壓直流電源14對加熱絲9進行加熱，溫度傳感器10對其測試溫度變化，探針3中測試數據經過外部儀器溫度接收器13轉換，連接可編程邏輯控制器15傳達到計算機16，并進行記錄、處理和分析，得出沿土層深度方向上溫度、熱擴散系數、導熱系數和比熱容值。同時通過計算機16內部嵌入GPS導航儀17可以自動記錄測試點位并可輸入及記錄測試地點地表環境溫度、測試時間、周圍環境、測試深度等。

根據非穩態線熱源法，針對于探針模型溫度響應公式為：Δθ＝Alnt+B，其中A＝q/(4πλ)，B＝(q/4πλ)·[ln(4a/r₂)-C_E]，式中，θ是過余溫度，q為加熱功率，λ為土導熱系數，a為土熱擴散系數，r在這里可以為底部探針的半徑，可直接測出，C_E為歐拉常數，值為0.57726,t為測試時間，本設備可直接通過電源提供加熱功率q，利用溫度傳感器可以測出溫度隨時間的變化，通過對土層原位測試，根據溫度與時間的變化關系，取圖像中近直線段，求得其斜率和截距，即可得到導熱系數和熱擴散系數，進一步可得體積比熱容，導熱系數λ＝q/4πA，熱擴散系數體積比熱容ρ_v＝λ/a。

本發明的使用過程：請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，本發明在貫入時，要求連接有探針3的探桿6放入螺旋鉆桿7內部，并將含孔錐形探頭1在貫入前充填一定量的土或中砂2，防止貫入時土顆粒進入探頭對探針3損傷，通過操作機械旋轉器將帶有探桿6的螺旋鉆桿7以一定速度貫入土層，當螺旋鉆桿7到達待測土層內部時，通過探桿6帶動探針3沖出鉆桿進行原位巖土熱物性的測試，在測試時可以通過計算機16對加熱系統和測溫系統進行控制，以得到該土層深度溫度隨時間的變化關系曲線，然后進一步根據測試原理計算出測試土層的原位熱物性參數，待某深度測試結束，通過探桿6作用將探針3提至鉆桿內部，繼續向下貫入，可以得到1m深度范圍內任意土層的熱物性參數。本發明在1m深度測試結束后，取下機械旋轉器，在螺旋鉆桿7上部連接上不含螺旋葉片5但帶有中空的圓柱狀鉆桿，且規格一致，通過螺紋連接，以此進行1m以下深度任意巖土熱物性的測試。本發明在采集數據時，計算機16內部嵌入GPS導航儀17可以自動記錄測試點位并可以同時輸入及記錄測試地點地表環境溫度、測試時間、周圍環境、測試深度等。通過對測試數據的處理，進行周邊環境、氣候等因素影響的修正，通過將測試點位投影在該區域地圖上，畫出不同深度溫度等值線圖，進行評價該區域巖土熱物理性質，尤其是凍土區土層的熱物性，以及對該區域溫度熱異常進行評估，對于尋找地熱資源靶區具有重要意義。