一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置及其测量方法
阅读说明：本技术 一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置及其测量方法 (Saturated sandy soil permeability-heat conductivity index testing device and measuring method thereof ) 是由 梁旭 曹锃 王立忠 邓禹 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于海洋岩土工程领域,具体涉及一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置及其测量方法,包括测温部和下埋部,所述下埋部上配合设置恒温热源,所述测温部上设置第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器。本发明利用恒温热源在砂土体内形成稳定分布的热场,利用温度传感器确定温度分布,基于不同渗透率–导热指数中热场分布的差异,通过砂土体渗透率,导热系数,空隙率,温度之间的关系,得到砂土体的渗透率–导热指数,适用于海底饱和砂土的渗透率–导热指数的现场原位测量,测量方法简单,效果极佳。(The invention belongs to the field of ocean geotechnical engineering, and particularly relates to a saturated sandy soil permeability-heat conductivity index testing device and a measuring method thereof. The invention utilizes the constant temperature heat source to form a stably distributed thermal field in the sandy soil body, utilizes the temperature sensor to determine the temperature distribution, obtains the permeability-heat conductivity index of the sandy soil body based on the difference of thermal field distribution in different permeability-heat conductivity indexes and through the relation among the permeability, the heat conductivity coefficient, the void fraction and the temperature of the sandy soil body, is suitable for the field in-situ measurement of the permeability-heat conductivity index of the seabed saturated sandy soil, and has simple measurement method and excellent effect.)
技术领域
本发明属于海洋岩土工程领域，具体涉及一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置及其测量方法。
背景技术
饱和多孔介质的特性，包括其渗透率及导热系数，在海洋工程的安装和运行中起着重要的指导作用。研究表面，埋于高渗透介质(10-9m2)的海底电缆的最大温度衰减比埋于低渗透多孔介质(10-18m2)的海底电缆的核心最高温度衰减超过50％。同时，介质的导热系数对于海底电缆的散热也起着重要作用。在岩土渗透率测量研究领域，目前应用比较普遍的是常水头法，变水头法及井孔注水试验法，其中常水头法及变水头法是常用的实验室测定方法，井孔注水试验法是现场原位测定方法。但是这两类测定方法存在一定的缺陷：(1)这两类方法从原理上而言不能直接测定饱和土体的渗透率；(2)实验室测定方法破坏了土体所处的客观环境，包括压力及温度条件；(3)实验室测定方法对于大范围获取砂土的渗透率存在一定的困难；(4)井孔注水试验法能获取较准确的渗透率，但试验所需的费用较高。而对于导热系数目前主要采用的测量方法主要为实验室测量方法。因此，准确的岩土的渗透率及导热系数应采取现场原位测量的方法来确定。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置及其测量方法的技术方案，用于海底饱和砂土的渗透率–导热指数的现场原位测量，反映出测量范围内砂土体的渗透及导热特性，为工程提供指导。
所述的一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置，其特征在于包括上下配合连接的测温部和下埋部，所述下埋部和测温部用以插入砂土体，所述下埋部上配合设置恒温热源，所述测温部上设置第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器，所述第三温度传感器位于中央，所述第四温度传感器和第一温度传感器分别位于第三温度传感器的上下两侧，所述第五温度传感器和第二温度传感器分别位于第三温度传感器的左右两侧。
所述的一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置，其特征在于所述下埋部为锥状结构。
所述的一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置，其特征在于所述测温部的上端配合连接支撑部，所述支撑部用以与砂土体表面相抵。
所述的一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置，其特征在于所述测温部与支撑部之间配合连接上连接部。
所述的一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置，其特征在于所述测试装置还包括热源稳压控制器、温度显示记录仪、控制单元及后处理程序模块，所述控制单元分别与热源稳压控制器、温度显示记录仪及后处理程序模块电连接，所述热源稳压控制器与恒温热源电连接，所述温度显示记录仪与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器电连接。
一种如上所述测试装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将下埋部和测温部垂直插入砂土体；
步骤二：将温度显示记录仪与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器连接，显示并记录砂土体的初始温度；将热源稳压控制器连接恒温热源，启动热源稳压控制器对恒温热源进行加热，通过热源稳压控制器确定恒温热源温度数值稳定不变，确定温度显示记录仪上第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器温度数据稳定，终止测量；
步骤三：数据导入后处理程序模块，后处理程序模块通过以下公式计算渗透率-导热指数
式中：κ–砂土体渗透率；n–砂土体孔隙率；μ–水的粘性系数,x1、x2–分别为水平方向上第五温度传感器与第三温度传感器的间距及第三温度传感器与第二温度传感器的间距；y1,y2–分别为竖直方向上第四温度传感器与第三温度传感器的间距及第三温度传感器与第一温度传感器的间距；ρf-水的密度；β–水的热膨胀系数；λ–导热系数；Tc–环境温度；T1-第一温度传感器测量得到的温度值测定的温度值；T2-第二温度传感器测量得到的温度值测定的温度值；T3-第三温度传感器测量得到的温度值测定的温度值；T4-第四温度传感器测量得到的温度值测定的温度值；T5-第五温度传感器测量得到的温度值测定的温度值；cpf–水的热容。
所述的一种测量方法，其特征在于所述步骤一中，通过液压装置将下埋部和测温部打入砂土体中。
与现有技术相比，本发明利用恒温热源在砂土体内形成稳定分布的热场，利用温度传感器确定温度分布，基于不同渗透率–导热指数中热场分布的差异，通过砂土体渗透率，导热系数，空隙率，温度之间的关系，得到砂土体的渗透率–导热指数，适用于海底饱和砂土的渗透率–导热指数的现场原位测量，测量方法简单，效果极佳。
附图说明
图1为本发明中测试装置结构示意图；
图2为本发明中测试装置的电路关系示意图；
图3为本发明中测量方法流程图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明是利用恒温热源在砂土体内形成稳定分布的热场，基于不同渗透率–导热指数中热场分布的差异，通过砂土体渗透率，导热系数，空隙率，温度之间的关系，得到砂土体的渗透率–导热指数。本发明能够用于岩土工程中饱和砂土体渗透率–导热指数的现场原位测量，反映饱和砂土体的渗透，导热特性。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参阅图1和图2，一种饱和砂土渗透率–导热指数测试装置，包括上下配合连接的测温部17和下埋部2，所述下埋部2和测温部17用以插入砂土体1，所述下埋部2上配合设置恒温热源3，恒温热源3提供一个稳定的发热体，形成测试区域的稳定温度场，所述测温部17采用酚醛树脂材料制成，其上穿设第一温度传感器6、第二温度传感器7、第三温度传感器8、第四温度传感器9和第五温度传感器10，所述第三温度传感器8位于中央，所述第四温度传感器9和第一温度传感器6分别位于第三温度传感器8的上下两侧，所述第五温度传感器10和第二温度传感器7分别位于第三温度传感器8的左右两侧。其中，五个温度传感器用于测量测试区域温度，具体选用无锡众测传感器技术有限公司的PT100铂电阻温度传感器。
继续参阅图1，所述下埋部2为锥状结构，这样设置便于下埋部2插入砂土体1中，减小砂土体1的扰动。
继续参阅图1，所述测温部17中部为三角结构，能够增强测温部17的整体刚度，同时减小入土过程中对砂土体1的扰动。
继续参阅图1，所述测温部17的上端配合连接上连接部11，上连接部11的上端配合连接支撑部12，所述支撑部12为平板结构，并且采用不锈钢材料制成，用以与砂土体1表面相抵。
此外，所述测试装置还包括热源稳压控制器14、温度显示记录仪15、控制单元18及后处理程序模块16，所述控制单元18分别与热源稳压控制器14、温度显示记录仪15及后处理程序模块16电连接，所述热源稳压控制器14与恒温热源3电连接，所述温度显示记录仪15与第一温度传感器6、第二温度传感器7、第三温度传感器8、第四温度传感器9和第五温度传感器10电连接。其中，热源稳压控制器14用于控制恒温热源3上的传感器显现稳压控制加热，具体选用厦门宇电自动化科技有限公司的AI-719型精密人工智能热源稳压控制器。温度显示记录仪15用于实时记录测试区域温度，具体选用山东虹润自动化仪表有限公司的NHR-8716型彩色温度显示记录仪。后处理程序模块16用于分析温度显示记录仪15测试得到的温度数据。
参阅图3，一种如上所述测试装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：液压装置将下埋部2和测温部17垂直插入砂土体1，利用支撑部12与砂土体1表面相抵，以对下埋部2和测温部17的插入深度进行限制；
步骤二：将温度显示记录仪15与第一温度传感器6、第二温度传感器7、第三温度传感器8、第四温度传感器9和第五温度传感器10连接，显示并记录砂土体1的初始温度；将热源稳压控制器14连接恒温热源3，启动热源稳压控制器14对恒温热源3进行加热，通过热源稳压控制器14确定恒温热源3温度数值稳定不变，确定温度显示记录仪15上第一温度传感器6、第二温度传感器7、第三温度传感器8、第四温度传感器9和第五温度传感器10温度数据稳定，终止测量；
步骤三：数据导入后处理程序模块16，后处理程序模块16通过以下公式计算渗透率-导热指数
式中：κ–砂土体渗透率，m2；n–砂土体孔隙率；μ–水的粘性系数，Pa·s；x1、x2–分别为水平方向上第五温度传感器10与第三温度传感器8的间距及第三温度传感器8与第二温度传感器7的间距，m；y1,y2–分别为竖直方向上第四温度传感器9与第三温度传感器8的间距及第三温度传感器8与第一温度传感器6的间距，m；ρf-水的密度，kg/m3；β–水的热膨胀系数，1/℃；λ–导热系数，W/(m·℃)；Tc–环境温度，℃；T1-第一温度传感器6测量得到的温度值测定的温度值，℃；T2-第二温度传感器7测量得到的温度值测定的温度值，℃；T3-第三温度传感器8测量得到的温度值测定的温度值，℃；T4-第四温度传感器9测量得到的温度值测定的温度值，℃；T5-第五温度传感器10测量得到的温度值测定的温度值，℃；cpf–水的热容，J/kg·℃。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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