本发明属于岩土工程地基勘察技术领域，涉及一种能够精确有效的获得土体基本工程性质和热力学性质的原位测试装置，具体为一种加热型温度静力触探装置及其标定与试验方法。
背景技术：
静力触探是用准静力将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬程度不同，探头所受的阻力自然也不一样，探头上的传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基础承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的。而温度静力触探是在此基础上，在探头内装上加热电阻以及温度传感器，利用其快捷方便精确的优点，在探测地层力学性质的同时通过测量温度变化来推导热物性参数。岩土体热物性参数的准确获取是地下工程温度场计算合理性的先决条件，但现有的热物性测试方法都有其缺点：室内实验方法方便快捷、测试成本低，但其测试精度有限；岩土热响应试验可以准确反映施工现场的地质条件，能够得到较准确的土壤平均热传导系数和钻孔热阻等，但岩土热响应试验无法获得指定深度处岩土体的热物性参数。
技术实现要素：
针对上述情况，为克服当前的技术缺陷，本发明基于圆柱轴对称探针——土壤模型热传导的半解析模型测量土体热导率系数的方法，提供了一种操作方便、成本低廉且准确性高的加热型温度静力触探装置及其标定与试验方法。
本发明采取的技术方案如下：本发明一种加热型温度静力触探装置，包括测试装置、静力触探仪和数据采集与控制装置，所述测试装置和数据采集与控制装置通过导线连接，所述测试装置安装设于静力触探仪上；所述测试装置包括探杆和探头，所述探头和探杆通过螺纹连接，可根据测试需求调节所接探杆长度，所述探杆安装设于静力触探仪上，所述探杆内部设有导线，所述探头为中空圆柱状结构设置，所述探头包括壳体、中空轴和导线电缆，所述壳体设于中空轴外，所述导线电缆设于壳体上，所述探头的中空轴内设有加热模块和温度传感器，温度传感器用于观测加热和冷却过程中的温度响应曲线，所述加热模块与中空轴之间填充有回填材料，用于起隔热作用，所述加热模块的线路通过中空轴牵引出来制成集成线路，所述探杆上设有集成线路连接接口，所述集成线路通过导线与探杆的集成线路连接接口连接；所述数据采集与控制装置包括直流稳压电源，所述直流稳压电源与加热模块通过探杆内部的导线连接，所述直流稳压电源与温度传感器通过探杆内部的导线连接。
进一步地，所述温度传感器设有三组，即在探头内布置有三个测温通道和一个加热通道，便于分析加热与散热时加热模块内部的热量传输。
进一步地，所述探头连有六个接线口，六个所述接线口分别与三个温度传感器所在通道处连接。
进一步地，所述回填材料为粉末状聚四氟乙烯。
进一步地，所述壳体由隔热管和金属管间隔组成。
进一步地，所述隔热管为塑料材质，所述金属管采用导热性良好的镍铬合金材料。
进一步地，所述加热模块采用恒定功率加热方法，所述加热模块的加热上限80℃，加热上限的设定是考虑实际工程情况与探头实际情况所设置的；
进一步地，所述数据采集与控制装置还包括静探微机和加热型温度静力触探试验仪，所述数据采集与控制装置和加热模块以及温度传感器通过导线相连。
一种加热型温度静力触探装置的标定与试验方法，具体包括下列步骤：
步骤1，准备所需测试类型的土体以及标定与试验所需仪器设备；
步骤2，将探头安装于探杆上，并将探头和探杆组成的测试装置安装于静力触探仪上，通过导线将测试装置和静探微机以及加热型温度静力触探试验仪连接，同时对仪器进行调试；
步骤3，启动静力触探仪，在静力触探仪的作用下将探头打入土体；
步骤4，待探头打入指定深度后，打开加热开关，控制加热模块工作，加热模块将探头加热并保持在设定温度，从而得到加热至一定温度时的土体温度响应曲线，然后，关闭加热开关，通过静探微机和加热型温度静力触探试验仪分析散热响应曲线。
采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本发明一种加热型温度静力触探装置及其标定与试验方法，基于圆柱轴对称探针——土壤模型热传导的半解析模型和pso数据解译理论提供的加热型温度静力触探探头，能够在室内快速准确获得在探头的加热过程中试验土体的温度响应曲线，并基于此探头得到一种新的获得待测土体热导系数的室内试验方法；与原位测试相比，其测试范围广泛，可任意改变某一土体参数便于准确分析参数影响；模拟加压环境，可测试任意土体深度处的热物参数，还解决了室内试验测试精度不高的问题，且测试方法操作简单、节省成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明一种加热型温度静力触探装置及其标定与试验方法的探头的结构示意图；
图2为本发明一种加热型温度静力触探装置及其标定与试验方法的探头壳体的结构示意图；
图3为本发明一种加热型温度静力触探装置及其标定与试验方法的探头的剖视结构示意图；
图4为本发明一种加热型温度静力触探装置及其标定与试验方法探头标定曲线图。
其中，1、探头，2、壳体，3、中空轴，4、导线电缆，5、加热模块，6、温度传感器，7、隔热管，8、金属管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1～4所示，本发明采取的技术方案如下：本发明一种加热型温度静力触探装置，包括测试装置、静力触探仪和数据采集与控制装置，所述测试装置和数据采集与控制装置通过导线连接，所述测试装置安装设于静力触探仪上；所述测试装置包括探杆和探头1，所述探头1和探杆通过螺纹连接，可根据测试需求调节所接探杆长度，所述探杆安装设于静力触探仪上，所述探杆内部设有导线，所述探头1为中空圆柱状结构设置，所述探头1包括壳体2、中空轴3和导线电缆4，所述壳体2设于中空轴3外，所述导线电缆4设于壳体2上，所述探头1的中空轴3内设有加热模块5和温度传感器6，温度传感器6用于观测加热和冷却过程中的温度响应曲线，所述加热模块5与中空轴3之间填充有回填材料，用于起隔热作用，所述加热模块5的线路通过中空轴3牵引出来制成集成线路，所述探杆上设有集成线路连接接口，所述集成线路通过导线与探杆的集成线路连接接口连接；所述数据采集与控制装置包括直流稳压电源，所述直流稳压电源与加热模块5通过探杆内部的导线连接，所述直流稳压电源与温度传感器6通过探杆内部的导线连接。
其中，所述温度传感器6设有三组，即在探头1内布置有三个测温通道和一个加热通道，便于分析加热与散热时加热模块5内部的热量传输。
所述探头1连有六个接线口，六个所述接线口分别与三个温度传感器6所在通道处连接。
所述回填材料为粉末状聚四氟乙烯。
所述壳体2由隔热管7和金属管8间隔组成。
所述隔热管7为塑料材质。
所述金属管8采用导热性良好的镍铬合金材料。
所述加热模块5采用恒定功率加热方法，所述加热模块5的加热上限80℃，加热上限的设定是考虑实际工程情况与探头1实际情况所设置的；
所述数据采集与控制装置还包括静探微机和加热型温度静力触探试验仪，所述数据采集与控制装置和加热模块5以及温度传感器6通过导线相连。
一种加热型温度静力触探装置的标定与试验方法，具体包括下列步骤：
步骤1，准备所需测试类型的土体以及标定与试验所需仪器设备；
步骤2，将探头1安装于探杆上，并将探头1和探杆组成的测试装置安装于静力触探仪上，通过导线将测试装置和静探微机以及加热型温度静力触探试验仪连接，同时对仪器进行调试；
步骤3，启动静力触探仪，在静力触探仪的作用下将探头1打入土体；
步骤4，待探头1打入指定深度后，打开加热开关，控制加热模块5工作，加热模块5将探头1加热并保持在设定温度，从而得到加热至一定温度时的土体温度响应曲线，然后，关闭加热开关，通过静探微机和加热型温度静力触探试验仪分析散热响应曲线。
表1为探头标定记录表及标定曲线图。
表1
要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物料或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物料或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同。
1.一种加热型温度静力触探装置，其特征在于，包括测试装置、静力触探仪和数据采集与控制装置，所述测试装置和数据采集与控制装置通过导线连接，所述测试装置安装设于静力触探仪上；所述测试装置包括探杆和探头，所述探头和探杆通过螺纹连接，所述探杆安装设于静力触探仪上，所述探杆内部设有导线，所述探头为中空圆柱状结构设置，所述探头包括壳体、中空轴和导线电缆，所述壳体设于中空轴外，所述导线电缆设于壳体上，所述探头的中空轴内设有加热模块和温度传感器，所述加热模块与中空轴之间填充有回填材料，所述加热模块的线路通过中空轴牵引出来制成集成线路，所述探杆上设有集成线路连接接口，所述集成线路通过导线与探杆的集成线路连接接口连接；所述数据采集与控制装置包括直流稳压电源，所述直流稳压电源与加热模块通过探杆内部的导线连接，所述直流稳压电源与温度传感器通过探杆内部的导线连接。
2.根据权利要求1所述的一种加热型温度静力触探装置，其特征在于，所述温度传感器设有三组。
3.根据权利要求2所述的一种加热型温度静力触探装置，其特征在于，所述探头连有六个接线口，六个所述接线口分别与三个温度传感器所在通道处连接。
4.根据权利要求1所述的一种加热型温度静力触探装置，其特征在于，所述回填材料为粉末状聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的一种加热型温度静力触探装置，其特征在于，所述壳体由隔热管和金属管间隔组成。
6.根据权利要求5所述的一种加热型温度静力触探装置，其特征在于，所述隔热管为塑料材质，所述金属管采用导热性良好的镍铬合金材料。
7.根据权利要求1所述的一种加热型温度静力触探装置，其特征在于，所述加热模块采用恒定功率加热方法，所述加热模块的加热上限80℃。
8.根据权利要求1所述的一种加热型温度静力触探装置，其特征在于，所述数据采集与控制装置还包括静探微机和加热型温度静力触探试验仪，所述数据采集与控制装置和加热模块以及温度传感器通过导线相连。
9.一种加热型温度静力触探装置的标定与试验方法，其特征在于，具体包括下列步骤：
步骤1，准备所需测试类型的土体以及标定与试验所需仪器设备；
步骤2，将探头安装于探杆上，并将探头和探杆组成的测试装置安装于静力触探仪上，通过导线将测试装置和静探微机以及加热型温度静力触探试验仪连接，同时对仪器进行调试；
步骤3，启动静力触探仪，在静力触探仪的作用下将探头打入土体；
步骤4，待探头打入指定深度后，打开加热开关，控制加热模块工作，加热模块将探头加热并保持在设定温度，从而得到加热至一定温度时的土体温度响应曲线，然后，关闭加热开关，通过静探微机和加热型温度静力触探试验仪分析散热响应曲线。
技术总结