适用于薄层土的热环静力触探原位测试探头及测试方法
知识产权简介
本发明公开了一种适用于薄层土的热环静力触探原位测试探头及其工作方法，测试探头包括：设计了具有圆环加热结构的热环模块，并配合常规孔压静力触探模块、探头金属外壁、传输线缆和隔热段。所述热环模块和常规孔压静力触探模块安装设置于静力触探探头金属外壁上，并通过连接段对接，探头内部穿设传输线缆对各测试模块进行控制并输出采集数据。所述热环模块采用高度1 cm的环形结构设计，集成温度传感器、加热丝、防水密封圈、加热感应线圈、测温感应线圈和荷载柱，可实现对薄层土的加热控制和热参数感知，并在热环模块上下设置隔热段；所述常规孔压静力触探模块包括60°标准锥尖、摩擦筒、环形透水石、孔压连接块、连接柱、锥尖阻力传感器、侧壁摩阻力传感器和孔压传感器，同步采集锥尖阻力、侧壁摩阻力及孔压，并公开了所述热环静力触探原位测试探头的工作方法。本发明可同步获取力学参数与热学参数，兼具结构紧凑的优势，解决了传统温度静力触探探头加热模块过长、加热范围分散的问题，适用于各类土体尤其是复杂土体分层中薄层土的原位力学热学综合勘察，为岩土工程传热问题分析提供可靠的数据支撑。
转化前景
本申请基于适用于薄层土的热环静力触探原位测试探头，其通过在热环模块上下及温度传感器安装端设置隔热段，并结合防水密封圈的防护作用，既阻断了热量沿探头轴向的无效传导，又避免了地下水侵入对测试精度的干扰，确保了热参数感知的准确性与稳定性；此外，该探头将热环模块与常规孔压静力触探模块通过连接段模块化集成，能够同步获取薄层土体的热学参数与力学参数，为岩土工程中薄层土的综合勘察提供了高效、精准的原位测试手段，尤其适用于地下高压电缆散热设计、地热资源开发利用及冻土区地基热稳定性分析等复杂工程场景；因此，具有良好的应用前景，具体包括： 1、 地热资源开发与浅层地温能领域： 在浅层地埋管换热器设计时，需要准确获取不同深度土层的导热系数，特别是当存在薄层砂土与黏土交替分布时，不同土层的热物性差异显著影响换热效率； 传统测试方法（如热响应试验）只能获取整个地层的平均导热系数，无法区分薄层土的热学贡献。 通过本申请的技术方案后，可通 1cm 高的热环模块对每个薄层土逐一进行集中加热测试，精准获取各薄层的独立导热系数，为地埋管换热器的精细化设计提供数据支撑，有效提升系统换热效率并降低投资风险。 2、 寒区冻土工程： 在青藏铁路、输油管道及寒区公路建设中，冻土的热稳定性是工程安全的关键。冻土区往往存在活动层、多年冻土层及其间的过渡薄层，各层热物性差异巨大。 通过本申请能够在现场原位对各薄层冻土进行加热测试，获取其导热系数、热容等参数，并通过同步采集的力学参数（锥尖阻力、侧壁摩阻力）判断冻土强度。这有助于准确预测地基在气候变暖条件下的融化沉降量，为工程保温措施设计提供科学依据，有效防止因冻土退化导致的路基不均匀沉降等工程病害。 3、 深空星表土壤原位勘察： 在月球、火星等星体表面，其表层土壤（风化层）往往呈分层结构，其中不乏薄层区域（如不同粒径的沉积薄层），且昼夜温差极大，热学性质是评价星表环境与资源利用潜力的关键参数。 通过本申请可实现对星表薄层土壤的原位精准加热与热学参数获取，同步获取力学参数。这有助于判断星壤的工程性质、评估其作为原位资源（如水冰提取）的利用价值，为未来深空基地选址和资源利用提供科学决策依据。 因此，本申请提出的基于适用于薄层土的热环静力触探原位测试探头具有广阔的产业化应用前景，可以应用于地热资源开发与浅层地温能领域、寒区冻土工程、深空星表土壤原位勘察，实现了对薄层土区域的小范围集中加热和温度感知，解决了传统加热结构加热范围分散、无法适配薄层土测试的技术难题。