非穩(wěn)態(tài)溫度場人工凍土帷幕的設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種非穩(wěn)態(tài)溫度場人工凍土帷幕的設(shè)計方法，采用圓柱形坐標(biāo)系，建立非穩(wěn)定線熱源溫度場微分方程和邊界條件，將微分方程作拉普拉斯變換，轉(zhuǎn)化為貝塞爾方程，利用貝塞爾函數(shù)法計算非穩(wěn)態(tài)溫度場人工凍土帷幕。此方法只需在施工前測定出凍結(jié)壁范圍內(nèi)土體的熱導(dǎo)率λ、熱擴(kuò)散率α和熱流密度qs三個物理參數(shù)，從而得到任一點(diǎn)凍土溫度和凍結(jié)壁發(fā)育情況。此方法方便簡潔，無需預(yù)先布置電阻器檢測孔，并考慮了時間因素的影響，能夠提高計算準(zhǔn)確度，降低工程造價。
【專利說明】非穩(wěn)態(tài)溫度場人工凍土帷幕的設(shè)計方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:本發(fā)明涉及一種溫度場帷幕的設(shè)計方法，特別涉及一種非穩(wěn)態(tài)溫度場人工凍土帷幕的貝塞爾函數(shù)法。
[0002]【背景技術(shù)】:隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人民生活水平的提高，我國城市人口密度日趨增大，致使在全國各地，大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在緊鑼密鼓中進(jìn)行。如煤炭開采、地下鐵道、越江隧道以及各種類型的地下工程，這些工程往往需要在淺層地表附近，深至近千米的地下進(jìn)行施工。有時這些工程需穿過或建在水文地質(zhì)條件十分惡劣的含水地層里，有時建在高層建筑及水體之下，用普通施工方法進(jìn)行施工非常困難，甚至是行不通。
[0003]在這些工程環(huán)境背景下，凍結(jié)法作為一種能夠有效止水和抵抗部分水土壓力作用的工法越來越受到工程建設(shè)人員的重視和青睞。凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，把天然土體變?yōu)槿斯鐾?，增加其?qiáng)度和穩(wěn)定性，削弱地下水與地下工程之間的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行井筒或地下工程的掘砌施工。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)暫時改變土體性質(zhì)以加固地層。它廣泛用于礦井建設(shè)、地基基礎(chǔ)、水利工程、地下鐵道、河底隧道等工程。通常，當(dāng)?shù)叵滤}量不大，且地下水流速較小時，均可采用凍結(jié)法。
[0004]進(jìn)入二十一世紀(jì)，我國在地鐵隧道工程中大量使用凍結(jié)法進(jìn)行施工。已建的上海地鐵四號線董家渡段修復(fù)工程——破壞隧道與完好隧道對接段，滬崇蘇大通道長江隧道工程8個聯(lián)絡(luò)通道施工均采用凍結(jié)法施工。廣州地鐵三號線天河客運(yùn)站折返線隧道全長138.Sm，隧道最淺覆土埋深Sm，為單孔雙線隧道，全部采用凍結(jié)法加固，機(jī)械挖掘進(jìn)行施工。目前，凍結(jié)法已經(jīng)在北京地鐵、上海地鐵、南京地鐵、廣州地鐵和深圳地鐵等施工中得到廣泛應(yīng)用。
[0005]在凍結(jié)法施工過程中，凍結(jié)時間，冷源溫度，凍結(jié)壁范圍內(nèi)土體物理特性及凍結(jié)方式都會對凍結(jié)效果產(chǎn)生影響。因此，在進(jìn)行凍結(jié)法施工設(shè)計時，關(guān)鍵是確定凍結(jié)壁范圍內(nèi)土體的熱擴(kuò)散率、熱導(dǎo)率、熱流密度及凍結(jié)時間、凍結(jié)半徑與凍結(jié)壁溫度的關(guān)系式。
[0006]目前在使用凍結(jié)法施工時，主要采用在凍結(jié)壁周圍預(yù)先布置電阻測溫器，通過轉(zhuǎn)換器將電阻測溫器所測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送至計算機(jī)處理系統(tǒng)，建立穩(wěn)態(tài)溫度場方程，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析，推算出凍土帷幕的發(fā)育情況。此方法由于需要布置測溫孔，使用和更換測溫器，這些都會增加工程造價，并且使用穩(wěn)態(tài)溫度場方程未能考慮時間因素對凍結(jié)壁發(fā)育的影響。電阻測溫器在工作過程中會產(chǎn)生熱量，影響土體溫度測量的準(zhǔn)確度。所以利用電阻測溫器推算溫度場發(fā)育情況的方法尚不能完全解決工程實(shí)際問題，存在一定的缺陷，有待進(jìn)一步深化探討研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是針對目前人工凍結(jié)法施工中尚存在的問題，提出了一種非穩(wěn)態(tài)溫度場人工凍土帷幕的設(shè)計方法。此方法采用圓柱形坐標(biāo)系，建立非穩(wěn)態(tài)線熱源溫度場微分方程和邊界條件，將微分方程作拉普拉斯變換，轉(zhuǎn)化為貝塞爾方程，利用貝塞爾函數(shù)法計算凍土帷幕的溫度場分布，此方法使用簡便，無需預(yù)先布置電阻器檢測孔，并且考慮了時間因素對溫度場的影響，能有效地提高計算準(zhǔn)確度，可降低工程造價。[0008]非穩(wěn)態(tài)人工凍土帷幕的設(shè)計方法，通過以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0009](I)取凍結(jié)壁范圍內(nèi)原狀土進(jìn)行土力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測定出原狀土的熱導(dǎo)率X，熱擴(kuò)散率a o
[0010](2)通過凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度和凍結(jié)管直徑換算出熱流密度qs。
[0011](3)溫度場方程的建立及求解過程。按照工程實(shí)際建立方程及邊界條件:
【權(quán)利要求】
1.一種非穩(wěn)態(tài)溫度場人工凍土帷幕的設(shè)計方法，其特征在于，具體包括如下步驟: (1)取凍結(jié)壁范圍內(nèi)原狀土進(jìn)行土力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測定出原狀土的熱導(dǎo)率X，熱擴(kuò)散率a； (2)通過凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度和凍結(jié)管直徑換算出熱流密度qs; (3)采用圓柱形坐標(biāo)系，建立非穩(wěn)定線熱源溫度場微分方程和邊界條件，將微分方程作拉普拉斯變換，轉(zhuǎn)化為貝塞爾方程，利用貝塞爾函數(shù)法計算非穩(wěn)態(tài)溫度場人工凍土帷幕，求得凍土帷幕的解析式為:
【文檔編號】E02D19/14GK103669376SQ201310576486
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】蔡娜, 任旭凱, 陳陽, 蘭雪, 劉丸, 扶慶旺, 馮嬌偉, 樊磊 申請人:河南化工職業(yè)學(xué)院