基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，包括步骤：一、热棒散热量判断阈值设定；二、土体融化潜热计算：对所施工多年冻土地区路基的土体融化潜热进行计算；三、热棒散热参数范围确定：根据所设定的热棒散热量判断阈值并结合土体融化潜热，对热棒散热参数范围进行确定；四、热棒结构参数及布设间距确定：根据所确定的热棒散热参数范围，对热棒进行选择，并结合所选择热棒的结构参数，对所施工多年冻土地区路基内的热棒布设间距进行确定。本发明专利技术方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，根据预先确定的土体融化潜热，且基于能量平衡原理对多年冻土地区热棒路基所用热棒结构参数及布设间距进行确定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于道路路基施工
，尤其是涉及一种基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法。
技术介绍
多年冻土指天然条件下，冻结状态持续三年或三年以上的土地。多年冻土约占地球陆地面积的26％，主要分布在高纬度或高海拔的寒冷地区。中国多年冻土约有190万平方公里，主要分布在青藏高原、大兴安岭和小兴安岭地区，以及阿尔泰山、天山、祁连山和喜马拉雅山等山地。两相重力式热虹吸管，也称热棒，是一种新型、高效的传热元件，其主要依靠内部工质的气、液相变和重力回流传输热量。热棒是一种由碳素无缝钢管制成的高效热导装置，具有独特的单向传热性能：热量只能从地面下端向地面上端传输，反向不能传热。热棒上部(即放热段，也称冷凝段)装有散热片，热棒的下部(即吸热段，也称蒸发段)直接埋入多年冻土中，冷凝段与蒸发段之间通常设置为绝热段。热棒技术作为一种“主动冷却措施”，在寒区道路工程中得到了广泛的应用。已有的实体工程监测表明，热棒技术对于保障多年冻土地区道路工程的稳定性具有重要的作用。然而，由于热棒内部结构和传热机制的复杂性，目前对于热棒的工作过程、降温效能的研究还有待加强。特别是对于热棒路基关键参数的选择基本上是依据已有工程实例和经验确定，并没有将这些参数和冻土地质条件及气候因素建立关系，主要思路还是以经验为主，取保守值施工，待施工完成后，再检测路基的温度场，考察热棒的降温效果，属“后知”型的设计思路。这种状况导致了难以预先根据具体工程条件，通过定量计算对热棒路基进行设计，对其稳定性进行准确预测，因而限制了其推广应用。综上，要科学合理的设计热棒路基，最大程度地发挥其作用，尚需要“先见型”的研究，而目前对这方面尚缺乏较为系统的总结。因此，提出系统的热棒路基参数设计方法，较为准确地计算确定热棒路基的关键设计参数，就成为一项重要而迫切的工作。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，根据预先确定的土体融化潜热，且基于能量平衡原理对多年冻土地区热棒路基所用热棒结构参数及布设间距进行确定。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、热棒散热量判断阈值设定：对所施工多年冻土地区路基的热棒散热量判断阈值c进行设定；其中，c＝0.05～0.5；步骤二、土体融化潜热计算：根据所施工多年冻土地区路基的结构参数和所处区域的气候条件，对所施工多年冻土地区路基的土体融化潜热QL'进行计算，QL'的单位为J；步骤三、热棒散热参数范围确定：根据步骤一中所设定的热棒散热量判断阈值c，并结合步骤二中计算得出的土体融化潜热QL'，对所施工多年冻土地区路基所需的热棒散热参数范围进行确定；其中，热棒散热参数范围为热棒散热量范围QFW或热棒散热功率范围PFW；QFW＝Qm～QM；Qm＝QL，QM＝(1+c)×QL；Qm和QM的单位均为J；PFW＝Pm～PM；PM＝(1+c)×PL；Pm和PM的单位均为W；t为所施工多年冻土地区路基一年内热棒的有效工作时间且其单位为s；其中，QL为单根热棒散热量设计值且其中n＝1或2；当所施工多年冻土地区路基仅在路基一侧布设热棒时，n＝1；当所施工多年冻土地区路基在路基两侧均布设热棒时，n＝2；步骤四、热棒结构参数及布设间距确定，过程如下：根据步骤三中所确定的热棒散热参数范围，对所施工多年冻土地区路基内所布设的热棒进行选择，并结合所选择热棒的结构参数，对所施工多年冻土地区路基内的热棒布设间距rf进行确定；热棒布设间距rf确定后，对所施工多年冻土地区路基内所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定，并使Pm＜P＜PM或Qm＜Q＜QM；其中Q＝P×t；对所施工多年冻土地区路基内所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定时，先对所施工多年冻土地区路基内所布设热棒的热阻Ra和所施工多年冻土地区路基内土体的热阻RS分别进行确定，Ra和RS的单位均为℃/W；再根据所确定的Ra和RS，并根据公式对所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定，P的单位为W，Q的单位为J；公式(1)中，TS为所施工多年冻土地区路基所处区域的年平均地温且其单位为℃，Ta为所施工多年冻土地区路基所处区域的年平均气温且其单位为℃。上述基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征是：步骤三中进行热棒散热参数范围确定之前，先根据所施工多年冻土地区路基所处区域的气候条件，对所施工多年冻土地区路基一年内热棒的有效工作时间t进行确定；其中，所施工多年冻土地区路基一年内热棒的有效工作时间t为所施工多年冻土地区路基所处区域一年内冷季的总时间。上述基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征是：步步骤二中根据所施工多年冻土地区路基的结构参数和所处区域的气候条件，对所施工多年冻土地区路基的土体融化潜热QL进行计算时，根据公式QL＝L0·ρd·w·A·d·103 (2)进行计算；公式(2)中，L0为冰水相变潜热且L0＝334kJ/kg，ρd为所施工多年冻土地区路基内土体的干密度且其单位为kg/m3，w为所施工多年冻土地区路基内土体的含水率或含冰率，A为所施工多年冻土地区路基的融化盘面积且其单位为m2，d＝1m。上述基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征是：对公式(2)中所述的A进行计算时，根据公式进行计算；公式(3)中，l为所施工多年冻土地区路基的路基基底宽度且其单位为m，ΔH为所施工多年冻土地区路基每年的融化深度且其单位为m。上述基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征是：对公式(3)中所述的ΔH进行计算时，根据公式ΔH＝[(a1TS+b1)H+(a2TS+b2)]·tM+[(a3TS+b3)H+(a4TS+b4)] (4)进行计算；公式(4)中，H为所施工多年冻土地区路基的高度，a1＝-0.008，a2＝0.103，a3＝0.356，a4＝-0.378，b1＝0.004，b2＝0.234，b3＝-0.277，b4＝0.549，tM为所施工多年冻土地区路基的运营时间且其单位为年，TS为所施工多年冻土地区路基所处区域的年平均地温且其单位为℃。上述基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征是：步骤四中对所施工多年冻土地区路基内所布设热棒的热阻Ra时，根据公式进行计算；公式(5)中，ACO为所选择热棒的冷凝段横断面面积且ACO的单位为m2；其中，d0为所选择热棒的外径，di为所选择热棒的内径，lC为所选择热棒的冷凝段长度，n为所选择热棒的散热翅片个数，d0、di和lC的单位均为m；αa为所选择热棒的冷凝段外部换热系数且公式(7)中，λf为所选择热棒的翅片的热传导系数且其单位为W/(m·K)，其中，为所选择热棒的翅片间距和翅片高度之比，为翅片间距与翅片厚度之比，Ref为所选择热棒外部空气的雷诺数且其中ρf为所施工多年冻土地区路基所处区域空气的密度，μf为所施工多年冻土地区路基所处区域空气的动力粘度，vf为所施工多年冻土地区路基所处区域的外界风速；Prf为所选择热棒外部空气的普朗特数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、热棒散热量判断阈值设定：对所施工多年冻土地区路基的热棒散热量判断阈值c进行设定；其中，c＝0.05～0.5；步骤二、土体融化潜热计算：根据所施工多年冻土地区路基的结构参数和所处区域的气候条件，对所施工多年冻土地区路基的土体融化潜热QL'进行计算，QL'的单位为J；步骤三、热棒散热参数范围确定：根据步骤一中所设定的热棒散热量判断阈值c，并结合步骤二中计算得出的土体融化潜热QL'，对所施工多年冻土地区路基所需的热棒散热参数范围进行确定；其中，热棒散热参数范围为热棒散热量范围QFW或热棒散热功率范围PFW；QFW＝Qm～QM；Qm＝QL，QM＝(1+c)×QL；Qm和QM的单位均为J；PFW＝Pm～PM；PM＝(1+c)×PL；Pm和PM的单位均为W；t为所施工多年冻土地区路基一年内热棒的有效工作时间且其单位为s；其中，QL为单根热棒散热量设计值且其中n＝1或2；当所施工多年冻土地区路基仅在路基一侧布设热棒时，n＝1；当所施工多年冻土地区路基在路基两侧均布设热棒时，n＝2；步骤四、热棒结构参数及布设间距确定，过程如下：根据步骤三中所确定的热棒散热参数范围，对所施工多年冻土地区路基内所布设的热棒进行选择，并结合所选择热棒的结构参数，对所施工多年冻土地区路基内的热棒布设间距rf进行确定；热棒布设间距rf确定后，对所施工多年冻土地区路基内所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定，并使Pm＜P＜PM或Qm＜Q＜QM；其中Q＝P×t；对所施工多年冻土地区路基内所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定时，先对所施工多年冻土地区路基内所布设热棒的热阻Ra和所施工多年冻土地区路基内土体的热阻RS分别进行确定，Ra和RS的单位均为℃/W；再根据所确定的Ra和RS，并根据公式对所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定，P的单位为W，Q的单位为J；公式(1)中，TS为所施工多年冻土地区路基所处区域的年平均地温且其单位为℃，Ta为所施工多年冻土地区路基所处区域的年平均气温且其单位为℃。...

【技术特征摘要】
1.一种基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、热棒散热量判断阈值设定：对所施工多年冻土地区路基的热棒散热量判断阈值c进行设定；其中，c＝0.05～0.5；步骤二、土体融化潜热计算：根据所施工多年冻土地区路基的结构参数和所处区域的气候条件，对所施工多年冻土地区路基的土体融化潜热QL'进行计算，QL'的单位为J；步骤三、热棒散热参数范围确定：根据步骤一中所设定的热棒散热量判断阈值c，并结合步骤二中计算得出的土体融化潜热QL'，对所施工多年冻土地区路基所需的热棒散热参数范围进行确定；其中，热棒散热参数范围为热棒散热量范围QFW或热棒散热功率范围PFW；QFW＝Qm～QM；Qm＝QL，QM＝(1+c)×QL；Qm和QM的单位均为J；PFW＝Pm～PM；PM＝(1+c)×PL；Pm和PM的单位均为W；t为所施工多年冻土地区路基一年内热棒的有效工作时间且其单位为s；其中，QL为单根热棒散热量设计值且其中n＝1或2；当所施工多年冻土地区路基仅在路基一侧布设热棒时，n＝1；当所施工多年冻土地区路基在路基两侧均布设热棒时，n＝2；步骤四、热棒结构参数及布设间距确定，过程如下：根据步骤三中所确定的热棒散热参数范围，对所施工多年冻土地区路基内所布设的热棒进行选择，并结合所选择热棒的结构参数，对所施工多年冻土地区路基内的热棒布设间距rf进行确定；热棒布设间距rf确定后，对所施工多年冻土地区路基内所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定，并使Pm＜P＜PM或Qm＜Q＜QM；其中Q＝P×t；对所施工多年冻土地区路基内所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定时，先对所施工多年冻土地区路基内所布设热棒的热阻Ra和所施工多年冻土地区路基内土体的热阻RS分别进行确定，Ra和RS的单位均为℃/W；再根据所确定的Ra和RS，并根据公式对所选择热棒的散热功率P或散热量Q进行确定，P的单位为W，Q的单位为J；公式(1)中，TS为所施工多年冻土地区路基所处区域的年平均地温且其单位为℃，Ta为所施工多年冻土地区路基所处区域的年平均气温且其单位为℃。2.按照权利要求1所述的基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征在于：步骤三中进行热棒散热参数范围确定之前，先根据所施工多年冻土地区路基所处区域的气候条件，对所施工多年冻土地区路基一年内热棒的有效工作时间t进行确定；其中，所施工多年冻土地区路基一年内热棒的有效工作时间t为所施工多年冻土地区路基所处区域一年内冷季的总时间。3.按照权利要求1或2所述的基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法，其特征在于：步骤二中根据所施工多年冻土地区路基的结构参数和所处区域的气候条件，对所施工多年冻土地区路基的土体融化潜热QL'进行计算时，根据公式QL'＝L0·ρd·w·A·d·103 (2)进行计算；公式(2)中，L0为冰水相变潜热且L0＝334kJ/kg，ρd为所施工多年冻土地区路基内土体的干密度且其单位为kg/m3，w为所施工多年冻土地区路基内土体的含水率或含冰率，A为所施工多年冻土地区路基的融化盘面积且其单位为m2，d＝1m。4.按照权利要求3所述的基于能量平...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪双杰，金龙，陈建兵，董元宏，彭惠，穆柯，
申请(专利权)人：中交第一公路勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61