[发明专利]矩形桩冻结壁设计的分离变量法

说明书

技术领域

本发明涉及一种温度场的检测方法，特别涉及一种矩形桩冻结壁设计的分离变量法。

背景技术

人工地层冻结施工法是利用人工制冷的方法，降低土体的温度使含水土层形成不透水的冻土墙，从而在预期要开挖的区域外侧构筑起稳定且不透水的结构，用此结构来维护开挖面周围的土体稳定，抵抗周围土体压力和水压力，防止地下水入侵。

今年来人工地层冻结技术越来越多的被应用到复杂地质条件下的煤矿工程、地下铁道、建筑物基础工程、港口海岸及近海工程、水工工程等中，尤其是在河岸海岸地区，由于地下水位埋深较浅而且地层软弱，在这种复杂环境中施工，正常的施工方法不能维持周围土体稳定，人工冻结技术能够成功的克服在这种特殊环境中施工的各中困难。

在国外，美国维斯康森州密沃基市的输洪大直径深隧道工程，西班牙巴伦西亚的地铁建设工程，俄罗斯圣彼得堡地铁工程，德国慕尼黑地铁工程，日本名古屋市地下输电隧道工程等等均成功的应用了冻结法施工。20世纪90年代以来我国先后在北京地铁“复—八”线大北窑车站南隧道段，上海地铁2号线，天津地铁过子牙河段，上海地铁8号线曲阳路站到虹口足球场站区间隧道联络通道，润扬大桥南锚碇基础施工，广州地铁3号线天河客站折返线等工程中成功应用了人工冻结地层加固技术。冻结法施工的关键是冻结壁，冻结壁的强度和稳定性主要取决于冻结壁的温度场的特性。在冻结的不同时段，不同土层的温度场特性是不同的。冻结管的分布形式不同，温度场的特征也是不同的。在施工中往往会因为冻结壁的整体强度不同，而发生冻结管断裂，结构物压裂等造成重大的工程事故，所以对施工中冻结壁的温度场进行实时检测是冻结法施工的关键内容。冻结管的分布形式决定了温度场的形式，如冻结管排成圆形的其温度场按圆形排列，冻结管排成矩形时其温度场程现不规则的矩形排列。圆形和矩形其温度场计算的原理形同，计算过程不同。

在施工中一般是在冻结器圈径的内外侧设置3—5个测控，用电阻起测量各个测温孔的温度，温度转化为数字信号传送至中央处理器依据相应的程序得出整个冻结器的内外两侧的温度场并计算出冻结壁的厚度，由此来掌握冻结壁的温度场的发展状况。但是在实践中采用电阻法测量得到的温度与实际温度有偏差，这是因为电阻器在通电时会产生一部分热量来抵消实际的温度，并且随着时间的推移电阻会由于外界环境的变化而腐蚀等等，由此影响最终的测量结果。电阻法可以测量大量的数据，其中大量的数据具有重复性，并且在计算时耗费大量的时间。电阻器不能长时间使用，必须经常更换导致施工中必须多备这种测量工具，增加了使用成本，所以利用电阻率检测的数据尚不能完全解决工程实际问题。

发明内容

本发明是针对现在检测方法不能完全解决工程实际问题，提出了一种矩形桩冻结壁设计的分离变量法，应用拉普拉斯方程，采用分离变量法适时的计算矩形桩的温度场的方法，它能有效的提高准确率，计算简单易于使用。

本发明的技术方案为：一种矩形桩冻结壁设计的分离变量法，具体包括如下步骤：

1）在冻结壁周圈钻环形孔成一圈或多圈6—15个不等的检测孔，其深度与桩基同深，检测空的直径为133mm-159mm；

2）在每个检测空内放置高灵敏温度计；

3）测试矩形桩周圈土样的含水量、密度、热系数物理参数，保持土的各向同性且物理参数不变的情况下，将各个检测孔测得的各组温度值带入拉普拉斯方程，求得矩形桩的温度场的解析式：

u(x,y)=T+                                               ，

其中；

4）再将各个解析式的温度曲线求回归方程，绘出冻结壁的等温线图，从而得到冻结壁的发育情况。

本发明的有益效果在于：本发明矩形桩冻结壁设计的分离变量法，采用的数据不多但是准确，不受其它因素的影响，大大提高了温度场监测的准确性，在实际的施工中使用方便，一个工程只需要一次公式的推导，在不同的施工阶段只需把不同的数据带入公式，就能够随时掌握冻结壁的温度场，为冻结法安全施工提供了保障，具有广泛的实用性。

具体实施方式

分离变量法计算矩形桩冻结壁的温度场的方法，其特征是通过一下步骤实现的：

1）为了计算矩形桩冻结壁温度场的分布规律，在冻结壁周圈钻环形孔成一圈或多圈的检测孔6—15个不等，其深度视桩基而定，一般与桩基同深，检测空的直径为133mm-159mm。

2）在每个检测空内放置高灵敏温度计。