[发明专利]一种液氮供液花管开孔直径确定方法

说明书

本发明提供一种液氮供液花管开孔直径确定方法，属于人工地层冻结技术领域。该方法首先将液氮供液管底部封闭，然后在液氮供液管底部至地层冻结范围内，沿供液管截面直径方向开十字对穿孔，最后基于流量相等原则，确定开孔直径。该方法确定的开孔直径能够确保各层位液氮供应量的一致性，从而能够改善沿冻结器长度方向冻土体的均匀性，提高冻结效果，减少冻结时间，降低冻结施工成本。

技术领域

本发明涉及人工地层冻结技术领域，特别是指一种液氮供液花管开孔直径确定方法。

背景技术

液氮用于人工地层冻结加固土体的工程逐渐增多，液氮冻结土体具有冻结速度快、冻土强度高等优点。

传统液氮冻结器的设计主要还是参考传统盐水冻结系统中的冻结器设计方法，即在底部封闭的钢管中通入供液管，液氮在钢管中流动沸腾，从而带走地层热量直至地层成冻结状态。

但由于液氮汽化温度低(-196℃)，吸收少量热即可出现气化现象，气态氮上升过程搅动液态氮，其混合体呈现一种沸腾状态。大量液态氮气化后，造成上部地层的冻结效果差，冻结速度慢。最终形成沿冻结管深部方向，越深冻土体越大，越往上冻土体越小的一种水滴形冻土体。冻土体不均匀，下部过分冻结、上部未达到冻结设计。为改善液氮冻结中的冻土均匀性问题，有专利提出在液氮冻结器的供液方式上做改进，如“液氮花管均匀冻结器(申请号：200720035238.3)”，通过在液氮供液管上打小孔的方式改善液氮冻结器在冻结段管壁的温度均匀性，从而确保冻土发展速度的一致性，孔径2mm-5mm。

但根据经验确定的2-5mm的开孔直径存在很大局限性，对于不同液氮供应量、不同液氮注入压力、不同冻结器管径等条件下不存在普适性，且沿液氮供液管长度方向上下管径一致，只能在一定程度上缓解液氮供液管单孔出液造成的冻结不均匀性，无法达到真正的土体均匀冻结。

本发明提出一种液氮供液管上开孔直径的确定方法，根据施工条件计算得出的开孔直径，能够确保各层位上液氮供应量的一致，从而确保整个冻结深度范围内冻结器内液氮沸腾状态均匀性，达到提高土体冻结质量、节约液氮消耗量，减少冻结时间，降低冻结成本的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种液氮供液花管开孔直径确定方法，根据施工条件计算得出的开孔直径，能够确保各层位上液氮供应量的一致，从而确保整个冻结深度范围内冻结器内液氮沸腾状态均匀性，达到提高土体冻结质量、节约液氮消耗量，减少冻结时间，降低冻结成本的目的。

该方法具体步骤如下：

(1)将液氮供液管底部封闭；

(2)在液氮供液管底部至地层冻结范围内，沿液氮供液管横截面直径方向开十字对穿孔；

(3)基于流量相等原则，确定步骤(2)中的十字对穿孔直径。

计算步骤：

①根据冻结土体体积、初始低温、冻土平均温度，估算液氮消耗量T；

②初步确定冻结时间t(即冻结壁交圈时间)；

③确定冻结器单管流量Q＝T/t；

④根据冻结范围的地层条件，初步确定液氮供液管的开孔层位和开孔个数n，从而计算液氮供液管单个开孔流量q；

⑤计算开孔直径d：

开孔直径是开孔位置距离冻结管顶部的高度h的函数。

推导过程：

液氮输入管直径为d₀，开孔直径为d，液氮管内液氮平均流速为v₀，液氮进口压力P₀，冻结器单管流量Q，液氮输入管单个开孔流量q，液氮粘度为γ，雷诺数

则