[发明专利]基于热量收支平衡原理的多年冻土区热棒路基设计计算方法

摘要

本发明公开了一种基于热量收支平衡的多年冻土区热棒路基设计计算方法，收集工程所在地区的气温、风速资料，查明路基填料和地基土的物理参数及地基多年冻土的天然上限深度和地温资料，测量路基断面尺寸；根据规范及工程需要选取合适的热棒型号；计算热棒制冷影响半径及在路基中的影响范围；计算热棒制冷影响范围内路基年内净吸热量；计算单根热棒制冷量；确定热棒数量及布置方式。该计算方法的基本原理是确保热棒年内制冷量不小于路基‑地基系统的年净吸热量，为热棒路基的设计计算提供了理论基础，解决了热棒路基设计计算难题，具有重大的工程应用价值；简便可行、科学合理，能够实现控制由于地基多年冻土退化融沉导致的路基沉降变形。

主权项

1.一种基于热量收支平衡的多年冻土区热棒路基设计计算方法，其特征在于，该设计计算方法具体如下：/n1）收集工程所在地区的气温、风速资料，查明路基填料和地基土的物理参数及地基多年冻土的天然上限深度和地温资料，测量路基断面尺寸；/n2）根据《热棒》GB/T27880-2011及工程需要选取合适的热棒型号；/n3）计算热棒制冷影响半径及在路基中的影响范围：/na、热棒制冷影响半径：/n热棒制冷影响半径通过现场试验测定或用下面修正的傅利叶方程进行估算：/n /n式中：r为热棒制冷影响半径，单位m；k₀为修正系数，在青藏高原多年冻土地区可取k₀＝0.20～0.25；λ为热棒蒸发段周围冻土的平均导热系数，单位w/(m²·℃)；T为热棒蒸发段温度波动周期，单位h；c为热棒蒸发段周围冻土的平均热容量，单位J/（m³·℃）；A₀为计算期热棒蒸发段的温度较差，单位℃；A_l为计算期热棒传热影响范围边界处的温度较差，可取A_l＝0.1～0.2℃；/nb、热棒对路面的影响范围面积S₁=2r×B/n式中：S₁为热棒对路面的影响范围面积，单位m²；r为热棒制冷影响半径，单位m；B为路面宽度，单位m；/n热棒对路基边坡坡面的影响范围面积/n式中：S₂为热棒对路基边坡坡面的影响范围面积，单位m²；r为热棒制冷影响半径，单位m；h为路基高度，单位m；a为坡比；/n4）在路面下埋设热流板，每隔1h记录一次通过热流板的热量，正值表示热量流入路基，负值表示热量流出路基，全年测量值求和得单位面积黑色沥青路面的年内净吸热量；单位面积的黑色沥青路面的吸热量为单位面积路基边坡吸热量的3倍；则，/n热棒制冷影响范围内路基年内吸热量：/n式中：Q₀为热棒影响范围内路基年内吸热量，单位J；a为安全系数，取1.1～1.5；k₁为单位面积路面的吸热量，单位J/m²；S₁为热棒影响范围内路面面积，单位m²；S₂为热棒影响范围内路基边坡面积，单位m²；/n5）按下式计算单根热棒工作时的热通量：/n /n式中：q为热棒的热通量，单位W；T_s为热棒工作时间内的蒸发段地温平均值，单位℃；T_a为热棒工作时间内的平均气温，单位℃；R_s为蒸发段土体热阻，单位℃/W；R_f为冷凝散热段热阻，单位℃/W；/n其中的/n式中：为热棒制冷影响半径，单位m；D为热棒蒸发段的直径，单位m；λ为蒸发段周围土体的导热系数，W/(m²·℃)；N为热棒蒸发段的长度，m；/n其中的R_f＝1/(Aeh₀)/n式中，A为冷凝器的有效散热面积，单位m²；h₀为冷凝器的放热系数，单位kcal/(m²·℃)，e为冷凝器叶片的有效率；/n热棒表面有效放热系数eh₀可根据下式计算：/n eh ₀ =2.75+1.51v^0.2/n式中，v为热棒冷凝器所在处的风速，m/s；/n单根热棒工作期间的产冷量Q₁=q×t，/n式中：Q₁为热棒制冷量，单位J；q为热棒的热通量，单位W；t为热棒的工作时间，单位s；/n6）用步骤4）得到的热棒制冷影响范围内路基年内净吸热量除以步骤5）得到的单根热棒的制冷量，商取整再加一，得实际所需热棒的数量。/n