CN117786282A - 一种热管地基及其导冷增强系数计算方法、导冷增强方法 - Google Patents
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
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Abstract
本发明涉及地基防护技术领域，具体涉及一种热管地基及其导冷增强系数计算方法、导冷增强方法，通过冻结指数、土体融化潜热、未注入导冷增强介质时预埋孔的热阻、导冷增强体的热阻等参数，并利用公式计算未注入导冷增强介质时热管的冷却半径；以及，注入导冷增强介质后热管的冷却半径，随后求得导冷增强系数，并通过导冷增强系数判断是否进行后续施工，可见，本申请通过量化判断热管地基的导冷增强程度，避免了经验法的不确定性，从而提高了判定结果的精准度，可为后期量化热管的工作效率提供科学依据，可以在冻土区各类应用热管的工程中广泛使用，比如公路工程、铁路工程、电力工程、油气管线工程等。
Description
技术领域
本发明涉及一种地基防护技术领域，特别是一种热管地基及其导冷增强系数计算方法、导冷增强方法。
背景技术
热管技术是多年冻土区土木工程建设中典型的主动导冷类降温结构，将热管埋设在地基中，当大气环境温度低于下部地基温度时，热管内部的工质不断发生气液相变、相变换热和重力回流，将地基的热量源源不断的导入外部环境，使地基的温度不断下降，起到高效降低地温、防治多年冻土地基的热融沉陷的作用。单根热管的额定功率在200W以上，但是实际监测发现，实际功率仅为50~60W左右，工作效率不到出厂功效的30%，而施工工艺是造成这种现状的主要原因。实际工程施工时，常采用钻孔埋设的方法，先实施钻孔，然后插入热管，在热管与钻孔之间往往采用砂砾进行回填。由于热管周围空隙狭小，回填材料松散，回填压实难度大，造成施工后热管与地基的接触不良，大大削弱了热管的导冷效率。并且大气降水更容易入渗钻孔，加速冻土地基退化，进一步诱发热棒地基各类热融病害的发生与发展。因此，必须要对热管钻孔进行防渗与导冷处治，达到充分发挥热管导冷效能的目的。
现行的《多年冻土地区公路热棒路基设计与施工技术规程》（T/CECS G:D21-03-2021）、《多年冻土区公路特殊路基施工与检测技术规程》（Q/CCCC GL103-2020）提出在钻孔与热管之间回填中粗砂，采用水中沉砂法施工，但由于热管埋设段过长（超5m以上），热管与钻孔之间空隙较小（约为2cm），且部分热管采用倾斜插入的方法，导致难以回填，无法压实，工后效果不良。专利文献201811160504.4一种用于控制季节性冻害的热棒路基及构造方法、201821616935一种用于控制季节性冻害的热棒路基，提出在热管与热管安装孔之间灌满细砂，均存在上述问题，无法避免回填效果差、无法避免渗水的问题，且均未对热管施工后回填效果差异进行功效计算与评价。
综上，相关技术中存在以下问题：第一、采用粗砂等方式回填钻孔，无法有效压实，导致热管与地基的接触不良，降低热管的导冷效率。
第二、粗砂作为回填材料较为松散，容易使大气降水入渗，加速冻土地基退化，进一步诱发热管地基各类热融病害的发生与发展。
第三、无对热管地基施工后回填效果导冷增强的评价方法，而相关技术中的经验法判断精度不高，无法为量化热管的工作效率提供科学依据。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种热管地基及其导冷增强系数计算方法、导冷增强方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种热管地基导冷增强系数计算方法，包括如下步骤：基于气象数据，计算冻结指数。
基于地质参数，计算土体融化潜热，以及计算未注入导冷增强介质时预埋孔的热阻/>；其中，导冷增强介质用于填入预埋孔以形成导冷增强体，以及用于填埋热管埋入预埋孔中的部分。
基于导冷增强介质，计算导冷增强体的热阻。
利用公式
计算未注入导冷增强介质时热管的冷却半径；以及，利用公式
计算注入导冷增强介质后热管的冷却半径；其中，为热管的热阻，为所述导
冷增强体的热阻，为预埋孔的直径，为土体导热系数，为相变潜热。
利用公式
计算导冷增强系数K。
作为本发明的优选方案，气象数据包括温度；利用公式
计算冻结指数；其中，t为时间，T为温度，T<0℃。
作为本发明的优选方案，地质参数包括土体干密度和含水率w，利用公式计算土体融化潜热/>。
作为本发明的优选方案，地质参数包括预埋孔的初始导热系数；利用公式
进行计算未注入导冷增强介质时预埋孔的热阻；其中，/>为热管的直径，l为预埋孔的深度。
作为本发明的优选方案，利用公式
计算预埋孔的初始导热系数；其中，/>为空气导热系数，/>为孔内介质导热系数，为空隙率。
作为本发明的优选方案，利用公式
计算导冷增强体的热阻；其中，/>为热管的直径，/>为导冷增强体的导热系数，l为预埋孔的深度。
作为本发明的优选方案，导冷增强介质为浆液。
作为本发明的优选方案，导冷增强介质包括水泥浆和地质聚合物中的至少一者。
作为本发明的优选方案，导冷增强介质满足：渗透系数＜1×10-4cm/s；热传导系数
＞ 1.7 ；凝结时间＜390min；7天放热量≤231 J/g。
一种热管地基的导冷增强方法，包括如下步骤：
步骤S100：采用导冷增强系数计算方法计算导冷增强系数K；
步骤S200：判断导冷增强系数K，若K≥1，则执行步骤S300，若K＜1，则更换导冷增强介质，并返回步骤S100；
步骤S300：在地基处钻预埋孔；
步骤S400：在预埋孔中注入导冷增强介质，以及插入热管；
步骤S600：使导冷增强介质形成导冷增强体。
一种热管地基，包括：
地基，设有预埋孔；
热管，热管的埋设段埋入预埋孔中；
导冷增强介质，导冷增强介质为浆液，导冷增强介质能够填入预埋孔以形成导冷增强体，导冷增强体填埋热管埋入预埋孔中的部分。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本申请公开一种热管地基导冷增强系数计算方法，包括如下步骤：
基于气象数据，计算冻结指数。
基于地质参数，计算土体融化潜热，以及计算未注入导冷增强介质时预埋孔的热阻/>；其中，导冷增强介质用于填入预埋孔以形成导冷增强体，以及用于填埋热管埋入预埋孔中的部分。
基于导冷增强介质，计算导冷增强体的热阻。
利用公式
计算未注入导冷增强介质时热管的冷却半径；以及，利用公式
计算注入导冷增强介质后热管的冷却半径；其中，为热管的热阻，为预埋孔
的直径，为土体导热系数，为相变潜热。
利用公式计算导冷增强系数K。
上述的导冷增强系数K为热管地基的导冷增强程度的判定依据，导冷增强系数K越大，则热管的冷却半径在注入导冷增强介质前后的变化程度越大，导冷增强程度越大，反之越小。可以看出，本实施例中通过对导冷增强系数K的计算，量化判断热管地基的导冷增强程度，避免了经验法的不确定性，从而提高了判定结果的精准度，可为后期量化热管的工作效率提供科学依据，可以在冻土区各类应用热管的工程中广泛使用，比如公路工程、铁路工程、电力工程、油气管线工程等。
附图说明
图1是本发明的热管地基结构图；
图2是本发明的热管地基导冷增强系数计算方法流程图；
图3是本发明的热管地基的导冷增强方法流程图。
图标：
10-导冷增强介质、20-预埋孔、30-导冷增强体、40-热管、50-地基。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相关技术中，热管已成为冻土区对地基进行热防护的重要手段之一，但相关规范中只给出了热管制冷量功率的计算方法，并无热管地基导冷增强程度的计算方法，导冷增强程度的判定主要是借鉴以往的工程经验，而依据经验判定往往具有很多不确定性，容易导致判定结果失真。为此遂产生本申请技术方案，下面结合图1～图3进行阐述。
实施例1。
本实施例公开一种热管地基导冷增强系数计算方法，热管地基如图1所示，地基50通常为冻土区的地基，地基50中钻预埋孔20，并于预埋孔20中插入热管40，以及于预埋孔20中填入导冷增强介质10，导冷增强介质10于预埋孔20中形成导冷增强体30。热管40为传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管40可以将发热物体的热量迅速传递到热源外。
计算方法如图2所示，热管地基导冷增强系数计算方法包括如下步骤：
基于气象数据，计算冻结指数。冻结指数/>是表示一个地区冬季寒冷程度的重要参数，通常来说，冻结指数是以日平均气温(或者平均地表温度)低于0°C的天数内温度值累积而得到的。
基于地质参数，计算土体融化潜热，以及计算未注入导冷增强介质10时预埋孔20的热阻/>；其中，导冷增强介质10用于填入预埋孔20以形成导冷增强体30，以及用于填埋热管40埋入预埋孔20中的部分。其中，未注入导冷增强介质10时预埋孔20的热阻/>具体为：未注入导冷增强介质10时，预埋孔20中所填埋的诸如粗砂、土壤等介质时的热阻，通常来说预埋孔20中可以先加入粗砂、土壤等普通导冷介质，再加入浆液等作为导冷增强介质。
基于导冷增强介质10，计算导冷增强体30的热阻。
利用公式
计算未注入导冷增强介质10时热管40的冷却半径；以及，利用公式
计算注入导冷增强介质10后热管40的冷却半径；其中，为热管40的热阻，为
所述导冷增强体30的热阻，为预埋孔20的直径，为土体导热系数，为相变潜热，具体来
说，可以为冰水相变潜热，=334kJ/kg。
利用公式计算导冷增强系数K。
本申请中，地基50中钻预埋孔20以填入导冷增强介质10和热管40，导冷增强介质10随后冷凝为导冷增强体30，如此，地基50的热量将随着导冷增强体30、热管40依次传导并进入大气环境，而大气环境的冷量又随着热管40、导冷增强体30依次传导并进入地基50中，这样地基50的热量导出的同时又获得了冷量，地基50的温度不断下降，起到高效降低地温、防治多年冻土地基的热融沉陷的目的。
而上述的导冷增强系数K为热管地基的导冷增强程度的判定依据，导冷增强系数K越大，则热管的冷却半径在注入导冷增强介质10前后的变化程度越大，导冷增强程度越大，反之越小。可以看出，本实施例中通过对导冷增强系数K的计算，量化判断热管地基的导冷增强程度，避免了经验法的不确定性，从而提高了判定结果的精准度，可为后期量化热管的工作效率提供科学依据，可以在冻土区各类应用热管的工程中广泛使用，比如公路工程、铁路工程、电力工程、油气管线工程等。
可选地，冻结指数可以理解为关于温度的函数，故气象数据可以包括温度；利用公式
计算冻结指数；其中，t为时间，T为温度，T<0℃，则/>可以理解为：在t1～t2时间段内，比如一年（或整个冬期）中连续地低于0℃气温的持续时间和其数值乘积的总和，以度·日（℃·day）或度·月（℃·month）表示。
可选地，地质参数可以包括土体干密度和含水率w。利用公式
计算土体融化潜热。土体融化潜热是指钻有预埋孔20的地基50的土体加热到融点后，从固态变为液态吸收的热量，这里的液态指地基50中冻土从冻结到融化的状态，即地基50中土体的冰变为水的状态。
可选地，地质参数可以包括预埋孔20的初始导热系数。利用公式
进行计算未注入导冷增强介质10时预埋孔20的热阻；其中，/>为热管40的直径，l为预埋孔20的深度，热管40通常插入至预埋孔20的孔底，故l为也可以理解为热管40的埋设段的长度，热管40的埋设段即热管40埋入预埋孔20中的部分。
可选地，利用公式
计算预埋孔20的初始导热系数；其中，/>为空气导热系数，/>为孔内介质导热系数，/>为空隙率。孔内介质导热系数/>可以理解为预埋孔20中所填埋的土壤或粗砂的导热系数，而空气导热系数/>即预埋孔20中的空气导热系数，如此计算得出的预埋孔20的初始导热系数/>更加准确，防止失真。
可选地，利用公式
计算导冷增强体30的热阻；其中，/>为导冷增强体30的导热系数。
可选地，导冷增强介质10可以为粗砂等，而本申请则选择导冷增强介质10为浆液。通常来说，预埋孔20中可以先加入粗砂、土壤等普通导冷介质，再加入浆液等作为导冷增强介质10，这样在第一方面，可以通过浆液形成的导冷增强体30密封热管40周围的空隙，强化热管40与地基50的接触，进而提高热管40的导冷、导热能力，尤其是提高热管40的导冷能力，在第二方面，解决选用粗砂等导致的回填材料孔隙比大、无法压实等问题，在第三方面，浆液可以防止外部渗水，减缓地基50的退化，提高工程热稳定性，避免热管地基各类热融病害的发生与发展。
可选地，导冷增强介质10可以包括水泥浆和地质聚合物中的至少一者，地质聚合物可以为矿渣基、偏高岭土基地聚合物等。以导冷增强介质10选用水泥浆为例，水泥浆作为导冷增强介质10填入预埋孔20后，经过一定时间的冷凝作用，将逐渐干涸凝固，从而形成导冷增强体30。
可选地，导冷增强介质10满足：渗透系数＜1×10-4cm/s，热传导系数＞ 1.7 ；凝结时间＜390min；7天放热量≤231 J/g。以使导冷增强介质10综合具备低渗透、
高导热、快凝结、低放热等性能，可以直接增大热管40制冷功率、冷却半径等，有效节约工程
投资，且绿色环保，完全依靠外部自然冷能，不额外增加能源。
实施例2。
如图1和图3所示，本实施例提供一种热管地基的导冷增强方法，导冷增强方法可以包括如下步骤：步骤S100：采用上述的导冷增强系数计算方法，计算所选用的导冷增强介质10，其所对应得出的导冷增强系数K。
步骤S200：判断导冷增强系数K，若K≥1，则执行步骤S300，若K＜1，则更换导冷增强介质10，并返回步骤S100。
步骤S300：在地基50处钻预埋孔20至预设深度；这里预设深度即上述的预埋孔20的深度l，针对冻土区，预设深度可以为8m～9m。
步骤S400：在预埋孔20中注入导冷增强介质10，以及插入热管40直至预设深度。
步骤S600：使导冷增强介质10形成导冷增强体30。以水泥浆为例，作为导冷增强介质10的水泥浆，经过一定时间的冷凝作用，将逐渐干涸凝固，从而形成不流动，且不任意改变形状的导冷增强体30。
可见，本实施例在判定所选用的导冷增强介质10导冷增强程度达到要求后，即导冷增强系数K≥1的情况下再进行具体的导冷增强介质10灌注，如此可以提高热管40的导冷能力，尤其在导冷增强介质10为浆液时，可强化热管40与地基50的接触，使得热管40的导冷能力达到最佳，从而保证后期热管的工作效率。
可选地，在步骤S400之前，导冷增强方法还包括：
步骤S350：在预埋孔20中加入普通导冷介质，比如普通导冷介质为粗砂、土壤等。
即预埋孔20中可以先加入粗砂、土壤等作为普通导冷介质，然后再加入浆液等作为导冷增强介质10，以达到良好的导冷能力的同时，减少导冷增强介质10用量，同时也能够保证导冷增强介质10在冷凝为导冷增强体之前，热管40于预埋孔20插入的稳定性。
可选地，上述热管地基的施工时间可以选择在冬季，如此能够更好的把大气环境中的冷量通过热管40、导冷增强体30传递至地基50，更好的发挥热管40的导冷能力。
可选地，步骤S400中，热管40可以插入至预设深度，即预埋孔20的深度l。冷量主要由热管40的底部传递至地基50中，故热管40插入的更深，则热管40便有更多容纳于预埋孔20中的部分，以便达到较好的导冷效果。
可选地，施工方法还包括步骤S500：封孔，具体为将导冷增强介质10在预埋孔20的孔口位置抹平，并使导冷增强介质10与地基50的表面平齐，防止导冷增强介质10渗出。
可选地，施工方法可以分为前注浆施工方法和后注浆施工方法两种。
具体来说，前注浆施工方法中，步骤S400包括：
步骤S410：将导冷增强介质10注入预埋孔20中。
步骤S420：插入热管40于预埋孔20中直至预设深度。
即前注浆施工方法中，按照先注入导冷增强介质10再插设热管40进行。
而在后注浆施工方法中，步骤S400包括：
步骤S430：插入热管40于预埋孔20中直至预设深度，并使热管40的中心线和预埋孔20的中心线重合。
步骤S440：在热管40与预埋孔20之间注入导冷增强介质10。
即后注浆施工方法中，按照先插设热管40再注入导冷增强介质10进行。
实施例3。
如图1所示，本实施例公开一种热管地基，热管地基采用实施例1的计算方法计算导冷增强系数K，以及采用实施例2的导冷增强方法实现导冷增强，阐述如下：热管地基包括地基50、热管40和导冷增强介质10。其中，地基50设有预埋孔20，热管40的埋设段埋入预埋孔20中，比如热管40埋设段埋入预埋孔20，热管40伸出段伸出于预埋孔20外。导冷增强介质10为浆液，导冷增强介质10能够填入预埋孔20以形成导冷增强体30，导冷增强体30填埋热管40埋入预埋孔20中的部分。
具体来说，导冷增强介质10在冷凝作用下形成导冷增强体30，工作时，大气环境中的冷量，可以通过热管40伸出于预埋孔20外的一侧，导入热管40埋入预埋孔20中的一侧，再由导冷增强体30导入地基50中，地基50中的热量可以通过导冷增强体30、热管40埋入预埋孔20中的一侧、热管40伸出于预埋孔20外的一侧依次导入大气环境中。
这样在第一方面，可以通过浆液形成的导冷增强体30密封热管40周围的空隙，强化热管40与地基50的接触，进而提高热管40的导冷、导热能力，尤其是提高热管40的导冷能力，在第二方面，解决选用粗砂等导致的回填材料孔隙比大、无法压实等问题，在第三方面，浆液形成的导冷增强体30可以防止外部渗水，减缓地基50的退化，提高工程热稳定性，避免热管地基各类热融病害的发生与发展。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热管地基导冷增强系数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于气象数据，计算冻结指数 ；
基于地质参数，计算土体融化潜热，以及计算未注入导冷增强介质（10）时预埋孔（20）的热阻/>；其中，所述导冷增强介质（10）用于填入所述预埋孔（20）以形成导冷增强体（30），以及用于填埋热管（40）埋入所述预埋孔（20）中的部分；
基于所述导冷增强介质（10），计算导冷增强体（30）的热阻；
利用公式
计算未注入所述导冷增强介质（10）时所述热管（40）的冷却半径/>；
以及，
利用公式
计算注入所述导冷增强介质（10）后所述热管（40）的冷却半径/>；
其中，为所述热管（40）的热阻，为所述预埋孔（20）的直径，为土体导热系数，为相
变潜热，为所述导冷增强体（30）的热阻；
利用公式
计算导冷增强系数K。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述地质参数包括土体干密度和含水率w，
利用公式计算所述土体融化潜热/>。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述地质参数包括所述预埋孔（20）的初始导热系数；
利用公式进行计算所述未注入导冷增强介质（10）时预埋孔（20）的热阻/>；其中，/>为所述热管（40）的直径，l为所述预埋孔（20）的深度。
4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，利用公式
计算所述预埋孔（20）的初始导热系数/>；其中，/>为空气导热系数，/>为孔内介质导热系数，/>为空隙率。
5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，利用公式
计算所述导冷增强体（30）的热阻/>；其中，/>为所述热管（40）的直径，/>为所述导冷增强体（30）的导热系数，l为所述预埋孔（20）的深度。
6.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述导冷增强介质（10）为浆液。
7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述导冷增强介质（10）包括水泥浆和地质聚合物中的至少一者。
8.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述导冷增强介质（10）满足：
渗透系数＜1×10-4 cm/s；
热传导系数＞ 1.7 ；
凝结时间＜390min；
7天放热量≤231 J/g。
9.一种热管地基的导冷增强方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100：采用权利要求1～8中任一项所述的计算方法计算导冷增强系数K；
步骤S200：判断导冷增强系数K，若K≥1，则执行步骤S300，若K＜1，则更换导冷增强介质（10），并返回步骤S100；
步骤S300：在地基（50）处钻所述预埋孔（20）；
步骤S400：在所述预埋孔（20）中注入所述导冷增强介质（10），以及插入热管（40）；
步骤S600：使所述导冷增强介质（10）形成所述导冷增强体（30）。
10.一种热管地基，其特征在于，包括：
地基（50），设有预埋孔（20）；
热管（40），所述热管（40）的埋设段埋入所述预埋孔（20）中；
导冷增强介质（10），所述导冷增强介质（10）为浆液，所述导冷增强介质（10）能够填入所述预埋孔（20）以形成导冷增强体（30），所述导冷增强体（30）填埋热管（40）埋入所述预埋孔（20）中的部分。
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