[發明專利]圓形樁凍結壁的設計方法

無效

• 申請號: 201010207511.2
• 申請日: 2010-06-23
• 公開（公告）號: CN101864762A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 陳有亮;王鵬;劉明亮;蔣立浩;尹珍珍;周有成
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: E02D3/115
• 分類號: E02D3/115
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 宋冠群

技術領域

本發明涉及凍結法施工領域，特別是涉及一種圓形樁凍結壁的設計方法。

背景技術

人工凍結技術是利用人工制冷的方法，降低土體的溫度使土層形成凍結壁，從而筑起穩定且不透水的凍土墻體，以達到維護開挖周圍土體的穩定、抵抗水壓力、防止地下水入侵等目的，是一種特殊的土木工程施工技術。

1956年我國首次在開灤林西風鑿井中應用成功后，該方法就成為我國煤礦工程通過復雜表土層的一貫用法。目前該方法已經擴大到城建、地鐵、橋墩、錨碇基坑等工程建設中。在國外，如俄羅斯圣·彼得堡地鐵工程、德國慕尼黑地鐵工程等都成功應用了凍結法施工，在國內，如北京地鐵工程、上海地鐵2號線、天津地鐵、廣州地鐵、潤揚大橋南錨碇基坑等也都成功應用了凍結壁加固技術。

凍結法施工的關鍵是凍結壁的強度和穩定性，而凍結壁的溫度場決定了凍結壁的強度和穩定性。在凍結的不同的階段，凍結壁的溫度場特性是不同的。在凍結法施工中，往往因為整體強度不足而發生各種事故，釀成重大的生命和經濟損失。所以實時監測凍結壁的溫度場特性是保證施工安全的重要內容。目前在凍結施工中大多數是在凍結壁的周圍鉆孔排成一圈和多圈監測孔，其深度達到幾百米且鉆井的直徑也有20厘米左右，然后用電阻法測其溫度，再用電工學的理論分析凍結壁的溫度場。但是在實踐中電流通過電阻時會產生能量這將直接影響溫度測量的準確性，并且存在工作量很大，施工難度較高，施工費用高等缺陷。

發明內容

為克服上述已有技術的不足，本發明要解決的技術問題是提供一種圓形樁凍結壁的設計方法。本發明是一種高精度的便捷的有效的方式來分析凍結壁的溫度場，為凍結法施工提供新的服務，保證施工安全。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：

一種圓形樁凍結壁的設計方法，包括以下步驟：

步驟1.在凍結管內外兩側間隔數米分別取多個點，每個點處鉆監測孔，其深度在0.5m以上，檢測孔的直徑為10-15mm；

步驟2.用溫度計分別測得各個孔的溫度；

步驟3.根據步驟2中已測得的溫度，任取其中兩孔的溫度，并取多組；以每組的數據為條件和拉普拉斯方程，應用分離變量法解出矩形基坑的溫度場解析式；

步驟4.用MATLAB軟件繪制矩形基坑的等溫線，通過各組所得出的溫度場比較從而得出凍結壁的溫度狀況；

步驟5.根據溫度場曲線和施工要求，確定凍結壁的厚度和開挖邊界。

與現有技術相比，本發明的有益效果可以是：

本發明主要是針對凍結壁設計和施工中溫度場的分析，圓柱的橫向剖面是二維平面，熱傳導方程也就是二維的泊松方程，在設計中凍結管的打入需要根據經驗試探的某個位置，再用積分函數法分析凍結壁的溫度場，看看能否滿足要求。計算中需要把各個邊界條件帶入到我們通過積分得到的方程中，就可以計算出其溫度場模型。積分函數法與計算機模擬可以看出，此方法很高的精度，在工程中完全能夠滿足要求。此方法為數學物理方法在工程實踐中新的應用，不需要高深的理論推導和積分計算，只有一個公式簡單方便，更容易被工程設計人員和施工人員所接受。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明的具體實施方式做進一步詳細的說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。

凍結管打入土中經60天凍結后，需要根據凍土的溫度場確定凍結壁的厚度和開挖的位置。

1.在凍結管內外兩側間隔數米分別取多個點，鉆監測孔，其深度在0.5m以上，檢測孔的直徑為10-15mm。

2.用高靈敏溫度計分別測得各個孔的溫度。

3.因為土體在此時進入穩態傳熱階段可用拉普拉斯方程描述其溫度場。所以根據已測得的溫度，任取其中兩孔的溫度，并取多組。以每組的數據為條件和拉普拉斯方程，應用分離變量法解出矩形基坑的溫度場解析式。

4.用MATLAB軟件繪制矩形基坑的等溫線，通過各組所得出的溫度場比較從而得出凍結壁的溫度狀況。

5.根據溫度場曲線和施工要求，確定凍結壁的厚度和開挖邊界。

工程中采用凍結法施工的大部分為圓形樁基礎、地鐵的旁通道、煤礦中的沉井和巷道等，其都為圓形區域。在土的凍結完成后，土體的溫度場進入穩態傳導。考慮截面為圓形的，外半徑為R，長度遠大于其半徑取單位長度，凍結管在R處排列，其溫度為T₀，土為均一各向同性的材料，其常溫為T_s，將R處的凍結管溫度視為邊界條件，二維凍結區域Ω是由光滑的簡單的閉曲線Γ圍成，函數T(x，y)，u(x，y)在Ω∪Γ上有連續的二階偏導數