【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及寒區隧道工程，特別是涉及一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，為寒區隧道工程的防寒設計與后期維護提供參考。
技術介紹
1、受嚴寒氣候影響，高海拔或高緯度地區的隧道工程在寒冷季節中常常會出現如襯砌掛冰、圍巖破碎化、混凝土凍脹開裂等凍害，對隧道功能的正常發揮起到了十分不利的影響。一方面，寒區隧道的凍深值是零下溫度在徑向結構發展深度的體現，其直接影響到隧道排水溝的埋設深度、保溫層鋪設厚度的確定；另一方面，凍深值關系到凍脹力的大小，進而影響到圍巖的破壞化程度、襯砌破損程度。因此，準確迅速地計算得到寒區隧道的最大凍深值對于保溫設防措施的采取、排水溝埋深的確定、混凝土抗凍等級的選取具有重要意義。
2、在寒冷地區隧道凍深解析計算方面，諸多學者進行了深入研究。張耀在2009年于《中國鐵道科學》上發表的《寒區隧道隔熱層設計參數的實用計算方法》和zhao于2020年在《cold?regions?science?and?technology》上發表的《temperaturefieldcharacteristics?and?influencing?factors?on?frost?depth?of?a?highwaytunnel?in?a?cold?region》和《an?analytical?solution?forfrost?heave?force?by?themultifactor?of?coupled?heat?and?moisture?transfer?in?cold-region?tunnels》中對stefa
3、針對當前方法中存在的問題，本申請提出一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法。在本方法的求解過程中，由于潛熱遠大于顯熱，因而基于準穩態假定和凍結鋒面的熱流方程，得到了凍結時間與凍結鋒面半徑的之間的函數關系式，對此積分便可得到二者之間的顯式表達式。之后，將一年內襯砌內表面溫度處于零下的時長帶入該式，即可得到凍結鋒面半徑的位置，即可得到寒區隧道的最大凍深值。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是針對現有技術中寒區隧道的最大凍深值預測存在的技術缺陷，而提供一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法。
2、為實現本專利技術的目的所采用的技術方案是：
3、一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，包括以下步驟：
4、步驟1，計算襯砌內表面等效溫度?和一年內襯砌內表面溫度處于零下的時長：
5、；
6、其中：為襯砌內表面等效溫度，單位為℃；為襯砌內表面的年平均溫度，單位為℃；為襯砌內表面的溫度年振幅，單位為℃；和分別為一年內襯砌內表面溫度由正溫進入負溫的時間和負溫進入正溫的時間，單位為s；為一年內襯砌內表面溫度處于零下的時長，單位為s；
7、步驟2，建立凍結時間與凍結鋒面半徑的顯式表達式為：
8、；
9、其中：分別為襯砌的導熱系數、已凍圍巖的導熱系數、未凍圍巖的導熱系數，單位為w·m-1·℃-1；為體積相變潛熱，單位為j·m-3；為凍結時間，單位為s；為指數積分函數；和分別為襯砌內表面半徑、襯砌和圍巖交界面半徑、凍結鋒面半徑和圍巖外邊界半徑，單位為m；
10、襯砌內表面等效溫度通過步驟1計算得到；為凍結鋒面溫度，單位為℃；為圍巖外邊界溫度（隧道徑向深度為處的溫度），單位為℃；
11、步驟3，計算季節性凍土區隧道最大凍深值：
12、顯式表達式中，取凍結時間為一年內襯砌內表面溫度處于零下的時長，帶入該式計算可得到此時對應的凍結鋒面半徑的值，即一年內凍結鋒面半徑能達到的最大值；
13、或者，不斷將凍結鋒面半徑的預測值代入所述顯式表達式，多次求解凍結時間，若求得大于則減小凍結鋒面半徑的預測值重新帶入所述顯式表達式計算，反之當求得小于則增大凍結鋒面半徑的預測值，重新代入所述顯式表達式求解，當凍結鋒面半徑的預測值精確至預定值時，則此時凍結鋒面半徑的預測值為一年內凍結鋒面半徑能達到的最大值；
14、定義季節性凍土區隧道最大凍深的預測值為一年內凍結鋒面半徑能達到的最大值與襯砌和圍巖交界面半徑的差，可根據下式計算得到季節性凍土區隧道最大凍深的預測值：
15、；
16、其中：為季節性凍土區隧道最大凍深的預測值，單位為m。
17、在上述技術方案中，所述步驟2中，，或取自經驗值或文獻記載數值。
18、在上述技術方案中，所述步驟2中，，為恒溫層圍巖溫度，單位為℃，恒溫層指的是從地表向下達到一定深度時，溫度不再隨時間變化、保持常年不變的地帶；為隧道埋深，單位為m；為恒溫層埋深，單位為m；為隧道圍巖溫度場影響深度，單位為m；為地溫梯度，單位為。
19、在上述技術方案中，所述步驟3中的預定值為0.01?m。
20、與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：
21、1、本專利技術中將準穩態狀況下隧道各層材料的溫度分布情況帶入相變移動界面上的熱流方程進行求解，因而本方法的計算機理更為明確，更便于理解和掌握。
22、2、本專利技術能夠得到寒區隧道最大凍深值的顯示解，在相應參數已知的情況下，可以直接帶入相應的顯式表達式進行計算，從而使得預測過程更為方便快捷。
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1.一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，其特征在于，所述步驟2中，，或取自經驗值或文獻記載數值。
3.如權利要求1所述的一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，其特征在于，所述步驟2中，，為恒溫層圍巖溫度，單位為℃，恒溫層指的是從地表向下達到一定深度時，溫度不再隨時間變化、保持常年不變的地帶；為隧道埋深，單位為m；為恒溫層埋深，單位為m；為隧道圍巖溫度場影響深度，單位為m；為地溫梯度，單位為℃·m-1。
4.如權利要求1所述的一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，其特征在于，所述步驟3中的預定值為0.01?m。
【技術特征摘要】
1.一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，其特征在于，所述步驟2中，，或取自經驗值或文獻記載數值。
3.如權利要求1所述的一種季節性凍土區隧道最大凍深值的預測方法，其特征在于，所述步驟2中，，為恒溫層圍巖溫度...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張力杰，穆彥虎，李凌潔，丁澤琨，楊翔，
申請(專利權)人：中國科學院西北生態環境資源研究院，
類型：發明
國別省市：
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