本發(fā)明涉及人工地層凍結(jié)技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種液氮供液花管開孔直徑確定方法。
背景技術(shù)：
液氮用于人工地層凍結(jié)加固土體的工程逐漸增多，液氮凍結(jié)土體具有凍結(jié)速度快、凍土強度高等優(yōu)點。
傳統(tǒng)液氮凍結(jié)器的設(shè)計主要還是參考傳統(tǒng)鹽水凍結(jié)系統(tǒng)中的凍結(jié)器設(shè)計方法，即在底部封閉的鋼管中通入供液管，液氮在鋼管中流動沸騰，從而帶走地層熱量直至地層成凍結(jié)狀態(tài)。
但由于液氮汽化溫度低(-196℃)，吸收少量熱即可出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，氣態(tài)氮上升過程攪動液態(tài)氮，其混合體呈現(xiàn)一種沸騰狀態(tài)。大量液態(tài)氮氣化后，造成上部地層的凍結(jié)效果差，凍結(jié)速度慢。最終形成沿凍結(jié)管深部方向，越深凍土體越大，越往上凍土體越小的一種水滴形凍土體。凍土體不均勻，下部過分凍結(jié)、上部未達(dá)到凍結(jié)設(shè)計。為改善液氮凍結(jié)中的凍土均勻性問題，有專利提出在液氮凍結(jié)器的供液方式上做改進，如“液氮花管均勻凍結(jié)器(申請?zhí)枺?00720035238.3)”，通過在液氮供液管上打小孔的方式改善液氮凍結(jié)器在凍結(jié)段管壁的溫度均勻性，從而確保凍土發(fā)展速度的一致性，孔徑2mm-5mm。
但根據(jù)經(jīng)驗確定的2-5mm的開孔直徑存在很大局限性，對于不同液氮供應(yīng)量、不同液氮注入壓力、不同凍結(jié)器管徑等條件下不存在普適性，且沿液氮供液管長度方向上下管徑一致，只能在一定程度上緩解液氮供液管單孔出液造成的凍結(jié)不均勻性，無法達(dá)到真正的土體均勻凍結(jié)。
本發(fā)明提出一種液氮供液管上開孔直徑的確定方法，根據(jù)施工條件計算得出的開孔直徑，能夠確保各層位上液氮供應(yīng)量的一致，從而確保整個凍結(jié)深度范圍內(nèi)凍結(jié)器內(nèi)液氮沸騰狀態(tài)均勻性，達(dá)到提高土體凍結(jié)質(zhì)量、節(jié)約液氮消耗量，減少凍結(jié)時間，降低凍結(jié)成本的目的。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種液氮供液花管開孔直徑確定方法，根據(jù)施工條件計算得出的開孔直徑，能夠確保各層位上液氮供應(yīng)量的一致，從而確保整個凍結(jié)深度范圍內(nèi)凍結(jié)器內(nèi)液氮沸騰狀態(tài)均勻性，達(dá)到提高土體凍結(jié)質(zhì)量、節(jié)約液氮消耗量，減少凍結(jié)時間，降低凍結(jié)成本的目的。
該方法具體步驟如下：
(1)將液氮供液管底部封閉；
(2)在液氮供液管底部至地層凍結(jié)范圍內(nèi)，沿液氮供液管橫截面直徑方向開十字對穿孔；
(3)基于流量相等原則，確定步驟(2)中的十字對穿孔直徑。
計算步驟：
①根據(jù)凍結(jié)土體體積、初始低溫、凍土平均溫度，估算液氮消耗量T；
②初步確定凍結(jié)時間t(即凍結(jié)壁交圈時間)；
③確定凍結(jié)器單管流量Q＝T/t；
④根據(jù)凍結(jié)范圍的地層條件，初步確定液氮供液管的開孔層位和開孔個數(shù)n，從而計算液氮供液管單個開孔流量q；
⑤計算開孔直徑d：
開孔直徑是開孔位置距離凍結(jié)管頂部的高度h的函數(shù)。
推導(dǎo)過程：
液氮輸入管直徑為d0，開孔直徑為d，液氮管內(nèi)液氮平均流速為v0，液氮進口壓力P0，凍結(jié)器單管流量Q，液氮輸入管單個開孔流量q，液氮粘度為γ，雷諾數(shù)
則
基于伯努利方程，各層位開孔液氮流量相等：
得到：
其中，
公式中涉及的各參數(shù)都能由已知量計算得到。
本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：
上述方案中，給出了液氮供液管管身開孔直徑的確定方法，按此方法確定的開孔直徑能夠確保各層位液氮供應(yīng)量的一致性，從而能夠改善沿凍結(jié)器長度方向凍土體的均勻性，提高凍結(jié)效果，減少凍結(jié)時間，降低凍結(jié)施工成本。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的液氮供液花管開孔直徑確定方法示意圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細(xì)描述。
本發(fā)明提供一種液氮供液花管開孔直徑確定方法。
如圖1所示，該方法步驟如下：
(1)將液氮供液管底部封閉；
(2)在液氮供液管底部至地層凍結(jié)范圍內(nèi)，沿液氮供液管橫截面直徑方向開十字對穿孔；
(3)基于流量相等原則，確定步驟(2)中的十字對穿孔直徑。
具體計算過程如下：
液氮輸入管直徑為d0，開孔直徑為d，液氮管內(nèi)液氮平均流速為v0，液氮進口壓力P0，凍結(jié)器單管流量Q，液氮輸入管單個開孔流量q，液氮粘度為γ，雷諾數(shù)
由各層位開孔液氮流量相等，得到
其中：
以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。