Nghiên cứu xây dựng quy trình xác định nhiệt trở suất của đất đá phục vụ cho các công trình ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ LÊ MINH TRÍ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH XÁC ĐỊNH NHIỆT TRỞ SUẤT CỦA ĐẤT ĐÁ PHỤC VỤ CHO CÁC CƠNG TRÌNH NGẦM LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CẦN THƠ – 2010 MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu Danh mục hình vẽ Danh mục biểu bảng PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu đề tài Giả thuyết khoa học .2 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .2 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Các khái niệm phương pháp xác định nhiệt trở suất .4 1.1.1 Nhiệt 1.1.2 Nhiệt lượng 1.1.3 Nhiệt dung 1.1.4 Độ khuếch tán nhiệt 1.1.5 Định luật Fourier hệ số dẫn nhiệt 1.1.6 Nhiệt trở suất .6 1.2 Phương trình vi phân dẫn nhiệt 1.2.1 Nội dung phương trình vi phân dẫn nhiệt 1.2.2 Phương trình 1.2.3 Các dạng đặc biệt phương trình vi phân dẫn nhiệt 1.2.4 Các điều kiện đơn trị 1.3 Mơ hình tốn truyền nhiệt 10 1.3.1 Phương trình truyền nhiệt 11 1.3.2 Nguyên lý cực đại hàm thỏa mãn phương trình truyền nhiệt .13 1.4 Phương pháp xác định nhiệt trở suất 14 1.4.1 Các kỹ thuật trạng thái ổn định 15 1.4.2 Các kỹ thuật trạng thái tức thời 16 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO ĐẠC, ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH XÁC ĐỊNH NHIỆT TRỞ SUẤT CỦA ĐẤT ĐÁ 30 2.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt trở suất đất 30 2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới phép đo 31 2.1.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới ứng dụng đo 32 2.2 Thiết bị kiểm tra .33 2.2.1 Thiết bị đo trời 33 2.2.2 Thiết bị đo phòng thí nghiệm 35 2.3 Phương pháp thử nghiệm 36 2.3.1 Phương pháp đo trời 36 2.3.2 Phương pháp đo phịng thí nghiệm 38 2.4 Phân tích kết thử nghiệm 40 2.4.1 Tính tốn mẫu 41 2.4.2 Phân tích kết 41 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NHIỆT TRỞ SUẤT CỦA ĐẤT ĐÁ PHỤC VỤ CHO CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM 3.1 Tổng quan thực trạng Việt Nam 43 3.2 Ứng dụng phương pháp xác định nhiệt trở suất phục vụ cho cơng trình ngầm 44 3.2.1 Địa điểm 44 3.2.2 Thiết bị đo .44 3.2.3 Phương pháp đo đạc thực tế 45 3.2.4 Kết đo .46 PHẦN KẾT LUẬN 72 Kết luận .72 Kiến nghị 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Nhiệt trở suất tính chất Vật lý đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng khác nhau, từ lĩnh vực vi mô vĩ mô, từ ứng dụng đời sống ngày, nghiên cứu bản… Trong lĩnh vực thiết kế, xây dựng cơng trình ngầm, tính chất nhiệt mơi trường đất đá đóng vai trị khơng phần quan trọng, đặc biệt đường ống dẫn khí đường dây tải điện cao Phụ thuộc vào đặc điểm yêu cầu cơng trình, quy trình cơng nghệ thiết lập cách phù hợp để xác định tham số Hiện nay, xu hội nhập phát triển, việc ngầm hóa hệ thống cáp điện, viễn thơng, đường ống dẫn khí, cấp nước, gas,… nước ta ngày gia tăng Điều đó, đồng nghĩa với gia tăng yêu cầu nghiên cứu tính chất mơi trường bên mặt đất Ở nước ta, việc xác định nhiệt trở suất môi trường đất đá bước đầu áp dụng số cơng trình Việc đo đạc chủ yếu thực với thiết bị đo đạc thủ công sở tham khảo ứng dụng quy trình chấp nhận giới Việc nghiên cứu đề xuất quy trình hợp lý phục vụ cho việc đo đạc tham số nhiệt trở suất việc làm cấp bách cần thiết Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật quy trình đo đạc tham số nhiệt trở suất giới, áp dụng vào điều kiện thực tế Việt Nam, sở đó, đề xuất quy trình xác định nhiệt trở suất đất đá nhằm góp phần nâng cao hiệu độ xác phép đo LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ Đối tượng nghiên cứu Cơ sở lý luận thực tiễn việc sử dụng quy trình xác định nhiệt trở suất đất đá nhằm nâng cao hiệu phép đo Giả thuyết khoa học Mô truyền nhiệt nguồn nhiệt có chiều dài vơ hạn Nhiệm vụ nghiên cứu Tham khảo tài liệu có với kỹ thuật, thiết bị sử dụng giới Áp dụng thử điều kiện thực tế Việt Nam, đề xuất xây dựng quy trình xác định nhiệt trở suất đất đá Minh họa kết số khu vực Rút kết luận có liên quan đến việc sử dụng quy trình xác định nhiệt trở suất đất đá phục vụ cho cơng trình ngầm Phương pháp nghiên cứu Thu thập đọc tài liệu có liên quan đến đề tài Ứng dụng tiến hành thực nghiệm, so sánh với kết có Nhận xét, đánh giá rút kết luận cụ thể việc ứng dụng phục vụ việc xây dựng cơng trình ngầm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài nghiên cứu xây dựng quy trình xác định nhiệt trở suất đất đá phục vụ cho việc khảo sát, thiết kế xây dựng cơng trình ngầm, đồng thời, mở rộng sang lĩnh vực ứng dụng khác như: vật liệu xây dựng, thiết kế xây dựng Kết đề tài sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên người làm việc lĩnh vực có liên quan LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ Cấu trúc luận văn Phần mở đầu Chương I: Cơ sở lý thuyết 1.1 Các khái niệm phương pháp xác định nhiệt trở suất 1.2 Phương trình vi phân dẫn nhiệt 1.3 Mơ hình toán truyền nhiệt 1.4 Phương pháp xác định nhiệt trở suất (các phương pháp sử dụng giới) Chương II: Nghiên cứu thiết bị đo đạc, đề xuất quy trình xác định nhiệt trở suất đất đá 2.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt trở suất đất 2.2 Thiết bị kiểm tra 2.3 Phương pháp thử nghiệm 2.4 Phân tích kết thử nghiệm Chương III: Ứng dụng phương pháp xác định nhiệt trở suất đất đá phục vụ cho cơng trình ngầm 3.1 Tổng quan thực trạng Việt Nam 3.2 Ứng dụng phương pháp xác định nhiệt trở suất đất đá phục vụ cho cơng trình ngầm Phần kết luận Kết luận Kiến nghị LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Các khái niệm phương pháp xác định nhiệt trở suất 1.1.1 Nhiệt Nhiệt khái niệm dùng với nhiều nghĩa khác Thứ nhất, nhiệt hiểu nhiệt lượng truyền từ vật sang vật khác trình trao đổi nhiệt Thứ hai, nhiệt hiểu lượng chuyển động hỗn loạn (tịnh tiến, quay dao động) phân tử, nguyên tử môi trường Theo nghĩa người ta nói đến lượng nhiệt, phần nội vật 1.1.2 Nhiệt lượng Nhiệt lượng lượng lượng truyền từ vật sang vật khác trình trao đổi nhiệt hai vật Trong hệ SI nhiệt lượng đo theo đơn vị jun (J) Trước người ta đo nhiệt lượng đơn vị calo (1 calo  4,18 jun) 1.1.3 Nhiệt dung Nhiệt dung nhiệt lượng cần cung cấp cho vật để nhiệt độ tăng lên độ C= dQ dT [J/0C] (1.1) 1.1.4 Độ khuếch tán nhiệt Độ khuếch tán nhiệt a [m2/s] đại lượng biểu thị tốc độ thay đổi nhiệt độ môi trường Tham số quan trọng phân tích đáp ứng nhiệt tức thời LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ mơi trường tương ứng với chu kỳ tải điện hàng ngày tình trạng tải điện khẩn cấp cho cơng trình cáp điện ngầm Độ khuếch tán nhiệt đất thay đổi phạm vi từ 15 m2/s đến 150 m2/s Độ khuếch tán nhiệt độ dẫn nhiệt  chia cho tích số khối lượng riêng  nhiệt dung riêng C a=  C (1.2) • Đối với chất lỏng, nhiệt dung riêng thích hợp Cp • Định nghĩa giả thuyết mơi trường đồng nhất, khơng suốt • Độ khuếch tán nhiệt có liên quan tới trạng thái khơng ổn định đo trực tiếp tính tốn công thức từ đại lượng đo riêng rẽ • Ngồi ra, độ khuếch tán nhiệt có kể đến thay đổi nhiệt độ bên khối vật liệu nhiệt độ bề mặt thay đổi Hệ số dẫn nhiệt độ vật liệu cao nhiệt độ bên vật liệu nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ bề mặt 1.1.5 Định luật Fourier hệ số dẫn nhiệt 1.1.5.1 Định luật Fourier Dựa vào thuyết động học phân tử, Fourier chứng minh định luật dẫn nhiệt sau: Vectơ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với vectơ gradient nhiệt độ Biểu thức định luật có dạng vectơ là: q = − gradt , dạng vô hướng là: q = − gradt = − dt dn (1.3) Theo định luật này, nhiệt lượng Q dẫn qua diện tích F mặt đẳng nhiệt giây tính theo cơng thức: Q = −  F t dF n (1.4) Khi gradient không đổi bề mặt F, cơng thức có dạng: LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ Q = − t dF n (1.5) Định luật Fourier định luật để tính lượng nhiệt trao đổi phương thức dẫn nhiệt 1.1.5.2 Hệ số dẫn nhiệt  Hệ số định luật Fourier  = nhiệt q , W/mK gọi hệ số dẫn gradt Hệ số dẫn nhiệt  đặc trưng cho khả dẫn nhiệt vật Giá trị  phụ thuộc chất kết cấu vật liệu, vào độ ẩm nhiệt độ, xác định thực nghiệm với vật liệu cho sẵn theo quan hệ với nhiệt độ bảng thông số vật lý vật liệu 1.1.6 Nhiệt trở suất 1.1.6.1 Định nghĩa Nhiệt trở suất  [0C.m/W] gọi mức độ cản trở truyền tải nhiệt, gọi khả cách nhiệt môi trường Nhiệt trở suất nghịch đảo độ dẫn nhiệt  Mơi trường có nhiệt trở suất thấp môi trường tải nhiệt tốt ngược lại Nhiệt trở suất loại đất tự nhiên thay đổi từ 0,30Cm/W 50Cm/W, phụ thuộc vào thành phần thạch học đất (khoáng vật, vật liệu hữu cơ), thành phần độ hạt, độ chứa nước mật độ khô Mối liên hệ yếu tố phức tạp, biểu diễn cơng thức tốn học đơn giản Vì vậy, hầu hết ứng dụng, người ta thường sử dụng phương pháp thí nghiệm trường thí nghiệm mẫu phịng để có tham số hợp lý xác định tính chất nhiệt trở suất đất vị trí cần nghiên cứu phục vụ cho việc thiết kế cơng trình Theo số liệu thống kê, độ dẫn nhiệt số loại đất đá thông thường nêu bảng LOẠI ĐẤT ĐÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỘ DẪN NHIỆT(W/0C.m) HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 59 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 60 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 61 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 62 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 63 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 64 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 65 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 66 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 67 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 68 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 69 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 71 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 72 KẾT LUẬN KẾT LUẬN Tính chất nhiệt mơi trường đóng vai trị quan trọng hầu hết ứng dụng có liên quan đến môi trường đất, đặc biệt việc thiết kế cơng trình ngầm hệ thống cáp điện, hệ thống đường ống, hầm chứa… Trong nhiệt trở suất đại lượng cần phải đo đạc, tham số quan tâm hàng đầu Trên giới, kỹ thuật xác định nhiệt trở suất có nhiều phương pháp Tuy nhiên có hai phương pháp sử dụng phổ biến kỹ thuật trạng thái ổn định kỹ thuật trạng thái thời Kỹ thuật trạng thái ổn định thực việc đo đạc tham số vật lý trạng thái cân bằng, điều làm cho việc xử lí phân tích tính hiệu dễ dàng, bất tiện phương pháp phải thời gian dài để đạt trạng thái cân trình đo đạc Kỹ thuật trạng thái thời tiến hành việc đo đạc trạng thái vận động trình gia tăng nhiệt độ, tiện lợi kỹ thuật thực việc đo đạc cách nhanh chóng Trong phương pháp trạng thái thời, người ta thường sử dụng ống dò nhiệt thời để đo nhiệt trở suất Phương pháp thích hợp để đo đạc trường phòng Việc áp dụng quy trình xác định nhiệt trở suất số cơng trình Việt Nam tuyến dự kiến xây dựng cáp ngầm Tao Đàn – Nhà Bè Trung tâm Địa Vật Lý (thuộc Liên đoàn Bản đồ Địa Chất Miền Nam) thực hiện, dự án khu liên hợp sản xuất thép khu công nghiệp Dung Quất, dự án Đường truyền trạm phụ khu cơng nghệ cao Sài Gịn đạt kết tốt LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ 73 Hiện nay, với phát triển sở vật chất hạ tầng, việc xây dựng cơng trình ngầm ngày tăng Xây dựng quy trình xác định nhiệt trở suất đất đá phù hợp với điều kiện Việt Nam cần thiết khơng giúp cơng trình ngầm phát huy tác dụng mà cịn tiết kiệm mặt kinh phí Mọi phương pháp có mặt mạnh mặt yếu, tùy vào điều kiện thực tế thiết bị đo đạc mà vận dụng cho phù hợp KIẾN NGHỊ Việt Nam q trình phát triển, có nhiều cơng trình ngầm hóa mặt đất, đặc biệt cơng trình điện cao thế, đường ống dẫn khí nhiều ứng dụng khác Để phục vụ cho việc thiết kế hạng mục này, thiếu tham số nhiệt trở suất, vậy, cần đầu tư sâu vào hướng ứng dụng thực tế để phục vụ cho giai đoạn phát triển tương lai LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIÊN: LÊ MINH TRÍ ... dụng quy trình chấp nhận giới Việc nghiên cứu đề xuất quy trình hợp lý phục vụ cho việc đo đạc tham số nhiệt trở suất việc làm cấp bách cần thiết Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật quy trình... dụng phục vụ việc xây dựng cơng trình ngầm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài nghiên cứu xây dựng quy trình xác định nhiệt trở suất đất đá phục vụ cho việc khảo sát, thiết kế xây dựng cơng... tài Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu đề tài Giả thuyết khoa học .2 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa