Замораживание грунта – это метод стабилизации грунта, осуществляемый путем непрерывного охлаждения грунта. Рассматриваются методы, применение и преимущества замораживания грунта.
Существует множество способов и методов стабилизации грунта для глубокой выемки или прокладки тоннеля. Некоторые из них – цементация, метод термической обработки и многие другие. Одним из распространенных и популярных методов, используемых в последнее время, является метод замораживания грунта.
Замораживание грунта – это процесс превращения поровой воды или пор в лед путем постоянного охлаждения грунта.
Водоносный грунт очень рыхлый и не обладает достаточной прочностью на сжатие и сдвиг, чтобы выдерживать собственные нагрузки. Чтобы увеличить эти показатели и сделать водоносные слои временно непроницаемыми, используется метод замораживания грунта.
Обычно это делается для обеспечения структурной подпорки, временной поддержки и предотвращения поступления грунтовых вод на территорию участка. При цементации водоносных пластов вода в них превращается в лед, который становится уплотнением против воды и укрепляет почву.
При цементации используются посторонние материалы. Но в этом методе не требуется никаких дополнительных материалов, и после завершения работ почва возвращается в нормальное состояние, как и прежде.
Этот метод может быть использован в любом типе грунта, независимо от размера, формы или глубины выемки, почвы или скального образования, независимо от структуры, размера зерен или проницаемости. Однако он лучше всего подходит для мягкого грунта, а не для скальных пород.
Этот метод применим к широкому спектру грунтов, но для создания существенной ледяной стены требуется значительное время, и замораживание должно поддерживаться непрерывным охлаждением до тех пор, пока это необходимо.
- Недостатки техники замораживания грунта:
История метода искусственного замораживания грунта
Метод искусственного замораживания грунта был разработан немецким ученым Ф. Германом Поэтшем в 1883 году. Впервые в Америке он был применен в компании Chapin Mine Company в Айрон Маунтин, где замораживание было произведено на глубину до 100 футов.
Однако основным применением остается обеспечение контроля грунтовых вод и поддержка выработки при проходке шахт. На самом деле, для глубоких шахт лучшего метода пока не придумано.
Условия, при которых замораживание грунта наиболее эффективно
- Грунт, в котором проницаемость при бурении, струйной цементации, выемке грейфером или другими инструментами вертикальной резки ограничена.
- Заполненный грунт и грунт, содержащий искусственные препятствия.
- Девственный грунт, содержащий булыжники, валуны или неравномерную поверхность раздела грунт/скала.
- Грунт, нарушенный из-за нестабильных условий или притока воды.
Принципы замораживания грунта
Основной принцип этого метода заключается в преобразовании воды в лед с помощью внешних методов замораживания для создания водяного уплотнения и укрепления грунта. Эффективность замораживания зависит от наличия воды для создания льда, цементирующего частицы и увеличивающего прочность грунта до эквивалента мягкой или средней породы.
Если в почве недостаточно воды, чтобы заполнить все поры при замерзании, то может потребоваться дополнительное количество воды, чтобы поры были полностью закупорены. Этот метод очень эффективен в местах, где грунт состоит из ила. Другие методы цементации не могут быть применены из-за очень мелких пор.
Прочность, достигнутая грунтом после применения этого метода, зависит от температуры замерзания, содержания влаги и характера грунта. После завершения начального замораживания и создания замороженного барьера, необходимая холодильная мощность значительно снижается для поддержания замороженного барьера.
Когда грунтовые воды превращаются в лед, происходит расширение, которое незначительно, наблюдается около 9% расширения, что не создает серьезного напряжения или деформации почвы.
Поскольку это искусственный метод охлаждения, равномерное замораживание может быть наложено на любой тип грунта, что обеспечивает большую безопасность по сравнению с различными методами цементации.
Как и при любом другом методе обработки грунта, для выбора оптимальной системы необходимо провести соответствующее исследование участка, спроектировать соответствующую систему замораживающих трубок и выбрать установку достаточной мощности.
После начала процесса замораживания необходим мониторинг для обеспечения формирования барьерной стены и проверки завершения замораживания. В процессе бурения устанавливаются трубы для измерения температуры грунта.
Типы методов замораживания грунта
Ниже рассматриваются типы методов замораживания грунта, используемых для временной поддержки проходки тоннеля:
Непрямой метод замораживания грунта
Этот тип метода замораживания обычно используется повсеместно для стабилизации оголовков тоннелей. В этом методе вторичный теплоноситель циркулирует по трубам, забитым в грунт.
На рисунке показано схематическое изображение метода непрямого замораживания грунта. В этом методе используются два теплоносителя. Первый – аммиак, а второй – хлорид кальция.
Аммиак сжимается в морозильной установке и охлаждается. В конденсаторе аммиак охлаждается из газообразной формы в жидкую. Вода охлаждается в охлаждающем устройстве.
Этот жидкий аммиак пропускается, и вторичный теплоноситель охлаждается жидким аммиаком. Охлажденный соляной раствор передается в трубы, проложенные параллельно земле. Эти трубки замерзают, и окружающая область земли также замерзает. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не замерзнет необходимая площадь грунта.
Время, необходимое для замораживания грунта, зависит от мощности установки по замораживанию грунта по отношению к объему грунта, который необходимо заморозить, а также от расстояния и размера замораживающих трубок и содержания воды в грунте.
Прямой метод замораживания грунта
Этот метод далее подразделяется на два типа:
1. Прямой, путем циркуляции первичной хладагентной жидкости через трубки в грунте.
В этом типе прямого метода замораживания грунта в процессе замораживания используется только аммиак. Процесс такой же, как и при непрямом методе, но здесь используется только один хладагент.
Аммиак сжимается и поступает в трубы, вбитые в землю. Аммиак замораживает трубки, которые в свою очередь замораживают окружающий грунт. Время, необходимое для этого процесса, такое же, как и для непрямого, но эффективность выше по сравнению с непрямым методом.
Выбор зависит от доступности установки, оценки стоимости и, возможно, личных предпочтений.
2. Прямой, путем инъекции охлаждающего вещества в землю, например, жидкого азота.
Этот метод не требует наличия холодильной установки. Аммиак доставляется на участок под умеренным давлением и хранится на месте в изолированных резервуарах. Трубы забиваются в землю, при этом предусмотрены обратные трубы для отвода в атмосферу.
Существует преимущество для аварийного использования, т.е. быстрого замораживания без сложной стационарной установки и оборудования. Это может быть вдвойне выгодно на участках, удаленных от источников питания. В таких условиях азот можно выпускать непосредственно через трубы, вбитые в землю, и давать ему возможность выходить в атмосферу. При этом необходимо соблюдать меры предосторожности по адекватной вентиляции.
Скорость замораживания грунта с помощью N2 намного быстрее, чем при других методах, – дни, а не недели, но жидкий азот стоит дорого. Этот метод особенно подходит для короткого периода замораживания – примерно до 3 недель.
Он может использоваться в сочетании с другими процессами с тем же массивом морозильных труб и сетью изолированных распределительных труб, в которых сначала используется жидкий азот для быстрого установления заморозки, а затем обычное охлаждение для поддержания этого состояния во время выполнения работ.
Это может быть полезно, когда естественный поток грунтовых вод затрудняет первоначальное замораживание.
Преимущества метода замораживания грунта
Недостатки метода замораживания грунта:
Читать далее:
Методы улучшения грунта для стабилизации грунта для различных целей
Метод вибростабилизации для улучшения грунта
Методы улучшения грунта для стабилизации грунтовых оснований
Читайте далее:- Готардский базовый тоннель: Особенности строительства самого длинного в мире тоннеля.
- Тоннель под Ла-Маншем: Строительство самого длинного в мире подводного тоннеля.
- Туннель Атал Рохтанг: Строительство самого длинного в мире автодорожного тоннеля на высоте 10 000 футов.
- Тоннельные шахты: Типы, конструкция и преимущества.
- Тоннель Ченани-Нашри: Самый длинный в Индии двунаправленный автодорожный тоннель.
- Методы улучшения грунта для стабилизации почвы в различных целях.
- Тоннелепроходческая машина: Работа гиганта туннелестроения.