Замораживание грунта

Замораживание грунта

ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТА, искусственное уплотнение грунта для образования перемычки в целях изолирования места работ. Замораживание грунта применяется в горном деле и в подземных строительных работах. Путем замораживания воды, заключающейся в водоносных слоях земли, образуют вокруг проходимой шахты твердую цилиндрическую стенку определенной толщины, препятствующую притоку воды в шахту. Замораживание грунта было предложено Пётшем (Poetsch) в 1886 г. и применено до настоящего времени более чем в 150 шахтах. Принцип способа Пётша заключается в следующем.

Для прохождения грунта вертикальной шахтой, имеющей диаметр D метров и глубину H метров (фиг. 1), в проделанные вокруг намеченной шахты буровые скважины закладывают трубы, в которые нагнетают охлажденный до —15…—25° рассол; под действием рассола происходит охлаждение и последующее замораживание окружающего буровую скважину грунта (см. заштрихованную часть на фиг. 1).

Замораживание грунта

Трубы для рассола размещаются по окружности, имеющей диаметр на 3—4 метра больший, чем диаметр намеченной шахты; глубина их заложения не должна быть на 5—10 м более глубины водоносного слоя Н; расстояние между трубами берется обыкновенно 1 м.

Циркуляция рассола при замораживании грунта

Циркуляция рассола происходит, как показано на фиг. 2 и 3; из холодильной машины рассол нагнетается через верхнее распределительное трубчатое кольцо А во внутренние трубы (а), опускается по ним вниз и по цилиндрической полости между ними и наружными трубами (b) поднимается в сборное трубчатое кольцо В, откуда поступает снова в рефрижераторы для охлаждения и дальнейшей циркуляции.

При замораживании грунта для соединения труб применяют нарезные муфты

Для соединения труб (фиг. 3) применяют нарезные муфты: внутренние М1 - для наружных более широких труб и наружные М2 - для внутренних труб. Наружные стальные трубы имеют диаметр d1, равный 120—130 мм, и толщину стенок 6—7 мм; внутренние (газовые) трубы, в зависимости от глубины шахты, - диаметр d2, равный 25—50 мм, и толщину стенок 4—7 мм. Коэффициент теплопередачи труб для предварительных подсчетов принимается равным от 220 до 250 Cal/м2 в час.

Для успешности замораживания важное значение имеет полная параллельность закладываемых в грунт вертикальных труб, для достижения чего пользуются специальными аппаратами (Гебхарта, Эрлингхагена и др.); существенную часть их составляет маятник, подвешенный на универсальном шарнире (Кардана). Заключенный в трубу аппарат опускают через каждые 5 м  проходки в скважину, и координата соответственной точки ее наносится острием маятника на бумажной ленте, движущейся при помощи часового механизма. В случае обнаружения значительного отклонения скважины от вертикали производят закладку дополнительных труб, обеспечивающих предельное расстояние между ними в 1 м, необходимое для образования достаточного слоя замороженного грунта. Трудности достижения полной вертикальности скважин и, следовательно, рассольных труб ограничивают область применения способа замораживание грунта глубиной до 250—300 м, хотя имеются шахты, заложенные по способу Пётша на глубину до 540 м. Работы по этому способу затрудняются при значительной скорости течения подземных вод, размывающих в этом случае ледяной массив, а также при содержании в грунтовых водах значительного % солей, понижающих температуру замораживания воды.

Сам процесс замораживания грунта происходит следующим образом. Сначала охлаждается слой земли, ближайший к рассольным трубам, затем происходит замораживание заключенной в нем воды и, далее, охлаждение ближайшего к первому слоя грунта с постепенным переходом в дальнейшем от температуры замерзшего слоя до нормальной температуры неохлажденного грунта. В начале процесса замораживания разность температур опускающегося и возвратного рассола довольно значительна, но постепенно она уменьшается до 2—3°. Скорость опускания рассола допускается до 2 м/сек, а скорость поднимающегося (обратного) рассола равна от 0,12 до 0,15 м/сек.

Для определения расхода холода и потребной мощности холодильных машин необходимо знать: диаметр выемки грунта D, высоту (толщину) водоносного слоя Н, содержание в нем воды W в объемных %, удельный вес сухого грунта γ, теплоемкость сухого грунта с, внешний диаметр замораживающих труб D2, внутренний диаметр замораживаемого полого цилиндра D3, внешний диаметр замораживаемого полого цилиндра D4, объем замораживаемого полого цилиндра V, число замораживающих труб n, поверхность каждой F, среднюю температуру рассола t1, среднюю температуру грунта t2 и время, потребное для замораживания шахты, h (в часах).

Процесс замораживания грунта слагается из следующих элементов: а) охлаждение цилиндрического полого тела с наружным диаметром D4, внутренним D3, высотой H и объемом V, слагающееся из охлаждения V·W/100 кг воды и (1—W/100)·V·γ кг сухого грунта от температуры t2 до 0°; б) замораживание V·W/100 кг воды при 0°; в) переохлаждение от 0° до температуры, средней между 0° и температурой рассола t1, т. е. до t1/2, слагающееся из переохлаждения V·W/100 кг льда и переохлаждения (1—W/100)·V·γ кг сухого грунта; г) охлаждение цилиндрического ядра шахты диаметром D и высотой H до средней его температуры t2/2, д) охлаждение внешнего цилиндрического полого слоя, окружающего ледяной массив и имеющего внутренний диаметр D4, внешний – D5 (обычно на 3—4 м более диаметра D4) и высоту H, до температуры t2/2; е) замораживание нижней части внутреннего ядра (составляющее неизбежную потерю холода), в которую поступает наиболее холодный рассол.

По вычисленному из пунктов (а)—(е) расходу холода Q, числу и поверхности труб и теплопередаче их в час при данной разности температур определяется h - время, потребное для замораживания, из уравнения

Zamoraj grunta 4

где k - коэффициент теплопередачи труб; на практике время замораживания шахт по описываемому способу исчисляется месяцами, достигая в особо трудных случаях 3—4 лет. В выполненных установках мощность машин (обычно аммиачных) варьирует от 100000 до 3000000 Cal в час. После окончания замораживания расход холода сводится лишь к поддержанию термического равновесия в массиве, т. е. отнятию от него лишь того количества тепла, которое он получает извне, вследствие чего работа машин значительно сокращается. Для извлечения труб после окончания строительных или шахтных работ производится оттаивание труб путем циркуляции подогретого рассола.

В последние годы произведены десятки установок при помощи замораживание грунта и притом при особо низких температурах (до —50°). Низкие температуры дают значительное ускорение хода работ при быстром замораживании, а главное - позволяют производить замораживание при высоком содержании солей в подземных водах; для получения рассола в этих установках применяют исключительно хлористый кальций с прибавлением алкоголя, замерзающий, при крепости в 32,2° Вѐ, при температуре —55° (без алкоголя, при 30° Вѐ, этот же рассол замерзает уже при температуре —39°). Кроме замораживания грунта при проходке вертикальных шахт, способ замораживания грунта применен в нескольких случаях для рытья горизонтальных тоннелей (Парижский метрополитен, тоннель в Стокгольме и др.).

Вообще замораживание грунта в строительстве находит применение в тех случаях, когда приходится опускаться ниже горизонта грунтовых вод в плывучих грунтах; последние при водоотливе натекают в котлован с внешней стороны перемычки, окружающей этот котлован, и тем ослабляют сопротивляемость грунта, что очень опасно там, где на этих грунтах покоятся какие-либо грузные сооружения. Для сильного охлаждения (до —50°) применяются углекислотные машины, причем особо низкие температуры в системе достигаются при помощи сильного переохлаждения углекислоты за счет частичного ее испарения в дополнительном переохладителе; при этом схема установок проектируется так, чтобы в начальной стадии процесса замораживания грунта, пока рассол мало охлажден (—204…—35°) была возможна работа компрессоров в одну ступень, а затем, по достижении низкой температуры, работали компрессоры с двухступенчатым сжатием, что повышает экономичность процесса.

Схема установки для сильного замораживания грунта

На фиг. 4 показана схема такой установки для сильного замораживания. Компрессор (а) низкого давления нагнетает сжатую углекислоту сначала в промежуточный охладитель (b), через который циркулирует вода, а затем в компрессор высокого давления (с). Работа производится сначала одноступенчатым компрессором до тех пор, пока температура возвращающегося рассола не будет равна —25…—35°. Затем переходят на работу с двухступенчатым сжатием, причем компрессор низкого давления (а) сжимает газ с 6 до 24 atm, перегревая его при этом до 45°. В охладителе, куда затем поступает газ, температура его падает до 25°, после чего компрессор высокого давления сжимает СО2 до 60—70 atm; из компрессора высокого давления сжатый газ с повышенной температурой направляется в конденсатор (d) и переохладитель (е), где жидкая углекислота снова переохлаждается до 20°. Отсюда она поступает в дополнительный переохладитель (f), где за счет испарения части жидкости происходит ее дальнейшее охлаждение до —6°. По выходе из дополнительного переохладителя углекислота поступает в испаритель (g), где происходит окончательное ее испарение, сопровождающееся понижением температуры до —50°.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 8 - 1929 г.