Глубина промерзания грунта в Новосибирске. Как промерзает грунт

Как происходит промерзание грунта?

Каждую зиму грунт промерзает на некоторую глубину, при этом содержащаяся в грунте вода замерзает, превращается в лед и расширяется, тем самым, увеличивая объем грунта. Этот процесс называется пучение грунта. Увеличиваясь в объеме, грунт действует на фундамент дома, сила этого воздействия может быть очень велика и составлять десятки тонн на квадратный метр поверхности фундамента. Воздействие такой силы может двигать фундамент, нарушая нормальное положение всего здания. Таким образом, промерзание грунта оказывает негативное влияние. Для того, чтобы силы пучения не действовали на основание фундамента, нужно его закладывать на глубину ниже глубины промерзания.

От чего зависит глубина промерзания грунта?

Глубина промерзания грунта в Новосибириске: 2,20м — 2,42м

Глубина промерзания грунта зависит, во-первых, от типа грунта: глинистые грунты промерзают чуть меньше песчаных, потому что обладают большей пористостью.

Пористость глины колеблется от 0,5 до 0,7, в то время как пористость песка — от 0,3 до 0,5.

Во-вторых, глубина промерзания зависит от климатических условий, а именно от среднегодовой температуры: чем она ниже, тем больше глубина промерзания.
Нормативные глубины промерзания (по данным СНиП) в сантиметрах для разных городов и типов грунта представлены ниже в таблице.

Глубина промерзания грунта в Новосибирке составляет:

для глинистых грунтов (глина, суглинок) — 2,20 м
для песчаных грунтов (песок, супесь) — 2,42 м

Фактические глубины промерзания на самом деле будут отличаться от нормативных, приведенных в СНиП, потому что нормативные данные приведены для самого плохого случая — отсутствие снежного покрова. Нормативная глубина промерзания грунта

, представленная в этой таблице, — это максимальная глубина. Снег и лед – хорошие теплоизоляторы, и наличие снежного покрова уменьшает глубину промерзания. Под домом грунт так же промерзает меньше, тем более, если дом отапливается круглый год. Таким образом, реальная глубина промерзания земли может быть на 20-40% меньше нормативной.

Как уменьшить влияние промерзания грунта?

Промерзание грунта можно уменьшить: для этого грунт вокруг дома утепляют. Лента хорошего утеплителя шириной 1-2 метра, уложенная вокруг дома, способна обеспечить минимальную глубину промерзания грунта, окружающего фундамент дома. Благодаря такому приему возможно заложение мелкозаглубленных фундаментов, которые закладываются на глубину выше глубины промерзания, но благодаря утеплению грунта остаются устойчивыми.

Нормативная глубина промерзания грунта | Расчет сезонного промерзания грунта по СНиПу

Калькулятор ГПГ-Онлайн v.1.0

Калькулятор по расчету нормативной и расчетной глубины промерзания грунта для регионов РФ, Украины, Белоруссии и др. Два поиска: быстрый (по названию города) и расширенный. Пояснения и рабочие формулы можно найти под калькулятором.

Расширенный поиск:

Страна Выберите странуРоссийская ФедерацияАзербайджанская республикаРеспублика АрменияРеспублика БеларусьГрузияРеспублика КазахстанКыргызская республикаРеспублика МолдоваРеспублика ТаджикистанРеспублика УзбекистанУкраина

Республика, край, область Выберите регион:

Город Выберите город:

Нормативная глубина промерзания (СП 131.13330.2012)

Город	Грунт	Глубина промерзания, м
—	Глина или суглинок	0
	Супесь, песков пылеватый или мелкий	0
	Песок средней крупности, крупный или гравелистый	0
	Крупнообломочные грунты	0

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта

Источники данных: СНиП 23-01-99* (СП 131.13330.2012); СНиП 23-01-99; СП 22. 13330.2011 (СНиП 2.02.01-83*); СНиП 2.02.01-83

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Нормативную глубину сезонного промерзания грунта dfn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле:

dfn = d0 * √Mt

где Mt — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемых по СНиП по строительной климатологии и геофизике, а при отсутствии в них данных для конкретного пункта или района строительства — по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства;

d0 — величина, принимаемая равной, м, для:
суглинков и глин — 0,23;
супесей, песков мелких и пылеватых — 0,28;
песков гравелистых, крупных и средней крупности — 0,30;
крупнообломочных грунтов — 0,34.

Значение d0 для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенное в пределах глубины промерзания.

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта df, м, определяется по формуле:

df  = kh * dfn 

где dfn — нормативная глубина промерзания, определяемая;

kh — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый: для наружных фундаментов отапливаемых сооружений — по табл.1; для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений kh = 1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой.

П р и м е ч а н и я

1. В районах с отрицательной среднегодовой температурой расчетная глубина промерзания грунта для неотапливаемых сооружений должна определяться теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330. Расчетная глубина промерзания должна определяться теплотехническим расчетом и в случае применения постоянной теплозащиты основания, а также если тепловой режим проектируемого сооружения может существенно влиять на температуру грунтов (холодильники, котельные и т.
   п.).
2. Для зданий с нерегулярным отоплением при определении kh за расчетную температуру воздуха принимают ее среднесуточное значение с учетом длительности отапливаемого и неотапливаемого периодов в течение суток.

Таблица 1

Особенности сооружения	Коэффициент kh при расчетной среднесуточной температуре воздуха в помещении, примыкающем к наружным фундаментам, °С
	0	5	10	15	20 и более
Без подвала с полами, устраиваемыми:
по грунту	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5
на лагах по грунту	1	0,9	0,8	0,7	0,6
по утепленному цокольному перекрытию	1	1	0,9	0,8	0,7
С подвалом или техническим подпольем	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4
П р и м е ч а н и я 1 Приведенные в таблице значения коэффициента kh относятся к фундаментам, у которых расстояние от внешней грани стены до края фундамента af< 0,5 м; если af 1,5 м, значения коэффициента kh повышают на 0,1, но не более чем до значения kh= 1; при промежуточном значении af значения коэффициента kh определяют интерполяцией. 2 К помещениям, примыкающим к наружным фундаментам, относятся подвалы и технические подполья, а при их отсутствии – помещения первого этажа. 3 При промежуточных значениях температуры воздуха коэффициент kh принимают с округлением до ближайшего меньшего значения, указанного в таблице.

Строительные калькуляторы

Глубина промерзания грунта в Подмосковье

Из данной статьи вы узнаете, что собою представляет понятие глубины промерзания грунта и почему его необходимо учитывать при проектировании фундаментов. Мы рассмотрим нормативные величины ГПГ для разных регионов России и узнаем, как определить фактическую и расчетную величину глубины промерзания почвы согласно действующим нормативам СНиП.

Оглавление:

Глубина промерзания грунта (ГПГ) — нормативное понятие, которое описывает среднестатистическую глубину, на которою почва промерзает в холодное время года.

Для расчета глубины промерзания берется среднестатистический показатель сезонного промерзания в конкретном регионе за последние 10 лет.

Рис. 1.0: Карта нормативной глубины промерзания почвы в разных регионах России

Уровень промерзания почвы — одна из основных величин, которые учитываются при проектировании фундаментов любого типа. Если в основе расчетов будет лежать неправильный показатель ГПГ, либо данный фактор будет не учитываться вообще, проектировщик не сможет рассчитать требуемую глубину заложения фундамента.

Важно учесть! Плитные и ленточные фундаменты, не обладающие достаточной глубиной заложения, отличаются чрезмерной подверженностью воздействиям морозного пучения почвы — они неустойчивы, подвержены деформациям и разрушениям.

Рис. 1.1: Характерный признак неправильно рассчитанной глубины заложение фундамента и, как следствие, повреждение здания под воздействием пучения грунта

Морозное пучение происходит в промерзших пластах почвы, пропитанных влагой. Грунтовые воды, при замерзании, склонны к увеличению своего объема на 2-9%, в результате такого расширения пропитанная водой почва начинает подниматься вверх и давить на фундамент здания, оказывая на него выталкивающее воздействие.

Важно! Чтобы избежать негативных влияний пучения, ленточные и плитные фундаменты должны закладываться ниже глубины промерзания почвы.

При таком расположении основание полностью лишено воздействия вертикальных сил пучения (выталкивающего давление почвы, находящейся под фундаментной лентой). Фундамент подвергается лишь касательному пучению (в результате трения стенок основания и боковых пластов пучинистой почвы), влияние которого можно устранить с помощью обустройства уплотняющей отсыпки по периметру стенок фундамента.

Рис 1.2: Схема промерзания участка застройки

Перед началом любого строительства, проводящегося на пучинистых грунтах, необходимо выяснить ГПГ в конкретном регионе, чтобы в дальнейшем иметь возможность подобрать оптимальную глубину заложения фундамента.

Внимание! Как неправильный расчет нагрузки на фундамент может привести к большим финансовым потерям: ссылка.

Глубина промерзания СНИП

ГПГ — величина, которую без наличия специального оборудования невозможно определить непосредственно перед началом строительства, поскольку ее расчеты требуют предварительного анализа конкретной местности на протяжении более чем 10-ти лет. В строительной практике, для определения глубины промерзания, используются нормативные данные о ГПГ и базовая информация для ее расчета, заложенная в документах СНиП.

До недавнего времени основным документом, в котором были приведены данные о глубине промерзания грунта, являлся СНиП № 20101-82 «Климатология и геофизика строительства», и сопутствующие ему карты разных регионов Российской Федерации.

Важное замечание! С недавних пор данный нормативный документ был разделен на две отдельные справки — СНИП № 20201-83 «Фундаменты зданий о сооружений» и СНИП № 2301-99 «Климатология строительства».

В данный документах приведены среднестатистические показатели глубины промерзания почвы для конкретных регионов РФ, ознакомится с которыми вы можете в таблице 1.1

Город	Сезонная глубина промерзания разных видов почвы (см)
	Глиняный грунт и суглинок	Супеси и мелкие сухие пески	Крупные и гравелистые пески
Ярославль	143	174	186
Архангельск	156	190	204
Челябинск	173	211	226
Вологда	143	174	186
Тюмень	173	210	226
Екатеринбург	157	191	204
Сургут	222	270	290
Казань	143	175	187
Саратов	119	144	155
Курск	106	129	138
Санкт-Петербург	98	120	128
Москва	110	134	144
Самара	154	188	201
Нижний Новгород	145	176	189
Рязань	136	165	177
Новосибирск	183	223	239
Ростов на Дону	66	80	86
Орел	110	134	144
Псков	97	118	127
Пермь	159	193	207

Таблица 1. 1: Нормативная глубина промерзания почвы в разных городах России

ГПГ зависит от двух основных факторов — среднестатистических минусовых температур в конкретных регионах и типа грунта.

Косвенным фактором, влияющим на ГПГ, является толщина снежного покрова, которым укрыт грунт — чем он толще, тем меньшей будет глубина промерзания. Стоит учитывать, что данные, указанные в нормативных таблицах СНИП, не учитывают толщину снежного покрова, поэтому фактическая величина ГПГ в регионе всегда будет меньшей, чем глубина, указанная в таблице 1.1.

Рис. 1.3: Схема зависимости ГПГ от толщины снежного покрова

Важное замечание! Всем домовладельцам, сталкивающимся с проблемой пучения почвы, стоит помнить о том, что они сами себе могут доставить дополнительных неприятностей, очищая снег и формируя сугробы возле стен дома.

Неравномерное пучение, которое происходит в местах, где почва обладает разной глубиной промерзания, крайне негативно сказывается на состоянии фундамента — из-за различных выталкивающих сил, воздействующих на фундаментную ленту, основание дома перекашивается, в результате чего возникают трещины на стенах и цоколе. Если вы очищаете снег вокруг постройки — делайте это по всем периметру здания, и не формируйте сугробы возле одной из стен дома.

Глубина промерзания грунта в Подмосковье

Как свидетельствуют отзывы опытных строителей, свыше 80% грунтов в Москве и области представлены пучинистой почвой — суглинком, глиной, песками, супесями. При строительстве домов на таких грунтах крайне важно учитывать глубину их промерзания, поскольку фундамент, заложенный выше требуемого уровня, не будет обладать ожидаемой от него надежностью и долговечностью.

ГПГ в Подмосковье варьируется достаточно сильно — от 90 до 200 сантиметров. Такие колебания обусловлены разной плотностью грунтов — чем большая плотность, и чем выше уровень залегания грунтовых вод, тем сильнее будет промерзать почва.

Среднестатистической расчетной величиной ГПГ, учитываемой при строительстве зданий в Подмосковье, принято считать 140 сантиметров. Более детальные показатели для разных городов Подмосковья вы можете увидеть в таблице 1. 2.

Город	Сезонная глубина промерзания почвы (см)
Дубна	150
Талдом	130
Сергиев Посад, Александров	140
Орехово-Зуево	130
Егорьевск	130
Коломна	110
Ступино	120
Серпухово	100
Обнинск	110
Балабаново	110
Можайск	125
Волоколамск	120
Клин, Солнечногорск	120
Звенигород, Истра	110
Наро-Фоминск	125
Чехов	120
Воскресенск	110
Павловский Посад, Ногинск, Пушкино	110
Дмитров	140
Пушкино, Щепково, Балашиха	150
Одинцово, Болицыно, Кубинка	140
Подольск, Домодедово, Люберцы	100
Железнодорожный	110
Мытища, Лобня	140

Таблица 1. 2: Глубина промерзания грунта в Московской области

Внимание! Почему пучение способно разрушить ваше будущее строение:как обезопасить себя

Расчетная глубина промерзания грунта

Расчетная величина ГПГ, согласно нормативам СНИП, определяется по формуле: h = √M*k, в которой:

• М — сумма максимальных показателей минусовых температур в холодное время года;
• k — коэффициент, отличающийся для разных видов грунтов.

Величина коэффициента, использующегося в расчетной формуле, составляет:

• 0,23 — для глинистой почвы и суглинков;
• 0,28 — для пылеватой и мелкой песчаной почвы, супесей;
• 0,3 — для средне крупных гравелистых и крупных песков;
• 0,34 — для почвы с вкраплениями крупнообломочных горных пород.

Для примера, определим расчетную величину ГПГ для Вологды. Данные среднемесячных минусовых температур для этого города мы можем взять в документе СНИП № 2101. 99.

Для Вологды она составляет:

Из данной таблицы мы определяем значение M — для этого нам нужно суммировать показатели месяцев, обладающих минусовыми температурами.

• M = 11,6 + 10,7 + 5,4 + 2,9 + 7,9 = 38,5.

Теперь нам нужно извлечь квадратный корень из получившейся величины:

Что позволяет выполнить расчеты согласно основной формуле, учитывая коэффициент типа грунта, на котором будут выполняться строительные работы. Для примера используем коэффициент суглинистой почвы, он равен 0,23.

В результате мы получаем расчетную величину промерзания суглинистой почвы в Вологде равную 143 сантиметрам. Аналогичным образом расчеты выполняются для любых видов почв в других городах России.

Как определить реальную глубина промерзания грунта

Внимание! Фактические и нормативные показатели ГПГ всегда будут отличаться между собой из-за ряда сопутствующих факторов, таких как толщина снега и льда, которыми укрыт грунт.

Рис. 1.4: Нормативная глубина промерзания грунта в РФ (данные на 2006 год)

Для определения реальной глубины промерзания используется специальный прибор — мерзлотомер. Данное устройство представляет собою обсадную трубку, внутри которой размещен наполненный водой шланг с внутренними ограничителями передвижения льда. На шланг нанесена сантиметровая разметка.

Мерзлотомер погружается в грунт на глубину, равную фактической величине ГПГ (все измерения проводятся в холодное время года). Вода в трубке мерзлотомера превращается в лед на участке, где с прибором контактирует промерзшая почва.

Рис. 1.5: Фактическая глубина промерзания почвы в РФ

Спустя 10-12 часов после погружения устройства в почву шланг с водой изымается из обсадной трубки и по замершему участку воды определяется реальная глубина промерзания почвы.

Наши услуги

Услуги компании «Богатырь» это забивка свай и лидерное бурение. Мы имеем собственный автопарк бурильно-сваебойной техники и готовы поставлять сваи на объект с дальнейшим их погружением на строительной площадке. Цены на забивку свай представлены на странице: цены на забивку свай. Для заказа работ по забивке железобетонных свай, оставьте заявочку.

Карта промерзания грунтом Москвы и области

В разных районах области глубина промерзания грунта будет различной. Это обусловлено отличием видов грунта, климата, уровня грунтовых вод, зеленых насаждений, количества осадков в зимний период, рельефа. Поэтому глубина промерзания постоянно изменяется.

Глубина промерзания грунта в Московской области

В зависимости от всех вышеперечисленных факторов определяется глубина промерзания, которая для Московской области составляет 0,5-1,8 м. Такие разные границы обусловлены разнообразием почв, которые имеют ряд закономерностей:

• плотный грунт промерзает глубже;
• влажная почва промерзает быстро и глубоко;
• сухое основание промерзает меньше.

Нормативные акты не предусматривают единой усредненной глубины промерзания, но обычно для расчетов берут показатель в 1,4 м. Его получают при расчете глубины по формуле из СП, он имеет достаточно большой запас.

На самом деле глубина варьируется в пределах 1 м, при этом на западе показатель составляет порядка 65 см в самых неблагоприятных условиях, а на севере и востоке в среднем показатель составляет 75 см. Даже при самых сложных условиях – мороз, мало снега, влажный грунт – этот показатель не превышает 1,5 м.

В окрестностях Москвы встречаются практически все типы грунтов, кроме IV категории. Поэтому точное значение глубины промерзания грунта может рассчитать только специалист – геолог, геодезист, проектировщик. Приблизительные показатели приведены в нормативных документах. Здесь есть карта промерзания грунта, а также приблизительная глубина для крупных городов.

Где применяются данные о промерзании грунта?

В зависимости от глубины промерзания грунта предусматривается прокладка трубопровода. Также этот показатель учитывают при проектировании фундаментов. Если они будут заглублены недостаточно, будет происходить их промерзание, при этом разрушение произойдет намного быстрее, чем предусмотрено проектом. В грунте содержится вода, которая при замерзании расширяется. Кроме того, в бетонных фундаментах присутствуют поры, которые заполняются влагой и водой. Капиллярные трещины также заполняются влагой, и в результате множественных циклов замораживания и оттаивания (которые происходят в течение одной зимы) происходит значительное снижение прочности. Для свайных стальных фундаментов такие воздействия не так страшны.

Чтобы защитить столбчатый или ленточный фундамент от промерзания, предусматривается создание утепленной отмостки. Если утепление не предусматривается, фундамент закладывают на 100 мм ниже уровня промерзания в песчаных грунтах, на 250 мм ниже для остальных типов основания. Если эти условия не соблюдаются, происходят осадки здания, что приводит к деформациям и отказу от нормальной эксплуатации.

Влияние оттепелей на снежный покров и промерзание грунта при современных изменениях климата | Сосновский

1. Etzelmuller B., Schuler T.V., Isaksen K., Christian sen H.H., Farbrot H., Benestad R. Modeling the temperature evolution of Svalbard permafrost during the 20th and 21st century // The Cryosphere. 2011. № 5. P. 67–79. doi: 10.5194/tc-5-67-2011.

2. Osterkamp T.E., Viereck L., Shur Y., Jorgenson M.T., Racine C.H., Doyle A.P., Boone R.D. Observations of thermokarst in boreal forests in Alaska // Arctic, Antarctic, Alpine Research. 2000. V. 32. № 3. P. 303–315.

3. Jorgenson M.T., Racine C.H., Waiters J.C., Osterkamp T.E. Permafrost degradation and ecological changes associated with a warming climate in central Alaska // Climate Change. 2001. № 48. P. 551–579.

4. Yoshikawa K., Hinzman L. Shrinking thermokarst ponds and groundwater dynamics in discontinuous permafrost // Permafrost Periglacial Process. 2003. №14. P. 151–160.

5. Рихтер Г.Д. Роль снежного покрова в физико-географическом процессе // Тр. Ин-та географии АН СССР. Вып. 40. 1948. С. 64–75.

6. Шерстюков А.Б. Корреляция температуры почво-грунтов с температурой воздуха и высотой снежного покрова на территории России // Криосфера Земли. 2008. Т. XII. № 1. С. 79–87.

7. Yonghong Yi, John S. Kimball, Richard H. Chen, Mahta Moghaddam, Charles E. Miller. Sensitivity of activelayer freezing process to snow cover in Arctic Alaska // The Cryosphere. 2019. № 13. P. 197–218. doi. org/10.5194/tc-13-197-2019.

8. Осокин Н.И., Сосновский А.В., Накалов П.Р., Чернов Р.А., Лаврентьев И.И. Климатические изменения и возможная динамика многолетнемёрзлых грунтов на архипелаге Шпицберген // Лёд и Снег. 2012. № 2 (52). С. 115–120.

9. Шмакин А.Б. Климатические характеристики снежного покрова Северной Евразии и их изменения в последние десятилетия // Лёд и Снег. 2010. № 1 (109). С. 43–57.

10. Осокин Н.И., Сосновский А.В. Пространственная и временная изменчивость толщины и плотности снежного покрова на территории России // Лёд и Снег. 2014. Т. 54. № 4. С. 72–80.

11. Semenov V.A., Bengtsson L. Secular trends in daily precipitation characteristics: greenhouse gas simulation with a coupled AOGCM // Climate Dynamics. 2002. № 19. Р. 123–140. doi: 10.1007/s00382-001-0218-4.

12. Westermann S., Boike J., Langer M., Schuler T.V., Et zelmüller B. Modeling the impact of wintertime rain events on the thermal regime of permafrost // The Cryosphere. 2011. № 5. P. 945–959.

13. Шмакин А.Б., Осокин Н.И., Сосновский А.В., Зазовская Э.П., Борзенкова А.В. Влияние снежного покрова на промерзание и протаивание грунта на Западном Шпицбергене // Лёд и Снег. 2013. Т. 53. №4. С. 52–59.

14. Rennert K., Roe G., Putkonen J., Bitz C. Soil thermal and ecological impacts of rain on snow events in the circumpolar Arctic // Journ. of Climate. 2009. №22. P. 2302–2315.

15. Putkonen J., Roe G. Rain-on-snow events impact soil temperatures and affect ungulate survival // Geophys. Research Letters. 2003. № 30 (4). P. 1188. doi: 10.1029/2002GL016326.

16. Котляков В.М., Осокин Н.И., Сосновский А.В. Оценка коэффициента теплопроводности снега по его плотности и твёрдости на Западном Шпицбергене // Лёд и Снег. 2018. Т. 58. № 3. С. 343–352. doi: 10.15356/2076-6734-2018-3-343-352.

17. Осокин Н.И., Сосновский А.В. Влияние динамики температуры воздуха и высоты снежного покрова на промерзание грунта // Криосфера Земли. 2015. Т. XIX. № 1. С. 99–105.

18. Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2008. 230 с.

Промерзание грунта — XPS Корпорации ТЕХНОНИКОЛЬ

Грунты — это слои земли, служащие основанием для зданий. Грунты должны обладать достаточной прочностью и малой сжимаемостью. Этим требованиям отвечают не все грунты. Например, на торфяных болотах нельзя строить дома без принятия специальных, зачастую дорогостоящих мер. Наличие подпочвенных вод ухудшает строительные качества тех слоев земли, которые находятся на уровне заложения фундаментов.

Например, глинистые грунты являются пучинистыми. Лесовые грунты, при насыщении их водой, под действием веса дома оседают, вызывая расстройство его конструкций. Для предотвращения неравномерного увлажнения таких грунтов во время строительства не допускают попадания в котлован дождевых вод, фундаменты сооружают возможно скорее, пазухи между стенками фундаментов и котлованов засыпают немедленно.

Рекомендуем: прежде чем выбрать конструкцию фундамента, определяют потребную глубину его заложения в зависимости от глубины промерзания грунтов, наличия и уровня грунтовых вод. Для этого отрывают неглубокие колодцы-шурфы, позволяющие видеть залегающие слои грунта и обнаружить грунтовые воды. В случаях, если состав воды вызывает сомнение, необходимо произвести лабораторный анализ на вредность.

При строительстве дома в застроенном населенном пункте сведения о грунтах и принятой глубине заложения фундаментов можно получить у жителей или строителей смежных домов. При определении глубины заложения фундаментов малоэтажных домов можно руководствоваться данными таблицы, а глубину промерзания определять по схематической карте.

Перед сооружением фундаментов необходимо очистить площадку, срезать растительный слой в пределах застройки, спланировать (засыпать ямы, снять бугры), разбить (разметить на месте) план дома и завести материалы. Перед разбивкой дома устанавливают обноску, состоящую из столбов, закапываемых в грунт на расстоянии 1-2 м от здания. К столбам, со стороны будущих стен дома и параллельно им, прибивают по уровню деревянные доски или рейки, на которых размечают размеры отдельных деталей котлована (траншей и ям), а затем фундаментов и стен.

Теги: 

Обогрев грунта под холодильниками, обогрев грунта под холодильными камерами – ГК «ССТ»

При работе стационарных промышленных холодильных установок (холодильная или морозильная камера, склад-холодильник, каток с искусственным льдом, и т. д.) в морозильной камере постоянно поддерживается низкая температура, и конструкция пола под её воздействием постепенно промерзает. Даже при наличии хорошей теплоизоляции фундамента этот процесс невозможно остановить, и с течением времени начинается промерзание грунта под полом морозильной камеры. Содержащаяся в грунте влага замерзает и происходит вспучивание грунта, способное привести к разрушению пола в морозильной камере и выходу из строя всего сооружения.

Согласно СНиП 2.11.02-87 «здания холодильников с отрицательными температурами в помещениях, возводимые во всех строительно-климатических районах, за исключением зон распространения вечномерзлых грунтов, должны проектироваться с учетом необходимости предотвращения промерзания грунтов, являющихся основанием фундаментов и полов. .. Системы защиты грунтов от промерзания должны предусматриваться под помещениями с отрицательными температурами, а также под примыкающими к ним коридорами, вестибюлями, лифтовыми шахтами.»

Решение задачи

Предотвратить промерзание грунта под морозильной камерой можно путем подогрева нижней части основания камеры. Применение систем на основе нагревательного кабеля позволяет оптимальным образом справиться с решением этой задачи. Электрический нагревательный кабель резистивного типа устанавливается в конструкцию пола камеры и создает тепловой экран, препятствующий проникновению холода в грунт под камерой. Только в отличие от обычного «тёплого пола» нагревательный кабель располагается под слоем теплоизоляции.Кроме того, для предотвращения обледенения полов коридоров и других помещений, примыкающих к входам в морозильные камеры, рекомендуется установить систему кабельного обогрева участков пола перед входами.

Экономичнее, надежнее, проще..

Раньше проблема промерзания грунта под морозильными установками решалась прокладкой под слоем теплоизоляции труб с горячей водой. Явным недостатком этих систем было то, что их практически невозможно регулировать по мощности, а, следовательно, неизбежен перерасход тепловой энергии и, самое главное, они не обладают высокой степенью надежности, которая необходима в подобных системах. В случае замерзания воды на каком-либо участке трубопровода, при протечке или при закупорке трубы в случае образования нерастворимых осадков объем и сложность ремонта были очень высокими. Выход был один — многократное резервирование системы и как следствие, её значительное удорожание.

Электрические нагревательные кабели позволили избавиться от множества сложностей , сопровождавших обогрев морозильных камер. Безусловным преимуществом кабельных систем предотвращения промерзания грунта под промышленными холодильниками по сравнению с другими видами обогрева является не только сверхнадежность и экономичность, но и минимальный объем технического обслуживания(фактически, обслуживание вообще не требуется — нужно лишь периодически контролировать параметры). Кабели размещаются между фундаментом и холодной поверхностью, образуя надежную термическую защиту. При необходимости прогревать большие площади применяется разделение на зоны.

Преимущества

Одним из важных вопросов при проектировании и обустройстве системы электрообогрева полов холодильных камер является обеспечение повышенных сроков эксплуатации нагревательных кабелей, их ремонтопригодность, а также сохранение работоспособности системы даже при выходе из строя по различным причинам одной или нескольких секций.

Для этого в систему управления заложен принцип селективности. Система управления позволяет отключить неисправную секцию, а нагрузку перераспределить на систему резервирования.

Раскладка нагревательного кабеля может происходить с учетом простого или двойного резервирования, позволяющего сохранить требуемый тепловой поток и не допустить промерзание участков грунта под полом холодильной камеры.

Однако, применение бронированных нагревательных кабелей марки НБМК, которые обладают устойчивостью к тепловым перегрузкам и повышенной механической прочностью, и на практике доказавших свою надёжность и долговечность в работе, в сочетании с методом трифилярной раскладки кабеля (нагревательные секции укладываются по три параллельно) позволяют подчас отказаться от использования резервного контура. На практике мы применяем оба указанных варианта.

Если внутри камеры имеются опорные колонны, которые проходят сквозь теплоизоляцию пола, то в этих местах образуются мостики холода, поскольку тепловые потери через неизолированные бетонные и стальные конструкции особенно высоки. Наши проектировщики предложили уникальное решение по обогреву колонн на основе «гирлянды» из саморегулирующегося нагревательного кабеля и электрического провода.

Состав системы обогрева полов холодильных камер

Для обогрева полов холодильных камер используются бронированные нагревательные секции марки ТСОЭ с номинальной линейной мощностью 4-9 Вт/м. Они изготавливаются на основе резистивного одножильного нагревательного кабеля НБМК с проволочной броней и оболочкой из компаунда. Секция состоит собственно из нагревательного кабеля, который с двух сторон посредством специальных соединительных муфт оснащается монтажными концами необходимой длины для ввода их в распределительную коробку. Срок службы нагревательных секций на основе подобного кабеля — не менее 25 лет. Шкаф управления устанавливается на стене в сухом отапливаемом помещении, температура в помещении должна быть в диапазоне от плюс 5 до плюс 50°С.

Подсистема обогрева

Подсистема питания и обогрева

• Терморегуляторы;

• Датчики температуры;

• Шкафы управления с пусковыми автоматами, УЗО, реле времени.

Распределительная и информационная сеть

• Силовая кабельная сеть;

• Информационная кабельная сеть;

• Распределительные и соединительные коробки;

• Защитные трубы, короба, лотки, крепежные элементы.

Технические характеристики

Параметры	Показатели
Установленная мощность системы на 1м ².	± 15 Вт.
Напряжение питания.	220-380 В
Установленная мощность нагревательного кабеля	4-9 Вт/ пог. м.
Наличие системы резервирования	Да
Срок службы нагревательных секций	до 25 лет

Выбор параметров системы производится с учетом особенностей конструкции камер, требований заказчика и многолетнего опыта проектирования, монтажа и эксплуатации систем электрического обогрева. Принятые технические решения позволяют предотвращать промерзание и вспучивание грунта под полом камер при условии правильной эксплуатации системы.

Cистема обогрева холодильных камер позволяет решать следующие задачи:

• создание теплового барьера, препятствующего промерзанию и пучению грунта, находящегося непосредственно под полом холодильной камеры;
• обеспечение возможности монтажа полов холодильных камер непосредственно на грунт без обустройства вентилируемого подполья;
• предотвращение разрушения полов холодильных камер и фундаментов, несущих конструкции здания холодильной камеры, в т.ч.опорных колонн.

Заморозка грунта | Geoengineer.org

В этом отчете представлен подробный обзор искусственного замораживания грунта (AGF) как метода улучшения условий на стройплощадке для проектов гражданского строительства.

Искусственное замораживание грунта (AGF) — это метод улучшения грунта, при котором масса грунта определенной геометрии замораживается с использованием процесса охлаждения, включающего охлаждающий агент, либо охлажденный рассол, либо жидкий азот, который циркулирует по замораживающим трубам, встроенным в земля. AGF обычно используется для стабилизации грунта и контроля грунтовых вод в самых разных областях, включая все типы грунта.

Этот отчет основан на обзоре доступной литературы по промерзанию грунта и содержит краткую историю промерзания грунта и его влияния на типичные инженерно-геологические свойства. Далее обсуждаются соображения по внедрению замораживания грунта в полевых условиях, а также преимущества и недостатки этого процесса. Наконец, рассмотрены два тематических исследования внедрения AGF в полевых условиях.

История

Искусственное замораживание грунта (AGF) — это метод стабилизации грунта, включающий отвод тепла от земли для замораживания поровой воды почвы. Концепция промерзания грунта была впервые представлена ​​во Франции, а промышленное применение началось с 1862 года, когда оно использовалось в качестве метода строительства шахтного ствола в Южном Уэльсе (Schmidt 1895). В конце концов, этот метод был запатентован немецким горным инженером Ф. Х. Поетчем в 1883 году (иногда называемый процессом Поэтша). Способ включает систему труб, состоящую из внешней трубы и концентрических внутренних питающих труб, по которым циркулирует охлажденный хладагент (обычно хлорид кальция).Хладагент закачивается по внутренней трубе и поднимается вверх по внешней трубе. Затем он снова охлаждается в процессе охлаждения и возвращается по системе трубопроводов. Дальнейшее развитие технологии AGF произошло во Франции в 1962 году, когда жидкий азот (LN2) закачивался в замораживающие трубы вместо охлажденного соляного раствора хлорида кальция. Это позволяет при необходимости намного быстрее промерзать грунт. Жидкий азот проходит через трубы замораживания и испаряется в атмосферу (Sanger and Sayles, 1979).

В настоящее время AGF применяется в большом количестве инженерных проектов, где важны стабильность, состояние грунтовых вод и локализация. Примеры ситуаций: строительство вертикального ствола для горных работ или проходки туннелей, стабилизация непроектированных земляных насыпей (большие препятствия), площадки, требующие горизонтального доступа (например, навес ТБМ для строительства поперечного прохода), боковая и вертикальная локализация загрязняющих веществ, перенаправление загрязняющих веществ, грунтовые воды отсечка (может быть привязана к скальной породе) и аварийная поддержка / стабилизация с использованием LN2 (Schmall and Braun 2006).

Во время процесса тепло отводится от почвы по цилиндрической форме вокруг замораживающих труб. Это создает столбики из мерзлого грунта. Столбцы продолжают расширяться, пока не пересекутся. Отсюда мерзлая масса будет расширяться наружу, образуя стену или твердое кольцо из мерзлого грунта (Sanger and Sayles, 1979).

В следующих разделах описывается влияние AFG на инженерные свойства грунтов, а именно на гидравлическую проводимость, жесткость, прочность на сдвиг и способность к изменению объема.Кроме того, вводятся лабораторные испытания и классификация мерзлых грунтов в соответствии со стандартами JGS и ASTM.

Гидравлическая проводимость мерзлых грунтов

При применении в проектах гражданского строительства для локализации или контроля грунтовых вод мерзлый грунт практически непроницаем. Ледяные трещины также могут излечиться путем повторного замораживания. Проблемы с проницаемостью возникают, когда процедуры замораживания не выполняются правильно, и почва не замерзает полностью как одна масса, оставляя «окна» из незамерзшей почвы, которые могут поставить под угрозу способность замороженного барьера удерживать и контролировать грунтовые воды или изолировать загрязнитель в почве. .Окна незамерзшей почвы часто определяют и определяют их размер с помощью ультразвукового метода измерения (Jessberger 1980).

Прочностное поведение мерзлого грунта

Прочностное поведение мерзлого грунта, как и любого другого грунта, зависит от ряда факторов, включая тип грунта, температуру, ограничивающее напряжение, относительную плотность и скорость деформации. Мерзлые грунты обладают большей прочностью, чем незамерзшие. Как правило, прочность мерзлого грунта увеличивается с понижением температуры и увеличением ограничивающего напряжения.

Da Re et al. В 2003 г. было проведено исследование характеристик трехосной прочности замороженного мелкозернистого песка Manchester Fine Sand (MFS), в котором образцы были подготовлены с различными относительными плотностями (20 — 100%), ограничивающими напряжениями (0,1 — 10 МПа), скоростями деформации (3 x 10-6 — 5 x 10-4 с-1) и температуры (от -2 до -25 ° C).

Результаты, графически представленные на Рисунке 1, показывают две отдельные области деформации, в которых мерзлая почва действует по-разному. Небольшие деформации (менее 1% в осевом направлении) приводят к линейному увеличению прочности, наклон (модуль) которого не зависит от относительной плотности или ограничивающего напряжения.Величина начального предела текучести (при осевой деформации 0,5–1% во всех случаях) увеличивается с увеличением скорости деформации и понижением температуры. Поведение при больших деформациях включает в себя деформационное разупрочнение, проявляемое образцами, подготовленными при низкой относительной плотности и при низком ограничивающем напряжении, до деформационного упрочнения, проявляемое образцами, приготовленными при высокой относительной плотности и высоком ограничивающем напряжении.

Рис. 1. Прочностные характеристики MFS (Da Re et al. 2003)

Поведение MFS при деформационном смягчении, показанное в Da Re et al.Исследование объясняется Корнфилдом и Зубеком 2013. Они заявляют, что снижение напряжения выше начального предела текучести происходит из-за увеличения дробления и плавления под давлением замороженной поровой воды. Ян и др. 2009 и Xu et al. 2011 год также показал, что по мере увеличения ограничивающего давления прочность на сдвиг достигает пика, а затем уменьшается из-за дробления льда и таяния под давлением. Обычно при -10 ° C мерзлые пески и мерзлые глины имеют прочность на сжатие 15 МПа и 3 МПа соответственно (Klein 2012).

Прочность замороженной глины на сжатие была проанализирована Li et al.при переменных температурах, скоростях деформации и плотности в сухом состоянии. Глина была уплотнена до трех различных плотностей в сухом состоянии и имела предел текучести 28,8% и предел пластичности 17,7%. Испытания на одноосное сжатие проводились при различных температурах (от -2 до -15 ° C) и различных скоростях деформации (приблизительно от 1 x 10-6 до 6 x 10-4 с-1) для каждой плотности в сухом состоянии. Результаты исследования показали, что силовые характеристики аналогичны исследованию, проведенному Da Re et al. для замороженных MFS. Прочность на сжатие испытанной глины увеличивалась с увеличением скорости деформации, снижением температуры и увеличением плотности в сухом состоянии, аналогично поведению MFS, испытанного в Da Re et al. учиться. Кроме того, замороженные глины проявляли как деформационное упрочнение, так и деформационное разупрочнение после достижения начального предела текучести, который сильно зависел от времени до разрушения, которое само по себе зависит от скорости деформации. Результаты исследования показали, что образцы замороженной глины, нагруженные при низких скоростях деформации, достигли низкой прочности на одноосное сжатие (приблизительно 2 МПа при 10% деформации, если разрушение не было достигнуто) при более длительном времени до разрушения, но демонстрировали характеристики деформационного упрочнения. Напротив, образцы замороженной глины, нагруженные при высоких скоростях деформации, достигли гораздо более высокой прочности на одноосное сжатие (примерно 6 МПа при разрушении), но продемонстрировали деформационное разупрочнение (Li et al.2004 г.).

Жесткость мерзлых грунтов

В целом мерзлые грунты более жесткие, чем незамерзшие. Да Ре и др. В своем исследовании прочности мерзлого грунта на MFS провели исследование модуля Юнга. Они обнаружили, что замороженный MFS имел модуль Юнга примерно от 23 до 30 ГПа. Поскольку поведение замороженного MFS при малых деформациях было одинаковым для всех тестируемых переменных, модуль Юнга не зависел от тестируемых переменных (относительная плотность, ограничивающее напряжение, скорость деформации и температура).

Рис. 2. Нормированное поведение напряженно-деформированного состояния MFS (Da Re et al. 2003)

Рис. 2 из Da Re et al. al., 2003 г. исследование показывает независимость модуля Юнга мерзлых песков путем нормализации напряжения сдвига с начальным пределом текучести. На рисунке 2 также показаны различные объемные деформации из-за деформационного упрочнения или разупрочнения замороженного MFS после начального напряжения текучести, что обозначено как поведение типа A, B, C или D.

Характеристики изменения объема мерзлого грунта

Во время фазового перехода от жидкого к твердому, вода увеличивается в объеме примерно на 9%, что приводит к вспучиванию грунта на поверхности земли (Lackner et al. 2005). Пучка из-за увеличения объема может повредить близлежащие конструкции (туннели, поверхностные конструкции) во время замерзания и оттаивания, поэтому понимание свойств почвы и того, как они влияют на вспучивание почвы, важно во время AGF. Почва, подвергшаяся вспучиванию, также будет оседать при оттаивании, что необходимо учитывать.Грунт может также наблюдать изменения объема из-за ползучести под нагрузкой.

Пучкование почвы происходит в почвах, где линзы льда образуются внутри пустот. Структура почвы должна способствовать переносу воды из окружающих пустот к фронту замерзания ледяной линзы за счет капиллярных сил. По этой причине илистые почвы особенно чувствительны к морозам (Widianto et al. 2009).

Также важно отметить, что в некоторых случаях глины могут проявлять низкую морозостойкость. По мере того, как фронт замерзания движется наружу, глины демонстрируют вспучивание из-за объемного расширения ледяной линзы, однако уплотнение может происходить перед фронтом замерзания, где отрицательное поровое давление создается движением воды в зону замерзания. Чистый эффект вспучивания и уплотнения под ледяной линзой может быть небольшим или незначительным на поверхности (Han and Goodings, 2006). Несмотря на это, почвы для конкретных участков должны быть проверены на морозоустойчивость, если ожидается, что морозное пучение будет проблемой для близлежащих строений.

Общие лабораторные испытания мерзлых грунтов

Что касается мерзлых грунтов, как ASTM, так и JGS имеют некоторые стандарты для лабораторных испытаний. Однако многие из этих испытаний относятся либо к дорожным покрытиям, многократным циклам замораживания-оттаивания, либо дают информацию только о направлении теплового потока.JGS 0171-2003 — это метод испытаний для прогнозирования морозного пучения почвы. В этом стандарте используется уравнение Такаши для морозного пучения в направлении теплового потока. Kanie et al. В 2013 году было предложено использовать метод трехмерной оценки с использованием уникального лабораторного оборудования и моделирования методом конечных элементов.

В настоящее время существуют стандарты для определения прочностных свойств при постоянной деформации (ASTM D7300-11) и свойств ползучести (ASTM D5520-11). Оба эти испытания проводятся при одноосном сжатии.Стандарты трехосного испытания незамерзшей почвы не применяются к мерзлым грунтам, и для получения сопоставимых результатов необходимы новые стандарты.

Существует множество нестандартных лабораторных и полевых испытаний, используемых в настоящее время для мерзлых грунтов, включая (Oestgaard and Zubeck 2013):

• Прямой сдвиг (Bennett and Nickling 1984, Yasufuku et al. 2003).
• Трехосное сжатие (Бейкер и др. 1984, Аренсон и др. 2004).
• Одноосное растяжение (Чжу и Карби, 1987, Эркхардт, 1981).
• Постоянная ползучесть (Андерсленд и Ладаньи, 2004).
• Тест на расслабление (Андерсленд и Ладаньи, 2004).
• Консолидация оттепели (Моргенштерн и Никсон, 1971).
• Давление ползучести (Ladanyi 1982).
• Давление релаксации давления (Ladanyi 1982, Ladanyi and Melouki 1992).

Классификация мерзлых грунтов

Классификация и описание мерзлых грунтов в настоящее время задокументированы ASTM D4083-89 (повторно утверждены в 2007 году). Это включает описание как почвенной фазы, так и ледяной фазы материала.Описание фазы почвы такое же, как у незамерзшей почвы, ASTM D2488. Затем замороженная фаза подразделяется на одну из двух групп: N — почва без видимого льда и V — почва со значительной видимой льдиной.

Эти группы впоследствии разбиваются на подгруппы, описанные в стандарте. На рисунках 3 и 4 показаны визуальные представления классификации видимого и невидимого льда в соответствии со стандартом ASTM D4083-89.

Рисунок 3. Видимый лед, образованный в мерзлой почве (ASTM D4083-89)

Видимый лед представлен черным цветом на рисунке 3.Видимый лед может существовать в структуре почвы в виде отдельных ледяных карманов (Vx), покрытий вокруг частиц почвы (Vc), нерегулярных образований (Vr) или слоистых образований (Vs).

Рисунок 4. Структура мерзлого грунта без видимого льда (ASTM D4083-89)

Как и на рисунке 3, лед представлен черным цветом на рисунке 4. Когда нет видимого льда в структуре Мерзлый грунт, мерзлый грунт классифицируется по тому, насколько хорошо образец скреплен льдом.Замерзшая почва без видимого льда может иметь плохую связь (Nf), хорошую связь без излишка льда (Nbn) или хорошую связь с избытком льда (Nbe).

Sayles et al. 1987 дает несколько рекомендаций для полного описания мерзлого грунта. К ним относятся символ и описание USCS незамерзшей почвы, символ и описание мерзлого грунта, гранулометрический состав, пределы Аттерберга, а также физические свойства, такие как содержание льда (замороженный), содержание воды (незамерзшее), удельный вес, удельный вес почвы, насыщение. процент и соленость.Эти параметры имеют сильное влияние на прочность и поведение почвы в замерзшем состоянии. Для искусственного замораживания грунта рекомендуется использовать систему, описанную в Andersland and Anderson 1978 г. (Sayles et al. 1987). Still et al. В 2013 году было предложено разработать стандартизированное индексное тестирование для использования при классификации мерзлых грунтов.

Реализация замораживания грунта в полевых условиях может выполняться с использованием различного оборудования, охлаждающих жидкостей и процедур. В следующих разделах описан общий обзор реализации замораживания грунта.

Оборудование

Для замораживания грунта требуется мобильная холодильная установка. Установка может работать на охлаждающих жидкостях, таких как аммиак или CO2, и работает для отвода тепла от циркулирующей жидкости, которой обычно является хлорид кальция или рассол хлористого магния (Jessberger 1980).

Рисунок 5. Мобильные холодильные установки во время AGF (SoilFreeze)

Температуры рассола -25 ° C или ниже обычно достаточно для большинства проектов. Также доступны коммерческие рассолы, разработанные специально для использования с AFG.Важно исследовать свойства этих охлаждающих жидкостей, чтобы гарантировать совместимость с другим оборудованием (например, коррозия труб). Используемая охлаждающая жидкость может зависеть от температурных требований проекта, рассол хлорида магния замерзает при -34 °, а рассол хлористого кальция замерзает при -55 ° C.

LN2 кипит при температуре -196 ° C и может использоваться вместо обычного хладагента. Из-за чрезвычайно низкой температуры LN2 промерзание почвы при контакте с LN2 происходит намного быстрее.Следовательно, полное замораживание может быть выполнено намного быстрее, используя LN2 вместо охлажденного рассола. Однако из-за более высокой стоимости его обычно резервируют для аварийной стабилизации, краткосрочного замораживания и проектов небольшого объема. В этом случае LN2 транспортируется на площадку в специализированных резервуарах для хранения и вставляется непосредственно в замораживающие трубы. Он не циркулирует через холодильную установку. Скорее, ему дают испариться с поверхности, как показано на рисунке 5, после того, как он отводит тепло от почвы (Jessberger 1980).

Рис. 6. Испарение жидкого азота во время AGF («замораживание грунта»)

В таблице 1 представлена ​​основная сводка относительных сравнений между охлажденным рассолом с хлоридом кальция и жидким азотом (LN2).

Таблица 1. Обзор свойств рассола хлорида кальция и жидкого азота для AGF

В более холодном климате термосифоны могут использоваться для достижения температур, необходимых для замораживания почвы. Термосифоны реализуют конвекцию рабочего тела для отвода тепла от земли и передачи его воздуху у поверхности земли.Для того чтобы этот процесс работал, температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры земли, поэтому он обычно используется в холодных регионах. Рабочая жидкость термосифона закапывается в землю, где содержащаяся в ней жидкость поглощает тепло, испаряется и поднимается к верху сифона. Там он охлаждается окружающим воздухом, заставляя его конденсироваться и возвращаться на дно термосифона. Этот процесс показан на рисунке 6 ниже. Этот процесс является энергоэффективным, однако для его эффективного использования в процессе AGF требуется температура воздуха ниже точки замерзания.Если требуется дальнейшее замораживание, можно использовать термосифоны с питанием для снижения температуры грунта, когда они достигают температуры окружающего воздуха (Wagner and Yarmak 2013).

Рис. 7. Пассивная термосифонная диаграмма (Wagner and Yarmak 2012)

Морозильные трубы могут быть изготовлены из различных материалов. Типичная установка может включать стальные внешние трубы диаметром 5 дюймов и внутренние пластиковые (например, полиэтиленовые) трубы диаметром 3 дюйма (Klein 2012). Морозильные трубы должны стоять в вертикальном положении и выдерживать боковое давление грунта, связанное с площадкой.Исторически сложилось так, что замораживающие трубы должны выдерживать 13 кПа на метр глубины заглубления шахты (Klein 2012). Необходимо следить за целостностью замерзшей трубы, чтобы предотвратить повреждение труб из-за вспучивания почвы.

Одним из наиболее важных аспектов проекта AGF является мониторинг состояния почвы во время замерзания и оттаивания. Обычно возле промерзшей стены просверливают отверстие, куда устанавливают датчики температуры для контроля температуры почвы. Это имеет жизненно важное значение для конечного продукта (мерзлая срезанная стенка, мерзлая почвенная масса и т. Д.).Кроме того, отслеживается вспучивание и оседание грунта из-за замерзания и оттаивания грунта после завершения проекта. Если необходимо провести земляные работы за замороженной стеной, для измерения прогибов стен могут использоваться дефлектометры, экстензометры и инклинометры. Чтобы определить, существуют ли какие-либо окна из незамерзшей почвы в массе мерзлого грунта, можно провести ультразвуковые измерения. Наконец, при необходимости выполняются специальные измерения для проекта, такие как вертикальное давление и деформации существующих конструкций из-за вертикального подъема (проходка туннелей, фундаменты, особые проектные соображения) (Jessberger, 1980).

С помощью компьютерных систем большая часть процесса AGF автоматизирована.

Автоматический сбор данных используется для измерения температуры и прогиба. Кроме того, компьютерные системы регулируют поток охлаждающей жидкости в морозильные трубы для более точного контроля температуры земли.

Методы проектирования и соображения

Возможно, наиболее важным шагом в обеспечении успешного внедрения AGF является определение характеристик площадки, как и во всех инженерно-геологических проектах. Тип почвы и грунтовые воды должны быть точно охарактеризованы, чтобы обеспечить соответствие мерзлого грунта проектным требованиям. В частности, для проектов AGF всегда следует брать пробы грунтов и проверять их термические свойства. Подземные воды также проверяются на температуру и скорость замерзания. Высокая скорость грунтовых вод (> 2 м / день) создает проблемы во время промерзания почвы и может приводить к неоднородностям. Для противодействия высокой скорости грунтовых вод можно использовать меньшее расстояние между трубами, несколько рядов или использование LN2 (FHWA 2013, Klein 2012).

Xanthakos et al. 1994 рекомендует использовать отношение расстояния между замораживающими трубами к диаметру не более 13 для труб диаметром 120 мм или меньше. Также необходимо учитывать соленость грунтовых вод. На участках с высокой соленостью будет наблюдаться ухудшение температуры замерзания и более низкая прочность при замерзании. По мере увеличения солености будет уменьшаться морозное пучение, оседание оттаивания и сила пучения (Hu et al. 2010). Некоторые из этих изменений являются полезными, однако в конечном итоге будет менее консервативный дизайн, если соленость не будет должным образом учтена.Кроме того, соленость поровой воды может быть неоднородной. Области с более высокими концентрациями могут образовывать карманы из незамерзшей воды или пленки из незамерзшей воды вокруг частиц (Hu et al. 2010).

Дальнейшее рассмотрение, помимо свойств почвы и грунтовых вод, включает температуру окружающего воздуха, сроки и риски проекта, а также ожидаемое вспучивание и оседание почвы. Если температура окружающего воздуха достаточно низкая, термосифоны могут быть более энергоэффективным решением. В случае чрезвычайной ситуации, требующей немедленного промерзания грунта, такой как локализация загрязненной почвы или вопросы планирования строительства, в качестве хладагента можно использовать жидкий азот вместо охлажденного рассола.Наконец, конструкции также должны быть чувствительны к ожидаемому вспучиванию почвы при замерзании и оседанию во время оттаивания. Фазовый переход от воды к льду может вызвать увеличение объема до 9%, что приводит к вспучиванию почвы при замерзании (Lackner et al, 2005).

Расчетные параметры, определенные на основе характеристик площадки, часто моделируются с использованием компьютерных программ метода конечных элементов (МКЭ), таких как Ansys. Это может быть необходимо для более сложных сценариев и подземных условий. Дополнительные программы, такие как SEEP / W от GeoStudio и AIR / W, могут при необходимости моделировать граничные условия конвективной поверхности (Geo-Slope).TEMP / W используется в GeoStudio для моделирования тепловых изменений в грунте.

Благодаря своим непроницаемым свойствам мерзлый грунт является отличным материалом для отсечения грунтовых вод. Замораживание грунта использовалось для создания водонепроницаемого уплотнения вокруг выработок в соляных шахтах и ​​вокруг них. Он также имеет возможность связываться с коренной породой и другими подземными объектами (Schmall and Braun 2006). Это создает непроницаемый барьер, который может доходить до трещиноватой коренной породы. Следует отметить, что гидравлическая проводимость породы может увеличиваться после оттаивания из-за дальнейшего раскрытия трещин при промерзании.

Время замораживания

Искусственное замораживание грунта может быть длительным процессом. Охлажденный рассол лучше подходит для проектов с более длительными сроками, от нескольких недель до месяцев. Рассол циркулирует по системе трубопроводов во время фазы замерзания, пока земля полностью не замерзнет. После того, как почва достаточно промерзла, температура поддерживается постоянной на этапе обслуживания. Жидкий азот можно использовать для быстрого замораживания грунта, так как его температура намного ниже, а замерзание может быть достигнуто за считанные дни.Он часто используется в чрезвычайных ситуациях, когда необходима быстрая стабилизация или локализация (van Dijk and Bouwmeester-van der Bos 2001). Время замерзания зависит от нескольких факторов, главными из которых являются расстояние между трубками и температура. Столб замерзания распространяется радиально вокруг каждой трубы. Почва считается полностью промерзшей, если замерзшие колонны перекрывают друг друга и все пространство между ними заморожено. Чем больше интервал, тем дольше время замораживания (Johansson 2009).

Рисунок 8.AGF с рассолом, необходимое время замерзания в зависимости от расстояния между трубами (По Джессбергеру и Вялову, 1978)

Рисунок 8 иллюстрирует эту взаимосвязь как для песчаных, так и для глинистых почв. Глинистые почвы обычно требуют более длительного времени замерзания, чем песчаные почвы при том же расстоянии между трубами. Более высокое содержание влаги потребует более длительного времени замораживания, поскольку необходимо замораживать большее количество воды. Как и ожидалось, более низкая температура рассола уменьшит необходимое время замораживания.

Стоимость

Стоимость типичного проекта AGF может сильно варьироваться в зависимости от требований к энергии, размера зоны замораживания, конкретных трудностей на площадке, охлаждающей жидкости (жидкий азот намного дороже, чем рассол) и масштаба времени. Заморозка грунта становится рентабельной по сравнению с другими методами, когда конкретные преимущества AGF поддаются конкретному проекту (Schmall and Braun 2006). AGF может стать желательным методом из-за сложных грунтовых условий (например, слабые слои, непроектированные насыпи) или когда в противном случае потребовался бы набор методов улучшения (van Dijk и Bouwmeester-van der Bos 2001).

Внутренне, рентабельность увеличения размера проекта замораживания грунта была проанализирована Инженерным корпусом армии при операции по сдерживанию мерзлых грунтовых отходов в Ft.Детрик, Мэриленд. Геометрия замороженной зоны увеличилась, и, следовательно, были оценены дополнительные затраты на материалы, потребности в энергии и общие капитальные затраты. Требовалось примерно в 6,3 раза больше длины трубы замораживания, чем в первоначальной конструкции, чтобы достичь примерно в 6,7 раза потребности в энергии по сравнению с исходной конструкцией. Понесенные капитальные затраты были оценены в 6,4 раза выше стоимости первоначального проектирования (Грант, 2001). Исследование Гранта предполагает приблизительно линейную зависимость между длиной замораживающей трубы, потребностью в энергии и увеличением стоимости некоторых проектов.Важно понимать, что это может не отражать соотношение энергии и стоимости проекта AGF. Каждый проект будет отличаться дизайном и требованиями.

В настоящее время замораживание грунта становится все более конкурентоспособным методом с точки зрения затрат даже для основных геотехнических приложений. Как правило, стена из мерзлого грунта может стоить от 30 до 60 долларов за квадратный фут мерзлой почвы (Даниэль Маго, личное сообщение, 14 апреля 2014 г.).

В следующих разделах описаны типичные преимущества и недостатки использования AGF.

Преимущества

Замерзание грунта — чрезвычайно универсальный метод временного улучшения грунта или его обрезки.

Применимо ко всему диапазону почв при условии, что почва близка к насыщению или полностью насыщена. Если содержание воды неприемлемо, можно добавить воду при условии, что вода не будет быстро стекать из почвы (Schmall and Braun 2006). Помимо того, что он применим ко всему диапазону грунтов, он также применим к сложным грунтовым условиям, включая большие валуны и булыжники или непроектированные насыпи с большим содержанием мусора.Хороший пример применимости замораживания грунта продемонстрирован в проекте Бостонской центральной артерии / туннеля (CA / T), который обсуждается далее в этом отчете в разделе «Современные приложения в гражданском строительстве».

Кроме того, промерзание грунта может привести к образованию отсеченных стен или массивов мерзлого грунта различной геометрии (показано на рисунке 8), просто изменив размещение и расстояние между замораживающими трубами. Это особенно важно при прокладке туннелей, когда замораживающие трубы устанавливаются горизонтально и под разными углами для создания стабильного промерзшего грунта для опоры туннеля и выемки грунта.

Рис. 9. Примеры конфигураций замороженных барьеров (стена, ограждение, сплошной блок) (Wagner and Yarmak 2012)

Кроме того, замораживание грунта, вероятно, будет рентабельным, когда условия площадки таковы, что стабильность и / или сдерживание должны Это может быть достигнуто с помощью нескольких методов, которые в сочетании дают тот же эффект, что и только замораживание грунта. Опять же, проект Boston CA / T был одним из таких проектов, который определил, что замораживание грунта было наиболее экономически эффективным решением с использованием процесса стоимостной инженерии.

Недостатки

Замораживание грунта — это очень энергоемкий процесс, требующий охлаждения больших объемов почвы в течение продолжительных периодов времени, что очень дорого. Затраты увеличиваются только в том случае, если для более быстрого промерзания почвы требуется жидкий азот.

Кроме того, реализация замораживания грунта требует тщательного мониторинга: температуры рассола, температуры почвы, прогибов соседних или близлежащих конструкций, пучения и оседания на поверхности земли, солености грунтовых вод, давления в замораживающих трубах (обнаружение утечек), толщины замороженных стенок и расположение и размеры возможных окон в замороженной стене, среди других измерений, специфичных для объекта.

Возможные сбои проекта AGF могут произойти в результате ненадлежащего мониторинга или установки. Расстояние между замораживающими трубами может быть таким, чтобы замороженный барьер стены не был полностью завершен, оставляя окна с незамерзшей почвой, или таким, что толщина промерзшей стенки не контролировалась и становилась слишком большой, создавая ненужные нагрузки на близлежащие конструкции и почву. Кроме того, неправильное крепление замораживающих трубок может вызвать утечку рассола.

Кроме того, существует неотъемлемый недостаток увеличения объема воды во время замерзания, приводящий к пучению и оттаиванию почвы, что может повредить соседние или близлежащие конструкции, если не контролировать и не учитывать при регулярном техническом обслуживании конструкции.Пучкование и оседание почвы также могут повредить оборудование AGF, чаще всего замораживающие трубы, вызывая утечку и требуя технического обслуживания. В случаях, когда значительные осадки могут повредить вышележащие или встроенные конструкции, предпринимаются меры, чтобы не замораживать землю под конструкциями, чтобы избежать оседания при оттаивании.

В следующих разделах дается краткое описание проектов, в которых было успешно реализовано замораживание грунта, включая конкретные соображения и препятствия, которые были преодолены путем внедрения AGF.

Бостонская центральная артерия / туннель (CA / T)

Проект Boston CA / T, пожалуй, самый известный на сегодняшний день проект массового промерзания почвы. Проект предусматривал строительство туннелей подземных скоростных автомагистралей для замены стареющей системы надземных автомагистралей. Три туннеля предполагалось построить с помощью домкрата.

Подземный профиль состоял из различных заполнителей (валуны, булыжники, бетонные и стальные фрагменты, дерево, кирпич, гранитные блоки и др.) На 6-8 метров, перекрывая 3-5 метров органических илов, глин и торфа, вышележащий 1.5 метров плотного илистого песка, перекрывающего 5 метров морских глин. Для стабилизации забоя туннеля первоначальный проект предусматривал комбинацию методов улучшения грунта, позволяющих справиться с экстремальной изменчивостью грунта, включая химическую затирку, обезвоживание, затирку горизонтальной струей и забивание почвы гвоздями.

Рис. 10. Вертикальный разрез туннеля во время эксплуатации (Dijk and Bouwmeester-van den Bos 2001)

Инженерное исследование стоимости показало, что AGF может обеспечить необходимую стабильность через каждый слой почвы на площадке с меньшими затратами, чем реализация четыре различных метода улучшения грунта, поэтому он был выбран для обеспечения устойчивости забоя туннеля при выемке грунта и поддержки системы подъема туннеля.

Проект Boston CA / T потребовал множества конструктивных соображений для конкретного объекта. Секции туннеля были построены под железной дорогой (показано на Рисунке 9), поэтому трубы для замораживания были изолированы сверху, чтобы поверхность земли оттаивалась при эксплуатации и техническом обслуживании железной дороги. На протяжении всего проекта отслеживались температура грунта и вертикальная кача, а любые повреждения железнодорожной системы устранялись с помощью планового технического обслуживания. Кроме того, трубы замораживания были завершены примерно на 1 метр выше переворота туннеля, чтобы предотвратить оттаивание в туннеле после строительства.Наконец, по краям замороженных отсечных стен были установлены тепловые трубы, чтобы предотвратить давление вертикальной волны от расширения замороженной стены, отягощающего туннельную домкратную систему во время земляных работ.

Рис. 11. Работа железной дороги вокруг замораживающих труб (FHWA 2013)

В проекте успешно использовался метод охлаждения охлажденным рассолом AGF и варьировалось расстояние между трубами для контроля времени замораживания. Туннель Ramp D требовал более быстрого времени замораживания, чем два других туннеля, поэтому расстояние между трубами замораживания было меньше (2.1 метр против 2,4 метра). Время замораживания составляло порядка 3-4 месяцев, в зависимости от расстояния между трубами замораживания.

Одна системная ошибка произошла во время зависания. Морозильные трубы были повреждены из-за морозного пучения, и были обнаружены утечки. Эти утечки были устранены, и все трубы были оснащены дублирующими стальными муфтами с закрытым концом для предотвращения утечек в будущем.

Проект был успешно завершен без задержек из-за отказов системы замораживания грунта.Проект Boston CA / T является примером успешной реализации замораживания грунта в чрезвычайно изменчивых почвенных условиях на огромном объеме почвы (van Dijk и Bouwmeester-van den Bos 2001).

Нидерланды Sophiaspoortunnel

Целью проекта Sophiaspoortunnel было строительство четырнадцати переходов между параллельными железнодорожными туннелями.

Рис. 12. Поперечное сечение служебной шахты и поперечных переходов (Crippa and Manassero 2006)

Подповерхность состояла из слоя глины толщиной 15 м над слоем рыхлого песка толщиной 10 м (через который проходит большая часть туннелей). существуют) над другим слоем глины.Уровень грунтовых вод находился на глубине 25 м.

Для каждого из четырнадцати поперечных переходов трубы замораживания были установлены горизонтально между туннелями, чтобы создать горизонтальный столб мерзлого грунта для выемки и поддержки туннеля. Как охлажденный рассол (10 поперечных проходов), так и жидкий азот (4 поперечных прохода) были успешно использованы. Расстояние между трубами составляло в среднем 1 метр. Для каждого поперечного прохода было установлено от 25 до 29 замораживающих труб для замораживания с расчетной толщиной стенки 1.От 8 до 2,3 м. Общий объем мерзлого грунта для всех переходов составил 4400 кубометров.

Согласно проекту, метод с использованием рассола занимал больше времени для достижения полного замерзания и закрытия, чем метод жидкого азота. В частности, для метода рассола закрытие оболочки достигалось за 8-15 дней, а минимальная расчетная толщина достигалась за 34-67 дней. Для метода жидкого азота закрытие было достигнуто через 4-7 дней, а минимальная расчетная толщина была достигнута за 9-14 дней, что намного быстрее, чем метод солевого раствора (Crippa and Manassero 2006).

Исследование Sophiaspoortunnel, Нидерланды, является хорошим примером применения методов AGF как в рассоле, так и в жидком азоте, и обеспечивает сравнение шкалы времени для каждого метода, реализованного в полевых условиях.

Искусственное промерзание грунта — это универсальный метод улучшения и стабилизации грунта. Применимость AGF охватывает большинство типов почв, включая непроектированные насыпи, валуны и другие крупные препятствия, а также слабые мелкозернистые почвы. Он использовался для строительства вертикальных стволов для горных работ, стабилизации богатых обломками земляных насыпей, горизонтальной стабилизации для проходки туннелей, вертикального и / или бокового удержания загрязняющих веществ, перенаправления загрязняющих веществ, отсечения грунтовых вод, привязанных к коренным породам, и аварийной стабилизации с использованием жидкого азота.

AGF создает непроницаемый барьер или массу из мерзлого грунта, который имеет более высокую прочность и жесткость, чем незамерзший грунт. Это также может привести к вспучиванию почвы и последующему оттаиванию, что может стать проблемой для близлежащих сооружений. Правильная характеристика участка является ключом к прогнозированию воздействия промерзания грунта на почвы на конкретном участке. Стандарты лабораторных испытаний доступны как в ASTM, так и в JGS. Стандарты классификации мерзлых грунтов задокументированы ASTM.

AGF реализуется в полевых условиях с использованием мобильной холодильной установки, которая циркулирует охлажденный рассол хлористого кальция по замораживающим трубам, отводя тепло от почвы и замораживая поровую воду почвы. Также можно использовать жидкий азот, однако он может испаряться в атмосферу, а не рециркулировать. Необходимо принять во внимание ряд проектных соображений, таких как расстояние между замораживающими трубами, время замерзания, скорость грунтовых вод, насыщение, соленость поровой воды, расчетное пучение почвы и затраты.

Температура почвы и охлаждающей жидкости, а также пучение почвы, оседание и давление на существующие конструкции, а также на трубопроводы замораживания важно контролировать при реализации программы искусственного замораживания грунта. В целом, искусственное замораживание грунта имеет широкий спектр применений и имеет историю успешного применения в полевых условиях. Он стал экономически конкурентоспособным по сравнению с традиционными методами стабилизации грунта и может применяться в самых разных проектах.

• Андерсленд, О. Б., Андерсон, Д. М. (1978). «Геотехническая инженерия для холодных регионов». Макгроу Хилл, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
• Андерсленд, О. и Ладаньи, Б. (2004). Frozen Ground Engineering, 2-е изд., Wiley and Sons, Хобокен, Нью-Джерси.
• Аренсон, Л., Йохансен, М., и Спрингман, С. (2004). «Влияние объемного содержания льда и скорости деформации на сопротивление сдвигу в трехосных условиях для образцов замороженного грунта». Permafrost Periglac., 15, 261-271.
• Стандарт ASTM D2488 (2000).«Стандартная практика описания и идентификации почв (визуально-ручная процедура)», ASTM International, West Conshohocken, PA.
• Стандарт ASTM D4083-89 (2007). «Стандартная практика описания мерзлых почв (визуально-ручная процедура)», ASTM International, West Conshohocken, PA.
• Стандарт ASTM D5520-11 (2012). «Стандартный метод испытаний для лабораторного определения свойств ползучести образцов замороженного грунта путем одноосного сжатия», ASTM International, West Conshohocken, PA.
• Стандарт ASTM D7300-11 (2012). «Стандартный метод испытаний для лабораторного определения прочностных свойств замороженного грунта при постоянной скорости деформации», ASTM International, West Conshohocken, PA.
• Бейкер, T.H.W., Джонс, С.Дж., и Парамесваран, В. (1981). «Испытания на замороженное и неограниченное сжатие на замерзших песках». 4-я Канадская конференция по вечной мерзлоте, Калгари, Альберта, 387–393.
• Беннетт Л. и Никлинг У.Г. (1984). «Характеристики прочности на сдвиг замороженных крупных гранулированных обломков.”J. Glaciol., 106 (30).
• Crippa, C. и Manassero, V. (2006). «Искусственное замораживание грунта в Sophiaspoortunnel (Нидерланды) — Параметры замораживания: сбор и обработка данных». ГеоКонгресс 2006, 1-6.
• Da Re, G. et al. (2003). «Трехосное испытание замороженного песка: оборудование и примеры результатов». Журнал инженерии холодных регионов, 17 (3), 90-118.
• Dijk, P. и Bouwmeester-van den Bos, J. (2001). «Крупномасштабное применение искусственного замораживания грунта». Технология мягкого грунта, 315-330.
• Erckhardt, H. (1981). «Испытания на ползучесть мерзлых грунтов при одноосном растяжении и одноосном сжатии». Мемориальный том Роджера Дж. Брауна, Proc. 4-й Канадской конференции по вечной мерзлоте, Национальный исследовательский совет Канады. Калгари, Альберта. С. 394-405.
• FHWA (2013). «Техническое руководство по проектированию и строительству автодорожных туннелей — гражданские элементы». (6 апреля 2014 г.).
• Геосклон (2014). «Термический анализ с TEMP / W». Geo-Slope International.
• Грант, С.(2001). «Ожидаемый финансовый эффект от увеличения размера проекта по локализации отходов из мерзлого грунта в Ft. Детрик, Мэриленд ». ERDC / CRREL TN-01-1 2001, 1-4.
• «Замораживание грунта». MoreTrench, (6 апреля 2014 г.).
• Хан, С. и Гудингс, Д. (2006). «Практическая модель морозного пучка в глине». J. Geotech. Geoenviron. Eng., 132 (1), 92–101.
• Hu, X. et al. (2010). «Проблема безопасности объектов промерзания в засоленных почвах». Улучшение грунта и геосинтетика, 255-262.
• Японские геотехнические стандарты.СПС 0171-2003. (2003). «Метод испытаний для прогнозирования морозного пучения почв». Японские геотехнические стандарты.
• Японские геотехнические стандарты. СПС 0172-2003. (2003). «Методика определения морозостойкости почв». Японские геотехнические стандарты.
• Джессбергер, Х. (1980). «Теория и применение промерзания грунта в гражданском строительстве». Наука и технологии в холодных регионах, 3 (1980), 3-27
• Стандарт JGS 0171-2003, «Метод испытаний для прогнозирования морозного пучения почв»
• Jessberger, H.и Вялов, С. (1978). «1-й инициативный симпозиум по замораживанию земли». Бохум, т. (2).
• Йоханссон, Т. (2009). «Искусственное промерзание грунта в глинистых почвах — лабораторные и полевые исследования деформаций при оттаивании на ботнической линии». Докторская диссертация, KTH, Div of Soil and Rock Mech.
• Kanie, S. et al. (2013). «Экспериментально-практический метод оценки трехмерного морозного пучения мерзлых грунтов». ISCORD 2013, 164-174.
• Кляйн Дж. (2012). «Часто задаваемые вопросы по замораживанию валов рассолом.”Geoengineer.org, Engineer.org/multimedia-virtual/item/257-faqs-for-brine-freezing-of-shafts> (18 марта 2014 г.).
• Lackner, R. et al. (2005). «Искусственное замораживание полностью насыщенной почвы: термическая проблема». J. Eng. И мех., 131 (2), 11–220.
• Ladanyi, B. (1982). «Испытания на ползучесть и релаксацию скважин в вечной мерзлоте, богатой льдом». Proc. 4-й Канадской конференции по вечной мерзлоте, 406-415.
• Ladanyi, B., and Melouki, M. (1992). «Определение свойств ползучести мерзлых грунтов с помощью скважинных испытаний на релаксацию напряжений.» Жестяная банка. Геотех. J., 30, 170-186.
• Li, H. et al. (2004). «Влияние температуры, скорости деформации и плотности в сухом состоянии на прочность на сжатие насыщенной замороженной глины». Наука и технологии холодных регионов, 39, (2004) 39–45.
• Маго, Даниэль. (2013). «I-405 Убежище ливневой воды». SoilFreeze
• Morgenstern, N.R., and Nixon, J.F. (1971). «Одномерное уплотнение талых грунтов». Департамент гражданского строительства, Университет Альберты, Эдмонтон, Альберта.
• Эстергаард, Ф.Э. и Зубек, Х.К. (2013), «Практика испытания мерзлых грунтов». Механические свойства мерзлых грунтов, STP 1568, Zubeck, H. and Yang, Z. Eds., Стр. 62-75, ASTM International, West Conshohocken, PA.
• Sanger, F.J. и Sayles, F.H. (1979). «Тепловые и теологические расчеты для строительства искусственно мерзлых грунтов». Англ. Геол., 13, 311-337.
• Sayles, F. et al. (1987). «Классификация и лабораторные испытания искусственно замороженного грунта». Журнал инженерии холодных регионов, 1 (1), 22–48.
• Шмаль П. и Браун Б. (2006). «Заморозка грунта — жизнеспособный и универсальный метод строительства». Разработка холодных регионов 2006, 1-11.
• Шмидт, М.Ф. (1895). «L’emploi de la congelation pour l’execution de travaux dans les terrains aquiferes (Использование замораживания для работы в водоносных грунтах)». Бык. Soe.
• Ind. Мин. Санкт-Этьен, 9, 3е серия, k895.
• Вагнер А. и Ярмак-младший Э. (2013). «Эффективность искусственных замороженных барьеров». ISCORD 2013, 116-127.
• Вагнер А. и Ярмак младший Э. (2012). «Демонстрация искусственного замороженного барьера». ERDC / CRREL TR-12-12 2012, 1-28.
• Widianto et al. (2009). «Дизайн фундамента для морозного пихания». Разработка холодных регионов 2009, 599-608.
• Xanthakos, P.P., Abramson, L.W., and Bruce, D.A. (1994). «Наземный контроль и улучшение». John Wiley & Sons, Нью-Йорк, Нью-Йорк.
• Xu, X., Lai, Y., Dong, Y., and Qi, J. (2011). «Лабораторные исследования прочностных и деформационных характеристик ледонасыщенных мерзлых песчаных грунтов.«Холодные регионы. Technol., 69, 98-104.
• Янг Ю., Лай Ю. и Ли Дж. (2009). «Лабораторные исследования прочностных характеристик мерзлого песка с учетом воздействия ограничивающего давления». Холодные регионы. Технол., 60, 245-250.
• Ясуфуку, Н., Спрингман, С.М., Аренсон, Л.У., и Рамхольт, Т. (2003). «Напряжение-дилатансия замороженного песка при прямом сдвиге». Вечная мерзлота, Swets and Zeitlinger, Амстердам, стр. 1253.
,
• Zhu, Y., and Carbee, D.L. (1987). «Предел прочности замороженного ила.”Отчет CRREL 87-15: Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов, Ганновер, Нью-Хэмпшир.

Заморозка грунта в строительстве | Groundfreezing.com

Искусственное замораживание грунта — это строительный метод, который используется при строительстве шахт, шахт и туннелей для обеспечения временной поддержки грунта и контроля грунтовых вод, когда другие традиционные методы, такие как обезвоживание, опалубка и цементация, или перемешивание грунта неосуществимы . Замораживание грунта также используется для создания региональных барьеров для грунтовых вод вокруг операций по добыче золота и других полезных ископаемых, нефтеносных песков или горючих сланцев.Это часто называют промерзанием грунта, промерзанием грунта или стеной промерзания. Процесс замораживания грунта включает бурение и установку ряда относительно близко расположенных труб и циркуляцию охлаждающей жидкости по этим трубам. Охлаждающий хладагент извлекает тепло из земли, превращая воду в порах почвы в лед, в результате чего получается чрезвычайно прочный, непроницаемый материал. Это наиболее эффективный метод улучшения почвы, используемый в подземном строительстве и горнодобывающей промышленности.

В процессе замораживания используется полностью закрытая система.В землю не вводят никаких химикатов. В качестве охлаждающих жидкостей могут использоваться экологически чистые гликоли, рассол хлористого кальция или жидкий азот. Эти хладагенты охлаждаются с помощью нескольких различных типов наземных или подземных холодильных установок с электрическим приводом. В случае жидкого азота жидкость доставляется на проектную площадку в танкерах и сбрасывается в атмосферу сразу после циркуляции по трубам.

Промерзание грунта для выработки глубокого ствола

Глубокие валы — наиболее распространенное применение замораживания грунта.Замораживающие трубы просверливаются и устанавливаются по периметру предлагаемого ствола на необходимую глубину. Циркуляция теплоносителя инициируется до образования зоны промерзания от 1 до 10 метров. Затем внутренняя часть ствола выкапывается и облицовывается, а система замораживания отключается.

Заморозка грунта при строительстве туннелей

Заморозка грунта широко используется в туннельной промышленности. Туннельные приложения используют несколько разных подходов. Самый распространенный метод включает горизонтальное бурение замораживающих труб по периметру туннеля, что очень похоже на подход замороженного ствола.Эта горизонтальная конфигурация используется для прокладки туннелей под автомобильными или железными дорогами или для создания безопасных переходов между двумя существующими туннелями. Другой метод строительства туннелей — заморозка всей трассы сплошной и горной выработки через мерзлую массу грунта. Этот подход часто сочетается с методом последовательной выемки грунта (SEM) и используется для штольней небольшого диаметра.

Машины для заморозки грунта и проходки туннелей

Заморозка грунта также используется в сочетании с туннельными бурильными машинами (TBM).Земля перед или вокруг ТБМ может быть заморожена заранее, чтобы создать заранее спланированное безопасное убежище для работ по прокладке туннелей, или использоваться в чрезвычайных ситуациях для ремонта ТБМ.

Замерзание грунта для изоляции подземных вод от горных работ

Замерзание грунта было предложено для региональных заграждений грунтовых вод длиной до 10 км для изоляции грунтовых вод от горных работ вместо крупномасштабных операций по обезвоживанию, которые имеют экологические последствия или требуют сложных и дорогостоящих операций по очистке.

Успех замораживания грунта

Заморозка грунта считается успешной, если она выполняется опытными подрядчиками, имеющими необходимое специализированное оборудование. Это интерактивный процесс, требующий передовых технологий, точного бурения, а также специального холодильного и контрольно-измерительного оборудования.

Frost Action и Frost Heave

Само пучение вызвано образованием линз льда в почве под тротуаром. При замораживании вода расширяется на 9% по объему.Размер ледяной линзы зависит от количества свободной воды, доступной в почве и от уровня грунтовых вод, и времени. Когда почва замерзает, свободная вода замерзает и расширяется. После запуска ледяные линзы продолжают расти до тех пор, пока доступен источник свободной воды. Свободная вода мигрирует через почву к формирующейся ледяной линзе за счет капиллярного действия (аналогично капиллярному капилляру). Эта миграция воды может достигать 20 футов для некоторых чувствительных к заморозкам почв.

Образование ледяной линзы и морозного пучка

Исключить подачу воды в почву под тротуаром практически невозможно.Однако хороший дренаж может частично уменьшить количество воды, доступной для питания ледяной линзы, и вызвать морозное пучение. Большую часть этой подачи воды снизу можно перекрыть комбинацией песчаных одеял и водостоков из плитки.

Некоторые почвы более подвержены образованию ледяных линз, чем другие. Илы или илистые глинистые почвы считаются одними из самых морозостойких. Ил из-за чрезвычайно малого размера его частиц или градации позволяет и стимулирует поток воды за счет капиллярного действия через его поры.Следовательно, илы поставляют воду, необходимую для образования ледяных линз в зоне замерзания. Другие почвы, считающиеся уязвимыми к заморозкам, включают мелкий песок, глинистый гравий и каменную муку. Умеренно морозоустойчивые почвы включают грязные пески и гравий, а также ледниковые отмели.

Единственные почвы, которые можно считать невосприимчивыми к заморозкам, — это очень чистые смеси песка и гравия. Эти почвы свободно дренируются под действием силы тяжести и не создают капиллярного движения влаги.

Морозное пучение чаще всего встречается в следующих локациях:

• Переходы от выемки к насыпи
• Если канав не соответствует требованиям или их нет
• Над водопропускными трубами
• Рядом с проездами, которые перекрывают придорожные канавы и / или собирают воду
• При резком изменении материала земляного полотна

Не всякое морозное пучение губительно для дорожного покрытия.Равномерное вспучивание, скорее всего, не будет заметно ни для глаз, ни для пассажиров автомобиля. Здесь нет неровностей или перекатов, вся дорога равномерно вздымается, поэтому проблем с обслуживанием нет. Возвышение является разрушительным и неприятным только в фазе замерзания или замерзания, когда оно резко меняется, вызывая неровную опору для дорожного покрытия.

Во избежание морозного пучение следует заменять или стабилизировать очень восприимчивые почвы. Места с морозным пучением следует осушать с помощью дренажных каналов, и / или канавы должны быть чистыми и не иметь беспорядка, препятствующего оттоку воды от тротуара.

Гидромеханические процессы в промерзающих грунтах

Грунт — наиболее широко используемый материал при строительстве различной гражданской инфраструктуры. Различные типы грунтов широко используются в естественной или уплотненной форме при строительстве дамб, каналов, дорожных и железнодорожных земляных работ, а также сооружений для удержания отходов, таких как почвенные покровы и облицовки. Эта инфраструктура и грунты фундамента подвержены влиянию факторов окружающей среды. В районах вечной мерзлоты и сезонной мерзлоты почвы могут находиться в разном состоянии (например,g., насыщенные или ненасыщенные, замороженные или размороженные, или их комбинации) из-за колебаний содержания влаги и температуры. Характеристическая кривая почва-вода (SWCC), которая представляет собой соотношение между содержанием влаги в почве и всасыванием, используется для интерпретации и прогнозирования поведения ненасыщенных почв. Аналогичным образом, характеристическая кривая замерзания почвы (SFCC), которая представляет собой соотношение между содержанием незамерзшей воды и отрицательной температурой, используется для прогнозирования и интерпретации поведения мерзлых грунтов.В этой диссертации были тщательно исследованы SWCC и SFCC двух канадских почв (то есть илистая глина Торонто (TSC) и бедная глина Торонто (TLC)) для лучшего понимания фундаментальной взаимосвязи между SWCC и SFCC. Модуль упругости грунта (MR) является ключевым свойством материала, используемым при рациональном проектировании дорожных покрытий. Были проведены экспериментальные исследования для определения MR пяти канадских почв (т.е. TSC, TLC, постная глина Kincardine (KLC), глина Ottawa Leda (OLC) и Indian Head Till (IHT)) с учетом влияния влажности и температуры, с помощью современного трехосного испытательного оборудования.В этой диссертации были предложены две простые модели для оценки MR мерзлых грунтов. Кроме того, была разработана модель искусственной нейронной сети (ИНС) для оценки MR пяти канадских почв с учетом различных влияющих факторов. Выводы из различных исследований в этой диссертации кратко резюмируются ниже. (1) Четыре выражения (т.е. степенная зависимость, экспоненциальная зависимость, уравнение Ван Генухтена и уравнение Фредлунда и Синга), которые широко используются для представления SFCC, были выбраны для обеспечения сравнения между измеренными и подобранными SFCC для разных почв.Результаты показывают, что экспоненциальная зависимость и уравнение Ван Генухтена подходят для песчаных почв. Соотношение мощности вполне соответствует SFCC для почв с различным размером частиц, но не для засоленных илов. Уравнение Фредлунда и Синга гибкое и подходит для всех почв. (2) SFCC и SWCC TSC и TLC были экспериментально определены, проанализированы и сопоставлены. На надежное измерение SFCC влияют многие факторы, в том числе разрешение и стабильность датчиков, калибровка датчиков для каждого грунта и условия термодинамического равновесия.Гистерезис SFCC для двух почв в основном объясняется переохлаждением поровой воды. Количественное различие в измеренных SFCC и SWCC может быть связано с изменениями структуры образца во время уплотнения и насыщения, а также во время процессов замораживания / оттаивания и образования трещин из-за вставки датчиков. Кроме того, между процессами сушки / смачивания и замораживания / оттаивания могут существовать некоторые фундаментальные различия, что приводит к несходству. (3) Были предложены две новые модели для оценки MR мерзлых грунтов.Полуэмпирическая модель расширяет механику ненасыщенных почв и использует SFCC для прогнозирования. Для проверки этой модели использовались несколько крупнозернистых и мелкозернистых насыщенных почв. Эмпирическая гиперболическая модель была предложена с учетом того, что зависимость замороженного MR от отрицательной температуры напоминает гиперболу. Эта модель была проверена на крупнозернистых и мелкозернистых почвах в насыщенных / ненасыщенных условиях. Гиперболическая модель имеет более широкое применение, поскольку ее можно использовать как для насыщенных, так и для ненасыщенных мерзлых грунтов.Обе модели просты и перспективны. (4) MR пяти канадских почв, подвергшихся смачиванию и замерзанию, определяли с помощью трехосной испытательной системы GDS ELDyn. Система замораживания была создана для контроля желаемых температур испытаний в образцах почвы. Результаты показывают: (i) Влияние отрицательной температуры на MR значительно. (ii) Для ТСХ, KLC, OLC и IHT зависимость замороженного MR от отрицательной температуры насыщенного образца обычно имеет более крутой наклон, чем образец при оптимальном содержании воды, для диапазона температур от 0 до -5 ° C.(iii) Влияние уровней стресса на замороженный MR зависит от типа почвы, содержания воды и отрицательной температуры. Наконец, (iv) частота нагружения не оказывает значительного влияния на замороженный MR. (5) MR пяти канадских почв определяли с учетом условий увлажнения и замораживания-оттаивания (F-T). Результаты показывают: (i) Циклы F-T приводят к слабой структуре почвы из-за уменьшения всасывания, движения частиц, потери сцепления и образования трещин / каналов. (ii) Критические числа циклов F-T были определены как 1, 1, 2 и 1 для TLC, KLC, OLC и IHT при оптимальном содержании воды соответственно.(iii) Процент снижения MR после критического количества циклов F-T сильно зависит от индекса пластичности образцов, испытанных при оптимальном содержании воды. (iv) Процесс увлажнения приводит к уменьшению всасывания и расширению пор почвы. Следовательно, относительно низкие значения MR были измерены при высоком содержании воды, и влияние циклов F-T становится незначительным. Наконец, (v) влияние уровней напряжения на MR зависело от исходного содержания воды в образце и типа почвы.

Моделирование морозного пучения в промерзающих грунтах

Представлена ​​обобщенная модель вторичного морозного пучения в промерзающих мелкозернистых грунтах. Эффект криостатического всасывания, который вызывает увеличение проницаемости воды вверх, рост линз льда при промерзании и, как следствие, увеличение пучения почвы, считается основным механизмом переноса влаги. Хотя модель в этой статье имеет ряд общих подходов с моделью Фаулера и Кранца (1994), она отличается по крайней мере в нескольких важных аспектах.Мы признаем необходимость определения распределения влаги в замороженной кайме путем аппроксимации экспериментальных данных для равновесного содержания незамерзшей воды. Такое распределение является результатом сложного взаимодействия воды, льда и минерального скелета в процессе замерзания. Обобщение соотношения Клапейрона, которое используется в цитированной выше работе, оценивает только падение начальной температуры замерзания и не определяет связь с внешним температурным градиентом ∇T, который ответственен за процесс морозного пучения.Этот очень важный аспект подробно обсуждается во введении к нашей статье. Еще одно отличие состоит в том, что наше решение основано на безразмерной системе уравнений. Учтем отношение Pe / Ste ≠ 1 (где Pe << 1). Этот подход позволяет нам получить как более общее решение, так и проанализировать морозное пучение и распространение фронта замерзания, поскольку они зависят от характеристик (критериев) процесса конвективного (Pe) и фазового перехода (Ste). Теоретические результаты, полученные из нашего решения анализа для мелкозернистых грунтов, сравниваются, в хорошем согласии, с экспериментальными исследованиями и численными моделями.Обсуждается особенность решения в начальный момент времени. В этом отношении получено асимптотическое решение для коротких и больших времен. Результаты сравниваются с обоими решениями (модельным и асимптотическим). Представленная модель предсказывает процессы морозного пучения и замерзания в пористых средах с разумной точностью и удовлетворительно отражает наблюдаемые явления, и, таким образом, может быть пригодна для инженерной практики.

Защита растений от пучения зимой

Если вы садитесь в холодную местность или даже в том месте, которое каждую зиму переживает несколько сильных морозов, то вам, возможно, придется подумать о защите растений от морозного пучения.Морозное пучение часто происходит ранней весной или поздней осенью, когда обычно более низкие температуры и влажность почвы. Пучки могут возникать на любом типе почвы; однако почвы, такие как ил, суглинок и глина, более склонны к пучению из-за их способности удерживать больше влаги.

Что такое морозное волнение?

Что такое морозное пучение? Морозное пучение возникает после того, как почва подверглась воздействию отрицательных температур и большого количества влаги. Давление, создаваемое чередующимися условиями замерзания и оттаивания, поднимает почву и растения вверх и из земли.Когда холодный воздух опускается в землю, он замораживает воду в почве, превращая ее в мелкие частицы льда. Эти частицы в конечном итоге объединяются, образуя слой льда.

Когда дополнительная влага из более глубоких слоев почвы также вытягивается вверх и замерзает, лед расширяется, создавая избыточное давление как вниз, так и вверх. Давление вниз вызывает повреждение почвы, уплотняя ее. Уплотненная почва не пропускает достаточный воздушный поток или дренаж. Восходящее давление не только повреждает структуру почвы, но и создает морозное пучение, которое часто характеризуется глубокими трещинами по всей почве.

Эти трещины открывают доступ к корням растений наверху холодного воздуха. В тяжелых случаях растения могут действительно подниматься или подниматься из окружающей почвы, где они высыхают и погибают от воздействия.

Защита растений от морозного пихания

Как защитить растения от морозного пучения? Один из наиболее эффективных способов предотвратить возникновение морозного пучения в саду — это изолировать почву мульчей, такой как сосновая кора или щепа, или положить вечнозеленые ветки над садом.Это помогает сгладить колебания температуры и уменьшить промерзание.

Еще один способ предотвратить морозное пучение — это сгребать все возможные углубления. Хорошее время для этого — весной и осенью, когда вы готовитесь и убираете в саду. Вы также должны улучшить почву компостом, чтобы улучшить дренаж почвы, что снижает вероятность пучения. Хорошо дренированные почвы весной прогреются быстрее.

Следует также выбирать растения с учетом их устойчивости к холоду, например лиственные деревья и кустарники, луковицы или многолетние растения, устойчивые к холоду.Незащищенная, влажная, промерзшая земля — ​​одна из наиболее частых причин смерти садовых растений зимой из-за разрушения, вызванного морозным пучком.

Не позволяйте вашим растениям стать жертвами морозного пучения. Найдите дополнительное время, чтобы заранее утеплить свой сад; достаточно одного сильного морозного пучка, чтобы разрушить сад и всю тяжелую работу, которую вы в него вложили.

Разработка системы замораживания грунта для ненарушенного отбора проб зернистых грунтов

Методика замораживания грунта была впервые изобретена для беспрепятственного отбора проб зернистых почв.В связи с возрастающей необходимостью оценки разжижения при землетрясении, во всем мире проводилось больше исследований с использованием высококачественных гранулированных образцов и методов замораживания грунта. Тем не менее, было мало исследований по методам замораживания грунта, поскольку в Корее не было записей о разжижении до землетрясения в Пхохане в 2017 году. Поскольку более 10 мест были зарегистрированы с явлениями разжижения, необходимо оценить потенциал разжижения с помощью высококачественных образцов. гранулированных почв.Поэтому, чтобы получить ненарушенные образцы сыпучих грунтов, в данном исследовании были разработаны новое оборудование для местного замораживания грунта и операционная система. Применяемый хладагент представлял собой жидкий азот и циркулировал через двойную трубку, вставленную в землю. Для оценки производительности системы были проведены лабораторные испытания только с водой и насыщенным мелким песком. При лабораторной оценке столб мерзлого грунта диаметром 60 см был изготовлен через 20 часов, и средняя скорость замерзания составляла приблизительно 12 мм / час в радиальном направлении.После лабораторной оценки система замораживания была применена в полевых условиях, и ее производительность была оценена с помощью 2D-томографии электрического сопротивления. В полевых условиях замерзшая область имела диаметр 4 м и глубину 6,5 м в цилиндрической форме.

1. Введение

Понимание и оценка поведения грунта при сейсмической нагрузке чрезвычайно важны для правильного асейсмического проектирования конструкций и земляных работ. Это требует, среди прочего, наличия высококачественных образцов без искажений.Что касается глинистых почв, методы отбора проб, разработанные La Rochelle et al. [1], а также Лефевр и Пулен [2] все еще актуальны, но не применимы к зернистым почвам. С другой стороны, отбор образцов гранулированного грунта может осуществляться путем замораживания на месте или с помощью так называемой «техники проталкивания геля» (Умехара и др. [3], Тейлор и др. [4]). Замораживание почвы — это самый старый метод как для непрерывного отбора образцов зернистых грунтов (например, Micheal et al. [5]), так и для временной поддержки во время подземных раскопок (Shuster [6], Gioda et al.[7]).

Землетрясения на Ниигате и на Аляске в 1964 г. (Йошида и др. [8], Сато и др. [9] и Созен и др. [10]) повысили чрезвычайную важность оценки риска разжижения насыщенных рыхлых гранулированных отложений. На данный момент риск ожижения оценивается путем испытаний на месте и с использованием упрощенных подходов. С другой стороны, с середины 80-х годов в лаборатории проводились исследования высококачественных образцов без воздействий (Miyoshi et al. [11], Yoshimi and Goto [12]). В Канаде сообщалось о полевом применении проб мерзлого грунта для оценки разжижения и регулярных проверок на плотине Дункан (Sego et al.[13]).

Поскольку возникли опасения по поводу влияния замерзания на механическую реакцию грунта, были проведены различные исследования мерзлых грунтов. Что касается механики мерзлых грунтов, годы исследований и опыта проектирования были собраны и опубликованы в Andersland и Ladanyi [14]. Кроме того, влияние замерзания на почвы исследовали различные исследователи (например, Газави и Рустай [15], Конрад и Самсон [16], Ци и др. [17], Вей и др. [18], Ян и др. .[19], Mahzad et al. [20], а также Ли и Фань [21]). Lo Presti et al. [22] обобщили методы отбора проб мерзлого грунта и проанализировали методы охлаждения. Они предложили конкретные типы грунта, применимые к отбору замерзающих проб, как проводить отбор замерзающих проб, например, скорость охлаждения, чтобы избежать объемного расширения, как вставлять замерзающие трубы и их возможный радиус возмущения, а также как отбирать пробы грунта из замерзшая земля. Основываясь на предыдущих исследованиях, метод невозмущенного отбора проб путем замораживания может стать подходящим методом беспрепятственного отбора проб на зернистых почвах.

Местные записи в Южной Корее показывают, что ежегодно в стране происходит более 60 землетрясений, 36 из которых регистрируются возле многоцелевых плотин. Большинство этих плотин были построены много лет назад и могут быть недостаточно рассчитаны на ожидаемые землетрясения; поэтому регулярные оценки безопасности плотины для оценки текущего состояния плотины и исследования структуры плотины и фундамента при планировании сейсмической модернизации имеют важное значение. Кроме того, необходимо оценить сейсмические характеристики плотин, основанных на песчаных и аллювиевых отложениях.Понятно, что ключом к анализу или оценке является качество образцов. В связи с этим требованием промышленности, метод замораживания грунта был рассмотрен исследователями во многих странах для разработки новых систем замораживания грунта для беспрепятственного отбора проб песчаного материала.

В этом исследовании была разработана местная система замораживания грунта в качестве первого шага к созданию системы непрерывного отбора проб гранулированных материалов, и разработанная система была оценена на лабораторных пробах почвы и далее в полевых условиях.

2. Разработка системы замораживания грунта

2.1. Конструкция морозильной установки

Технологии замораживания грунта можно разделить на два типа в зависимости от замораживающего агента: тип жидкого азота и тип рассола. Система замораживания грунта на основе жидкого азота замораживает целевой грунт за счет непрерывного теплообмена между грунтом и двойной трубкой, заполненной жидким азотом. Как правило, грузовик-цистерна используется для перевозки жидкого азота в двойную трубу, чтобы обеспечить впрыскивание жидкого азота через внутреннюю трубу и выпуск испаренного азота через внешнюю трубу.

Теплообмен происходит между жидким азотом и прилегающей землей, и после передачи тепла жидкий азот испаряется и выходит через внешнюю трубу в атмосферу. Система замораживания грунта на основе жидкого азота имеет преимущества в том, что система замораживания занимает относительно небольшое пространство, проста в управлении и требует короткого времени для замораживания грунта. Кроме того, она может применяться с соответствующей модификацией, когда грунтовые воды протекают с относительно высокой скоростью по сравнению с системой замораживания рассольного типа.Однако жидкий азот не циркулирует, поэтому его следует подавать непрерывно для достижения заданной температуры грунта (Стосс и Валк [23]).

С другой стороны, система замораживания грунта рассольного типа использует раствор хлорида кальция или хлорида магния, который для промерзания грунта называется «рассолом». Холодильная машина регулирует температуру рассола -20 ~ -40 ° C, и рассол с регулируемой температурой циркулирует по охлаждающей трубе. После теплообмена низкотемпературного рассола и земли температура рассола понижается холодильной машиной.По сравнению с машиной для замораживания грунта с жидким азотом, где жидкий азот не рециркулируется, система замораживания грунта с рассолом рециркулирует рассол путем регулирования температуры с помощью холодильной машины. По сравнению с ранее упомянутым типом жидкого азота, система с рассолом больше подходит для крупномасштабной строительной площадки в течение длительного периода строительства из-за ее больших помещений, включая холодильный агрегат и хранилище для рассола. Он имеет недостатки, такие как более длительное время, необходимое для замораживания определенного участка земли, чем тип жидкого азота, и не подходит для высокоскоростного потока грунтовых вод.

Основываясь на сравнении двух вышеупомянутых систем замораживания, система замораживания грунта жидким азотом имеет больше преимуществ, чем тип рассола, в том, что система занимает относительно небольшое пространство и продолжительность замораживания относительно коротка. Таким образом, в данном исследовании использовался жидкий азот для разработки системы замораживания, как показано на Рисунке 1.

Разработанная система замораживания грунта состояла из контрольной части, трубы замораживания и необходимой трубы, а также датчиков.Трубка для замораживания была сделана с двойной трубкой, где жидкий азот подавался через внутреннюю трубку, а испаренный азот выходил через внешнюю трубку. Диаметр внешней трубы был разработан и изготовлен как 73 мм для использования обычного расточного станка для пробоотборной трубы размера NX. На поверхности внешней морозильной трубы были прикреплены мультитемпературные датчики для измерения температуры морозильной трубки во время операций по замораживанию грунта. Вводимое количество замораживающего агента, жидкого азота, регулировалось вручную на основе данных обратной связи о потоке жидкости, температуре и давлении в текущей системе.В конце концов, программа управления будет разработана для автоматического управления впрыском замораживающего агента.

На последнем этапе разработки системы замораживания грунта была изготовлена ​​цилиндрическая камера из нержавеющей стали для искусственного отложения грунта для оценки системы замораживания. Конструкция была сделана с системой двойных стенок для размещения искусственного грунта во внутренней камере (Φ = 597 мм) и воды во внешней камере (Φ = 800 мм). С помощью этих двойных камер можно было свободно контролировать уровень грунтовых вод.

3. Лабораторная оценка разработанной системы замораживания

Экспериментальные оценки были выполнены дважды на ранее описанной системе замораживания грунта. В качестве предварительного испытания система замораживания грунта была заполнена водопроводной водой с температурой 5 ° C, чтобы проверить конфигурацию и основной блок системы при первом испытании. Во втором тесте система замораживания грунта была оценена с использованием насыщенного мелкого песка. Как показано на рисунке 2, датчики температуры были установлены в верхней, средней и нижней части внутренней ячейки.Кроме того, в этих трех точках были установлены приспособления для размещения множества датчиков для радиального контроля температуры внутри внутренней камеры. В частности, в средней точке трубы для замораживания были установлены 12 датчиков температуры на расстоянии 20 мм от внешней трубы для замораживания, чтобы оценить замерзание почвы или воды в средней точке трубы для замораживания.

3.1. Эксперимент по замораживанию воды

Для этого эксперимента в жидкий азот вводили 60 Нм ₃ / ч (см.1 Нм ³ / ч = 1,28 кг / ч) в камеру, заполненную водопроводной водой. Поскольку основной целью эксперимента по замораживанию воды было обеспечение производительности основного блока системы замораживания, закачка жидкого азота была остановлена, когда наблюдалось замерзание воды (рис. 3).

После 55 мин нагнетания жидкого азота вода из камеры была слита и образовавшийся лед исследовали. Основываясь на визуальном наблюдении, ледяные формы относительно однородной цилиндрической формы показаны на Рисунке 4.Однако диаметр верхнего ледяного столба был немного меньше диаметра нижнего столба, потому что поверхность воды находится в контакте с атмосферой, где температура была относительно выше, чем у воды внутри камеры.

Средняя скорость замерзания составила 26,2 мм / час (24 мм / 55 мин), что намного выше, чем заявленная скорость замерзания почвы 2–7 мм / час. Конвекционный поток воды охладил всю воду внутри камеры, в то время как конвективный поток нельзя было ожидать в поровой воде в массиве почвы.Из-за этой разницы прямое сравнение скорости замерзания воды и насыщенных почв не имело смысла.

3.2. Эксперимент по замораживанию насыщенного песка

Второй тест был проведен на образце насыщенного песка. Для полного насыщения песок уплотняли через каждые 30 см слоя во внутренней камере, а внешнюю камеру заполняли водой, текущей вверх во внутреннюю камеру. Полное насыщение обеспечивалось визуальным осмотром, когда уровень воды во внутренней камере становился аналогичным уровню воды во внешней.Как показано на рисунке 5, процесс замерзания можно наблюдать с поверхности песков. Когда началось замораживание, жидкий азот непрерывно вводили во внутреннюю трубу замораживающей трубы в течение 20 часов. После этого применяли минимальное количество жидкого азота для поддержания замороженного состояния в течение 4 часов. Всего прошло 24 часа, и было израсходовано около 1800 кг жидкого азота, в среднем 69,2 кг / ч. На рис. 5 показан процесс замерзания на поверхности образца песка.

Однако процесс замораживания не был таким плавным, как ожидалось, так как температура окружающей среды не контролировалась, резервуар с жидким азотом часто менялся, а количество вводимого замораживающего агента контролировалось вручную.Эффект от процесса негладкого замораживания показан на Рисунке 6.

Столб мерзлого грунта диаметром 350 мм, включая лед толщиной 50 мм, был получен после 24 часов замораживания. Средняя скорость замораживания была рассчитана как 12 мм / ч.

На Рисунке 7 показано извлечение образца замороженного грунта и измерение температуры поверхности замороженного образца. Температура поверхности была измерена при -8,1 ° C, что было на 4 ° C выше во время замораживания из-за истекшего времени экстракции.

4.Полевая оценка разработанной системы замораживания

4.1. Состояние площадки

Чтобы оценить применимость разработанной системы замораживания грунта и улучшить систему замораживания грунта для полевого применения, система была установлена ​​на полевом участке, расположенном в южной части города Андон в провинции Кёнсан-Бук в Корее. Для изучения стратиграфического профиля было выполнено два бурения. Слой песка встречен на глубине 3,4 ~ 3,7 м от уровня земли и 4.Под слоем песка находился песок толщиной 4 м с гравийным слоем. Ниже песка с гравием обнаружен песчано-гравийный слой. Уровень грунтовых вод располагался на глубине 3,5 м от поверхности. Заданная глубина промерзания составляла около 10 м от поверхности земли, включая верхний слой песка, песок с гравием и песчаный гравий.

4.2. Установка наземной системы замораживания

При лабораторной оценке жидкий азот контролировался вручную при нагнетании в трубопровод замораживания.Перед применением в полевых условиях был разработан модуль автоматического впрыска замораживающего агента, чтобы свести к минимуму использование замораживающего агента. В системе подачи LN ₂ установлены автоматические клапаны открытия-закрытия. Клапан закрывался, если температура трубы замораживания была ниже заданной, и вентиль открывался, если температура была выше заданной, так что температура трубы замораживания поддерживалась в определенном диапазоне. Для эффективного теплообмена между охлаждающей трубой и прилегающей землей давление подачи LN ₂ контролировалось ниже 1 кг / см ² .Поддерживая минимальную разность давлений между подачей LN ₂ и атмосферой, скорость потока замораживающего агента контролировалась достаточно низкой, чтобы было достаточно времени для теплообмена.

Система замораживания грунта была установлена ​​на площадке в следующем порядке, как показано на Рисунке 8. Во-первых, для оценки промерзания грунта на основе характеристик удельного электрического сопротивления, были пробурены два отверстия на расстоянии 3 м от охлаждающей трубы для томографии. испытания перед установкой морозильной трубы.Для труб замораживания пробурены две скважины с шагом 1,5 м. После установки замораживающей трубы длиной 8,5 м резервуар с жидким азотом (далее LN ₂ ) был подсоединен к замораживающей трубе, и открытая часть системы трубопроводов была изолирована. После настройки системы замораживания замораживающий агент LN ₂ подавался непрерывно в течение 72 часов. Для непрерывной поставки LN ₂ перезаряжали автоцистерной один раз в день, всего два раза.

Как только LN ₂ был впрыснут, изменение температуры отработанного газообразного азота (далее GN ₂ ) подтвердило, что тепло LN ₂ было передано на землю.В течение 30 минут после впрыска LN ₂ внутренняя температура охлаждающей трубы стала ниже нуля, и примерно через 2 часа внутренняя температура охлаждающей трубы составила около -50 ° C, а температура отработанного GN _{. 2} была около -116 ° C. Количество отработанного GN ₂ стабилизировалось на уровне 150 нм ³ / час. После подтверждения плавного введения количество LN ₂ контролировалось автоматически. Автоматический впрыск контролировался температурой отработанного GN ₂ при -120 ° C.Контролируя температуру на отработанном патрубке GN ₂ , температуры замерзающих труб поддерживались в диапазоне от -60 до -80 ° C, а количество закачиваемого LN ₂ в диапазоне от 80 до 170 Нм ³ / час. После 72 часов инъекции поверхность земли была заморожена до диаметра 700 ~ 800 мм при визуальном осмотре.

4.3. Оценка разработанной системы замораживания методом томографии электрического сопротивления

Чтобы убедиться в эффективности разработанной системы замораживания в полевых условиях, необходимо правильно определить область замораживания.В лабораторных экспериментах его можно было измерить с помощью закопанных термометров, но в полевых условиях следует использовать другой метод. Несмотря на то, что это искусственно замороженный грунт, эти методы исследования участка вечной мерзлоты могут быть применены для оценки производительности разработанных систем. Из-за практических трудностей на мерзлых грунтах в районах вечной мерзлоты изучались различные геофизические методы.

Об эффективности геофизических методов на мерзлых грунтах сообщали многие исследователи (например,g., Hoekstra and McNeill [24], Scott et al. [25], Kneisel [26], Kneisel et al. [27], Крайст и Парк [28] и Ким и др. [29]). Среди различных методов геофизической съемки характеристики распространения волн могут быть полезны для определения мерзлого и незамерзшего состояния грунтов, но трудно определить мерзлую область в поле. Таким образом, удельное электрическое сопротивление с помощью томографического анализа используется для оценки характеристик разработанной системы путем определения области заморозки.

Испытания томографии удельного электрического сопротивления основаны на испытаниях удельного электрического сопротивления на поверхности.Электроды устанавливаются вокруг целевой области в скважинах и на поверхностях, и томография может быть получена с помощью измеренных электрических потенциалов, генерируемых подземными электрическими токами. Томография электрического сопротивления показывает более высокое разрешение и разрешающую способность, чем обычное электрическое сопротивление, за счет установки электродов в скважинах, окружающих целевую область (Сима и Сакаяма [30]).

Для оценки искусственного промерзания грунта для 2D томографии были сделаны две скважины глубиной до 10 м перпендикулярно направлению промерзания грунта.На рис. 9 показаны схематические изображения в плане и в разрезе скважин промерзания грунта и томографии. Замораживающие трубы для промерзания грунта были установлены с шагом 1,5 м, а скважины BH-1 и BH-2 для томографической оценки были установлены на глубину 10 м с шагом 3 м перпендикулярно линии промерзывающих труб. Электроды каждой скважины и на поверхности были установлены с интервалом 1 м как для данных по скважине / скважине, так и для сбора данных по скважине / поверхности.Общее количество установленных электродов — 27. Одиннадцать электродов были установлены в каждой скважине и 5 электродов на поверхности.

Для установки электродов пробурены скважины глубиной 10 м с обсадной колонной. В кожух вставлялись трубы из ПВХ диаметром 30 мм, к которым прикреплялись электроды с шагом 1 м. После экструдирования обсадной колонны зазор между трубами из ПВХ и скважинами был засыпан грунтом на месте для минимизации контактного сопротивления между электродами и землей.

Томографические испытания были выполнены в общей сложности 4 раза, чтобы оценить влияние нарушения грунта при прокладке труб и промерзания грунта. Первое испытание было проведено перед установкой замораживающих труб, второе испытание после установки замораживающего трубопровода для оценки нарушения грунта из-за прокладки трубопровода, а третье и четвертое испытания после 30 часов и 50 часов, соответственно, закачки азота для оценки грунта. замораживание.

4.4. Оценка с помощью томографических тестов

На рисунках 10 (a) и 10 (b) показаны изолинии удельного электрического сопротивления до промерзания грунта.На рисунке 10 (a) показаны изолинии удельного электрического сопротивления, рассчитанные на основе результатов первых томографических испытаний перед установкой замораживающей трубы, а на рисунке 10 (b) показаны кривые из вторых испытаний после установки замораживающей трубы для оценки возмущающего воздействия, вызванного установкой трубы. .

При первом томографическом тесте могут быть некоторые эффекты возмущения из-за нагнетаемой воды для электродных установок. В частности, электроды, установленные над грунтовыми водами, показали очень высокое электрическое сопротивление в зависимости от условий засыпки.Как показано на Рисунке 10 (а), до нескольких тысяч единиц удельного электрического сопротивления обнаруживается на глубине до 3,5 м над уровнем грунтовых вод, а значения удельного электрического сопротивления ниже 1000 Ом-м ниже уровня грунтовых вод. Судя по результатам измерения удельного электрического сопротивления, песок и песок со слоем гравия практически не обнаруживаются, а уровень грунтовых вод можно четко наблюдать.

На втором томографическом тесте возмущение из-за закачанной воды повлияло на результаты более отчетливо.Установка замораживающих труб и влияние закачиваемой воды явно снизили значения удельного электрического сопротивления у поверхности, как показано на Рисунке 10 (b). Кроме того, более низкие значения удельного электрического сопротивления наблюдаются в середине, где установлены трубы для замораживания металла диаметром 200 мм.

На Рисунке 11 показан контур отношения удельного электрического сопротивления между первым и вторым томографическими испытаниями для оценки влияния установки стальной обсадной колонны и возмущения грунта из-за прокладки труб.Отношение 1 означает отсутствие изменений состояния грунта, а соотношение 10 и 0,1 означает увеличение в 10 раз и уменьшение в 10 раз соответственно. Построив соотношение между первым и вторым томографическими испытаниями, вышеупомянутая область более низкого удельного электрического сопротивления из-за трубы для замораживания металла четко прослеживается на Рисунке 11.

Могут быть ошибки из-за незнания установки трубы для замораживания, если первая Результат томографического исследования рассматривается как единственная контрольная группа.Напротив, если результат второго томографического теста рассматривать как единственную контрольную группу, замороженная область может быть завышена из-за более низких значений удельного электрического сопротивления металлических труб. Таким образом, результаты как первого, так и второго томографических тестов считаются контрольной группой для анализа эффектов замораживания от третьего и четвертого томографических тестов.

На рисунках 12 (a) и 12 (b) показано соотношение удельного электрического сопротивления после 30 часов закачки азота и первого и второго томографических тестов, соответственно.Хотя на рисунке 12 (a) четко не показано влияние замороженной области, на рисунке 12 (b) показана отчетливая замороженная область в середине, где удельное электрическое сопротивление увеличивается более чем в 5 раз. Это указывает на то, что окрестности замерзающей трубы замерзают, что приводит к увеличению удельного электрического сопротивления во время третьих томографических тестов. Как показано на Рисунке 12 (b), замерзшая зона в горизонтальном направлении находится на расстоянии менее 2 м от замерзающих труб, а глубина промерзания составляет около 6,5 м от поверхности.

На рисунках 13 (a) и 13 (b) показано соотношение удельного электрического сопротивления после 50 часов закачки азота и первого и второго томографических тестов, соответственно. На рисунке 13 (a) все еще четко не показано влияние замороженной области, но на рисунке 13 (b) более четко показана замороженная зона, чем на рисунке 12 (b), с увеличением удельного электрического сопротивления более чем в 20 раз. Однако при третьем томографическом исследовании зона замерзания не увеличилась. Горизонтальная область все еще находится в пределах 2 м от замерзших труб, а глубина промерзания, где коэффициент больше 5, все еще составляет около 6.5 мес. Это означает, что за 50 часов закачки азота получается примерно 2 м по горизонтали от трубы замораживания и 6,5 м для трубы замораживания 8,5 м.

В отличие от лабораторной оценки, потери тепла в полевых условиях, по-видимому, предотвращают развитие замерзающей поверхности все глубже и шире. Таким образом, увеличение продолжительности закачки азота от 30 часов до 50 часов не увеличивает замороженную зону, а увеличивает уже замороженную зону, увеличивая электрическое сопротивление больше.

5. Выводы

В этом исследовании была разработана система местного замораживания грунта для отбора проб гранулированного грунта в ненарушенном состоянии. Система была разработана в качестве прототипа, и основное оборудование было оценено в лабораторном масштабе. Разработанная система модифицирована для применения в полевых оценках.

На основании результатов лабораторных экспериментов, средняя скорость замерзания 12 мм / ч наблюдалась, когда морозильная труба была полностью заполнена жидким азотом. Средняя скорость замерзания показала, что отбор пробы на мерзлом грунте можно проводить примерно через 24 часа.Кроме того, было замечено, что поверхность замораживания была равномерно развита цилиндрически из трубы замораживания.

Томографические тесты могут эффективно обнаруживать изменения состояния грунта из-за прокладки труб, нарушения грунта и промерзания грунта. Однако следует проявлять осторожность при выборе контрольной группы для анализа зоны промерзания, поскольку результаты томографии чувствительны к состоянию грунта не только из-за промерзания, но и нарушения грунта в результате бурения и установки труб.

Полевая оценка разработанной системы замораживания грунта показала, что удельное электрическое сопротивление замороженной области увеличилось примерно в 5 раз по сравнению с незамерзшей. Замерзшая область имела диаметр около 4 м и глубину 6,5 м и имела приблизительно цилиндрическую форму. Основываясь на ограниченных данных испытаний инъекции LN ₂ в течение менее 50 часов, поверхность замерзания не получила дальнейшего развития, но уже замороженная область становилась более твердой, предположительно из-за более низкого содержания незамерзшей воды.

На основании лабораторных и полевых испытаний разработанная здесь система замораживания может эффективно заморозить целевую область. Однако, поскольку основной целью разработанной системы является получение образцов ненарушенного гранулированного грунта, механическое поведение или потенциал разжижения следует оценивать по сравнению с образцами, полученными как обычным методом отбора проб, так и разработанной системой замораживания. Кроме того, следует изучить корреляцию между результатами удельного электрического сопротивления и потенциалом разжижения с дополнительными результатами полевых и лабораторных испытаний.

Доступность данных

Все данные, использованные в этом исследовании, представлены в рукописи, а числовые данные могут быть предоставлены по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Исследование, представленное в этой статье, финансировалось Университетом Данкук.