Класс мерзлых искусственных грунтов. Возможные пути образования техногенных мерзлых грунтов. Определение количества замораживающих скважин и расстояния между ними

4.1 Класс мерзлых искусственных грунтов

4.1.1 Возможные пути образования техногенных мерзлых грунтов

Мерзлые техногенны грунты образуются тремя возможными путями:

1) при целенаправленном искусственном промораживании любых природных или техногенных грунтов;

2) при намораживании искусственных льдов;

3) при естественном промерзании техногенных грунтов любого класса.

4.1.2 Замораживание плывунов, границы применимости метода. Сущность метода, определение понятия «хладоносители

Метод замораживания наиболее широко применяется для закрепления плывунов и других водонасыщенных пород в условиях шахтного и тоннельного строительства, а также при возведении гидротехнических сооружений, когда строительные и горные работы проводятся в сложной инженерно-геологической обстановке.

Сущность метода искусственного замораживания пород заключается в том, что с помощью специальных веществ – хладоносителей (жидкости или газа), пропускаемых через систему труб, помещенных в скважины, охлаждают породы до температуры -5…-10 градусов Цельсия и ниже. При таких температурах в поровом пространстве пород замерзает вся свободная и часть связанной воды. Образовавшийся лед цементирует породы, превращая их в прочные водонепроницаемые тела.

4.1.3 Технология ведения работ, определение количества замораживающих скважин и расстояния между ними

Для того, чтобы осуществить замораживание породы, по контуру сооружения бурят скважины, в которые опускают колонны питающих и замораживающих труб. По замораживающим трубам происходит циркуляция охлажденного рассола или другого компонента хладоносителя. Благодаря теплоотдаче порода, окружающая колонны, охлаждается, и постепенно вокруг колонн нарастают ледо-грунтовые цилиндры, которые при смыкании образуют сплошную стену или завесу из замороженной породы. Последняя обладает большой прочностью и водонепроницаемостью.

При бурении замораживающих скважин возможно некоторое отклонение от строго вертикального положения, и диаметр замораживающих скважин должен быть увеличен с учетом допустимого отклонения

D₃ = D₂+2m;

Необходимое количество замораживающих скважин N определяется из формулы

N = пиD₃/l, где l – расстояние между скважинами, м; D₃ – диаметр окружности замораживающих скважин.

4.1.4 Факторы, влияющие на скорость замораживания грунтов. Прочность замороженных грунтов. Недостатки метода.

Основные факторы, влияющие на скорость промораживания грунтов, следующие: гранулометрический состав, степень насыщения их водой, соотношение категорий воды. А отсюда и различие пород по теплоемкости и теплопроводности.

В связи с исследованиями специфики теплофизических свойств различных горных пород в последнее время разработаны новые технологические схемы по дифференцированному способу искусственного замораживания грунтов. В них учтены теплофизические особенности различных горных пород и рассчитаны потребности последних в неодинаковом количестве холода при замораживании.

Прочность замороженных грунтов значительна и изменяется от 0.9 - 1.0МПа до 13.0 МПа. Наличие связанной воды в глинистых породах уменьшает прочность их в замороженном состоянии, поскольку часть связанной воды не замерзает вплоть до очень низких температур, что обусловливает менее прочную связь твердых частиц грунта и льда между собой. Свойства льда оказывают также влияние на прочность мерзлой породы: мелкозернистый лед цементирует породу в большей степени, чем крупнозернистый. Ускорение процесса замораживания породы путем применения более низкотемпературных хладоносителей должно привести к росту прочности мерзлой породы за счет замерзания большей части связанной воды и образования более прочного мелкозернистого льда, свойствами которого в основном и определяется прочность породы.

К недостаткам метода относятся его высокая стоимость и временный характер закрепления – до тех пор, пока осуществляется воздействие хладоносителя на массив. после прекращения циркуляции грунты постепенно оттаивают: если замораживание длится обычно 2-3 месяца, то оттаивание происходит дольше (до 1 года).

4.1.5 Намораживание искусственных льдов

Может проводиться при создании автодорог, аэродромов, причалов и дамб и т.п. Платформы толщиной 4-5м намораживают на естественном ледовом покрове.

В практике строительства искусственный лед получают четырьмя возможными способами: 1) намораживание льда прерывными поливами; 2) намораживанием прерывными проливами с добавлением кускового льда; 3) факельным намораживанием; 4) кладкой конструкций из призматических блоков природного льда.

При прерывном поливе на холодную поверхность льда в тонком слое воды образуются кристаллы внутриводного льда, которые промерзают к основанию, после чего происходит полное промерзание воды с образованием слоя льда беловатого цвета. Затем при каждом новом поливе толщина ледяного слоя увеличивается.