Статья рассматривает различные способы заморозки грунта для строительства. Анализируются все достоинства и недостатки описываемых технологий, на основе приведенных данных определяется область использования тех или иных способов заморозки грунтов для подземного строительства.
Ключевые слова: способы заморозки грунта,рассольный метод,низкотемпературное азотное замораживание, твердые криоагенты, сухой лед, хладоноситель, пучение грунта, сублимация, плывун
Современные темпы развития социального и научно-технического прогресса, рост численности населения мира ставит перед собой непосредственную задачу развития подземных и наземных объектов различного назначения.
Территория России затрагивает различные погодные и природные условия, поэтому перед строительством ставится непосредственная задача использования оптимальных способов производства работ, особенно если рядом уже есть построенные сооружения или под землей проходят коммуникации. Это обуславливается сложными горно-геологическими условиями, характеризующимися неустойчивыми грунтами и течением подземных вод.
Предмет исследования данной статьи — различные технологии заморозки грунта. Решающим фактором выбора технологии может являться стабильность грунта и уровень грунтовых вод, поэтому применяется специальная технология по производству определенных работ. В мировой практике чаще всего используют заморозку грунта путем искусственной заморозки.
Искусственная заморозка грунта имеет разные способы проведения данных работ. Существует два практических способа, которые применяются в мировой практике уже давно [2, 5]. Нами рассматривается экспериментальный способ заморозки, который подразделяется на:
‒ замораживание грунта рассольным способом;
‒ низкотемпературное замораживание грунта с использованием жидкого азота;
‒ замораживание грунта с применением твердых криоагентов в подземном строительстве.
Каждый из данных способов является уникальной технологией, предназначение каждого из данных способов различно. Эти способы имеют плюсы и минусы.
В технологии замораживании грунта рассольным способом применяют для заморозки холодильный агент. В качестве хладагента применяют охлажденный водный раствор хлористого кальция (рассол). Данный рассол обладает свойством оставаться жидким даже при отрицательных температурах. Этот водный раствор, охлажденный на замораживающей станции, по системе труб попадает к замораживающим колонкам, в предварительно пробуренных скважинах [4, 5].
Рис. 1. Установка для замораживания грунтов рассольным методом: а) — схема циркуляции раствора; б) — схема замораживающей станции; в) — конструкция замораживающей колонки; 1 — рассольный бак; 2 — обратный рассолопровод; 3 — термометр; 4 — водомер; 5 — манометр; 6 — коллекторное кольцо; 7 — отводящая труда; 8 — замораживающие колонки; 9 — питающая труба; 10 — кран; 11 — распределительный рассолопровод; 12 — прямой рассолопровод; 13 — насос; 14 — конденсатор; 15 — аммиачный компрессор; 16 — испаритель; 17 — регулирующий вентиль; 18 — головка замораживающей колонки
Для осуществления данного способа заморозки вырывается скважина, заглубленная на 2–5 м водоупорного грунта, в которую вставляется замораживающая труба. В данную трубу вставляется питающая труба, которая не доходит до дна замораживающей трубы на 40–50 см, с открытым нижним концом. Замораживающие колонки по специальной системе соединяют с питающими трубами, по которым в свою очередь подается рассол.
Данный рассол охлаждается на замораживающей станции. Охлаждает рассол аммиачная система, предназначенная для охлаждения рассола. Циркуляцию рассола в данной системе обеспечивает рассольная система. После того как охлажденный рассол попадает в систему замораживающих труб, которые охлаждают грунт путем теплообмена [1].
Этот способ имеет ряд преимуществ. Например, он обеспечивает возможность проводить работы в водоносных грунтах любого характера (глинистые породы грунта или кавернозными грунтами); после завершения работ грунт возвращается в первоначальное состояния без каких-либо изменений, не наносится экологический вред. Конечно же, данный способ хорошо изучен, изучены поведение и нестационарные процессы при работе с различными грунтами.
Способ имеет недостатки: длительный период заморозки; в связи с тем, что происходит заморозка, грунт сильно переувлажняется; во время работ происходит сильное пучение грунта[1]; данная технология может применяться только в герметичных трубах, иначе произойдет экологическое загрязнение; при работе с данной технологией летом, нужно оградить грунт от попадания на него солнечных лучей; и при разработке проекта с использованием данной технологии нужно обеспечить защитить уже существующих сооружений или коммуникаций.
Другой метод, это низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота. В данной технологии варьируется другой хладагент, в состав которого входит жидкий азот, причем его температура испарения намного превышает рассол.
Рис. 2. Схема низкотемпературного азотного замораживания: 1 — подводящая труба; 2 — труба для отвода испарившегося азота; 3- стальной оголовок замораживающей колонки
Данный способ простотой, но при этом схож с рассольным методом. В нем жидкий азот доставляют на площадку сразу в цистернах, далее их подключают к замораживающим колонкам. Жидкий азот поступает в питающую трубу, которая стоит внутри замораживающей колонки. После прохода через питающую трубу жидкий азот оказывается внутри самой колонки и испаряется, поступая в питающую трубу соседней колонки. Так как этот процесс является цикличным, то дойдя до последней трубы и совершив процесс заморозки, жидкий азот поступает в атмосферу в виде испарений.
Положительные качества этого метода заключаются в том, что жидкий азот используют только однократно и его не нужно держать строго в замкнутой системе. После проведения всех работ его выпускают в атмосферу, а при попадании в грунт, он не загрязняет почву. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен. Технология не требует наличие громоздких замораживающих станций [2].
Отрицательные качества — пучение грунтов, что приводит к увеличению объема грунта; сложные подготовительные работы; длительный процесс замораживания; в теплое время года место проведения работ нужно защищать от попадания солнечных лучей; стоимость проведения таких работ очень высока, в связи со стоимостью главного агента (жидкий азот).
И последний, экспериментальный способ замораживания грунтов с применением твердых криоагентов. Любое вещество, обладающее свойством сублимации[2], подходит для данного метода. Но с точки зрения технологии их получения, дефицитности, безопасности, стоимости был выбран диоксид углерода, называемый «сухой лед».
Рис. 3. Схема замораживания грунтов с применением сухого льда: 1 — резервуар; 2, 3 — входное отверстие; 4 — выходное отверстие для подачи хладоносителя; 5 — выходное отверстие для подачи твердого криоагента; 6 — насос; 7 — замораживающие колонки; 8 — трубопровод
Как и в других способах, вырываются скважины, в которые устанавливаются замораживающие колонки с питающей трубой. Она подсоединена к резервуару с жидким хладоносителем и твердым криоагентом. В результате совместного нахождения жидкого хладоносителя и твердого криоагента происходит сублимация криоагента и интенсивное охлаждение хладоносителя. После охлажденния хладоноситель поступает в замораживающие колонки, где происходит теплообмен с грунтом [2].
К достоинствам способа следует отнести: компактность всей установки; высокие темпы замораживания за счет увеличения площади поверхности теплообмена хладоносителя с твердым криоагентом.
К недостаткам — большие сроки проведения подготовительных работ; сложность контроля заполнения скважин сухим льдом по глубине; высокая стоимость хладоносителя; во всех случаях, нужно защищать место проведения работ от попадания солнечных лучей во избежание обратного процесса (оттаивания).
Заключение
Каждый из этих способов стоит применять в разных случаях. Рассольный способ более универсален, поэтому его можно применять для предотвращения притока воды в подземных выработках. Он так же применим ко всем видам грунта. Замораживание возможно на различных глубинах и при различной степени водонасыщенности грунтов. Так как способ хорошо изучен, его можно применять в любых масштабах: как на ограниченных, так и больших площадях.
Азотное замораживание является очень дорогостоящим, поэтому данная технология используется при ликвидации прорывов и плывунов[3] в горных выработках, а также при выполнении срочных работ в водоносном грунте.
Заморозка сухим льдом является наиболее адекватной в условиях строительства подземных сооружений в плотном городском массиве.
Искусственное замораживание грунта — универсальный способ проведения работ, в особенности в водоносных грунтах. Но в разных условиях необходима корректировка и адаптация технологий. Все вышеперечисленные технологии являются наиболее востребованными и изученными.
Литература:
- Архаров А. М. Криогенные системы. Основы проектирования аппаратов, установок и систем. Том 1, 2. М.: Машиностроение. — 1999. — 720 с.
- Зайцев В. П. Холодильная техника. Москва. 1962 г. — 344 с.
- Маэно Н. Наука о льде. М.: Мир.- 1988. — 213 с.
- Трупак Н. Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. — М.: Недра, 1974. — 280 с.
- Хакимов Х. Р. Искусственное замораживание грунтов для строительных целей. — М.: Строймаш, 1949. — 112 с.
- Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе // URL: http://www.xiron.ru/component/option,com_remository/Itemid,0/func,fileinfo/id,734/ (дата обращения 02.10.2017)
[1] Пучение грунта - это изменение объема почвы в следствии промораживания почвы
[2] Сублимация - способность переходить из твердого состояния в газообразное минуя жидкое состояние, при низких отрицательных температурах
[3] Плывун - грунт перенасыщенный водой, в частых случаях смесь песка или супесь
