Замораживание грунтов

Искусственное замораживание грунтов применяется в сла­бых, неустойчивых водоносных грунтах и горных породах, при наличии разнородных пластов водоносных грунтов с коэффици­ентами фильтрации не более 10 м/сут и в трещиноватых горных породах, залегающих над толщей неустойчивых водоносных грунтов с притоком подземных вод в котлован более 50 м³/ч. Способ искусственного замораживания основывается на способ­ности водоносных грунтов приобретать высокую механическую прочность и водонепроницаемость под действием низких темпе­ратур. При замораживании находящаяся в трещинах и норах вода замерзает, превращаясь в лед, прочно связывающий пласты и различные отдельности грунтов.

Сущность способа заключается в том, что до начала работ по контуру сооружения через каждые 0,8-2 м бурят скважины и обо­рудуют их замораживающими колонками. Скважины на 2-3 м заг­лубляют в водоупор. При отсутствии естественного водоупора специальными способами устраивают искусственный водоупор­ный слой, например цементацией или замораживанием грунта по всей площади котлована. Через замораживающие колонки насоса­ми прокачивают хладоноситель с температурой -20-5—40°С. Сред­нюю температуру льдогрунтового ограждения принимают равной 30+40 % температуры хлодоносителя, циркулирующего в замора­живающих колонках.

Вследствие поддержания постоянной отрицательной темпе­ратуры за счет циркуляции хладоносителя в замораживающих колонках вода, находящаяся в порах и трещинах грунта и горной породы, замерзает и вокруг каждой колонки начинают образовы­ваться льдогрунтовые цилиндры. В дальнейшем эти цилиндры смыкаются в единое льдогрунтовое ограждение. При заморажи­вании грунтов происходит изменение их физико-механических свойств: увеличиваются прочность, сцепление, водонепроницае­мость. Таким образом, льдогрунтовое ограждение выполняет роль временного водонепроницаемого ограждения, под защитой которого можно вести строительные работы.

Пределы прочности замороженных грунтов на сжатие приво­дятся в табл. 23.

Таблица 2.3. Пределы прочности замороженного грунта на сжатие, кгс/см²

Грунт	Температура грунта, ° ниже нуля
1-5	6-10	11-15 | 16-20	21-25
Песок Супесь Суглинок Глина Лед	25-85 20-65 10-15 15-45	85-127 65-85 15-35 45-60	127-144 85-105 35-45 60-75 13-18	144-152 105-122 45-65 75-90 18-20	152-180 122-140 65-70 95-100 20-30

Льдогрунтовое ограждение поддерживают в замороженном состоянии до тех пор, пока не будет закончено строительство, после чего ограждение ликвидируют. В редких случаях, для наиболее сложных и уникальных объектов, возможно использо­вание льдогрунтового ограждения на весь период эксплуатации объекта.

Получение холода основывается на использовании процесса теплотехнического цикла, при котором охлаждение хладоносителя происходит благодаря испарению жидкого хладагента. В ка­честве хладагента, в основном, применяют фреон и аммиак.

Замораживающие колонки могут включаться в сеть по следу­ющим схемам:

1) параллельной (рис. 2.16, а) — все скважины работают одно­
временно и вокруг каждой колонки образуются цилиндры из
замороженного грунта, которые постепенно смыкаются в зам­кнутый льдогрунтовый контур;

2) последовательной (рис. 2.16, б) — замораживание начинается
в двух или нескольких диаметрально противоположных сква­жинах с одновременным снижением температуры в смежных
скважинах. После того как температура в соседних скважинах
понизится до нуля, они включаются в цикл замораживания, а
в ранее замороженные скважины рассол нагнетают периоди­чески, во избежание оттаивания грунта вокруг них.
Необходимое количество холода и требуемое время замора­живания могут быть рассчитаны нижеследующим образом.

Рис. 2.16. Параллельный (а) и последовательный (б) способы заморажи­вания

Замораживание грунтового массива в зависимости от глуби­ны и начальной температуры пород производят по одной из ни­жеследующих схем.

1. Одноступенчатая. Процесс замораживания производят сразу на всю глубину неустойчивых водоносных пород. Скважи­ны бурятся сразу на всю глубину, а замораживающие колонки оборудуются питающей и отводящей трубами. В зависимости от направления движения хладоносителя различают его прямую и обратную циркуляцию. Направление циркуляции определяется расположением обводненных пластов по глубине. В тех случаях, когда на глубоких горизонтах встречаются более сложные гидро­геологические условия, применяют прямую циркуляцию хладо­носителя. В этом случае раствор поступает по питающей трубе до дна замораживающей колонки и поднимается по межтрубному пространству к отводящему патрубку. Обратная схема применя­ется в тех случаях, когда существует необходимость в первую очередь заморозить верхние пласты обводненных пород. При этой схеме раствор по межтрубному пространству опускается до дна колонки и по питающей трубе поднимается к устью. Одно­ступенчатая схема применяется при залегании обводненых пород мощностью до 120 м на небольшой глубине от поверхности и при их начальной температуре не выше 10 °С.

2. Многоступенчатая. Замораживание осуществляют после­довательными по времени нисходящими ступенями. Скважины бурятся с поверхности земли на всю глубину неустойчивых по­род. В замораживающих колонках на границах ступеней замора­живания размещают питающие и отводящие трубы. Заморажива­ние на каждой ступени достигается посредством более интенсив­ной циркуляции хладоносителя в ее границах. Границы ступеней соответствуют границам водоупора. Схема применяется при мощности обводненных пород свыше 100 м, если обводненные пласты разделены водоупорами, а также если начальная темпера­туре горных пород неравномерна по глубине и достигает 25 °С.

3. Зональная. По этой схеме процесс замораживание проводят только в пределах водоносных пород. Для этого с поверхности бурят скважины, в которых монтируются замораживающие ко­лонки. Внутри колонок на границах водоносных пород устанав­ливают специальные диафрагмы, ограничивающие циркуляцию хладоносителя в колонке. При этом вышележащие породы замо­раживанию не подлежат.

4. Прямоточная схема горизонтального замораживания грун­тов (рис. 2.17, а). По этой схеме колонки 3 залавливают из ствола 1 в ствол 6, две расположенные рядом колонки соединяются ме­таллическими трубами или гибкими шлангами 4, образуя тем самым замораживающую ветвь (рис. 2.17, б). Хладоноситель по­дается по питающему трубопроводу 7 и по И-образной замора­живающей колонке в отводящий трубопровод 8, откуда поступа­ет в испаритель холодильной установки (рис. 2.17, в). Схема при­меняется при строительстве подземных сооружений ограничен­ной протяженности.

Контроль за процессом формирования льдогрунтового ог­раждения производят с помощью термо- и гидронаблюдательных скважин.

Проект производства работ по замораживанию грунтов дол­жен предусматривать обязательные мероприятия по защите су­ществующих сооружений и инженерных коммуникаций, попада­ющих в зону влияния льдогрунтового ограждения.

Оттаивание замороженных пород производят для обеспече­ния равномерности давления грунта на ограждающие конструк­ции заглубленных частей сооружения, определения ее водонеп­роницаемости и ускорения начала работ по гидроизоляции.

Оттаивание можно производить естественным путем либо искусственно.

После выполнения всех строительно-монтажных работ и от­таивания льдогрунтового ограждения производят демонтаж хо­лодильного оборудования и извлечение замораживающих коло­нок. Скважины в процессе извлечения из них замораживающих колонок тампонируются.

2.3. Методы закрепления грунтов инъекцией

2.3.7. Классификация способов закрепления грунта

Сущность способа закрепления грунта инъекцией заключает­ся в пропитке пор грунта или заполнении трещин и пустот в мас­сиве горных пород раствором, который, затвердевая со временем, повышает механические свойства грунта (породы) и снижает его водопроницаемость. Для этого в грунте бурятся скважины, через которые в массив нагнетают химический или цементационно-тампонажный раствор, распространяющийся на определенное рассто­яние от скважины и заполняющий собой поры и трещины. После затвердевания раствора повышаются прочность и водонепроница­емость массива, что позволяет вести строительные работы в доста­точно благоприятных инженерно-геологических условиях.

В промышленном и гражданском строительстве инъекцион­ное закрепление грунтов применяется для:

• усиления оснований фундаментов как вновь строящихся, так и существующих зданий и сооружений;

-устройства защитных стен и иных подземных конструкций из закрепленных грунтов в качестве мероприятий против подви­жек грунта при горных выработках;

• устройства подпорных стенок и укрепления откосов при
вскрытии строительных котлованов и других открытых выра­ботках;

• повышения несущей способности свай и других опор.
Выбор раствора для инъекционного упрочнения основывается на характеристиках проницаемости грунтового массива.

Для скальных и полускальных трещиноватых горных пород этими характеристиками являются ширина раскрытия трещин и удельное водопоглощение; для несцементированных крупно­обломочных грунтов, песков и супесей — это коэффициент фильтрации, минералогический состав грунта, химический со­став грунтовых вод и степень дисперсности инъекционного ра­створа. Область применения инъекционных растворов приво­дится в табл. 2.1.

К материалам, применяемым для тампонажа горных пород и грунтов, предъявляют следующие требования:

1. устойчивость к агрессивному воздействию подземных вод;

2. водонепроницаемость после затвердевания;

3. сроки схватывания, соответствующие режиму и условиям тампонирования;

4. плотное заполнение всех пустот и трещин;

5. надежное противостояние выдавливанию под действием гид­ростатического давления подземных вод;

6. возможность легкого перекачивания тампонажного раствора насосом;

7. высокая подвижность, способность проникать в мелкие поры и трещины;

8. при необходимости тампонажный камень должен легко раз­буриваться.

Существует несколько методов закрепления грунтов инъек­цией.

Дата добавления: 2014-12-23