Классификация методов замораживания грунтов в арктических условиях

На сегодняшний день, при проектировании оснований и фундаментов, возводимых в сложных геотехнических условиях с применением технологии искусственного замораживания грунтов, требуется определиться с методом замораживания грунтов.

Решающим фактором выбора технологии может являться устойчивость грунта и уровень грунтовых вод. В мировой практике чаще всего используют укрепление грунта путем его искусственной заморозки [2,5].

Искусственная заморозка грунта может выполняться различными способами:

1) замораживание грунта рассольным способом;

2) низкотемпературное замораживание грунта с использованием жидкого азота;

3) замораживание грунта с применением твердых криоагентов в подземном строительстве;

4) замораживание с помощью сезонно-действующих охлаждающих устройств.

Каждый из данных способов является уникальной технологией, предназначение каждого из данных способов различно.

1. Рассольный способ.

В технологии замораживании грунта рассольным способом применяют для заморозки холодильный агент. В качестве хладагента применяют охлажденный водный раствор хлористого кальция (рассол). 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 труба; 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 [6]

Для осуществления данного способа заморозки устраивается скважина (рис.1,в), 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. Аммиачная система, предназначенная для охлаждения рассола. Циркуляцию рассола в данной системе обеспечивает рассольная система. Охлажденный рассол попадает в систему замораживающих труб, которые охлаждают грунт путем теплообмена [1].

2. Низкотемпературное замораживание грунта с использованием жидкого азота

В данной технологии варьируется другой хладагент, в состав которого входит жидкий азот, причем его температура испарения намного превышает температуру испарения рассола.

Рис. 2. Схема низкотемпературного азотного замораживания: 1 — подводящая труба; 2 — труба для отвода испарившегося азота; 3- стальной оголовок замораживающей колонки [6]

Данный способ схож с рассольным методом (рис.2). 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.

3. Способ замораживания грунтов с применением твердых криоагентов.

Любое вещество, обладающее свойством сублимации, подходит для данного метода [2]. 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 [6]

Как и в других способах, устраиваются скважины, в которые устанавливаются замораживающие колонки с питающей трубой (рис.3). 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 охлаждения хладоноситель поступает в замораживающие колонки, где происходит теплообмен с грунтом [2].

При строительстве плотин с сохранением мерзлого состояния грунтов в северной климатической зоне с вечно-мерзлотными основаниями применяется специальные сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) различного типа.

4. В гидротехническом строительстве нашли применение следующие четыре типа СОУ:

- Воздушные с вынужденной конвекцией (циркуляцией) воздуха (ВВК СОУ);

- Жидкостные с естественной конвекцией хладоносителя-керосина (ЖЕК СОУ);

- Жидкостные с вынужденной конвекцией хладоносителя (ЖВК СОУ);

- Парожидкостные или двухфазные (ПЖ СОУ).

Данные типы устройств отличаются друг от друга различными способами создания и поддержания отрицательных температур в грунте.

4.1 Воздушные установки с вынужденной конвекцией (ВВК СОУ) представляют собой теплообменник типа «труба в трубе». Наружный воздух вентилятором подается во внутреннюю трубу (или отсасывается из кольцевого зазора). При движении по кольцевому зазору воздух воспринимает тепло грунта и нагревается, частично нагревая и поток холодного воздуха во внутренней трубе. Обычно один вентилятор обслуживает группу колонок, поэтому системы ВВК СОУ оборудуются и наружными воздуховодами-коллекторами (рис. 4).

Рис. 4. Схема воздушной установки с вынужденной конвекцией [7]

4.2 Жидкостные установки с естественной конвекцией (ЖЕК СОУ) в простейшем случае представляют собой частично заглубленную в грунт трубу, заполненную незамерзающей жидкостью (керосин и т.п.). В нижней части керосин, воспринимая тепло от грунта, расширяется и поднимается кверху, а в выступающей части, наоборот охлаждается наружным воздухом, тяжелеет и опускается вниз. Имеются различные варианты таких устройств (рис. 5).

Рис. 5. Схемы конструкций ЖЕК СОУ: а – однотрубная установка С.И. Гапаева; б – коаксильная установка фирмы Thermodynamics, США; в – установка с выносным наружным термообменником В.И. Макарова [7]

4.3 Жидкостные установки с вынужденной конвекцией (ЖВК СОУ) по конструкции принципиально не отличается от ВВК, но могут иметь меньшие диаметры, так как жидкость имеет большую плотность по сравнению с воздухом (рис. 6). В отличии от ВВК, ЖВК обязательно должны иметь наружный теплообменник, циркулируя жидкости между теплообменниками грунтовым и наружным осуществляется насосом. В качестве рабочей жидкости применяется керосин.

Рис. 6. Схема ЖВК СОУ: 1 – калорифер; 2 – вентилятор; 3 – расширительная емкость; 4 – насос; 5 – подающий коллектор; 6 – замораживающая колонка; 7 – отводящий коллектор [7]

4.4 Парожидкостные установки (ПЖ СОУ) представляют собой герметично закрытую трубу, заполненную рабочим веществом (холодильным агентом) (Рис. 7).

Рабочее вещество в установке находится в двухфазном состоянии: в виде пара, заполняющего центральную часть трубы и жидкости, пленкой покрывающей ее стенки. Трубу погружают в грунт на большую часть длинны - это грунтовый теплообменник (испаритель), а выступающая часть - наружный теплообменник (конденсатор). Зимой пары рабочего вещества в верхней части установки охлаждаются воздухом и конденсируются, конденсат стекает по стенкам трубы вниз. Жидкая пленка воспринимает тепло из грунта и испаряется. Образовавшийся пар поднимается вверх, и цикл повторяется.

Рис. 7 Схема парожидкостного СОУ с естественной конвекцией хладоносителя: 1 – наружный теплообменник (конденсатор); 2 – грунтовый теплообменник (испаритель); 3 – пленка стекающей жидкости; 4 – пар; 5 – резерв жидкости [7]

Сезонно-действующие охлаждающие устройства способны поддерживать достигнутое мерзлое состояние в течение многих лет. Причем либо вообще без затрат энергии, либо с затратами энергии только на перекачку хладоносителя.