книги из ГПНТБ / Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве

Н. Г . Т р у п а х

ЗАМОРАЖИВАНИЕ

ГРУНТОВ

В ПОДЗЕМНОМ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Искусственное замораживание грунтов является универсальным специальным способом сооружения подземных выработок в водо­ насыщенных грунтах. Его применяют во всех случаях, когда другие способы не эффективны или технически их применить невозможно Замораживание широко применяют в горнорудной промышлен­ ности СССР. В настоящее время ежегодно у нас в стране с помощью замораживания сооружают 2,5 км стволов. Применяют этот способ и в метростроении (сооружено 95 экскаваторных тоннелей общей

глубиной 5 км).

Способ искусственного замораживания грунтов — один из прог­ рессивных и надежных способов ограждения от воды котлованов при разработке их в грунтах, в том числе в плывунах. Благодаря этому область применения этого способа с каждым годом расширя­ ется. В промышленном строительстве его применяют при строитель­ стве фундаментов под машины и промышленные здания, при строи­ тельстве подземных сооружений для целей водоснабжения, подземных дробильных установок на обогатительных фабриках.

Вгидротехническом строительстве способ замораживания нашел применение при разработке котлованов для возведения плотин, зданий электростанций, доков, при строительстве плотин на вечно мерзлых грунтах. Строительство подземных канализационных кол­ лекторов и сооружений в городских условиях часто ведут с помощью искусственного замораживания грунтов.

Впоследние годы этот способ стали применять при сооружении подземных емкостей для хранения сжиженных газов при постоянном поддержании стенок хранилищ в замороженном состоянии.

Несмотря на значительный опыт, накопленный в строительстве по применению способа замораживания, теоретические основы его разработаны недостаточно. В настоящей работе автор поставил

задачу восполнить этот пробел хотя бы частично и рассмотреть

1*

3

снаучной точки зрения вопросы, связанные с замораживанием

грунтов на объектах, сооружаемых на м а л ы х и с р е д н и х

гл у б и н а х .

Вэтих условиях способ замораживания имеет особенности по сравнению с условиями применения его при проходке ш ахтных стволов. Объекты отличаются сравнительно небольшой глубиной заложения, но часто большой протяженностью линии замораживания. В таких условиях важное значение приобретает вопрос определения

оптимального расстояния между замораживающими скважинами. М алая глубина замораживающих скваж ин позволяет применять более совершенные способы опускания замораживающих колонок — гидравлический и вибрационный — без бурения скваж ин. При небольших объемах и коротких сроках замораживания на некоторых объектах целесообразно применять передвижные замораживающие

станции.

Теоретические основы иллюстрируются примерами практического применения.

Раздел I

Н А У Ч Н Ы Е О С Н О В Ы П РО Ц ЕС С А З А М О Р А Ж И В А Н И Я Г Р У Н Т О В

Г Л А В А I

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ, ЗАТРАЧИВАЕМОГО НА ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТОВ

§ 1. Образование одиночного ледогрунтового цилиндра

До начала замораживания грунт, окружающий замораживающую колонку, имеет постоянную естественную температуру tr. После того как замораживающая колонка получит холод на стенку замо­ раживающей трубы, будет поддерживаться отрицательная темпе­ ратура, вызывающ ая промерзание грунта. При этом промерзание грунта происходит при некоторой постоянной температуре t 0 (темпе­ ратура замерзания воды). Промерзание грунта связано с изменением агрегатного состояния воды. Такое изменение состояния воды свя ­ зано с выделением скрытой теплоты. При этом изменяются и термо­ физические параметры грунта.

По истечении некоторого времени непосредственно вокруг за­ мораживающей колонки нарастет цилиндрическое кольцо из замо­ роженного грунта, толщина которого с течением времени будет непрерывно увеличиваться.

В результате циркуляции охлаждающего рассола в заморажи­ вающей колонке вокруг последней образуется температурное поле.

Зона грунта с отрицательной температурой, в которой вода обращена в лед, называется з о н о й л ь д а , или л е д я н о й з о ­ н о й . В пределах ледяной зоны температура грунта будет изменяться в следующем порядке: непосредственно у колонки будет находиться грунт, температура которого на 3 — 5° С выше температуры рассола, движущегося в кольцевом пространстве замораживающей колонки; по мере удаления от колонки температура замороженного грунта бу^ет постепенно повышаться. Внеш няя боковая поверхность ледо­ грунтового цилиндра будет иметь постоянную температуру — темпе­ ратуру замерзания воды f 0, часто равную 0° С (рис. 1).

Изотермы в ледяной зоне в плане будут представлять собой концентрические окружности, описанные вокруг оси заморажива­ ющей колонки. С течением времени изотермы ледяной зоны будут непрерывно изменять свое положение вследствие того, что границы зоны будут расширяться. При постоянной температуре