Способ замораживания водопроницаемых грунтов Советский патент 1983 года по МПК E02D3/115 E21D1/12 

Изобретение относится к строительству подзелчных сооружении в сложных гидрогеологических условиях под защитой ледогрунтовых ограждений, в частности к замораживанию грунтов посредством охлаждающей жидкости. Известен способ замораживания грунтов, включающий нагнетание в грунт холодной воды, оттесняющей воду с повышенной температурой 1. Недостатком данного способа является низкая эффективность вследствие возможного понижения температуры воды и грунта только до 0°С, тогда как основное время и затраты энергии идут на отбор теплоты льдообразования. Известен также способ замораживания грунтов, в котором грунт предварительно пропитывают при помощи иглофильтров жидким материалом с температурой затвердения выше 0°С, например мазутами высоких марок, а затем в пропитанном грунте разм,ещают колонки, заполненные хладагентом, при циркуляции которого происходит теплообмен между наружным воздухом и грунтом 2J. Недостатком способа является использование сложной технологии, в том числе иглофильтров и замораживающих колонок. Кроме того, замораживание грунта осуществляется путем теплопередачи от колонки к грунту, а не непосредственно от охлаждающей жидкости к грунту, в который она проникает. При этом грунт обрабатывается жидким материалом предварительно, что не позволяет после этого пропускать в него охлаждающую жидкость, которая вытесняет замерзаемый жидкий материал. Наиболее близким k предл.агаемому является способ замораживания водопроницаемых грунтов путем нагнетания в грунт через скважины под давлением опережающей жидкости при температуре выше 0°С с одновременным отбором жидкости и оттесняемой ею воды через другие скважины, затем нагнетаний охлаждающей жидкости, имеющей температуру ниже 0°С, и опережающей жидкости, причем обе жидкости должны быть нерастворимы в воде (3. Недостатком известного способа является низкая скорость замораживайия грунта, обусловленная необходимостью замораживания грунтовых вод с большой теплотой льдообразования. Цель изобретения - ускорение процесса замораживания водопроницаемых грунтов. Указанная цель достигается тем, что согласно способу замораживания водопро ницаемых грунтов, включающему нагнетание в грунт охлаждающей жидкости, имеющей .температуру ниже0°С, охлаждающую жидкость замещают . жидкостью, температура замерзания которой выше температуры охлаждающей жидкости, а теплота льдообразования ниже теплоты льдообразования воды. На фиг. 1 изображен замораживаемый грунт при нагнетании в него охлаждающей жидкости; на фиг. 2 - то же, при замещении охлаждающей жидкости. Способ осуществляют . следующим образом. На первой стадии замораживания (фиг. 1) через перфорированные трубы 1, посаженные с помощью известных средств в грунт 2, закачивают охлаждающую жидкость 3 в виде максимально охлажденного эвтектического раствора соли, например NaCl, с температурой охлаждения -24°G и плотностью 1,175 кг/л при CaCl с температурой охлаждения -55°С и плотностью 1,286 кг/л. Жидкость 3, проходя через грунт 2, охлаждает его до заданной температуры. Одновре енно начинают отбор «отработанной охлаждающей жидкости 4 через перфорированные трубы 5. При прокачивании охлаждающейжидкости 3 через грунт 2 в последнем образуется зона 6 переохлаждения. На втором этапе замораживания (фиг. 2) через перфорированную трубу I в грунт 2 закачивают жидкость 7 с температурой замерзания О-(-5)°С и с низкой теплотой льдообразования-, например растворы NaCl с плотностью 1,2-1,203 кг/л и CaCIa с плотностью 1,36-1,37 кг/л. Закачиваемая жидкость 7, обладая большей плотностью, чем охлаждающая жидкость 3, вытесняет последнюю по всему объему охлажденных грунтов в зоне 6, причем скорость фильтра ции жидкости 7 должна быть такой, чтобы. последняя до окончания нагнетания не за- мерзла. После поступления- жидкости 7 из труб 5 нагнетание и отбор ее прекращают. Прекратив движение, жидкость 7, обладающаяНизкой теплотой льдообразования, находящаяся в зоне переохлажденных грунтов 6, замерзает, отбирая от них тепло и образуя при этом зону 8 замороженн-ых грунтов. Так как зона 6 охлажденных грунтов больше расположенной внутри нее зоны и одновременно температура в ней ниже температуры в зоне 8 замороженных грунтов, то значительно уменьшается теплоприток- извне к зоне 8 з1амороженнь1х грунтов, не допуская тем самым оттаивания последних. Введение в охлажденные грунты жидкости с низкой скрытой теплотой льдообразования позволяет значительно ускорить процесс замораживания вследствие гораздо меньщей передачи тепла от скелета грунта к жидкости с малой теплотойльдообразования, чем к воде, поскольку скрытая теплота льдообразования воды 80 ккал/кг; а у растворов , NaCl и CaClg соответственно 50,4 и 50,8 ккал/кг при той же температуре замерзания, что и у воды.

Известйо, что при замораживании воды наибольшее время затрачивается на отнятие скрытой теплоты льдообразования. Так, соотношение периодов замораживания воды выражается как Z :Za:Z3 2:20:1, w Zi- период охлаждения воды от начальной температуры до температуры замерзания; Zj- период отдачи скрытой теплоты водой при ее замерзании; Zj- период охлаждения льда от температуры замерзания до заданной температуры.

Следовательно, введение жидкости со скрытой теплотой льдообразования 50 ккал/кг после охлаждения массива грунтов до необходимых температур позволяет .сократить самый длительный период (Za) отдачи скрытой теплоты льдообразования жидкостью (- -б--10б% 40о/о), а следовательно, и время замораживания массива по сравнению с замораживанием водонасыщейных грунтов при скрытой теплоте льдообразования воды 80 ккал/кг.

Использование предлагаемого способа позволяет сократить время замораживания обеспечить одновременность замораживаний грунтов по всему объему, получить одинаковые температуры в замороженном массиве грунтов, уменьшить теплоприток к замороженному грунту, что увеличивает срок его службы.

Способ легко реализуется, так как Для него не требуются дорогие и дефицитные жидкости, не смешивающиеся с водой (в качестве охлаждающей и замерзаемой жидкос. тей применяются широко распространенные растворы NaCl и CaClj разных плотнос5ей) , и может быть применен для быстрого создания ледогрунтовых завес как линейных, так и по замкнутому контуру вйкруг выработок.

СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМЫХ ГРУНТОВ, включающий нагнетание в грунт охлаждающей жидкости, имеющей температуру ниже 0°С, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса замораживания водопроницаемых грунтов, охлаждающую жидкость замещают жидкостью, температура замерзания которой выще температуры охлаждающей жидкости, а теплота льдообразования ниже теплоты льдообразования воды. .(Л 05 00 со со О5

; х У /

/ фиг.. 2