-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
1
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
REZUMAT nghearea pmntului este o tehnic utilizat n construcii de
peste 100 de ani, metoda fiind
folosit n cazul sprijinilor temporare i n controlul apei
subterane. Aceast tehnologie este adoptat din ce n ce mai des, iar
caracterul aplicativ al acesteia i permite folosirea ntr-o vast
gama de lucrri geotehnice, precum excavaiile urbane, mineritul sau
lucrri de mediu.
Tehnologia de congelare are avantajul de a utiliza apa din porii
pmntului, transformnd-o n ghea i realiznd astfel pmntul ngheat, un
material impermeabil i cu parametri mecanici similari cu cei ai
rocilor sau ai betonului. n acest fel, ntr-un masiv de pmnt n
aceast stare se poate realiza o excavaie vertical pe o adncime mai
mare dect nlimea critic, fr a necesita lucrri de sprijinire precum
bulonri (soil nailing eng., clouage fr.), sprijiniri cu ajutorul
elementelor structurale (palplane, piloi, perei mulai), cu sau fr
sprijinire interioar (contrabanchete, praiuri sau ancoraje).
Impermeabilizarea pmntului ngheat permite eliminarea nevoii de
epuismente, realizarea barierelor de ap n cazul debitelor mari sau
evitarea infiltraiilor i rspndirea poluanilor n pmnt.
Unul dintre avantajele importante aduse de aceast tehnologie din
punct de vedere al proteciei mediului, l reprezint faptul c se
lucreaz doar cu materialele existente deja pe amplasament, naturale
(pmnt, ap), evitndu-se utilizarea sau introducerea n terenul de
fundare a unor materiale cu potenial poluator (ciment, liani
hidraulici, liani chimici etc.).
Deoarece acest procedeu devine din ce n ce mai rspndit n
lucrrile moderne, prezenta lucrare i propunere studierea i
prezentarea tehnologiei de ngheare a pmntului din punct de vedere
al utilizrii unei resurse naturale i al adoptrii acesteia n lucrri
executate cu success pe ntreg globul.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
2
CUPRINS
REZUMAT
...................................................................................................................................
1 1. INTRODUCERE
................................................................................................................
3 2. NGHEAREA ARTIFICIAL A PMNTULUI
........................................................... 4 2.1.
Obiectivul utilizrii tehnologiei de ngheare
......................................................................
4 2.2. Pmntul ngheat natural. Diferene i asemnri
............................................................... 5
2.3. Principii ale procedeului de ngheare
.................................................................................
5 2.4. Proprietile pmntului ngheat artificial
..........................................................................
6 2.4.1. Proprieti mecanice
...........................................................................................................
6 2.4.2. Proprieti termice
..............................................................................................................
7 2.4.3. Proprieti hidrologice
........................................................................................................
7 2.5. Relaionarea dintre faze
......................................................................................................
8 2.6. Teorii adoptate
...................................................................................................................
8 3. TEHNOLOGIE I PROIECTARE
.....................................................................................
9 3.1. Sistemul de rcire
...............................................................................................................
9 3.2. Analiza structural
............................................................................................................
11 3.3. Analiza termic
................................................................................................................
11 3.4. Instrumentare i monitorizare
...........................................................................................
12 3.5. Investigarea terenului
.......................................................................................................
12 3.6. Teste de laborator. Rezultate obinute
...............................................................................
13 4. APLICAII I STUDII DE CAZ ALE NGHERII ARTIFICIALE A PMNTULUI15
5. CONCLUZII
....................................................................................................................
18 Bibliografie
.................................................................................................................................
19
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
3
1. INTRODUCERE Pe 23% din suprafaa Pmntului, nghearea este un
fenomen natural sezonier. n domeniul
ingineriei geotehnice, nghearea artificial este un proces
utilizat pentru mbuntirea parametrilor mecanici, n cazul realizrii
unor lucrri speciale. Utilizarea acestei tehnologii a fost abordat
de inginerii francezi n anul 1850 pentru excavarea unei mine n
condiii de pmnt moale, permind astfel extinderea acesteia.
Patentarea procedeului a fost fcut de H. Potesh n Germania sub
denumirea de AGF (Artificial Ground Freezing), n anul 1862.
Principiul ngherii pmntului este de a circula un agent frigorific
ntr-un circuit nchis de evi dispuse n pmnt, eliminnd astfel cldura
i convertind apa din porii pmntului n ghea, obinnd un material
rezistent i impermeabil. Utilizarea ngherii pmntului este
predominant n excavaii miniere i n industria ingineriei civile,
scopul acesteia fiind obinerea unei stabilizri rapide i sigure.
n prezentul articol se trateaz principiul ngherii pmntului
precum i metodele, rezultatele i aplicabilitatea n lucrri
inginereti.
Fig. 1 : Tunel executat utiliznd tehnologia de ngheare a
pmntului
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
4
2. NGHEAREA ARTIFICIAL A PMNTULUI
2.1. Obiectivul utilizrii tehnologiei de ngheare Obiectivul
principal al ngherii este de a stabiliza pmntul n condiii precare
date de
ncrcri considerabile sau pmnturi saturate i n prezena unor surse
constante de ap (ruri i lacuri). nghearea pmntului permite obinerea
unor rezistene mai bune ale pmnturilor complet saturate i a unui
material impermeabil. n acest proces, creterea rezistenei pmntului
se datoreaz particulelor de ghea ce acioneaz ca un liant, precum i
scderii permeabilitii. Tehnologia poate fi utilizat ntr-o gam vast
de lucrri geotehnice : stabilizarea alunecrilor de teren,
prelevarea probelor de pmnt, construcii temporare, excavaii i
minerit.
nghearea pmntului este aplicabil n special n cazul stabilizrii
pmnturilor coezive, permeabile i saturate. Procedeul poate fi
problematic n cazul pmnturilor poroase i cu un nivel hidrostatic
ridicat, deoarece o vitez a fluxului apei subterane mai mare de 2.0
m/zi mpiedic formarea cristalelor de ghea.
Tehnologia de ngheare este avantajoas din mai multe puncte de
vedere:
- Pmntul nu sufer un tratament chimic, nlturndu-se astfel orice
efect pe termen lung asupra mediului nconjurtor la finalul lucrrii,
pmntul este neafectat i revine la starea iniial construciei;
- Este o tehnologie care combin etanarea i suportul static;
- Poate fi aplicat pe orice tip de pmnt;
- n condiii dificile ale nivelului hidrostatic, n cazul n care
apa este greu de captat i pompat;
- Dimensiunile pereilor i coloanelor de pmnt ngheat pot fi
controlate uor prin modificarea temperaturii;
- n cazul excavaiilor urbane este eliminat sursa de vibraii i
zgomot aferent lucrrilor obinuite de excavare;
- Procedeul poate fi aplicat n orice condiii de temperatur;
- Pereii i coloanele din pmnt ngheat ofer o rezisten structural
impresionant;
- Materialul obinut este unul omogen.
Exist totui i dezavantaje:
- Necesitatea unor instalaii complexe de rcire;
- Analizarea i proiectarea este dificil n cazul stratificaiilor
cu diverse tipuri de pmnt;
- Procesul de nghe-dezghe poate afecta structura natural a
pmnturilor argiloase din cauza tasrii din dezghe;
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
5
- nghearea este dificil n cazul vitezei apei subterane mai mare
de 2,0 m/zi;
- Fezabilitatea economic este obinut n cazul n care alte metode
de stabilizare nu se dovedesc eficiente;
- Procesul este unul ndelungat.
2.2. Pmntul ngheat natural. Diferene i asemnri Zone extinse de
pe Glob prezint condiii de nghe naturale, fie sezoniere, fie
pmnturi de
tip permafrost, constant ngheate. Studiul acestor pmnturi,
precum i a efectelor ciclurilor de nghe-dezghe fac obiectul de
studiu al altor provocri inginereti (spre exemplu construcia
autostrzii chineze Qinghai-Xizang).
Pmntul ngheat este definit ca fiind un masiv de pmnt la o
temperatur de sub 0oC. Totui, pmntul permanent ngheat,
permafrost-ul, se difereniaz prin straturi active de pmnt supuse
ngheului i suprafee de pmnt continue supuse ciclului nghe-dezghe.
ns, un studiu amnunit arat c pmnturile ngheate natural, i cele
ngheate artifial se difereniaz prin dimensiuni diferite ale
cristalelor de ghea, forma i orientare a acestora, fragmentari i
recristalizri diferite.
Pmntul permanent ngheat prezint straturi active cu temperaturi
de -15oC n zone de continuitate, avnd cristale orizontale n
structura natural a gheii. Contrar acestei situaii, pmntul ngheat
artificial este supus unei game largi de temperaturi, gradientul
variind ntre 0 oC i -160 oC.
Orientarea cristalelor constituie un factor important, deoarece
afecteaz proprietile mecanice, iar n cazul proiectrii, pmnturile de
tip permafrost prezint caracter permanent. Lentilele cristalizate
de ghea urmresc, n cazul ngherii artificiale, n mod obinuit,
direcii paralele cu evile frigorifice, neavnd uniformitate i nu
respect direcia orizontal a acestora, ca n cazul
permafrostului.
2.3. Principii ale procedeului de ngheare Principiul fundamental
al ngherii pmntului este nlturarea cldurii din pmnt pentru a
obine o scdere a temperaturii sub punctul de nghe al apei din
porii pmntului, apa ngheat funcionnd ca un liant ntre
particule.
Procesul de transformare al apei n ghea implic deformaii
volumice n masivul de pmnt. Trecerea apei din faz lichid n faza
solid este nsoit de o cretere a volumului de 9%, crescnd eforturile
existente n masiv. Observarea primelor lentile de ghea se face la
temperatura de 0oC.
Astfel, dac presiunea gheii depete presiunea din pmnt, pmntul
are tendina de a se dilata, fenomenul fiind denumit umflare datorit
ngheului. Contrar acestui proces, dezgheul poate produce tasri
suplimentare n masivul de pmnt, datorit fenomenului de
reconsolidare i datorit permeabilitii pmntului.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
6
O problem n cazul ngherii o constituie pmnturile cu particule
mici, de tip argilos. Acestea au tendina, n anumite circumstane, n
cadrul procesului de dezgheare, s creeze o presiune suplimentar i s
se reconsolideze, n ciuda pstrrii condiiilor iniiale de ncrcare. n
anumite cazuri, aceast particularitate poate avea un efect
favorabil n masivul de pmnt dup un ciclu de nghe-dezghe, acesta
cptnd astfel proprieti de supraconsolidare. ns n cazul lucrrilor
din mediul urban, acest efect este defavorabil.
n ingineria civil, respectiv n ingineria geotehnic, tasarea
produs de dezghe face referire la remodelarea volumic datorit
schimbrii de faz a apei i a consolidrii ulterioare a masivului de
pmnt, ca urmare a transferului de eforturi ctre scheletul
solid.
2.4. Proprietile pmntului ngheat artificial Prezena apei n pmnt,
respectiv nghearea acesteia genereaz fenomene diverse n masivul
de pmnt. Apa n stare solid, are proprieti mecanice diferite
comparativ cu apa n stare lichid. La temperaturi foarte apropiate
de 0oC, apa se gsete n trei stri diferite (punctul triplu al apei):
solid, lichid i gazoas. Cu ct aceast temperatur scade, cu att
volumul apei crete. Procesul de ngheare artificial al pmntului
poate fi descris ca fiind un transfer al energiei din pmnt
printr-un transfer de cldur, prin gradientul de temperatur.
Particulele din pmnt devin un ntreg, gheaa acionnd ca liant.
Gheaa este definit ca fiind starea solid a apei i este
principalul constituent al pmntului ngheat. O clasificare a
pmnturilor ngheate fcut de Tsytovich (1975) le mparte n funcie de
coninutul de ghea i n funcie de starea fizic n categorii. Conform
acestei clasificri, acestea sunt :
- Pmnturi puternic ngheate incompresibile;
- Pmnturi plastic-ngheate cu coninut mare de particule nengheate
de ap;
- Pmnturi ngheate friabile cu coninut mare de particule
grosiere, necimentate de ap.
2.4.1. Proprieti mecanice Elaborarea unui studiu referitor la
proprietile mecanice ale pmntului este foarte important
de neles, deoarece structura pmntului ngheat n situ difer de cea
a probelor testate n laborator. Aceti parametri sunt foarte uor
influenabili, fiind necesare multiple experimente i ncercri att pe
pmnt n stare natural, ct i pe pmnt ngheat artificial.
Parametrii mecanici ai pmntului ngheat luai n calcul n etapa de
proiectare sunt urmtorii:
- Rezistena la compresiune i ntindere;
- Rezistena la forfecare;
- Fluajul;
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
7
- Compresibilitatea.
Rezistenele pmntului ngheat sunt direct proporionale cu
temperatura i timpul, fiind dictate de coeziunea pmntului i unghiul
de frecare intern ale ansamblului pmnt-ghea.
2.4.2. Proprieti termice Principalele proprieti termice ale
pmntului sunt conductivitatea termic, capacitatea
caloric, difuzivitatea i cldura latent. Aceste proprieti difer n
funcie de faz i sunt influenate de temperatur, tipul pmntului,
umiditate, gradul de saturare, densitatea n stare uscat.
Conductivitatea termic este mrimea fizic prin care se
caracterizeaz capacitatea unui material de a transmite cldur atunci
cnd este supus unei diferene de temperatur. n cadrul unei analogii
fizice, putem echivala conductivitatea termic cu permeabilitatea
unui material fa de anumite lichide sau cu conductivitatea
electric.
Difuzivitatea sau coeficientul de difuzie este o constant de
proporionalitate care apare n legile lui Fick. Este o mrime fizic
care caracterizeaz rapiditatea difuziei unui component ntr-un
amestec. Difuzivitatea termic a gheii este de aproximativ 8 ori mai
mare dect cea a apei.
Cantitatea de cldur necesar pentru modificarea temperaturii unui
corp cu un o unitate poart denumirea de capacitate caloric.
Capacitatea caloric a unui corp este un parametru extensiv,
depinznd de masa i natura acestuia. Capacitatea caloric a unitii de
cantitate de substan se numete cldura specific.
Cldura latent este o expresie care se refer la cantitatea de
energie eliberat sau absorbit de ctre o substan chimic n timpul
unei transformri de faz fr schimbare de temperatur. Cldur latent
este cantitatea de cldur primit sau cedat de un corp sau de un
sistem de corpuri ntr-o transformare termodinamic de faz
izoterm-izobar.
Pe lng acestea, este necesar cunoaterea punctului de nghe al
pmntului, salinitii acestuia, precum i a umidatii sale. Un coninut
sczut de ap n pmnt este favorabil, deoarece cantitatea de energie
necesar pentru trecerea dintr-o faz n alta este mult mai mic
datorit faptului c particulele nengheate de ap legate de
particulele solide sunt n numr mai redus.
O bun conductivitate termic a particulelor solide permite o mai
bun eliberare a cldurii, accelernd procesul de rcire. De exemplu,
coninutul de quartz este unul favorabil, conductivitatea termic a
acestuia fiind de 3 ori mai mare dect cea a majoritii celorlalte
minerale.
2.4.3. Proprieti hidrologice Proprietile hidrologice ce trebuie
luate n considerare n faza de proiectarea sunt :
- Umiditatea;
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
8
- Direcia i debitul fluxului de ap subteran;
- Permeabilitatea pmntului;
- Proprietile chimice ale apei subterane.
2.5. Relaionarea dintre faze Proprietile geotehnice ale pmntului
sunt puternic influenate de relaiile volumice dintre
faze. Pmntul ngheat poate fi considerat ca un material complex
multifaz precum pmntul n stare natural, avnd ns o faz suplimentar.
Aceste faze sunt:
- starea solid (particulele solide);
- starea plastic vscoas (ghea);
- starea lichid (apa din porii pmntului);
- starea gazoas (aerul oclus).
Proporiile relative ale raportului dintre ap i ghea sunt
dependente de caracteristicile pmntului, temperatur, concentraia
ionic a apei, sarcina extern aplicat etc. Msurarea coninutului de
ghea dintr-o prob de pmnt se poate face cu ajutorul dilatometrelor,
analizelor calorimetrice, analizelor cu raze X, rezonanei magnetice
nucleare, diferenierei termice i a altor modaliti indirecte, greu
accesibile.
Eforturile i deformaiile din pmntul ngheat sunt provocate de
temperatur, schimbarea de faz i redistribuirea particulelor. Acest
proces continu i este accentuat i pe durata dezgherii, provocnd
fenomene reologice.
Faza solid - ghea creaz trei tipuri de legturi interne ntre
particule:
- Legturi moleculare de tip van der Waals legturile se produc la
contactul dintre particulele minerale ale pmntului i depind de
dimensiunea ariei de contact, de distan ntre particule, gradul de
compactare i natura fizico-chimic, crescnd direct proporional cu
ncrcarea exterioar.
- Legturi de cimentare acestor legturi li se datoreaz
proprietile mecanice mbuntite ale pmnturilor ngheate, dar totodat
sunt foarte sensibile la proprietile pmntului.
- Legturi structurale sunt legturi ce in cont de compoziia i
structura particulelor, de tipul agregatelor, de porozitate i
afecteaz rezistenta structural a ntregului.
2.6. Teorii adoptate La baza proiectrii termice stau 4 teorii
referitoare la transferul cldurii n masivul de pmnt.
Aceste teorii sunt :
- Starea de echilibru a fluxului de cldur;
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
9
- Starea de instabilitate a conduciei termice;
- Teoria F. Neumann;
- Teoria J. Stefan.
Toate aceste teorii se bazeaz pe transferul termic ntre
regiunile cu temperaturi ridicate ctre regiunile cu temperaturi
sczute. Se consider dependena direct a cantitii de cldur dintr-un
element diferenial al pmntului de masa i de temperatura sa. Rata de
transfer a cldurii n cadrul unei arii este proporional cu mrimea sa
i cu gradientul de temperatur.
Starea de echilibru a fluxului de cldur se bazeaz pe urmtoarele
ipoteze:
- pmntul este un material omogen i izotrop;
- proprietile geotehnice i termice sunt constante n ntregul
masiv de pmnt;
- nghearea ncepe la 0oC;
- conductivitatea termic a pmntului este independent de
temperatura sa.
Starea de instabilitate a conduciei termice este un fenomen ce
variaz n funcie de timp i poziie. Se consider c fluxul cldurii este
distribuit uniform pe toat aria seciunii.
Teoria Franz Neumann a fost formulat pentru formarea gheii pure
din ap, dar poate fi aplicat n geotehnic prin utilizarea
constantelor pmntului n ecuaii. Ecuaiile F. Neumann se bazeaz pe
ipoteza c temperatura iniial a pmntului este pozitiv i
constant.
Teoria J. Stefan prezint o formul simpl pentru formare gheii,
similar cu cea a lui F. Neumann. Se ia n considerare faptul c
temperatura variaz liniar n zona ngheat, precum i faptul c
densitatea gheii este aceeai cu cea a apei, presupunere cu un
caracter acoperitor n cazul excavaiilor.
3. TEHNOLOGIE I PROIECTARE
3.1. Sistemul de rcire Sistemul de rcire poate fi adoptat n
funcie de un numr mare de factori i condiii,
principiul de baz fiind eliminarea cldurii din masivul de pmnt.
Modalitile de ngheare a pmntului includ azot lichid, clorura de
calciu sau sodiu, dioxid de carbon sau amoniac.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
10
Fig. 2 : Exemplu de instalaie de rcire
n mod curent sunt utilizate dou modaliti de ngheare a pmntului:
indirect, cu o vitezredus de ngheare, n circuit nchis, folosind
clorura de sodiu, etilenglicol sau amoniac, respectiv direct, de
ngheare rapid sau cu circuit deschis, folosind ageni frigorifici
consumabili precum azotul lichid.
n cadrul procesului de ngheare lent, un circuit de refrigerare
lichefiaz fluidul frigorific prin intermediul unor compresoare i
condensatoare. Agentul frigorific utilizat este n mod frecvent
clorura de sodiu cu o temperatur de utilizare situat ntre -25oC i
-30oC. Acesta este rcit n evile din circuit cu ajutorul amoniacului
sau al freonului. Procedeul este utilizat n cazul unei proiectri pe
termen lung, necesitnd planificare i timp pentru construcie.
A doua modalitate folosete azotul lichid, un agent frigorific
consumabil, folosit n circuit deschis. Acesta este transportat prin
intermediul unor cisterne speciale unde este temperatura acestuia
este pstrat la -196oC i la o presiune de 0,5 MPa. Aceast presiune
asigura transportul nitrogenului lichid prin sondele circuitului,
iar la evaporare, acesta are o temperatur de -60oC. Procesul de
ngheare este aproximativ instant, deoarece la eliberare, nitrogenul
lichid se vaporizeaz i i mrete volumul de aproximativ 600 de ori.
Gradientul mare de temperatur permite astfel o rcire rapid.
O a treia metod combin cele dou tipuri de rcire, utiliznd
circuitul nchis i proprietile de rcire rapid ale azotului. Procesul
de ngheare artificial este realizat n dou etape : ngheare activ i
ngheare pasiv. nghearea activ permite realizarea coloanei sau a
pereteului de pmnt ngheat, iar nghearea pasiv urmrete meninerea
constant a proprietilor sale.
Cel mai important aspect al circuitelor de rcire este sistemul
de sub suprafaa pmntului, constituit dintr-o serie de evi i foraje
calculate n funcie de analize termice i hidraulice ale pmnturilor i
a lucrrilor ce urmeaz a fi executate.
evile de circulare a agenilor frigorifici sunt n mod normal
realizate din fier. Cu toate astea, n anumite cazuri, introducerea
acestor evi pe adncimi foarte mari poate provoca probleme. Deoarece
contracia termic este direct proporional cu lungimea evilor, zona
de la baza
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
11
acestora poate mpiedica distribuirea agentului frigorific, ducnd
astfel la o neuniformitate n nghearea masivului de pmnt.
n cazul excavrii de tuneluri, pentru avansarea mainilor de spat
de tip TBM (Tunnel Boring Machine), capetele evilor aflate n calea
forezei pot realizate din aluminiu, pentru a evita producerea unor
probleme cu captul de tiere. Soluia a fost cea a realizrii unei
mbinri ntre cele dou metale.
3.2. Analiza structural Analiza structural a unui proiect de
ngheare a pmntului este dificil de realizat datorit
schimbrii de faz din interiorul masivului de pmnt. Geometria i
eforturile interne ale pmntului ngheat se modific n mod constant
de-a lungul execuiei. Totodat, proprietile mecanice ale pmntului
variaz ntr-o gam larg de valori din cauza schimbrilor de
temperatur. Din cauza acestei schimbri de faz, este discutabil i
dezvoltarea rezistenei pasive n cadrul masivului de pmnt.
Proiectarea incintei sau a excavaiei este direct dependent de
dimensiunea deformaiilor. Grosimea necesar susinerii unei excavaii
sau a unei sarcini este influenat de eforturile impuse masivului de
pmnt n momentul excavrii i de rezistena pmntului ngheat. Eforturile
sunt direct proporionale cu dimensiunea structurii, i aceasta poate
fi mrit sau poate fi diminuat n funcie de instalaia de rcire
instalat i de numrul de evi de ngheare.
n cazul unei incinte verticale, grosimea peretelui de pmnt
ngheat poate fi determinat utilizndu-se forme de tip pilot,
cilindrice, ns acest concept poate fi aplicat i pentru tuneluri,
deoarece forma acestora este de asemenea cilindric. Formele
cilindrice permit transmiterea eforturilor prin compresiune,
deoarece aceti parametri sunt foarte buni, pmntul ngheat avnd, ca i
cel naural,o rezisten la ntindere aproape nul.
Evaluare capacitii de rezisten a pmntului ngheat este prin
analizarea eforturilor din cadrul masivului de pmnt ca fiind
variabile cu grosimea peretelui ngheat pe exteriorul excavaiei. Se
pot folosi programe de element finit pentru evaluarea grosimii
necesare, a eforturilor i a deformaiilor elastice. Deformaiile din
curgere lent nu sunt luate n calcul, deoarece se consider c
excavaia nu va sta o lung perioad de timp nesprijinit.
n cazul excavaiilor, seciunile slbite pot duce la dezvoltarea
unor concentrri mari de eforturi. n aceste situaii, o soluie ce
poate fi adoptat este cea a ranforsrii acestor zone inserii din oel
i beton, ns conclucrarea dintre materiale este nesigur.
3.3. Analiza termic Analiza termic este cea mai important
component a proiectrii unui sistem de congelare pe
durata construirii barierei de pmnt ngheat. n proiectare se vor
lua n considerare urmtoarele aspecte:
- Proprietile termice ale pmnturilor;
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
12
- Timpul necesar ngherii;
- Temperatura agentului frigorific;
- Distanierea evilor din sistemul de ngheare.
Formele proiectate se obin prin evile metalice n care circul
agentul frigorific. Circularea agentului realizeaz un fascicul
ngheat n jurul evii, ce se extinde i se unete cu alte asemenea
fascicule din cadrul dispunerii pentru a forma un ntreg.
Pentru o dimensiunare ct mai bun a unui sistem de rcire, se pot
folosi programe de element finit ce pot trata termic
proiectarea.
De asemenea, un factor important este cel al variaiei sezoniere
a temperaturii, att exterioare i a pmntului ct i variaia
temperaturii apei subterane.
3.4. Instrumentare i monitorizare Procesul de ngheare poate dura
ntre cteva zile i cteva luni, n funcie de proprietile
pmntului. Exploatarea poate dura i ani de zile, iar n tot acest
timp, este necesar o obinere constant a datelor prin monitorizri i
instrumentri dedicate acestei tehnologii.
Dei este necesar o amplasare a numeroi senzori de msurare a
distribuiei de agent frigorific, componentele prinicipale ale
ngherii sunt msurarea temperaturii din pmnt i a nivelelor
hidrostatice. Temperaturile se verific cu termometre special
realizate astfel nct s poat prelua presiunea agentului frigorific i
temperatura sczut fr a suferi daune.
Nivelele hidrostatice se msoar ntr-o serie de piezometre, avnd
un rol dublu. n primul rnd, acestea sunt instalate pentru a msura
nivelul apei. O scdere brusc a acestuia poate indic o bre datorat
unor infiltraii. O alt ntrebuinare este cea a msurrii gradientului
apei subterane, ce mpreun cu un pmnt foarte permeabil poate produce
viteze mai mari de 1 m/zi, ce pot ntrzia sau ntrerupe formarea
pmntului ngheat.
3.5. Investigarea terenului Toate rapoartele de investigare
trebuie s conin informaii despre litologie incluznd zona
de sub adncimea propus a excavaiei. Este necesar colectarea de
probe tulburate i netulburate i sunt necesare ncercri pe probe
ngheate i n stare natural.
Tipul pmntului, densitatea i umiditatea sunt necesare pentru a
estima proprietile termice ale pmntului. Teste in-situ de
permeabilitate i de msurare a temperaturii se realizeaz cu o
frecven mrit. n anumite situaii, n cazurile litologiilor cu
multiple straturi, proprietile termice necesit o atenie sporit.
De asemenea, ultimul strat luat n considerare n analiz trebuie
ales astfel nct acesta s fie impermeabil pentru a putea nchide
impermeabilizarea barierei de pmnt ngheat.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
13
3.6. Teste de laborator. Rezultate obinute Scopul ncercrilor de
laborator este de a determina comportamentul teoretic al
pmntului
ngheat, urmnd a fi corelate cu rezultatele reale din
amplasament, i pentru nelegerea comportamentului acestuia pentru
situaiile de nghe-dezghe.
Proprietile de compresiune ale pmntului sunt importante pentru
stabilirea abordrii i a alegerii tipului de fundare sau de
excavaie, sau pentru evaluarea influenei asupra vecintilor.
Determinarea acestora se face prin teste edometrice sau ncercri
triaxiale.
Experimentele disponibile n cadrul acestui articol fac parte
dintr-o serie de experimente realizate de Institutul de Rezistena
Materialelor din cadrul Universitii Tehnice din Viena, pe baza a 29
de probe din trei tipuri de pmnt.
Pentru obinerea unor condiii similare cu cele din realitate, un
dispozitiv de rcire este conectat la proba de pmnt cu diametrul de
50mm i nlimea de 100mm. Partea de jos a probei este umplut cu ap la
temperatura de +11oC pentru a simula situaia real de nghe-dezghe.
Partea de sus a probei este rcit la -15 oC prin intermediul unei
instalaii de rcire. Izolarea probei, pentru a mpiedica interaciunea
termic cu exteriorul, s-a fcut prin intermediul unei spume
poliuretanice.
Fig. 3 : Echipamentul experimental
Prob este instrumentata cu 4 sonde de temperatur, dispuse la o
distan de 2 cm, ce transmit informaii la un interval de 2
minute.
Probele au fost supuse experimentelor n 4 modaliti diferite,
prin rcire la -50 oC/h, prin rcire la -0,4oC/h, prin permiterea
unei dezgheri dup rcire i prin ngheare n dou etape.
Experimentele relev faptul c nghearea se produce la aproximativ
0 oC, datorit faptului c rata de extragere a cldurii depete rata
apei de a furniza cldur. Zona de delimitare este definit ca zon de
impedicare a fluxului cauzat de umplerea parial a porilor din pmnt
cu ghea. Dac presiunea din ghea depete presiunea de consolidare,
proba se dilat i prezint umflare.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
14
Fig. 4 : Probe de pmnt ngheate
n cazul ngherii lente, gradientul de temperatur va fi format n
apropierea zonei de delimitare i a extremitilor nengheate. n
schimb, n cazul ngherii rapide, permeabilitatea zonei de delimitare
va scdea i va cauza o diminuare a lentilelor de ghea n cadrul
probei.
Ca o concluzie experimental, relaia dintre ap i fluxul de cldur
produce lentile de ghea mai subiri n partea de sus a probei, i mai
groase n partea de jos a probei, pe msur ndeprtrii de sursa de
rcire.
Umflarea din ngheare diferit n cazul celor dou procedee. n cazul
procedeului de ngheare lent, umflarea va fi semnificativ mai mare
dect cea din cazul ngherii rapide. Acest fenomen se datoreaz
creterii accentuate a lentilelor de ghea n procesul de nghearea
lent.
Principala cauz a umflrii este datorat cldurii i al fluxului
apei n masivul de pmnt. Cldura este coninut n cea mai mare parte de
ap. Astfel, cldur este transferat prin intermediul apei, iar la 0
oC apa se transform n ghea. Continund acest ciclu de transfer
termic, lentilele de ghea se formeaz i se extind, provocnd astfel
umflarea.
Creterea cristalelor n situaia de nghe lent este mai regulat i
mai expansiva dect n cazul procesului rapid. Astfel, umflarea este
direct proporional cu dimensiunea cristalelor de ghea.
Curgerea lent a pmnturilor ngheate este o deformaie dependenta
de timp sub efort constant. Rezultatele experimentale ale acestei
curgeri lente releva faptul c gheaa se topete la contactul dintre
particule, sub presiuni mari. Structura ngheat se rearanjeaz ntr-o
form mai dens i frecarea intern dintre particule crete, att timp ct
ncrcarea aplicat nu depete valoarea rezistenei la forfecare.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
15
Au fost realizate de asemenea teste pe probe de pmnt din 8
foraje, extrase de la temperaturi de -5oC, -10 oC, -15 oC i -20 oC,
simulndu-se cicluri de nghe-dezghe. Dup 6 cicluri de nghe-dezghe n
condiii nencrcate, umflarea din ngheare a fost situat ntre valorile
12.86 mm i 17.48 mm. Umflarea a sczut la valori de 9.65mm i 14.56mm
n ciclurile de dezghe al tuturor testelor. Fluajul a avut valori
situate ntre 2.2% i 9.8%.
Testele de compresiune uniaxiala au artat o dependent direct a
rezistenei la compresiune de temperatur de testare.
Testele ce descriu situaia de nghe dezghe din cadrul unei probe
de pmnt n condiii de laborator au rolul de a simula cu o precizie
ct mai bun umflrile i tasrile maxime ce pot aprea n zona de pmnt ce
urmeaz a fi ngheat.
Tasrile din dezgheare sunt afectate de temperatura rcirii,
astfel, cu ct temperatura este mai joas, cu att vor aprea deformaii
mai mari din dezgheare. Acest fenomen se datoreaz faptului c n
cadrul procesului, particulele mici de argil conin un numr mai mare
de particule de ap legat i contribuie la procesul de agregare unde
particulele mai mari de argil au luat deja parte. Coninutul de
particule fine argiloase, mpreun cu coninutul de ap, gradul de
saturare i conductivitatea hidraulic prezint o importan major n
dezvoltarea tasrilor. Capacitatea de a transporta apa ctre zona de
ngheare scade n cazul unei conductiviti hidraulice reduse.
4. APLICAII I STUDII DE CAZ ALE NGHERII ARTIFICIALE A
PMNTULUI
nghearea artificial a pmntului este o tehnologie utilizat de
peste 100 de ani n inginerie i minerit. Domeniul de aplicare al
tehnologiei de ngheare artificial a pmntului este unul foarte vast,
iar fiecare lucrare este unicata prin scopul final al acesteia,
prin perioada de exploatare i prin modalitatea de abordare a
proiectrii unei susineri cu pmnt ngheat. n continuare, vor fi
prezentate lucrri importante de ngheare a pmntului realizate pe
ntreg globul.
Probabil cea mai important ntrebuinare a acestui procedeu este
contribuia n realizarea excavaiilor pentru tuneluri. Lucrri
subterane n orae precum Boston, New York, Copenhaga, Viena, Furth
(Germania), Napoli, Zurich sau Kobe, sunt toate exemple ale
ntrebuinrii cu succes al acestui procedeu. Chiar i stabilizarea
celebrului turn din Pisa a fost ncercat prin intermediul acestei
tehnologii.
n majoritatea acestor cazuri, principal provocare este cea a
etaneizrii zonei ce urmeaz a fi excavata pentru a mpiedica
infiltrarea apei n traseul mainilor de forat. Lucrri ale autostrzii
din Boston sau ale metroului din Viena prezint particularitatea
excavrii sub nivelul apei sau n apropierea unor ruri, ceea ce relev
pmnturi slabe, maloase i un nivel hidrostatic ridicat.
Primul proiect n care a fost adoptat soluia de ngheare a
pmntului pentru a permite excavarea prin intermediul mainilor de
tip TBM a fost cel al extinderii metroului din New York. Problemela
ridicate la momentul proiectrii a fost posibilitatea de a spa n
pmnt ngheat, fr
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
16
c foreza s nghee la rndul ei, iar acest proiect a fost o referin
pentru ntrebuinare n alte lucrri asemntoare.
Fig. 5 : Modelare a proiectului de ngheare din New York
n cadrul excavrii prin TBM-uri, o problem temporar i greu de
anticipat este cea a topirii temporare a gheii datorit cldurii
degajate la forare, ns incidentul nu este unul problematic,
renghearea producndu-se aproximativ instant.
Un caz particular al utilizrii tehnologiei de ngheare a fost
recuperarea unei foreze TBM n urma colapsarii pmntului la excavarea
liniei de metrou din Cairo. Problemele principale au fost puse de
spaiul restrns i riscurile proiectrii n condiii neclare ale
litologiei.
Recuperarea s-a fcut prin realizarea unei incinte circulare de
perei mulati cu diametrul de 20m, pentru a evita necesitatea
dispunerii de praiuri i pentru a realiza o incinta uscat care s
permit excavarea. Cota final a excavaiei este la -38 m adncime.
Pentru a putea debloca foreza, urmtorul pas a fost realizarea
instalaiei de ngheare care s stabilizeze pmntul din jurul
acesteia.
Incinte circulare din pmnt ngheat au fost realizate i la centrul
de cercetare CERN din elveia pentru a permite accesul n tunelurile
subterane. Incintele, cu diametru de 25m, respectiv 15m, i 70 m
adncime, au beneficiat de perei ngheai cu grosime de 4 m, avnd rol
de susinere temporar pn la realizarea incintei din beton.
n minerit, aceast soluie a fost aplicat n oraul Ontario, Canada,
pentru realizarea unei mine de aur n apropierea unui lac. Aceast
soluie a fost adoptat ca fiind cea mai compatibil din punct de
vedere al mediului nconjurtor, pentru a preveni infiltrarea apei i
pentru a nu influena vecintile.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
17
Bariera ngheat a fost realizat prin intermediul unor evi
frigorifice dispuse pe o distan de 3,5km pe perimetrul minei.
Aproximativ 2000 de evi au fost intastalate la adncimi ntre 45 i
125 metri. Acest sistem de rcire a fost proiectat pentru o durat de
8 ani.
n ingineria hidrotehnic, acest procedeu poate fi aplicat pentru
a permite realizarea unor lucrri de mententa sau reperaii la
sistemele de generare a apei sau la sistemele de distribuie.
Concret, n oraul Skoddeberg, Norvegia, a fost necesar realizarea
unei zone tampon de stopare a apei n tunelurile unei canalizri.
Problema principal a fost cea a gradientului de ap ce nu ar fi
permis realizarea structurii ngheate. Pentru a diminua efectul
curentului de ap i pentru a ngreuna fluxul de ap, s-a adoptat
soluia unor injectri cu pietri de tip mrgritar. n acest caz, nevoia
de rapiditate a procesului de ngheare a impus folosirea
nitrogenului lichid ca agent frigorific. Aceasta modalitate a fost
previzibil din punct de vedere financiar i al predictibilitii.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
18
5. CONCLUZII n prezenta lucrare, s-a ncercat abordarea i
prezentarea tuturor factorilor de influena ce in
de utilizarea acestei tehnologii n domeniul ingineriei
geotehnice. Dei aceast prezentare este una succint, se poate
observa complexitatea acestei tehnologii la nivel microscopic,
precum i diversitatea fenomenelor impuse de adoptarea acesteia.
Att literatur de specialitate ct i studiul particularitilor
fiecrei lucrri n parte releva caracterul unicat al acestora. n ara
noastr, acest procedeu a fost adoptat la lucrrile de la metroul
bucuretean, n urm cu aproximativ 40 de ani, ns o documentaia clar
pe baza acestui subiect nu este uor accesibil.
Datorit disponibilitii tehnologice i a aplicrii sale n mod
repetat n Europa i Statele Unite ale Americii, adoptarea
procedeului de ngheare la lucrri viitoare poate fi considerat ca o
opiune demn de luat n calcul, dat fiind litologia din ara noastr, i
n special cea din Bucureti.
Dei tehnologia este costisitoare i proiectarea este ct se poate
de meticuloas, acest procedeu i demonstreaz utilitatatea i
fezabilitatea n lucrri de mare anvergur, oferind siguran,
stabilitate i un caracter predictibil uor de controlat.
-
APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL
INGINERIEI GEOTEHNICE
19
Bibliografie
1. Artificial ground freezing in clayey soils, Teddy Johnson 2.
Ground Freezing for Tunnel Support No. 7 Line Subway Extension New
York City, Joseph
Sopko 3. Artificial ground freezing and effect of freezing speed
over frost heave, Mustafa Koc 4. TBM Rescue Project, Cairo Metro
Line, M. Mostafa - http://www.bauer.ro/ 5. The worlds first
artificial ice plug for a hydro tunnel, A.L. Berggren 6. Case
studies of artificial ground freezing simulations for urban
tunnels, Erich Pimentel,
Spyridon Papakonstantinou & Georg Anagnostou 7. Ground
freezing in practice, Harris. J 8. Effects of freeze-thaw and
softening on natural clay at low stresses, Graham J. & Au 9.
http://groundfreezing.net 10. http://www.trevispa.com