APLICABILITATEA FENOMENULUI DE ÎNGHEȚ AL APEI ÎN DOMENIUL INGINERIEI GEOTEHNICE

APLICABILITATEA FENOMENULUI DE NGHE AL APEI N DOMENIUL INGINERIEI GEOTEHNICE

1


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.


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


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


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;


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.


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;


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;


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;


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.


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


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;


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.


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.


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.


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


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.


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.


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.


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

APLICABILITATEA FENOMENULUI DE ÎNGHEȚ AL APEI ÎN DOMENIUL INGINERIEI GEOTEHNICE

Documents

Transcript of APLICABILITATEA FENOMENULUI DE ÎNGHEȚ AL APEI ÎN DOMENIUL INGINERIEI GEOTEHNICE