ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС ОТТАИВАНИЯ ГРУНТОВ

Сущность методов оттаивания и размораживания мерзлого грунта заключается в изменении структурного состояния одного из компонентов — воды (переход из твердого состояния в жидкое) при введении извне дополнительной энергии без нарушения структурного состояния самого грунта. Эти способы применяются для оттаивания и размораживания сезонно-мерзлых и вечномерзлых грунтов при выполнении работ сравнительно небольшого объема, в случаях стесненности условий производства работ, рассредоточенности объектов на строительной площадке и самих строительных площадок, невозможности использования других методов (механического, взрывного и т. п.), при проведении работ набольших площадях (карьеры, прииски и т. д.), при устройстве в мерзлых грунтах внутриквартальных траншей, котлованов, приямков, колодцев, а также при выполнении работ вблизи инженерных коммуникаций, зданий и сооружений.

При применении целого ряда методов подготовки мерзлых грунтов к разработке путем введения дополнительной энергии в грунте происходят одни и те же теплофизические процессы; которые в литературе называются методами искусственного оттаивания грунта.

Оттаивание мерзлого грунта — сложный термодинамический процесс, протекающий в неоднородной) капиллярно-пористой среде и осложненный наличием фазовых- переходов грунтовой влаги. При прогреве грунта под. воздействием тепловой энергии нагрева толя происходит плавление льда, перераспределение образовавшейся при этом влаги и перемещение границы оттаивания. Интенсивность процесса и формирование температурного поля зависят от грунтовых условий и тепловых характеристик нагревателя.

На основные параметры процесса оттаивания: глубину, радиус, время, энергоемкость и стоимость — значительное влияние оказывают изменяющиеся в процессе оттаивания тепло- и электрофизические свойства грунта, зависящие, в свою очередь, от его физических свойств, важнейшими из которых являются: вид грунта, его влажность, температура, средняя плотность.

Как известно, вид грунта определяется процентным соотношением составляющих его твердых элементов. Так, песчаные грунты состоят из небольшого количества крупных твердых частиц, глинистые же включают много мелких. Частицы грунта находятся в неплотном соприкосновении друг с другом, н каждый контакт служит препятствием прохождения тепла, поэтому скорость оттаивания изменяется с изменением дисперсности грунта: с уменьшением дисперсности (увеличением крупности твердых частиц) скорость оттаивания увеличивается (например, песчаные грунты, оттаивают значительно быстрее, чем глинистые).

Увеличение влажности (льдистости) грунта приводит к увеличению теплопроводности. Скорость оттаивания с увеличением влажности уменьшается.

При оттаивании большая часть (40…65%) энергии затрачивается на плавление льда, затем на нагрев скелета грунта, нагрев воды, разного рода потери, нагрев льда. Это определяет замедление процесса оттаивания при увеличении влажности (льдистости) мерзлого грунта. Скорость оттаивания уменьшается с понижением начальной температуры. Это влияние сильнее сказывается при прогреве глинистых грунтов, так как льдистость их увеличивается с понижением температуры.

На энергоемкость процесса оттаивания в значительной мере влияет скрытая теплота плавания льда (0,33 МДж/кг) и теплота парообразования воды (2,26 МДж/кг). С понижением температуры резко увеличивается электросопротивление мерзлого грунта (см. рис. 2.1,).

С технологической точки зрения на параметры процесса значительное влияние оказывает общий режим введения тепловой энергии в грунт, т. е. последовательность и время прогрева грунта. Опыт показывает, что при увеличении времени термического воздействия на грунт скорость оттаивания через определенный промежуток Времени резко снижается, энергоемкость процесса увеличивается, а температура нагретой зоны грунта вблизи нагревателя повышается.

Исходя из этих предпосылок и была разработана цикличная технология оттаивания мерзлых грунтов, заключающаяся в чередовании циклов нагрева грунта, когда к грунту подводится тепло, необходимое для оттаивания некоторого его объема и прогрева пня до определенной температуры, и термосного выдерживания, когда аккумулированное тепло расходуется на увеличение зоны оттаивания.

Периодичность подачи тепла в грунт (2…3 цикла) при определенной продолжительности циклов прогрева (6…10 ч) и термосного выдерживания (3…5 ч) позволяет достигнуть максимального радиуса оттаивания (70…80 см) при минимальных затратах энергии (12…14 кВт-ч/м³). Например, энергоемкость процесса оттаивания при непрерывном прогреве составляет 20…25 кВт-ч/м³ (радиус оттаивания грунта 40…45 см), а при правильно выбранном цикличном режиме прогрева — 12… 14 кВт-ч/м³ (радиус оттаивания грунта 70 см). Оптимальная температура граничного слоя в радиусе 15 см от нагревателя составляет 40…60 °С. При изменении этой температуры условия оттаивания ухудшаются.

Иные процессы происходят при размораживании мерзлых грунтов с помощью соляных растворов.

Источник: Чеченков М. С. Разработка прочных грунтов. — Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. 232 с.