Промерзание грунтов: Please Wait… | Cloudflare

Типы методов замораживания грунта

1. Косвенный метод
2. Прямой метод

• Временное подкрепление прилегающей конструкции и опора при постоянном подкреплении.
• Проходка ствола через водоносный грунт.
• Строительство шахты полностью в несвязном водонасыщенном грунте.
• Проходка туннеля через всю поверхность зернистого грунта.
• Проходка туннеля через смешанный грунт.
• Стабилизация грунта.

• Очень дорого.
• Требуется постоянный контроль.
• Объемное расширение воды при замерзании, приводящее к пучиниванию грунта и оседанию оттаивания.

Методы улучшения грунта для стабилизации грунта для различных целей

Методы улучшения грунта для стабилизации грунтов основания

Замораживание грунта | Geoengineer.org

В этом отчете представлен подробный обзор искусственного замораживания грунта (AGF) как метода улучшения условий на площадке для проектов гражданского строительства.

Искусственное замораживание грунта (AGF) — это метод улучшения грунта, при котором грунтовая масса определенной геометрии замораживается с использованием процесса охлаждения с использованием хладагента, либо охлажденного солевого раствора, либо жидкого азота, который циркулирует через замораживающие трубы, встроенные в земля. AGF обычно используется для стабилизации грунта и контроля грунтовых вод в самых разных областях, включая все типы почв.

Этот отчет основан на обзоре доступной литературы по замерзанию грунта и содержит краткую историю промерзания грунта и его влияния на типичные инженерно-геологические свойства.Далее обсуждаются соображения по внедрению замораживания грунта в полевых условиях, а также преимущества и недостатки процесса. Наконец, рассматриваются два тематических исследования внедрения AGF в полевых условиях.

История

Искусственное замораживание грунта (AGF) — это метод стабилизации грунта, включающий отвод тепла от грунта для замораживания поровой воды в грунте. Концепция замораживания грунта была впервые представлена ​​во Франции, а промышленное применение восходит к 1862 году, когда оно использовалось в качестве метода строительства шахтных стволов в Южном Уэльсе (Schmidt 1895).В конечном итоге этот метод был запатентован немецким горным инженером Ф. Х. Поетчем в 1883 году (иногда его называют процессом Поетча). Этот метод включает систему труб, состоящую из внешней трубы и концентрических внутренних подводящих труб, по которым циркулирует охлажденный хладагент (обычно рассол хлорида кальция). Охлаждающая жидкость перекачивается по внутренней трубе и обратно по внешней трубе. Затем он снова охлаждается в процессе охлаждения и возвращается по системе трубопроводов. Дальнейшее развитие техники AGF произошло во Франции в 1962 году, когда жидкий азот (LN2) был закачан в морозильные трубы вместо охлажденного соляного раствора хлорида кальция.Это позволяет гораздо быстрее заморозить грунт, если это необходимо. Жидкий азот проходит через морозильные трубы и испаряется в атмосферу (Sanger and Sayles 1979).

В настоящее время AGF применяется в самых разных инженерных проектах, где важны стабильность, состояние грунтовых вод и локализация. Примеры ситуаций включают: строительство вертикального ствола для добычи полезных ископаемых или туннелей, стабилизацию неинженерных земляных насыпей (большие препятствия), участки, требующие горизонтального доступа (например,грамм. навес ТПМ для строительства поперечного прохода), латеральная и вертикальная локализация загрязнения, перенаправление загрязнения, отсечение грунтовых вод (может быть привязано к коренной породе) и аварийная поддержка/стабилизация с использованием жидкого азота (Schmall and Braun 2006).

Во время процесса тепло отводится от почвы по цилиндрической схеме вокруг морозильных труб. При этом образуются столбы мерзлого грунта. Столбцы продолжают расширяться, пока не пересекутся. Отсюда замороженная масса будет расширяться наружу, создавая стену или сплошное кольцо из мерзлого грунта (Сэнгер и Сейлз, 1979).

В следующих разделах описывается влияние AFG на инженерные свойства грунтов, а именно на гидравлическую проводимость, жесткость, прочность на сдвиг и способность изменять объем. Кроме того, вводятся лабораторные испытания и классификация мерзлых грунтов по стандартам JGS и ASTM.

Гидравлическая проводимость мерзлых грунтов

При применении в проектах гражданского строительства для удержания или контроля подземных вод мерзлый грунт практически непроницаем.Ледяные трещины также имеют свойство заживать при повторном замораживании. Проблемы с проницаемостью возникают, когда процедуры замораживания выполняются неправильно, и грунт не промерзает полностью как единая масса, оставляя «окна» из незамерзшего грунта, которые могут поставить под угрозу способность мерзлого барьера удерживать и контролировать грунтовые воды или изолировать загрязняющее вещество в грунте. . Окна незамерзшей почвы часто обнаруживаются и измеряются с помощью ультразвукового метода измерения (Jessberger 1980).

Прочностные характеристики мерзлых грунтов

Прочностные характеристики мерзлых грунтов, как и любых других грунтов, зависят от ряда факторов, включая тип грунта, температуру, ограничивающее напряжение, относительную плотность и скорость деформации.Мерзлые грунты обладают большей прочностью, чем немерзлые грунты. Как правило, прочность мерзлого грунта увеличивается по мере снижения температуры и увеличения всестороннего напряжения.

Да Ре и др. В 2003 г. было проведено исследование трехосных прочностных характеристик замороженного манчестерского мелкозернистого песка (MFS), в котором образцы были изготовлены с различной относительной плотностью (20–100%), ограничивающими напряжениями (0,1–10 МПа), скоростями деформации (3 x 10-6 — 5 x 10-4 с-1) и температуры (от -2 до -25°C).

Результаты, представленные графически на рис. 1, показывают две отдельные области деформации, в которых мерзлый грунт действует по-разному.Небольшие деформации (менее 1% в осевом направлении) приводят к увеличению линейной прочности с наклоном (модулем), не зависящим от относительной плотности или ограничивающего напряжения. Величина начального предела текучести (во всех случаях при осевой деформации 0,5-1 %) увеличивается с увеличением скорости деформации и понижением температуры. Поведение при больших деформациях включает размягчение при деформации, демонстрируемое образцами, полученными при низкой относительной плотности и при низком всестороннем напряжении, до упрочнения при деформации, проявляемое образцами, приготовленными при высокой относительной плотности и высоком ограничивающем напряжении.

Рис. 1. Прочностные характеристики MFS (Da Re et al. 2003) исследование объясняется Корнфилдом и Зубеком, 2013. Они заявляют, что снижение напряжения выше начального предела текучести происходит из-за увеличения дробления и плавления под давлением замерзшей поровой воды. Ян и др. 2009 и Сюй и др. 2011 также показал, что по мере увеличения всестороннего давления прочность на сдвиг достигает пика, а затем снижается из-за дробления льда и таяния под давлением.Как правило, при температуре -10°C мерзлые пески и мерзлые глины имеют прочность на сжатие 15 МПа и 3 МПа соответственно (Klein 2012).

Прочность замороженной глины на сжатие была проанализирована Li et al. при переменных температурах, скоростях деформации и плотности в сухом состоянии. Глина была уплотнена до трех различных плотностей в сухом состоянии и имела предел текучести 28,8% и предел пластичности 17,7%. Испытания на одноосное сжатие проводились при различных температурах (от -2 до -15°C) и различных скоростях деформации (примерно от 1 x 10-6 до 6 x 10-4 с-1) при каждой плотности в сухом состоянии.Результаты исследования показали, что поведение прочности аналогично исследованию, проведенному Da Re et al. для замороженного МФС. Прочность на сжатие испытанной глины увеличивалась с увеличением скорости деформации, понижением температуры и увеличением плотности в сухом состоянии, аналогично поведению MFS, испытанному в исследовании Da Re et al. изучать. Кроме того, замороженные глины демонстрировали как деформационное упрочнение, так и деформационное размягчение после достижения начального предела текучести, которое сильно зависело от времени до разрушения, которое само по себе зависит от скорости деформации.Результаты исследования показали, что образцы мерзлой глины, нагруженные при низких скоростях деформации, достигли низкой прочности на одноосное сжатие (примерно 2 МПа, определяемой при деформации 10%, если не было достигнуто разрушения) при более длительном времени до разрушения, но проявляли свойства деформационного упрочнения. И наоборот, образцы замороженной глины, нагруженные с высокой скоростью деформации, достигли гораздо более высокой прочности на одноосное сжатие (примерно 6 МПа при разрушении), но показали размягчение при деформации (Li et al. 2004).

Жесткость мерзлых грунтов

Обычно мерзлые грунты более жесткие, чем незамерзшие.Да Ре и др. в своем исследовании прочности мерзлого грунта по MFS провели исследование модуля Юнга. Они обнаружили, что замороженный MFS имеет модуль Юнга примерно от 23 до 30 ГПа. Поскольку поведение прочности замороженного MFS при малой деформации было одинаковым для всех протестированных переменных, модуль Юнга не зависел от тестируемых переменных (относительная плотность, ограничивающее напряжение, скорость деформации и температура).

Рисунок 2. Нормализованное поведение напряжения-деформации MFS (Da Re et al.2003)

Рисунок 2 из Da Re et. al., 2003 показывает независимость модуля Юнга мерзлых песков путем нормализации напряжения сдвига с начальным пределом текучести. На рис. 2 также показаны различные объемные деформации из-за деформационного упрочнения или размягчения замороженного MFS после начального предела текучести, что обозначено поведением напряжение-деформация типа A, B, C или D.

Характеристики изменения объема мерзлого грунта

Во время фазового перехода из жидкого состояния в твердое вода увеличивается в объеме примерно на 9%, что приводит к вспучиванию грунта на поверхности земли (Lackner et al.2005). Вздутие из-за объемного расширения может привести к повреждению близлежащих конструкций (тоннелей, наземных сооружений) во время замерзания и оттаивания, поэтому во время AGF важно понимать свойства грунта и то, как они влияют на пучение грунта. Почва, проявившая пучение, также испытает осадку при оттаивании, что необходимо учитывать. В грунте также могут наблюдаться изменения объема из-за ползучести при нагрузке.

Пучение почвы происходит в почвах, где линзы льда образуются в пустотах. Структура грунта должна способствовать переносу воды из окружающих пустотных пространств к промерзающему фронту ледяной линзы за счет капиллярных сил.По этой причине илистые почвы особенно восприимчивы к заморозкам (Видианто и др., 2009).

Также важно отметить, что в некоторых случаях глины могут проявлять низкую морозостойкость. По мере того, как фронт промерзания движется наружу, глины проявляют вспучивание из-за объемного расширения ледяной линзы, однако перед фронтом промерзания может происходить консолидация, когда отрицательное поровое давление создается движением воды в зону промерзания. Чистый эффект пучения и консолидации под ледяной линзой может быть небольшим или незначительным на поверхности (Han and Goodings, 2006).Несмотря на это, почва на конкретном участке должна быть проверена на морозоустойчивость, если ожидается, что морозное пучение будет проблемой для близлежащих сооружений.

Общие лабораторные испытания мерзлых грунтов

Что касается мерзлых грунтов, ASTM и JGS имеют некоторые стандарты для лабораторных испытаний. Однако многие из этих испытаний либо применяются к покрытиям, многократным циклам замораживания-оттаивания, либо предоставляют информацию только в направлении теплового потока. JGS 0171-2003 представляет собой метод испытаний для прогнозирования морозного пучения грунта.В этом стандарте используется уравнение Такаши для морозного пучения в направлении теплового потока. Кани и др. 2013 предложил использовать трехмерный метод оценки с использованием уникального лабораторного оборудования и моделирования методом конечных элементов.

В настоящее время существуют стандарты для определения прочностных свойств при постоянной деформации (ASTM D7300-11) и свойств ползучести (ASTM D5520-11). Оба этих испытания проводятся при одноосном сжатии. Стандарты для трехосных испытаний незамерзшего грунта не применяются к мерзлым грунтам, и для получения сопоставимых результатов необходимы новые стандарты.

В настоящее время для мерзлых грунтов используется множество нестандартизированных лабораторных и полевых испытаний, включая (Oestgaard and Zubeck 2013):

• Прямой сдвиг (Bennett and Nickling 1984, Yasufuku et al. 2003).
• Трехосное сжатие (Baker et al. 1984, Arenson et al 2004).
• Одноосное растяжение (Zhu and Carbee 1987, Erckhardt 1981).
• Постоянная ползучесть (Andersland and Ladanyi 2004).
• Тест на релаксацию (Andersland and Ladanyi 2004).
• Thaw Consolidation (Моргенштерн и Никсон, 1971).
• Ползучесть манометра (Ladanyi 1982).
• Релаксация давления (Ladanyi 1982, Ladanyi and Melouki 1992).

Классификация мерзлых грунтов

Классификация и описание мерзлых грунтов в настоящее время документированы ASTM D4083-89 (повторно утвержденным в 2007 г.). Это включает описание как почвенной фазы, так и ледяной фазы материала. Описание фазы почвы такое же, как и для незамерзшей почвы, ASTM D2488.Затем замороженная фаза классифицируется в одну из двух групп: N для почвы без видимого льда и V для почвы со значительным видимым льдом.

Эти группы впоследствии разбиты на подгруппы, описанные в стандарте. На рисунках 3 и 4 показаны визуальные представления классификации видимого льда и отсутствия видимого льда в соответствии со стандартом ASTM D4083-89.

Рисунок 3. Видимый лед, структурированный в мерзлом грунте (ASTM D4083-89)

Видимый лед представлен черным цветом на рисунке 3.Видимый лед может существовать в структуре почвы в виде отдельных карманов льда (Vx), покрытий вокруг частиц почвы (Vc), неправильных образований (Vr) или слоистых образований (Vs).

Рисунок 4. Структура мерзлого грунта без видимого льда (ASTM D4083-89)

Как и на рисунке 3, лед представлен черным цветом на рисунке 4. мерзлый грунт, мерзлый грунт классифицируется по тому, насколько хорошо образец связан льдом.Мерзлая почва без видимого льда может быть плохо связана (Nf), хорошо связана без избыточного льда (Nbn) или хорошо связана с избыточным льдом (Nbe).

Sayles et al. 1987 дает несколько рекомендаций для полного описания мерзлого грунта. К ним относятся символ и описание USCS незамерзшей почвы, символ и описание мерзлой почвы, гранулометрический состав, пределы Аттерберга, а также физические свойства, такие как содержание льда (замороженная), содержание воды (незамерзшая), удельный вес, удельный вес почвы, насыщение. процент и соленость.Эти параметры оказывают сильное влияние на морозостойкость и поведение грунта. Для искусственного замораживания грунта рекомендуется использовать систему, описанную Andersland and Anderson 1978 (Sayles et al. 1987). Стилл и др. В 2013 г. было предложено разработать стандартизированное индексное тестирование для использования в классификации мерзлых грунтов.

Замораживание грунта в полевых условиях может выполняться с использованием различного оборудования, охлаждающих жидкостей и процедур. В следующих разделах приводится общий обзор реализации замораживания грунта.

Оборудование

Для наземной заморозки требуется мобильная холодильная установка. Установка может работать на хладагентах, таких как аммиак или CO2, и работает для отвода тепла от циркулирующей жидкости, которая обычно представляет собой рассол хлорида кальция или хлорида магния (Jessberger 1980).

Рисунок 5. Мобильные холодильные установки во время AGF (SoilFreeze)

Для большинства проектов обычно достаточно температуры рассола -25°C или ниже. Также доступны коммерческие рассолы, разработанные специально для использования с AFG.Важно исследовать свойства этих охлаждающих жидкостей, чтобы обеспечить совместимость с другим оборудованием (например, коррозия труб). Используемый хладагент может зависеть от температурных требований проекта, рассол хлорида магния замерзает при -34°C, а рассол хлорида кальция замерзает при -55°C.

LN2 кипит при температуре -196°C и может использоваться вместо обычного хладагента. Из-за крайне низкой температуры LN2 промерзание почвы при контакте с LN2 происходит гораздо быстрее.Таким образом, полное замораживание может быть выполнено намного быстрее с использованием жидкого азота вместо охлажденного рассола. Однако из-за более высокой стоимости это обычно используется для аварийной стабилизации, краткосрочной заморозки и проектов небольшого объема. В этом случае LN2 доставляется на площадку в специальных резервуарах для хранения и вставляется непосредственно в морозильные трубы. Он не циркулирует через холодильную установку. Скорее, ему позволяют испаряться на поверхности, как показано на рис. 5, после того, как он отводит тепло от почвы (Jessberger 1980).

Рисунок 6. Испарение жидкого азота во время AGF («замораживание грунта»)

В таблице 1 представлена ​​основная сводка относительных сравнений между охлажденным соляным раствором хлорида кальция и жидким азотом (LN2).

Таблица 1. Краткая информация о свойствах рассола хлорида кальция и жидкого азота для AGF

В более холодном климате можно использовать термосифоны для достижения температуры, необходимой для замораживания почвы. Термосифоны осуществляют конвекцию рабочей жидкости для отвода тепла от грунта и передачи его воздуху у поверхности земли.Чтобы этот процесс работал, температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры земли, поэтому он обычно используется в холодных регионах. Рабочая жидкость термосифона закапывается в землю, где содержащаяся в ней жидкость поглощает тепло, испаряется и поднимается вверх по сифону. Там он охлаждается окружающим воздухом, заставляя его конденсироваться и возвращаться на дно термосифона. Этот процесс показан на рисунке 6 ниже. Этот процесс является энергоэффективным, однако для его эффективного использования в процессе AGF требуется температура воздуха ниже точки замерзания.Если требуется дальнейшее замораживание, термосифоны с электроприводом можно использовать для снижения температуры грунта после достижения температуры окружающего воздуха (Wagner and Yarmak 2013).

Рисунок 7. Схема пассивного термосифона (Вагнер и Ярмак, 2012 г.)

Морозильные трубы могут быть изготовлены из различных материалов. Типичная установка может включать стальные наружные трубы диаметром 5 дюймов и пластиковые (например, полиэтиленовые) внутренние трубы диаметром 3 дюйма (Klein 2012). Трубы замораживания должны стоять вертикально и выдерживать боковое давление грунта, связанное с площадкой.Согласно историческому правилу, замораживающие трубы должны выдерживать давление 13 кПа на метр глубины заложения шахты (Klein 2012). Необходимо следить за целостностью замерзающих труб, чтобы предотвратить их повреждение из-за пучения грунта.

Одним из наиболее важных аспектов проекта AGF является мониторинг состояния почвы во время замерзания и оттаивания. Обычно рядом с мерзлой стеной бурят скважину, где устанавливают датчики температуры для контроля температуры грунта. Это имеет жизненно важное значение для конечного продукта (мерзлая отсечная стенка, мерзлая грунтовая масса и т.д.).Кроме того, отслеживаются вздутие и осадка грунта из-за замерзания и оттаивания грунта после завершения проекта. Если предстоит земляная работа за мерзлой стеной, для измерения прогиба стены можно использовать прогибометры, экстензометры и инклинометры. Чтобы определить, существуют ли какие-либо окна непромерзшего грунта в массиве мерзлого грунта, можно провести ультразвуковые измерения. Наконец, при необходимости выполняются специальные проектные измерения, такие как давление пучения и деформации существующих конструкций из-за пучения (туннелирование, фундаменты, специальные соображения проекта) (Jessberger, 1980).

С помощью компьютерных систем большая часть процесса AGF автоматизирована.

Автоматический сбор данных используется для измерения температуры и отклонения. Кроме того, компьютерные системы регулируют подачу теплоносителя в морозильные трубы для более точного контроля температуры грунта.

Методы проектирования и соображения

Возможно, самым важным шагом в обеспечении успешного внедрения AGF является характеристика площадки, как и для всех инженерно-геологических проектов.Тип грунта и грунтовые воды должны быть точно охарактеризованы, чтобы мерзлый грунт соответствовал проектным требованиям. В частности, для проектов AGF всегда следует брать пробы почвы и проверять их тепловые свойства. Подземные воды также проверяются на температуру и скорость замерзания. Высокая скорость грунтовых вод (> 2 м/сут) создает проблемы при промерзании грунта и может привести к образованию несплошностей. Меньшее расстояние между трубами, несколько рядов или использование LN2 можно использовать для противодействия высокой скорости грунтовых вод (FHWA 2013, Klein 2012).

Ксантакос и др. В 1994 г. рекомендуется, чтобы для труб диаметром 120 мм или меньше использовалось отношение расстояния между замораживающими трубами к диаметру, меньшее или равное 13. Необходимо также учитывать соленость грунтовых вод. На участках с высокой засоленностью будет наблюдаться ухудшение температуры замерзания и снижение прочности замерзания. По мере повышения солености морозное пучение, оседание оттаивания и сила пучения будут уменьшаться (Hu et al. 2010). Некоторые из этих изменений полезны, однако конечным результатом является менее консервативный план, если соленость не учитывается должным образом.Кроме того, соленость поровой воды может быть неоднородной. Области с более высокой концентрацией могут образовывать карманы незамерзшей воды или пленки незамерзшей воды вокруг частиц (Hu et al. 2010).

Дальнейшее рассмотрение помимо свойств почвы и грунтовых вод включает температуру окружающего воздуха, сроки реализации проекта и риск, а также ожидаемое пучение и осадку почвы. Если температура окружающего воздуха достаточно низкая, термосифоны могут быть более энергоэффективным решением. В случае чрезвычайной ситуации, требующей немедленного замораживания грунта, например, локализация загрязненного грунта или вопросы планирования строительства, вместо охлажденного рассола в качестве хладагента может использоваться жидкий азот.Наконец, конструкции также должны быть чувствительны к ожидаемому пучению грунта при замерзании и оседанию при оттаивании. Фазовый переход от воды к льду может вызвать увеличение объема до 9%, что приводит к вздыманию почвы во время замерзания (Lackner et al, 2005).

Расчетные параметры, определенные на основе характеристик объекта, часто моделируются с использованием компьютерных программ метода конечных элементов (МКЭ), таких как Ansys. Это может быть необходимо для более сложных сценариев и подземных условий. Дополнительные программы, такие как SEEP/W и AIR/W от GeoStudio, могут при необходимости моделировать граничные условия конвективной поверхности (Geo-Slope).TEMP/W используется в GeoStudio для моделирования тепловых изменений в грунте.

Благодаря своим непроницаемым свойствам мерзлый грунт является отличным материалом для изоляции от грунтовых вод. Замораживание грунта использовалось для создания водонепроницаемого уплотнения вокруг раскопок в соляных шахтах и ​​вокруг них. Он также может быть связан с коренной породой и другими особенностями недр (Schmall and Braun 2006). Это создает непроницаемый барьер, который может проникать в трещиноватую коренную породу. Следует отметить, что гидравлическая проводимость породы может увеличиваться после оттаивания за счет дальнейшего раскрытия трещин при промерзании.

Время заморозки

Искусственное замораживание грунта может занять много времени. Охлажденный рассол лучше подходит для проектов с более длительными временными рамками, порядка недель или месяцев. Рассол циркулирует по системе трубопроводов во время фазы замерзания, пока земля полностью не замерзнет. После того, как почва достаточно промерзла, температуру поддерживают постоянной на этапе обслуживания. Жидкий азот можно использовать для быстрого замораживания грунта, так как его температура намного ниже, а заморозка может быть достигнута за считанные дни.Он часто используется в чрезвычайных ситуациях, когда необходима быстрая стабилизация или локализация (van Dijk and Bouwmeester-van der Bos, 2001). Время застывания зависит от нескольких факторов, главными из которых являются расстояние между трубами и температура. Столб замерзания распространяется радиально вокруг каждой трубы. Грунт считается полностью мерзлым, когда промерзающие столбы перекрылись и все пространство между ними промерзло. Большее расстояние коррелирует с более длительным временем замораживания (Johansson 2009).

Рисунок 8.AGF с рассолом, требуемое время замерзания в зависимости от расстояния между трубами (по Jessberger and Vyalov 1978)

Рисунок 8 иллюстрирует эту зависимость как для песчаных, так и для глинистых почв. Глинистые грунты, как правило, требуют более длительного времени замерзания, чем песчаные, при том же расстоянии между трубами. Более высокое содержание влаги потребует более длительного времени замораживания, поскольку необходимо заморозить большее количество воды. Как и ожидалось, более низкая температура рассола уменьшит необходимое время замораживания.

Стоимость

Стоимость типичного проекта AGF может сильно различаться в зависимости от потребности в энергии, размера зоны замораживания, конкретных трудностей на месте, хладагента (жидкий азот намного дороже рассола) и временных рамок.Замораживание грунта становится рентабельным по сравнению с другими методами, когда конкретные преимущества AGF используются в проекте (Schmall and Braun 2006). AGF может стать желаемым методом из-за сложных грунтовых условий (например, слабых слоев, неинженерных насыпей) или когда в противном случае потребуется набор методов улучшения (van Dijk and Bouwmeester-van der Bos 2001).

Внутренний инженерный корпус проанализировал экономическую эффективность увеличения размера проекта по замораживанию грунта в ходе операции по локализации мерзлых грунтовых отходов в Ft.Детрик, доктор медицины. Геометрия замороженной зоны увеличилась, и, следовательно, были оценены дополнительные затраты на материалы, потребности в энергии и общие капитальные затраты. Требовалось примерно в 6,3 раза больше длины морозильной трубы по сравнению с первоначальной конструкцией, чтобы достичь примерно в 6,7 раз большей потребности в энергии по сравнению с исходной конструкцией. Понесенные капитальные затраты оценивались в 6,4 раза выше стоимости первоначального проекта (Grant, 2001). Исследование Гранта предполагает примерно линейную зависимость между длиной морозильной трубы, потребностью в энергии и ростом затрат в некоторых проектах.Важно признать, что это может не отражать соотношение энергии и стоимости проекта AGF. Каждый проект будет отличаться по дизайну и требованиям.

В настоящее время замораживание грунта становится все более конкурентоспособным методом с точки зрения затрат даже для основных геотехнических применений. Как правило, стена из мерзлого грунта может стоить от 30 до 60 долларов за квадратный фут мерзлого грунта (Даниэль Маго, личное сообщение, 14 апреля 2014 г.).

В следующих разделах описаны типичные преимущества и недостатки использования AGF.

Преимущества

Замораживание грунта является чрезвычайно универсальным методом временного улучшения грунта или отсечки.

Применяется ко всему диапазону почв при условии, что почва близка к насыщению или полностью насыщена. Если содержание воды неприемлемо, ее можно добавить при условии, что вода не будет быстро стекать из почвы (Schmall and Braun 2006). В дополнение к тому, что он применим ко всему диапазону почв, он также применим к сложным грунтовым условиям, включая большие валуны и булыжники, а также неинженерные насыпи, богатые мусором.Хороший пример применимости замораживания грунта продемонстрирован в проекте Бостонской центральной артерии/туннеля (CA/T), который обсуждается далее в этом отчете в разделе «Современные приложения в гражданском строительстве».

Кроме того, замораживание грунта может привести к созданию отсечных стен или массивов мерзлого грунта различной геометрической формы (показанных на рис. 8), просто путем изменения расположения и расстояния между морозильными трубами. Это особенно важно при прокладке туннелей, когда замораживающие трубы устанавливаются горизонтально и под разными углами, чтобы создать стабильный мерзлый грунт для поддержки туннелей и земляных работ.

Рисунок 9. Примеры конфигураций замороженных барьеров (стена, ограждение, сплошной блок) (Вагнер и Ярмак, 2012 г.)

может быть достигнуто с помощью нескольких методов, которые в сочетании дают такой же эффект, как и применение только одного замораживания грунта. Опять же, проект Boston CA/T был одним из таких проектов, в котором было определено, что замораживание грунта является наиболее экономически эффективным решением с использованием процесса оптимизации стоимости.

Недостатки

Замораживание грунта является очень энергоемким процессом, требующим охлаждения большого количества грунта в течение длительного периода времени, что очень дорого. Затраты увеличиваются только в том случае, если для более быстрого замораживания почвы требуется жидкий азот.

Кроме того, замораживание грунта требует тщательного мониторинга: температуры рассола, температуры грунта, прогибов прилегающих или близлежащих сооружений, вздутия и оседания на поверхности земли, солености грунтовых вод, давления в замораживающих трубах (обнаружение утечек), толщины мерзлой стенки и расположение и размеры возможных окон в замороженной стене, а также другие измерения, характерные для данной площадки.

Возможные неудачи проекта AGF могут произойти в результате неправильного мониторинга или установки. Расстояние между морозильными трубами может быть таким, что барьер мерзлой стены не является полным, оставляя окна незамерзшей почвы, или таким, что толщина мерзлой стены не контролируется и становится слишком большой, создавая ненужные нагрузки на близлежащие конструкции и почву. Кроме того, неправильное крепление морозильных труб может привести к утечке рассола.

Кроме того, неотъемлемым недостатком является объемное расширение воды при замерзании, приводящее к вздутию почвы и оттаиванию, что может привести к повреждению соседних или близлежащих сооружений, если их не контролировать и не учитывать при регулярном техническом обслуживании сооружений.Вздутие и оседание почвы также могут повредить оборудование AGF, чаще всего морозильные трубы, что приведет к утечке и потребует обслуживания. В тех случаях, когда значительные осадки могут привести к повреждению вышележащих или заглубленных конструкций, необходимо следить за тем, чтобы грунт под конструкциями не промерзал во избежание осадок при оттаивании.

В следующих разделах представлен краткий обзор проектов, в которых успешно реализовано замораживание грунта, включая конкретные соображения и препятствия, которые были преодолены при внедрении AGF.

Центральная артерия/тоннель Бостона (CA/T)

Бостонский проект CA/T, возможно, является наиболее известным на сегодняшний день применением массивного замораживания грунта. Проект предусматривал строительство подземных туннелей для скоростных автомагистралей взамен устаревшей системы надземных автомагистралей. Три туннеля должны были быть построены с использованием туннельных домкратов.

Подповерхностный профиль состоял из различных насыпных материалов (валунов, булыжников, бетонных и стальных фрагментов, дерева, кирпича, гранитных блоков и др.) на протяжении 6-8 метров, перекрывающих 3-5 метров органических илов, глин и торфа, вышележащий 1.5 метров плотного илистого песка, перекрывающего 5 метров морских глин. Чтобы стабилизировать забой туннеля, первоначальный проект предусматривал сочетание методов улучшения грунта, чтобы справиться с экстремальной изменчивостью почвы, включая химическое цементирование, обезвоживание, горизонтальное струйное цементирование и забивание почвы гвоздями.

Рис. 10. Вертикальный разрез туннеля во время эксплуатации (Dijk and Bouwmeester-van den Bos 2001)

Инженерно-экономическое исследование показало, что AGF может обеспечить необходимую устойчивость через каждый слой грунта на участке с меньшими затратами, чем внедрение четыре различных метода улучшения грунта, поэтому он был выбран для обеспечения устойчивости забоя туннеля для земляных работ и поддержки системы подъема туннеля.

Для проекта Boston CA/T потребовалось несколько соображений по проектированию для конкретной площадки. Секции туннеля были построены под железной дорогой (показана на рис. 9), поэтому морозильные трубы были изолированы сверху, чтобы поверхность земли не оттаивала для эксплуатации и технического обслуживания железной дороги. Температура и пучение грунта контролировались на протяжении всего проекта, и любые повреждения железнодорожной системы устранялись с помощью планового технического обслуживания. Кроме того, замораживающие трубы были заделаны примерно на 1 метр выше обратной стороны туннеля, чтобы предотвратить оттаивание туннеля после строительства.Наконец, тепловые трубы были установлены по краям замороженных отрезанных стен, чтобы предотвратить нагрузку на систему подъема туннеля во время земляных работ.

Рис. 11. Железнодорожная эксплуатация вокруг замораживающих труб (FHWA 2013)

В проекте успешно использовался метод охлаждения охлажденным рассолом AGF и варьировалось расстояние между трубами для контроля времени замораживания. Для туннеля Ramp D требовалось более короткое время замораживания, чем для двух других туннелей, поэтому расстояние между трубами замораживания было меньше (2.1 метр по сравнению с 2,4 метра). Время замораживания составляло порядка 3-4 месяцев, в зависимости от расстояния между трубами замораживания.

Один системный сбой во время заморозки. Морозильные трубы были повреждены из-за морозного пучения, обнаружены течи. Эти утечки были устранены, и все трубы были снабжены резервными стальными муфтами с закрытыми концами для предотвращения будущих утечек.

Проект был успешно завершен без каких-либо дальнейших задержек из-за отказов системы замораживания грунта.Бостонский проект CA/T является примером успешного внедрения замораживания грунта в чрезвычайно изменчивых почвенных условиях на огромном объеме почвы (van Dijk and Bouwmeester-van den Bos, 2001).

Нидерланды Sophiaspoorttunnel

Целью проекта Sophiaspoorttunnel было строительство четырнадцати поперечных переходов между параллельными железнодорожными туннелями.

Рис. 12. Поперечное сечение служебной шахты и поперечных переходов (Crippa and Manassero 2006)

Подповерхностный слой состоял из слоя глины толщиной 15 м над слоем рыхлого песка толщиной 10 м (через который проходит большинство тоннелей). существуют) над другим слоем глины.Уровень грунтовых вод находился на глубине 25 м.

Для каждого из четырнадцати поперечных переходов между туннелями горизонтально были установлены замораживающие трубы для создания горизонтального столба мерзлого грунта для земляных работ и поддержки туннеля. Успешно использовались как охлажденный рассол (10 поперечных проходов), так и жидкий азот (4 поперечных прохода). Расстояние между трубами в среднем составляло 1 метр. На каждый переход устанавливалось от 25 до 29 морозильных труб для осуществления заморозки с расчетной толщиной стенки 1.от 8 до 2,3 м. Общий объем мерзлого грунта по всем поперечным переходам составил 4400 кубометров.

В соответствии с проектом методу с солевым раствором требовалось больше времени для полного замораживания и закрытия, чем методу с жидким азотом. В частности, при рассольном способе закрытие оболочки достигалось за 8-15 сут, а минимальная расчетная толщина достигалась за 34-67 сут. Для метода жидкого азота закрытие было достигнуто через 4-7 дней, при этом минимальная расчетная толщина была достигнута через 9-14 дней, что намного быстрее, чем метод с рассолом (Криппа и Манассеро 2006).

Проведенное в Нидерландах исследование туннеля Sophiaspoort является хорошим примером применения методов AGF с рассолом и жидким азотом и обеспечивает сравнение временных рамок для каждого метода, применяемого в полевых условиях.

Искусственное замораживание грунта — это универсальный метод улучшения и устойчивости грунта. Применимость AGF охватывает большинство типов почв, включая неинженерные насыпи, валуны и другие крупные препятствия, а также слабые мелкозернистые почвы. Он использовался для строительства вертикальных стволов для добычи полезных ископаемых, стабилизации грунтовых насыпей, богатых мусором, горизонтальной стабилизации для проходки туннелей, вертикального и / или бокового удержания загрязняющих веществ, перенаправления загрязняющих веществ, отсечки грунтовых вод, привязанных к коренной породе, и аварийной стабилизации с использованием жидкого азота.

AGF создает непроницаемый барьер из мерзлого грунта или массы, которая имеет более высокую прочность и жесткость, чем незамерзший грунт. Это также может привести к вздутию почвы и последующему оттаиванию, что может стать проблемой для близлежащих сооружений. Надлежащая характеристика участка является ключом к прогнозированию последствий промерзания почвы на почве на конкретном участке. Стандарты лабораторных испытаний доступны как в ASTM, так и в JGS. Стандарты классификации мерзлых грунтов задокументированы ASTM.

AGF реализуется в полевых условиях с использованием передвижной холодильной установки, которая циркулирует охлажденный рассол хлорида кальция по морозильным трубам, отводя тепло от почвы и замораживая поровую воду в почве. Можно также использовать жидкий азот, однако допускается его испарение в атмосферу, а не рециркуляция. Необходимо принять во внимание ряд проектных соображений, таких как расстояние между замораживающими трубами, время замерзания, скорость грунтовых вод, насыщенность, соленость поровой воды, предполагаемое пучение почвы и затраты.

Температуру грунта и теплоносителя, а также пучение грунта, осадку и давление на существующие конструкции, а также на замораживающие трубы важно контролировать при реализации программы искусственного замораживания грунта. В целом, искусственное замораживание грунта имеет широкий спектр применений и историю успешного применения в полевых условиях. Он стал экономически конкурентоспособным по сравнению с традиционными методами стабилизации грунта и может применяться в самых разных проектах.

• Андерсланд, О.Б., и Андерсон, Д.М. (1978). «Геотехническая инженерия для холодных регионов». Макгроу Хилл, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
• Андерсланд, О. и Ладаньи, Б. (2004). Техника мерзлых грунтов, 2-е изд., Wiley and Sons, Хобокен, Нью-Джерси.
• Аренсон Л., Йохансен М. и Спрингман С. (2004). «Влияние объемного содержания льда и скорости деформации на прочность на сдвиг в трехосных условиях для образцов мерзлого грунта». Вечная мерзлота Periglac., 15, 261-271.
• Стандарт ASTM D2488 (2000 г.).«Стандартная практика описания и идентификации почв (визуально-ручная процедура)», ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания.
• Стандарт ASTM D4083-89 (2007 г.). «Стандартная практика описания мерзлых грунтов (визуально-ручная процедура)», ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания.
• Стандарт ASTM D5520-11 (2012 г.). «Стандартный метод испытаний для лабораторного определения свойств ползучести образцов мерзлого грунта путем одноосного сжатия», ASTM International, West Conshohocken, PA.
• Стандарт ASTM D7300-11 (2012). «Стандартный метод испытаний для лабораторного определения прочностных свойств мерзлого грунта при постоянной скорости деформации», ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания.
• Бейкер Т.Х.В., Джонс С.Дж. и Парамесваран В.Р. (1981). «Испытания на замкнутое и неограниченное сжатие мерзлых песков». 4-я Канадская конференция по вечной мерзлоте, Калгари, Альберта, 387-393.
• Беннет Л. и Никлинг В. Г. (1984). «Характеристики прочности на сдвиг замороженных крупнозернистых обломков.J. Glaciol., 106(30).
• Криппа, К. и Манассеро, В. (2006). «Искусственное замораживание грунта в туннеле Софиаспор (Нидерланды) — параметры замораживания: сбор и обработка данных». ГеоКонгресс 2006, 1-6.
• Да Ре, Г. и др. (2003). «Трехосное испытание мерзлого песка: оборудование и примеры результатов». Журнал инженерии холодных регионов, 17 (3), 90-118.
• Дейк, П. и Боумистер-ван ден Бос, Дж. (2001). «Широкомасштабное применение искусственного замораживания грунта». Технология мягкого грунта, 315-330.
• Эркхардт, Х. (1981). «Испытания на ползучесть мерзлых грунтов при одноосном растяжении и одноосном сжатии». Мемориальный том Роджера Дж. Э. Брауна, Proc. 4-й Канадской конференции по вечной мерзлоте, Национальный исследовательский совет Канады. Калгари, Альберта. стр. 394-405.
• FHWA (2013 г.). «Техническое руководство по проектированию и строительству автодорожных тоннелей — Гражданские элементы». (6 апреля 2014 г.).
• Гео-Склон (2014). «Термический анализ с TEMP/W». Гео-Слоуп Интернэшнл.
• Грант, С.(2001). «Ожидаемый экономический эффект от увеличения размера проекта по сбору мерзлых отходов в Ft. Детрик, Мэриленд. ERDC/CRREL TN-01-1 2001, 1-4.
• «Замораживание грунта». MoreTrench (6 апреля 2014 г.).
• Хан, С. и Гудингс, Д. (2006). «Практическая модель морозного пучения в глине». Дж. Геотех. Геосреда. англ., 132(1), 92–101.
• Hu, X. et al. (2010). «Проблема безопасности при замораживании проектов в засоленных почвах». Улучшение грунта и геосинтетика, 255-262.
• Японские геотехнические стандарты.СГС 0171-2003. (2003). «Метод испытаний для прогнозирования морозного пучения почв». Японские геотехнические стандарты.
• Японские геотехнические стандарты. JGS 0172-2003. (2003). «Метод испытания морозостойкости почв». Японские геотехнические стандарты.
• Джессбергер, Х. (1980). «Теория и применение замораживания грунта в гражданском строительстве». Наука и технологии холодных регионов, 3 (1980), 3-27
• Стандарт JGS 0171-2003, «Метод испытаний для прогнозирования морозного пучения почв»
• Джессбергер, Х.и Вялов, С. (1978). «1-й начальный симпозиум по замораживанию грунта». Бохум, том (2).
• Йоханссон, Т. (2009). «Искусственное промерзание грунтов в глинистых грунтах – лабораторные и полевые исследования деформаций при оттаивании на Ботнической линии». Докторская диссертация, KTH, Div of Soil and Rock Mech.
• Кани, С. и др. (2013). «Экспериментально-практическая методика оценки трехмерного пучения мерзлых грунтов». ИСКОРД 2013, 164-174.
• Кляйн, Дж. (2012). «Часто задаваемые вопросы по заморозке шахт в рассоле.Geoengineer.org, engineering.org/multimedia-virtual/item/257-faqs-for-brine-freezing-of-shafts> (18 марта 2014 г.).
• Лакнер, Р. и др. (2005). «Искусственное замораживание полностью насыщенного грунта: тепловая проблема». Дж. Инж. мех., 131(2), 11–220.
• Ладаньи, Б. (1982). «Испытания скважины на ползучесть и релаксацию в вечной мерзлоте, богатой льдом». проц. 4-й Канадской конференции по вечной мерзлоте, 406–415.
• Ладаньи Б. и Мелуки М. (1992). «Определение ползучести мерзлых грунтов методом скважинных испытаний на релаксацию напряжений».» Могу. Геотех. Дж., 30, 170-186.
• Ли, Х. и др. (2004). «Влияние температуры, скорости деформации и плотности в сухом состоянии на прочность на сжатие насыщенной замороженной глины». Наука и технологии холодных регионов, 39, (2004) 39–45.
• Маго, Даниэль. (2013). «Изоляционное хранилище ливневых вод I-405». SoilFreeze
• Моргенштерн, Н. Р., и Никсон, Дж. Ф. (1971). «Одномерное уплотнение оттаивающих грунтов». Департамент гражданского строительства, Университет Альберты, Эдмонтон, Альберта.
• Эстергард, Ф.Э. и Зубек, Х.К. (2013), «Практика испытаний мерзлых грунтов». Механические свойства мерзлых грунтов, STP 1568, Zubeck, H. and Yang, Z. Eds., стр. 62-75, ASTM International, West Conshohocken, PA.
• Сангер Ф.Дж. и Сейлс Ф.Х. (1979). «Тепловые и теологические расчеты для строительства искусственно мерзлых грунтов». англ. геол., 13, 311-337.
• Sayles, F. et al. (1987). «Классификация и лабораторные испытания искусственно мерзлых грунтов». Журнал инженерии холодных регионов, 1 (1), 22–48.
• Шмалль, П. и Браун, Б. (2006). «Замораживание грунта — жизнеспособный и универсальный метод строительства». Инженерия холодных регионов 2006, 1-11.
• Шмидт, М.Ф. (1895 г.). «L’emploi de la congelation pour l’execution de travaux dans les Terrains Aquiferes (Использование замораживания для работы в водоносных грунтах)». Бык. Соэ.
• Индивидуальный Мин. Сент-Этьен, 9, 3д ряд, к895.
• Вагнер, А. и Ярмак-младший, Э. (2013). «Производительность искусственных замороженных барьеров». ИСКОРД 2013, 116-127.
• Вагнер, А. и Ярмак, младший, Э. (2012). «Демонстрация искусственного ледяного барьера». ERDC/CRREL TR-12-12 2012, 1-28.
• Видианто и др. (2009). «Проект фундамента для Frost Heave». Инженерия холодных регионов, 2009 г., стр. 599-608.
• Ксантакос, П.П., Абрамсон, Л.В., и Брюс, Д.А. (1994). «Наземный контроль и улучшение». John Wiley & Sons, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
• Сюй, X., Лай, Ю., Донг, Ю., и Ци, Дж. (2011). «Лабораторные исследования прочностных и деформационных характеристик ледонасыщенного мерзлого песчаного грунта.«Холодные регионы Науки. техн., 69, 98-104.
• Ян Ю., Лай Ю. и Ли Дж. (2009). «Лабораторные исследования прочностных характеристик мерзлого песка с учетом влияния всестороннего давления». Науки о холодных регионах. техн., 60, 245-250.
• Ясуфуку, Н., Спрингман, С.М., Аренсон, Л.У., и Рамхольт, Т. (2003). «Стресс-дилатансивное поведение мерзлого песка при прямом сдвиге». Вечная мерзлота, Swets and Zeitlinger, Амстердам, с. 1253.
• Чжу Ю. и Карби Д.Л. (1987). «Прочность на растяжение мерзлого ила.Отчет CRREL 87-15: Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов, Ганновер, Нью-Хэмпшир.

Когда следует использовать замораживание грунта при бестраншейном строительстве

Замораживание грунта, также известное как искусственное замораживание грунта, представляет собой метод временной стабилизации грунта, обычно используемый при бестраншейном строительстве подземных шахт, шахт и тоннелей. По сути, это включает использование сети труб для циркуляции хладагента вблизи места бурения для замораживания окружающего грунта.Мерзлый грунт, который может быть таким же твердым, как бетон, очень стабилен и позволяет выполнять бестраншейную проходку туннеля в сложных грунтовых условиях.

Замораживание грунта обычно используется в ситуациях, когда обычные методы временной стабилизации, такие как обезвоживание, укрепление, цементация или перемешивание грунта, невозможны или неосуществимы. Это может произойти при раскопках, где давление грунтовых вод чрезмерно или когда окружающий грунт очень нестабилен.

Искусственное промерзание грунта создает ледяную глыбу вокруг рассматриваемой области, которая затем пробивает тоннелепроходческую машину (ТБМ), образуя отверстие, облицованное сплошной высокопрочной ледяной стеной.Этот метод стабилизирует окружающее пространство до начала проходки туннеля, что делает его идеальным для бурения в чрезвычайно слабых грунтах, требующих немедленной стабилизации. Поскольку грунт стабилизируется заранее, замораживание грунта можно использовать для бурения туннелей рядом с существующей инфраструктурой с минимальным потенциалом нарушения грунта и оседания грунта.

Этот метод также следует рассматривать при проходке туннелей, где присутствует значительное количество грунтовых вод. Замораживание грунта перед началом буровых работ позволяет вести проходку тоннелей без риска проникновения грунтовых вод.Мало того, что близлежащие грунтовые воды заранее замерзают и затвердевают, ледяная стена также действует как барьер, препятствующий проникновению воды на выкопанную территорию.

Этот метод особенно ценен, когда количество грунтовых вод вблизи котлована превышает разумную производительность насосов.

Сегрегационный потенциал промерзающего грунта.

6 81.

84. Ползучесть геоматериалов – некоторые результаты проекта ЕС CREEP

85. Влажность почвы, температура грунта и деформация высокоскоростной железной дороги набережная в Северо-Восточном Китае

86. Термогидросолемеханическая совмещенная модель насыщенных пористых сред на основе кинетики кристаллизации

87. Каноп-эффект, вызванный паропереносом в покрытых промерзающими грунтами

88. Экспериментальные и теоретические исследования образования линз льда в деформируемых пористых средах

89. Исследование порового давления воды и явлений консолидации в немерзлой зоне при промерзании грунтов

90. Применение практического метода одномерной оценки морозного пучения в двухмерной ситуации

92. Корректировка индекса промерзания воздуха для проектирования защиты от промерзания дорожного покрытия с учетом будущих климатических изменений

93. Модель потенциала миграции влаги миграция при промерзании грунта

94. Лабораторное исследование восприимчивости к морозному пучению мелкозернистого грунта, образовавшегося в результате истирания диоритового агрегата

95. Эффекты тепломассопереноса механизмов роста льда в полностью водонасыщенном грунте

96. Теплогидромеханический анализ морозного пучения и оттепели оседания

97. Образование и рост линз марсианского льда

123. Теоретическая основа для моделирования пористых геоматериалов под морозом Действия: Обзор

124. Механическое моделирование мерзлых грунтов с учетом влияния криогенного отсоса и температуры

125. Открытые разрывы в грунтах

126. Трубопроводы в вечной мерзлоте: геотехнические вопросы и уроки12010 Р.М. Адрес Харди, 63-я Канадская геотехническая конференция.

127. Течение воды и перенос тепла, включая фазовый переход лед/вода в пористых средах: Численное моделирование и применение

128. Связанная термогидромеханическая модель для пористых материалов при морозном воздействии: теория и реализация

129. Оценка роли дифференциального морозного пучения в возникновении несортированных кругов

130. Морозов в коллоидных почвах

131. Мороза тяга и фазовая нестабильность в морозильных почвах

133. Моделирование Модели тяги в морозильных почвах

134. Соединительная модели моделирования для миграции льда

135. Взаимодействие грунт-среда в инженерно-геотехнических работах

136. Дифференциальное пучение мороза на пересечениях трубопроводов и дорог

137. Моделирование процесса промерзания в мелкозернистых пористых средах: приложение к оценке пучения мороза 9005

3

164. Оценка морозной нагрузки в траншее: теория и эксперимент

165. Механизм морозного пучения пленочной миграцией воды в условиях температурного градиента

168. Геотехнические соображения

169. измерения давления поры при замораживании переопределенных глинейных сил

170 Характеристики морозного пучения глинистого ила, подверженного малым градиентам температуры

171. Промерзание глинистого ила, загрязненного органическим растворителем

172. Квазистационарные задачи в промерзающих грунтах: III. Анализ экспериментальных данных

173. Квазистационарные задачи в промерзающих грунтах. II. Эксперимент по устойчивому росту слоя льда

174. Новая концепция пучинистых характеристик грунтов, Отто Дж. Свеч

175. Новая концепция морозно-пучинистых характеристик грунтов, Отто J. Svec

176. Квазистационарные задачи в промерзающих грунтах: I. Анализ стационарного роста слоя льда

177. Вопросы теории сегрегационного потенциала

178. Влияние скорости охлаждения на температуру образования линз льда в глинистых илах

179. Новая концепция пучинистости грунтов

08005 18005 179. режима промерзания на характеристики морозного пучения. осмотическая модель для замораживания почвы

184. замерзание на землю ’85 — аннотация

185.

185. Природа штрафов, производимых в совокупной обработке

186. Процедура определения сегрегации потенциал замораживания почв

187. Об устойчивом росте сегрегации льда в промерзающем грунте при незначительном давлении на вскрышные породы

188. Прогноз полевого пучения мороза, связанного с процессами сегрегации льда при промерзании грунта

189. Роль тепловодопереноса в морозном пучении мелкозернистых пористых сред при незначительном горном давлении

190. Физика математических моделей морозного пучения: обзор

191. Теплообмен в грунтах

воздействие на источники азота и углерода, вымываемые во время таяния снега

.gov означает, что это официально.
Веб-сайты федерального правительства часто заканчиваются на .gov или .mil. Прежде чем делиться конфиденциальной информацией, убедитесь, что вы находитесь на сайте федерального правительства.

Сайт защищен.
https:// гарантирует, что вы подключаетесь к официальному веб-сайту и что любая предоставленная вами информация шифруется и передается безопасно.

Автор(ы):

Эндрю Б.Райнманн

Памела Х. Темплер

Тип публикации:

Научный журнал (JRNL)

Первичная(ые) станция(и):

Северная исследовательская станция

Источник:

Журнал Американского общества почвоведов.78(1): 297-308.

Описание

Было показано, что промерзание почвы зимой увеличивает потери углерода и азота в вегетационный период в северных лесах. Однако меньше известно о влиянии промерзания почвы на удержание C и N во время таяния снега и источниках выщелачивания C и N, что важно, поскольку потери с речной водой в этот период наибольшие. Почвы органического горизонта (Oi + Oe + Oa) из экспериментального леса Хаббард-Брук в Нью-Гемпшире, США, были помещены в колонны в ходе лабораторного эксперимента и подвергнуты одной из трех различных температурных обработок (+5.0, -0,5 и -15,0°С) до того, как их засыпали снегом и поместили в холодную комнату +5,0°С, чтобы вызвать таяние снега. Результаты для всех температурных обработок показали, что потоки всех форм C и N уменьшались по мере таяния снега, что указывает на смыв ограниченного резервуара почвы. Качество растворенного органического вещества (РОВ) становилось все более ароматным, в то время как δ15N-NO3- снижалось, что указывает на то, что по мере того, как лабильное органическое вещество и азот становятся менее доступными во время таяния снега, большая часть азота проходит через микробный пул.Мягкое промерзание почвы мало повлияло на обработку C и N; однако сильное промерзание почвы привело к замедлению выщелачивания и выбросу лабильного РОВ. Сильномерзлые почвы также значительно меньше выщелачивали растворенный неорганический N (DIN; Nh5+ и NO3-), вероятно, из-за ингибирующего действия экстремально низких температур почвы на микробную продукцию. Эти результаты подчеркивают важность зимнего климата в регулировании потоков и источников углерода и азота, выщелачиваемых во время таяния снега, что влияет на качество речной воды.

Цитата

Кэмпбелл, Джон Л.; Райнманн, Эндрю Б .; Темплер, Памела Х. 2014. Влияние замерзания почвы на источники азота и углерода, вымываемые во время таяния снега. Журнал Общества почвоведов Америки. 78(1): 297-308.

Цитируется

Примечания к публикации

• Мы рекомендуем вам также распечатать эту страницу и прикрепить ее к распечатке статьи, чтобы сохранить полную информацию о цитировании.
• Эта статья была написана и подготовлена ​​служащими правительства США в официальное время и поэтому находится в открытом доступе.

https://www.fs.usda.gov/treesearch/pubs/46424

%PDF-1.6 % 41 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 41 88 0000000016 00000 н 0000002439 00000 н 0000002502 00000 н 0000003095 00000 н 0000003545 00000 н 0000004077 00000 н 0000004487 00000 н 0000004908 00000 н 0000005086 00000 н 0000005311 00000 н 0000005838 00000 н 0000006427 00000 н 0000006815 00000 н 0000007002 00000 н 0000007187 00000 н 0000007483 00000 н 0000007756 00000 н 0000008042 00000 н 0000008155 00000 н 0000008266 00000 н 0000008358 00000 н 0000008655 00000 н 0000008977 00000 н 0000009557 00000 н 0000010002 00000 н 0000010554 00000 н 0000011167 00000 н 0000014357 00000 н 0000014785 00000 н 0000015339 00000 н 0000016326 00000 н 0000016467 00000 н 0000017298 00000 н 0000018132 00000 н 0000019058 00000 н 0000019856 00000 н 0000020670 00000 н 0000021262 00000 н 0000021345 00000 н 0000025575 00000 н 0000026098 00000 н 0000026708 00000 н 0000027494 00000 н 0000028424 00000 н 0000037969 00000 н 0000048037 00000 н 0000048725 00000 н 0000059322 00000 н 0000059438 00000 н 0000059466 00000 н 0000062128 00000 н 0000069067 00000 н 0000072757 00000 н 0000169901 00000 н 0000169974 00000 н 0000170230 00000 н 0000170303 00000 н 0000170624 00000 н 0000170658 00000 н 0000170721 00000 н 0000170836 00000 н 0000171144 00000 н 0000171218 00000 н 0000171482 00000 н 0000171556 00000 н 0000171823 00000 н 0000180893 00000 н 0000180974 00000 н 0000181250 00000 н 0000181320 00000 н 0000181722 00000 н 0000181749 00000 н 0000182319 00000 н 0000184141 00000 н 0000184465 00000 н 0000184882 00000 н 0000184956 00000 н 0000192064 00000 н 0000192393 00000 н 0000192428 00000 н 0000192494 00000 н 0000192610 00000 н 0000192684 00000 н 0000193013 00000 н 0000193048 00000 н 0000193114 00000 н 0000193230 00000 н 0000002056 00000 н трейлер ]>> startxref 0 %%EOF 128 0 объект >поток xb«Pe`pg`c`z Ȁ

(PDF) Процесс промерзания грунта и различные выражения для характеристической кривой промерзания грунта

итребуют уравнение Клапейрона, которое действительно

, когда термодинамическоеравновесиедостигнуто.

Кроме того,допущения, на которыхосновываетсяуравнение Клапейрона

, требуютдальнейшихисследованийдляиспользованияуравнений SFCC. Экспоненциальная зависимость

и уравнение ван Генухтена более

подходят для песчаных грунтов, чем для ила или глины.

Уравнение Фредлунда  и Сина хорошо подходит для

SFCCдлявсехчетырех почв,показываяболее высокуюгибкостьдля

различныхпримаслах размеры.

6 Выводы

Изменения состава незамерзшей воды и льда

приизменениитемпературы значительно влияют

ASFCCтребуетсядляпониманияпотокатепла,

водыираствороввмерзлыхгрунтах(SpaansandBaker,

). 19 Краткий обзорпроцессазамораживанияпочвы

и сходства между SFCC и SWCC 

предоставлен вэтойстатье.КонцептуальныйSFCCнарисован под номером

, чтобы проиллюстрировать основныеособенностизамерзанияиоттаивания почвы.

Четыре SFCCвыражения (т. е. дваэмпирическихсоотношения-

судов  и два уравнения основаны на сходстве

между SWreselected иSFCCи

для сравнения измеренного и установленного

содержания замороженной воды для четырех различных типов почвы. для песчаных почв

более подходят «экспоненциальная» зависимость и уравнение ван Генухтена

.Мощностьсоотношениямогла бы разумносоответствовать

SFCCдляпочвс разнымиразмерами частиц,ноне

для засоленного ила. Уравнение Fredlund  и Xing уравнение

обеспечиваетхорошее соответствиедлявсехчетырехпочвисследованныхвнастоящемисследовании

,показывая90гибкостьразличного масла

типов.Однако,большеусилийследуетприложитьвисследованиитеоретическойтеоретическойосновыдляиспользования

SFCCиSWCCдляпрогнозированиясодержимого «незамерзшей» воды

.

Благодарности:

Accomaturesballyssortyssortysssortyssortyssorships

с удовлетворениеSCORISHORITYSCOUNTERSCONITYSCOUNITYSCOUNITYSCOODSCHONSCHONSCHOWSCHOLARHISHIONSSHORITS и

Инженерно-исследовательскийсоветКанады (NSERC),

иМинистерствотранспортаОнтарио(MTO).

Ссылки:

Андерсон DM, Моргенштерн NR, 1973. Физика, химия и меха-

icanВкладвВторуюмеждународнуюконференцию,НациональнаяАкадемиянаук

,Вашингтон, округ Колумбия, 2–58,2 .

AndersonDM,TiceAR,1972.Прогнозированиесодержаниянезамерзшейводыв

мерзлыхпочвах на основеизмеренийплощадиповерхности.HighwayResearch

AndersonDM, Tice AR, 1973. Незамерзшаямежфазная фаза в

мерзлыхпочвенно-водныхсистемах.(ред.).SpringerBerlinHeidelberg,pp.107–124.

AzmatchTF,SegoDC,ArensonLU,и др.,2012a.Новыеледяныелинзыинициал-

Наука и технологии,82:8–13.DOI: 10.1016/j.coldregions.

2012.05.003.

AzmatchTF,SegoDC,ArensonLU,и др.,2012b.Использованиезамораживания грунта

Характеристическаякриваядляоценкигидравлическойпроводимости 2 9000 9000 частичномерзлыхгрунтов.ХолодныерегионыНаукаитехнологии,83:

103–109.DOI:10.1016/j.coldregions.2012.07.002.

BensonCH,OthmanMA,1993.Гидравлическаяпроводимостьуплотненной

глинымерзлаяиоттаивающая на месте.Журналинженер-геотехник-2,9000 119(2): 276–294. DOI:10.1061/(ASCE)0733–9410(1993)

119:2(276).

BergRL,BiglSR,StarkJ, и др.,1996.Испытание на модуль упругостиматериалов

изMn/ROAD,Phase1.США ХолодныерегионыИсследования

иИнженернаялаборатория,Спецотчет96–19,Mn/DOTRe-

порт96–21.

ЧерныйPB,TiceAR,1989. Сравнениекривойзамерзанияпочвыикривойводыпочвы

дляВиндзорскойпесчаникой. ВодаРесурсы Re-

search,25(10):2205–2210.DOI:10.1029/WR025i010p02205.

BronfenbrenerL,BronfenbrenerR,2012.Температурноеповедение

мерзлыхгрунтов:Полевыеопытыичисленноерешение. andTechnology,79:84–91.DOI:10.1016/j.coldre-

gions.2012.03.005.

БруксRH,Corey AT,1964.Гидравлическиесвойствапористыхсред.

СделкиASAE,7(1):1–27.DOI:10.13031/2013.40684.

Dall’AmicoM,2010. Моделирование сопряженнойводытеплопереносаввечной мерзлоте

.

FredlundDG,XingA,1994.Уравнениядляхарактеристикипочва-вода–

icкривая. CanadianGeotechnical Journal,31(4): 521–532.DOI:

10.1139/t94–061.

FredlundDG, XingA, HuangS,1994.Прогнозированиефункции проницаемости

дляненасыщенныхпочв с использованиемхарактеристической кривой

почва–вода.CanadianGeotechnical Journal, 31(4): 533–546. DOI:

10.1139/t94-062.

HivonEG,SegoDC,1995.Прочностьмерзлыхзасоленныхгрунтов.Canadian

GeotechnicalJournal,32(2):336–354.DOI:1910.1 т95-034.

KonradJM, 2005.Оценкасегрегационнойпотенциаламелкозернистых

почв с использованиемреакциинаморозныйпучокдвух эталонов.

Канадский геотехнический журнал, 42(1): 38–50. DOI: 10.1139/t04-

080.

теорияформированияледяной линзы

в мелкозернистыхгрунтах. CanadianGeotechnical Journal,

17(4):473–486.DOI:10.1139/t80-056.

KoopmansRWR,MillerRD,1966.Замерзание почвы ипочва–вода–

характеристические кривые. ):

680–685.DOI:10.2136/sssaj1966.03615995003000060011x.

KozlowskiT,2007.Полуэмпирическаямодельдляфазовогосоставасистем

вода–глина–вода. logy,49(3):226–236.DOI:10.1016/j.coldregions.2007.03.013.

КурылыкБЛ,ВатанабэК,2013.Математическоепредставлениепроцессов

оттаиваниявпеременнонасыщенных,недеформируемых

способныхгрунтах. Прогресс в Воде Ресурсы, 60: 160–177. DOI:

10.1016/j.advwaters.2013.07.016.

LiuZ,YuX, 2014.Прогнозированиекривойфазовогосостававмерзлых

грунтовс использованиеминдексныхсвойств:Физико-эмпирическийподход.

РегионыНаука и Технологии, 108:10–17.DOI: 10.1016/

j.