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La congelación del suelo es una técnica de estabilización del suelo que se realiza enfriando continuamente el suelo. Describir los métodos, aplicaciones y beneficios de la congelación del suelo. Existen numerosos métodos y técnicas para la estabilización de suelos para excavaciones profundas y túneles. Algunos de ellos son métodos de lechada, tratamiento térmico, etc. Uno de los métodos comunes y populares utilizados en estos días es la técnica de congelación del suelo.
La congelación del suelo es el proceso de convertir el agua de los poros o los intersticios en hielo mediante el enfriamiento continuo del suelo. Los suelos húmedos son muy débiles y no tienen suficiente resistencia a la compresión y al corte para soportar sus propias cargas. El método de congelación del suelo se utiliza para aumentar la resistencia de estas estructuras y temporalmente impermeables a los estratos acuíferos. Esto generalmente se hace para proporcionar una base estructural y soporte temporal y para evitar el ingreso de agua subterránea al área del sitio. Cuando un estrato que contiene agua se encoge, el agua que contiene se convierte en hielo, actuando como un sello contra el agua y fortaleciendo el suelo. La lechada utiliza material adicional. Sin embargo, este método no requiere materiales adicionales y el suelo vuelve a su estado original una vez que se realiza el trabajo. El método se puede utilizar en cualquier tipo de suelo, independientemente del tamaño, forma y profundidad de la excavación, independientemente de la estructura, tamaño de grano o permeabilidad, independientemente de la formación del suelo o roca. Sin embargo, funciona mejor en terrenos más blandos que en condiciones rocosas. Se puede aplicar a una amplia gama de suelos, pero se necesita una cantidad considerable de tiempo para establecer una pared de hielo sustancial y debe mantenerse congelado mediante refrigeración continua durante el tiempo que sea necesario.
Tabla de contenido
Historia de la tecnología de congelación de suelos
El método de congelación artificial del suelo fue descubierto en 1883 por el científico alemán F. Hermann Poetsch. Fue utilizado por primera vez en los Estados Unidos por Chapin Mine Company en Iron Mountain, donde se congelaba a profundidades de 100 pies. Sin embargo, el control de las aguas subterráneas y la prestación de apoyo a la perforación contra el hundimiento del eje siguen siendo las aplicaciones principales. De hecho, para pozos profundos, aún no se ha establecido un método mejor.
Condiciones en las que la congelación del suelo es más eficaz
- Terrenos con penetración limitada mediante perforación, inyección de lechada, perforación bivalva u otras herramientas de corte vertical.
- Terreno, incluidos los vertederos y los obstáculos creados por el hombre.
- Terreno no utilizado que contiene adoquines, cantos rodados o interfaces suelo-roca irregulares.
- Terreno perturbado por condiciones inestables o entrada de agua.
Principio de congelación del suelo
El principio fundamental de este método es convertir el agua en hielo mediante un método de congelación externo para crear un sello de agua y fortalecer el suelo. La eficacia de la congelación depende de la presencia de agua formadora de hielo, que endurece las partículas y aumenta la resistencia del suelo a la par que la roca blanda o mediana. Si el suelo no tiene suficiente agua para llenar todos los poros cuando el suelo se congela, es posible que deba proporcionar agua adicional para que los poros estén completamente sellados. El método es muy efectivo cuando el suelo está hecho de limo. No se pueden utilizar otros métodos de lechada debido a la porosidad extremadamente fina. La resistencia del suelo después de instalar este método depende de la temperatura de congelación, el contenido de humedad y las propiedades del suelo. Una vez que se completa la congelación inicial y se coloca la barrera anticongelante, la capacidad de refrigeración requerida para mantener la barrera anticongelante se reduce considerablemente. Cuando el agua subterránea se convierte en hielo, la expansión es insignificante, pero se observa una expansión de alrededor del 9%, lo que no impone una tensión o tensión significativa en el suelo. Dado que se trata de un método de congelación artificial, puede imponer una congelación uniforme en todo tipo de suelo, lo que ofrece una seguridad superior en comparación con varios métodos de lechada. Al igual que con todas las tecnologías de manejo en tierra, se requiere una inspección adecuada del sitio para seleccionar el sistema óptimo, diseñar la matriz adecuada de criotubos y seleccionar una planta con la potencia adecuada. Una vez que se inicia el proceso de congelación, se requiere monitoreo para confirmar la formación de la barrera y asegurar que se complete la congelación. Durante la excavación, se instalan tuberías de monitoreo de temperatura para medir la temperatura del suelo.
tipos de congelacion del suelo método
A continuación se describen los tipos de métodos de congelación del suelo utilizados para el soporte temporal de los portales de los túneles.
- método indirecto
- método directo
Método indirecto de congelación del suelo.
Este tipo de método de congelación se usa comúnmente en todas partes para la estabilización del cabezal del túnel. Este método hace circular el refrigerante secundario a través de tubos enterrados.
La figura es un diagrama esquemático del método de congelación del suelo entre suelos. Este método utiliza dos refrigerantes. El primero es amoníaco y el segundo es cloruro de calcio. El amoníaco se comprime y se enfría en una unidad de refrigeración. El condensador enfría el amoníaco de gas a líquido. El agua se enfría en una unidad de refrigeración. El amoníaco líquido pasa y enfría el refrigerante secundario. La solución de salmuera enfriada se envía a un tubo paralelo al suelo. Este tubo se congela, al igual que el suelo que lo rodea. Este ciclo se repite hasta que se congela el área de terreno requerida. El tiempo necesario para congelar el suelo depende obviamente de la capacidad de la planta de congelación en relación con el volumen de suelo a congelar, el espacio y tamaño de los tubos de congelación y el contenido de humedad del suelo.
Método directo de congelación del suelo.
Este método se divide a su vez en dos tipos:
1. Directamente por circulación de fluido refrigerante primario a través de tubos conectados a tierra
Este tipo de congelación directa en el suelo utiliza solo amoníaco en el proceso de congelación. El proceso es el mismo que el método indirecto, pero aquí solo se usa un refrigerante. El amoníaco se comprime y se envía a un tubo que se introduce en el suelo. Este amoníaco congela los tubos y congela el suelo alrededor de ellos. Toma la misma cantidad de tiempo que el método indirecto, pero es más eficiente que el método indirecto. La elección depende de la disponibilidad de la planta, las estimaciones de costos y quizás la preferencia personal.
2. inyectando un refrigerante como nitrógeno líquido directamente en el suelo
Este método no requiere una planta de congelación de hormigas. El amoníaco se lleva al sitio a presión moderada y se almacena en el sitio en tanques aislados. El tubo se introduce en el suelo y tiene un tubo de retorno para ventilarlo a la atmósfera. Existen ventajas para uso de emergencia, como la congelación rápida sin necesidad de equipos complicados o fijos. Esta es una ubicación doblemente ventajosa lejos de la fuente de alimentación. En estas condiciones, el nitrógeno se ventila directamente a través de tubos que se introducen en el suelo y se liberan a la atmósfera. Deben observarse precauciones de ventilación adecuadas. La congelación del suelo con N2 es mucho más rápida que otros métodos, días en lugar de semanas, pero el nitrógeno líquido es costoso. Este método es especialmente adecuado para la congelación a corto plazo, hasta unas 3 semanas. Puede ser utilizado en conjunto con otros procesos con la misma serie de tubos de refrigeración y redes de tuberías de distribución aisladas. En este caso, el nitrógeno líquido se utiliza primero para la congelación rápida, seguido de un enfriamiento normal para mantenerlo en condiciones de funcionamiento. Esto es útil cuando el flujo natural del agua subterránea dificulta la congelación temprana.
Ventajas de la tecnología de congelación del suelo
- Apuntalamiento temporal de estructuras adyacentes y apoyo durante el apuntalamiento permanente.
- El pozo está sumergido en un suelo lleno de agua.
- Construcción del pozo enteramente dentro de suelo saturado no cohesivo.
- Túneles en toda la superficie del suelo granular.
- Túnel a través de suelo mixto.
- Estabilización de suelos.
Contras Tecnología de congelación del suelo:
- Muy caro.
- Se requiere monitoreo continuo.
- La expansión volumétrica del agua durante la congelación conduce a la elevación del suelo y al hundimiento por descongelación.
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