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La congelaci贸n del suelo es una t茅cnica de estabilizaci贸n del suelo que se realiza enfriando continuamente el suelo. Describir los m茅todos, aplicaciones y beneficios de la congelaci贸n del suelo. Existen numerosos m茅todos y t茅cnicas para la estabilizaci贸n de suelos para excavaciones profundas y t煤neles. Algunos de ellos son m茅todos de lechada, tratamiento t茅rmico, etc. Uno de los m茅todos comunes y populares utilizados en estos d铆as es la t茅cnica de congelaci贸n del suelo.
La congelaci贸n 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 h煤medos son muy d茅biles y no tienen suficiente resistencia a la compresi贸n y al corte para soportar sus propias cargas. El m茅todo de congelaci贸n del suelo se utiliza para aumentar la resistencia de estas estructuras y temporalmente impermeables a los estratos acu铆feros. Esto generalmente se hace para proporcionar una base estructural y soporte temporal y para evitar el ingreso de agua subterr谩nea al 谩rea 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 m茅todo no requiere materiales adicionales y el suelo vuelve a su estado original una vez que se realiza el trabajo. El m茅todo se puede utilizar en cualquier tipo de suelo, independientemente del tama帽o, forma y profundidad de la excavaci贸n, independientemente de la estructura, tama帽o de grano o permeabilidad, independientemente de la formaci贸n del suelo o roca. Sin embargo, funciona mejor en terrenos m谩s 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 refrigeraci贸n continua durante el tiempo que sea necesario.
Tabla de contenido
Historia de la tecnolog铆a de congelaci贸n de suelos
El m茅todo de congelaci贸n artificial del suelo fue descubierto en 1883 por el cient铆fico alem谩n 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 subterr谩neas y la prestaci贸n de apoyo a la perforaci贸n contra el hundimiento del eje siguen siendo las aplicaciones principales. De hecho, para pozos profundos, a煤n no se ha establecido un m茅todo mejor.
Condiciones en las que la congelaci贸n del suelo es m谩s eficaz
- Terrenos con penetraci贸n limitada mediante perforaci贸n, inyecci贸n de lechada, perforaci贸n bivalva u otras herramientas de corte vertical.
- Terreno, incluidos los vertederos y los obst谩culos 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 congelaci贸n del suelo
El principio fundamental de este m茅todo es convertir el agua en hielo mediante un m茅todo de congelaci贸n externo para crear un sello de agua y fortalecer el suelo. La eficacia de la congelaci贸n depende de la presencia de agua formadora de hielo, que endurece las part铆culas 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 est茅n completamente sellados. El m茅todo es muy efectivo cuando el suelo est谩 hecho de limo. No se pueden utilizar otros m茅todos de lechada debido a la porosidad extremadamente fina. La resistencia del suelo despu茅s de instalar este m茅todo depende de la temperatura de congelaci贸n, el contenido de humedad y las propiedades del suelo. Una vez que se completa la congelaci贸n inicial y se coloca la barrera anticongelante, la capacidad de refrigeraci贸n requerida para mantener la barrera anticongelante se reduce considerablemente. Cuando el agua subterr谩nea se convierte en hielo, la expansi贸n es insignificante, pero se observa una expansi贸n de alrededor del 9%, lo que no impone una tensi贸n o tensi贸n significativa en el suelo. Dado que se trata de un m茅todo de congelaci贸n artificial, puede imponer una congelaci贸n uniforme en todo tipo de suelo, lo que ofrece una seguridad superior en comparaci贸n con varios m茅todos de lechada. Al igual que con todas las tecnolog铆as de manejo en tierra, se requiere una inspecci贸n adecuada del sitio para seleccionar el sistema 贸ptimo, dise帽ar la matriz adecuada de criotubos y seleccionar una planta con la potencia adecuada. Una vez que se inicia el proceso de congelaci贸n, se requiere monitoreo para confirmar la formaci贸n de la barrera y asegurar que se complete la congelaci贸n. Durante la excavaci贸n, se instalan tuber铆as de monitoreo de temperatura para medir la temperatura del suelo.
tipos de congelacion del suelo m茅todo
A continuaci贸n se describen los tipos de m茅todos de congelaci贸n del suelo utilizados para el soporte temporal de los portales de los t煤neles.
- m茅todo indirecto
- m茅todo directo
M茅todo indirecto de congelaci贸n del suelo.
Este tipo de m茅todo de congelaci贸n se usa com煤nmente en todas partes para la estabilizaci贸n del cabezal del t煤nel. Este m茅todo hace circular el refrigerante secundario a trav茅s de tubos enterrados.
La figura es un diagrama esquem谩tico del m茅todo de congelaci贸n del suelo entre suelos. Este m茅todo utiliza dos refrigerantes. El primero es amon铆aco y el segundo es cloruro de calcio. El amon铆aco se comprime y se enfr铆a en una unidad de refrigeraci贸n. El condensador enfr铆a el amon铆aco de gas a l铆quido. El agua se enfr铆a en una unidad de refrigeraci贸n. El amon铆aco l铆quido pasa y enfr铆a el refrigerante secundario. La soluci贸n de salmuera enfriada se env铆a 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 谩rea de terreno requerida. El tiempo necesario para congelar el suelo depende obviamente de la capacidad de la planta de congelaci贸n en relaci贸n con el volumen de suelo a congelar, el espacio y tama帽o de los tubos de congelaci贸n y el contenido de humedad del suelo.
M茅todo directo de congelaci贸n del suelo.
Este m茅todo se divide a su vez en dos tipos:
1. Directamente por circulaci贸n de fluido refrigerante primario a trav茅s de tubos conectados a tierra
Este tipo de congelaci贸n directa en el suelo utiliza solo amon铆aco en el proceso de congelaci贸n. El proceso es el mismo que el m茅todo indirecto, pero aqu铆 solo se usa un refrigerante. El amon铆aco se comprime y se env铆a a un tubo que se introduce en el suelo. Este amon铆aco congela los tubos y congela el suelo alrededor de ellos. Toma la misma cantidad de tiempo que el m茅todo indirecto, pero es m谩s eficiente que el m茅todo indirecto. La elecci贸n depende de la disponibilidad de la planta, las estimaciones de costos y quiz谩s la preferencia personal.
2. inyectando un refrigerante como nitr贸geno l铆quido directamente en el suelo
Este m茅todo no requiere una planta de congelaci贸n de hormigas. El amon铆aco se lleva al sitio a presi贸n 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 atm贸sfera. Existen ventajas para uso de emergencia, como la congelaci贸n r谩pida sin necesidad de equipos complicados o fijos. Esta es una ubicaci贸n doblemente ventajosa lejos de la fuente de alimentaci贸n. En estas condiciones, el nitr贸geno se ventila directamente a trav茅s de tubos que se introducen en el suelo y se liberan a la atm贸sfera. Deben observarse precauciones de ventilaci贸n adecuadas. La congelaci贸n del suelo con N2 es mucho m谩s r谩pida que otros m茅todos, d铆as en lugar de semanas, pero el nitr贸geno l铆quido es costoso. Este m茅todo es especialmente adecuado para la congelaci贸n a corto plazo, hasta unas 3 semanas. Puede ser utilizado en conjunto con otros procesos con la misma serie de tubos de refrigeraci贸n y redes de tuber铆as de distribuci贸n aisladas. En este caso, el nitr贸geno l铆quido se utiliza primero para la congelaci贸n r谩pida, seguido de un enfriamiento normal para mantenerlo en condiciones de funcionamiento. Esto es 煤til cuando el flujo natural del agua subterr谩nea dificulta la congelaci贸n temprana.
Ventajas de la tecnolog铆a de congelaci贸n del suelo
- Apuntalamiento temporal de estructuras adyacentes y apoyo durante el apuntalamiento permanente.
- El pozo est谩 sumergido en un suelo lleno de agua.
- Construcci贸n del pozo enteramente dentro de suelo saturado no cohesivo.
- T煤neles en toda la superficie del suelo granular.
- T煤nel a trav茅s de suelo mixto.
- Estabilizaci贸n de suelos.
Contras Tecnolog铆a de congelaci贸n del suelo:
- Muy caro.
- Se requiere monitoreo continuo.
- La expansi贸n volum茅trica del agua durante la congelaci贸n conduce a la elevaci贸n del suelo y al hundimiento por descongelaci贸n.
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