ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - روش انجماد خاک چیست؟(Ground Freezing)

تثبیت و پایدارسازی خاک در احداث تونل و گودبرداری، مخصوصا در مناطقی که خاک سست وجود دارد از اهمیت خاصی برخوردار است. برای این منظور روش های مختلفی وجود دارد. یکی از این روش ها، روش بهسازی خاک از طریق انجماد خاک است. در روش انجماد خاک، از طریق یک لوله مرکزی جریان آب­ نمک فوق سرد (معمولا از 52- تا 3 درجه سانتیگراد) و یا نیتروژن مایع به پایین هدایت می شود. این جریان، گرما را از خاک اطراف خود گرفته و باعث – یخ زدن آن می شود. اساس کار روش انجماد در بهسازی خاک بدین صورت است که وقتی رطوبت داخل خاک یخ می زند، ذرات خاک به یکدیگر می چسبند و باعث ایجاد یک ساختار صلب با مقاومت و استحکام قابل ملاحظه می شود. این روش برای انواع خاک ها مانند رس، سیلت، ماسه، شن و حتی سنگ ها کاربرد داشته و روشی سبز و در راستای حفظ محیط زیست تلقی می شود. با وجود تاریخچه طولانی این روش در خارج از کشور و استفاده رو به رشد کشورهای خارجی از آن به دلیل موثر بودن و نیاز به وقت و انرژی کمتر، به کار بردن روش انجماد در بهسازی خاک توسط پیمانکاران در کشور ایران خصوصا برای مناطقی که دارای خاک های سست و یا سطح آب زیرزمینی آنها بالا است، بسیار موثر خواهد بود.

اصول روش مستقیم انجمادخاک به وسیله نیتروژن جهت بهسازی و تثبیت خاک ها- شرکت عمرانی مهندسی ایستا سازه
اصول روش مستقیم انجماد خاک به وسیله نیتروژن جهت بهسازی و تثبیت خاک ها

انجماد خاک فرآیند ایجاد لایه های موقت غیرقابل نفوذ، مقاوم و افزایش مقاومت فشاری و برشی با تبدیل و انجماد آب در حال جریان و موجود درخاک می باشد بر اساس نتایج حاصل، تسلیح خاک موجب:

  • افزایش مقاومت فشاری و برشی
  • بهبود پاسخ توده خاک نسبت به بارهای دینامیکی
  • افزایش مدول برشی دینامیکی
  • کاهش پتانسیل روانگرایی
  • افزایش شکل پذیری خاک

می گردد.

علاوه بر این، مواد مسلح کننده دیگر دارای نقطه ضعف هایی بوده اما روش انجماد خاک روشی:

  • عملیاتی
  • مستقل
  • سریع
  • آسان
  • مقرون به صرفه
  • قوی تر
  • قابل استفاده در دامنه وسیعی از انواع خاک ها
  • قبال استفاده در زمینه های مختلف مهندسی

 است که به عنوان روشی مناسب جهت تثبیت خاک نسبت به سایر روش های اصلاح خاک می باشد.

اصول روش غیر مستقیم با استفاده از آب نمک - شرکت عمرانی ایستا سازه
اصول روش غیر مستقیم انجماد خاک با استفاده از آب نمک جهت بهسازی خاک ها

تاریخچه روش انجماد در بهسازی خاک

اولین گزارش استفاده از روش اصلاح خاک به روش انجماد به حفّاری معدن در South Wales در سال 1682 بر می گردد و امتیاز کاربرد عملیات انجماد خاک به نام Poetsch آلمانی در سال 1661 ثبت شده است و اولین مورد استعمال آن در ایالات متحده امریکا در سال 1888 در عملیات ساخت و حفاری معدن در ایالت Louisiana گزارش شده است. استفاده اخیر از این روش در یک پروژه حفاری بزرگ در Boston می باشد. امروزه فریز کردن خاک در سراسر دنیا رو به گسترش می باشد و یکی از روش­های حفاظت حفاری سازه­هایی مانند تونل و ایستگاه های مترو می باشد. ضمناً استفاده از این روش در جلوگیری و مهار آلودگی خاک مورد توجه می باشد.

فرآیند انجماد خاک

فرآیند انجماد خاک تبدیل کردن آب زیرزمینی به یخ به وسیله چرخش مداوم یک مایع برودتی در میان یک مجموعه از لوله هایی که قطر آن کم و در عمق زمین کار گذاشته می­شود، انجام می­گردد. آب زیرزمینی یخ زده به عنوان یک عامل پیوند دهنده بین ذرات خاک و سنگ می باشد که جهت افزایش چشمگیر مقاومت فشاری و جلوگیری از نفوذ آب برای اجرای عملیات حفاری زیر سطحی به کار می رود.

مزایای روش انجماد خاک - شرکت عمرانی ایستاسازه
مزایای روش انجماد در بهسازی خاک

از جمله راهکارهای ایجاد پایداری موقت در زمین های سست و اشباع منجمد نمودن خاک اشباع می باشد. بر اثر انجماد آب، حجم آب افزایش می­یابد. این افزایش حجم باعث تغییر در خصوصیات مهندسی خاک های اشباع مانند مقاومت تراکمی تک محوری، مدول الاستیسه، تورم و حدود روانی آنها می­شود.

اثرات افزایش حجم آب
اثرات افزایش حجم آب در تغییر خصوصیات خاک های اشباع در روش انجماد خاک

در عملیات انجماد خاک مجموعه ای از لوله های فریز که عموما به صورت عمودی و موازی نصب می­شوند. مایع خنک کننده داخل آنها پمپ می شود که با شروع عملیات فریز کردن از انتهای لوله های فریز حلقه های یخی تشکیل  و تا بالاصعود می­کند که گرمای موجود در زمین اطراف لوله ها را می گیرد و وقتی که دما به صفر رسید یخ شروع به تشکیل شدن در اطراف لوله ها می­کند که مانند یک ستون عمودی و استوانه ای در خاک تشکیل و با گذشت زمان این استوانه ها بزرگتر و به یکدیگر پیوند می خورند و تشکیل یک دیواره یخی ممتد را می دهند. وقتی دیواره تشکیل شده به ضخامت طراحی شده می رسد عملیات فریز کردن سرعت آن کمتر می شود تا شرایط موجود تثبیت گردد و عملیات حفاری شروع شود این روش بر خلاف روش های دیگر حفاری و مهار آبهای زیرزمینی یک روشی است که اصطلاحا تهاجمی نبوده و وقتی عملیات حفاری به اتمام رسید و فریز کردن قطع شد زمین به حالت اولیه خود بر می­گردد و زمین تا حد زیادی دست نخورده باقی می ماند.

محدوده کاربرد روش های مختلف بهسازی خاک، با توجه به نوع خاک و نفوذپذیری خاک
محدوده کاربرد روش های مختلف بهسازی خاک، با توجه به نوع خاک و نفوذپذیری خاک

اصول انجماد خاک

تاثیرگذاری انجماد، وابسته به حضور آب برای ایجاد یخ، سیمانی بودن فواصل بین ذرات و افزایش مقاومت زمین جهت ایجاد تعادل بین سنگ نرم و متوسط است. اگر زمین اشباع یا نزدیک به اشباع باشد، نفوذناپذیر محسوب می شود.  اگر رطوبت سوراخ ها را پر نکرده باشد، ممکن است نیاز به اضافه کردن آب باشد. رسیدن به مقاومت مورد نظر خاک منجمد شده بستگی به دمای انجماد، رطوبت و طبیعت خاک دارد. فرآیند انجماد مخصوصاً می­تواند روی پایداری سیلت هایی که برای تزریق بسیار ریز هستند تاثیر بگذارد.

در حین یخ زدن، آب حدود 3% افزایش حجم می دهد که البته به تنهایی باعث اعمال تنش و کرنش روی خاک نمی شود، مگر اینکه آب بین دو لایه محدود شده باشد. تورم حاصل از یخ زدگی که ممکن است در سیلت­های ریزدانه و رس­ها اتفاق بیافتد، پدیده ای متفاوت است. لنزهای یخ در سنگ و رس، ممکن است به صورت رگه های ریز بزرگ شوند. بنابراین باعث افزایش نفوذپذیری پس از آب شدن می شوند. همانند تمام روش های بهسازی خاک:

  • بررسی کافی محل اجرای پروژه برای انتخاب بهترین روش
  • طراحی مناسب لوله های انجماد
  • انتخاب دستگاه با قدرت کافی جهت انجماد

ضروری به نظر می رسد.

محدوده وسیع کاربرد روش انجماد با توجه به اندازه ذرات- شرکت مهندسی ایستاسازه
محدوده وسیع کاربرد روش انجماد خاک در انواع خاک ها با توجه به اندازه ذرات

هنگام طراحی سازه های زیرزمینی یخی در رس، رسیدن به دمای پایین تر جهت افزایش مقاومت مورد نظر، ضروری به نظر می رسد. به طور مثال، رسیدن به دمای 7- درجه سلسیوس ممکن است برای زمین ماسه ای کافی باشد، در حالیکه برای رس نرم دمای کمتر از 23- درجه سلسیوس ممکن است نیاز باشد. زمین یخ زده ابتدا به شکل استوانه های قائم اطراف لوله های انجماد شکل می گیرند و همین طور که از این فرآیند می گذرد این استوانه ها گسترش یافته و با هم تشکیل یک دیوار پیوسته را می دهند. ضخامت این دیوار یخی بستگی به نرخ کاهش دما و خروج حرارت از خاک دارد. یکبار که دیوار یخی به ضخامت مورد نظر رسید، برای حفظ شرایط، کاهش دما متوقف می شود و فقط گرمای خاک خارج می گردد تا دما ثابت بماند. طراحی یک دیوار خاکی منجمد توسط خصوصیات گرمایی خاک زیرین تحمیل می­شود.

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سایر مقاله ها

انواع روش های تخریب سنگ و بتن (A Variety of Methods of Rock and Concrete Demolition)

در برخی از پروژه های پایدارسازی دیواره های گود شرکت [...]


بیشتر بخوانید

پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)

پدیده فروچاله چیست؟ (?What is Sinkhole) فروچاله ها حفره هایی [...]


بیشتر بخوانید

خطرات عملیات تخریب ساختمان (Risks of Building Demolition Operation)

به دنبال گسترش ناحیه شهرنشینی و همچنین نوسازی ساختمان ها [...]


بیشتر بخوانید

شمع پلاستیک (Plastic pile)

شمع پلاستیک (Plastic pile) پیامدهای حضور منابع آب به ویژه [...]


بیشتر بخوانید