автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование параметров технологии замораживания грунтов с учетом влияния теплового воздействия подземных коммуникаций и фильтрации подземных вод

РГо ОД-1 1 И0Я

На правах рукописи

БАШМАКОВ Вячеслав Михайлович

УДК 62225/.2б(075.8)

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ С У1к * ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ . И ФИЛЬТРАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Специальность 05.15.04 — «Строительство шахт и подземных сооружений»

Автореферат •диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Акционерном, обществе закрытого , типа «АФ Гидроопецстрой» и Московском государственном горном университете.

1до]кт. тежн. наук, проф. ШУПЛИК М. Н.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. БАКЛАШОВ И. В., канд. техн. наук ПУГОЛОВКИН В. Н.

Ведущая организация — Общество с ограниченной ответственностью «Гидро,спецпроект». • ,/

Защита диссертации состоится . » 1996 г.

/<0

в . . . час. . на заседании диссертационного . совета Д-053.12.11 'При Московском государственном горном университете но адресу: 117935, Москва, Ленинский1 проспект, 6.

•С диссертацией можно ознаком-иться в библиотеке университета.

Научный, руководитель

Автореферат разослан- «

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета х

докт. техн. наук, -проф. ШУПЛИК М. Н.

СПЩЛЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

/}51ГУаЛЬ0<22ХЬ_-Егбе1Ы» Одним из птболеэ надежных и угшЕсрсальньгх сяегщальгшх спассбоп строительства подземных соору.-гсоппц' в сложных гидрогеологических условиях остается пока сносо»5 искустванпого замораяшвйпия грунтоз. И хотя совершекст-весадшо этого способа посзяюано значительное количество нслвдоэа-ннй, строительство подземных объектов с его псшользокопкм остается з радо случаев нал Золее, дорогим и длительным по времени.

Одной из причнп такого положения, как показывает апаллз п5?оигводстЕО|тного опыта, является пеучет о ряда случаев тsr.no-гепныж воздействий па состояние подземных вол, г:оторыо оказькизт отрггпательЕоо влишше на процесс создания ледогруптосых огрмкд?-ипЛ как зо зрзкенн, тяг: и о пространства.

К числу тглскх гсздьйстглЯ «ытрдует отизстп тепловоз аочдейсг-впе равного рода подгггяая: коммуникаций (тепдагрссс, г.алло торов, силозыз кгЗздей ц др.), о также фяльтрациояпе* яоэдвйгтглз ¡годззкотгх год, вызг'ялссо свшии ряятччют пра'пгЕгамк (гэдо-пошпхенке вблизи с5т.:кта, наличка цодзеиных. сооружений, к 'которым стекается пода, я др.).

Следует отметить, что такая ситуация в подземном строительстве очень распространена, осоЗапко при Строительстве городских подземпых сооружений, п имеет тенденцию к увеличении.

Вместе с тем существующая теория, методы прссктнроаапяя, е. также технология заморагсквапия груптсп ;гз з полкой мере учитывают вышеназванные воздействия на характер формирования ледогрунтог,ого ограждения, что па практике гедет к увеличению (иногда до 2 и более раз) стоимостных показателей, увеличению

проектных сроков замораживания, а иногда и к тяжелым аварийным ситуациям.

Учитывая все возрастающие случаи техногенного воздействия на процесс замораживания при строительстве подземных сооружений, с одной стороны, и отсутствие нормативной базы и знаний о закономерностях влияния этих воздействий на процесс формирования ледогрунтовых ограждений, с другой стороны, возникает необходимость решения актуальной научной задачи - обоснование параметров технологии замораживания с учетом влияния теплового воздействия подземных коммуникаций н фильтрации подземных ьод, имеющей важное значение при решении проблем подземного строительства в сложных гидрогеологических условиях.

Цель работы - установление закономерностей ч-ормнроваш:я ледогрунтовых ограждений как во времени, так и в пространства вблизи тепловых ыгочников и при наличии фильтрации подземных вод для оосеаоъашш параметров технологии замораживания, позволяющих повысить безопасность горнопроходческих работ, снизить стоимостные и энергетические затраты при строительстве подземных сооружений в неустойчивых водоносных грунтах.

ПЛЕЯ_2-162Ш состоит в учете техногенных воздействий иа

свойства и ргжим движения подземных сод в процессе искусственного замораживания грунтов.

Метопы !1сгл?оловйщш. Для. решения сформулированной задачи в работе нришпы комплексные исследования с использованием методов математической физики, физического иодали-ров^шш, натурных наблюдений, анализа п обобщения полученных результатов с применением теории подобия.

Основные рпучиые положения, выяоеимые на ззгггиту

1. Динамика формирования ледогрунтового ограждения в зоне влияния тепловых источников, в соответствии с которой доказяио, что при расстояниях тсплобогр источника от замораживающих колонок меньше критических ледогруптовое ограждение не смыкается, при расстояниях теплового источника от замораживающих колонок Оольше критических, по меньше предельных ледогрунтовоа ограждение формируется неравномерно с уменьшениям толщины п сторону тештоцего источника, при этой для создания ледогрунтового сгразк-дения проектных размеров время замораживания увеличнсоется прямо пропорционально температуре источника, коэффициенту теплопроводности замороженного грунта и обратно пропорционально расстоянию до теплового источника. При расстояниях теплового источника от замораживающих коленок больше предельных тепловой пточпик ка формирование ладегруптового ограждения влияния пе оказывает.

2. Закономерности изменения скорости фильтрации при сужении щели смыкания, показывающие, что изменение скорости фильтрации подчиняется двум законам, которые соответствуют различным режимам течения - ламинарному и турбулентному, а также критериальное уравнение, описывающее процесс теплоотдачи одиночного ледогрунтового цилиндра в фильтрационном потоке, позволяющее определить максимальную скорость фильтрации в щели смыкания и среднее значение коэффициента теплоотдачи.

3. Взаимосвязи изменения величин тсплопритока от скорости движения подземных вод как к цилиндрическим, так и произвольной формы ледогруптовым ограждениям вокруг

замораживающих колонок при заморажкашш б cono фильтрующих грунтов н позволяющие оценивать условия смыкания ледогрунтосых тел в замкнутое ограждение, нагрузку па завораживающую стшидио в зависимости от технологии замораясисапкя грунтов.

удовлетьорлтелыюй сходимостью теоретичгскнг й экспсрикеп-талышх исследований по формированию дедогруктоиых ограждеаий Еблгап теплосых источников (расхождение ± 20%);

применением с пробированных методов теории подобая при обореботк" и сбоЗтслин экспериментальных даппыя;

иолоксительвдлк опытом внедрении основных результатов исследования, быеодоз и рекомендаций в производство, зкономи чес1г.ой эффзкт1;г.иг;сты0.

Научнее ••'"."" : работы состоит с дальнейшей развитии йпагшй о кау'шо-'.ехиических Бзаикоевкзлх процесса замораживал ни ьолкги истошшнз теши., при давления подсештх код, позволяющих расыгорить область их целесообразного Ееп&;>г.;оЕшша а иародном хозяйстсг стропи.

Цр.°л;тн1'?ГК"л раСкутц состоит г. р;:шеш;п вау.:ш>и

ШфодпохозяНг-тссиво!! задачи сосоршопстЕоса;;:ш тсиподопш закора-¡игиинш грустог в гоааг техногенного создано г^ия са подзешша .годы, что реала мое зио в обоощекии, оПсспошти и разработке {.екокзидац',",!! но технологии саморлклгияспя к сышеийсиашчи:; ¿'слаышх.

22с£днгпд1'ли': жиЕкахкзглклг^

рскоиьид.лри по ьы'лру ы ссо.:лоиь,ал:> игфаи^тров мхио-

л.;: гр;1;т«;л ; ¡;„:;г[1;п:;са и

N

груатоз, которгм вошли в гздоястсвппм^ вориативный документ ""екздпка рровктврчгдиы процесса ааморажипзшт вблизи палевых источшшоа И в фяльтрук>щи"( породах", утверксденпый АФ "Гядроспгцетрой". 8кояо"Г5*;ггкий гффккт от шгздрмтпя результатов нееледдаалпй па предпри.чтгях Гйдрсапецетроя составил 23 млн. руб. я ценах 1904 гсд.1. .

Апрсвмя0 ..рябого. Осло.-згшд положгппя диссертации докладывались я сГгугкдплзгеь са наутоо-тсхякчвсккх советах института Тидрсспоцпролгст", ' АФ "Гидроонсцегрой'*,'. • • няушо-техппческггх семипарах кафедры "Строительство подземикх сооружений и шахт" \ Мо-гпоЕекого государетЕсгптого горного, университета (1095, 1093 гг.).

Щ6Ю88йВЗ» По тек» диссертация спублпкашш 3 паучпыо работы. ■

. йЯът Дксмртациогагля раСога состоит из введения,

четырех равдалов и Баялачэнпя; .содзршгг страниц

кспшпсписнсго текста, 23 • рксуняоз, 5 тьЗякц и ' перэчевь Еспояьзояашюа лптературтд ка 73 пгапкгповапкй.

Автор Ёыракжет благодарность и искрашною при&яктельность коллективу кафздры СПСпПХ Московского госудзрстЕояяого гсрпого упкЕэреятвта га псстоянпаэ внимание к прогодкиык исследования:! п скзлаЕГ^гй 'Помощь ; ври . пьшодпешгн гксперимопталышзс ксслздозаняй и работе кед диссертацией, а также 15:оллектизу па::;сверко-тогатчсских р£.5отннкоа Краснодарского нррдпркятия АОЗТ Тидрсгявиетрай", «сайашиьм^ поддержку и содействие я организация пссдсдосапцй п сропаводстюеппьпс ушкспях.

Основное содержание раСоти

Лколщыруя псследоьипив, выиолиешша как i; отечествсаиай, î.î;; к îi aapy6e:;caoií практике, <;j¡*yiyur ошетить, чю наиболее пшшо i.onpocu стдомтооьстм PoopjrjKöaaä с ярнмеизиасн

сяопгбч ua.MO}uuxíUtu».i:i «ri {»¡гкешд и • {й.£ота;: Труналш Н.Г., Ыипькоискою ГЛ., Ла-.ч'ж'-гл И.Д., Бдлоаа С.С., Б.чклашовз ПЛ., ilipi'o.iiüi Б.Л., Доыс. \ О.Л., СахоЛА'лиа U.B., Х.Р.,

С .Л., Дйр;.;:.'1а Я .Л., Л^иха.):-. П.С., Шусз«.»а it.И., '.'.■г-иг.иази Г».Л., Шул:;;;«;:: }'., Ч'сбг К. i. ¿p. ' „

lUsTi"'!;;.), cr,s:.i;.';ab;s с осс^ьгслосгаил txîtfcr.^'-uv.iï;;" i;,;.:.;«:.• l!

ií; jv.'.ïjv.r i'íj;•'..'„ íl.Il,3 <;л íi.A., Vir"::.or.á D.H., J/ííлн^-ла A..V., 17..?.;.,

U\; ■.■..X^itlíl:«. Г..Н. j

íí-v¡-.ó>2-;:;2X¿cvi зздк:; г:, i^í.;?;'..'.: x'У --i-'-v . r. JLi'..

. >. и.л З.'.Д.,' Сл:л.:лгггк.л Jï.I>., . :.. л

Víjí.v. 'i., Тс'с П., se;-,-.:;■>

" ■ ■ .'";•! Л.. Г. с i.' - ; K.U., : i'.Д. :¡ ;•.■/.

к го: : - ' • ;:¿ c^oTp.i пи cj с—; ' -.г.." .-и - j

пел. и;;;/. ..¿ш^оилш, сло^сЛ ■

-i '.. t.-..,-,. „.:;; i„,;;£a.«<c ^Dp'ri- ..,1..: -2-;;.:; :. '

'i.'.-::; i; t\- '¡,-i.i с д;/;л с;;;k,:.,íV >;¡ ;.u; :. :.¡.. ; ¡; •.. í

¿:.f,. i.;'.; i.c;¡; bsíai;;:.,!' грл í.¡ £ . ■

■■ .,:..;.=:.,.,;..,!» >:¡íx у,-.л о - :ш\... >,*:.;!;;:(,;-'::;- íí- í' ■•■ -

il:: : ¡ 1 ------- s:_'•_ ... i..J . i; '1 , , > ; "

Змглет ii?i*oí::c:kiio создать ледсгрупомм огрз->гдс»::>"! t¡ir'j/c::¡. рлпус.ро;-.

Ир:тч1;.ч такого пололчсяия «гасго, ко, как показал лпслля, «»•чнппымя из ппх пвлятат^я «ответу» »еу*»т какояеяия гидро-дкпаияпеского рсппма движеппя годаокаых эсд. а также пеучст различит« тепловых источников, паруыакяцах тепловой роодш в sons работ по пскусстгсзяоиу закорожякапяю грувтол.

Исходя нз згою, я работе сфоркулнрояана актуальная неродк.!-

кезлйстпепкая задала, пдвр-тсяепкоя "»га еЗозяоааяги п разработку

i

параметров твхяяяопш занорагепватш групгоз cCütmn теплея»« ветогагекоз и пря !гг:*з£Г8ПРо«* гядродинамнческогл режотв тсчгчпл подзвгших род.

Для решояяя с*«р!5улвровашя5Й зядачя и раЗетр на

пгтезяг.шм ргзрсСэток, творзттгеккя и експер'мепта.ч:.-h-'rt- г-селгдоггтаг! рзгдгп чпетяых ко иселед-зснгг-о

иргясгооа форкяроЕгст лгдегруптовьж огразкдлаии п с-озе ялртткч ^галозых роточликоч, гидраддмжгчэсгсаго ргхкг.чга течения педил-ntíx гзд и процесса' лодогрустсп-п: crp¿4tA«'.sfi",

твялообмеяу i» процессе «.'чрет.разжпя ледегрувтоаих сгрзидшяй а фшгьтршрготсм ватока. . .

При сакорзэцйвлтго груптоз в еспе гдшвэтя геплэпог-о кстотпгка вшииэтгеккя била решета задача ы следующей постановке. Озкоражигмя«« сгупхгсталяатея с одкеродяых 'грунтах с гостэяшяп-тп т?ило-£я,кггз«:н5Я1 смйстсамп. ïb ргмяолнпч L от ксатура дедегруятегего охрит-дегам* рг.сяслсгеч «р!лл7фИ№.яккй нла пхояшй тепло::-.:" ипзчгапс е температуре Л чя с-го погертс-стг -, t. То;:яеп".тур* гг<"т,-г гг . тгкос* рдучаа ошгегх^г.г^':«

о:'-" те." ^sn-îï^p"'.'? полз г: ireí"с гт: : г ' 'i

балл::со"1ь! • рл.п-гтт. г.г-сцтсеа саяорг'стяяяг, Cíliíj гто„-*у*.

зависимости для озфодзлешш времени оа?лора};;иааашя о уч.;то:л теплового источника Т.

'[«^-/{л+й)/

(1)

где Т1 - проектное вроыя олыоражнвакня без учета влияния теплового источника; с! - диаметр аадеорлшоэдощих колонок; ц, -соотвотстЕенно средним удельный тепловой врытой 1$ 1 н-. поверхности холошш, твплопрнток к 1 ы? иоцврхяоепз лсдсгрун-тозого ограждгшш от . кеза?лоро;;свтш% грунтов; 1 - расстоьиыэ ыеязду к ювкогш; - максимальный теплоприток к 1 м высош ограждения, который определяется:

- ДЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО топлоеого источиака радиусом В

в1=---; (-,)

■ ,

V« )

- для плоского тенлоиого леючаика

гда Х-2 - *«алолрои.лдзосп1 }руиг..; -

теглие^лтури соды. -

Ахшлиэ кся^-таишх ' иоагл«..;! оире;.

критические 1 иа.*алиия от ледогрушо;.;.-!4 д.ииь Г-.о Ть-ш.о^и источника, ирл зо-.орих ^догр^ат«»^»^ сгрлздггю; иг кшказтой!

- ДПЛ ЦЛОСКОГО 7СПЛ050Г0 НСТОЧЛШ;« 1/ц-,

.. ^ __

'- для цилнкдр'1'..;=;;ого тгп::ох.;>:о у Г.::; ; -.¡ли::

ndg-\ gaí-р—з-7=^=1 ■ (5)

Предельное расстояние ледогруггтояого ограждения от теплового источника, при котором влияние источника тепла может не учитываться на процесс формирования ледогруптового ограждения, определяется:

- для плоского теплогого источника 1,'пр

(а)

- для цилиндрического теплового источника Ь"гр из )-пшэпн !

ур-мгпепия:

^^П СП

я \ к2 |Г

,(t-h)¿JjL:;-R1~]п

При расстояниях теплового источника от заморажкзакинкх колонок больше критических, но меньше предельных лсдогрупronce ограждений формируется, но при этом время активного замораживания определяется по формуле (1).

С целью выявления закономерностей изменения теплопритока от фильтрационного потока к ледогруптовому ограждению решена задача о теплоотдаче одиночного ледогрунтсвого цилиндра в безнапорном фильтрационном потоке.

При обтекании дедогрунгового цилиндра фильтрационным потоком процесс теплоотдачи описывается законом Ньютон;-Рихмана

Я, = 6.2 Ха г,К, (8)

где qf - удельный внешний тенлоприток к одиночному ледогрунтовому цилиндру от фильтрационного потока грунтовых иод; а - среднее по поверхности омывання значение коэффициента теплоотдачи; - естественная температура фильтрационного потока; II - радиус ледогрунтового цилиндра.

Для определения коэффициента теплоотдачи были проанализированы н обобщены результаты лабораторных и натурных экспериментальных исследований (более 500 опытов различных авторов). Воспользовавшись методами теории подобия, было получено критериальное уравнение, описывающее процесс теплоотдачи одиночного ледогрунтового цилиндра в фильтрационном потоке:

[ч С 25

, (9)

где Ь'и; Кек; Рго; Рг(Л - соответственно критерии Нуссгльта, Репнольдса, Прандтля незамороженных и замороженных грунтов; шшрриантиости тепловых нотисов:

Г, =21; Г,,^: 7 = 4^:

л2 v, ■ Щ Л ,Гг

А) и Х.2 - коэффициенты теплопроводности за:.2оро;/.еииого и незамороженного грунтов; VI и • кинематическая ьнзкоеп, грунтовых иод; и\ и ао - коэффициент температуропроводности замороженного и незамороженного грунтов; Ув - естественная скорость фильтрации; - температура охлаждающего рассола.

Как показал анализ теоретических и экспериментальных исследовании, наиболее точнее соблюдение услоинй моделирования, разработанных И.Д. Насоновым, было осуществлено при проведении . экспериментов Л.Б. Прозоровым. Сравнивая теоретической эцачеиие критерии Нуссгльта (0) с экспериментальны?.! значением Л.Б.

Прозорова, была установлена хорошая сходимость (расхождение не более ±10%).

Зная численное значение коэффициента теплоотдачи, из выражения (8) легко определяется удельный теплоприток к одиночному ледогрунтовому цилиндру.

Процесс теплоотдачи ледогрунтового цилиндра при сужении щели смыкания отличен от вышеописанного процесса.

При суженнч щели смыкания ледогрунтовый цилиндр омывается со скорост: ">, превышающей естественную скорость фильтрации. При это:.! 1. мперлтурд фильтрационного потока грунтовых вол в щели смыкания ниже естественной. Это связано со взаимовлиянием ледогрунтовых цилиндров при сужении щели смыкания. Так как процесс теплоотдачи одиночного ледогрунтового цилиндра в фильтрационном потоке идентичен процессу теплоотдачи ледогруи-голого цилиндра рря суг-счнн щели смыкания (при повышенны;; с 1:0 рос »ях флль:; и щежйшп: тешлрдтуре ^нль?ргцио-иы: > патока), то делается вывод о том, что критериальное уравнение (9) справедливо и для этого случая. При этом среднее значение коэффициента теплоотдачи определяется с введением измененных средних величии скорости и температуры фильтрационного потока: ч

где Яея;Рг2;У - критерии Рейнольдеа, Прандта, инвариантности тепловых потоков при осреднепных скорости и температуре фильтрационного потока в щели смыканн.

Для определения осреднепных величин скорости V п Г фильтрационного потока необходимо изучить динамику движении грунтовых вод в щели смыкания и термический режим.

0 25

(10)

\г

При изучении динамики движения грунтовых вод. было установлено, что изменение гидравлического нанора по мере сужения щели смыкания небольшое, и им можно пренебрегать.

Осредпяя скорость фильтрационного потока в щели смыкания, и также воспользовавшись законом неразрывности потока, были получены выражения для определения скорости фильтрации грунтовых вод для трех характерных плоскостей: лобовой - \'л; щелевой - \'щ и кормовой - VK: ,, ,, Asina„

L- Reus a q

(И)

vm = vt!f^, (12)

L — К

к . -t-, ^"JU, (10)

' L - R cos a „

гдг L- - иолосниа расстояния между замораживающими колонками; a¡) - угол между щелевой плоскостью и направлением фильтрационного потока.

Согласно выражению (12) скорость фильтрационного not ска возрастает по мере сук;ания щели смыкания и достигает бесконечно Солылого значения в момент сыыкапия. Следовательно, ии при каких начальных условиях (направление и ьеличида скорости фильтрации грунтовых вод, температура грунтовых сод, расстояние менаду замораживающими колонка:.;;;) соыкоуть ледогрунтовьы цилиндры не представляется г.0з:.105;:иьш, Однако, как показывают многочисленные экспериментальные исследования и опыт строа-тельтва- подземных сооружений методом пскусстссппого саыора-:кнвашш грунтов в условиях i ът ради о л пело потока, при определенных условиях такое смыкание может Сыть обеспечено. Отсюда напрашивается логический кысод, что гьзраженне (12) el ■аисдливо до определенного оначения радиуса лгдогрун юного

цилиндра, при котором скорость фильтрации, достигая максимального значения, снижается до нуля в момент смыкания. В работе показано, что снижение скорости фильтрации происходит по закону, отличному от закона по выражению (12). Это связано с увеличением гидравлического сопротивления в щели смыкания под действием следующих факторов: отклонения от закона неразрывности потока и, следовательно, отклонения от первоначального ламинарного режима течения; снижения кинематической вязкости за счет снижения температуры фильтрующихся грунтовых иод в щедн смыкания; снижения коэффициента фильтрации по причине кристаллизации воды; повышения сил бокового трения.

Проанализировав вышеперечисленные факторы, делается ::::лод о том, '¡то оспосшдм фактором является отклонение от ламинарного режима течения. Принимается, что переход от ламинарного режима течения в турбулентный происходит нра некотором фиксированном значении радиуса ледогрунтового цилиндра К=Гй]>. При этом значении радиуса сохраняется ламннерпьш рсксим течения. Значение скорости фильтрлдни в щели смыкания при П>11т предложено определять по выражению

У. = ,0-А'Д (И)

где - скорость фильтрации в щелевой плоскости при 11=11т; Кт -гоэффнпиант гидравлического турбулентного сопротивления. Произведя аналитические исследования,' были получены выражения для слределзаия скорости фильтрация во всех трех плоскостях при !' г<71<!.. Согласно этим зависимостям скорость фильтрационного потока я интервале от Нт ^ снижается до пуля в момент смыкания. Значение 11-у определяется по выражению

?.г »tO-0.2Re.sina,,), ' (15)

где - число Рейкольдса естественного фильтрационного пороге«

Воспользовавшись понятием среднеинтегральной величины, было произведено осреднение скорости фильтрации вдоль щели смыкания: - прл 0 < Я < йг

Г

•-7 V. Г/™ /, £ыпа„ \ . ( 1 ^

V' = — (Ч)-а0)Ц +----— + а08та„£--+ —-

180 ¿-Лео и-Л ¿-Ясоэа,,;

; (19)

- при А'г £ /? < £

- V С С - /■)' С 5 У'|

V = - (90 - «0 ) 1 +---Ь-У- -2- +

(17)

1-к { 5 УС .1-4

I— • —1|.

В результате анализа температурного режима фильтрационного потока в щелк смыкания было получено выражение для определения средней температуры фильтрационного потока в интервале от 0 до

где А[ и Аг - коэффициенты, зависящие от К, ао, \'е, Ь.

Зная осрадчс-т.ное зхмчеиие скорости и температур;.! фильтрационного потока в щели смыкания, по выражению (1С) можно получить значение среднего по поверхности омшодшя коэффициента теплоотдачи, а по выражению (8) - удельный внешний теплолриток.

Получив вышеназванные зависимости, можно определял, технологические параметры процесса замораживания. Так, нагрузка на замораживающую станцию (Збр при формировании ледогрунтового ограждения в условиях фильтрации определяется кз выражения

где - нагрузка на замораживающую станцию без учета

фильтрации (нет "о); С}ф - суммарный внешний тенлоприток от

фильтрационного потока; - потери в рассольной сети и

замораживающей станции.

Суммарный внешний теплоприток от фильтрационного потока определяется но выражению

тДе ; ...; 0Ф - суммарный пнепппш теплоприток от

фильтрационного потока ¡с прямолинейному участку ледогпуатоЕого iCoнтypa

где - количество вамора:кивающих колонок в прямолинейно:! участке ледогрунтоного контура; Иа - глубина эамораашвапнп.

Время смыкания ледогрунтоЕого ограждения, формирующегося' п условиях фильтрационного потока г .,

О,

[<?„„ - (С?, * 'Л }!

\Г

¡20)

где <},, - потребное количеств:) холода для создания лвдогрунтового ограждения ладанной толщины.

Р.лершле Еведсио понятие минимально:! скорости фильтрации потока груитозых вод. 11у>и минимальных скоростях инешнни теплоприток от фильтрационного потоке меньше потерь тепла, идущего на охлаждение прилегающих к ледогруитозому ограждению сбиоднен-т.л,:х грунтов. Минимальная скорость фильтрационного потока .может бить определена но формуле

0<Л

V'..,, = О.Ш75 —~т. (2М

Кроме того, в работе обосновано условна смыкания ледогрунтоного контура. Ледогрунтолое ограждение смыкается при зыполнецян следующего выражения:

Определены критические скорости фильтрации V..;. из условия наступления состояния теплового равновесия до момента смыкания:

Пройденные исследования показали, что внешний тепят-прнток зависит от направления и величины скорости фильтрационного потока. В связи с опш возникла необходимость разрабате.;. надежных методик по определению этих величин.

В работе разработаны две методики - теоретическая," по глг ■ делению характера фильтрационного поля при работе водоиони:к: -ния, и иг«т\,ри№.

Закономерности формирования ледогрушоных сграждгнп-"' исследовались и экспериментальным путем.

Экспериментальные исследования проводились но Дьу: направлениям.

Цель первого направления исследозапий связана с установлю пнем закономерностей формирования ледогрунтовых ограядеш:;: вблизи тепловых источников.

Цель второго направления экспериментальных исследований была нелравлена па установление влигшпя фильтрационпого потомка процесс формирования ледогруитового ограждения во времени и в пространстве.

Экспериментальные исследования по влиянию тепловых источников на динамику формирования ледогрунтопых ограждении

проводились на физических моделях в гидрогеологическом лотке МГГУ.

(23)

£ь?до посталлеяо ¿8 опытов. Опыты проводились на фкэпческоД модели с соблюдением требований теории подобия. Сущш'-ст:. гкепгрнментот! заключала«, в топ, что перед созданием л?догрунтозого огршкдяпия ка аадаппом расстоянии от модели в тр«Зусмо:< по условиям опыта направлении устанавливали тепловой источиш?, через который пропускала воду с необходимой по условиях.! опыта температурой. В качестоя модели теплового источпиха использовали стальные труоы расчетного диометрч. Циркуляция г.оды в подели теплового источника начиналась после того, :с.г;{ от'.ружагащая горная порода припикала постошшую, «зойтпдтауэт «о условиям опыта температуру.

Г?лт.5ер температур . ,з {моделях осуществлялся с помещь-о " :^:;о"етлзтдговых термопар.

Сшиа мн/гочались з (.крподапгсчоя снятии пошткий яггх ^■ром::-:1, р?.;чг)чз:игп::ы,с в цодоаях, т.е. для фиксации а к;;;"дый • К'1 т ; -.г.:.,.• • ;уг ч1 пс."сй в ар.мор.'г.-.српнол л талой

По дпггит термопар строились поля темпоратуо з -»'.:• плссксстлх гл.'.сгруятгдсго а ©п^делк-гл.»

'Ч")

;1гп 'д?';."'-"лпл про:;:':?л г.-кторжкпъйппа в условиях фп."*:>трац;т"1 .':.!Л . :;г.::пл:~"в м:спгг-п"гптал1.пих нсследгзаний л

уедет-,:::,:;;.

зкеперппяпзкмпло исс.тадэзпнпя пролсдпллсь а г. з ЗЬЭС!*-1ГГ>1 гг. ттч угл.т.:с строитялз.стпа толлолетт-пл

г:";:"-: л,-) Сгг.'У чг.7 :тго п п'лзн со сло:;'лг.:м;;

'.лл.-ог • Сп~л> 'л ~>

'•'>"-'-'■"' сгр^гдкг;::. 2г:'ср сС'.-.сктп кату;;:1'.!::

^ '"Г'.л был 1 и>:1 '!то, кг.': по:?п".'!ЛТ1

■ . ли-цяэд.-..тня, г^г.ср •".т.тп; ¡поводилось г, уело-

iAi:>s uapymcuüfii'o ¡»¡ж» фильтр.и?!»'.., пызеп1;:;ого тс;:., «-<« ирт-срип в }:й s; от места сьззоракизаши: еелхсь р;:&зти ш Бэдопикнхсешш.

Цеяыэ натурных экспериментальных исследований Gua.í проверки полученных ?» ¿роткчегккх результатов по опродеягшш глмшпсго теплопргстока' • с? фнльтрацпояпзго погона, в усласпя

Пригрсахо£ нетурних 8кскер1пйептадип:я; г.сскгдоши:п; придучатргсЕллось:

1) определение скорости фильтрации в, условиях варупшпгсхч» фильтрлцки при рсСюте содоионЕжевия;

Í) определенно зпдчзшш к;вгаггего тсплоирнтска при фэру.кроыипш дедогрунтогого контура в условных Bf.pyiac::i№""« рзхт.:'л ф.имлрацвк ирп paSo-io содопавшпсаип;

8) проверка условна смыкания дедогруатоиого Kojrrjrpá;

4) определение г.елачипм в кьзравлиир'я спороотк ф^ллрпцч-од-'эго ?:эго:;а яссдз етклктння к>допош:гкеяиа;

б) оаредгясивв по расчетным формулах, пслучсняим в г-л.груа'сй ьа сакоршкикиощую стапцтэ с учгтои вгаЕжиск» теп.м,-притока от фплугрогукопного потока.

Б результате нрамдешш опитое sa фвзикзскш: кодглга. с,л,л: пояучзаи и о&оэщ*иы гш.оаоиеряэеп: пзмепшпг танпсрьтур -хг.р'лтсрлых плоскостям л-.-допородиого сгражд<шв& (осегой, vaü, аймкоаой). Используя smi закояомерсозти р ксждо."-: па como1:, с-прздеяАГэсг oracaicsus толщшш лгдогрупкдаго ох-ракхдвикь. гдйгзой елоскссг.:, ко .чодкржеаноь шкыгсшэ тсм-оисгс сехочши::. таля;пИ1 orpüÁti.T¡i'jp;í;cHKoro елшшпг* i ÎÏIJ.OSOEO ÜCTÍ-;-

si AsSoimcjniw ек>: ;грш:ь.г«ш.иих 2саг.сдсиаи;.Л

í'VJi устатжвязин «апгстшзд» и койпчьсп'.еинме влияния тгпяо-■a:i ;«51сг.шксз па херактср п вр«;гп фор.-.шрог-аипя ле';сгруптс;::>1х ••i;.:.r.".V:"!.''. Усталоялочо, о кр.ки:с рпсстся"нй п крл ллл/.их owypnirt теягалцз псточя:?.*«! моту? сгедглюяко асзчиггь

"S lîfcî'ïcc ссзд.гтал 1^трллгделлл, lî;>:. • ут.лг г/ ллгп cnirrüiTS д:.пшп о г::ататллчс:;:.л.-п ог^иеимесглгт по oí лггрп^.-.сялолу гспр;?;.-, коюрл-".' пэкя'плч "л "л.";р'Л"лгг!> ~:v:y" ч рлб-уго т.-оугла'лс.'сьч глул^силллгел.

ï'b.ryrr.i ;•■> лг-л:..'".': ' лсу^тлгр, ;:з 'л

г тг'.ск^ л„'р-îû'ïi. л'лго "3 тл л:л ii?!;-,..".

. ,¡ c-^-'X-r^ís Л"л\тт ;»: услг. : :И

.лл ? -л i л>"çn ¡t¡ -i;

yггл-л.Лч"-ллп i:o :-л:!у;\Л" tr-; -дл"\ллд " л г;.1''

ïs'rr® (Л"," rnvcro чг.""Л"УЛЛ о

Ü'tc;."'"4- iv.-т. ч л-.\ "".л г - ■ : "'.л -< -¡ 'v'.V-'л. Р"--ллг л"М л; :м г;л лл""! rsc-'i Г"'л-<-

, , - ; ¡Г!' '; !!

■ ...... л л?' . • ;., лл ¡ с г:г лл:'г с; ""лл:гл> 'л?;;;- -

' ■ г . ..... ' !■:•'" т î "г ' "■•,■;■:['-; л о гл. <у лг;

'■<: ~л ■.■■■.:"-> г -■ ■ •.:;■• лу,, л гул'; лу тл сглллу-ллл

л г. ■... " • ■■•.;..-. уулУ! л л ■ <: \

го

народнохозяйственной задачи - сокращение сроков и стснкое-п: замораживания грунтов в городских условиях при условии скоит-.:,..; материальных и энергетических затрат. Экономический эффект от реализации результатов работы составил 80 миллионов рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЙ

В диссертации решена научная актуальная задача по обоснованию параметров тех колоти ааяоражшишпя груатов в услог.ккх техногенного воздействия на состояние подземных код, кнех>ща« сущостаскиоо значение при'. строительстве подземных сорругхеянй в сложных гидрогеологических условиях.

Основные каучвыг результаты, выводы и рвкогдеид&цип сводятся к следующему:

1. Х1р;; закоражишшшг грунтов г.бллзл тзпловых источцико^ устднввлгим закономерности формирования ледогруитовых огрыцдо-к зоне влияния этих источников. Определены кркткчеекке расстояния мекзду тешкшдм всго<шш:оы п яедогрустосш.' ограху,.:-пксу., прн имтьтеи аначс«пи коюрьг; лсдогрушоиое сгрлздиви формироваться со Судет. Пр.-: расстосягдех лздогруитоБЭГО нкя от источника тепла, превышающих ьргпгьчеекпо, ко ксныдс предельных, т.е. епходюцкхсп ь асе • его ьллябея, дедогрушгоьо-сгр.л:;:/;,ги;:е будет форд<:1рогс.т!.ся, ко с ско^.агп.р, ирц отоп

ьр.шг. &виор&хшкшш: д-чк де-лшкетшя лсдо4рупт<"«и/.1 огракдвгше:.: ироектиых {. .лыеров дтласьо оа, зделя»ьс.. но кг,2дло;кепяоц с рабо;?.

2. Провесе теплоотдачи от фалътрацяоявого потока к одиночному лед« рунтовому цилиндру отличается от изученных процессов теплооСмгяа я описыгаатся полученным в работе критериальным уравнением основании которого можно ^проделать величину удельного теплового притока от фильтрационного потока к ледо-груатозому ограждешпо как для одиночной колонки, та'.: и для группы колонок.

3. При саморажпвавпн в фильтрующих грунтах ледогруптов.' к тола вокруг каждой кз самсраисивамщгк: коленок увеличиваются и ммеду ними образуется так называемая щель смыкания, по мере с.ук:ояия которой скорость н рожам фильтрационного потока ррдпыз л м.огут быть опцеалы двумя зависимостями. С момента начала роста ледогр^.чтоЕого тела до ("20%) ;инр:' :ы щели смыкания скорость флльтргщт-опного истока угглачши.еи;я п пределах ламинарного

течгчня, иосле чего с определенный момент времени проис--.•п/'-лт екгяп режима течения фильтрационного потока с ламинарного •ла -гурбуяешпый и снижгииа скорости фильтрации до нуля в момент смыкания. Критерием игрехода ст одного режима течения к другому служат полученная в рлботе величина Пт, позволяющая определять .чяисвыалыше скорости фгшьтрации в процессе смыкания ледо-грунтсЕэго ограждения, которые, как показала пселедосалпя, иогут превышать естествеппы в 5-0 раз.

4. Пр:1 работе кодссояизцте.и.пых устройств формируются фильтрацпозипо потеки со' скоростью до 2 м/ч и с радп'-оом .действия ЗССО и,

Пра ьрдопии рг.бот по яагмаражпгппп» л сспэ влияния таких /прейгтэ сксрссть дкг.г.слия подгэтшнх под цея-гсосбразио опрз-,".гл:тгь по яг? ляти1каинI гг-пя^япсст."*?, пплукьлмгл ь работе лля

различных схем водоионизитсльных устройств (липейиая, кругозаи, площадпап, копгурпал).

5. Установлен критерий смыкаемоетн (22), позволяющий для каждого конкретного случая оценить степепь влияния начальных условий фильтрации на возможность смыкания отдельных ладо-грунтовых тел в заккку. ^ огразкдение. Найдены такие зависимости для определения как минимальной скорости фильтрации, при которой фильтрацию молено не учитывать (21), так и максимальной, ири превышении которой наступает тепловое равновесие, и ледогрунтовое ограждение не формируется (23).

6. Холодопроиаводнтельпость и время работы замораживающей станции при замораживании фильтрующих грунтов целесообразно определять из полученных в работе зависимостей, учитывающих скорость движения подземных вод, начальную температуру, технологию работ по замораживанию (19, 20).

7. Разработай и утвержден ведомственный нормативный документ "Методика проектирования процесса замораживания вблизи тепловых источников и в фильтрующих породах".

Внедрение результатов исследований па объектах АФ "Гидро-спецстрои" позволило получить экономический еффект в размер.; 98 млн. рублей как за счет сокращения сроков замораживания, тек и за счет корректировки ряда проектных решений по технологии замораживания грунтов.

Оспозное содержания диссертации оиубликосаио в следующих рдоотах:

1. Башмаков В.М., Шунляк г.'.II. Замораживание груптов вблизи тепловых источников // Подземное пространство мира, 1995, Кз 5, с. 53-55.

2. Башмаков В.М., Шуплшс М.Н. Определения коэффициента теплоотдачи ледогрунтсвых ограждений при фильтрации подзсмпых вод // Подземпое пространство мира, 1995, № 6, с. 40-43.

Псдлисяио 3 аэчть iä.C'j.IOSG г. ßcpam? GQ3SC/Ï6 ОМ'и I пвч.л. íspa2 100 Ваказ -

Тшографгя 1'ооксъспого государствопкого горного уигсгрсстота Лояанскяй проспект, 6