- Baden Hở “ 75x80=6000 84 1.000.000 Genevơ Kín Trực tiếp26x60=156016/32 360
1.2.9.2 Kết đông nền móng
Kỹ thuật lạnh còn đ−ợc sử dụng để làm lạnh lòng đất khi xây dựng các cửa vào hầm mỏ, các công trình ngầm, công trình xây dựng metro, các công trình đê đập, cũng nh− sử dụng để xử lý nền móng các công trình ở vùng đất yếu, vùng đất phức hợp về địa chất thuỷ văn. Đặc biệt các công trình xây dựng trên nền đất sình lầy và có nhiều n−ớc ngầm. Nền móng xây dựng đôi khi không đủ chắc chắn, nên khi đào móng đất tr−ợt nh− cát chảy. Để ngăn ngừa hiện t−ợng đó ng−ời ta đ−a ra một ph−ơng pháp sử dụng lạnh để tạo ổn định móng, đó là ph−ơng
pháp sử dụng cọc kết đông. Nhờ các cọc này ng−ời ta tạo nên một vành đai bao bọc hố cần đào (xem hình 1-6)
Cấu tạo cọc kết đông rất đơn giản theo kiểu ống lồng ống. Đ−ờng kính ống ngoài khoảng 100mm, ống trong 40mm. Chất lỏng lạnh có nhiệt độ khoảng -20 đến -40oC đ−ợc dẫn đi vào từ ống trong và đi ra ống ngoài ra ngoài, đầu cọc vót nhọn để dễ nén vào lòng đất. Tuy nhiên để dễ dàng đ−a cọc vào nền đất có thể tiến hành khoan mồi tr−ớc. Các cọc đ−ợc nối song song với bộ phận phân phối và thu hồi môi chất lạnh. d D 1 2 3 4
1- Cọc kết đông; 2,3- Môi chất lạnh vào và ra; 4- Khối kết đông
Hình 1-6: Sơ đồ kết đông nền móng bằng cọc kết đông
Trong quá trình môi chất lạnh tuần hoàn, nền móng xung quanh cọc đ−ợc làm lạnh và kết đông lại thành 01 khối vững chắc. Kích th−ớc trụ kết đông ngày càng lớn dần ra xung quanh, sau một thời gian nhất định (khoảng vài tuần, có khi vài tháng) các trụ kết đông mới nối lại với nhau thành thành vòng kín vững chắc, đảm bảo không cho đất sụt lở khi đào sâu phía bên trong.
Độ chắc chắn của vòng kết đông phụ thuộc vào nhiệt độ làm lạnh và chiều dày của nó. Ví dụ độ bền nén của nền cát kết đông ở -10oC là 100 bar, ở -15oC là 160 bar, ở -25oC là 200 bar. Khi nền cát kết đông thì n−ớc đóng vai trò nh− xi măng trong kết cấu bê tông.
Trong lạnh đông n−ớc ở đất đóng băng liên kết với hạt đất tạo thành lớp liên kết bền vững chẳng khác bê tông. Liên kết này vững hơn nhiều liên kết n−ớc đá thuần tuý. Đất cát đóng băng có độ liên kết bền vững nhất sau đó đến đất thịt và sau cùng là đất sét.
Đối với cửa hầm lò, đôi khi cọc phải dài đến hàng trăm mét cắm sâu vào lòng đất. Khi đó phải khoan mồi tr−ớc các lổ cọc. Các lổ phải song song để đảm bảo khoảng cách cần thiết, nếu có một vị trí nào đó khoảng cách giữa các cột quá xa, mạch kết đông không liên kết có thể tạo nên những điểm yếu cục bộ, có thể gây sụt lở ở những vị trí này. Trong quá trình sử dụng cần tránh rò rỉ chất vào lòng đất, vì nhiệt độ đông đặc của chất tải lạnh rất thấp không thể đông đ−ợc nên có thể làm cho các cọc kết đông rả đông, rất nguy hiểm và rất khó khắc phục.
Do chất tải lạnh trên đ−ờng ống ra nóng hơn ống chất lỏng lạnh vào đáng kể (khoảng 8K), nên giữa chúng có trao đổi nhiệt với nhau, làm giảm hiệu quả làm lạnh nền đất. Vì vậy phải có biện pháp giảm dòng nhiệt trao đổi này, bằng cách cách nhiệt bề mặt ống trong. Đây là vấn đề t−ơng đối khó, vì nh− vậy sẽ tăng kích th−ớc ống ngoài. Có thể giảm dòng nhiệt trao đổi này bằng cách sử dụng loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt kém làm ống trong, ví dụ nh− nhựa PVC.
Do phải vận hành trên các công trình xây dựng và luôn luôn phải di chuyển nên hệ thống lạnh phải gọn, dễ cơ động. Tốt nhất nên thiết kế lắp đặt trên các xe thành khối, khi vận hành chỉ cần đấu điện, n−ớc là có thể hoạt động. Việc đấu nối chất tải lạnh cũng phải đơn giản và chắc chắn.
Các cọc kết đông có thể đ−ợc làm lạnh bằng môi chất lạnh. Ưu điểm của ph−ơng án này là hiệu quả làm lạnh cao hơn, do độ chênh nhiệt độ lớn. Tuy nhiên ph−ơng án này có nh−ợc điểm là chênh lệch nhiệt độ sôi bên trong ống khá lớn do chênh lệch cột áp thuỷ tĩnh, ở phía trên và phía d−ới, đấu nối phức tạp hơn và môi chất dễ bị rò rỉ ra ngoài.
Để tạo lớp thành vỏ dày 2 – 3 m bảo vệ hoặc ngăn cách n−ớc thẩm thấu vào khu vực thi công, cần thực hiện các giếng khoan lạnh đông cách nhau 0,8-1,2m tuỳ loại đất
Môi chất lạnh sử dụng trong các hệ thống này có thể là amôniắc, propan hoặc CO2. Khi sử dụng NH3 cần l−u ý là môi chất NH3 hoà
tan trong n−ớc nên khi rò rỉ có thể làm mềm nền, phá vỡ kết cầu nền, nguy hiểm.
Có thể sử dụng không khí lạnh để kết đông nh− tr−ờng hợp xây dựng đ−ờng hầm Stockholm năm 1884. Ng−ời ta dùng không khí lạnh -55oC từ một máy làm lạnh không khí để kết đông nền đất.
Ngày nay, để kết đông các nền đất không lớn, ng−ời ta sử dụng cả nitơ lỏng. Quá trình kết đông xảy ra rất nhanh chóng.
Việc tính toán công suất lạnh trong các tài liệu tham khảo rất khác nhau do tính chất nền đất mỗi nơi rất khác nhau.
Tính toán chi phí lạnh để làm lạnh đông đất
- Tổng khối l−ợng đất cần làm lạnh:
ΣVi = V1 + V2 + + Vn = F.(h1+h2+ + hn) (1-1) F – Diện tích tiết diện vỏ đông lạnh, m2
hi – Chiều dày của các lớp đất khác nhau, m - Tổng thể tích n−ớc cần làm lạnh
Vn = ΣV’i = Σ Vi x Ei (1-2)
Ei – Hàm l−ợng phần trăm (theo thể tích) n−ớc trong các lớp đất, %
- Chi phí làm lạnh n−ớc
Qn = ρn.Vn. [Cn.t1 + r + Cđ⏐t2] , J (1-3) ρn – Khối l−ợng riêng của n−ớc, ρn≈ 1000 kg/m3
t1, t2 – Nhiệt độ của n−ớc ban đầu và sau đông đá, oC
r – Nhiệt đông đóng băng của n−ớc, r = 2500 kJ/kg (80 kCal/kg) Cn, Cđ - Nhiệt dung riêng của n−ớc và đá, kJ/kg.K
- Chi phí làm lạnh các các thành phần khô
Qk = Σ ρi. ( Vi - V’i ).Ci (t1 - t2), J (1-4)
ρi, Ci – Khối l−ợng riêng và nhiệt dung riêng của thành phần khô của các lớp đất.
Từ tổng chi phí lạnh yêu cầu trên, căn cứ vào thời gian yêu cầu làm lạnh τ (giây), có thể xác định công suất lạnh yêu cầu của máy lạnh:
WQ Q Q Q Q n K o , τ τ + = = (1-5)