Zmrazování Ground Freezing 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin OBSAH Úvod Podmínky Tepelné parametry Teorie - výpočet zmrazování Fáze zmrazování Technologie Kontrola Literatura 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin ÚVOD Voda je konstitutivní součástí zemin a běžně se vyskytuje v horninovém prostředí. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin ÚVOD Chování vody, dané jejími mechanickými vlastnostmi a inicializované gravitací, je příčinou mnoha jevů, které významným způsobem ovlivňují chování zemin a hornin. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin ÚVOD Nejčastějším a současně i nejnebezpečnějším jsou totální ztráta stability zvodnělých prostředí a zaplavení staveniště proudovým tokem z vody a klastického materiálu. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin ÚVOD Závažnost uvedeného jevu spočívá v krátké inicializační době a rychlosti průběhu jevu. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin ÚVOD Pokud jev nastal, nelze mu již zabránit. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin ÚVOD Zmrazování je technologie, která vodu v prostředí transformuje na pevnou fázi (led), a tím eliminuje všechna zmíněná rizika. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin ÚVOD Zmrazená voda - led spojuje pevnou vazbou zrna a pevné části prostředí. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin ÚVOD Zaledněné prostředí je stabilní a nepropustné. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Podmínky Prostředí musí obsahovat volnou vodu. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Podmínky Prostředí musí mít dostatečnou propustnost, aby byl zajištěn odvod části objemu vody z oblasti, ve které voda přejde z fáze tekuté do fáze pevné - led. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Podmínky Fázová přeměna vody v led je objemovou změnou, během které se zvětšuje objem hmoty vody v její pevné fázi (9%). 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Podmínky Pokud není zajištěn odvod vody, přírůstek objemu zmrazené hmoty vody (led) prostředí naruší (potrhá), deformuje a zvýší napětí v prostředí sousedícím se zmrazenou oblastí. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Podmínky Po opětovném rozmrazení hrozí nebezpečí ztráty únosnosti a stability prostředí. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Podmínky Rychlost proudění vody prostředím nesmí překročit kritickou hodnotu. Pokud voda proudí rychleji, než je kritická hodnota, pak nelze prostředí zmrazit. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Podmínky Kritická hodnota rychlosti proudění vody závisí na teplotě zmrazovacího média - zmrazovací technologii. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Tepelné parametry Tepelná vodivost prostředí Součinitel prostupu tepla materiálovým rozhraním Měrná tepelná kapacita Měrné skupenské teplo 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Tepelná vodivost prostředí Tepelná vodivost je schopnost materiálu vést teplo (energii). 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Tepelná vodivost prostředí Představuje rychlost, s jakou se teplo šíří materiálem při teplotním spádu. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Tepelná vodivost prostředí Tepelnou vodivost materiálu charakterizuje součinitelem tepelné vodivosti ( W.m-1.K-1). 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Součinitel prostupu tepla materiálovým rozhraním Součinitel prostupu tepla materiálovým rozhraním definuje teplo, které projde plochou rozhraní jednoho čtverečního metru při rozdílu teplot 1 Kelvin mezi dvěma různými materiály ( W.m-2.K-1). 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Měrná tepelná kapacita Měrná tepelná kapacita (měrné teplo, specifické teplo) je definována jako množství tepla (energie), které je zapotřebí k ohřátí 1 kg materiálu o 1 K (Kelvin) ( c J.kg-1.K-1). 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Měrná tepelná kapacita materiál c J.kg-1.K-1 voda 4190 led 0 C 2120 -10 C 2050 -50 C 1340 písek w = 5% 840 w = 20% 1470 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Měrné skupenské teplo Měrné skupenské teplo je definováno jako množství tepla (energie), které je nutné přidat či odebrat 1 kilogramu látky pro přechod z jedné fáze do jiné (lt J.kg-1). 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Měrné skupenské teplo Měrné skupenské teplo přeměny vody o 0C na led 0C činí 334 kJ.kg-1. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Teorie-výpočet zmrazování Průběh teploty prostředí kolem zmrazovacího vrtu. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Teorie-výpočet zmrazování Tepelný výpočet zmrazování – součásti: ochlazování pevné fáze z tp na t* ochlazování vody z tp – 0 C skupenská přeměna voda 0 C – led 0 C ochlazován ledu z 0 C na t* 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
Teorie-výpočet zmrazování Skupenská přeměna vody na led a ochlazování ledu probíhá jen do rozsahu Rz a netýká se vody, která se nachází v ochlazené oblasti za hranicí Rz. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin fáze zmrazování Aktivní Pasivní – udržovací Rozmrazování 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Aktivní Vytváření – růst zmrazené oblasti. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Pasivní – udržovací Zmrazená oblast se dále nerozšiřuje a zůstává konstantní. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Pasivní – udržovací Během pasivní – udržovací fáze teplo odebrané prostředí je rovno oteplení na hranici ochlazené oblasti. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Rozmrazování Proces ochlazování prostředí je ukončen. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Rozmrazování Prostředí je rozmrazeno přirozeným způsobem, oteplováním z okolního prostředí. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Rozmrazování Prostředí může být uměle rozmrazeno s využitím stávajících zmrazovacích vrtů, do kterých je čerpána ohřátá kapalina, nebo vodní pára. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin TECHNOLOGIE Mrazící media: Kapaliny - Solanky Plyny, zkapalněné plyny 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin TECHNOLOGIE Mrazící kolona 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin TECHNOLOGIE Zapojení mrazících vrtů 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin TECHNOLOGIE Mrazící systémy: Uzavřený Otevřený 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Uzavřený Uzavřený oběh médií Chladící okruh – voda Mrazící stanice – NH3, Freon, .. Solankový okruh – roztok CaCl2 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Otevřený Mrazící médium je vypouštěno do ovzduší 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin Kontrola Měření teploty prostředí. 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin
© 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin LITERATURA Harris, J.S. (1995) : Ground Freezing In Practice. - Thomas Telford Publishing London 18/09/2018 © 2014 Karel Vojtasík – Úprava vlastností hornin a zemin