Improved engineering solutions for thermal design of artificial ground freezing

Abstract

La congelación artificial del terreno es un método utilizado en ingeniería civil y minera. Al congelar el terreno, su resistencia aumenta y se impermeabiliza. Cálculos térmicos con cambio de fase son necesarios para diseñar estos trabajos. Estos cálculos se pueden realizar con modelos numéricos o soluciones analíticas. En esta tesis se han investigado los parámetros que influyen en la precisión de los métodos numéricos mediante un análisis de sensibilidad y se han condensado los resultados en un código de buenas prácticas. Además, se ha utilizado un modelo numérico verificado para investigar la precisión de las soluciones analíticas. Se ha concluido que la solución más precisa para el problema de una tubería de congelación es la de Ständer. También se ha ajustado la solución analítica de Sanger & Sayles para una tubería de congelación, que presenta una mejora de precisión significativa. Finalmente, se han utilizado datos experimentales para confirmar las conclusiones.

Artificial ground freezing is a method used in civil and mining engineering for ground stabilisation and groundwater cut-off. In order to design these works, thermal calculations with phase change are required, which can be performed by numerical models or analytical solutions. In this thesis, the parameters which influence the accuracy of numerical methods were investigated by means of a sensitivity analysis and the results were condensed in a code of good practice. A verified numerical model was used to investigate the accuracy of analytical solutions. It was concluded that the most accurate solution for the single freeze pipe problem is Ständer’s. Additionally, Sanger & Sayles’ solution for the single freeze pipe has been adjusted, obtaining a significant accuracy improvement. Finally, experimental data were used to confirm the conclusions.