Grunnfrysing

Hva grunnfrysing er

Naturlig frost opptrer mange steder i verden i det øverste jordlaget når det er vinter, og lengst nord på den nordlige halvkule er det permafrost. Når frosten er menneskeskapt, som en metode i bygge- og anleggsbransjen, eller i gruveindustrien, bruker vi betegnelsen grunnfrysing, på engelsk artificial ground freezing, gjerne forkortet til AGF.

Grunnfrysing er en metode som utnytter at egenskapene endrer seg når temperaturen synker under frysepunktet. Grunnen blir vanntett og styrken øker. Metoden brukes normalt som en midlertidig støttekonstruksjon i kombinasjon med vanntetting, eller kun som en barriere mot vanngjennomstrømning.

Helt vanntett

Når temperaturen i grunnens porevann synker under sitt frysepunkt, går vannet over fra væske til fast stoff. Det frie porevannet fryser først, mens det nærmeste sjiktet mot mineralkornene har kjemisk bundet vann som fryser sist og som kan være ufrosset selv ved svært lave temperaturer. Allikevel er grunnen 100 % vanntett for alle praktiske formål, også med hensyn til poretrykk og grunnvannskontroll.

Selv over grunnvannstand blir nedfrosset grunn vanntett etterhvert som is bygges opp på nedfrosset materiale, enten fra fukt i luften, eller tilført vann. Det er balansen mellom tilført og fjernet varme som avgjør om frosten brer seg eller krymper.

Fordi grunnfrysing gir helt vanntette konstruksjoner, er metoden ypperlig for å opprettholde grunnvannstand og poretrykk utenfor byggegrop og tunnel, slik at ikke omgivelsene får setninger på grunn av poretrykksreduksjon.

Høy styrke

Frosset grunn representerer et komplekst flerfasesystem som består av fast stoff i form av mineralkorn, viskoplastisk is i porene, væske i form av kjemisk bundet vann rundt mineralkornene, og gass i form av damp og gassblærer.

Trykkstyrke av forskjellig jord og is som funksjon av temperatur, etter Sayles (1966)
Trykkstyrke av forskjellig jord og is som funksjon av temperatur, etter Sayles (1966).
At styrken øker når grunnen fryser skyldes faseforandringen fra vann til is. Etter at det frie porevannet har frosset, vil mer og mer av det bundne porevannet fryse etterhvert som temperaturen synker. Dertil blir de aller fleste materialer sterkere med synkende temperatur. Styrken fortsetter å øke med synkende temperatur, og derfor inngår temperatur som en sentral dimensjoneringsparameter ved grunnfrysing.

Fjerning av varme

Energi strømmer fra høyere til lavere energinivå. For å fryse grunnen kunstig etableres en temperaturgradient, slik at varmen strømmer mot kaldere nivåer og tappes ut fra det lave nivået. Det gjøres vanligvis ved å plassere fryserør i grunnen og sikulere et kaldt medium. Dette sørger både for å etalere den ønskede temperaturgradienten, og for å transportere bort varmen slik at grunnen rundt fryser.

Forskjellige materialer har forskjellige termiske egenskaper slik at evnen til å lede varmen for forskjellige jord- og bergarter varierer sterkt. Dette påvirker nedfrysingshastigheten. Som ledd i kvalittssikringen for å dokumentere at temperaturkriteriene er oppnådd før frigivelse av frostkonstruksjonen, utføres derfor temperaturmålinger.

Installasjon av fryserør

Fordi frysing ofte utføres i ustabil grunn, er det vanlig å installere foringsrør samtidig med boringen. Fryserørene er tilpasset frysesystmet som benyttes og kan være åpne enkeltrør, parallelle eller koaksiale dobbeltrør.

Åpent/direkte frysesystem

Det enkleste systemet er åpne fryserør ned i bakken. En kald væske med lavt kokepunkt fylles i røret der jordvarmen får væsken til å koke. Dampen tar med seg varmen ut av systemet. I et slikt system er det mest vanlig å benytte kondensert nitrogen (LIN) som er utvunnet ved en fabrikk som separerer luftgassene, der nitrogen utgjør 78 %. Etter hvert som væsken koker og fordamper må det fylles på mer. Metoden betegnes ofte som nitrogenfrysing. I et åpent frysesystem er nitrogenet både kuldemedium, det mediet som «generer» kulden, og kuldebærer, det mediet som transporterer varmen bort fra fryserørene.

Nitrogen koker ved -196 °C, og en liter væske går over til 672 liter gass ved atmosfæretrykk og temperatur på 0 °C. Nitrogen har ikke lukt eller farge. Gassens tetthet i forhold til luft ved samme temperatur er 0,967, men fordi gassen er mye kaldere enn omgivende temperatur når den slipper ut i friluft, vil den være tyngre enn luft. Det må derfor planlegges hvor og hvordan den kalde gassen slippes ut, slik at den ikke samler seg i forsenkninger og fortrenger oksygen/luft, og derved utgjør en kvelningsfare. Det benyttes alltid oksygenmålere som HMS-tiltak ved nitrogenfrysing.

Figur: Prinsipp for nitrogenfrysing.
Figur: Prinsippskisse for direkte frysing med nitrogen.

Lukket/indirekte frysesystem

I et lukket system vil væsken som sirkuleres i rørsystemet kun ta seg av varmetransporten fra fryserørene til en varmeveksler i et kuldeanlegg. Væsken som sirkuleres må ikke fryse ved de aktuelle temperaturene. Ofte benyttes saltlake og metoden kalles derfor gjerne lakefrysing.

Saltlaken som benyttes er gjerne en blanding av vann og CaCl2. Dette saltet er en av hovedbestanddelene i sjøvann og benyttes også på veiene våre, til tining av is om vinteren og til støvbinding på grusveier om sommeren. Laken kjøles ned til en temperatur i området mellom -20 °C og -40 °C. Frysing ved hjelp av et kuldeaggregat som varmeveksler med en kuldebærerkrets kalles indirekte frysing.

I kuldeanlegget sirkulerer kuldemediet i en annen lukket krets der kjøleprosessen foregår: Fordampning, komprimering, kondensering og struping. Kompressorer og pumper drives med elektrisk kraft.

Varmen fra kuldeaggregatet må fjernes og det skjer enten ved direkte vannkjøling, med et kjøletårn eller med en tørrkjøler. Det vil si at varmen leveres til vann og/eller luft i omgivelsene.

Figur: Prinsipp for lakefrysing.
Figur: Prinsippskisse for indirekte frysing med lake.

Kuldemedier

Kuldeaggregatene kan være basert på forskjellige kuldemedier, alt etter temperaturnivå og formål med anlegget. Tidligere var kuldemedier basert på klorfluorforbindelser mye benyttet, men pga. den negative klimapåvirkningen er disse nå forbudt i flere og flere land (GWP på flere tusen).

Det miljømessig beste kuldemediet er det naturlige stoffet ammoniakk, NH3, som ikke fremmer drivhuseffekten eller bryter ned ozonlaget (ODP=0, GWP=0). Dette er et effektivt og mye brukt kuldemedium i kuldeanlegg både for grunnfrysig og i andre bransjer. Ved utslipp i vann dannes salmiakk som er giftig for fisk og andre sjødyr i sterke konsentrasjoner. Ved utslipp i luft er også gassen giftig for mennesker ved sterke konsentrasjoner.

Et annet naturlig kuldemedium som i senere tid har fått økt anvendelse er karbondioksid, CO2 (ODP=0, GWP=1).

Når og hvorfor

Utgraving under grunnvannstand

Hvis det er et problem at vann lekker inn i utgravingen eller vanninnlekkasje vil gjøre grunnen ustabil og utgravingen utrygg, da bør grunnfrysing vurderes for vanntetting eller stabilisering. Det samme gjelder dersom omgivelsene er setningsømfintlige og ikke tåler grunnvannssenkning. Grunnfrysing gir en trygg og stabil byggegrop eller løsmassetunnel med full grunnvannskontroll. Influensområdet går ikke utenfor frostkonstruksjonen.

Midlertidig støtte

Grunnfrysing er et midlertidig hjelpemiddel, som benyttes for at noe annet skal kunne utføres eller bygges. At grunnen smelter og går tilbake til ufrosset tilstand etter bruk er en stor fordel i alle de situasjoner der konstruksjonen ønskes fjernet etter bruk og ikke inngår i den permanente konstruksjonen. Dette kan for eksempel være midlertidige støttekonstruksjoner som går inn på naboeiendom, hindringer av naturlig vannstrømning i grunnen, midlertidig understøttelse av deler av direktefundamenterte hus og stenging av vanntunneler for vedlikehold og rehabiltering.

Permanent som del av varmepumpe

Flere og flere varmepumper henter varmen fra grunnen. Der man kan kombinere behovet for grunnfrysing med varmepumpeutnyttelse vil dette gjøre driftsfasen lønnsom. I arktiske strøk benyttes grunnfrysing for å sikre en stabil fundamentering og varmen som blir fjernet fra grunnen benyttes til oppvarming av bygget. Samme prinsipp benyttes for eksempel ved bygging av ishaller og kunstfrossne skøytebaner sammen med oppvarming av svømmehall eller kuntstgressbane.

Sammenlikning av metoder

I følge tekstboken «Ground engineering equipment and methods”, utgitt av Frank Harris i 1983, var spunting, injeksjon, grunnvannssenkning og trykkluft førstevalgene til Europas entreprenører. Men, spunt var for eksempel uøkonomisk for større gravedyp enn ca. 20 m og særlig dersom arealet oversteg 200 - 300 m2. Trykkluft var bare praktisk mulig med vanntrykk mindre enn 35 m vannsøyle og på dyp mindre enn 25 m. Grunnvannssenkning og injeksjon var kun mulig i et begrenset spekter av kornstørrelser. Slike begrensninger gjelder ikke for grunnfrysingsmetoden.

Sammenlikning av metoder avhengig av jordas permabilitet ble gjort av J.S. Harris i 1995. Figuren under viser at grunnfrysing fungerer uansett kornstørrelse, jordtype og permeabilitet.

Figur: Anvendeligheten av forskjellige metoder avhengig av jordas permeabilitet. J.S.Harris 1995.
Figur: Anvendeligheten av forskjellige metoder avhengig av jordas permeabilitet og sammendrag av største fordeler og ulemper (J.S.Harris 1995).

Teknisk Designbasis for InterCity, BaneNor, 2019-08-15, sier i kapittel 8.4.1 om løsmassetunneler:

"Tunneler i berg med meget lave Q-verdier drives vanligvis enten ved hjelp av sikringsbolter, rørskjerm eller forbolting. Ofte forsøkes et likt konsept når bergoverdekningen er lav eller mangler. En stor forskjell for tunneler i løsmasser er at løsmassene som regel må stabiliseres i forkant av tunneldrivingen og at de stabiliserte massene ikke kan inngå som en del av den permanente konstruksjonen."

Vanligvis, og alltid under grunnvannstand, vil det være behov for en vanntett konstruksjon i permanenttilstanden. I løsmasser er injisering generelt ikke egnet som vanntettingmetode og dårlig egnet som stabiliseringsmetode.

Som løsmassetunnel definerer Bane NOR også tunneler der det kun er hengen som har utilstrekkelig bergoverdekning.

Figur: Bruksområde for ulike teknikker for grunnforbedring
Figur: Bruksområde for ulike teknikker for grunnforbedring (Bane NOR).
Figur: Metoder for tunneldriving gjennom forskjellige løsmasser
Figur: Metoder for tunneldriving gjennom forskjellige løsmasser (Bane NOR).
Figur: Metoder for masseuttak etter stabilisering
Figur: Metoder for masseuttak etter stabilisering (Bane NOR).

Egnethet av forskjellige grunnforsterkningsmetoder ved ulike grunnforhold. Grunnfrysing kan benyttes for alle grunnforhold.

Figur: Metoders egnethet i forskjellige jordarter
Figur: Metoders egnethet i forskjellige jordarter. (Byggegropveilederen fig. 6.20.3)

Geofrosts vurdering av forskjellige metoders egnethet for tunnelbygging og byggegroper er vist under.

Figur: Metodesammenligning tunnel
Figur: Metodesammenligning tunnel
Figur: Metodesammenligning byggegrop
Figur: Metodesammenligning byggegrop

Injeksjon fungerer ikke som vanntetting i jord

Injeksjon i bergsprekker

Forinjeksjon av berg er en anerkjent metode for å få kontroll på vannet og stabilisere oppsprukket berg. Dette er det dominerende tiltaket ved tunnelbygging i Norge, som i all hovedsak har foregått i berg.

Sprekkene kan ses på som en todimensjonal flate, hvor berget på hver side gir mothold når injeksjonsmassen trykkes inn i sprekken. Jo lenger vekk injeksjonsmassen kommer fra injeksjonspunktet, dess større flate skal injeksjonsmassen fordele seg over og trykket faller tilsvarende, slik at rekkevidden begrenses. Injeksjonsmidlene har ulik partikkelstørrelse og har derfor ulik mulighet til inntrengning i fine/smale/tynne sprekker. Injeksjonsmassen følger minste motstands vei, større sprekker før mindre og glatte sprekker før ru, hele tiden der den hydrauliske motstanden er minst. Injeksjon fungerer vanligvis bra så lenge det er snakk om sprekker i berg.

Injeksjon i jord

På kontinentet benyttes injeksjon i friksjonsjord til mange formål, men ikke til vanntetting og stabilisering av utgraving under grunnvannstand. Det skilles mellom injeksjon som komprimerer (compaction grouting, hydraulic fracturing) og injeksjon uten deformasjon i opprinnelig kornskjelett (permeation grouting, fissure grouting, bulk filling).

Porene i jord er hulrommet mellom de enkelte mineralkorn. Disse er forbundet med hverandre gjennom trange passasjer, der det ikke er direkte kontakt korn mot korn. Porevolumet i jord er et tredimensjonalt rom. Når injeksjonsmassen skal spre seg i det tredimensjonale rommet i stedet for i en todimensjonal sprekk, faller trykket mye raskere med avstanden fra injeksjonspunktet.

Injeksjonsmassen, som følger minste motstands vei, vil ha svært vanskelig for å kunne fordele seg jevnt og fylle alle hulrom.

Når grunnen ikke "tar injeksjonsmiddel", det vil si injeksjonsmiddelet trenger ikke inn, vil det heller ikke ha ønsket effekt. I sand og finere jordarter kan man ikke tvinge injeksjonsmassen inn i alle de små porene med trykk.

Foto: Injeksjonsklumper i grus.
Foto: Injeksjonsmasse (orange) som klumper i grus.

Dersom trykket økes kan det oppstå splitting, og injeksjonmassen følger sprekken i stedet for å fordele seg i porene.

Foto: Injeksjonsforgrennger i silt.
Foto: Injeksjonsmasse (orange) som splitter og forgrener seg i silt.

Heller ikke injeksjonsmasse med ultra små partikler eller viskøse væsker/gel fungerer for vanntetting av jord. Permeabiliteten setter en stopper. Med en permeabilitet (hydraulisk konduktivitet) på 10-3 cm/s (typisk for middels sand), og en hydraulisk gradient på 1, vil selv ikke vann trenge lenger inn en 3,6 cm pr. time. Resultatet er hovedsakelig kompresjon.

Det er generelt vanskelig å injisere i jord, og umulig å sikre en jevn fordeling i jorda med vanntett resultat.

Selvom injeksjon kan redusere lekkasjer slik at de kan håndteres med pumper, er ikke injeksjon rett metode for å opprettholde poretrykket utenfor utgravingen der dette er viktig for å unngå setninger. Injeksjonsmiddelet kan ved splitting komprimere massene og øke stabiliteten over grunnvannstand, men under grunnvannstand vil det ikke kunne utelukke utvasking og ras.

Miljøfordeler

CO2 og klima

Grunnfrysing har generelt et meget lavt CO2-avtrykk. Benyttes Geofrost byggegropsikring i Norge på et prosjekt i et år, vil CO2-avtrykket reduseres med 80 % sammenlignet med en tung spuntvegg, for eksempel AZ-48.

Energi og ressursbruk

Tilvirkningsprosesser krever energi, både grunnfrysing og stål eller betong. En sammenligning mellom spunt og Geofrost byggegropsikring viser at det kan fryses mellom et halvt år (lett GU6N-spunt) og nesten to år (tung AZ48-spunt) for at energiforbruket skal være likt. For en rørspunt (Ø406 x 10 mm) kan frysingen pågå i nærmere 3 år før samme energimengde er brukt.

Materialtransporten er redusert til transport av fryserør, som utgjør en brøkdel av byggegropsikringen, siden grunnen selv er konstruksjonsmaterialet.

Støy og vibrasjoner

Støy og vibrasjoner er begrenset til boring av hull for fryserør. Oslo kommunes støykrav tilfredsstilles.

Poretrykk og influensområde

Det er ingen grunnvannssenkning, poretrykksreduksjon og påfølgende setnigsfare fordi frostkonstruksjonene er helt vanntette. Influenssonen går ikke lengre ut enn frostutbredelsen. Potensielle setninger skjer i volumet som har vært frosset, ikke utenfor.

Kuldebærer sirkulerer i lukket krets. Det etterlates ingen kjemikalier i grunnen. Grunnvannet utenfor frostområdet er upåvirket.

Andre aspekter

Høye temperaturer

Grunnfrysing kan utføres om sommeren og i varmt klima så vel som i kjøligere klima. Temperaturen må senkes fra et høyere utgangspunkt, men det er faseovergangen fra vann til is som krever mest energi.

Bildet: Grunnfrysing i varmt klima i Hong Kong.
Foto: Geofrost fryser i Kowloon.
Første gang grunnfrysing ble utført i Hong Kong var i 1995, da Geofrost bidro i forbindelse med første fase av «The Strategic Sewage Disposal Scheme» i Kowloon. Sommerklimaet er varmt og fuktig, og gjennomsnittlig dagtemperatur overskred ofte 32 °C.

Høyt vanntrykk

Høyt vanntrykk forsinker ikke fryseprosessen. Både under høye fjell og dypt under fjordene er vanntrykket høyt. Disse trykkene er ikke noe problem for grunnfrysing. Største vanntrykk Geofrost har frosset i hittil er 1400 kPa, i bunn av frostkonstruksjonen for den undersjøiske tunnelen under Oslofjorden.

Skisse av Oslofjordtunnelen 120 m under havnivå.
Figur: Prinsippskisse av sonen som ble frosset i tunnelen under Oslofjorden.

Strømmende vann

Vann i bevegelse representerer ekstra varmetilskudd som må fjernes i forbindelse med grunnfrysing. Dersom vann strømmer gjennom det volumet som skal fryses, må man forsikre seg om at det er beregnet tilstrekkelig kapasitet til også å fjerne den ekstra varmemengden som strømmende vann representerer. Den kommer i tillegg til den varme som må fjernes for å oppnå nødvendig temperaturreduksjon og faseovergang.

Isolering av eksponert frostkonstruksjon

Dersom frigravd frostkonstruksjon skal bevare en frosset overflate mot varme omgivelser, må den være tildekket av et lag der temperaturgradienten går fra frost til omgivelesetemperatur. Det kan være et lag med tint jord, sprøytebetong eller isolasjon.

Figur: Temperaturprofil gjennom frostkonstruksjon og ut mot omgivelsene.
Figur: Eksempel på temperaturprofil fra senter frostkonstruksjon med -40 oC og ut mot omgivelsene med +20 °C. Øverst stabil situasjon der tint jord virker som isolasjon og nederst der det er lagt et lag isolasjon på den frigravde frostkonstruksjonen.

Støping mot frost

Det er fult mulig å benytte frostkonstruksjonen som forskaling. Allerede på 1950-tallet ble dette studert grundig både i laboratotium og in situ ved oppfølging under bygging av flere sjakter i Storbritannia. For eksempel er det gunstig med tidlig avforming fordi det reduserer sannsynligheten for strekksprekker, f.eks. på utsiden av en buet sjaktvegg.

To ting må man passe på:

  • Varmebalansen ved støpetidspunktet:

    Volumet av betong må være tilstrekkelig stort til at det genereres nok varme - lenge nok - til at herdeprosessen kommer igang. Da gjør det ikke noe om en mindre del av betongen fryser, for herdingen vil fortsette når betongen tiner og vil så etterhvert oppnå full styrke.

    Støp i direkte kontakt med frostkonstruksjonen fører til at et tynt sjikt av frostkonstruksjonen smelter, men den fryser til igjen etter en stund, og dette har normalt liten betydning for frostkonstruksjonens stabilitet.

  • Betongens temperatur ved støping:

    For høy starttemperatur sammen med herdetoppen fører til en unødvendig stor temperaturgradient ved gjenfrysing. For lav temperatur vil sinke herdeprosessen og kan føre til redusert betongkvalitet. 19-20 °C er typisk ideell temperatur på betongen.

Telehiv

Volumutvidelsen av vannet ved faseovergangen fra vann til is er per definisjon ikke telehiv, og er ofte neglisjerbart fordi overskudsvannet blir presset ut av porene når det dannes is. En parallell til dette er vannrør som frostsprenges. Det er vanntrykket som bygges opp fordi vannet ikke slipper ut som sprenger røret, og ikke selve isen.

Telehiv skyldes fremveksten av islinser på grunn av vann som strømmer til frysefronten. Telehivets kraftretning ved islinseoppbygging er normalt på frysefronten, mens islinsene er parallelle med frysefronten. For å få telehiv, eller islinsevekst i grunnen, må samtlige av følgende tre betingelser være til stede:

  1. 1. Temperaturen må være under frysepunktet.
  2. 2. Det må være fri tilgang på vann.
  3. 3. Grunnen må være telefarlig.

Hvorvidt tredje betingelse er oppfylt, at grunnen er telefarlig, er igjen avhengig av følgende forhold:

  • Mengden av finstoff, det vil si partikler mindre enn 0,02 mm.
  • Hastighetsforholdet mellom frostfremrykking og vannoppsuging til frysefronten.
  • Trykket på jorda i fryseretningen.

Bildet: Telehiv.
Foto: Overflaten har løftet seg ved oppsuging av vann til frysefronten. Her har islinsene vokst til flere centimeter høye søyler. Det er vår, dagens tinevann får ikke drenert siden undergrunnen er frosset, og nattefrosten skaper nye islinser.
Vinteren gir en sakte nedfrysing fra overflaten der belastningen fra overliggende jord er minimal. Islinser dannes i telefarlig materiale og løfter overflaten.

Sesongfrost og kunstig grunnfrysing har ulik påvirkning på grunnen.

Professor Williams (1967) har publisert en sammenheng for hvor langt ned i grunnen det er mulig å få islinseoppbygging, avhengig av grunnvannstand og jordart uttrykt ved følgende formel:

pi – pw =
2 σiw / rc
pi = istrykk = totalvekt på overliggende jord
pw = vanntrykk = poretrykk
σiw = boundary level energy air-water (surface tension)
rc = radius som tilsvarer størrelsen på den største kontinuerlige åpning gjennom poresystemet

For norske jordarter og klimaforhold er det utarbeidet telefarlighetsklasser.

Tabell: Norsk telefarlighetsklassifisering (Bane NORs «Teknisk regelverk» 2019-09-09).
Tabell med norsk teklefarlighetsklassifisering Figur: Eksempler på kornfordelingskurver i forskjellige telefarlighetsklasser
Figur: Eksempler på kornfordelingskurver i forskjellige telefarlighetsklasser. (Bane NORs «Teknisk regelverk» 2019-09-09).

Temperaturgradienten ved grunnfrysing er mye større enn ved sesongfrost slik at frysehastigheten blir raskere og permeabiliteten i de vanligvis telefarlige finkornige jordartene vil være for liten til å mate frysefronten med vann for islinseoppbygging. Telen trenger sjelden mer enn 2 m ned fra overflaten i Norge, mens grunnfrysing benyttes på adskillig større dyp, der omslutningstrykket er langt større. Sesongfrost og kunstig grunnfrysing gir derfor ulik påvirkning på grunnen, og de norske telefarlighetsklassene passer ikke for kunstig grunnfrysing.

Sesongfrost - vinter

Sesongfrost-vinter
Figur: Prinsipp for frostnedtrengning ved sesongfrost - vinter.
  • Sakte nedfrysing.
  • Liten overflatelast.
  • Islinser dannes i telefarlig materiale og løfter overflaten.
  • Telefarlighetsklassene er utarbeidet for norske klimaforhold og temperaturgradienter.

Grunnfrysing

Grunnfrysing
Figur: Prinsipp for frostutbredelse ved grunnfrysing.
  • Rask nedfrysing
  • I finkorning jord (leirig) hindrer permeabiliteten vanntilførsel til islinseoppbygging.
  • I grovkornig jord (friksjonsmasser) vokser isen ut fra poresenteret og fortrenger overskuddsvannet.
  • Kun ved frostens randsone kan det oppstå islinser ved langvarig frysing.

Uten islinseoppbygging (telehiv), blir det ikke tinesetninger, verken ved sesongfrost eller grunnfrysing.

Ved kunstig grunnfrysing er nedfrysingen så rask at permeabiliteten i de vanligvis telefarlige finkornige jordartene effektivt hindrer vanntilførsel til telefronten slik at islinsedannelsen blir minimal. Jordtrykket øker med dybden og muligheten for islinsevekst avtar tilsvarende. Penner (1978) poengterer at suget etter vann fra omgivelsene til frysefronten avtar med økende overlagringstrykk og at grenseverdien er mer avhengig av jordart enn av frysetemperatur.

Tinesetninger

Sesongfrost og kunstig grunnfrysing har ulik påvirkning på grunnen. Setninger på grunn av tining forutsetter både at telehiv har oppstått i fryseperioden, og at overskuddsvannet fra tinende islinser hindres i å absorberes i grunnen i takt med smeltingen. Resulterende økning i poretrykk reduserer effektivspenningen og setninger oppstår dersom belastningen overskrider bæreevnen. Setningene vil dertil øke dersom belastningen er dynamisk, slik man opplever ved trafikkbelastning på veger i teleløsningsperioden. Ved sesongfrost er vannoverskudd i øvre lag vanlig fordi det ligger et frosset vanntett lag under som hindrer drenering av overskuddsvannet.

Forskjell i frysehastighet og grensebetingelser ved opptining gjør at poresystemet oppfører seg forskjellig ved sesongfrost og ved grunnfrysing, og derved gir ulik påvirkning på grunnen.

Tabell: Poresystemets forskjellige oppførsel ved frysing og tining, og derav følgende konsekvens ved sesongfrost og grunnfrysing.
Tabell: poresystem-ved-frysing-og-tining

Generelt oppstår det lite islinser ved kunstig grunnfrysing og tiningen foregår sakte fra ytterkantene uten noen drensbarrierer. Tinesetninger er sjeldnere og generelt mindre for grunnfrysing enn ved sesongfrost. Likevel bør det alltid vurderes hvilken størrelsesorden og hvilke konsekvenser eventuelle tinesetninger kan få. De vil kun oppstå i det volum som har vært frosset, og de vil vanligvis bli mindre enn de deformasjoner som vil oppstå ved bruk av andre metoder.

Kvikkleire og bløte leirer der naturlig vanninnhold er høyere enn flytegrensen er unntak som må vies spesiell oppmerksomhet. Slike masser må forbehandles med moderate mengder kalk/sement for å unngå tinesetninger.

Kvikkleire

Vanninnholdet til kvikkleire er høyere enn flytegrensen og forårsaker setninger dersom det frigjøres og leira rekonsoliderer. Kvikkleiras sensitivitet med hensyn til deformasjoner må derfor tas med i den geotekniske vurderingen ved grunnfrysing.

Bildet: Kvikkleire før og etter omrøring.
Foto: Kvikkleire før og etter omrøring.

Forsøk viser at en moderat innblanding av kalk/sement i kvikkkleire før nedfrysing vil hindre setninger ved opptining.

Retningslinjer

Eksisterende retningslinjer

Det finnes ingen egen standard for grunnfrysing, verken i Norge, Europa eller verden for øvrig. Grunnfrysing er imidlertid omtalt i Statens vegvesens veiledning V221 «Grunnforsterkning, fyllinger og skråninger» og i Bane NOR sitt «Tekniske designbasis for Intercity».

All geoteknisk prosjektering følger reglene i Eurokoden med sine nasjonale tillegg (Standard Norge). Eurokode 7 gjelder for geoteknisk prosjektering av bygg- og anleggskonstruksjoner. Dette inkluderer blant annet fundamentering av bygninger, støttekonstruksjoner, fyllinger og skråningsstabilitet.

Bildet: Grunnforsterkning, fyllinger og skråninger. Veiledning. Håndbok V221. Statens vegvesen. 
                  - Teknisk Designbasis for InterCity. Rev05A. Bane NOR. -
             Eurokode 7: Geoteknisk prosjektering Del 2: Regler basert på
             grunnundersøkelser og laboratorieprøver. Norsk Standard.
"Grunnforsterkning, fyllinger og skråninger". Veiledning. Håndbok V221. Statens vegvesen.
"Teknisk Designbasis for InterCity". Rev05A. Bane NOR.
"Eurokode 7: Geoteknisk prosjektering Del 2: Regler basert på grunnundersøkelser og laboratorieprøver." Norsk Standard.

Byggegropveilederen

Byggegropveiledningen utgitt av NGF 2019
Byggegropveiledningen utgitt 2019 av NGF.
Etter avslutningen av det store forskningsprosjektet «BegrensSkade» som avdekket årsakene til de mange skadene som oppsto på nabobebyggelse etter grunn- og fundamenteringsarbeider, satte Norges Geotekniske Forening (NGF) i gang arbeidet med å lage en Byggegropveileder. Dette har vært et enormt dugnadsarbeid som har tatt tid å få publisert. Grunnfrysing behandles i kapittel 6.20 og 7.11.

CEN

Ettersom det ikke finnes noen internasjonal standard for dimensjonering og utførelse av grunnfrysing er det nå opprettet en CEN-gruppe (CEN TC288 WG20) som skal få dette på plass. Her er Geofrost representert.

Grunnfrysingens historie

Gruveindustrien på 1800 tallet

Allerede i 1852 oppdaget franske ingeniører hvilke nyttige egenskaper grunnen får når den fryser. I løpet av den meget strenge vinteren dette året, skulle de etablere en gruvesjakt ned gjennom et lag med jord som pleide være vannmettet og ustabil, men som nå lot seg forsere relativt uproblematisk.

Første gang det er rapportert at man kunstig frøs grunnen for å utnytte styrke og vanntetthet, var i 1862 i forbindelse med en gruvesjakt i Wales. Saltlake ble sirkulert gjennom fryserør som var installert gjennom det ustabile jordlaget. Prinsippene var de samme, som i 1883 ble patentert i Tyskland, og som fremdeles er i bruk: Man installerer fryserør gjennom det laget som skal stabiliseres og/eller gjøres ugjennomtrengelig for vann, fryser det ned, og graver så trygt ut.

Sjakter dominerer også på 1900 tallet

I 1950 var dybderekorden for frysing fra terreng 900 m for en sjakt i Canada.

Erfaring ble gradvis bygd opp, men i utgangspunktet ble grunnfrysing utført etter prøve- og feilemetoden. Beregningsmetoder var mangelvare.

Frossen grunn er et komplekst materiale der egenskapene i tillegg til spenning, er avhengig av både temperatur og tid. Basert på mye erfaring fra permafrost, publiserte Vyalov et.al. i 1962 en empirisk basert modell. Senere er det kommet mange fler.

I gruveindustrien har grunnfrysing vist seg å være både pålitelig, trygt og kostnadseffektivt, og blir derfor ofte valgt som metode tidlig i prosjekteringen.

I bygg og anlegg derimot har metoden vært ansett for å være for kostbar. De velkjente kvalitative fordelene blir oftest oversett og metoden blir derfor sett på som en «siste utvei» når problemene oppstår. En medvirkende grunn til dette kan være at ansvaret for midlertidige arbeider og valg av metode har ligget hos entreprenøren. I anbudskonkurransen er det så uunngåelig at entreprenøren velger den metode som tilsynelatende er billigst.

Flere entreprenørselskap i Europa, USA og Japan utførte etter hvert grunnfrysingsoppdrag, men hovedsakelig når andre metoder ikke strakk til.

Geofrost

Geofrost ble etablert i Norge i 1986, som det første rendyrkede grunnfrysingsselskapet. Med sin bakgrunn både inne geoteknikk og ingeniørgeologi, så de hvilket fantastisk verktøy grunnfrysing ville være i bygg- og anleggsbransjen. Ved å containerisere og modulisere var håpet å få ned kostnadene slik at det kunne bli den foretrukne metoden hver gang det teknisk og miljømessig var den beste.

International Symposium on Ground Freezing (ISGF)

For å kunne utveksle erfaringer og videreutvikle grunnfrysingsmetoden på en mer effektiv måte, arrangerte professor H.L. Jessberger den første internasjonale konferansen om grunnfrysing i Bochum, Tyskland i 1978. Den samlet ca. 100 deltagere fra hele verden innen alle fagdisipliner relatert til grunnfrysing.

ISGF skulle arrangeres hvert tredje år, men tok etter hvert slutt. Konferansene som ble avholdt er som følger:

  • ISGF´78: Bochum, Germany
  • ISGF´80: Trondheim, Norway
  • ISGF´82: Hanover, USA
  • ISGF´85: Sapporo, Japan
  • ISGF´88: Nottingham, UK
  • ISGF´91: Beijing, China
  • ISGF´94: Nancy, France
  • ISGF´97: Luleå, Sweden
  • ISGF´00: Louvain-la-neuve, Belgium

2000-tallet

Grunnfrysing blir tatt mer i bruk etter hvert som prosjektene blir mer komplekse, arealene mer begrenset og behovet større for å utnytte områder med mer krevende grunnforhold. Grunnvannskontroll er også blitt viktigere med dagens dype kjellere i nærheten av bevaringsverdig gammel direktefundamentert bebyggelse.

Kontakt

Geofrost holder kurs og seminarer i grunnfrysing. Har du spørsmål knyttet til grunnfrysing eller ønsker mer informasjon? Vennligst ta kontakt under.

Oppdragsgivere