Электрические методы закрепления грунтов
Электрические способы технической мелиорации грунтов основаны на особенностях электрических свойств твёрдой и жидкой фазы грунта. В грунтах, представляющих собой систему «вода — минеральные частицы грунта», вода несёт положительный заряд, а частицы твёрдого вещества — отрицательный. На граничных поверхностях компонентов сосредотачиваются одинаковые заряды противоположного знака. Они группируются в два слоя ионов, образующих вокруг частицы грунта нейтральную оболочку. Таким образом, вся система «вода — твердое вещество» оказывается электрически нейтральной. Полярность твёрдой и жидкой фаз проявляется лишь тогда, когда на эту систему накладывается электрическое поле, возникающее между двумя электродами, подключенными к источнику постоянного тока. В результате подвижная поровая вода, как носитель положительных зарядов движется по направлению к отрицательному электроду (катоду). Кроме того, в глинистых грунтах под воздействием постоянного электрического тока часть связанной воды переходит в свободную, что увеличивает эффективное сечение пор. В результате глины и суглинки легко отдают воду, а их водопроницаемость увеличивается в 10-100 раз. Одновременно, электрическое поле, создаваемое в водонасыщенных глинистых грунтах, вызывает эмиссию ионов из металла электродов. Эти катионы также могут вступать в соединения, которые приводят к стойкому упрочнению грунтов.
 Рис. 9.19 Схема электрохимического закрепления грунтов (стрелками показано направление стабилизации грунта) 1- катод, 2 – анод, 3 — источник постоянного тока, 4 – фильтр, 5 — раствор химического вещества, 6 — вода. |
Различают три способа электрического закрепления грунтов (рис. 9.19):
— закрепление грунтов с помощью эмиссии ионов металла (А1 3 -, F 2 -) из материалов электродов;
— закрепление с помощью растворов электролитов, вводимых в грунт через перфорированные трубчатые аноды (например, СаС12, FeCl2, A1C13);
— закрепление с помощью затвердевающих водных растворов, вводимых в грунт через аноды или катоды (например, смолы, жидкое стекло).
В общем случае действие постоянного электрического тока на водонасыщенный глинистый грунт вызывает в нём электролиз, электроосмос, обменные реакции, образование и накопление новых химических соединений. При применении этих способов всегда необходимо оценивать влияние используемых средств на химико-минералогический состав пород. Ионный обмен в грунтах происходит в соответствии с катионообменным рядом: Na — K — , Ca 2- , Mg 2- , Fe 2- , Fe 3- , А1 3- . Каждый из этих катионов может быть вытеснен катионом, стоящим в этом ряду справа от него.
Электроосмос.Физическое явление электроосмотического обезвоживания используется в случае необходимости для осушения или временного закрепления сильносвязных и органических грунтов.
В качестве катодов при электроосмотическом осушении используются перфорированные трубы или иглофильтры, анодом служит простой металлический стержень. Расстояние между электродами принимается обычно равным от 3 до 10 м. Напряжение электрического поля принимается равным от 30 до 100 В на 1м расстояния между электродами. Разность потенциалов между электродами и возникающие под воздействием этой разности силы электрического поля создают условия для перемещения поровой воды от анода к катоду, из которого она откачивается.
Наряду с явлением электроосмоса в глинистых грунтах совершается электрофорез — движение коллоидов и мелких глинистых частиц к положительному полюсу. Кроме того, происходит изменение состава поверхностного слоя глинистых частиц вследствие замещения, входивших в него катионов катионами, поступающими от электродов. При длительном воздействии электрического тока на глинистый грунт протекающие в нём физико-химические процессы приводят к образованию необратимых соединений, которые упрочняют грунт.
Электрохимическое закреплениеиспользуют для тех же грунтов, что и электроосмос. Этот способ характеризуется более коренным изменением свойств грунтов. В этом случае в качестве катодов и анодов используются перфорированные трубы или иглофильтры. Через аноды в грунт подается специально подобранный электролит, активизирующий процессы ионного обмена в грунтах. Через грунт пропускают постоянный электрический ток, под воздействием которого резко возрастает процесс водоотдачи, увеличивается скорость фильтрации вводимых электролитов, возрастает интенсивность физико-химических процессов, приводящих к образованию в грунте нерастворимых соединений и необратимых коллоидов. Из катодов производят откачку воды.
Для применения электрохимических методов мелиорации грунтов требуется то же оборудование, что и для электроосмотического осушения. В то же время расстояние между электродами сокращается. Чтобы достичь более равномерного закрепления грунтов между электродами, направление движения постоянного тока через определенный период времени изменяют на противоположное. Соответственно катоды и аноды меняются местами.
Электросиликатизациязаключается в том, что через погруженные в грунт перфорированные аноды заливают последовательно растворы силиката натрия и хлористого кальция, которые под действием постоянного электротока активно перемещаются в направлении катодов. Расстояния между электродами при электросиликатизации принимаются от 0,6 до 1,0 м. При закреплении грунтов жидким стеклом или смолами ионный обмен играет подчиненную роль. Эффективность этого способа зависит, прежде всего, от условий перемещения закрепляющих реагентов в грунте. Электросиликатизацией с успехом можно закреплять водонысыщенные глинистые грунты, где использование обычной силикатизации из-за малой проницаемости грунтов не возможно. В то же время для электросиликатизации характерна существенная неравномерность прочностных показателей закреплённых грунтов, так как лучшее закрепление отмечается в анодной зоне.
Опыт показывает, что для качественного закрепления на каждый кубометр глинистого грунта необходимо затратить от 30 до 60 кВт٠час электроэнергии. При этом электрообработка должна вестись круглосуточно не менее 10-15 суток.
Общими недостатками всех методов электрического закрепления грунтов являются существенные энергетические затраты, использование дополнительного оборудования (источники тока, насосы для откачки катодной воды, электроды) и соблюдение особых правил техники безопасности.
Источник
Электрохимический способ укрепления грунта
Метод основан на введении в почву химических растворов в определенных точках. Процесс сопровождается большими затратами электроэнергии. От электрического способа данную технологию отличает не только использование реагентов, но и результат в виде более серьезных изменений грунта.
Кроме осушения грунта наблюдают изменение физико-химических свойств. Например, повышается коэффициент трения, увеличивается удельное сцепление и сопротивление размокаемости.
Технологию применяют для глинистых и мелкопесчаных грунтов. Содержание пылеватых и глинистых частиц в таких почвах обычно больше 12-15% по массе.
Усиление грунта проводят путем длительной обработки с помощью постоянного электротока через электроды: отрицательные используются для заливания химических растворов, а положительные – для откачивания поступающей из почвы жидкости.
Обсуждаемый метод могут рекомендовать для повышения прочности грунтов в основании фундамента зданий из-за деформации или увеличения нагрузки. Также его применяют для улучшения несущей способности свайного фундамента.
Проектную документацию по электрохимическому усилению составляют, основываясь на:
- геологических и гидрогеологических исследованиях укрепляемой территории;
технической информации о постройках;
результатах опытного закрепления почвы;
технических требованиях к укрепляемому массиву.
Предварительные исследования состоят из отбора проб для лаборатории. Там определяют водопроницаемость грунта, прочность, водоустойчивость и удельное электрическое сопротивление.
Геологические изыскания представляют собой отбор проб грунта и подземных вод. В лаборатории изучают их химический состав, коэффициент фильтрации и удельного электрического сопротивления.
При этом проводят анализ гранулометрического состава почвы, изучают влажность, пористость, пластичность, размокаемость и сопротивление сдвигу.
На основе результатов исследований предоставляют следующие данные:
- план рабочей территории;
каталог выработок с прописыванием глубины, координат и высотных отметок;
инженерно-геологические продольные и поперечные профили;
таблицы, графики с результатами анализов грунта и подземных вод.
После забивания электродов в почву и пропускания электрического тока в них заливают химические реагенты. Вещества взаимодействуют друг с другом и с грунтовыми минералами. Таким образом меняется фазовое состояние грунта, улучшаются физико-механические свойства укрепляемого массива.
Эффективность процедуры отмечают при двусторонней одновременной заливке реагентов в положительные и отрицательные электроды.
Анодные электролиты представлены 5-10%-ными растворами хлористого кальция, сернокислого алюминия или сернокислого железа, а катодные – гидросиликатом натрия.
В начале процесса вводят в отрицательные электроды 5%-ный хлористый кальций, во вторую треть процедуры – сернокислый алюминий и сернокислое железо в соотношении 1:1. В завершительную часть периода электролиты в аноды не заливают.
Одновременно с вышеописанными действиями в положительные электролиты вводят гидросиликат натрия (жидкое стекло). Это вещество циркулирует по замкнутому кругу.
Благодаря такому вводу химических веществ, грунт равномерно закрепляется в пространстве между электродами. Это связано с тем, что катодная область насыщена кальцием, и в ней образуются прочные соединения, не растворимые в воде. В средней и анодной зоне преобладают ионы трёхвалентного железа и алюминия. Тут тоже образуются прочные вещества, не растворяющиеся в жидкости. Анионы гидросиликата натрия отправляются к катионам кальция, железа и алюминия, поэтому их соединения образуются по всей области укрепляемого грунта. Итоговая прочность массива равна 0,6-0,7 МПа.
Чтобы получить более высокую прочность и водоустойчивость, используют синтетические смолы в качестве анодных электролитов. В таком случае сначала вводят мочевину, потом формалин, а заканчивают процесс заливкой соляной кислоты или сернокислого железа.
В роли катодного электролита выступает смесь из жидкого стекла и мочевины в соотношении 1:1. Прочность грунта после такого закрепления равна 1,5 МПа.
Методику электрохимического усиления используют для грунтов, чей коэффициент фильтрации меньше 0,01 м/сут.
Существует разновидность обсуждаемого метода – электросиликатизация. Эта процедура подразумевает собой обработку водонасыщенных мелкопесчаных грунтов и супесей, коэффициент фильтрации которых колеблется от 0,005 до 2 м/сут. Работы выполняют с использованием постоянного электротока, жидкого стекла и отвердителя.
Основное достоинства электрохимического усиления – малая инвазивность. Для осуществления процедуры достаточно пробурить скважины, установить электроды и залить химические растворы.
Скважины могут располагаться друг от друга на приличном расстоянии, позволяя обходить имеющиеся строения и коммуникации.
Кроме того, укрепленный грунт, а точнее, верхняя его часть становится в 2-3 раза прочнее, показатели криогенного пучения снижаются в 3 раза, поэтому этот метод успешно используют при строительстве автомобильных дорог.
- высокие временные затраты при проведении масштабных работ: время на усиление почвы прямо пропорционально площади территории.
Цена на электроэнергию: чтобы растворы проникали с достаточной эффективностью, необходима плотность электротока не меньше 0,1 А/дм2.
Строгие требования к качеству грунта: в нем должно находиться достаточное количество воды.
Повышенные риски коррозии стальных конструкций в области передвижения электротока.
Даже такой большой список минусов не стал причиной отказа от электрохимического закрепления грунта. Его активно используют для усиления влажных почв.
Вывод: электрохимическое закрепление эффективно использовать для водонасыщенных связных грунтов, в которых велико содержание глинистых и пылеватых частиц.
Строительная лаборатория ООО «Бюро «Строительные исследования» занимается испытаниями конструкций и материалов в Санкт-Петербурге и Москве
Основная специализация лаборатории:
1. Заполнив форму на нашем сайте
+7(812)386-11-75 — главный офис в Санкт-Петербурге
+7(965)006-94-59 (WhatsApp, Telegramm) — отдел по работе с клиентами Санкт-Петербург и Москва
3. Написать нам на почту
Подписывайтесь на наши социальные сети и YouTube канал, там много интересной информации и лайфхаков.
Источник
Методы закрепления грунтов
Закрепление грунтов — это искусственное изменение строительных свойств грунтов различными физико-химическими способами. Такое преобразование обеспечивает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение сжимаемости и водонепроницаемости. Существует два основных способа закрепления грунтов: поверхностное и глубинное.
Поверхностное закрепление выполняют на глубину до 1 м. При этом способе грунт предварительно разрыхляется, перемешивается с закрепляющими материалами (вяжущие, цемент, известь и др.) и затем уплотняется. Глубинное закрепление предусматривает обработку грунтов без нарушения их естественного сложения путем инъекции закрепляющих материалов, термообработки и замораживания, с использованием предварительно пробуренных скважин, шпуров или забиваемых инъекторов. Инъекцию производят с использованием вяжущих, силикатных материалов и смол.
Методы глубинного укрепления грунтов
Для повышения несущей способности грунтовых оснований применяют следующие способы искусственного закрепления грунтов:
• Химический (цементация, битумизация и смолизация)
• Термический
• Искусственное замораживание
• Электрический
• Электрохимический
• Механический
Химическое закрепление грунтов
Химическое закрепление грунтов инъекцией в строительстве в настоящее время осуществляется способами силикатизации, смолизации и цементации. Наиболее распространенная и популярная из технологий по закреплению грунтов — это цементация. Цементация — это процесс нагнетания в грунт жидкого цементного раствора или цементного молока по ранее забитым полым сваям. Цементация применяется для закрепления крупно- и среднезернистых песков, трещиноватых скальных пород путем нагнетания в грунт цементного раствора через инъекторы. В зависимости от размера трещины и пористости песка применяют суспензию с отношением цемента к воде от 1:1 до 1:10, а также цементные растворы с добавками глины, песка и других инертных материалов.
Радиус закрепления грунтов составляет в скальных грунтах — 1,2-1,5 м, в крупных песках — 0,5-0,75 м, в песках средней крупности — 0,3-0,5 м. Цементацию производят нисходящими зонами; нагнетание прекращают при достижении заданного поглощения или когда снижение расхода раствора достигнет 0,5 л/мин в течение 20 мин при заданном давлении.
При горячей битумизации в трещины породы или в гравийно-гравелистый грунт нагнетают через скважины горячий битум, который, застывая, придает грунтам водонепроницаемость. При холодной битумизации, в отличие от горячей, нагнетают 35—45-процентную тонкодисперсную битумную эмульсию. Способ используется для очень тонких трещин в скальных грунтах, а также для уплотнения песчаных грунтов.
Смолизацию применяют для закрепления мелких песков и выполняют путем нагнетания через инъекторы в грунт смеси растворов карбамидной смолы и соляной кислоты.
Силикацией закрепляют песчаные и лессовые грунты, нагнетая в них химические растворы. Через систему перфорированных трубок-инъекторов в грунт последовательно нагнетаются растворы силиката натрия и хлористого кальция. Получающийся в результате реакции гель кремниевой кислоты придает грунту значительную прочность и водонепроницаемость.
Термическое закрепление грунтов
Термическое закрепление является результатом сжигания топлива (газообразного, жидкого, сжиженных газов) непосредственно в скважинах, пробуренных на всю глубину закрепляемого грунта. Закрепление грунта в скважине происходит под действием пламени, а в теле массива — от раскаленных газов, проникающих сквозь поры грунта. В результате вокруг скважины образуется столб обожженного грунта, диаметр которого зависит от продолжительности обжига и количества топлива. Этим способом можно закрепить грунты и устранить их просадочность на глубину до 15 м, доведя прочность в среднем до 1 МПа.
Искусственное замораживание грунтов является универсальным и надежным методом временного закрепления слабых водонасыщенных грунтов. Сущность данного метода заключается в том, что через систему замораживающих скважин, расположенных по периметру и в теле будущей выработки, пропускается хладоноситель с низкой температурой, который, отнимая от окружающего грунта тепло, превращает его в ледогрунтовый массив, обладающий полной водонепроницаемостью и высокой прочностью.
В зависимости от вида хладоносителя различаются два способа замораживания: рассольный и сжиженным газом. В первом случае рассол-хладоноситель представляет собой высококонцентрированный раствор хлористого кальция или натрия, предварительно охлажденный в испарителе холодильной машины до температуры минус 25° С. В качестве хладагента в холодильных машинах используются аммиак, фреон или жидкий азот. Во втором случае в качестве хладоносителя сжиженных газов используется главным образом жидкий азот, имеющий температуру испарения минус 196° С.
Электрический способ закрепления грунтов
Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Способ заключается в использовании эффекта электроосмоса, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5-1 В/см и плотностью 1-5 А/кв.м. При этом глина осушается, уплотняется и теряет способностью к пучению.
Электрохимический способ отличается от предыдущего тем, что одновременно с электрическим током через трубу, являющуюся катодом, в грунт вводят растворы химических добавок (хлористый кальций и др.). Благодаря этому интенсивность процесса закрепления грунта возрастает.
Механический способ укрепления грунтов
Механический способ укрепления грунтов имеет следующие разновидности: устройство грунтовых подушек и грунтовых свай, вытрамбовывание котлованов и др.
Устройство грунтовых подушек заключается в замене слабого грунта основания другим, более прочным, для чего слабый грунт удаляют, а на его место насыпают прочный грунт и послойно утрамбовывают. При устройстве грунтовых свай в слабый грунт забивают сваю-лидер. В полученную после извлечения этой сваи скважину засыпают грунт и послойно уплотняют. Вытрамбовывание котлованов осуществляется с помощью тяжелых трамбовок, подвешенных на стреле башенного крана. Этот способ менее сложен, чем способ грунтовых подушек, поскольку не требует замены грунта основания. Также уплотнение котлованов значительных размеров может осуществляться гладкими или кулачковыми катками, трамбующими машинами, виброкатками и виброплитами.
Источник
