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 (А1³-, F²-) 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 закрепление используют 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.

Электросиликатизация заключается 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.