При использовании засоленных грунтов в теле напорных земляных сооружений может возникнуть опасение увеличения фильтрационной способности этих грунтов в результате постепенного вымывания солей (рассоления). В связи с этим большой интерес представляют работы, посвященные изменению фильтрационных свойств засоленных грунтов в процессе суффозии соли. В процессе рассоления грунта изменяются не только величина пористости, но и характер связей между частицами грунта, дисперсность их состав поглощенных катионов.
Этот процесс сопровождается осадкой, которая под воздействием давления от вышележащей толщи в какой-то степени компенсирует увеличение пористости. На основании опытов они установили, что фильтрационно-суффозионный процесс зависит главным образом не от количественного, а от качественного содержания солей в грунте. Кроме того, внешние силы влияют не только на фильтрационную способность, но и на солевую суффозию. Например, с увеличением давления на грунты, содержащие водорастворимые соли — хлориды и сульфаты, понижаются их коэффициент фильтрации и солевая суффозия. При отсутствии же давления в хлоридных грунтах наблюдается постепенное затухание фильтрационной способности, а в сульфатных — возрастание.
Опыты этих исследователей со многими грунтами убедительно показали, что в результате рассоления коэффициент фильтрации грунта, может уменьшаться в несколько раз. Поэтому они пришли к выводу, что нет основания к запрещению использования грунтов, содержащих до 10% легкорастворимых солей или до 20% гипса, в качестве материала для напорных земляных сооружений. У связных искусственно засоленных грунтов водонепроницаемость как в засоленном состоянии, так и после растворения и выщелачивания соли достаточно высока. Поэтому нет больших опасений, что после солевой суффозии может возникнуть интенсивная фильтрация. В некоторых случаях в зависимости от используемой соли водопроницаемость грунтов может увеличиваться в процессе засоления или рассоления, что следует учитывать при проектировании напорных земляных сооружений.
Известны различные мероприятия, направленные на повышение водонепроницаемости грунта. Одним из перспективных мероприятий, направленных на повышение водонепроницаемости связных грунтов, является искусственное их засоление — солонцевание. При солонцевании происходит химический процесс, сопровождающийся катионным обменом. Замещение одних катионов другими, например кальция натрием, приводит к диспергации грунта, за счет чего и повышается его водонепроницаемость. Перед выбором мелиоративного мероприятия необходимо детально изучить не только их генезис, мощность, простирание, соотношение с другими породами, состав подземных и поверхностных вод, но и их гранулометрический и химико-минералогический состав, включая и минералогический состав коллоидных фракций, структуру и текстуру, физические и физико-химические свойства (в частности, емкость поглощенияв состав обменных катионов), а также ту физико-географическую обстановку, в которой находятся мелиорируемые грунты и в которой они будут находиться после мелиорации.
Путем замещения обменных катионов на катионы натрия получено понижение водопроницаемости почв и грунтов. Для солонцевания грунтов применялся хлористый натрий. Реакция взаимного обмена происходила по следующей схеме:
Наибольший эффект в этом отношении можно получить при солонцевании суглинистых грунтов, обладающих высокой обменной способностью. Однако присутствие в жидкой фазе в качестве побочного продукта легкорастворимой соли СаСl2 делает химическое равновесие неустойчивым. Поэтому заменили хлористый натрий на другие реагенты. Но, к сожалению, при введении и этих реагентов в грунты обнаружилось, что значительный избыток натриевой соли, не- обходимый в начальный момент солонцевания, приводит к падению электрического потенциала и гидратационной способности грунта, в результате чего создаются условия, препятствующие набуханию, а значит и уменьшению водопроницаемости грунта. Для того чтобы исключить такое явление при солонцевании, необходимо удалить избыток катионов натрия из жидкой фазы грунта.
Рекомендуется до солонцевания грунтов, содержащих легкорастворимые хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, которые способствуют солонцеванию, промывать их пресной водой. Однако в натурных условиях выполнить это оказывается очень трудно. Эффект солонцевания повышается, если добавить к грунту небольшое количество едкой щелочи. Присутствие же в грунте хлористых солей кальция и магния, а также сернокислого магния затрудняет процесс солонцевания.
Кроме перечисленных реагентов, для обработки грунтов с целью понижения их водопроницаемости применяют и гексаметафосфат натрия (NaP03)6, который, в отличие от его предшественников, обладает специфическими свойствами — способностью «захватывать» и «изолировать» катионы двухвалентных металлов.
В результате обработки грунта гексаметафосфатом натрия образуется устойчивое комплексное соединение в котором находится кальций. Его применяют для смягчения жестких вод и в качестве ингибитора коррозии металлов. В результате проведения опытов установлено, что величина изменений зависит от концентрации раствора, с увеличением которой перечисленные характеристики существенно уменьшаются (см. табл. 13).
Таблица 13. Изменение некоторых характеристик грунтов при обработке их раствором гексаметафосфата натрия.
Определения характеристик грунта | Необработанная порода | Обработанная раствором концентрации | ||
0,025-мол | 0,125-мол | 0,25-мол | ||
Усадка линейная | 6,55 | 5,77 | 4,20 | 3,74 |
Усадка объемная | 15,00 | 14,40 | 8,00 | 7,36 |
Число пластичности | 16,20 | 14,60 | 14,56 | 13,69 |
Коэффициент фильтрации в см/сек | 2,65х10-4 | 1,25х10-4 | 5,3х 10-5 | 3,0х10-6 |
Эффективность обработки лёссовидных пород, выполненная по этому методу, оказалась значительно выше, чем в случае применения фтористого натрия и, тем более, замачивания. Коэффициент фильтрации грунта уменьшился при обработке грунта гексаметафосфатом натрия в 17 раз, при обработке фтористым натрием — в 7,5 раза, а при замачивании только в 4 раза.
Все это дает основание считать, что методы солонцевания и химической стабилизации грунтов, с применением которых проявляется активное взаимодействие минеральной части с вводимым в него реагентом, являются весьма перспективными способами понижения водопроницаемости грунтов. На срок действия их весьма существенное влияние оказывают состав и свойства фильтрующихся вод. Наличие гипса в грунтах снижает срок действия его химической обработки. Вопрос влияния периодического промораживания и оттаивания мелиорируемых грунтов на устойчивость их химической обработки. Поэтому указанные мероприятия еще не нашли широкого применения, однако их следует внедрять в строительную практику и проверять в различных грунтовых условиях.