Действие постоянного электрического тока на влажный глинистый грунт вызывает в нем электролиз, электроосмос,(передвижение воды по порам грунта; в большинстве случаев оно происходит в направлении от анодного (положительного) к катодному (отрицательному) электроду), обменные реакции, образование и накопление новых химических соединений. Такое воздействие приводит к улучшению строительных свойств глинистых грунтов: они осушаются, упрочняются и меньше пучат.
Эффект электрохимического закрепления можно усилить введением в грунт (в процессе обработки) химических растворов, способствующих более быстрому и лучшему его преобразованию.
В процессе электрохимической обработки структура грунта изменяется настолько значительно, что после закрепления получается грунтовый материал с новыми качествами.
Изучение сущности процессов, протекающих при электрохимическом закреплении грунтов, связано со значительными трудностями вследствие большого разнообразия существующих типов грунтов, их большой неоднородности, неравномерного напластования, различного минералогического состава и т. п. Для объяснения протекающих в грунтах процессов используют смежные науки, распространение которых на грунты требует специальных обоснований. Структурное упрочнение грунтов рассматривается с позиций физико-химической механики , обменные реакции и миграция солей изучаются в грунтоведении и почвоведении, характер растекания электрического тока по грунту — в электротехнике, электролизные процессы — в электрохимии и т. п.
Электрохимическое закрепление происходит при действии на грунт постоянного электрического тока; только в этом случае происходит электролиз, электроосмос и другие физико-химические процессы. Переменный электрический ток этих процессов не вызывает, поэтому и изменения свойств грунтов не происходит.
Выбирая источник постоянного электрического тока и принимая необходимое по производственным условиям расстояние между электродами, вычисляют градиент потенциала; под действием этого градиента по грунту течет электрический ток, сила которого зависит от удельного сопротивления грунта. Следовательно, плотность протекаемого по грунту тока определяется градиентом потенциала и удельным сопротивлением грунта.
При действии на грунт постоянного электрического тока внешне заметно скопление воды в катодных электродах и выделение сквозь нее газа (водорода). Химические и физико-химические процессы протекают в грунтах с начала воздействия на грунт постоянного электрического тока, но внешне они незаметны. Постепенные количественные изменения и накопление вещества приводят к определенным качественным изменениям.
При закреплении грунтов отчетливо выявляются три зоны: анодная, катодная и промежуточная; они образуются вследствие направленного передвижения ионов (катионы движутся к катоду, а анионы — им навстречу) и изменения концентрации водородных ионов (повышение в анодной зоне и понижение в катодной). При достаточно длительной электрохимической - обработке грунта разница в зонах уменьшается: прочностные характеристики грунта выравниваются, степень агрегации частиц становится примерно одинаковой. Положительно влияет на однородность закрепления введение в глинистый грунт химических растворов, особенно хлористого кальция.
Применяя необходимые градиенты потенциала (а следовательно, различные плотности тока, род химической добавки и продолжительность обработки), можно усиливать или ослаблять зональность закрепления; и то и другое бывает необходимо при проведении работ в производственных условиях.
Например, при закреплении грунта вокруг свай создаются большие «груши» из упрочненного грунта, в этом случае зональность закрепления весьма полезна. При электрохимической обработке грунта, с целью увеличения расчетного сопротивления основания требуется более однородное закрепление.
Потребляемые мощности электрической энергии определяются принятым напряжением источника электрического тока (обычно 60, 110 или 220 в) и силой протекающего по грунту тока.
Выбор электрохимического способа закрепления грунтов определяется родом грунта - коэффициентом фильтрации.
Существует несколько классификаций способов закрепления грунтов. Не задаваясь целью описать сущность каждой из них, а также области применения способов, следует остановиться на одном из них — способе электрохимического закрепления.
Все способы закрепления и уплотнения грунтов делятся:
1. На поверхностные и глубинные, т. е. применяемые для укрепления либо поверхности грунтов, либо значительного по глубине слоя;
2. По области применения в зависимости от типов грунтов,и рода сооружений;
3. По сохранению эффекта закрепления со временем (обратимые и необратимые).
Электрохимическое закрепление может применяться как для закрепления верхних слоев грунта (с меньшим эффектом), так и для глубинного закрепления (с большим эффектом).
Электрохимическое закрепление эффективно в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,1 м/сут. В грунтах с такой низкой фильтрационной способностью применимы только замораживание и термическая обработка. Замораживание водонасыщенных грунтов является способом временного их упрочнения; кроме того, процессы, сопутствующие замораживанию (например, миграция влаги в зону промерзания) значительно ухудшают свойства грунта после его оттаивания. Термическая обработка грунтов приемлема только в грунтах с достаточно высокой воздухопроницаемостью; в очень влажных глинистых грунтах она не эффективна. Электрохимическое закрепление в зависимости от условий производства работ может быть как необратимым со временем, так и обратимым. Это зависит от характера и длительности обработки, а также от типа грунта:
Таким образом, выбор электрохимического способа закрепления грунтов определяется главным образом родом грунта (его коэффициентом фильтрации).
Следует обратить внимание на то, что знание места и области применения способов упрочнения грунтов является первым и непременным условием при выборе соответствующего метода искусственного закрепления грунтов, поскольку нет ни одного способа, годного для упрочнения всех типов грунтов и во всех сооружениях. Каждый способ, в том числе и электрохимический, имеет свою область применения.
Обобщение производственного опыта применения электрохимического закрепления грунтов показало достаточно большую область использования этого способа в различных строительных и эксплуатационных условиях.
Электрообработка грунтов в зависимости от ее производственного назначения подразделяется на электроосушение, электроуплотнение и электрозакрепление. Применение этих способов эффективно в грунтах с низким коэффициентом фильтрации.
Особенностью рассматриваемого электрохимического закрепления грунтов является то, что с помощью этого способа достигается необратимое изменение свойств грунта; этот результат имеет большое значение для применения способа в производственных условиях, когда грунт требуется закрепить на длительное время.
Необратимость закрепления зависит прежде всего от свойств грунтов, которые определяются их составом и, главным образом, количественным содержанием в грунтах дисперсных частиц размером менее 0,01 мм, поскольку действие электрического тока, и электролита сказывается больше всего на коллоидноактивных частицах.
При известном содержании этих частиц в грунте образуется пространственная взаимосвязанная структура. Для необратимости этой структуры необходимо, чтобы в глинистом грунте было достаточное количество дисперсных частиц. Недостаток в грунте частиц, способных к коагуляционному структурообразованию, компенсируется введением в него химических добавок, которые цементируют его частицы.
Итак, необходимыми требованиями электрохимической обработки грунтов, при которой достигается необратимое закрепление, являются: наличие в грунтах частиц размером менее 0,01 мм в количестве более 50%; обязательное применение химических добавок при электрохимической обработке грунтов, содержащих менее 50% частиц размером менее 0,01 мм.
Для более четкого определения области применения электрохимического закрепления грунтов предлагается классификация, в основу которой положены следующие соображения: электрохимическое закрепление грунтов осуществляется как с применением химических растворов, так и без них.
Необратимое изменение свойств грунтов, обработанных постоянным электрическим током без введения химических реагентов, достигается в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,005 м/сутки, что соответствует числу пластичности, равному 5 и более Для достижения необратимого закрепления введение химических добавок не обязательно; их применение увеличивает эффективность закрепления.
Достижение устойчивого упрочнения грунтов, имеющих коэффициент фильтрации более 0,01 м/сутки (число пластичности менее 3), возможно только при введении химических добавок. Верхней границей применения такого рода обработки являются грунты с коэффициентом фильтрации 0,1 м/сутки. В эти грунты в качестве химической добавки вводят раствор силиката натрия, золь которого обволакивает частицы грунта, заполняет поры и под влиянием отвердителя превращается в гель.
В грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,005 до 0,01 м/сутки возможно как обратимое, так и необратимое закрепление. Если электрохимическая обработка таких грунтов производится без электролита, то результаты закрепления со временем могут, утрачиваться: это зависит от минералогического состава грунтов и времени обработки; применение при электрохимической обработке хлористого кальция приводит к необратимому улучшению свойств этих грунтов.
Исходя из изложенного, способ необратимой электрохимической обработки грунтов возможно подразделить на следующие виды обработки.
Электросиликатизация грунтов — обработка грунтов постоянным электрическим током с введением в грунт раствора жидкого стекла и отвердителя, применима в грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,1 до 0,005 м/сутки. В более дисперсных грунтах этот метод мало эффективен из-за низкого коэффициента фильтрации таких грунтов, требующих использования раствора жидкого стекла малой концентрации (меньшей вязкости).
Зависимость коэффициента фильтрации грунтов от числа пластичности
Электролитическая обработка грунтов — совместное действие постоянного электрического тока и электролита (например, хлористого кальция). Этот метод применим в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,01 м/сутки.
Электрообработка грунтов без введения химических добавок — применима в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,005 м/сутки.
Электрохимическая обработка грунтов, содержащих соли кальция (например, илы) может осуществляться без введения в грунт электролита; коэффициент фильтрации этих грунтов обычно значительно меньше 0,005 м/сутки.
Указанные области электрохимической обработки грунтов несколько условны, поскольку резкой границы между видами обработки установить нельзя.
Область применения электрохимической обработки грунтов зависит не только от состава и свойств грунтов, но и от типа инженерных сооружений, в которых она используется.
На основании опыта производственного применения и теоретических соображений электрохимическая обработка грунтов может быть рекомендована в следующих случаях.
1. Для упрочнения грунтов в основаниях сооружений:
а) при фундаментах на естественном основании;
б) при свайных фундаментах;
в) при фундаментах на лессовых грунтах.
2. Для укрепления грунтов в земляных сооружениях:
а) верхней площадки земляного полотна;
б) откосов выемок и насыпей;
в) для борьбы с пучением грунтов;
г) слабых оснований насыпей.
3. Для закрепления грунтов при специальных видах работ:
а) при укреплении стенок буровых скважин;
б) при подземных выработках.
4. При разработке слабых и оттаивающих грунтов:
а) предпостроечное осушение грунта;
б) с целью осушения грунта при проходке в нем выработок.