ГлавнаяДля изменения свойств глинистых пород в нужном направлении наиболее часто применяют следующие методы: 1) электроосмотическое осушение, 2) электрохимическое закрепление, 3) силикатизацию однорастворную, 4) термическое закрепление применяют главным образом для слабых глинистых пород высокой влажности и неустойчивой консистенции, а остальные для 5) уплотнение грунтовыми сваями. Первые два метода улучшения свойств лёссовых пород. Кроме того, для глинистых пород при использовании их как оснований земляных сооружений, дорог, аэродромов применяют методы механического уплотнения, улучшения гранулометрическими добавками, а для временного закрепления — искусственное замораживание.
Электроосмотическое осушение. Этот метод является одним из самых эффективных для осушения мягких водонасыщенных глинистых пород — глин, суглинков, супесей, мелко- к тонкозернистых песков, т. е. пород водонепроницаемых или слабоводопроницаемых в обычных условиях, практически не обладающих водоотдачей. Сущность его состоит в следующем. Если два электрода погрузить в глинистую породу и пропускать через нее постоянный электрический ток, то начнется движение воды к катоду, так как молекулы воды большей частью имеют положительный заряд. Это явление получило название электроосмоса благодаря тому, что одностороннее движение воды через пористую среду происходит под влиянием разности потенциалов электрического тока.
При электроосмосе из породы отделяется не только свободная иммобилизованная и капиллярная вода, но частично и физически связанная. В связи с этим увеличивается эффективная пористость породы и как следствие этого повышается водопроницаемость в суглинках в 10—12 раз, а в глинах до 100 раз. При электроосмотическом осушении глинистых пород в качестве катода используют обсадные трубы буровых скважин. Откачивая из них скапливающуюся воду, добиваются уменьшения влажности пород, повышения их плотности и устойчивости. Наблюдения показывают, что при электроосмосе развиваются явления электрофореза, т. е. движение отрицательно заряженных глинистых и коллоидных частиц к аноду, и другие физико-химические процессы. Так, например, при перемещении воды от анода к катоду переносятся и растворенные в ней различные ионы и в том числе обменные ионы поверхностных слоев физически связанной воды. В результате этого в катодной зоне наблюдаются выделение и накопление труднорастворимых солей, уплотняющих и цементирующих породу. Такое закрепление породы постепенно распространяется от катода к аноду.
Следовательно, при электроосмотическом осушении одновременно происходят уплотнение и закрепление пород, повышение их прочности и устойчивости. Опыты показывают, что все эти процессы необратимы, порода сохраняет приданные eй свойства и после прекращения действия постоянного электрического тока.
Для расчета расхода воды отделяющейся при электроосмосе, используют уравнение Гельмгольца
где Q — количество воды, переносимое электроосмосом в единицу времени см3/с, s — суммарная площадь поперечного сечения капилляров, см2, е — электрокинетический потенциал D — диэлектрическая постоянная воды, n — коэффициент вязкости воды, м2/с, E — разность потенциалов между электродами L — расстояние между электродамиПри электроосмотическом осушении это уравнение преобразуют и представляют в следующем виде
Q = KэA,
где Q — количество электроосмотически выделившейся воды за время t; А — количество электричества за то же время, Кл, Kэ — коэффициент электросемоса, равный еDe/(4пn|), где е — удельное электрическое сопротивление породы, Ом/см.
Метод электроосмотического осушения и в известной мере закрепления глинистых пород очень широко распространен в строительной практике.
Электрохимическое закрепление. Электрохимическое закрепление глинистых пород основано также на использовании явления электроосмоса. Выше уже было отмечено что при электроосмотическом осушения происходят физико-химические процессы, сопровождающиеся выделением труднорастворимых солей уплотняющих и цементирующих породу. Для усиления этих процессов н повышения их эффективности разработан и распространен метод основанный на совместном применении электрического тока и химических растворов вводимых в породу. Введение растворов различных солей жидкого стекла полимерных соединений осуществляется через специальные скважины инъекторы в анодной зоне. Растворы распространяются вследствие разности потенциалов электрического тока от анода к катоду При взаимодействии их с породой а также благодаря развитию обменных и электролитических процессов и осушения происходят уплотнение и цементация пород повышаются их прочность водостойкость и устойчивость. Для того чтобы предупредить образование в породе зон разной степени уплотнения и укрепления в межэлектродном пространстве, применяют прерывистое действие электрического тока со знакопеременными импульсами.
Силикатизация однорастворная. Этот метод применяют главным образом для закрепления лессовых пород. Oн основан на взаимодействии нагнетаемого в породу жидкого стекла, к которому прибавляют 25 %-ный раствор NaCl, с растворимыми солями кальция (CaSO*2Н2О, CaCO3) обычно присутствующими в лёссовых породах. В отличие от двухрастворной силикатизации в этом методе роль второго раствора при взаимодействии с которым из жидкого стекла выделяется гель кремневой кислоты выполняет сама порода:
Прибавление NaCl к жидкому стеклу повышает растворимость солей кальция в породе, особенно гипса и тем обеспечивает более быстрое выпадение в осадок геля кремнекислоты, цементирующего породу. Она становится водоустойчивой водонепроницаемой, прочной (Rсж до 0 6 МПа) и непросадочной.Радиус закрепления при однорастворном метоле силикатизации зависит от водопроницаемости породы и, как показывает практика, изменяется от 0,2 до 1,0 м. При закреплении лессовых пород вместо сплошной силикатизации иногда применяют устройство силикатизированного основания в виде отдельных столбов — свай.
Термическое закрепление. Этот метод широко применяется для закрепления лёссовых пород и устранения у них просадочных свойств. Основой его является термическая обработка — обжиг пород. Он осуществляется двумя способами. По первому способу в специально пробуренную скважину нагнетают воздух, раскаленный до 600—800 °C в специальных агрегатах. При втором способе производят сжигание горючего (газа, солярки, нефти, угля, кокса) непосредственно в скважине. Для усиления фильтрации в породу горячих продуктов горения и воздуха в ней поддерживается избыточное давление (0,2—0,3 МПа). Чтобы поддерживать это давление, устье скважины герметично закрывают. Второй способ обжига пород при термическом их закреплении считается более простым и экономически более выгодным.
Практика показывает, что термическое закрепление пород распространяется на 1,0—1,2 м от скважины. Поэтому для создания сплошного монолита закрепленных пород расстояния между скважинами должны быть не более 2.0 м. Размещение их может быть и таким, при котором укрепление породы не образует сплошного монолита. В этом случае применяют устройство основания в виде отдельных столбов обожженной породы.
Уплотнение грунтовыми сваями. Одним из видов механического уплотнения пород является уплотнение их грунтовыми сваями. Этот метод применяют для повышения несущих способностей лёссовых пород в основании фундаментов сооружений и устранения их просадочности. Сущность его заключается в расположении на определенном расстоянии друг от друга скважин, которые заполняют породой и уплотняют трамбованием тяжелыми трамбовками, падающими с некоторой высоты. Если естественная влажность уплотняемой породы меньше оптимальной, то ее увлажняют. При трамбовании породы происходит уплотнение пород в скважине, вокруг нее и между скважинами. Таким образом, как в породах, слагающих грунтовые сваи, так и между ними нарушается макропористость лёссовых пород, повышаются их плотность и несущие способности и устраняется просадочность. Грунтовые сваи в основании проектируемых фундаментов размещают обычно в шахматном порядке на расстояниях, обеспечивающих уплотнение пород между сваями. Для этого предварительно производят опытное уплотнение пород.