книги из ГПНТБ / Николаев, Б. А Погружение свай с помощью электроосмоса
.pdf
Б. А. НИКОЛАЕВ
Канд. техн, наук |
Экземпляр! |
|
-^!21 ЭМЗ- J |
||
|
ПОГРУЖЕНИЕ СВАЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРООСМОСА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ. АРХИТЕКТУРЕ
ИСТРОИТЕЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ
Ленинград-1960-Москва
Научный редактор — канд. техн, наук Б. Ф. РЕЛБТОВ
гое ПУБЛИЧНАЯ |
А 41** |
\УЧН»-тг хн* '!Евлля I XrV V & SA ОСОТ . I W
Вкниге изложены результаты лабораторных
ипроизводственных исследований и опыт приме нения на строительстве способа погружения свай с помощью электроосмоса. Показано, что элек троосмотический способ облегчает работу погру жающих снарядов, способствует сохранению от
разрушения погружаемых неметаллических свай и ускоряет восстановление их несущей способ ности. На основании проведенных исследований даются практические рекомендации применения нового электроосмотического .способа ускорения сооружения свайных основании в гидротехниче
ском строительстве.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников проектных, строительных и научноисследовательских организаций.
AI
ВВЕДЕНИЕ
В семилетием плане развития народного хозяйства СССР
мостостроение и гидротехническое строительство занимают зна чительное место. Одним из важных видов работ на этих строи тельствах является сооружение свайных оснований. В последние
годы получают развитие глубокие свайные основания с большой
нагрузкой на сваи. Последние приходится заглублять в плотные песчано-глинистые грунты, или погружать до скальных пород. Эти работы весьма трудоемки, требуют больших затрат труда и времени, что значительно снижает темпы производства свай ных работ, ухудшает их качество.
Для увеличения производительности свайных работ в по добных условиях целесообразно использовать электроосмос.
Электроосмосом называется движение поровой воды в грунте,
направленное от анода к катоду под влиянием постоянного тока. Последний, проходя через глинистый грунт, вызывает его осушение у анода и увлажнение у катода. Поэтому, если заби ваемую сваю присоединить к отрицательному полюсу генера тора постоянного тока, то под влиянием электроосмоса на ее поверхности будет выделяться из грунта пленка воды, а вокруг
сваи образовываться зона электроосмотически водонасыщен
ного грунта. Это позволит временно уменьшить сопротивление грунта погружению сваи. После погружения сваи-катода и пре кращения действия тока прочность окружающего грунта и не сущая способность сваи постепенно восстанавливается. Чтобы ускорить это восстановление, изменяют полярность сваи и через грунт пропускают постоянный ток. Вокруг сваи-анода проис ходит элекгроосушение, грунта, и быстрое восстановление его прочности.
Еще в 1938 г. Б. Ф. Рельтов и А. В. Новиков впервые пред ложили использовать электроосмос для облегчения и ускорения погружения.1 Затем в 1951—1953 гг. в ленинградском По литехническом институте .производились лабораторные иссле дования погружения шпунтин с помощью электроосмоса. В это*
’ В. Ф. Рельтов и А. В. Новиков, Разработка вопроса о приме нении электроосмоса в качестве средства борьбы с прилипанием вязких грун тов к рабочим поверхностям строймеханизмов. Отчет по тематической рабо те. Библиотека Научно-исследовательского института гидротехники, 1938.
3
же время Научно-исследовательским институтом оснований и
фундаментов также ставились опыты погружения шпунтин с использованием электроосмоса. Результаты этих опытов не опубликованы. Известно, что лабораторные опыты ЛПИ дали хорошие результаты.
В 1953 г. индонезийский ученый X. К. С. Бегеман [16] опуб ликовал результаты лабораторных исследований и опытной за
бивки четырех железобетонных свай с использованием электро осмоса. Опыты показали, что электроосмос облегчает погруже ние свай. При этом Бегеман установил, что для забивки сталь ных трубок в грунт с использованием электроосмоса требуется меньшая затрата усилий, чем без электроосмоса. При забивке
железобетонных свай с помощью электроосмоса была дости гнута большая глубина погружения свай от 100 ударов молота, чем обычным способом. Однако в работах названных авторов не исследовалось влияние различных физических и физико-хи мических факторов на эффективность ускорения погружения свай, без чего невозможно установить оптимальные условия,
обеспечивающие наибольший эффект.
В 1954—1959 гт. на кафедре «Основания и фундаменты» ленинградского Института инженеров железнодорожного транс
порта (ЛИИЖТ) под руководством автора исследовалось влия ние следующих факторов на ускорение погружения свай-като дов: минералогического и гранулометрического состава грунтов, их влажности, пористости, геологического строения площадки,
площади электродов, параметров тока, скорости погружения
свай, расстояния между сваями-электродами и др. На основе этих исследований разрабатывался ускоренный электроосмоти ческий способ погружения деревянных, железобетонных и сталь
ных свай, который затем проверялся в производственных условиях на строительстве. Практика показала, что с помощью электроосмоса в несколько раз увеличивается скорость погру жения свай, экономится электроэнергия, потребляемая двигате лями, достигается большая, чем в обычных условиях, глубина погружения и тем самым увеличивается несущая способность свай после «отдыха». Кроме того, что не менее важно, сваи-
катоды меньше деформируются, чем при обычном погружении.
Динамические и статические испытания свай установили, что их несущая способность после . «отдыха» восстанавливается. Быстрое восстановление прочности грунта, окружающего сваю-
катод, достигается его электроосушением. На основании этих
исследований даны практические рекомендации для применения электроосмотического способа ускорения погружения свай на производстве.
I. ЯВЛЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ГРУНТАХ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ СВАЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРООСМОСА
1. Электроосмос и электролиз в глинистом грунте
Влажные глинистые грунты представляют собой сложную электрическую систему. На поверхности грунтовых частиц на ходится избыток зарядов одного, обычно отрицательного, зна ка, образующий внутреннюю обкладку двойного электрического слоя. Противоположно заряженные ионы (противоионы.) в жид- kqcth образуют внешнюю обкладку двойного электрического
слоя. Вокруг частицы находится неподвижный слой адсорби рованных прочносвязанных противоионов (катионов). Электри ческие заряды на (поверхности частицы не гасятся в неподвиж ной части двойного' электрического слоя, но уравновешиваются
окружающим диффузным слоем противоионов (катионов).
Плотность зарядов быстро уменьшается к периферической зоне диффузного слоя. Вокруг противоионов в диффузном слое мо лекулы воды принимают ориентированное положение. В обыч
ных условиях такая электрическая система находится :в равно весии.
Прохождение постоянного тока через глинистый грунт осу ществляется, главным образом, движением ионов в грунтовой воде. .Электропроводность грунта растет вместе с концентрацией солей в грунтовой воде, более сильно при возрастании малых
концентраций раствора, слабее при больших концентрациях [4, 12]. Вода в порах грунта неодинаково проводит постоянный электрический ток. В пределах диффузной части двойного элек трического слоя она представляет собой поверхностный раствор, содержащий значительно большее количество ионов, чем окру жающая свободная вода. Большее содержание и подвижность
избыточных противоионов двойного электрического слоя об условливают повышенную поверхностную проводимость диф фузного слоя, которая во много раз больше электропроводности свободной воды [3]. Электроосмотическое течение поровой воды вызывается движением избыточных противоионов в наружной диффузной части двойного электрического слоя в электриче-
5
оком поле, направленное к катоду. Ионы внутренней обкладки двойного электрического слоя и противоионы в адсорбирован ном слое в движении жидкости не участвуют. С другой стороны,
в свободной воде ионы обоих знаков находятся в одинаковом
количестве. Поэтому при наложении электрического поля в сво бодной воде ионы разного знака движутся в противоположных направлениях. Движущийся, поток противоионов диффузного слоя в порах и капиллярах механически увлекает за собой остальную массу жидкости свободной воды, вызывая электро осмос. Очевидно, чем больше толщина диффузной части двой ного слоя, характеризуемая величиной электрокинетического (£) ■потенциала, тем при прочих равных условиях интенсивнее должно происходить электроосмотическое передвижение воды [3].
В процессе электроосмоса места ушедших положительных зарядов в диффузном слое тотчас же замещаются другими за рядами, поступающими из внешней жидкости. Таким образом,
непрерывно восстанавливается равновесие зарядов в двойном
электрическом слое и обеспечивается непрерывность процесса электроосмотического передвижения воды в порах. Образую щийся же в процессе электроосмоса избыток положительных зарядов у катода и отрицательных у анода нейтрализуется на поверхности электродов. Механическое увлечение воды в диф фузном слое может вызвать заметное поступательное движение всей жидкости в порах только мелкозернистых грунтов. В круп нозернистых грунтах электроосмотическое движение воды осла бевает по мере увеличения размера пор. Электроосмотический перенос воды протекает до тех пор, пока запасы воды в порах грунта у анода не иссякнут. В этом случае нарушится контакт между грунтом и анодом и прекратится ток [11].
Количество электроосмотически перенесенной воды в дис персных системах определяется известной формулой Гельмголь-
ца-Перрена-Смолуховского. Б. Ф. Рельтов [1], основываясь на формуле Гельмгольца-Перрена-Смолуховского, предложил в 1940 г. обобщенное уравнение (1) скорости электроосмотиче
ской |
фильтрации в грунте |
Рэ и ввел понятие о коэффициенте |
|
электроосмотической фильтрации Кэ: |
|
||
где |
С—электрокинетический потенциал, |
|
|
|
D—диэлектрическая проницаемость жидкости, |
|
|
|
7]—вязкость воды, |
|
|
|
Ег—градиент потенциала, |
|
|
|
Рж—удельное электрическое сопротивление порового рас |
||
|
твора, |
|
|
|
рг—удельное электрическое сопротивление грунта. |
|
|
|
= |
{с^-сек-Ч^]. |
(2) |
6
Коэффициент электроосмотической фильтрации выражает
скорость фильтрации |
при |
градиенте потенциала, |
равном |
еди |
нице. Из уравнения |
(1) |
после преобразования |
вытекает |
фор |
мула (3J. |
Q = ^PrX М, |
|
(3) |
|
|
|
|||
где Q — объем жидкости, электроосмотически перенесенной за промежуток времени t,
рг — удельное электрическое сопротивление грунта,
А—количество электричества в кулонах за время t.
Л. И. Курденков [5] в 1954 г. ввел понятие об объемном
■коэффициенте электроосмоса, представляющем собой объем электроосмотически перенесенной воды через единицу площади грунта при протекании одного кулона электричества. Между коэффициентом электроосмотической фильтрации Кэ и объем ным коэффициентом электроосмоса Коэ существует простая за висимость:
Коэ = /<эРг1^3-кулон-1]. |
(4) |
Объем электроосмотически перенесенной воды за время ' t |
|
можно определить на основании уравнений (3) и |
(4): |
Q = K0H. |
(5) |
Объемный коэффициент электроосмоса определяется экспе риментальным путем и вычисляется по формуле, вытекающей из выражения (5).
Коэффициент электроосмотической фильтрации является важной характеристикой, необходимой для расчета электроос мотических процессов. Величина Кэ для разных грунтов изме
няется в сравнительно небольших пределах от 0,5>10~5 до 12-Ю-5 см2 • в-1 • сект1. Установлено, что на величину Кэ боль шое влияние оказывают величины пористости, удельной поверх ности скелета и пр. (4, 6).
Из формул (3) и (4) следует, что между количеством выде лившейся у катода воды и количеством прошедшего через грунт электричества существует пропорциональная зависимость, кото
рая сохраняется лишь при влажности больше предела пластич ности данного грунта. При • уменьшении влажности ниже
предела пластичности наблюдается резкое уменьшение электро осмотического переноса воды, сопровождающееся сильным по
вышением удельного сопротивления и нагреванием грунта. При
этом часть электроосмотически перенесенной воды в прикатодной зоне поглощается окружающим не насыщенным водой грун том [2, 14, 13].
Опыты [17] показали, что количество электроосмотически вы делившейся воды из разных грунтов при прохождении 1000 ку лон электричества оказалось наименьшим дли тяжелых глини стых грунтов и наибольшим для песчаных, так как водоотдача
7
более глинистых грунтов хуже, чем грунтов с меньшим содер
жанием глинистых фракций. Поэтому в более дисперсных грун тах требуется на выделение единицы объема воды большее ко личество электричества. Затрата электроэнергии возрастает после удаления всей свободной воды [2, 14].
Известно, что электроосмотическая фильтрация ухудшается при уменьшении пористости и разрушении естественной струк туры водонасыщенных грунтов, а также при повышении мине рализации порового раствора. В засоленных грунтах, вслед
ствие высокой концентрации солей, наблюдается большой рас ход электроэнергии и слабый эффект электроосмоса.
Постоянный ток, кроме электроосмоса, вызывает также в глинистом грунте электролиз воды и другие физико-химиче
ские процессы. При этом у катода выделяется газообразный во дород Н2 и накопляются гидроксильные ионы (ОН7). Находя щиеся в растворе катионы солей перемещаются к катоду и вступают во взаимодействие с ионами ОН7, образуя щелочные соединения (в том числе гидроокиси железа и алюминия).
В силу этого в прикатодной зоне вода имеет щелочную реакцию (повышенное pH). У анода вследствие электролиза выделяется кислород, анионы солей в растворе вступают в реакцию с ио нами водорода воды, и образуются соединения, обусловливаю щие возникновение зоны с кислой реакцией (пониженным pH). При этом обменные катионы глины (Na и др.) замещаются ио нами водорода. Такая замена в случае длительного пропуска
ния постоянного тока через грунт приводит к образованию зоны Н-глины. Под влиянием же кислых продуктов электролиза при сутствующий в воде ион алюминия частично или полностью за мещает водород, вследствие чего образуется Н—Al-глина или Al-глина [15].
Электроосмос, электролиз воды и другие физико-химические процессы в глинах, связанные с пропусканием тока, возникают
одновременно и протекают параллельно. Эти процессы вызы
вают изменения физико-механических свойств грунтов [2]. Вели чина этих изменений зависит от продолжительности действия тока и количества прошедшего через грунт электричества. В на
чале под влиянием электроосмоса происходит изменение влаж ности и других физико-механических свойств грунта вокруг электродов. Эти изменения постепенно распространяются даль ше от электродов. Если действие тока кратковременно, то после прекращения его протекания изменения физико-механических свойств могут быть обратимыми. При длительном, многочасо вом действии постоянного тока, помимо осушения и уплотнения грунта, происходит коагуляция глинистых частиц и их цемента ция, т. е. электрохимическое закрепление. Грунт постепенно становится неразмокающим, неразбухающим, слабо сжимае
мым, с большим сопротивлением сдвигу, причем изменения фи зико-механических свойств являются необратимыми [2].
8