книги из ГПНТБ / Николаев, Б. А Погружение свай с помощью электроосмоса

2. Влияние постоянного тока на сопротивление грунта погружению сваи-катода

При кратковременном действии постоянного тока за время погружения сваи под влиянием электроосмоса влажность грунта изменяется лишь вокруг электродов. . У катода увеличивается

влажность и возникает зона водонасыщенного грунта. Вблизи анода образуется зона осушенного грунта с пониженной влаж­ ностью. Вследствие этого при погружении свай-электродов

в грунт наблюдается для сваи-анода увеличение трения, а для сваи-катода — наоборот, уменьшение трения. Ускорение погру­ жения свай с помощью электроосмоса и основано на времен­ ном уменьшении сопротивления грунта погружению сваи-ка­

тода [11].

При забивке свай-катодов под влиянием постоянного тока возникает ряд явлений, облегчающих погружение свай.

1. Вследствие электролиза воды на поверхности катода вы­ деляются пузырьки водорода, зажатые между сваей и грунтом.

Последние уменьшают трение сваи о грунт во время ее за­ бивки.

2.В пластичных глинистых грунтах образование пленки воды вследствие электроосмоса на поверхности сваи-катода на­ блюдается сразу же после включения тока, тогда как при за­ бивке без электроосмоса пленка не образуется. Последняя зна­ чительно уменьшает трение сваи о грунт.

3.Полутвердые и пластичные глины вокруг сваи-катода под

влиянием электроосмоса увлажняются и даже разжижаются.

При этом происходит утолщение водных пленок и ослабление молекулярного притяжения между частицами, в- результате уменьшается сопротивление грунта погружению сваи. Послед­ ние погружаются с помощью электроосмоса в два и более раза быстрее, чем обычным способом. После прекращения действия

тока влага быстро рассасывается.

4. Под влиянием постоянного тока электроосмотическая сила оказывает давление воды на сваю-катод, а электрофоретическая

между уровнем воды в грунте и уровнем нулевого капиллярного давления у катода, которая характеризует величину электроос­ мотического подъема воды. Последний оказывает взвешиваю­

щее. действие на грунт и на сваю-катод. Электрофоретическая

сила не только уменьшает трение сваи о грунт, но частично спо­ собствует уменьшению лобового сопротивления погружению

сваи.

Согласно формуле (1) количество электроосмотически пере­ несенной воды в грунте за одно и то же время пропорционально напряжению электрического поля. Между напряжением и силой

тока существует прямая зависимость (по закону Ома). Следо­

9

вательно, • при неизменном электрическом сопротивлении грунта изменение напряжения вызывает пропорциональное изменение силы тока, электрофоретической силы и количества электроосмо­ тически перенесенной воды, что, в свою очередь, влияет на ско­ рость погружения сваи с помощью электроосмоса.

По данным статических испытаний свай на опытном стенде,

общее сопротивление грунта погружению свай составляло около 220—260 т, а величина трения сваи о грунт, судя по силе вы­ дергивания анкерных свай, — 70—90 т. Следовательно, менее по­ ловины общего сопротивления грунта погружению сваи состав­

действия постоянного тока в среднем на 50%, а в конце забивки в плотные нижнеморенные суглинки—на 80%• Такое паденье сопротивления грунта происходило, главным образом, вслед­

ствие уменьшения трения сваи о грунт и частично — уменьшения реакции грунта под острием сваи.

После прекращения кратковременного действия тока под влиянием гравитационных, капиллярных и молекулярных сил

постепенно происходит выравнивание влажности вокруг электро­ дов. Одновременно с этим постепенно исчезают временно достиг­

нутые изменения физико-механических свойств, и прочность грунта восстанавливается. Это подтверждается нашими динами­ ческими и статическими испытаниями свай, забитых с помощью электроосмоса и без него. Испытания производились после «от­ дыха» свай продолжительностью от одной недели до трех меся­ цев. Во всех случаях отказы и критическая нагрузка были оди­ наковыми.

Для погружения свай с помощью электроосмоса могут быть

применены две схемы: однополюсная и двухполюсная. На рис. 1

изображена однополюсная схема забивки сваи с помощью элек­ троосмоса. Сначала забивается обычным способом свая, кото­ рая затем присоединяется к положительному полюсу генератора

■постоянного тока. После этого с помощью электроосмоса заби­

вается катодная свая, присоединяемая к отрицательному по­ люсу генератора. Постоянный ток проходит через грунт, окру< жающий сваи-электроды. На рис. 2 показан поперечный разрез двухполюсной сваи. На ней имеются башмак и полосовые элек­ троды. Одни из них соединены с положительным полюсом гене­ ратора постоянного тока (аноды), другие — с отрицательным полюсом (катоды). При таком расположении электродов элек­ трический ток пропускается в грунт, окружающий сваи. Двух­ полюсная свая может забиваться с помощью электроосмоса

жения и силы тока в цепь включались вольтметр и амперметр.

10

Забивка свай должна производиться по однополюсной схеме. Погружение единичных деревянных свай с помощью электроос-

мая свая-катод

моса может быть осуществлено при наличии двухполюсных

электродов.

II.ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА

ИФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ

СПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРООСМОСА

3.Методика исследований и характеристика грунтов

Опытами предполагалось 'установить степень (Влияния со­

става глинистых минералов, влажности и пористости глинистых

грунтов на эффективность электроосмотического способа погру­ жения свай. Испытывались стальные модели свай, представляв­ шие собой заостренные стержни диаметром 1,3 см. Исследова­

ния осуществлялись по однополюсной схеме. Глубина 'погруже­ ния всех 'моделей в грунт была одинакова—14 см. Сваи забивались миниатюрным ручным свайным молотом-ударником.

Исследования производились с глинами нарушенной структуры с глуховецким каолином, нижнекембрийской глиной и туркмен­ ским бентонитом, а также частично с .моренным суглинком, при

разной пористости и 'влажности грунтов. Последняя изменялась в пределах от пластичной до полутвердой консистенции. Изме­ нение .пористости достигалось утрамбовкой.-. Каждый опыт со­ стоял в трех-четырехкратном погружении модели сваи без элек­ троосмоса и столько же раз с помощью электроосмоса на одну

И

и ту же глубину. Расхождение в числе ударов .при 'погружении

одним способом не превышало 10%. Результаты забивки сваи

с использованием электроосмоса и 'без него сравнивались по числу ударов.

Эффект действия электроосмоса выражался в уменьшении числа ударов ударником или экономии в работе, затраченной

мическому и гранулометрическому анализам и изучению физи­ ко-механических свойств. Глуховецкий каолин сложен в основ­

ном глинистым минералом-каолинитом, туркменский бентонит—

монтмориллонитом, нижнекембрийская глина — гидрослюдами, а моренный суглинок (со ст. Мстинский мост Окт. ж. д.) отно­ сится к полиминеральным грунтам с преобладающим содержа­ нием гидрослюды и частично каолинита. Воднорастворимые соединения в опытных грунтах определялись химическим анали­

зом водных вытяжек (при пятикратной обработке). Сухой оста­ ток воднорастворимых солей следующий (в процентах): .у турк­ менского бентонита — 1,618, для нижнекембрийской глины — 0,370, глуховецкого каолина — 0,118 и.для моренного суглин­ ка— 0,059 (на 100 а сухого вещества).

В главе I уже отмечалось, что состав и концентрация водно-

растворимых солей в поровой воде в значительной мере опре­

деляют электропроводность и электроосмотические свойства грунта. Действительно, порядок расположения опытных грунтов по содержанию в них сухого остатка воднорастворимых солей аналогичен порядку расположения их по электропроводности и эффекту электроосмоса.

В тесной связи с минералогическим составом находится и гранулометрический состав грунтов. Наибольшей дисперсностью обладает туркменский бентонит (содержащий частиц<0,001 мм

41,1%), в меньшей мере нижнекембрийская глина (35,5%) и

глуховецкий каолин (27,7%), наименьшей — моренный сугли­ нок (12%). С возрастанием дисперсности частиц увеличивается удельная поверхность и способность к обменным реакциям. В связи с дисперсностью грунтов находятся их физико-механи­ ческие свойства, характеристика которых дается в табл. 1.

Монтмориллонит обладает подвижной кристаллической ре­ шеткой, тогда как гидрослюды и каолинит имеют неподвижную решетку. Поэтому туркменский бентонит может содержать зна­ чительно большее количество связанной воды, чем другие опыт­ ные глины. Это в значительной мере определяет и другие физи-

12

максимальной молекулярной влагоемкости—методом влагоемких сред.

ческие свойства глин. Характерные влажности, максимальная молекулярная влагоемкость и удельный вес опытных грунтов приводятся в табл. 1.

Для исследуемых грунтов было определено сопротивление сдвигу при влажности, близкой к пределу пластичности и пре­

делу текучести, при этом было установлено, что с увеличением

влажности их сопротивление сдвигу уменьшается. При электро­ осмотическом увлажнении также происходит уменьшение сопро­ тивления сдвигу.

Другие физические свойства грунтов: объемный вес, влаж­

ность, пористость и степень водонасыщения — определялись и рассчитывались для каждого опыта и здесь не приводятся.

О количестве электричества, протекающего через сваю-элек­

трод в единицу времени, можно судить но плотности тока или удельной нагрузке тока на электрод. Под плотностью тока по­ нимается сила тока, проходящего через 1 см2 поверхности элек-. трода. Удельная нагрузка тока на электрод выражается в ам­

перах на 1 м (или 1 см) длины сваи. Эти два параметра ис­ пользуются нами, так как они позволяют приближенно сравни­

вать силу тока, проходящую через сваи-электроды, и судить об электроосмотическом эффекте в одинаковых условиях.

4. Результаты экспериментальных опытов

Для оценки влияния минералогического состава коллоидно-

дисперсной части грунта на эффективность электроосмотиче­

ского способа ускорения забивки свай нами сопоставлялись опыты, в которых сопротивление исследуемых грунтов забивке

сваи без электроосмоса было почти одинаковое (что можно ус­ тановить по одному и тому же количеству ударов) с опытами по забивке сваи в те же грунты с помощью электроосмоса

(табл. 2). Эффективность электроосмоса оценивалась по вели­ чине разности .между количеством ударов, требовавшихся при забивке сваи на одну и ту же глубину при отсутствии электро­ осмоса и .при наличии такового. Влажность опытных глин была близка к пределу пластичности.

При электроосмотическом способе забивки свай в бентони­ товую глину число ударов уменьшилось на 76%, в нижнекембрийокую — на 58% и в глуховецкий каолин — на 40%. Следова­ тельно, наибольшее изменение сопротивления погружению свай под влиянием электроосмоса наблюдается в бентоните, в мень­ шей мере в нижнекембрийской глине и слабее в каолине. Что­ бы подтвердить сделанный вывод, приводим кривые изменения плотности тока при забивке сваи в грунты с разным составом глинистых минералов (рис. 3). Величина плотности тока приодинаковом напряжении в разных грунтах была различной и за­ висела от их электропроводности. При влажности, близкой к пределу пластичности, наибольшая плотность тока (и электро-

14

Таблица 2

Влияние минералогического состава глинистых минералов на экономию в работе при забивке сваи с помощью электроосмоса

Наименование

грунта

проводность) наблюдалась в туркменском бентоните, в меньшей мере в нижнекембрийской глине и каолине и самая малая в мо­ ренном суглинке (опыты 2б, 30, 13 и 4м).

Рис. 3. Кривые изменения плотности тока по глубине

В аналогичном порядке располагаются грунты .по величине экономии в работе гори электроосмотическом способе забивки свай.

15

Опыты по определению влияния изменения влажности и по­ ристости глин на ускорение забивки оваи с использованием

электроосмоса производились с не насыщенными водой пла­ стичными и полутвердыми образцами нижнекембрийокой глины и глуховецкого каолина. Сухие глины при гигроскопической

влажности не электропроводны. Заметное проявление электро­ осмоса и электролиза при забивке сваи было обнаружено при влажности нижнекембрийокой глины не менее 11%, а глухо­

вецкого каолина — 25%.

При влажности полутвердых глин, близкой к пределу пла­ стичности, при электроосмосе наблюдалось их разжижение на поверхности сваи-катода. В пластичных глинах действие элек­ троосмоса сразу же вызывало появление пленки воды на по­ верхности катода. Стальной стержень анода, вследствие элек­ тролиза воды, быстро окислялся. Одновременно происходило осушение и прилипание грунта к стержню-аноду. Вытащить егоиз грунта было очень трудно, тогда как свая-като^, вынималась из грунта без всякого усилия.

Опыты с полутвердой нижнекембрийской глиной показали, что даже при влажности в 11—13%, т. е. значительно более низкой, чем предел раскатывания (18%), экономия в работе от использования электроосмоса при забивке свай достигала

40—60%. С увеличением влажности экономия в работе возра­ стала, но закономерная зависимость между ними была уста­ новлена лишь при учете пористости (степени водонасыщения)

не насыщенных водой глинистых грунтов. Поэтому в наших дальнейших опытах с каолиновой глиной влияние изменения влажности на эффективность действия электроосмоса изучалось

в зависимости от пористости грунта (табл. 3).

Таблица 3

Влияние величины пористости и степени водонасыщения глуховецкого каолина на силу тока и экономию в работе при забивке стальной сваи с помощью электроосмоса

16

лина (от 0,6 до 1,0) усиливался ток (от 0,12 до 0,94 а) и воз­ растала экономия в работе с 25 до 71%.

Вопытах 4 и 12 при почти одинаковой пористости каолина

инапряжении тока наблюдалось пропорциональное возраста­ ние (в 1,3 раза) характеристик: влажности от 31,6 до 42%, сте­

пени водонасыщения от 0,76 до 1,0, силы тока от 0,39 до 0,55 а и экономии в работе от 51 до 71 %, На рис. 4 представлены гра­ фики зависимости между силой тока, влажностью, степенью

Рис. 4. Графики зависимости между:

л—силой тока и степенью водонасыщения; б—экономией в работе и степенью водона­ сыщения; а—силой тока и влажностью; г—экономией в работе .и влажностью; д—эконо.

мией в работе и силой тока Все варианты берутся при постоянной пористости (50—52 %) и напряжении тока (100 в)

характеристик закономерно связаны друг с другом. Между из­

менением влажности или степени водонасыщения, с одной сто­ роны, и силой тока или экономией в работе, с другой — имеется почти пропорциональная зависимость, изображенная на рис. 4

.прямыми линиями. Графики зависимости построены для сте­ пени водонасыщения в пределах 0,46—1,0, пористости 50—52% и напряжении тока 100 в.

Из опытов 19, 13, 4 (табл. 3) видно также, что при почти одинаковой пористости грунта с увеличением влажности и сте­ пени водонасыщения происходит закономерное усиление тока (следовательно/ увеличение электропроводности) и возрастание экономии в работе по забивке сваи.

При росте пористости и влажности грунта (опыты 16 и 12, табл. 3) сила тока и экономия в работе возрастают, но не про-

ГОС ПУБЛИЧНАЯ

порционально. При уплотнении не насыщенного водой грунта влажность может оставаться неизменной, но вследствие умень­

шения пористости, произойдет увеличение степени водонасы-

щения. При уменьшении пористости не насыщенного водой грунта и увеличении степени водонасыщения возрастают сила тока и экономия в работе при забивке сваи с использованием электроосмоса. Последнее иллюстрируется опытами 13 и 16 с

глуховецким каолином (табл. 3), выполненными при почти оди­ наковой влажности (29—30%), но при различной степени водо­

насыщения. Опыты показали, что уменьшение пористости (от

Этот эффект объясняется тем, что с увеличением степени водонасыщения грунта возрастает площадь сечения пор, заня­ тая поровой водой, благодаря чему повышается электропровод­

ность и электроосмотическая фильтрация. Электропроводность грунта обусловлена, главным образом, поровой водой, так как скелет грунта практически не электропроводен. Поэтому, чем большая часть площади поперечного сечения грунта будет за­ нята поровой водой, тем выше его электропроводность. При сжатии грунта относительная площадь сечения пор, занятая поровой водой, будет увеличиваться до тех пор, пока степень

водонасыщения не достигнет единицы. Дальнейшее сжатие во­ донасыщенного грунта при полном заполнении пор водой, как известно [12], вызывает уменьшение пористости и площади се­ чения, занятой поровой водой, а следовательно, понижает элек­ тропроводность и электроосмотическую фильтрацию.

Эффект от использования электроосмоса, судя по количе­

ству ударов ударником, возрастает при уплотнении не насы­ щенного водой грунта и увеличении степени водонасыщения до единицы.

Основываясь на вышеизложенном, можно предположить, что

влажность, соответствующая пределу пластичности при разной пористости, не будет являться переломной в отношении элек­ тропроводности и электроосмотической фильтрации грунта. Как мы уже убедились, при одинаковой влажности, но разной пори­ стости степень водонасыщения будет различной, вследствие чего электропроводность и коэффициент электроосмотической фильтрации будут изменяться. Определять и сравнивать элек­ тропроводность и коэффициент электроосмотической фильтра­ ции разных грунтов необходимо' при максимальной моле­ кулярной влагоемкости и степени водонасыщения, равной еди­ нице.

18