CC BY
46
---------------------------------------- © Д.И. Рудковский, С.М. Простов,
2010
УДК 624.131.43
Д.И. Рудковский, С.М. Простов
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТА ПРИ ОДНОРАСТВОРНОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ЗАКРЕПЛЕНИИ
Изучено изменение удельного электросопротивления, влажности, сцепления и гранулометрического состава при однорастворном электрохимическом закреплении неустойчивых глинистых грунтов с использованием одиночных, групповых трубчатых и плоских электродов.
Ключевые слова: электроосмос, закрепление, гранулометрический состав, сцепление, влажность, электросопротивление
Семинар № 3
Для установления закономерностей изменения физико-механических свойств грунтов при электроосмотиче-ском осушении и электрохимическом закреплении были проведены исследования на экспериментальной установке с использованием однорастворной рецептуры и различных типов электродов-инъек-торов. Основными задачами экспериментальных исследований были следующие: изучение геометрических параметров зон обработки электрохимического закрепления (ЭХЗ); установление взаимосвязей физических параметров укрепляемого массива; исследование влияния геометрии электродов на изменение и физических параметров укрепляемого массива грунта.
Физическая модель представляет собой участок зоны ЭХЗ с реальными размерами инъекторов и расстоянием между ними в горизонтальном сечении. В качестве исследуемой среды применялись уплотненные песчано-глинистые грунты. Укрепление производилось раствором, состоящим из кремнефтористоводородной кислоты с плотностью рк =1,037 г/см2 и «жидкого стекла» с рс = 1,06 г/см2 при объемном соотношении
гж = 0,09, что принято как оптимальный состав на основе исследований, приведенных в работе [1]. Продолжительность обработки массива приравнивалась ко времени гелеобразования принятого раствора и составляла 72 ч. Все основные физические параметры модели не отличались от соответствующих параметров натуры. Для исследования были приняты три принципиальные схемы, отличающиеся площадью рабочей поверхности электродов (рис. 1).
Размеры физической модели, зон геоконтроля и шаг установки чувствительных элементов (датчиков) приняты на основе результатов, представленных в работе [2].
Схема I (рис. 1, а). Ванна размером 1040x560x515 мм, изготовлена из непроводящего материала, гидроизолиро-вана полиэтиленовой пленкой и заполнена уплотненным грунтом (суглинок). В грунт погружены электроды-инъекторы (перфорированные трубы d = 53 мм) на глубину 25 см и датчики-микрозонды с расстоянием между контактами 1 см на глубину 12,5 см.
Рис. 1. Схемы экспериментальных моделей укрепляемого массива с трубчатыми электродами-инъекторами d=53мм (а); б) с прямоугольными электродами-инъекторами с размерами 470x60x350 мм (б); с электродами-инъекторами, состоящими из трех соединенных между собой труб d=53 мм (в); разрез А-А (г): 1 - ванна; 2 - грунт; 3 - трубчатый электрод-анод; 4 - трубчатый электрод-катод; 5 - датчики-микрозонды; 6 — амперметр; 7 — источник питания; 8 — плоский электрод-анод; 9 - плоский электрод-катод; 10 - строенный электрод-анод; 11 -строенный электрод-катод
Общее количество датчиков составляло 30 шт. В качестве питающего элемента использовался силовой блок постоянного тока с регулируемым напряжением. Подаваемое напряжение составляло и = 45В, сила тока в процессе обработки менялась в диапазоне I = 0,90- 1,50 А.
Схема II (рис. 1, б). Отличается от схемы I формой погруженных в грунт элек-тродов-инъекторов (прямоугольные перфорированные сосуды 470x60x250 мм). Общее количество датчиков составляло 8 шт., и = 45В, I = 1,54-2,77 А.
Схема III (рис. 1, в). В отличие от остальных схем в грунт погружались шесть перфорированных труб d = 53 мм, соединенных между собой в электрод-анод и электрод-катод. Общее количество датчиков составляло 24 шт., и = 45В,
I = 1,09-1,50 А.
Исследование геометрических параметров зон обработки включало изучение динамики развития зон распространения укрепляющего раствора и электроосмотического осушения в пространстве и во времени.
На рис. 2, представлены результаты контроля изменения относительного удельного электросопротивления (УЭС) р/р0 по оси установки, в ходе процессов обработки и твердения массива.
Анализ полученных графиков показал следующее:
- через пять часов после начала обработки происходит снижение УЭС по всей длине установки независимо от используемой схемы обработки;
- в прикатодной зоне через 28-32 ч наблюдается снижение УЭС в диапазоне р/р0 = 0,98 - 0,8 при обработке согласно
схеме I, рр0 = 0,87 - 0,67 для схемы II и
р/р0 = 1,00 - 0,74 для схемы III; к концу
обработки УЭС продолжало снижаться, что связано с постоянным притоком во-
ды в результате процесса электроосмоса;
- в прианодной зоне в течение 28-32 ч происходило резкое снижение значения УЭС, для схемы I отношение составило р/р0 = 0,3 — 0,5, для схемы II -
р/р0 = 0,8 — 0,68, для схемы III -р/р0 = 0,55 — 0,37, что обусловлено интенсивным замещением воды в грунте укрепляющим раствором в начальный период обработки.
К концу обработки для всех схем наблюдалось увеличение УЭС, что связано с началом структурообразовательных процессов (коагуляция частиц, кристаллизация химических соединений), в наибольшей степени этот процесс проявлялся при обработке по схеме III на расстоянии 6 см от анода, в средней зоне на протяжении всего периода обработки происходило монотонное снижение УЭС в диапазоне р/р0 = 1,00 — 0,7 .
Характер изменения УЭС во время обработки для представленных на рис. 2 графиков приблизительно одинаковый.
Контроль за изменением УЭС производился также и после отключения электропитания в течение 20 сут. при этом в характерных зонах массива при наборе прочности происходили следующие изменения (см. рис. 2):
- в прикатодной зоне в первые дни твердения происходит интенсивный рост УЭС, что для схемы I соответствует диапазону р/р0 = 1,00 —1,5, для
схемы II р/р0 = 1,00 —1,25, для III -
р/р0 = 1,00 —1,40; при дальнейшем
твердении наблюдались незначительные изменения УЭС;
- в прианодной зоне в грунте, обработанном в соответствии со схемой I, наблюдался резкий рост УЭС в первые 5 сут. твердения в диапазоне
р/р0 = 1,20 — 2,60, тогда как к концу
твердения УЭС снижалось -
р/р0 = 2,60 — 2,20, что свидетельствует о
недостаточном закреплении грунта; при
обработке в соответствии со схемой II в
процессе твердения УЭС монотонно
возрастало в диапазоне
р/р 0 = 1,10 —1,75; для схемы III УЭС
увеличивалось в первые 5 сут. в диа-
Рис. 2. Графики изменения относительного УЭС массива для схем I (а), II (б) и III (в) при электрохимической обработке и в процессе твердения массива: 1 - Иобр = 4,5 А-ч; 2 - 37,5 А-ч; 3 - 41,6 А-ч; 4 - 62 А-ч; 5 -1;тв = 1 сут.; 6 - 5 сут.; 7 - 10 сут.; 8 - 20 сут.; 9 - Иобр = 7,7 А-ч; 10 - 77,56 А-ч; 11 - 80 А-ч; 12 -121,52 А-ч; 13 - 5,8 А-ч; 14 - 42 А-ч; 15 - 46,08 А-ч; 16 - 79,36 А-ч
пазоне р/р0 = 1,10 —1,50 и в
дальнейшем значительно не менялось.
- в средней зоне при обработке в соответствии со схемой I через 5 сут. твердения наблюдалось увеличение УЭС в диапазоне
р/р0 = 1,40 — 2,40, при по-
следующем твердении значение УЭС снижалось что показывает отсутствие стабильности набора прочности в грунте; при обработке по схемам II и III наблюдалось монотонное
увеличение УЭС в диапазонах р/р0 = 1,00 —1,30 и р/р0 = 1,20 —1,65 соответственно.
Для оценки степени закрепления
грунта были определены физико-
механические свойства, характеризующие состояние массива: влажность, сцепление, гранулометрический состав грунта.
Физические свойства массива определяли с помощью полевой лаборатории Литвинова ПЛЛ-9. Прочностные параметры глинистых грунтов (сцепление, угол и коэффициент внутреннего трения) определяли путем
Рис. 3. Графики изменения влажности в процессе обработки и твердения массива грунта для схем I (а), II (б), III (в): 1 - изменение влажности в прикатодной зоне; 2 - в средней зоне; З - в прианодной зоне
испытаний на одноплоскостной срез с предварительным уплотнением, ступенчатым увеличением нагрузки со свободным оттоком воды с помощью прибора П10-С. Для исследования производился отбор проб грунта из трех условно выделяемых зон: прианодной, средней и прика-тодной. Исследования проб производи-
лись до обработки (исходный грунт), сразу после обработки (укрепленный грунт), через 15 и 30 суток твердения. По результатам проведенных исследований были построены графики изменения свойств с течением времени. В грунте, обработанном в соответствии со схемой II, средняя зона не была четко выражена, в связи с этим рассматривались только прианодная и прикатодная зоны обработки, это связано с прохождением тока достаточно большой плотности и эффективным протеканием процесса электроосмоса.
График изменения влажности (рис. 3) показывает, что в грунте в процессе обработки и твердения происходит снижение влажности. При обработке по схеме
I влажность снижалась в диапазоне
W = 54 - 32%, для схемы II -
W = 50 - 24%, для схемы III -W = 52 - 25 %. Наиболее интенсивно изменение физико-механических
свойств происходит в прианодной зоне. В процессе твердения наименьших значений влажность достигает при обработке грунта в соответствии со схемами
II и III (22% и 20% соответственно).
Г рафик изменения сцепления С грунта (рис. 4) показывает, что наибольшей прочности достигает грунт, обрабатываемый в соответствии со схемой III, а наименьшей по схеме I.
Для определения степени консолидации обработанных грунтов был определен их гранулометрический состав ареометрическим методом в прианодной (упрочнение грунта) и прикатодной (обводнение грунта) зонах. Полученные результаты обработки данных представлены на рис. 4:
- в прианодной зоне при обработке в соответствии со схемой I наблюдается увеличение содержания фракций
Рис. 4. Графики изменения сцепления грунта С с течением времени V. а - график при обработке по схеме I; б - по схеме II; в - по схеме III
0,1-0,5 мм в среднем на 14,2%, фракций 0,05-0,01 на 260%, содержание остальных фракций снижается, содержание фракций 0,5- 2 мм увеличивается незначительно. При обработке по схеме II наблюдается рост содержания фракций 0,1-0,5 мм в среднем на 24%, фракций
0,05-0,01 на 101%. Для грунта, обработанного в соответствии со схемой III, наблюдается следующая закономерность: содержания фракций 0,1-2 мм в среднем увеличивается на 13%, фракций 0,05-0,01 на 240%. Более интенсивная консолидация грунта наблюдается при обработке согласно схемы II.
- в прикатодной зоне при обработке в соответствии со схемой I наблюдается увеличение содержания фракций 0,1-0,5 мм в среднем на 15,6%, фракций 0,050,01 на 68%, содержание остальных фракций снижается, содержание фракций 0,5- 2 мм увеличивается незначительно. При обработке по схеме II наблюдается рост содержания фракций 0,1-0,5 мм в среднем на 17%, фракций 0,05-0,01 на 43%; для грунта, обработанного в соответствии со схемой III, содержание фракций 0,1-2 мм в среднем увеличивается на 5,6%, фракций 0,05-
0,01 - на 176%, при этом содержание фракций <0,005 также увеличилось на 30%.
По окончании лабораторного эксперимента путем визуальных наблюдений были определены размеры зон и форма распространения укрепляющего раствора в грунт (рис. 6). Основными параметрами, по которым определяли границы зоны, являлись прочность и цвет.
Для оценки динамики изменения комплекса физико-механических
свойств обработанных грунтов в зависимости от различных схем обработки были введены интегральные показатели, описывающие изменения свойств исследуемых грунтов и объема укрепленного грунта.
- нтегральный показатель влажности
j = w f_dr_ „ WlVe.
w V0 J W (V Г WK V0 ’
Рис. 5. Графики изменения гранулометрического состава грунта в процессе обработки по схемам I(а), +II (б), III (в) и твердения:
І - состав исходного грунта; 2 - после обработки (б2 ч) в прианодной зоне;3 - в процессе твердения(ІЗ сут.) в прианодной зоне;4 - состав грунта в процессе твердения (30 сут.)в прианодной зоне; З - состав грунта после обработки (б2 ч) в прикатодной зоне; б - состав грунта в процессе твердения (ІЗ сут.) в прикатодной зоне; 7 - состав грунта в процессе твердения (30 сут.) в прикатодной зоне
где ^0 - влажность грунта до обработки; Жк - конечная влажность в прианодной зоне через 30 сут. твердения; ¥к - конечный объем укрепленного грунта; V - объем исходного грунта;
- интегральный показатель прочности грунта
Ic =
1
j С (V )dV
CV
кк
00^0 С ¥0
где С0 -сцепление грунта до обработки; Ск - конечное сцепление грунта в прианодной зоне через 30 сут. твердения;
- интегральный показатель изменения гранулометрического состава
]г = —^ Г G(VШ ^=
С п V 3 ПТ/
GoVo
Go Vo
=1 ут»¥к,
п м Щ ¥0 ’
где Ок, С0 - коэффициенты увеличения содержания фракций грунта после окончания твердения и до обработки; п - количество увеличенных по размеру фракций; тк. - масса .-й фракции после
твердения, г; т0. - исходная масса .-й фракций, г;
- интегральный показатель изменения УЭС.
Рис. 6. Форма и размеры зоны укрепления грунта при визуальном осмотре, при обработке в соответствии со схемами I (а), II (б), III (в)
Геометрические и интегральные показатели установок ЭХЗ
Схема укрепления Объем укрепленного грунта V , см3 Объем грунта V), 3 см Интегральные показатели Площадь рабочей поверхности электрода, 8, см2
1с 1о 1Р
I 2484,9 17414,0 1,724 6,773 1,728 2,343 157,08
II 18212,5 63450,0 2,083 20,000 1,543 2,771 1175
III 13526,4 47970,9 2,525 12,950 1,875 1,967 471,24
Рис. 7. Графики зависимости интегральных показателей Тт !с, Тс, /р от площади рабочей поверхности электрода S для различных схем укрепления грунта: 1 - 1С; 2 - 1Ж; 3 -1с;
4 -10
P 0 L
I p(r )dr,
где Р0 - начальное УЭС грунта; г - координата измерительного датчика по оси установки, м; L - база установки (расстояние между анодом и катодом),
м; ги, R - радиусы инъектора и зоны обработки, м.
Результаты расчета параметров укрепления представлены в таблице
Зависимость интегральных показателей 1Ж, 1С, 1а 1П от площади рабочей поверхности £ электродов представлена на рис. 7.
Анализ графиков, представленных на рис. 7, показал, что самым низким комплексом физико-механических свойств обладает грунт, укрепляемый по схеме I, объем укрепленного грунта Ук здесь также наименьший. При обработке в соответствии со схемой II благодаря наибольшей рабочей поверхности электродов объем укрепленного грунта ¥к наибольший, но интегральные показатели 1^, 1о ниже в сравнении с укреплением по схеме III. Наиболее эффективной с точки зрения технологической реализации и комплекса интегральных показателей является схема III - групповое расположение электродов-инъекторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рудковский, Д.И. Исследование факторов, влияющих на процессы гелнобразования растворов для одностадийного ЭХЗ / Д.И. Рудковский, С.М. Простов, А.В. Покатилов // Вестн. КузГТУ. - 2008. - № 5. -С. 18-22
2. Простов, С.М. Исследование параметров грунтов при электроосмотическом и электрохимическом укреплении на экспериментальной модели / С. М. Простов, М. В. Гуцал, А. В. Покатилов // Вестник РАЕН (ЗСО). -2004. - №6. - С. 128-134. ЕШ
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагоги-ческие кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
1
P
и
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Рудковский Д.И. - ассистент кафедры строительного производства и экспертизы недвижимости ГУ КузГТУ, т. (3842) 58-35-94
Простов С.М. - доктор технических наук, профессор каф. теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ, e-mail: raen@kuzstu.ru
