Труба-анод; 2 — труба-катод; 3 — насос; 4 — водосборник

Сейчас широко используются свайные фундаменты для возведения зданий на водонасыщенных глинистых грунтах. Эти фундаменты представляют собой плиты или бетонные блоки, которые опираются на многочисленные сваи, забитые в грунтовые массивы на глубину от 3 до 15 м и более. Для погружения свай применяются специальные установки — вибраторы. Они закрепляются на верхнем конце сваи и вызывают ее вибрацию и последующее погружение. В ходе погружения может возникать тиксотропное понижение прочности водонасыщегшых глинистых грунтов. В этом случае свая особенно легко погружается в грунт с минимальной затратой энергии. Затем свае дают «отдохнуть», при этом прочность грунта восстанавливается. Погруженные этим способом сваи обладают после «отдыха» (в течение недели или больше) хорошей несущей способностью (т. е. выдерживают значительные нагрузки).

Так тиксотропия помогает строителям.

Возникает вопрос: «Можно ли бороться с тиксотропными явлениями?»

Конечно, можно. Разработано много методов для предупреждения тиксотропного разрушения грунтов.

Прежде всего их можно обезводить, Это достигается отводом в сторону от массивов поверхностных вод. Ведется борьба и с подземными водами. Для этого устраиваются дренажи, используется так называемый электроосмос. Он применяется в тех случаях, когда глинистые грунты не хотят отдавать воду. Тогда кроме труб для сбора воды в грунты погружаются электроды. Создается электрическое поле, которое гонит воду даже из тончайших пор глины в трубчатые водосборы (рис. 28).

Другой путь борьбы с тиксотропией — превращение водонасыщенных глинистых грунтов в прочные образования. Это достигается электрообработкой глин длительным воздействием электрического тока. Метод заключается в том, что в глинистый массив погружаются электроды и через них длительное время пропускается постоянный электрический ток. В результате у анода (положительного электрода) образуется осушенная и упрочненная зона. Здесь при электролизе накапливается материал, слагающий анод (он обычно делается из железа). Порода в результате электрообработки увеличивает свою прочность, а ее способность к тиксотропии исчезает.

В некоторых случаях применяется метод электролитической обработки грунта. Он отличается от предыдущего тем, что действие электрического тока усиливается введением в грунты через анод растворов поваренной соли, хлористого кальция и др.

В незапамятные времена люди заметили, что глины обладают замечательным свойством поглощать различные вещества.

Шерсть овец и других животных, используемая для выработки тканей, содержит жир и другие вещества с неприятным запахом. Чтобы избавиться от этих веществ, люди уже давно начали употреблять глины. Было замечено, что среди глин есть такие, которые обезжиривают шерстяные ткани и устраняют их неприятный запах. Эти глины были названы сукновальными.

Многие знают глину «кил», встречающуюся в Крыму. В переводе на русский язык слово «кил» означает «мыло». Этой глиной моют руки и стирают белье.

В Азербайджане давно известна другая подобная глина, получившая у местного населения название «гиль-аби», что также в переводе на русский означает «мыло».

Такие же глины известны в Грузии, Средней Азии и других районах нашей страны.

Народная медицина уже в глубокой древности использовала глины для лечения различных болезней: их применяли как пластыри для заживления ран, а при желудочно-кишечных заболеваниях глины давали принимать внутрь. Врачи и сейчас нередко используют глины для лечения радикулита и других заболеваний.

Долгое время были неизвестны причины поглотительной, лечащей и моющей способности некоторых глин. Однако А. Е. Ферсман доказал, что в составе таких глин есть монтмориллонит. Его открытие позднее было подтверждено рентгеноструктурными и электронно-микроскопическими исследованиями.

Сейчас монтмориллонитовые глины широко используются в мыловаренной промышленности как наполняющая добавка к мылу. Они также употребляются при изготовлении зубных паст, пудры, губной помады и в других случаях (рис. 29).

Бензин — важнейший продукт, получаемый при переработке нефти. Роль его в современной жизни трудно переоценить. А знаете ли вы, почему он такой прозрачный и чистый?

Этим бензин обязан не только процессам нефтепереработки, но и специальной очистке. Вот здесь монтмориллонитовые глины и выступают как важная составная часть очищающих материалов.

Рис. 29. Так пспользуется монтмориллонит

Способность к поглощению глинистых грунтов используется при очистке продуктов питания — жиров, растительного масла, вина, меда и многих других.

Удивительная способность грунтов поглощать различные вещества была в 1923 г. исследована советским ученым К. К. Гедройцем. Он установил, что поглощение представляет собой сложный комплексный процесс. Простейшей его формой является способность песчаного, супесчаного и суглинистого грунтов очищать мутную воду, пропуская ее через свои слои. Взвешенные мелкие частицы (пыль, ил, тонкий песок) задерживаются в порах грунта. Это — механическое поглощение.

Было обнаружено, что глинистые породы, содержащие много тонких частиц и поэтому обладающие высокой удельной поверхностью, способны к физическому поглощению. Оно заключается в адсорбции (от лат. sorbeo — поглощаю) — поглощении поверхностью посторонних частиц. Она возникает как результат молекулярного взаимодействия между поглощаемыми веществами и грунтовыми частицами. При этом из окружения захватываются молекулы газов, растворенных веществ и мелкие частицы. В ходе такого процесса на поверхности породы образуются пленки, которые часто изменяют первоначальный цвет грунта. Таким путем и очищаются сукновальными глинами шерстяные ткани.

Значительно более распространено в грунтах физико-химическое поглощение, представляющее собой обменные процессы, при которых одни ионы поглощаются грунтом, а другие в этот момент выбрасываются из него в раствор. Обменные ионы (ионы, которые могут поглощаться или выбрасываться в раствор) в этих процессах представлены в основном катионами (т. е. положительно заряженными ионами) калия, натрия, кальция, магния, водорода, железа и алюминия.

Эти процессы очень сложны, но большое значение, которое они имеют в формировании свойств глинистых минералов, заставляет автора рассказать о них подробнее.

Установлено, что разные глинистые минералы проявляют различную склонность к обменным процессам.

Наиболее расположены к энергичному обмену минералы с подвижными кристаллическими решетками: монтмориллонит, бейделлит и др.; наименее — каолинит, кварц и др. Промежуточное место занимают гидрослюды.

Как же протекает процесс обмена?

Прежде всего он возникает не только в самой кристаллической решетке минерала, но и в окружающем ее слое ионов, связанных с поверхностью частиц (ученые этот слой назвали диффузным).

Не все ионы вступают в обмен с одинаковой силой. Наиболее активны ионы железа и алюминия, наименее — калия и натрия.

Также различна способность ионов освобождаться из «плена» минеральных частиц. Легче удаляются ионы железа и алюминия, труднее — натрия и калия.

Вы можете спросить: «А какое значение имеют обменные процессы? Не все ли равно, что находится в глинистом грунте — ион натрия или, скажем, кальция? Может быть, и вся эта сложность ни к чему?»

Нет, это не так. Роль обменных процессов весьма велика.

Прежде всего, состав обменных ионов в грунтах влияет на многие их свойства. Например, если в грунте содержатся обменные ионы калия или натрия, то резко повышается его способность к поглощению воды, а если в нем присутствует обменный кальций или железо, то водопоглощающая способность грунта оказывается значительно меньшей.

Еще показательнее влияние обменных ионов на агрегацию глинистых частиц. Если в качестве обменного иона содержится кальций или железо, то агрегация тонких частиц максимальна; если же калий или натрий, — агрегация минимальна. Это влияние обменных катионов используется при оценке содержания тонких глинистых частиц. Для уменьшения агрегации и увеличения «выхода» тонких частиц образец грунта перед анализом обрабатывается раствором, содержащим ион натрия, который, замещая ион кальция, дробит агрегаты.

Обменные катионы также влияют на многие свойства грунтов. Глины, содержащие обменный натрий, более слабы в механическом отношении и обладают повышенной пористостью. Наоборот, когда глинистый грунт содержит обменный кальций, его прочность, при прочих равных условиях, будет более высокой.

Аналогично влияет состав ионов на пластичность и набухание грунтов. Если в глине обменными катионами являются калий или натрий, то она легче переходит в пластичное состояние и сильнее набухает. Противоположная картина возникает в присутствии обмен» ного кальция или магния.

Ученые обратили внимание на то, что лёссы чаще имеют в обменном комплексе ионы кальция, что ведет к их повышенной агрегации.

Это одна из причин, почему они обладают сравнительно высокой крупной пористостью. По той же причине лёссы в сухом состоянии имеют достаточно хорошую прочность. Вот почему изучением физико-химической обменной способности и типа обменных ионов в составе грунтов ученые придают большое значение. К сожалению, до сих пор не удалось установить количественного влияния обменных процессов на свойства грунтов. Поэтому можно говорить лишь об их качественной взаимосвязи.

Сказанным не ограничивается значение обменных процессов. Знание их позволило А. П. Соколовскому разработать метод борьбы с водопотерями из каналов и водохранилищ. Мы уже говорили о методе солонцевания (или засоления). В его основу положена замена в грунтах иона кальция ионом натрия. При этом достигается уменьшение водопропускной способности в различных глинистых грунтах от десятков до сотен раз.

Напомним о другом методе — глинизации. Его также называют способом «кольматации». Е. М. Сергеев предложил повысить его эффективность и использовать для этого в качестве материала для суспензии (смеси воды с глиной) глину, содержащую гидрослюду. Если ее обменный комплекс насытить катионом натрия, то после обработки ею песка его водопроницаемость уменьшится в 100 раз.

Нельзя не сказать еще о двух явлениях и, прежде всего, о химических процессах, которые возникают при взаимодействии природных растворов, циркулирующих по порам, с минералами грунта. Эти химические реакции приводят к изменению состава не только твердой части, но и водных растворов. Из них исчезают те или иные ионы. При этом изменяются окраска, прочность и плотность грунтов, а сами грунты часто растрескиваются. Это явление назвали химическим поглощением.

Грунты являются средой обитания для миллиардов бактерий, землероющих животных, корней растений, которые также участвуют в поглощении, захватывая часть веществ. Особенно интенсивны эти процессы в верхнем слое грунта — почве. Они получили название биологического поглощения. Под действием биологического поглощения коренным образом изменяются все свойства грунтов и их внешний вид.

Это было в Ростове-на-Дону. Решили как-то начать ремонт старой водопроводной магистрали. Она многие годы снабжала водой значительный район города. Однако жители начали жаловаться на нехватку летом воды, а некоторые подвалы стали затапливаться.

Отрыв траншею и увидев на ее дне магистраль, рабочие хотели извлечь трубу на поверхность. Но только они прикоснулись к ней, как металл рассыпался на мелкие кусочки.

Стали вскрывать траншею дальше. Труба совсем исчезла. Вода шла просто по отверстию в грунтах. Это и явилось причиной больших утечек. Грунт буквально «съел» металл...

В 30-х годах Московская городская телефонная сеть страдала от разрушения в грунтах металлических кабелей. Число их повреждений достигало за год 1520. Если бы кабели своевременно не защитили, то число повреждений достигло бы в 50-х годах более 0,5 млн/год.

Произведенные подсчеты показали, что в результате этого процесса в нашей стране выходит из строя до 3 % заложенного в грунты металла. Это около 1 млн. т.

Явление разрушения металла или его ржавления получило наименование подземной коррозии. Она наносит большой ущерб народному хозяйству, поэтому борьба с ней является крайне важной задачей. Ведь в землю ежегодно укладываются тысячи километров труб газопроводов, нефтепроводов, водопроводных и канализационных магистралей; в грунтах лежат металлические электрокабели, в них заглубляются различные баки, емкости, заземления, строительные конструкции.

Рис. 30. Благодаря особенностям грунтовой толщи на участках трубопроводов возникают крупные гальванопары:

а — при резкой смене грунтов: 1 — катод, 2 — анод, 3 — песок, 4 — суглинок;