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ESTABILIZACION POR ELECTRO OSMOSIS (1)
Amnart Rittirong y Shang Julie
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, la Universidad de Western
Ontario, London, Ontario, Canadá N6A 5B9
RESUMEN
Este capítulo es una colección de aplicaciones in situ de electro-ósmosis en el
mejoramiento del suelo como ha sido reportado en la literatura en las últimas
décadas. Los criterios de selección son:
1. Debe ser un ensayo de campo in situ con el fin de mejorar las propiedades
mecánicas del suelo (resistencia, deformación, composición química, etc),
2. Se debe incluir la documentación detallada de las propiedades de ingeniería
del sitio, la configuración de la disposición de prueba, los registros de control y
evaluaciones de desempeño y el consumo de energía.
Los principios científicos de la electrocinética en medios porosos son revisados
antes de las presentaciones de los casos. Se espera que este capítulo sirva
como una guía para la futura investigación y las aplicaciones de estabilización
por electro-osmosis de suelos blandos.
1. MARCO TEÓRICO
Electro-ósmosis es una técnica utilizada para la consolidación y el
reforzamiento de suelos arcillosos blandos saturados. Como se muestra en la
Figura 1 (Shang, 1998), cuando una corriente continua (CC) de voltaje es
aplicado al suelo a través de los polos de los electrodos, el agua de los poros
del suelo se verán atraídos hacia la dirección del terminal negativo (cátodo)
debido a la interacción del campo eléctrico, los iones en el agua de los poros y
las partículas del suelo. Si el drenaje se proporciona en el cátodo e impedido (1) El presente texto es una traducción del artículo publicado por Amnart Rittirong and Julie
Shang (2005) “Electro-Osmotic Stabilization”, ELSEVIER GEO-ENGINEERING BOOK SERIES VOLUME 3 Ground Improvement — Case Histories edited by EDITED BY BUDDHIMA INDRARATNA and JIAN CHU, como parte de trabajo de investigación para el curso de “Ingenieria de suelos aplicada a obras viales e hidráulicas”
en el ánodo, la consolidación se inducida por electroósmosis, resultando en el
suelo una disminución del contenido de agua, mayor resistencia al corte y baja
compresibilidad. Además, las reacciones electroquímicas asociadas con un
proceso de electro-osmosis altera las propiedades físicas y químicas del suelo
y conduciendo a un aumento adicional en la resistencia al corte (Mitchell,
1993).
Casagrande (1941, 1959) aplicó por primera vez la técnica de electro-ósmosis
para fortalecer y estabilizar las arcillas limosas blandas a mediados de los años
1930. Desde entonces, las pruebas de campo exitosas han sido reportados que
utilizando la electro-osmosis para fortalecer arcillas limosas y arcillas blandas
sensibles, para estabilizar taludes y para reforzar pilotes de acero instalados en
los suelos arcillosos (por ejemplo, Bjerrum et al. 1967; Casagrande, 1983; Lo et
al, 1991). La consolidación por electro-osmosis ha sido considerada para
proyectos que requieren una rápida mejora en las propiedades de los suelos
arcillosos blandos.
Cuando un cátodo abierto y condición ánodo sellado están presentes, una
presión negativa de agua de los poros es generada en el suelo de la
aplicación de un campo eléctrico de corriente continua. En una dimensión, la
presión de poro generada por electro-ósmosis, , en una distancia
x(m) para el cátodo está dada por (Esrig,1968)
(1)
Donde
Ke (m² / SV) es la permeabilidad de electro-osmótico.
Kh (m / s) la conductividad hidráulica
γw (9,81 kN/m3) peso unitario de agua
U(x) (V), el potencial eléctrico en x distancia al cátodo.
La ecuación (1) indica la presión de poro inducida por electro-ósmosis es
negativo y proporcional al potencial eléctrico (es decir, tiene una magnitud
máxima en el ánodo y cero en el cátodo). Las presiones de poro negativos
resulta en un aumento en el tensión efectiva en el suelo, dando lugar a la
consolidación, como se describe en la teoría convencional de consolidación.
Conocer la presión de poro generada por electro-ósmosis, la velocidad del
tiempo de consolidación electro-osmótico puede estimarse por la teoría
convencional de consolidación.
La permeabilidad electro-osmótico, Ke, regula el flujo de agua en una masa de
suelo bajo un gradiente eléctrico en una forma similar a como la conductividad
hidráulica regula el flujo en el suelo bajo un gradiente hidráulico. Cuando tanto
el ánodo y el cátodo están abiertas para el drenaje y el gradiente hidráulico se
establece en cero, Ke se puede determinar midiendo la velocidad de flujo a
través de un tapón de suelo mediante una relación empírica (Mitchell, 1993)
(2)
Donde:
qe es el vector de flujo de agua debido a un gradiente eléctrico (m / s)
E el vector de intensidad del campo eléctrico, que se define como
(3)
El consumo de energía por metro cúbico de masa del suelo por hora se calcula
a partir
(4)
Donde
p es el consumo de energía de la unidad (kW/m3)
κ la conductividad eléctrica del suelo (1/Ω-m).
La ecuación (4) indica que el consumo de energía de tratamiento electro-
osmótico aumenta con la conductividad eléctrica del suelo y el campo eléctrico
aplicado. La Tabla 1 resume los rangos típicos de suelo y las propiedades
eléctricas que son adecuados y se han utilizado por electro-osmótico
consolidación.
Un modelo de consolidación de dos dimensiones electro-osmótico ha sido
desarrollado por Shang (1998) que pueden tener los efectos tanto de la
precarga y la consolidación de electro-osmótico en cuenta. Los más
predominantes electroquímicos efectos durante un proceso de electro-osmótico
incluyen el desarrollo de un gradiente de pH, la generación de gases y de calor.
El pH de agua del suelo se incrementará rápidamente a tan alto como 11 o 12
en el cátodo y disminuir a casi dos en el ánodo. En consecuencia, los ánodos
metálicos se corroen en el ánodo. El oxígeno gaseoso es generado en el ánodo
y el gas hidrógeno en el cátodo debido a las reacciones hidrolíticas. La
corriente eléctrica también genera calentamiento. La gravedad de estos efectos
se relaciona directamente con la tensión aplicada y la corriente. Es
generalmente deseable para minimizar los efectos de calentamiento para
reducir el consumo de energía. Se ha encontrado que la aplicación de
reversión de polaridad e intermitente (pulso) actual puede reducir gradiente de
pH y la corrosión y aumentar la permeabilidad electro-osmótico del suelo,
mejorando así la eficiencia de tratamiento electro-osmótico (Shang et al.,
1996).
La evaluación de la electro-osmótico consolidación en un suelo específica
puede llevarse a cabo de acuerdo con el siguiente procedimiento:
1,1. Determinación de los parámetros
Además de las propiedades del suelo convencionales tales como la
granulometría, la presión de pre consolidación, resistencia al corte, contenido
de agua, la conductividad hidráulica, kv, y el coeficiente de consolidación Cv,
los parámetros necesarios para un análisis de trazabilidad incluyen la
permeabilidad electro-osmótico, ke; conductividad eléctrica, κ; intensidad de
campo eléctrico E, y el consumo de energía, p. Todos estos parámetros
pueden ser determinados a partir de pruebas de laboratorio antes de la
aplicación de campo (Shang y Mohamedelhassan, 2001). La Tabla 1 muestra
los rangos típicos de los parámetros más importantes para los suelos que son
adecuados para electro-osmótico tratamiento.
1,2. Funcionamiento del sistema eléctrico en aplicaciones de campo
El sistema de accionamiento eléctrico puede ser diseñado en base a los
parámetros obtenidos a partir de pruebas de laboratorio y de la investigación
geotécnica del sitio. Típicamente, el polos electrodo consisten en varillas
metálicas o tubos instalados verticalmente en el suelo a veces se pueden
instalar drenajes verticales prefabricado en el cátodo como el canal de drenaje.
La profundidad de la inserción del electrodo debe ser igual al espesor de la
capa de suelo para ser tratada. La porción superior de los electrodos en
contacto con la superficie del suelo o capa superior de drenaje debe ser aislada
eléctricamente con un recubrimiento dieléctrico para evitar cortocircuitos
debido a la presencia de agua superficial (Lo et al., 1991).
El material, el diseño y el espaciamiento de los electrodos y la tensión aplicada
son de suma importancia para una aplicación en el campo con éxito. Entre la
realización más comúnmente utilizado materiales metálicos, los mejores
resultados se registraron utilizando electrodos hechos de hierro y cobre en
lugar de aluminio (Sprute y Kelsh, 1980; Mohamedelhassan y Shang, 2001).
Los electrodos hechos de varillas de acero recubiertos de carbono y grafito se
han utilizado en el laboratorio estudios para prevenir la corrosión de los
electrodos (Lockhart y Stickland, 1984).
La separación típica entre ánodos y cátodos en la literatura osciló entre
1 a 3 m (Casagrande, 1983; Lo et al, 1991). En general, aproximadamente un
campo eléctrico uniforme da los mejores resultados (Casagrande, 1983). Para
lograr un campo eléctrico aproximadamente uniforme, el espaciado entre las
barras de electrodos de la misma polaridad debe ser mucho menos que el
espaciamiento de la polaridad opuesta.
La capacidad de suministro de energía se puede estimar sobre la base de la
conductividad eléctrica del suelo y electrodo de diseño. Se ha encontrado que
una caída de tensión más dramático tiene lugar en los contactos suelo-
electrodos en un alto voltaje aplicado, lo que hizo el tratamiento menos eficaz
(Casagrande, 1983;. Shang et al, 1996). También se observó que la caída de
tensión en el interfaz suelo-electrodo se ve afectada por los materiales de los
electrodos (Mohamedelhassan y Shang, 2001). Por lo tanto, un menor voltaje
aplicado a través de menor ánodo-cátodo espaciamiento es deseable para
generar el campo eléctrico requerido, y se debe prestar atención especial
hecha para los materiales de electrodo y configuraciones. Sin embargo, el
coste de los electrodos y la instalación también debe ser considerado. El
diseño final se basa en un balance del costo de los electrodos y la instalación
de electrodos, así como la eficiencia del tratamiento. Para obtener información
adicional, consulte Arman (1978), Broms (1979), Mitchell (1981, 1993), U.S.
Navy (1983), Van Impe (1989), Hausmann (1990) y Micic et al. (2003a, b).
La estabilización electrocinético es un híbrido entre electro-ósmosis, y lechada
química.
La infusión de los productos químicos cierta estabilización en suelos arenosos
y limosos se hace más eficiente por la aplicación de una diferencia de potencial
eléctrico a la masa del suelo. El procedimiento es más eficaz en los suelos
limosos que de otro modo son difíciles de lechada ordinariamente. Información
en esta técnica se puede encontrar en Broms (1979) y Mitchell (1981). Más
recientemente, estabilización electrocinética química asistida se ha aplicado a
suelos calcáreos costeros (limos y arenas) para la estabilización de las
plataformas de petróleo (Mohamedelhassan y Shang, 2003; Shang et al,
2004a, b).
En este capítulo, varios pruebas de campo bien documentadas usando electro-
ósmosis para estabilizar suelos blandos de arcilla son revisados. Estos casos
se han establecido como los ejemplos clásicos de las aplicaciones de la
estabilización electro-osmótico.
2. CASOS HISTORICOS
2.1. Estabilización Electro-osmótico de la presa de West Branch (Fetzer,
1967)
Presa de West Branch es una presa de tierra compactada se encuentra en Río
de Mahoning en el nordeste de Ohio, EE.UU.. La presa es de 3000 m de largo
y 24 m de altura. El conducto de salida de hormigón se encuentra en el centro
de la presa. El conducto es de 3,5 m x 7,0 m. Cada conjunto estaba conectado
por un collar de concreto. El sitio del proyecto está cubierto por depósitos
glaciales, con 25 m de espesor de arcilla gris. La capa de arcilla se entremezcla
por el cieno gris y arena limosa, con el lecho de roca de piedra arenisca en el
una profundidad más allá de 32 m. La tabla 3 resume las propiedades del
suelo. La construcción de la presa comenzó en mayo de 1963. El relleno en la
parte central era construyó rápidamente. Mientras que el relleno se planteó
desde El 999 pies (305 m El) a El 1007 pies (El 307 m), la separación de la
junta de conducción se detectó en el eje de la presa debido al asentamiento.
La colocación de relleno fue cesado. Las grietas se produjeron en el cuerpo
central de la presa, con un máximo la apertura de aproximadamente 2,5 cm.
Una caída severa del conducto, la abertura máxima en la junta fue de 22 cm.
Tres juntas cerca del eje se rompieron. El 14 de noviembre, el relleno de 4 m
se removio para detener el asentamiento y la separación de las juntas.
La resistencia del suelo y las presiones de poros de agua fueron investigados.
Piezómetros se instalaron en la capa de arcilla que subyace a la presa, y arena
limosa que subyace a la capa de arcilla. Se encontró que 1 año después de
que la construcción se detuvo, las presiones de poros excesivas por debajo de
la presa todavía no estaba completamente disipada debido a la baja
conductividad-hidráulico de la arcilla
capa. La resistencia al corte sin drenaje del suelo era tan baja como 0,2 TSF
(19 kPa) y el factor de la seguridad de la pendiente fue de 1.0 simplemente lo
hubiera sido imposible para elevar la presa de la altura de diseño como el
factor de seguridad habría
sido 0,62. Medidas de remediación, como como bermas y drenes de arena,
fueron considerados. Sin embargo, los análisis preliminares indican que las
bermas sería excesivamente amplia y bloquearia los canales de entrada y
salida. El diámetro de 30 cm de drenes de arena con una separación de 1,5 m
se considera . Sin embargo, la instalación drenajes de arena podría causar la
inestabilidad temporal de la fundación. Eventualmente, estabilización
electroosmótica fue seleccionado para estabilizar la presa como el mejor
enfoque.
La viabilidad de la estabilización electro-osmótico fue investigado por L.
Casagrande de
La Universidad de Harvard. La conductividad electro-osmótico, ke, fue de 3
a cm / s computado sobre la base de 1 V / cm. Llegó a la
conclusión de que la fundación de la presa puede ser estabilizado por proceso
electro-osmótico. El diseño de electrodos constaba de tres tiras de ánodos y
cátodos más de un 230 x 300 m de area. Una tira de 8 filas de 6 m de
separación se ha instalado a lo largo del eje de la presa y una tira de 6 filas a 6
m de espaciamiento se instaló en el borde exterior de cada
berma. Total de 660 ánodos y cátodos se han instalado 320. Los ánodos se
hicieron de 6,5-cm de diametro doble extra-fuertes tuberías de acero negro
con un tapón en la punta. Se utilizaron acero de los rieles del ferrocarril en las
proximidades del conducto. Cada cátodo consiste en un electrodo y un bombeo
sistema que entren en un 35,5 cm de diámetro. Los electrodos de cátodo
constaba de 5 cm de diámetro
tubos de acero. La sección esquemática de la instalación se muestra en la
Figura 5. Los ánodos y cátodos se instala a través de agujeros taladrados 40-
cm de diámetro. Para reducir el presión artesiana en la capa de arena inferior,
los cátodos de las bermas se han instalado en la arena capa. Antes de la
represa fuera cerrado, los cátodos de aguas arriba fueron sellados. Las aguas
abajo cátodos se deja abierta para aliviar la presión artesiana en la arena
limosa inferior.
Inicialmente, los generadores de energía se han instalado en la berma de la
corriente. Desafortunadamente, las vibraciones de los generadores aumentó
significativamente el exceso de presión de poro por debajo la presa. Por lo
tanto, se mueve aguas abajo. Había dos de 300 kW, 200 kW diez y dos
generadores de 90 kW utilizado en la operación con capacidades de 11.000 A
a 150 V, 2500 A a 140 V y 950 A a 60 V, respectivamente. Dado que la
potencia era insuficiente para abastecer a 150 V de todas las tiras de
electrodos como se recomienda por L. Casagrande, el tratamiento se llevó a
cabo en varios pasos. El 10 de agosto de 1965, se aplicó energía a la banda
cerca de la cresta bajo el conducto de salida para aliviar la presión de poro en
esta área. El 18 de septiembre, de alimentación continua con 50 a 70 V se
aplica a la tira de aguas abajo. Después de la presión de poro por debajo de
disminución de la berma aguas abajo, el poder se trasladó a la cresta y las tiras
de aguas arriba.
El tratamiento en la cresta de la tira se completó en mayo de 1966. El terraplén
fue levantado a la cresta diseñado (El 1012 pies o El m 308) entre junio y
agosto de 1966.
Los cambios de niveles piezométricos en El 890 pies (271 m El) se muestran
en la Figura 6. Reducción significativa en los niveles de piezometricos se llevó
a cabo durante el proceso de electro-osmótico. En la berma aguas arriba, los
niveles piezométricos en la franja reducida tanto como 6,0 m en un mes cuando
se aplicó 100 V. En la franja de cresta, el nivel piezométrico se redujo con un
promedio de 2,0 m por mes. La tensión en las proximidades de piezómetro 3-
DC varió de
40 a 56 V. El 13 de febrero de 1966, la tensión se incrementó a 150 V que
inducen el aumento de los el nivel piezométrico en la vecindad de los cátodos
en marzo de 1966. Se encontró que el presiones de poro eran muy baja y muy
alta en la vecindad de los ánodos y cátodos, respectivamente. De 30 abril-9
mayo 1966, todo el poder y el bombeo se detiene, el recuperación de los
niveles piezométricos fue relativamente baja. Durante el período del 1 de junio -
5 de agosto, 1966, el terraplén fue levantado de El 995 pies (El 303) a El 1012
pies (El 308). La presion de poro aumento un poco.
Después de retirar el relleno de 4 m de espesor en noviembre de 1964, la tasa
media de asentamiento fue 20 mm por mes. Durante la estabilización electro-
osmótico, la tasa promedio de asentamiento fue de 43 mm por mes, luego
disminuyó a 18 mm por mes. Esto indicó que el tratamiento se aceleró la
consolidación de la fundación. Después de la construcción se completó, el
análisis de estabilidad se llevó a cabo. Un factor de seguridad 1,16 se logró a
partir del análisis en esfuerzos totales. Para el análisis de tensión efectiva,
suponiendo que el ángulo de fricción de 18°, el factor
de la seguridad se calcula como 1,56.
2,2. Estabilización de talud por electro-ósmosis (Wade, 1976)
El Canal Kootenay del proyecto hidroeléctrica se encuentra en el río en el sur
de Kootenay British Columbia, Canadá. El proyecto consiste en una estructura
de canal de toma cerrada cerca de Presa de Corra Linn, un canal de 4,8 km
parcialmente forrado, cámara de carga una y cuatro compuertas de acero de la
superficie partida
hasta la central eléctrica con cuatro unidades de 125 MW. La caída neta en la
operación completa es de unos 75 m. El espesor del depósito varía de 16 m en
el área de cámara de carga a 33 m en el área de la tubería de carga. Este
depósito consistía en limo y limo arcilloso con intercalaciones de arena fina con
un espesor hasta 2 m. En general, el nivel freático se encontraba en torno a
media profundidad de la capa de suelo, con encaramado agua en algunos
lugares. El suelo más problemática era una capa de limo suelta y sensitiva
justo por encima del lecho de roca en toda la zona cámara de carga, tubería de
carga. Este sedimento fue acostado plana con el espesor variable desde 2
hasta 12 m. Las propiedades de los sedimentos sensibles se resumen en la
Tabla 4. En ensayos triaxiales consolidados no drenados, algunas muestras
eran tan suaves que
cayó por sí mismos. El análisis de estabilidad de los taludes de la zona
indicaron que la tubería de carga pendiente tuvo que ser excavada a 3,5:1
(horizontal: vertical) para alcanzar un factor de unidad de seguridad. Por lo
tanto, se decidió aplicar electroósmosis para aumentar la resistencia al corte y
para reducir el contenido de agua del suelo.
La secuencia de instalación del electrodo se muestra en la Figura 7. El diseño
del tratamiento formado por cinco hileras dobles de electrodos instalados a lo
largo de la pendiente tubería y dos dobles filas en la ladera de la cámara de
carga. Cada fila doble consistía en una sola fila de ánodos y una sola fila de
cátodos en un espacio de 3 m. Las filas de ánodo se han instalado cerca de la
superficie pendiente con el fin de inducir fuerza filtración hacia la pendiente. De
cinco centímetros de diámetro de la tubería de acero fue utilizado para los
electrodos. Una carcasa de 30,5 cm se instaló en el cátodo con chorros de
agua. Un tubo eductor (bombeo tubo) y una perforada fueron colocados en la
carcasa. El agujero era lleno de arena. El agua subterránea se bombea desde
el cátodo. El tratamiento electro-osmótico se llevó a cabo en los pasos antes de
la excavación. Los electrodos fueron instalados en el banco primero y el poder
se aplicó durante 7 días. Entonces, el suelo fue excavado con el nivel del
banco de segundo para instalar los electrodos y los pozos de bombeo. La
potencia se aplicó
durante otros 7 días antes de la excavación se procedió al siguiente nivel. La
secuencia era continuó hasta el fondo de la pendiente.
El tratamiento se llevó a cabo durante un período de 9 meses, de septiembre
de 1972 a finales de mayo de 1973. El volumen de limo tratado fue de
aproximadamente 0,4 millones de m3, con el poder consumo de kWh.
Caídas significativas en el nivel piezométrico se observaron en todos los
piezómetros dentro de 3 días después de la tensión se aplicó. Después de 2
semanas del tratamiento,
el nivel freático estaba a menos de 3 m por encima del lecho de roca y se
mantuvo a ese nivel desde entonces. La velocidad de descarga del agua
extraída fue de 270 l / min en las primeras semanas de tratamiento a cerca de
45 l / min antes de que el reproductor se apago. El caudal medio fue de 70 l /
min con el total volumen de agua de 27.000 m3. No hay movimiento del talud
significativa se registró en los marcadores instalado en la superficie del suelo.
Para evaluar la eficacia del tratamiento electro-osmótico, Las muestras fueron
tomadas de pozos y dos profundas fosas fueron excavadas. Las trincheras no
se deformaron durante 3-4 semanas después de la excavación. Voladura de
roca en el área de potencia causada
las vibraciones en el limo. Durante la operación de chorreado, el movimiento
del suelo se midió utilizando un sismógrafo portátil. Las velocidades más
partículas registrados estaba en el intervalo de 5 cm / s, con el valor máximo de
aproximadamente 9 cm / s y una aceleración máxima de 2,8 g. No hay
movimiento de las paredes de la zanja se observó durante este período, lo que
indica que el tratamiento de electro-osmótico
desempeñado un papel importante en la mejora de la resistencia al corte del
suelo.
Debido a problemas operacionales y equipo, el voltaje aplicado varía desde
aproximadamente 95 a 175 V durante el tratamiento. La tensión de 120 V
promedio fue de más de 9 meses. El voltaje variaciones se ilustra en la Figura
8. La caída de tensión significativa se encontró en los electrodos, causadas por
la alta resistencia eléctrica debido a la sequedad excesiva y la base efectos de
cambio. Después de que el talud fue cortado y cubierto por rocas de relleno, la
filtración de las aguas subterráneas
se midió en el pie de la pendiente. El caudal máximo era aproximadamente 23 l
/ min ocurriendo durante la primavera. Consolidada-no drenada (CU) ensayos
triaxiales se realizaron en muestras de tomado de las trincheras de prueba. Los
resultados mostraron que el ángulo de fricción residual del limo aumentó de 27-
32 a 35 ° después del tratamiento.
2,3. Electro-osmosis aplicado a un terraplén inestable (Chappell y Burton,
1975)
Un muelle con una capacidad de manejo de un buque de 400.000 toneladas de
peso muerto, fue construido en Singapur. El muelle se encuentra en parte en
alta mar detrás de una ataguía celular de gran tamaño. Un terraplén de 8 m de
alto y 60m de largo fue construido en la zona de la costa, que fue llenado por
limo vertiendo dragado del fondo marino en el agua. La inestabilidad desarrolló
en el terraplén durante la deshidratación de la ataguía, incluyendo grandes
grietas longitudinales apareció en el
pendiente. Las propiedades del suelo del subsuelo se muestran en la Tabla 5.
La inestabilidad fue causada principalmente por la suspensión de sedimentos
de baja permeabilidad ( cm/s). Para estabilizar el talud, las
tablaestacas se han instalado a través de la cresta para reducir las filtraciones
y la punta para reducir la movimiento del terraplén, como se muestra en la
Figura 9. Sin embargo, ambos enfoques no podía detener el movimiento. Por lo
tanto, se decidió aplicar electro-osmótico estabilización.
El consumo de energía es una cuestión principal en el análisis de viabilidad del
tratamiento electroosmótico. Se tenía la impresión de que los consumos de
energía para el tratamiento electro-osmótico eran relativamente elevados. Sin
embargo, hay que reconocer que el poderconsumo está relacionada con la
conductividad eléctrica del suelo. En el sudeste de Asia, el contenido de sal en
limos y arcillas está típicamente en el rango de 3-5%, en comparación con no
más de 1% como informó que en algunos casos en Europa y América del
Norte. Por lo tanto, el consumo de energía para el suelo en esta región podría
ser mucho menor debido a la mayor conductividad eléctrica del suelo.
Antes de tratar el terraplén, una prueba de campo ensayo fue realizado con el
propósito de estudio preliminar. Se estima que una tasa mínima deshidratación
de 140 l / día era suficiente para secar el limo y retirar el agua se filtre en el
suelo. Los electrodos fueron espaciados 3 m aparte. La profundidad de
estabilización fue de 5 m (16,5 pies) para incluir el terraplén y parte de la
cimentacion. El voltaje aplicado fue de 90 V. La permeabilidad de electro-
osmótico, Ke, se midió como 0,5x10-4 cm/sV. Un flujo aproximado de 180 l/día
fue obtenido. En la prueba de campo, se perforó agujeros de 10 cm de
diámetro a una profundidad de 5 m para ánodos y cátodos de diámetro de 2,5
cm
hechos de barras de refuerzo. El espaciamiento entre los electrodos fue
3 m. Un generador de soldadura portátil se utiliza como una fuente de
alimentación para suministrar un voltaje de 40 V y una corriente de 25-30 A. El
tratamiento se hizo funcionar durante 24 h, y la tasa de extracción de agua fue
de 550 l / día. Debido a que la tasa de flujo fue de aproximadamente cuatro
veces mayor que el valor de diseño,
la distancia entre el ánodo y el cátodo se incrementó.
Después de la eficiencia del tratamiento de electro-osmótico fue demostrado
por la prueba de campo , la disposición de electrodos adoptado con un patrón
de 4-6 ánodos en un semicírculo que rodea un centro cátodo en un radio de 12
m. El diseño de la disposición de electrodos se muestra en la Figura 10. Cuatro
grupos de electrodos fueron instalados. Debido a la limitación de la fuente de
alimentación, sólo
dos grupos podría ser operado al mismo tiempo. Estos pares fueron operados
alternativamente en intervalos de 1 día en las primeras etapas. Cuando el
movimiento de terraplen era más lento, el intervalo se cambió a 3 días. Se
encontró que se emitia gas hidrógeno en el cátodo cuando se extrae agua a la
superficie, a pesar de que no había dren de arena o tubería de plástico
Después de 9 días del tratamiento electro-osmótico, el movimiento del terraplén
reducido de hasta 1 m /día a menos de 1 cm/día. Como tabulan en la Tabla 5,
la resistencia al corte de suelo tratado es más del doble y el contenido de agua
disminuye de manera significativa. Se encontró que el suelo que rodea el
ánodo se endureció irreversible debido al proceso electroquímica. El consumo
de energía fue solamente de 0,5 kWh/m3 del suelo, que fue relativamente baja.
2,4. Prueba de campo de la electro-osmótico fortalecimiento de la arcilla
blanda sensible (Lo et al, 1991.; Lo y Ho, 1991)
Una prueba de campo se llevó a cabo en julio-agosto de 1989 para evaluar la
eficacia de la estabilización electroosmótico en una arcilla blanda sensible en
Valle de Ottawa, Canadá. El arcilla del mar de Champlain en esta región es
bien conocido por su alta sensibilidad (Quigley, 1980). muchos deslizamientos
de tierra han ocurrido en esta área. El sitio se encuentra a 21 km al sureste de
Ottawa, Gloucester es un relleno de pruebas situado en Canadá Fuerzas
Estación (SFC) en el que un terraplén de prueba fue
construido en 1967. Las propiedades del suelo se presentan en la Tabla 7. Las
pruebas de corte de veleta in situ las y las pruebas de contenido de humedad
se realizaron antes del tratamiento. El contenido promedio de humedad fue del
80%. El índice de liquidez fue, obviamente, sobre la unidad. La resistencia al
corte remoldeados fue prácticamente cero, pronunciandose una sensibilidad
muy alta. El suelo blando se trató de las profundidades de 1,5 a 5,5 m, donde la
resistencia al corte de veleta fue inferior a 20 kPa.
El detalle de los electrodos se muestra en la Figura 15. Un tubo de cobre de
60,3 mm de diámetro y fue utilizado como el electrodo. El electrodo fue
diseñado en la forma en que el agua podía fluir a través el propio electrodo. Por
lo tanto, el tubo fue perforado con el zapato de acero en forma de cono para
facilitar penetración. La parte superior 1,22 m de la corteza se considera de
conductividad relativa. Para evitar cortocircuitos, el electrodo estaba aislado en
la parte superior, y para evitar cortocircuitos debido a
las lluvias y las inundaciones, la parte superior de 0,3 m estaba aislado
también. No fue perforado en el agujero en la porción de aislamiento . El
electrodo se introduce en el suelo por una plataforma de perforación. Durante
la instalación de los electrodos,
de arcilla se convirtió en lodo y lleno los electrodos. Los electrodos fueron
limpiadas por lavado con agua. Los instrumentos fueron instalados para medir
el asentamiento, resistencia al corte de veleta, distribución de la tensión
durante el tratamiento
.
El diseño de la instalación del electrodo se muestra en la Figura 16. Nueve
electrodos fueron instalados. En un principio, la fila A y la fila C fueron anódica
(positiva), mientras que la línea B era catódica (negativo). La polaridad se
invirtió a mitad del período de tratamiento. La instalación se completó en 2
semanas. El tratamiento se inició el 24 de julio de 1989, y completado el 25 de
agosto de 1989, que duró 32 días. La polaridad inicial se prolongó durante 17
días, y luego
la polaridad invertida se mantuvo durante 15 días. Inicialmente, un voltaje de 25
V se aplica. Debido a un aumento de la resistencia eléctrica del suelo, la
corriente disminuyó posteriormente. El voltaje se ajusta periódicamente para
mantener la corriente de 40 A. Aproximadamente 50 minutos después el
tratamiento, el agua comenzó a fluir de los cátodos. También fueron observado
burbujas de gas hidrógeno. Antes del tratamiento, el ánodo se llenó con agua,
pero el agua no se encontró durante
el tratamiento.
Los registros de asentamiento del terreno se muestran en la Figura 17. El
máximo asentamiento fue en el día 18 con 62 mm. En el cátodo, un red de
oleaje vertical antes de la inversión de polaridad era de 18 mm registrada en el
indicador S4 . El oleaje reducido a acuerdo después de la inversión de
polaridad, lo que hizo el asentamiento relativamente uniforme. Puesto que la
polaridad se invierte en el día 18, no significativo asentamientos aparecieron. Al
final del tratamiento, la solución fue 38-68 mm, con un promedio solución de 51
mm. Las variaciones de la resistencia al corte en diferentes lugares se
muestran en las Figuras 18 y 19. La resistencia al corte se incrementó
significativamente el plazo de 32 días. A mitad de camino entre un par de
electrodos de espaciamiento 3,05 m, la resistencia al esfuerzo cortante
promedio fue de 50% y que de 6,1 m de separación fue del 36%. Aunque las
aplicaciones anteriores se informó que el centro de la cuadrícula estuvo
inactivo por un tratamiento electro-osmótico, esta prueba de campo demostró
que con el electrodo de diseño mejorado la resistencia al corte en la zona
inactiva puede ser eficientemente mejorado. Se encontró que en los centros de
3,05 y 6,1 m rejillas cuadrados, la resistencia al corte promedio del suelo
después del tratamiento aumento a 24% y 23%, respectivamente. Un aumento
rápido en la resistencia al corte se produjo en el espaciamiento de 3,05 m
electrodo con 16% de aumento en el día 3. Bjerrum et al. (1967) informaron
que el tratamiento de una masa de suelo era no uniforme y que no se se
incrementa la resistencia al corte en las proximidades del cátodo. Sin embargo,
como se muestra en la Figura 18, el
inversión de la polaridad mejorar la uniformidad de aumento de resistencia al
corte. Cuando la polaridad era invertida, resistencia al corte aumentó de nuevo
como se muestra en la Figura 19.
Para investigar los efectos a largo plazo, las pruebas de corte de veleta se
llevaron a cabo 43 días y 10 meses después del tratamiento. No corte se
observó reducción de la resistencia al corte. La mejora de la resistencia al
corte tiende a ser permanente. Los perfiles de resistencia al corte en esta
prueba de campo fueron diferentes de los reportados por Bjerrum et al. (1967),
que embebido el electrodo hasta 9,6 m,
pero la resistencia al corte del suelo por debajo de una profundidad de 6 m no
se ha mejorado. El gas en la parte inferior parte no podría ser liberado a la
atmósfera. La acumulación de gas disminuye la eficiencia del tratamiento. Sin
embargo, con electrodos perforados, esta prueba de campo resultó en aumento
de la resistencia al corte a lo largo de las profundidades de electrodos.
De acuerdo con el registro de variación de voltaje, la caída de tensión en las
proximidades del ánodo fue alta, mientras que el voltaje gradualmente se
redujo a la mitad entre los electrodos. Este indica que el consumo de energía
en la vecindad de un ánodo es relativamente alto. El consumo de energía total
fue de 2136 kWh, aproximadamente el 1% del coste total del proyecto de
tratamiento.
Vale la pena señalar que no se requiere el bombeo de agua extraída. Esto es
ventajoso
en términos de ahorro de energía. Teniendo en cuenta el aumento de la
resistencia al corte y el consumo de energía, este proyecto fue eficiente y
económica.
Para investigar el cambio en las propiedades geotécnicas, dos pozos fueron
perforados y 127 mm de diámetro de tubo Osterberg, muestras fueron
recuperados después del tratamiento hasta una profundidad de 6 m. Los pozos
de sondeo (EOS1 y EOS2) estaban en la mitad de camino entre los electrodos
de 3,05 y 6,1 m
espaciamiento. El tratamiento se interrumpió el 25 de agosto de 1989. Las
muestras fueron recuperados a mediados de Octubre o alrededor de 11.2
meses de suspender el tratamiento. La disminución en el contenido de agua es
bastante uniforme con la profundidad. El contenido de agua disminuye
aproximadamente 10%. El cambio en la sensibilidad fue encuentra entre las
profundidades de 3,5 y 5 m. Se redujo de 100 a alrededor de 60. El cambio en
el comportamiento al corte de la arcilla se ilustra en la Figura 20. Ensayos
triaxiales CU con medición de presión de poro se realizaron sobre muestras de
suelo entre 3 y 4 m de profundidad. Las envolventes de falla en esfuerzos
efectivos para el esfuerzo medio menor se expande significativamente debido a
un aumento de la presión de preconsolidación. En el esfuerzo medio mayor, las
envolventes de falla de pre- y post-tratamiento de muestras son fusionado en
una línea recta. Pruebas de consolidación Unidimensionales se llevaron a cabo
sobre las muestras
a profundidades de entre 2,5 y 4,5 m. Los resultados de las pruebas de
consolidación unidimensionales se muestran en la Figura 21. Después del
tratamiento, relación de vacios se redujo sustancialmente con un aumento de la
presiónde preconsolidación. En 2,5 m de profundidad, la presión pre aumentó
hasta 50% y 30% para EOS1 y EOS2, respectivamente. A 4,5 m de
profundidad, la presión de preconsolidación
aumentó hasta 85-70%, respectivamente. Se concluyó que la resistencia al
corte mejorada por proceso electro-osmótico es permanente debido al aumento
de presión de preconsolidacion.
Algunos efectos sobre las propiedades físicas y químicas se investigaron
también. Se encontró que los límites líquidos aumentó a un promedio de 50%,
mientras que el aumento del límite plástico fue insignificante. En consecuencia,
el aumento del indice plástico alrededor del 8%. La salinidad del suelo después
de
tratamiento aumentó desde un valor inicial de 1.3-2.18 g / l, o aproximadamente
70% de aumento. El pH de agua expulsada desde el cátodo se ensayó
inmediatamente en el campo. El pH rápidamente aumentado en 1 día después
de iniciar el tratamiento. El valor aumenta con el incremento del potencial
aplicado . Después de la inversión de polaridad, el pH se redujo a 7,5 y luego
aumenta gradualmente a 10.5 antes de la interrupción del tratamiento.
3. CONCLUSIONES
Los casos historicos demuestran que el tratamiento de electro-osmótico es una
técnica de estabilización de vital importancia, con costo efectivo para arcilla
limosa blanda y de limo arcilloso blando. Esta se pueden adoptar para muchas
aplicaciones de ingeniería geotécnica en la estabilización y el reforzamiento de
una presa, terraplen, cimentacion y taludes. El proceso electro-osmótico induce
cambios en las propiedades físicas y químicas del suelo. El tratamiento se
extrae agua del suelo e induce la presión de poro negativa, lo que resulta en
asentamiento por consolidación y disminución del contenido de agua. La
reacción electroquímica aumenta el límite líquido, produce
cementación y la sensibilidad disminuye. La eficacia del tratamiento puede ser
mejorar el diseño adecuado de los electrodos y por el esquema de polaridad
eléctrica. Con un adecuado diseño de los electrodos, el suelo se refuerza en
toda la profundidad de los electrodos.
El aumento más significativo en la resistencia al corte se produce en la
vecindad de los ánodos. Con inversión de polaridad, un aumento de la
resistencia al corte es más uniforme a través de los electrodos. La mejora de la
resistencia al corte es permanente debido a un aumento significativo de
preconsolidación presión y el cambio en las propiedades del suelo inherentes.
Con un mayor desarrollo,
la estabilización de electro-osmótico debe dar contribución significativa a la
ingeniería geotécnica.
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