Производство набивных свай и анкеров с использованием электрических импульсных разрядов

УДК 624.15

ПРОИЗВОДСТВО НАБИВНЫХ СВАЙ И АНКЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ

В.И. Курец, А.Ю. Юшков

НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета,

E-mail: kuretz@hvd.tpu.ru

Изложена методика расчета параметров импульса и результатов воздействия ударных нагрузок на грунт и бетонный раствор при электрогидравлическом способе изготовления свай. Результаты расчетов удовлетворительно совпадают с данными, полученными экспериментально.

Использование свайных фундаментов в строительстве определяется их высокой несущей способностью, технологичностью и экономической эффективностью. Наиболее широко применяются забивные сваи, которые изготовляются на предприятиях стройиндустрии и погружаются в грунт различными способами. Однако, применение забивных сваи в ряде случаев не целесообразно или практически невозможно. К таким случаям относятся: сооружение фундаментов на площадках со сложными геотехническими условиями строительства, вблизи существующих зданий и сооружений, в которых могут возникнуть недопустимые деформации элементов несущих конструкций, или при различных ремонтных работах в стесненных по высоте помещениях и др. Особенно надо отметить работы по укреплению фундаментов при реконструкции и ремонте зданий и сооружений, где использование забивных свай практически невозможно, например, при реконструкции ветхого жилого фонда, общая доля которого в стране значительна. В указанных случаях используют набивные сваи, которые изготавливают непосредственно на строительной площадке. Все виды таких свай (буронабивные, набивные, инъекционные и др.) имеют основной недостаток, который связан с их качеством. Учитывая постоянный рост объема использования набивных свай в строительстве, разработка методов улучшения их качества является актуальной проблемой. Одним из наиболее перспективных методов улучшения качества набивных свай является электрогидравлический способ [1], который позволяет формировать геометрию сваи (уширение ее в основании и по длине, уплотнение грунта под пятой сваи и по боковой поверхности) и, соответственно, значительно увеличивать ее несущею способность. Сваи, изготовленные таким способом, получили название электронабивных свай.

Основной проблемой электрогидравлического способа создания набивных свай является формирование сквозного локального канала разряда в бетонном растворе с относительно высокой удельной электропроводностью (о~10-3 Ом-1см-1). В настоящее время практически все установки для создания электро-набивных свай обеспечивают «тепловую» форму пробоя рабочего промежутка с образованием парогазового чехла в межэлектродном промежутке. Далее происходит электрический пробой парогазовой си-

стемы с образованием локального канала разряда. При этом, большая часть энергии импульса затрачивается на образование парогазового чехла. Кроме того, наличие газовой фазы в растворе приводит к значительной диссипации энергии ударной волны и импульсов давления от парогазовой полости, в которую вырождается канал разряда после окончания электрических процессов в нем. Для компенсации потерь, связанных с образованием парогазовой системы, энергию приложенного импульса увеличивают до уровня ~100 кДж. Высокий уровень энергии в импульсе приводит к соответствующему увеличению массогабаритных характеристик источника импульсов, а также к резкому сокращению срока службы электродных систем. В особенности это относится к изолятору потенциального электрода, находящемуся в условиях совместного воздействия высокого напряжения и мощных ударных нагрузок. Указанные недостатки способа производства электронабивных свай могут быть устранены при переходе от «теплового» способа формирования локального канала разряда к «электротепловому». Это позволяет существенно уменьшить непроизводительные потери энергии при изготовлении свай и, соответственно, на порядок снизить запасаемую в источнике импульсов энергию.

Ключевым моментом для организации «элек-тротеплового» пробоя разрядного промежутка является выбор требуемых параметров генератора импульсов и размеров рабочего промежутка, которые обеспечивали бы уменьшение потерь в предпробив-ной стадии развития разряда при сохранении необходимых ударных нагрузок в бетонном растворе и в окружающем грунте. Основными параметрами, определяющими процессы в электрогидравли-ческой технологии, является: амплитуда импульса напряжения и0, энергия запасаемая в генераторе W0, индуктивность Ь и разрядная емкость С рабочего контура, а также длина рабочего промежутка между потенциальным и заземленным электродами /0. Амплитуда высоковольтного импульса и0 определяется условием обеспечения «электротеплового» характера пробоя рабочего промежутка, а ее максимально допустимая величина ограничена надежностью работы изоляции вблизи разрядного промежутка. Известно [2], что минимальный уровень напряжения, обеспечивающий «электротепловой» характер пробоя жидкостей при известных характерных размерах диаметра сваи, составляет ~30 кВ. Та-

ким образом, рекомендуемый уровень амплитуды высоковольтного импульса следует выбирать равным этому значению амплитуды импульса.

Наиболее эффективной конфигурацией электродной системы является «стержень-плоскость». Расчет оптимальной длины рабочего промежутка такой электродной системы при известной амплитуде напряжения можно осуществить с использованием выражения [3]:

и......... -

I = 0,04• 4[ьС,[м] л/Л

где р - плотность бетонного раствора; у - показатель адиабаты (для бетона />1,26); т~2пЬС- длительность периода колебаний разрядного тока в контуре, - потери энергии на стадии формирова-

ния локального канала разряда, п - КПД разрядной цепи. Величина емкости С определяется необходимой энергией импульса, а индуктивность Ь конструкцией генератора, индуктивностью конденсаторов и длиной передающего импульс тракта. В условиях создания электронабивных свай длиной до 10 м возможно добиться значения Ь*10...15 мкГн.

По величине максимального давления в канале разряда Рт, и известном расстоянии от канала разряда Я до конкретной точки можно определить амплитуду давления на фронте ударной волны РД/) в этой точке [6]:

Рф (Г) * 0,06Рт

ехр-

где и0 - амплитуда напряжения [В],

Л=2,5.104 [(В2.с)/м] - искровая постоянная [2], Ь [Гн], С [Ф] - индуктивность и емкость разрядного контура.

При и0=30 кВ, Ь=15 мкГн, С=10 мкФ оптимальное значение /0 составляет величину приблизительно равную 30 мм. Указанное значение длины рабочего промежутка является оптимальным, поскольку обеспечивает как необходимую напряженность поля у потенциального электрода, при которой реализуется «электротепловой» характер пробоя бетонного раствора, так и деление энергии импульса между энергией ударной волны и энергией парогазовой полости (ПГП) в пропорции 1:1. Здесь следует отметить, что несмотря на то, что в настоящее время, соотношение вкладов ударных волн и давления при расширении ПГП в процесс увеличения диаметра скважины, однозначно не определены [4, 5], мы придерживаемся модели, в которой роль этих двух процессов одинаково важны. По нашим представлениям, ударная волна создает в окружающем скважину грунте напряженное состояние, приводящее к разрушению его структуры, а давление от ПГП обеспечивает заполнение бетоном ослабленной зоны.

Для выбора оптимальной энергии единичного импульса необходимо установить связь между параметрами импульса и давлением в канале разряда Рт, которое определяет все динамические характеристики в рассматриваемой системе. Величину Рт можно приблизительно определить согласно выражению [3]:

где /=Я/а0 - текущее время, а0 - скорость звука в бетонном растворе (приблизительно 1500 м/с), в - характерное время уменьшения функции РД/) в е - раз, ст[7—] - разрывная функция, определяющая бросок давления при подходе фронта ударной волны к точке Д.

На границе раздела сред бетонный раствор-грунт ударная волна разделяется на две составляющие: отраженную и преломленную. Амплитуду давления в преломленной волне можно оценить как [6]:

Р ~ Р

2Х

где Х - акустическая жесткость бетонного раствора; Х - акустическая жесткость грунта.

Динамика ПГП и поле давлений в окружающей жидкой среде достаточно хорошо изучена [7]. Распределение давления Рт в зависимости от расстояния определяется выражением:

Рт

Ъу

- Р - Р

1 0 1ст^> .

где Р0 - атмосферное давление, Ртб - гидростатическое давление столба бетонного раствора, г - средний радиус ПГП на стадии расширения, Рт - максимальное начальное давление в ПГП, Я - текущий радиус, г0 - радиус канала разряда перед его расширением за счет испарений стенки канала разряда.

Принимая г=0,1 мм, а г/г0*0,2...0,25, выражение (5) можно представить в виде:

0,2

Р =Р - Р - Р

Я 2Я ст

Система уравнений (2-4, 6) позволяет рассчитать величины давлений на стенках скважины как функции параметров контура, энергии импульса и текущего расстояния. Для оценки увеличения диаметра скважины можно воспользоваться выражением для модуля сжимаемости грунта Е, которое используется при испытании грунтов методом штампа [8]:

Е = (1 - и2) •а • d•АР, Ап

где и - коэффициент Пуассона (и~0,3); а - безразмерный коэффициент, принимаемый 0,8; й - диаметр штампа, см; АР - приращение давления на прямолинейном участке зависимости осадки грунта от нагрузки, Па; АН - глубина осадки грунта, см.

В рассматриваемом случае поверхность «штампа» представляет собой цилиндр с высотой, равной длине канала разряда /0, и радиусом, определяемым как расстояние от канала разряда до границы «бетон-грунт» Д, который дискретно изменяется после подачи импульса по мере расширения ствола скважины за счет приложенных ударных нагрузок. При таком подходе

поверхность «штампа», после приложения к разрядному промежутку /-го импульса, составит 8=2п-Д-/0, а после ( /+1) импульса - ^+1=2п(Д+АД).10, где АД -увеличение текущего радиуса скважины под действием давления от ПГП, которое можно определить из выражения (6), считая, что (гРт/2Д)>>Р0*, где г - радиус канала разряда. В этом случае выражение (7) можно представить в виде:

0,5 • (1 -и2) •а • 2п • Я • I • г • Рт =

Е = -

2п • I • Я •АЯ1

(1 -и2)• а • Рт • г АЯ '

Тогда, с учетом всех численных коэффициен тов, увеличение радиуса скважины от -го импуль са можно оценить как:

0,7 • Рт • г

АЯ =

Е • N

где N - порядковый номер приложенного импульса.

Общее изменение радиуса скважины при приложении N импульсов может быть рассчитано как сумма последовательных изменений от каждого импульса:

Использование выражения (10) при известном давлении в канале разряда возможно при определении модуля сжимаемости грунта (Е *), т.е. с учетом предварительного разрушения скелета грунта за счет ударной волны. Следует отметить, что вопрос выбора модуля сжимаемости требует отдельного рассмотрения, т.к. глубина и предварительное разупрочнение скелета грунта ударной волной изменяют его значение. Для песков с влажностью 7...10 % можно принять Е **1,5.107 Па [8]. Таким образом, задав требуемое изменение радиуса скважины, свойства грунта и используя практически не изменяемые параметры разрядного контура (П0, Ь, /0), возможно определить величину Рт, а затем по выражению (2), определить необходимую энергию импульса.

Расчеты для песчаного не водонасыщенного грунта показали, что возможно изменение радиуса скважины диаметром 10 см на глубине 6...7 м в два раза при подаче 6 импульсов с энергией 4,5...5 кДж. Расчетные значения увеличения АД при указанных выше параметрах представлены в таблице.

Таблица. Расчетные значения изменения АД, от числа импульсов

N 1 2 3 4 5 6

АД, см 1,86 0,93 0,62 0,46 0,37 0,31

Для проверки корректности предложенной выше методике расчета были проведены эксперименты по созданию электронабивных свай на специальном стенде. Стенд был оборудован датчиками давле-

ния для имитации глубины погружения сваи и маркерами, позволяющими оценивать изменение диаметра скважины. Генератором импульсов являлся генератор импульсных токов с выходным напряжением импульса 30 кВ и энергией в импульсе 4,5 кДж. В качестве грунта использовался песок с влажностью 9 %, который утрамбовывался послойно, а сверху прикладывалось давление, имитирующее глубину скважины в 7 м. Бетонную смесь изготавливали из цемента, воды, песка и гелеобразующей добавки для связывания воды. В качестве вяжущего использовали цемент Топкинского завода (Россия) марки М400, Водоцементное соотношение составляло 0,6...0,7, количество добавки для связывания воды составляло 0,02 % от объема бетонного раствора, соотношения цемент песок составляло 1/3.

Экспериментальны проводились в следующей последовательности: в подготовленный грунт с отверстием, иммитирующем скважину, заливалась бетонная смесь и опускался рабочий снаряд, на который подавался импульс, затем по положению маркеров определялось изменение формы бетонного столба, добавлялся бетонный раствор и процесс повторялся. После обработки, полученная свая затвердевала в течении семи суток, затем извлекалась из грунта.

Как следует из представленных результатов, электронабивная свая в зоне обработки увеличилась в диаметре приблизительно в 2 раза по сравнению с контрольной, что должно несомненно привести к увеличению ее несущей способности. Следует отметить удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных значений изменения радиуса скважины при ее обработке электрическими разрядами, что является подтверждение корректности использования предложенной в настоящей статье методики проведения расчета параметров генератора импульсов для оценок изменения диаметра электро-набивных свай в процессе их изготовления.

В качестве заключения к настоящей статье можно сделать следующие выводы:

1. Предложена методика расчета параметров импульса и результатов воздействия ударных нагрузок на грунт и бетонный раствор при элек-трогидравлическом способе изготовления свай. Результаты расчетов удовлетворительно совпадают с данными, полученными экспериментально. Методика расчета может быть применена для оценок воздействия в других электроги-дравлических процессах с использованием разрядов в несжимаемых жидких средах.

2. В результате оптимизации параметров электро-гидравлической установки возможно существенное уменьшение энергии импульса по сравнению со значением энергии в импульсе, в используемых в настоящее время установках для создания электронабивных свай, при сохранении тех же несущих характеристиках сваи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балохин Б.В., Джантимиров Х.А. Новые электроразрядные технологии в геотехническом строительстве // Основания, фундаменты и механика грунта. - 1998. - № 4, 5. - С. 47-52.

2. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986. - 206 с.

3. Круглицкий Н.Н., Горовенко Г.Г., Малюшевский П.П. Физико-химическая механика дисперсных систем в сильных импульсных полях. - Киев: Наукова думка, 1983. - 192 с.

4. Семушкина А.А. Экспериментальное обоснование основных параметров технологического процесса импульсного уплотне-

ния водонасыщенных грунтов при строительстве. Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1968. - 151 с.

5. Хлюпина Л.П. Физические процессы в песчаных водонасыщенных грунтах при высоковольтных разрядах. Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1967. - 163 с.

6. Яковлев Ю.С. Гидродинамика взрыва. - Л.: Госсудиздат, 1961.

- 313 с.

7. Наугольных К.А., Рой М.А. Электрический разряд в воде. -М.: Наука, 1971. - 155 с.

8. Метелюк Н.С., Шишко А.Б., Соловьева А.Б., Грузинцев В.В. Сваи и свайные фундаменты. - Киев: Будевельник, 1977. - 256 с.

УДК 537.52

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛЬНОТОЧНОГО КОММУТАТОРА

А.Н. Григорьев1-2, А.В. Павленко2, А.П. Ильин1, Е.И. Карнаухов2

'НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета E-mail: alex_nick@mail.ru 2РФЯЦ - Всероссийский НИИ технической физики им. акад. Е.И. Забабахина, г. Снежинск

Экспериментально исследовались влияние зарядного напряжения и индуктивности нагрузки на характеристики коммутатора, работающего на принципе пробоя по поверхности диэлектрика. Измерены импеданс, активное сопротивление и индуктивность при различных режимах работы коммутатора. Обнаружено, что для времени 5...18 мкс имеет место квазистационарная стадия разряда, когда индуктивность и активное сопротивление коммутатора постоянны.

Введение

При разработке современных электрофизических установок возникает необходимость проведения их предварительного исследования, учитывающего физические процессы, которые протекают в накопителе энергии, коммутаторе и нагрузке. Для этого нужны детальные сведения о количественных характеристиках этих процессов. Такие исследования становятся особенно актуальными в настоящее время, когда параметры установок приближаются к предельным, и требования к качественным и количественным характеристикам электрофизических установок резко возрастают. Коммутатор является ключевым элементом, в том плане, что обеспечивает возникновение и существование самого процесса ввода энергии в нагрузку.

Повышение скорости ввода энергии в нагрузку вынуждает предпринимать попытки сведения к минимуму индуктивности и активного сопротивления всего разрядного контура. При этом вклад индуктивности коммутирующего разрядника в индуктивность контура может достигать 40 %, а энерговыделение в коммутаторе к моменту времени /=Т/4 (первому максимуму тока) - величины порядка 30 % от общего запаса конденсаторной батареи [1]. Таким образом, коммутатор, с одной стороны, уменьшает амплитуду тока в нагрузке, а, с другой, снижает КПД передачи энергии из емкостного накопителя в нагрузку. Первая и вторая проблемы тесно связаны между собой.

Любой коммутатор (разрядник) обладает характерным для него временем коммутации - зависимостью напряжения на коммутаторе Uk(t) или сопротивления коммутатора Rk(t) от времени [2]. Эту зависимость принято называть характеристикой коммутации. Как было показано [2], эта характеристика определяется как типом самого коммутатора, так и протекающим через коммутатор током I(t), т.е. Uk(t) зависит от зарядного напряжения накопителя U0 и импеданса Z„ нагрузки.

Низкоиндуктивные многоискровые разрядники, работающие на принципе пробоя по поверхности диэлектрика [3, 4], часто используются при построении сильноточных генераторов тока. В процессе включения их сопротивление заметно изменяется, проходя область интенсивного поглощения энергии из контура.

На практике наиболее простыми способами регулирования скорости ввода энергии является изменение индуктивности контура и изменение зарядного напряжения конденсаторной батареи. При этом изменяются характеристики коммутатора, и наиболее надежные данные по энерговводу в нагрузку можно получить только из осциллограмм тока и напряжения на нагрузке. Поэтому, необходимо знать, каким образом изменяются характеристики коммутатора с изменением запасенной в накопителе энергии и импеданса нагрузки.

Перечисленные ранее [5] особенности развития и существования поверхностного разряда позволя-