Научная статья на тему 'Производство набивных свай и анкеров с использованием электрических импульсных разрядов'

Производство набивных свай и анкеров с использованием электрических импульсных разрядов Текст научной статьи по специальности «Технология производства строительных материалов и изделий»

CC BY
746
72
Поделиться

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Курец В. И., Юшков А. Ю.

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.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Курец В.И., Юшков А.Ю.,

Production of filling piles and anchors using electric pulse discharge

The paper considers pulse estimation technique and influencing results of impulse load on the ground and concrete at electrohydraulic method of filling piles production. Estimation results satisfactory coincide with the data obtained during the experiment.

Текст научной работы на тему «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......... - (1)

I = 0,04• 4[ьС,[м] л/Л

(2)

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-(-в) •&• [Т-/], (3)

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

(4)

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^> .

(5)

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

(6)

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

(7)

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 '

(8)

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

0,7 • Рт • г

АЯ =■

Е • N

(9)

где N - порядковый номер приложенного импульса.

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

(>0)

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-