CC BY
51
УДК 621.373.14:624.131.384 ББК З244.11:Н654.16
Н С. СОКОЛОВ, С.С. ВИКТОРОВА
РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУРОВОЙ НАБИВНОЙ СВАИ
Ключевые слова: коаксиальный электрод, поверхностный скользящий разряд, буро-инъекционная свая, батарея конденсаторов, сложные грунтовые условия, сваи-ЭРТ.
Разработанное авторами разрядное устройство, являясь оригинальной конструкцией в качестве излучателя высоковольтной электрической энергии от батареи импульсных конденсаторов и оказывая электрогидравлическое воздействие на стенки буровых скважин, способствует формированию буроинъекционной сваи. Внутренний электрод с радиальными прорезями впервые выполнен в виде ступенчатого стержня. ^Ниж^сняя ступень имеет больший диаметр, чем верхняя, а внешний электрод исполнен в виде толстостенной трубы, надетой на верхнюю ступень внутреннего электрода. Устройство, имея практическую значимость, позволяет формировать буровые и буроинъекционные сваи в сложных инженерно-геологических условиях. При этом вследствие возрастающих объемов возведения зданий и сооружений использование устройства будет актуальным.
Безопасная эксплуатация как вновь застраиваемых, так и реконструируемых зданий и сооружений зависит главным образом от надежности выполненного основания.
В современном геотехническом строительстве в качестве основания рассматривается технически целесообразный и экономически обоснованный тип фундамента. Как правило, для случая строительства в сложных инженерно-геологических условиях наиболее предпочтительными являются свайные фундаменты. При этом в качестве предпочтительного типа свай используют буронабивные и буроинъекционные. Следует учесть тот факт, что при строительстве в стесненных условиях в качестве заглубленных конструкций «микросваи» используются буроинъекционные сваи диаметром до 300 мм, формируемые по разрядно-импульсной технологии (сваи-ЭРТ). Эти сваи широко используются: 1) в новом строительстве; 2) при устройстве свайных полей; 3) шпунтовых стенок ограждений котлованов, 4) при реконструкции зданий и сооружений для усиления оснований фундаментов и т.д.
При устройстве буроинъекционных свай-ЭРТ применяют генератор импульсных токов (ГИТ), состоящий из трансформатора и импульсного конденсатора. В качестве рабочего органа используется разрядное устройство - излучатель энергии [2].
Существующие устройства в качестве излучателей [1, 3] обладают рядом недостатков. К ним относятся непостоянство режимов срабатывания и слабое усилие электрогидравлического удара на грунт стенок скважины в среде мелкозернистого бетона.
Они обусловлены тем, что воздействие электрогидравлического удара проявляется в результате ударной силы, вызванной излучателем. Причем ее воздействие ничтожно вследствие негативного воздействия электродинамических сил на плазму, возникающую при пробое зазора между электродами.
Все это ведет к значительным затратам в работе разрядно-импульсной установки, а также к увеличению заряжающего рабочего напряжения и, как результат, - увеличению числа импульсных конденсаторов.
Известные разрядные устройства, представлены в [2] как стенды для исследований образцов и конструкций на электрогидравлическое воздействие сильных магнитных полей и плазмы.
В [1, 3] имеются также стенды для испытаний образцов и макетов на электрогидравлическое воздействие плотной плазмы, в образцах которых применяется метод аккумуляции магнитного потока - «плазменный фокус Филиппова».
Однако такие конструкции не позволяют оказывать ударное объемное направленное воздействие плотной плазмы на изделие с постоянной устойчивостью и повторяемостью процесса.
Разработанное разрядное устройство повышает надежность изготавливаемой сваи-ЭРТ за счет увеличения ее поперечного сечения путем воздействия на мелкозернистый бетон, погружаемый в скважину в радиальном направлении от центра. Для этого устройство запроектировано с возможностью образования скользящего разряда на поверхности изоляции между ускоряющими электродами. Они служат для последовательного ускорения дуговой плазмы между ними и создания электрогидравлического удара в радиальном от центра направлении. В результате возникает ударно-волновое кинетическое воздействие на бетон и на грунт вертикальных стенок буровых скважин.
Эффект увеличения поперечного сечения буроинъекционной сваи-ЭРТ достигается в результате того, что в устройстве для ударного воздействия содержится батарея импульсных конденсаторов. Она присоединена к коммутирующему разрядному устройству с внутренним и внешним коаксиальными электродами с изоляцией между ними в виде радиальных прорезей. Внутренний электрод выполнен в виде переменного устройства, у которого нижняя ступень имеет больший диаметр, чем верхняя. Внешний электрод выполнен в виде толстостенной трубы, надетой на верхнюю ступень внутреннего электрода. Межэлектродный зазор образован нижней торцевой поверхностью наружного электрода и поверхностью ступени внешнего электрода, обращенной к этой торцевой поверхности. Электрическая изоляция имеется по всей наружной поверхности верхней ступени внутреннего электрода.
На рис. 1 приведен алгоритм включения в работу разработанного разрядного устройства, здесь 1 - внутренний коаксиальный кабель, состоящий из двух частей, в нижней части осуществленный в виде раструба; 2 - наружный электрод выполнен в виде толстостенной трубы, надетой на верхнюю ступень внутреннего электрода. Межэлектродный зазор образован нижней торцевой поверхностью внешнего электрода и поверхностью ступени наружного электрода. Он повернут к этой торцевой поверхности. Батарея импульсных разрядных конденсаторов С подсоединена к излучателю Р. Он связан с внутренним и наружным коаксиальными кабелями. Изоляция 3 размещается между электродами и в межэлектродной области 4. Электроды осуществлены с радиальными прорезями 5, а батарея конденсаторов подсоединена к электродам симметрично и аксиально.
Прорези 5, выполненные в электродах, равномерно размещены по окружности. Они делят электроды на 4 части. При этом продольных прорезей может быть выполнено больше - 8, 10 и т.д. Изоляция между электродами прорезей отсутствует. Толщина внешнего трубчатого толстостенного электрода (т.е. путь ускорения дуговой плазмы «а-с», равный участку «в-С») определяется как: 1) функция режимов работы батареи импульсных конденсаторов; 2) скорость ввода энергии в нагрузку производной СЖсо/С, где Жсо -электрическая энергия, запасенная в батарее конденсаторов; t - время разряда.
Нижняя часть внутреннего электрода выполнена в виде раструба с целью облегчения перемещения и внедрения излучателя в мелкозернистую бетонную смесь.
Алгоритм работы разработанной конструкции представлен в та-2 - внешний электрод в виде толстостенной трубы;
3 - изоляция; 4 - межэлектродное пространство; кой последовательности.
5 - продольные прорези; При сбросе энергии батареи
6 - поверхностный скользящий разряд; конденсаторов С через коммути-
7 - дуг°вая плазма рующий разрядник Р разрядное
напряжение прикладывается к межэлектродному промежутку 4. Минимальный электрической прочностью в промежутке 4 обладает участок поверхности изоляции 3, размещенный в этом промежутке. Там и проходит поверхностный скользящий разряд 6. Вследствие наличия радиальных прорезей 5, разделяющих электроды на отдельные участки, скользящий разряд 6 возникает в каждом из секторов электродов одновременно и переходит в дуговую плазму 7. Базовые точки дуги плазмы перемещаются по поверхностям электродов 1 и 2 в зазоре 4 в радиальном направлении.
При протекании разрядного тока I по электродам возникает электродинамическая сила Она ускоряет дуговую плазму 7 за пределы электродной зоны. Усиление происходит за счет «пандеромоторной силы» (по правилу «левой руки»). Для эффективной работы разрядного устройства должно соблюдаться условие, при котором величина пробивного напряжения по поверхности изоляции между точками «а-в» меньше величины пробивного напряжения воздушного промежутка 4 между точками «с-С».
Рис. 1. Разрядное устройство для изготовления набивной сваи: 1 - внутренний коаксиальный электрод;
На основе вышесказанного можно сделать вывод о том, что за счет воздействия электродинамических сил дуговая плазма 7 синхронно ускоряется в направлении объекта воздействия, которым являются мелкозернистый бетон и грунт стенок скважины. Синхронность образования и ускорения дуговой плазмы 7 осуществляется путем обеспечения равных индуктивностей участков межэлектродных промежутков 4, а также выполнения радиальных прорезей, при этом образуется так называемый «индуктивный делитель».
Преобладание какого-либо плазменного образования затруднительно из-за увеличения индуктивности петли этого участка. Тем самым плазма всех участков синхронно и одинаково ускоряется и подходит к крайним участкам межэлектродных промежутков «единым фронтом». Мелкозернистый бетон и грунт стенок буровой скважины подвергаются электродинамическому, кинетическому воздействию за счет усиленной плазмы и действия ударной волны.
Чебоксарское предприятие «ФОРСТ» при устройстве буроинъекционных свай-ЭРТ в свайных полях, свай усиления оснований и фундаментов, закрепления оснований фундаментов, склонов и т.д. использует разрядно-импульс-ную технологию - это взрывообразное преобразование электрической энергии в механическую. При плотности энергии до 150 Дж/м3 в течение долей микросекунд (10-4-10^ с) электрогидравлический удар на стенки скважины, заполненной мелкозернистым бетоном, соответствует статической нагрузке до 200 кПа. При воздействии таких высоких давлений и температур в грунте образуется полость за счет сил гравитации, которая заполняется мелкозернистым бетоном, т.е. возникает уширение («подпятник») на конкретном участке буроинъекционной сваи-ЭРТ. При этом геометрические параметры формы уширения в первом приближении можно принять за сферу. Диаметр и высота «подпятника» зависят от мощности и числа электрогидравлических ударов, а также от пористости и влажности обрабатываемого грунта. Радиус уширения г определяется по максимальному понижению уровня мелкозернистого бетона в скважине от воздействия электрогидравлической обработки.
Схема появления «подпятника» приведена на рис. 2. Со временем диаметр «подпятника» увеличивается.
Следует отметить, что создание уширений («подпятников») следует производить с конкретным шагом по длине свай-ЭРТ, например, при однородной инженерной геологии через 2 м. При слоистом инженерно-геологическом разрезе уширения предпочтительны в зоне конкретных инженерно-геологических элементов, где они наиболее выражены.
Опыт статических испытаний свай-ЭРТ свидетельствует о повышенных значениях несущей способности по грунту по сравнению со сваями-ЭРТ, не имеющими уширений.
Практика проектирования, изготовления и эксплуатации свай-ЭРТ показала их высокую эффективность. Несущая способность их по результатам полевых испытаний статическими нагрузками превышает таковую для свай с одним уширением в 1,5^2,0 раза, с двумя - в 2-2,5 раза по сравнению с
аналогичными показателями буровых свай, выполненных без уширений. Очень серьезные исследования (как лабораторные, так и натурные) под руководством А.Н. Тетиора проводились специалистами лаборатории оснований и фундаментов Уральского института «Промстройинвестпроект» [6]. В результате исследований доказана эффективность применения таких свай (так, если несущую способность сваи без уширений принять за 100%, несущая способность сваи с одним уширением составляет 175%, а сваи с двумя уширениями («подпятника») - 375%), показана работа каждого уширения при нагружении сваи.
Рис. 2. Схема устройства уширения («подпятника») ствола сваи-ЭРТ: 1 - буровая скважина, заполненная мелкозернистым бетоном;
2-4 - зоны уширения, цементации, уплотнения, соответственно;
5 - генератор импульсных токов; 6 - излучатель (разрядное устройство)
ООО НПФ «ФОРСТ» в течение длительного времени занимается проектированием и устройством свай-ЭРТ. Авторами статьи доказано, что сваи с многоместными уширениями обладают повышенной несущей способностью по сравнению с несущей способностью сваи-ЭРТ без «подпятников»1. На рис. 3 приведены графики статических испытаний буроинъекционных свай-ЭРТ на вертикальную сжимающую нагрузку без промежуточных уширений в количестве 2 шт., у которых несущая способность по результатам испытаний составляет: ^ = 910 кН; = 1010 кН, а также буроинъекционных свай с промежуточными уширениями в количестве 2 шт., у которых несущая способность составляет = 1720 кН; ¥Л4 = 1850 кН. Увеличение несущей способности свай-ЭРТ с промежуточным уширением и уширением по пяте составляет п = 1,8-2,0 раза.
1 СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты Актуализированная редакция. М., 2011. 15 с.
130 250 385 520 б 50
920 1055 1190 1325 1460 1595 1 730 1865 2000 Р.кН
■—.
\ N 3
\ \ V
\ \ \ 4 \
\\ \ / N \
\> V N \
\ 2 \ N
N
\
\ N
\
N ч \\
©
а б
Рис. 3. Графики испытаний буроинъекционных свай-ЭРТ на опытной площадке: 1, 2 - без уширений; 3, 4 - с уширениями и над кровлей мелких песков;
6 - инженерно-геологический разрез с вертикальной привязкой сваи-ЭРТ
Таким образом, использование сконструированного разрядного устройства в реальной геотехнической практике позволяет формировать буроинъек-ционные сваи-ЭРТ повышенной несущей способности как в новом строительстве, так и в реконструкции зданий и сооружений.
Литература
1. Лагутин А. С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1988. 192 с.
2. Пат. 2318961 РФ, МПК Е02Б 5/34 (2006.01). Разрядное устройство для изготовления набивной сваи / Соколов Н.С., Таврин В.Ю., Абрамушкин В.А.; патентообладатель Соколов Н.С. № 2005141698/03; заявл. 29.12.2005; опубл. 10.03.2008. Бюл. № 7. 5 с.
3. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применения: пер. с англ. / под ред. Ф. Херлаха. М.: Мир, 1998. 456 с.
4. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об одном методе расчета несущей способности буроинъекционных свай-ЭРТ // ОФМГ. 2015. № 1. С. 10-13.
5. Соколов Н.С., Соколов С.Н., Соколов А.Н. Опыт восстановления аварийного здания Введенского кафедрального собора в г. Чебоксары // Геотехника. 2016. № 1. С. 60-65.
6. Тетиор А.Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для Урала и Тюменской области. Свердловск: Средне-Уральское кн. изд-во, 1971. 85 с.
7. Улицкий В.М. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: АСВ, 1997.
327 с.
СОКОЛОВ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой строительных технологий, геотехники и экономики строительства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ns_sokolov@mail.ru).
ВИКТОРОВА СВЕТЛАНА СТАНИСЛАВОВНА - доцент кафедры строительных технологий, геотехники и экономики строительства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.
N. SOKOLOV, S. VIKTOROVA RESEARCH AND DEVELOPMENT OF DISCHARGING DEVICE TO MANUFACTURE BORED - FILLING PILE
Keywords: coaxial electrode, surface sliding discharge, continuous flight augering pile, capacitor bank, difficult soil conditions, piles-EDT.
The discharging device developed by the authors is of an original design. As a radiator of high-voltage electric energy from a battery of pulse capacitors and providing an electro-hydraulic effect on the walls of boreholes, it facilitates the formation of a flight augering pile. The inner electrode with radial slots is first made in the form ofa stepped rod. The lower stage has a larger diameter than the upper one, and the outer electrode is made in the form of a thick-walled tube, which is put on the upper stage of the inner electrode. The device, having practical significance, makes it possible to arrange bored and flight augering piles in difficult engineering-geological conditions. At the same time, due to the increasing volumes of erection of buildings and structures, the use of the device will be relevant.
References
1. Lagutin A.S., Ozhogin V.I. Sil'nye impul'snye magnitnye polya v fizicheskom eksperimente [The strong impulse magnetic fields in a physical experiment]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988, 192 p.
2. Sokolov N.S., Tavrin V.Yu., Abramushkin V.A. Razryadnoe ustroistvo dlya izgotovleniya nabivnoi svai [The discharge device for manufacture of a filling pile]. Patent RF, no. 2318961, 2008.
3. Herlach F., ed. Strong and Ultrastrong Magnetic Fields and Their Applications. SpringerVerlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1985 (Russ. ed.: Sil'nye i sverkhsil'nye magnitnye polya i ikh primeneniya. Moscow, Mir Publ., 1998, 456 p.).
4. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. Ob odnom metode rascheta nesushchei sposobnosti bu-roin"ektsionnykh svai-ERT [About one method of calculating the load-bearing capacity of flight augering pile-EDT]. OFMG [Bases of foundations and soil mechanics], 2015, no. 1, pp. 10-13.
5. Sokolov N.S., Sokolov S.N., Sokolov A.N. Opyt vosstanovleniya avariinogo zdaniya Vve-denskogo kafedral'nogo sobora v g. Cheboksary [Experience in the restoration of the emergency building of the Vvedensky Cathedral in Cheboksary]. Geotekhnika [Geotechnics], 2016, no. 1, pp. 60-65.
6. Tetior A.N. Progressivnye konstruktsii fundamentov dlya Urala i Tyumenskoi oblasti [Progressive constructions of foundations for the Urals and the Tyumen region]. Sverdlovsk, 1971, 85 p.
7. Ulitskii V.M. Geotekhnicheskoe soprovozhdenie rekonstruktsii gorodov [Geotechnical support of city reconstruction]. Moscow, ASV Publ., 1997, 327 p.
SOKOLOV NIKOLAY - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Department of the Construction Technologies, Geotechnics and Construction Economy, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (ns_sokolov@mail.ru).
VIKTOROVA SVETLANA - Associate Professor, Department of the Construction Technologies, Geotechnics and Construction Economy, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Ссылка на статью: Соколов Н.С., Викторова С.С. Разрядное устройство для изготовления буровой набивной сваи // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 3. - С. 152-158.
