Содержание к диссертации
Введение
Совершенствование способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных грунтах с использованием электрических разрядов
05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.И. Полищук Научный консультант: ^кандидат технических наук, доцент СВ. Ющубе Томск-2005
2 СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. обоснование цели и задач исследований 10
1.1. Электрический разряд как источник механической работы 10
1.2. Применение электроимпульсных технологий при уплотнении ГруНТОВ : 13
1.3. Применение электроимпульсных технологий при устройстве буровых свай 20
1.4. Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований параметров электроимпульсного способа устройства буроинъекционныхсвай 38
2.1. Оборудование, используемое в экспериментах 38
2.2. Методика проведения экспериментов 48
2.2.1. Методика определения энергетических параметров и исследования формирования ствола буроинъекционной сваи при помощи электрических разрядов 48
2.2.2. Методика определения интенсивности обезвоживания материала ствола сваи и его влияния на действие импульсной нагрузки 56
2.3. Выводы по главе 2 60
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования параметров электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах 61
3.1. Энергетические параметры электримпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах 61
3.2. Состав бетонной смеси для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах 73
3.3. Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4. Лабораторные исследования напряженно-деформированного состояния системы буроинъекционная свая - маловлажный песчаный грунт при ее обработке электрическими разрядами 93
4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 94
4.2. Напряженно-деформированное состояние формируемой системы буроинъекционная свая — маловлажный песчаный грунт при действии разрядов в бетонной смеси 95
4.3. Влияние энергетических параметров электрического разряда на напряженно-деформированное состояние формируемой системы буроинъекционная свая — грунт основания при действии разрядов в бетонной смеси 107
4.3.1. Распределение деформаций 107
4.3.2. Распределение напряжений 115
4.4. Анализ действия импульсной нагрузки на формируемую систему буроинъекционная свая - маловлажный песчаный грунт при обработке бетонной смеси электрическими разрядами 126
4.5. Выводы по главе 4 133
ГЛАВА 5. Практическое применение результатов исследования : 135
5.1. Определение геометрических размеров поперечного сечения свай, устраиваемых электроимпульсным способом 135
5.2. Определение несущей способности буроинъекционной сваи, устраиваемой электроимпульсным способом 141
5.3. Выводы по главе 5 146
Заключение 147
Список литературы
- Применение электроимпульсных технологий при уплотнении ГруНТОВ
- Методика определения энергетических параметров и исследования формирования ствола буроинъекционной сваи при помощи электрических разрядов
- Состав бетонной смеси для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах
- Определение несущей способности буроинъекционной сваи, устраиваемой электроимпульсным способом
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в практике строительства и реконструкции зданий большой интерес проявляется к фундаментам из буро-инъекционных свай, создаваемых при помощи электроимпульсных технологий — электроимпульсный способ устройства свай. Этот способ позволяет уплотнять околосвайный грунт и увеличивать диаметр ствола сваи, что повышает ее несущую способность.
Электроимпульсный способ устройства свай используется в основном в слабых обводненных грунтах. При действии импульсной нагрузки, создаваемой электрическим разрядом в материале ствола сваи, такие грунты легко теряют прочностные свойства (разжижаются) и смещаются от места действия импульсной нагрузки. Ствол сваи получает необходимое уширение. В грунтах не склонных к разжижению, например, маловлажных песках, эффективность электроимпульсного способа устройства свай снижается. Здесь решающим фактором является время действия импульсной нагрузки, которого оказывается недостаточно для уширения ствола сваи. Время действия импульсной нагрузки в значительной степени зависит от управления энергетическими параметрами разряда (напряжением и разрядной емкостью). Реализация их определенного соотношения увеличит время действия импульсной нагрузки от разряда в бетонной смеси.
При изготовлении буроинъекционных свай свойства бетонной смеси, в которой происходит электрический разряд, могут изменяться вследствие ее обезвоживания. Это приводит к резкому уменьшению давления на стенке скважины и к нарушению устойчивости или полной остановке процесса устройства свай. Требуется изучение обезвоживания материала ствола сваи и оценка его влияния на процесс устройства сваи электроимпульсным способом.
Достаточно трудной задачей является прогнозирование развития деформаций грунта в околосвайном пространстве при устройстве свай электроим-
5 пульсным способом. Решение этой задачи сводится к оценке напряженно-деформированного состояния формируемой системы буроинъекционная свая - маловлажный песчаный грунт при действии разрядов в бетонной смеси и влияния на эту систему энергетических параметров разряда.
Совершенствование электроимпульсного способа устройства свай в маловлажных песчаных грунтах позволит повысить эффективность использования и надежность буроинъекционных свай, создаваемых при помощи электроимпульсных технологий.
Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением ее разделов по следующим госбюджетным темам:
Использование электроимпульсных технологий для изготовления буроинъекционных свай в условиях реконструкции и восстановления зданий. Грант Министерства образования РФ на 2002 - 2004 г.г., Т. 02 - 12.1 - 1029.
Создание строительных композиционных материалов на основе местного сырья и нетрадиционных технологий. ЕЗН Рособразования РФ ГНУ НИИ СМ (г. Томск) по теме 2.2.02 (регистрационный номер 01.2002044375) на 2002 - 2005 г.г.
Объект исследования — модель буроинъекционной сваи в маловлажном песчаном грунте*, устраиваемой при действии электрических разрядов в бетонной смеси.
Предмет исследования - взаимодействие ствола буроинъекционной сваи с маловлажным грунтом основания при действии электрических разрядов в бетонной смеси.
Метод исследования — экспериментальный, с использованием моделей свай диаметром 110 мм и околосвайного маловлажного песчаного грунта.
Цель работы - разработка способа устройства буроинъекционных свай в песчаных грунтах с использованием электрических разрядов, обеспечи-
* Здесь и далее под маловлажным песчаным грунтом понимаются слабосвязные грунты с малой степенью водонасыще-ния (Sr < 0,5) и числом пластичности 1р < 1.
вающего возможность его эффективного применения при малой влажности основания.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
1. Разработать методику исследований формирования системы буроинъ-
екционная свая — маловлажный песчаный грунт при действии электрических
разрядов в бетонной смеси.
2. Установить рациональные энергетические параметры электроим
пульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных пес
чаных грунтах и их влияние на силовое действие разряда в бетонной смеси.
Определить состав бетонной смеси, обеспечивающий сохранение ее пластических свойств при электроимпульсном способе устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах.
Исследовать напряженно-деформированное состояние формируемой системы буроинъекционная свая - маловлажный песчаный грунт при действии электрических разрядов в бетонной смеси.
Разработать рекомендации по определению геометрических размеров и несущей способности буроинъекционных свай, устраиваемых при помощи электрических разрядов в маловлажных песчаных грунтах.
Научная новизна работы:
Установлено, что определяющим фактором при формировании уши-рения ствола сваи с использованием электрических разрядов в маловлажных песчаных грунтах является квазистатическое давление парогазовой полости, создаваемое разрядом снаряда-излучателя при энергии импульса 1,8 — 4,5 кДж. Время нарастания давления до его максимального значения 1500 — 1800 кПа составляет 1,5 мс. Роль ударной волны при формировании уширения ствола буроинъекционной сваи в маловлажных песчаных грунтах незначительна.
Установлено влияние энергетических параметров разряда (напряжения, разрядной емкости, межэлектродного расстояния) и времени действия импульсной нагрузки на напряженно-деформированное состояние системы
7 буроинъекционная свая — маловлажный песчаный грунт при ее устройстве. Выявлено, что при увеличении времени действия импульсной нагрузки от 2 до 6 мс происходит рост диаметра ствола сваи и интенсивное развитие зоны уплотнения маловлажного песчаного грунта вокруг буроинъекционной сваи.
3. Установлено, что в маловлажных песчаных грунтах при устройстве буроинъекционных свай электроимпульсным способом происходит интенсивное обезвоживание бетонной смеси в результате выдавливания ее жидкой составляющей импульсной нагрузкой. Устойчивый процесс устройства свай обеспечивается использованием модифицированной бетонной смеси с геле-образующим веществом. Введение в бетонную смесь метилгидроксиэтилцел-люлозы (Walocel мкх 25000 рр 20) в объеме 0,03 % от массы смеси позволяет сохранять ее пластические свойства в течение всего интервала времени устройства сваи.
Достоверность и обоснованность результатов исследований, выводов диссертационной работы гарантирована: объемом экспериментальных исследований, обеспечивающим возможность статистического анализа результатов; использованием современных методов измерений; адекватностью расчетных и экспериментальных данных по оценке уширения ствола сваи.
Практическая значимость и реализация работы. Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
разработан экспериментальный модуль, позволяющий моделировать процесс устройства буроинъекционной сваи и напряженно-деформированное состояние системы буроинъекционная свая — маловлажный песчаный грунт при действии электрических разрядов в бетонной смеси;
разработаны приемы устройства буроинъекционных свай электроимпульсным способом в маловлажных песчаных грунтах;
разработаны рекомендации по определению диаметра буроинъекционных свай, устраиваемых при помощи электрических разрядов в маловлажных песчаных грунтах, и оценке их несущей способности.
8 Разработанный способ устройства буроинъекционных свай при помощи
электрических разрядов в маловлажных песчаных грунтах принят к использованию в 2004 г. предприятием ООО "ГеоТом" (г. Томск).
Установленная последовательность технологических операций формирования буроинъекционной сваи использована в 2004 — 2005 годах ФГНУ НИИ высоких напряжений (г. Томск) при разработке аппаратуры для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных грунтах.
Результаты диссертационной работы используются с 2004 г. в Томском государственном архитектурно-строительном университете (ТГАСУ) при чтении лекций по дисциплинам: «Специальный курс по фундаментострое-нию», «Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий» для студентов, магистров и аспирантов строительного факультета, а также для слушателей Института повышения квалификации ТГАСУ.
Личный вклад автора состоит:
в определении энергетических параметров и разработке состава бетонной смеси для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах;
в проведении экспериментальных исследований формирования системы буроинъекционная свая — маловлажный песчаный грунт основания при действии электрических разрядов в бетонной смеси;
в установлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния формируемой системы буроинъекционная свая - маловлажный песчаный грунт основания при действии электрических разрядов в бетонной смеси;
в научном обосновании разработок по способу устройства буроинъекционных свай, защищенных патентами РФ.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Полищуку А.И. и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Ющубе СВ. за поддержку, кон-
сультации и внимание к работе. Автор благодарит доктора технических наук,
профессора Курца В.И. за постоянную помощь в разрешении вопросов, которые возникали в ходе проведения исследований. Автор выражает благодарность и признательность кандидату технических наук Капарулину С.Л., Шабанову Д.В., Устюжанину В.Л. за помощь в подготовке и проведении экспериментов. Также автор признателен всем сотрудникам кафедры «Основания, фундаменты и испытания сооружений» ТГАСУ за внимание к работе. ' На защиту выносятся следующие положения:
Результаты экспериментальных исследований состава бетонной смеси и энергетических параметров для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах.
Результаты исследований напряженно-деформированного состояния формируемой системы буроинъекционная свая - маловлажный песчаный грунт основания при действии электрических разрядов в бетонной смеси.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международной научно-практической конференции «Качество - стратегия 21 века» (Россия, Томск, 2003 г.); на 60 — 62 научно-технических конференциях НГАСУ (Россия, Новосибирск, 2003 — 2005 г.г.); на научно-технической конференции «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды» (Россия, Пермь, 2005 г.); на научно-технических конференциях и межкафедральных семинарах ТГАСУ (Россия, Томск, 2004 - 2005 г.г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в семи научных работах и двух патентах Российской Федерации.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 167 страниц, включая 106 страниц текста, 66 рисунков, 17 таблиц и приложения. Список литературы содержит 134 наименования.
Применение электроимпульсных технологий при уплотнении ГруНТОВ
В 1960 г. Г.М. Ломизе и Я.Д. Гильман предложили использовать электрогидравлический эффект для уплотнения грунтов. Позже, в 1961 г. те же исследователи в лабораторных условиях поставили эксперименты по изучению возможности уплотнения водонасыщенных грунтов с использованием электрогидравлического эффекта. Результаты исследований показали уменьшение пористости водонасыщенных песков. Были проведены отдельные опыты по уплотнению маловлажных песков. Эксперименты показали, что пористость маловлажного песка уменьшилась практически на 20 %. Так до уплотнения пористость составляла 46 %, после — 36 % [34].
Предложенный и апробированный Г.М. Ломизе и Я.Д. Гильманом подход к устройству грунтовых оснований получил название электроискрового метода уплотнения грунтов. Последовательность работы этого метода следующая. В водонасыщенный грунт опускают изолированные друг от друга электроды, подключенные к источнику электрического питания. В рабочем (межэлектродном) промежутке формируется электрический разряд. Силовое действие на грунт, генерируемое электрическими разрядами, разрушает структуру грунта с последующей его консолидацией [35].
В период с 1963 по 1964 г.г. электроискровой метод для уплотнения грунтов использовался в производственных масштабах на строительстве Саратовской и Киевской ГЭС. Экспериментальное изучение уплотнения водонасыщенных песчаных и лессовых глинистых грунтов показало высокую эффективность действия электрических разрядов. Было установлено, что процесс уплотнения лессовых грунтов сопровождается интенсивным разрушением структуры грунта, с устранением его просадочных свойств. Исследованию физических процессов, происходящих в грунте при его обработке электрическими разрядами, посвящены работы Л.П. Хлюпиной, Л.А. Семушкиной, Я.Д. Гильмана и других [33, 36 - 39]. Было показано, что разряд в обводненном песчаном грунте создает динамические кратковременные нагрузки от ударных волн [35, 37, 40]. Действие разряда во влажной среде качественно аналогично действию взрыва химических взрывчатых веществ [41 - 53]. Указано влияние давления, создаваемого расширяющейся парогазовой полостью, на уплотнение грунтов [33]. По данным Л.П. Хлюпиной, Я.Д. Гильмана и др. главной причиной разрушения структуры грунта в процессе его уплотнения при помощи электрогидравлического эффекта является действие ударной волны. Действие же парогазовой полости оказывает лишь второстепенное влияние на разрушение структуры грунта.
Особенностью уплотнения водонасыщенных песчаных грунтов при помощи электрических разрядов является возможность непосредственного и многократного действия разряда в заданной точке. Вследствие этого действия происходит разжижение грунта с последующим его уплотнением [37]. Увеличение энергии импульса приводит к повышению эффективности уплотнения грунта (рис. 1.2). Так, например, при одинаковых прочих условиях, при энергии разряда 300 кДж коэффициент пористости грунта составляет 0,64, а при энергии 900 кДж - 0,56 [37].
Авторы работы [40] предлагают оценивать энергию разряда (W) как сумму энергии ударной волны и энергии радиального движения газового пузыря: и/— О І0О 200 300 00 SCO 600 700 800 9001000 1100 1300 1300іЬООдх D OjSS 0,60A56./JO 0,50 v , / - V V/ 7 OJSO V Ф \ V 1 4- 5 ПБ С / 3 0,70 Я, 4? г7 , Ci, i$ У & Г к Л 0,B0 x" "j # "і;, 090 "л - 1 я і 0 0 12 й fl д a 0 1, z v Ь U J /,в 2,0 % г г, і 6 2,1 ЗмГ/а Рис. 1.2. Влияние напряженного состояния грунта на его уплотнение при различных энергиях электрических разрядов [37] (N= 80 = const, /= 0,07 Гц = const, є = 0,720 = const). 1 — g = 0.5 кг/см2, 2-g = 1.0 кг/см2, 3— g= 1.5 кг/см , 4-Г=350Дж, 5-Ж=770Дж, 6 -w= 1460 Дж N - число разрядов; g — давление; f- частота разрядов; W— энергия разряда е — коэффициент пористости грунта; W=S-y\p4t+\puR],m (1.2) Poco о J где S — площадь сферы, p0co — волновое сопротивление воды, Р — давление на фронте ударной волны при разряде, Р0 - гидростатическое давление парогазовой полости, Rnmax — максимальный радиус газового пузыря. Доля энергии радиального движения газового пузыря и доля энергии ударной волны составляют соответственно 20 — 30 % и 70 — 80 % от энергии разряда [40]. В качестве главного фактора механической работы разряда авторы работы [40] рассматривают ударную волну (как носитель большей части энергии разряда). Наличие аналогии между динамическим действием разряда и взрывом химических взрывчатых веществ [40, 54 - 59] позволяет с механической точки зрения разряд заменить эквивалентным количеством взрывчатых веществ и оценить давление Р на фронте ударной волны при разряде, используя эмпирическую формулу для взрыва химических взрывчатых веществ [46, 47]: Р = К— , (із) г где С — масса взрывчатых веществ, к\ и /л — эмпирические коэффициенты, зависящие от процентного содержания воздуха в грунте [47]. Я.Д. Гильман для электрического разряда в водонасыщенном грунте выражение (1.3) преобразовал к виду:
Методика определения энергетических параметров и исследования формирования ствола буроинъекционной сваи при помощи электрических разрядов
Определение минимального напряжения, при котором сохраняется лидерный пробой межэлектродного промежутка осуществлялось с помощью скоростной фотосъемки процесса формирования разряда при различном напряжении. Опыты проводились при напряжениях 50, 40, 30 и 20 кВ. В качестве жидкой среды использовалась вода с удельным сопротивлением р = 500 Ом-см., что соответствовало удельному сопротивлению бетонной смеси.
Скорость фоторегистратора позволяла фиксировать на фоторазвертке основные стадии формирования электрического разряда. Последовательность проведения эксперимента следующая (рис. 2.4). Камера — 2 заполнялась водой. С помощью регулировки уровня напряжения на трансформаторе, осуществляемой через РНО 250/10, устанавливалось необходимое напряжение. Затем производилось синхронное включение генератора импульсов, подсветки и скоростной фотокамеры. Фотосъемка проводилась в покадровом режиме. Опыты повторялись 3 — 4 раза. Рис. 2.9. Экспериментальный модуль Анализ полученных фоторазверток позволял определять тип разряда — тепловой или лидерный.
Определение энергии разряда для электроимпульсного способа устройства свай проводилось на лабораторном стенде (рис. 2.5), представленном в п. 2.1 (под заголовком - Оборудование для оценки силового действия импульсной нагрузки). В качестве источников импульсов использовался ГИТ-2.
Определение величины и длительности действия давления осуществлялось при постоянном напряжении (/)-30 кВ. Тарировка тензометрического динамометра производилась на прессе (рис. 2.10). Результаты тарировки представлены на рис. 2.11.
В исследованиях использовалась пластичная (подвижная) бетонная смесь с осадкой конуса 12-13 см. В качестве инертного заполнителя использовался песок с модулем крупности — 2,5. Соотношение песок (П) — цемент (Ц) составляло ПУЦ = 3/1. Водоцементное соотношение В/Ц составляло В/Ц = 0,8, что, примерно, соотвовало параметрам бетонной смеси буроинъекцион-ных свай.
Последовательность проведения эксперимента следующая (рис. 2.7). Металлическая камера - 1 заполнялась бетонной смесью. После этого устанавливался подвижный штамп — 4, и монтировалась анкерная система, состоящая из металлических тяжей — 7 и текстолитовых пластин — 6. Между подвижным штампом и текстолитовой пластиной крепился тензометриче-ский динамометр - 5, соединенный с приемно-измерительной системой. После монтажа всех элементов установки производилась обработка бетонной смеси электрическими разрядами с заданной энергией разряда (W). Частота разрядов составляла один импульс в секунду.
Опыты повторялись шесть раз. В каждом опыте количество подаваемых импульсов составляло 2-3. В каждой последующей серии опытов производилось увеличение энергии разряда за счет роста разрядной емкости. Исследования позволяли получать информацию о влиянии энергии разряда на длительность действия импульсной нагрузки. Определение межэлектродного расстояния для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай осуществлялось при помощи горизонтального перемещения электродов в лабораторном стенде (рис. 2.5) и определения величины давления, создаваемого разрядом в бетонной смеси, при каждом установленном новом положении электродной пары. Первоначальное межэлектродное расстояние было принято равным 10 мм. Увеличение межэлектродного расстояния в каждой последующей серии опытов производилось с интервалом 5 мм, и было доведено до 55 мм.
Последовательность проведения эксперимента аналогична последовательности опытов по определению энергии разряда. Отличие состоит в том, что в каждой последующей серии опытов изменялась не энергия разряда, а межэлектродное расстояние. Эксперименты ставились при заданной энергии разряда (W) — 1,8 кДж, при напряжении (U) — 30 кВ и, соответственно, разрядной емкости (Q - 4 мкФ.
Исследования позволяли получать информацию о влиянии межэлектродного расстояния на характер изменения величины давления, генерируемого разрядом в бетонной смеси, при заданной энергии разряда (W).
Формирование ствола сваи осуществлялось после получения экспериментальных данных о влиянии энергии разряда и межэлектродного расстояния на время действия импульсной нагрузки и ее величину соответственно.
В ходе экспериментов по формированию ствола буроинъекционной сваи были поставлены опыты по определению требуемого интервала между импульсами и их числа для создания уширения ствола сваи. В исследованиях использовались маловлажные пески со следующими характеристиками: плотность р = 1,65 - 1,68 гр/см ; плотность частиц грунта ps = 2,65 - 2,66 гр/см3; коэффициент пористости е = 0,76 - 0,79; естественная влажность w = 9 - 11 %; коэффициент водонасыщения Sr = 0,3 - 0,35; угол внутреннего трения ф = 23 — 25; удельное сцепление с = 1 - 2 кПа; модуль деформации Е = 15 - 18 МПа.
Последовательность проведения исследований следующая (рис. 2.12). Рабочая камера - 1 заполнялась песчаным грунтом. Песок укладывался слоями по 6 — 7 см и уплотнялся ручной трамбовкой до заданной плотности сложения. В ходе устройства грунтового основания устанавливались датчик давления (мессдоза) и марка в месте контакта со стенкой скважины на уровне формирования уширенйя ствола сваи (т.е. расположения рабочего органа снаряда-излучателя). После монтажа основных элементов экспериментального модуля на грунт передавалось давление от компрессора/? = 170 кПа, что соответствовало устройству уширенйя нижнего конца сваи в натурных условиях на глубине Юм. Постоянство давления в ходе эксперимента контролировалось манометром — 10, вмонтированным в крышку. Затем формировался ствол буроинъекционной сваи —11.
Способ формирования ствола буроинъекционной сваи включал следующие операции: устройство скважины диаметром ПО мм шнековым буром, который вводился в грунт через центральное отверстие — 5 в крышке — 2; установка в скважину разрядника - 6, подсоединенного к источнику питания; подача в скважину бетонной смеси и ее обработка электрическими разрядами - 12. В качестве материала ствола сваи использовалась подвижная (пластичная) бетонная смесь. При этом, в состав бетонной смеси вводилось гелеобра-зующее вещество для ограничения влагопотерь бетонной смеси в процессе устройства сваи.
В проводимых исследованиях использовалось гелеобразующее вещество Walocel мкх 25000 рр 20 - продукт германской фирмы "Вольф Вальсроде" АО.
Смещение стенки скважины оценивалось по марке, а силовое действие импульсной нагрузки, передаваемой разрядом на стенку скважины - по датчику давления. Интервал между импульсами изменялся в соответствии с условиями эксперимента.
Состав бетонной смеси для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах
Проведенные исследования показали, что при устройстве буроинъекционной сваи происходит обезвоживание ее ствола. Эта проблема возникает при устройстве свай в грунтах, обладающих значительной поглотительной способностью. Для повышения эффективности создания бу-роинъекционных свай и расширения области их применения (на различные типы грунтов) недостаточно решения вопросов, связанных только с энергетическими параметрами разряда. Массоперенос в системе буроинъекционная свая — грунт может оказаться существенным препятствием для применения электроимпульсного способа устройства свай в маловлвжных грунтах.
Анализ полученных опытных данных показывает, что даже при обеспечении устойчивости процесса устройства свай (осуществлении подачи материала ствола сваи в зону разряда) обезвоживание ствола сваи приводит к снижению интенсивности силового действия разряда. В рассматриваемых условиях его оказывается недостаточно для смещения стенки скважины. Под рассматриваемыми условиями понимается бетонная смесь определенного (оставшегося в ней) влагосодержания после взаимодействия с грунтом. В такой смеси и производятся электрогидравлические удары.
Оборудование и методики, применяемые в исследованиях влияния степени обезвоживания бетонной смеси на интенсивность силового действия импульсной нагрузки приведены в п. 2.2.2 (под заголовком — Влияние обезвоживания бетонной смеси на силовое действие импульсной нагрузки от разряда).
На рис. 3.10 представлена зависимость изменения давления от водоце-ментного соотношения (влагосодержания бетонной смеси). В табл. 3.2. показана взаимосвязь между осадкой конуса и водоцементным соотношением (В/Ц). Эта зависимость показывает характер изменения давления от влагосодержания бетонной смеси. Как видно из рис. 3.10, с уменьшением влагосодержания бетонной смеси величина давления снижается. Опыты на бетонной смеси с В/Ц — 0,55 и менее показали, что давление от разряда практически отсутствует. Бетонная смесь теряет пластичность и среда не в состоянии передать импульсную нагрузку в измеряемую точку. Установлено, что при вла-госодержании бетонной смеси, которое соответствует В/Ц — 0,55 и менее, в области разряда образуется устойчивая воздушная полость. Этим и обуславливается отсутствие импульсных нагрузок от разрядов. В таких условиях разряды происходят в воздушной полости, а не в бетонной смеси.
Установлено, что обезвоживание материала ствола сваи неизбежно ведет к уменьшению амплитуды давления, воздействующего на стенку скважины. Так как процесс деформации стенки скважины имеет пороговый характер [57], при давлении меньше некоторого значения, деформации скважины происходить не будет. Выявлено, что обезвоживание материала ствола сваи приводит к остановке процесса устройства сваи. Это связано с образованием устойчивой полости в зоне разряда и с затруднением подачи смеси в межэлектродный промежуток.
Влагопотери материала ствола сваи. Процесс поглощения влаги околосвайным грунтом протекает во времени и в значительной степени определяется влажностью грунта. Зная зависимость степени обезвоживания бетонной смеси (материала ствола сваи) от времени, при ее контакте с окружающим грунтом, становится возможным прогнозирование изменения величины давления во времени в процессе устройства сваи. Следовательно, становится возможным выделение временного интервала в процессе устройства сваи, когда импульсная нагрузка будет достаточной для совершения механической работы по уширению ствола сваи.
Методика, используемая в исследованиях, представлена в п. 2.2.2 (под заголовком — Определение интенсивности обезвоживания материала ствола сваи). Для определения потерь влаги в различных грунтах был разработан оригинальный прибор, который позволяет моделировать процесс массопере-носа при контакте материала сваи с околосвайным грунтом. Потери влаги оценивались по осадке конуса в течение определенного времени. Это давало необходимую информацию о содержании жидкой фазы в материале ствола сваи через установленную взаимосвязь осадки конуса и влагосодержания бетонной смеси (В/Ц).
На рис. 3.11. представлены зависимости осадки конуса от времени, в грунтах с различной степенью влажности (Sr). Видно, что зависимости экспоненциально убывают. Чем меньше влажность грунта, тем быстрее бетонная смесь теряет жидкую составляющую. Таким образом, установленные количественные соотношения позволяют прогнозировать скорость обезвоживания материала ствола сваи в грунтах с различной степенью влажности.
Влияние обезвоживания бетонной смеси на формирование ствола сваи. Оценка влияния обезвоживания бетонной смеси на формирование ствола сваи проводилась по методике, представленной в п. 2.2.2 (под заголовком - Влияние обезвоживания бетонной смеси на действие импульсной нагрузки от разряда).
Определение несущей способности буроинъекционной сваи, устраиваемой электроимпульсным способом
Устройство свай без выемки грунта, например, при создании свайных фундаментов из забивных свай, позволяет обеспечить их высокую несущую способность, которая значительно выше по сравнению с другими типами свай. Это связано с образованием уплотненной зоны грунта в околосвайном пространстве [130 - 134]. Под нижним концом забивной сваи на первом этапе погружения происходят упругие деформации грунта и свая опускается на какое-то расстояние. При достижении в грунте предельных напряжений, наступает этап пластических деформаций, сопровождаемый нарушением структуры грунта. В результате пластических деформаций грунт из-под нижнего конца сваи вытесняется телом сваи в стороны. Вокруг сваи в грунте происходит формирование уплотненной зоны, которая учитывается при определении несущей способности сваи увеличением расчетного сопротивления грунта под острием сваи (табл. 1 СНиП 2.02.03-85).
В результате экспериментальных исследований установлено, что размер зоны уплотнения под нижним концом забивной сваи составляет примерно два ее диаметра. При создании буроинъекционных свай при помощи электроимпульсных технологий также происходит образование уплотненной зоны вокруг формируемого тела сваи. Опытные данные показывают, что размеры уплотненной зоны в значительной степени определяются энергетическими параметрами разряда. Экспериментально установлено, что при устройстве свай электроимпульсным способом, формируется уплотненная зона, которая как в качественном, так и в количественном отношении сопоставима с уплотненной зоной, образуемой при устройстве свай без выемки грунта. Так, исследование взаимодействия забивной сваи с фунтовым основанием представленное в работе [132], показало, что плотность преобразованного грунта вблизи сваи составляет 1,91 г/см3. Исходная плотность грунта— 1,65 г/см3. При этом размеры уплотненной зоны достигали, приблизительно, двух диаметров сваи. Анализ опытных данных исследований показывает, что в схожих грунтовых условиях при энергетических параметрах U — 30 кВ, С = 10 мкф (W= 4,5 кДж) после подачи 15 разрядов были получены аналогичные результаты (рис. 5.5). Так, первоначальная плотность грунта р = 1,66 г/см3, после устройства уширения сваи, возросла до 1,89 г/см . Размеры уплотненной зоны составили два диаметра сваи. Сравнение результатов изменения плотности окружающего грунта при устройстве забивной сваи и сваи устраиваемой электроимпульсным способом показывает хорошее их совпадение.
Результаты исследования свидетельствуют о том, что при использованных параметрах разряда аналогия в формировании уплотненных зон будет сохраняться, как минимум, до создания размеров уширения ствола, соответствующих размерам стандартных забивных свай (т.е. с размерами поперечного сечения ствола 300x300 мм).
Для оценки несущей способности свай, устраиваемых электроимпульсным способом, рекомендуется использовать методику расчета несущей способности забивных свай по СНиП 2.02.03-85 — Свайные фундаменты, с учетом требуемых параметров процесса устройства буроинъекционной сваи.
Рекомендуется следующая последовательность определения несущей способности свай, устраиваемых электроимпульсным способом: 1. Задается начальный диаметр ствола сваи Dc. 2. Разбивается предполагаемая зона уплотнения грунта вокруг сваи на элементарные слои hi = (0,1 - 0,2) Dc (рис. 5.6). В первом приближении принимается количество слоев hi =10. 3. Задается давление ро на стенке ствола сваи, которое, при диаметре ствола сваи 110 - 250 мм, составляет 1400 - 1800 кПа. 4. Определяется величина давления в каждом слое А,- по формуле (5.1). 5. Определяются перемещения в каждом слое hi с использованием программного пакета Plaxis (при исходных данных: угол внутреннего трения ф, удельное сцепление с, модуль деформации Е, плотность грунта р). 6. Суммируются перемещения, полученные для каждого слоя hh и определяется полное смещение стенки скважины от единичного разряда и(1). 7. Определяется диаметр ствола сваи d(n) от последующих разрядов по формуле (5.2). Это дает геометрические размеры поперечного сечения формируемого уширения ствола сваи. 8. Определяется несущая способность сваи по СНиП 2.02.03-85: - принимается расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи по табл.1 СНиП 2.02.03-85. В этом случае в проекте назначаются требуемые параметры процесса устройства сваи; - принимается коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи ycR = 1 (СП 50-102-2003); - принимается коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи yrf = 1,3 (СП 50-102-2003);
