Содержание к диссертации
Введение
1. Термическое укрепление грунтовых оснований при строительстве зданий и сооружений 8
1.1. Исторические аспекты и существующие технологии глубинного термического укрепления грунтовых оснований 8
1.2. Основные выводы, цель и задачи исследования 25
2. Теоретические предпосылки совершенствования плазменной технологии глубинного укрепления грунтовых оснований 27
2.1. Моделирование технологического процесса термического воздействия на грунтовое основание 27
2.2. Закономерности изменения фазового состава, структуры и свойств грунтов при интенсивном термическом воздействии 46
Выводы по второй главе 72
3. Экспериментальное обоснование параметров технологического процесса термического укрепления грунтовых оснований 76
3.1. Характеристики плазменного оборудования и стендов 76
3.2. Методика исследования параметров технологического процесса 79
3.3. Модернизация генератора плазмы 84
3.4. Исследование технологических параметров термического укрепления грунтовых оснований плазмотронами коаксиальной схемы 91
Выводы по третьей главе 117
4. Опытно-производственная проверка результатов исследования . 120
4.1. Изготовление термогрунтовых свай 120
4.2. Результаты испытаний и обследований экспериментального свайного поля 126
Выводы по четвертой главе 131
5. Технологические решения и оценка их эффективности 132
5.1. Технологические решения и организация работ при укреплении грунтовых оснований на строительной площадке 132
5.2. Оценка эффективности предлагаемых решений 150
Выводы по пятой главе 162
Общие выводы 164
Список литературы
- Основные выводы, цель и задачи исследования
- Закономерности изменения фазового состава, структуры и свойств грунтов при интенсивном термическом воздействии
- Модернизация генератора плазмы
- Результаты испытаний и обследований экспериментального свайного поля
Введение к работе
С интенсивным развитием регионов Сибири появляется необходимость в строительстве объектов удаленных на сотни километров от баз производства строительных материалов и конструкций. Повышение стоимости строительства в этих условиях усугубляется отсутствием развитой транспортной сети.
Одним из путей, способствующих эффективному решению этой проблемы, является строительство зданий и сооружений на основаниях из укрепленных грунтов. Термическое укрепление является одним из направлений в технической мелиорации грунтов. Важным преимуществом этого метода является низкая материалоемкость получаемых конструкций, так как сырьём для изготовления служит местный грунт, на обработку которого затрачивается сравнительно небольшое количество энергетических ресурсов.
Глубинное термоукрепление грунтов с традиционными источниками получения теплового потока не получило широкого развития в практике строительства. При существующих технологиях не обеспечивается необходимый уровень теплопоступления в грунт. Причины этого кроются в конструктивных особенностях устройств типа горелок-форсунок и ограниченных возможностях традиционных технологических приемов. Границы применимости существующих методов термического укрепления грунтовых оснований зависят от многих факторов: вида грунтов их влажности и однородности, герметичности устья скважины, фильтрации газа через грунт, интенсивности парообразования и т.д. Один из путей преодоления существующих ограничений связан с применением новых более мощных источников теплового потока- генераторов низкотемпературной плазмы.
Использование плазменных технологий в строительстве является одним из перспективных направлений исследований [6, 7, 35, 57, 65, 94, 95, 1491. Эти технологии характеризуются большой концентрацией удельной энергии с высокой температурой, возможностью нагрева материалов в различных газовых средах, что существенно влияет на время протекания процессов и качественные характеристики получаемых объектов. Основными признаками любого плазменного метода является наличие генератора плазмы и реакционной камеры для непосредственного проведения технологической операции термического воздействия.
Исследования, проведенные в СибАДИ под руководством д-ра техн. наук В.В.Сиротюка при участии соискателя позволили разработать новую плазменную технологию глубинного термоукрепления грунтовых оснований зданий и сооружений [132, 135, 148]. Исследование, представленное в данной работе, является естественным продолжением ранее выполненных работ в этой области.
Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в дальнейшем развитии экспериментально-теоретических положений и практических рекомендации в области новой плазменной технологии глубинного термического укрепления грунтовых оснований зданий и сооружений.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Тема диссертационного исследования включена в государственную программу «Наукоемкие технологии», раздел «Плазменные технологии». На конкурсной основе получен грант по разделу «Фундаментальные исследования в области архитектуры и строительства».
Основные выводы, цель и задачи исследования
Постановка задачи. Термическое укрепление грунтовых оснований является разновидностью физических методов технической мелиорации грунтов. В основе этого метода лежат физико-химические процессы, происходящие в грунтах под воздействием положительного температурного поля. Основными факторами, определяющими глубину и необратимость физико-химических процессов, являются величина температуры, до которой нагревается грунт и продолжительность изотермического состояния. Управлять этими факторами можно за счёт изменения параметров источника термического воздействия, теплофизических параметров грунта и параметров взаимодействия орудия и предмета труда. Математическое моделирование объекта исследования даёт возможность исследовать и прогнозировать рациональное сочетание элементов рассматриваемой технологической системы и принимать эффективные конструктивно-технологические решения при термическом укреплении грунтовых оснований зданий и сооружений.
Начальной целью моделирования технологического процесса термического воздействия на грунтовое основание является описание математических закономерностей формирования температурного поля грунтового полупространства в зависимости от совокупности действующих природных и технологических факторов. Конечной целью моделирования является прогнозирование рационального сочетания элементов рассматриваемой технологической системы. Оптимизация технологического процесса термического воздействия сводится к определению рационального сочетания энергетической мощности (плотности теплового потока) источника термического воздействия и времени его воздействия (перемещения и скорости), обеспечивающих максимальную производительность при минимальных удельных энергетических затратах (себестоимости).
В предлагаемой технологии [102,148] процесс глубинного термоукрепления грунтов включает ряд технологических операций. После устройства скважины (полости) в неё опускается плазмотрон. Работающий плазмотрон интенсивно нагревает стенку скважины в зоне реактора, грунт из стенки выплавляется и стекает на дно скважины -образуется уширение лидерной скважины частично заполненное расплавом. Частичное заполнение объясняется тем, что плотность расплавленной силикатной массы значительно выше плотности грунта в массиве.
Отходящий плазмообразующий газ осушает вышерасположенные стенки скважины.
Далее выбуренный грунт подаётся через дозатор к зоне реактора, нагревается до стадии плавления и заполняет скважину. По мере заполнения уширения и скважины генератор низкотемпературной плазмы поднимается вверх. После заполнения скважины её устье теплоизолируется и высокотемпературный расплав, остывая, передаёт тепловую энергию в окружающий грунтовый массив.
В теплофизической постановке, этот технологический процесс обычно рассматривают как краевую задачу с граничными условиями третьего рода [21, 86, 109, 169].
Таким образом, можно выделить два основных этапа технологического процесса: «активный» и «пассивный». В отличие от ранее защищенной диссертационной работы [132], в наших исследованиях «активный» этап технологического процесса разделён на два перио да - устройство уширения (одного или нескольких) ствола скважины (с одновременным осушением стенок скважины) и заполнение скважины силикатным расплавом.
Используя принципы, рекомендованные в работах [2, 73], разделим сложный теплофизический процесс на два более простых. Вначале рассмотрим вопросы моделирования термического воздействия электродугового плазмотрона на грунтовый массив через стенки скважины.
Закономерности изменения фазового состава, структуры и свойств грунтов при интенсивном термическом воздействии
Грунтовые основания в большинстве случаев представлены связными грунтами различного химико-минералогического состава. Любой связный грунт рассматривается как сложная трёхфазная система, включающая твёрдые минеральные частицы, объединённые в агрегаты, воду в различных видах и состояниях и газообразную фазу. В процессе термического воздействия все три фазы претерпевают изменения механических, физических и химических свойств. Этот процесс можно проследить даже визуально (рис. 2.8) - по изменению цвета и поверхностной фактуры образцов.
Чаще всего основные цветообразующие окислы в грунтах представлены оксидами железа или титана. В нашем случае оксид железа, переходя к более высокой степени окисления кислородом воздуха, изменяет цвет остывших грунтовых образцов: от бурого до красного (кирпичного) и далее - до темно-бордового и чёрного. Генераторы низкотемпературной плазмы позволяют нагреть любой грунт, до температуры плавления и выше - вплоть до температуры испарения этого материала. В связи с этим, исследуя изменения свойств грунтов, процесс нагрева целесообразно разделить на определённые этапы (стадии).
Учёные, заложившие научные основы технической мелиорации грунтов - П.А. Замятченский, М.М. Филатов, С.С. Морозов, В.М. Безрук [23, 67] рассматривали четыре стадии термической обработки грунтов. B.C. Подъяконов [114] выделял шесть характерных зон термического воздействия при упрочнении лессовых грунтов. Им отмечалось, что температурные границы выделенных зон не имеют точных значений. Г.И. Банник [20] рассматривал пять термозон. Л.В. Гончарова [39] выделяет четыре термозоны. Б.Н. Виноградов [29] предлагает более детальное подразделение фазовых превращений, происходящих при обжиге глинистых пород в зависимости от режимов и условий обжига.
Анализируя основные этапы физических и физико-химических превращений, происходящих в грунтах при интенсивном плазменном нагреве В.В. Сиротюк [132, 147] выделяет шесть основных стадий термической обработки грунтов (табл.2.2). Изменение границ фазовых превращений в зависимости от скорости нагрева примерно соответствует режимам термического воздействия при проведении термографических анализов ( 10 град./мин) и при скоростной плазменной термообработке ( 500 град./мин).
Границы стадий зависят от длительности нагрева, скорости повышения температуры, вида обрабатываемых грунтов, их минералогического состава, состава поглощенных катионов и других факторов. При увеличении скорости нагрева Vj температурные максимумы эффектов кристаллизации, дегидратации и разложения Т$ значительно возрастают [39, 40]: Тд 480,5 + 66,3VT. Максимум эффектов стеклования и плавления смещается в сторону высоких температур менее значительно: Тф 1058+46,8VT,
Анализ публикаций в области термической обработки грунтов показывает, что крайне скудны сведения о процессах и свойствах в высокотемпературной области грунтовых расплавов. В.М. Безрук писал [23]: «Свойства и прочностные показатели плавленого грунта еще не изучены, и нет ясности, в каких случаях он может быть использован».
При термической обработке происходит постепенное изменение всех свойств грунтов. В качестве примера на рис.2.10 приведены графики изменения физико-механических свойств суглинка тяжелого пылеватого.
Первая стадия - осушение (дегидратация) грунтов. Первым физическим процессом, происходящим при термическом воздействии на грунт, является уменьшение его влажности - осушение. Удаление свободной воды происходит достаточно интенсивно, с малым изменением скорости сушки. Далее испаряется физически связанная вода с постепенным снижением скорости сушки по мере возрастания энергии связи слоев этой воды с грунтовыми частицами. Плотность минеральных частиц грунта изменяется сравнительно мало. Уменьшение плотности грунтовых агрегатов составляет 8...12 %, в то время как увеличение плотности сухого грунта не превышает 2...5 %.
Эндотермические реакции дегидратации связаны с поглощением части энергии, подводимой к нагреваемому грунту извне. Это ещё более замедляет рост среднемассовой температуры грунта. Высокая плотность теплового потока при плазменной обработке грунтов приводит к резкому увеличению скорости нагрева - «тепловому удару» и, как следствие, значительно смещает температурный интервал фазовых превращений в высокотемпературную область. Интервал термических эффектов становится более узким, но площадь пиков сохраняется.
По физико-химической классификации дисперсных тел [132,147] выделяется три основных типа структурных связей: коагуляционные; конденсационные; кристаллизационные. В процессе термообработки грунтов на первой стадии по мере уменьшения влажности коагуля-ционный тип связей переходит в конденсационный
Модернизация генератора плазмы
Совершенствование плазменной технологии глубинного термоукрепления грунтовых оснований неразрывно связано с модернизацией основного орудия термического (технологического) воздействия -генератора низкотемпературной плазмы. Генератор низкотемпературной плазмы коаксиальной схемы обладает особенностями, не характерными для генераторов линейной схемы. Исследованиям параметров работы такого генератора посвящены работы [105-107]. По результатам публикаций и собственных исследований проведён анализ принципов управления параметрами плазмы, изменена конструкция электродного узла генератора (рис.3.3)
Ресурс работы электродугового генератора плазмы в основном определяется условиями работы и стойкостью электродного узла. Выбор графита в качестве материала для изготовления электродов плазмотрона не является случайным [105, 108, 132]. Графит наиболее стоек к термическому удару и агрессивному химическому воз действию, доступен и относительно дёшев. Обычно он рекомендуется к использованию в электротермических установках, если наличие углерода в реакторе допустимо.
При термообработке грунтов в скважине образуется полузакрытый реактор с очень жесткими температурными условиями, которые приводят к интенсивной эрозии электродов. Простейшим из способов увеличения ресурса работы электродов является их принудительное охлаждение. Экспериментальные исследования показали, что снижение давления воды в системе охлаждения ниже 0,25 МПа и повышение её температуры свыше 70...80 С недопустимо. Интенсивное охлаждение электродов повышает их долговечность, но увеличивает тепловые потери, связанные с нагревом охлаждающей жидкости. Кроме того, высокая температура электродов, работающих в термоэмиссионном режиме, является обязательным условием стабилизации дугового разряда.
Выбор рациональных параметров работы электродного узла позволяет найти компромисс между предельными токовыми нагрузками и допустимой величиной эрозии, сопровождающей работу любого электрода в дуговых плазмотронах. Результаты специальных исследований по этому вопросу [105-107,132] свидетельствуют, что в наиболее жестком температурном режиме работает внутренний электрод плазмотрона. Температурный режим электродов переходит в стационарный после 1...2 мин работы плазмотрона. При этом торец внутреннего электрода нагревается до 3000...3200 К, температура остальной части электрода не превышает 2000 К. Температура наружного электрода (втулки) изменяется по аналогичным зависимостям, но абсолютная величина нагрева ниже на 500...600 К. При увеличении диаметра внутреннего электрода в 1,5 раза его температура снижается на 15...20 %. Под влиянием водоохлаждаемой державки холодный конец электрода имеет температуру не более 400...600 К.
Повышенная теплопроводность более холодной части электрода способствует его охлаждению, а меньшее электрическое сопротивление снижает джоулево тепловыделение. Следует отметить, что только низкая величина коэффициента термического расширения графита позволяет изготавливать электроды увеличенной длины без опасности возникновения температурных трещин при столь резких контрастах температур по сечениям.
Величина эрозионного износа электродов тесно связана с величиной теплового потока. Скорость эрозии электродов зависит как от свойств электродных материалов, так и от размеров и геометрии электродов, вида плазмообразующих газов, давления, температуры, тока и других факторов. При использовании воздуха на величину эрозии сильное влияние оказывает и окислительное действие кислорода воздуха.
Экспериментальные исследования показали (рис.3.4) [106], что увеличение длины электродов приводит к повышению температуры горячего конца и возрастанию термической эрозии последнего.
Результаты испытаний и обследований экспериментального свайного поля
Принципиальная схема рабочего комплекса взаимоувязанных механизмов и приспособлений для глубинной термообработки грунта погружным плазмотроном представлена на рис. 1.11.
Изготовление термогрунтовых свай. Изготовление экспериментального свайного поля осуществлено на опытной площадке, которая сооружена из привозного грунта (суглинок тяжелый пылеватый). Её отсыпка производилась автовозкой с послойным (по 15...20 см) уплотнением гружеными автосамосвалами и ручными электротрамбовками. За четыре года выдержки (с учётом первоначального уплотнения) грунт в насыпи стабилизировался. Его влажность составляла 23-25 %, а плотность 1,70-1,72 т/м3.
Термогрунтовые сваи располагались на насыпи высотой 2 м. Расстояние между отдельными сваями составляло около одного метра. Для испытаний изготовлено шесть термогрунтовых и три бурона-бивные сваи длиной до 2 м. Буронабивные сваи изготавливались по традиционной технологии из цементобетона класса В20 и предназначались для сопоставления их несущей способности с результатами испытаний термогрунтовых свай.
Изготовление термогрунтовых свай начиналось с бурения в грунтовом массиве лидерных скважин диаметром 230мм. Над устьем скважины размещался дозатор, который заполнялся грунтом, выбуренным из скважин и просеянным через сито с отверстиями 5мм. Затем рабочий механизм устанавливался и центрировался над скважиной. Подъём плазмотрона и одновременная подача грунта в зону реактора производились с заданной интенсивностью, определённой расчётом и уточнённой при испытаниях на лабораторном стенде.
Погружной плазмотрон опускался до дна скважины, зажигался и прогревался в течение 5...8 мин. После стабилизации работы плазмотрона задавались вольт-амперные характеристики и регулировался расход плазмообразующего газа. Необходимость предварительной выдержки объясняется интенсивным испарением воды из стенок грунтовой скважины в первые минуты интенсивного прогрева, что приводит к дестабилизации расчётного режима работы плазмотрона.
В соответствии с планом эксперимента при изготовлении свай устраивались уширения ствола. С этой целью подача грунта в скважину прекращалась на 5... 10 мин, затем процесс заполнения полости расплавом продолжался с подачей грунта. Скорость подъёма плазмотрона и заполнения скважины силикатным расплавом изменялась в пределах 1,5...2,5 см/мин.
Энергетическая мощность плазмотрона варьировалась от 80 до 100 кВт. После изготовления очередной сваи рабочий механизм перемещался к следующей скважине, а вновь изготовленная свая закрывалась сверху термозащитным щитом. Теплозащитный экран убирался через 2...3 суток после изготовления сваи.
В головной части испытываемых конструкций устраивали выравнивающие оголовки из цементобетона класса В20. Перед устройством оголовка необходимо удалить два - три крупных «пузыря», которые обычно образуются в «голове» термогрунтовой сваи при остывании расплава. В противном случае при нагружении сопряжение бетонного оголовка с термогрунтовым телом нарушается.
Статические испытания свай проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-94 и выполнялись с привлечением специалистов из Омского треста инженерно-строительных изысканий (ОмскТИ-СИЗ). Для испытания осевыми вдавливающими статическими нагрузками была использована установка с гидравлическим домкратом и анкерными сваями. Для каждой опытной конструкции было устроено по две анкерных винтовые сваи длинной 4,5 м с диаметром 135 мм. Заглубление анкерных свай велось звеньями по 1,5 метра. Упорная балка под нагружающие домкраты ДГО-50 и ДГО-100 крепилась на них.
Для решения поставленных задач применяли следующею методику испытаний. Предполагая, что сваи данной конструкции понесут приблизительно 100 кН, задались величиной одной ступени нагру-жения, равной 10 кН. Реперы с двумя контролирующими манометрами часового типа ИЧ-50 (длинна хода 10 см, точность деления 0,01 мм) фиксировали перемещение сваи.
