Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и проблемы создания набивных свай. постановка задач исследований
1.1. Высокоэнергетические методы, применяемые при создании набивных свай
1.1.1. Уширение пяты сваи камуфлетным взрывом 15
1.1.2. Электрогидравлический метод создания набивных свай 19
1.2. Электрический разряд в жидкой среде 23
1.2.1. Стадия формирования токопроводящего канала 24
1.2.2. Стадия энерговыделения в канале разряда 27
1.2.3. Завершающая стадия развития разряда 31
1.3. Постановка задач исследований З3
Глава 2. Методика проведения исследований 36
2.1. Установка и аппаратура, используемая в исследованиях 36
2.1.1. Генераторы импульсных токов 36
2.1.2. Регистрирующая аппаратура 41
2.1.3. Аппаратура, используемая в оптических исследованиях 41
2.1.4. Аппаратура для анализа характеристик цементного раствора и камня, приготовленного из него
2.1.5. Рабочие камеры и электродные системы 44
2.2. Методика проведения экспериментов 47
2.2.1. Объекты исследований 47
2.2.2. Исследование электрического разряда в воде и цементном растворе
2.2.3. Оптические исследования формирования пробоя 50
2.2.4. Активация цементных растворов электрическими разрядами
2.2.5.Математическая обработка результатов измерений 53
Глава 3. Оценка потерь энергии при электрическом импульсном пробое проводящих сред и выбор метода инициирования разряда
3.1. Расчет потерь энергии на стадии формирования канала разряда в технической воде
3.2. Расчет потерь энергии на стадии формирования канала разряда в водоцементных растворах
3.3. Методы снижения потерь энергии импульса в предпробивной стадии развития разряда
3.4. Выводы 97
Глава 4. Активация цементных растворов электрическими разрядами
4.1. Активация цементных растворов импульсными разрядами при использовании различных схем зарядки конденсаторной батареи генератора импульсов
4.2. Активация электрическими разрядами растворов при различных водоцементных соотношениях
4.3. Электроразрядная активация лежалых и комбинированных цементов растворов
4.4. Выводы 111
Глава 5. Электроимпульсная установка для изготовления электронабивных свай
5.1. Выбор параметров генератора импульсов для производства электронабивных свай
5.1.1. Выбор оптимальной длины разрядного промежутка 113
5.1.2. Модельные представления о воздействии разряда 115
5.1.3. Оценка давлений на фронте ударной волны 117
5.1.4. Давление в среде от расширения парогазовой полости 121
5.1.5. Изменение диаметра скважины от воздействия импульсных разрядов
5.2. Электроразрядная установка для изготовления электронабивных свай
5.3. Установка для моделирования геотехнических условий при изготовлении свай
5.4. Методика изготовления свай в лабораторных условиях 133
5.5. Результаты исследований по созданию электронабивных свай на модельном стенде
5.6. Выводы 147
Заключение 150
Список литературы 153
Приложение 1 164
Приложение 2 169
- Уширение пяты сваи камуфлетным взрывом
- Генераторы импульсных токов
- Расчет потерь энергии на стадии формирования канала разряда в водоцементных растворах
- Активация электрическими разрядами растворов при различных водоцементных соотношениях
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время широкое распространение получили свайные фундаменты, способствующие внедрению индустриальных методов в строительстве. Наиболее широко применяются забивные сваи, которые изготавливаются на предприятиях строительной индустрии и погружаются в грунт следующими методами: забивка молотом с помощью копровых установок, вибрационное погружение с использованием специального оборудования, задавливание в грунт при приложении к свае статических или динамических нагрузок, создаваемых посредством грузоподъемных и гидравлических механизмов- Однако в ряде случаев применение забивных свай становится технически затрудненным или экономически нецелесообразным, а иногда и практически невозможным. К таким случаям следует отнести:
-сооружение фундаментов на площадках со сложными условиями строительства, в том числе, когда в пределах строительной площадки залегают плотные грунты, резко меняющие отметки погружения свай;
— прорезка сваями неоднородных по составу насыпей с твердыми
включениями или слоев грунта природного сложения с часто
встречающимися валунами;
-строительство фундаментов вблизи существующих зданий и сооружений, в которых могут возникнуть недопустимые деформации элементов несущих конструкций;
- производство ремонтных работ в стесненных по высоте помещениях.
Особо надо отметить работы, связанные с укреплением фундаментов
при реконструкции и ремонте зданий и сооружений, когда использование забивных свай становится практически невозможным, например при реконструкции ветхого жилого фонда. В этих случаях обычно используют набивные сваи, которые изготавливают непосредственно на строительных площадках. Все виды таких свай (набивные, буронабивные, инъекционные)
имеют ряд принципиальных недостатков, связанных со сложностью контроля качества в процессе изготовления и с низкой их несущей способностью.
Одним из наиболее перспективных методов решения проблемы улучшения качества набивных свай является использование электрогидравлического метода, позволяющего обеспечить формирование профиля сваи с уширениями как в ее основании, так и по длине, а также создать уплотнение грунта под пятой сваи и по боковой поверхности и тем самым значительно увеличить ее несущую способность. Суть электрогидравлического метода заключается в создании ударных нагрузок в бетонном растворе, возникающих при формировании мощного импульсного разряда на разных глубинах скважины. Сваи, создаваемые таким образом, получили название «электронабивных». Они обладают повышенной несущей способностью, высокой технологичностью процесса и наилучшими экономическими показателями по сравнению со сваями, изготавливаемыми любыми другими традиционными методами. В настоящее время электрогидравлический метод прошел успешную промышленную апробацию. С его использованием построено более десятка зданий и сооружений в основном на обводненных грунтах.
Основной проблемой при создании электронабивных свай является формирование канала разряда в бетонном растворе, который имеет высокую удельную проводимость (о ~ 10" Ом" см" ). В таком канале выделяется энергия накопителя и генерируются все ударные воздействия на среду. В настоящее время практически все установки для создания электронабивных свай обеспечивают «тепловую» форму пробоя рабочего промежутка. В этом случае формирование канала разряда происходит при разогреве области раствора между потенциальным и заземленным электродами за счет токов ионной проводимости, при этом образуется парогазовый пузырь или цепочка пузырей, которые растут, перекрывая основную часть рабочего промежутка. Затем парогазовая область пробивается и образуется локальный канал разряда. Большая часть энергии импульса затрачивается на образование
7 такой области, но из-за того, что этот процесс имеет длительный характер, то
возникают дополнительные потери энергии, связанные с растеканием
импульсных токов с оголенных частей электродной системы. Кроме того,
наличие газовой фазы в обрабатываемом растворе приводит к значительной
диссипации энергии ударных волн и импульсов давления от парогазовой
полости. Для компенсации этих потерь приходится увеличивать энергию
импульса генератора. Так, в настоящее время при производстве
электронабивных свай энергия единичного импульса достигает —100 кДж.
Использование большой энергии импульса приводит к сокращению срока
службы электродных систем, работающих в условиях комбинированных
воздействий высокого напряжения и мощных ударных нагрузок, и
увеличивает массогабаритные параметры источника импульсов.
Таким образом, уменьшение потерь в предпробивной стадии развития разряда является значительным резервом уменьшения энергии импульса и может быть достигнуто, если осуществить оптимизацию процесса инициирования разряда в проводящих средах. Важно отметить, что поиск методов инициирования разряда в проводящих средах не ограничивается только технологией создания электронабивных свай, а является актуальным для многих электроразрядных технологий, где в качестве объекта воздействия или в качестве передающей среды применяется жидкость с высокой удельной электропроводностью. Решение этой научно-технической задачи позволит обеспечить такие же нагрузки на обрабатываемый объект, как и при тепловом пробое, но при этом энергия импульса будет на порядок меньше, что улучшит надежность работы снаряда-излучателя, снизит расход энергии, уменьшит массогабаритные параметры установки, а соответственно, и повысит эффективность технологии создания электронабивных свай.
Диссертационная работа выполнялась в рамках Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования России и Федеральной Службы Специального Строительства за 2002 - 2005 гг. по
8 теме «Разработка, изготовление, испытание опытной электроразрядной
установки для производства набивных свай» (регистрационный номер
01.03-01), программы Министерства образования России по теме
«Исследование электрической искры в конденсированных средах как
преобразователя энергии» (регистрационный номер 4.1.99 за 1999 -2003 гг.),
ЕЗН Министерства образования России ГНУ "НИИ ВН при ТПУ" по теме
«Исследование динамики и траектории канала разряда при пробое
конденсированных сред» (регистрационный номер 4.8.01 за 2001 -2004 гг.),
индивидуальных грандов ГНУ "НИИ ВН при ТПУ" за 2002 - 2004 гг.
Цель работы включала изучение структуры потерь энергии при пробое высокопроводящих жидкостей, выбор метода инициирования разряда в бетонных растворах, обоснование необходимых параметров источника импульсов для производства электронабивных свай, а также разработку на основе данных исследований опытной стационарной установки и проведение ее испытаний на макетах скважин.
Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
Экспериментально исследовать и теоретически оценить уровень потерь энергии импульса в предпробивной и завершающей стадиях развития разряда в жидких средах с различной проводимостью.
Исследовать и выбрать эффективные технологические методы инициирования разряда в проводящих средах с целью организации электрического пробоя.
Изучить влияние электрических разрядов на цементные растворы и прочность образующегося цементного камня.
Разработать и изготовить экспериментальный образец электротехнической установки и на макете скважины провести испытания по созданию и формированию электронабивных свай с требуемыми прочностными свойствами и необходимым профилем.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Показано, что для оценки потерь энергии формирования разряда
необходимо учитывать количество лидерных образований, развивающихся с потенциального электрода. Предложена методика расчета потерь энергии в предпробивной стадии развития разряда.
Установлено, что метод инициирования разряда, реализуемый протеканием зарядного тока через рабочий промежуток, позволяет эффективно формировать локальный канал разряда в высокопроводящих жидкостях, в том числе в бетонных растворах, и уменьшить потери энергии в предпробивной стадии развития разряда на ~ 30 %.
Установлено, что прочность цементного камня, полученного после обработки цементных растворов электрическими разрядами, увеличивается от 30 до 50 % по сравнению с контрольными образцами. Применение схемы с протеканием зарядного тока обеспечивало максимальное значение прочности.
Предложена и экспериментально подтверждена методика расчета конфигурации электронабивной сваи от характеристик грунта и параметров импульсов.
Автор выносит на защиту:
-результаты экспериментальных исследований и теоретических оценок потерь энергии на стадии формирования разряда в жидкостях с различными значениями проводимости;
-результаты исследований методов инициирования импульсного разряда в высокопроводящих жидкостях;
-результаты исследования прочностных свойств цементного камня, полученного из растворов, обработанных электрическими разрядами;
-методику расчета параметров импульса и оценку ударных воздействий на бетонный раствор и грунт, окружающий скважину;
-опытную установку для производства электронабивных свай и результаты ее испытаний на макете скважины.
Достоверность и обоснованность результатов положений, выводов и
10 рекомендаций настоящей диссертационной работы гарантирована
необходимым объемом экспериментальных исследований, обеспечивающих
статистический анализ результатов, использованием современных методов
измерений и соответствующей аппаратуры, адекватностью расчетных,
экспериментальных данных по оценке потерь энергии в стадии развития
разряда и изменения геометрии бетонного тела электронабивной сваи, а
также подтверждается сравнением полученных результатов с результатами
других исследователей, практической реализацией научных положений и
выводов при создании и успешном испытании опытной установки.
Практическая значимость и реализация работы.
Расширена область использования электроразрядной технологии для создания электронабивных свай в ненасыщенных водой грунтах.
Проведены успешные испытания опытной установки для производства электронабивных свай на макете скважины глубиной до Юм.
Разработана опытная установка для производства электронабивных свай, включающая генератор импульсов и рабочий снаряд, которые обеспечивают необходимые ударные нагрузки на бетонный раствор и окружающий грунт при энергии импульса на порядок меньшей, чем использовалась до настоящего времени.
Полученные результаты могут быть использованы в других электрогидравлических установках, например, для очистки внутренних поверхностей водопроводных труб, увеличения дебита скважин и очистки фильтров в них, а также для повышения прочностных характеристик бетона.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
докладывались и обсуждались на научно-практической конференции-
выставке «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве»
(Россия, Москва, 2002 г.), Международной научно-технической конференции
«Состояния и перспективы развития электротехнологии»
(Россия, Иваново, 2003 г.), 8-ой Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность»
(Россия, Томск, 2002 г.), The 7th Korea-Russia international symposium on Science and Technology (Korea, Ulsan, 2003), The 8th Korea-Russia international symposium on Science and Technology (Russia, Tomsk, 2004), 13th International Symposium on High Current Electronics Technology (Russia, Tomsk, 2004), а также на научных семинарах ГНУ "НИИ ВН при ТПУ".
Публикации. Основное содержание и результаты исследований опубликованы в 4-х научных статьях, 1-ом патенте РФ, 3-х докладах в трудах научных конференций и 3-х тезисах докладов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения с общим объемом 170 страниц, включая 41 рисунок, 28 таблиц и 2 приложения. Список цитируемой литературы содержит 114 ссылок.
Уширение пяты сваи камуфлетным взрывом
Сваи с уширением пяты разделяют на несколько видов, отличающихся конструкцией и способом изготовления ствола [2, 3]. Во всех видах свай уширение образуется за счет энергии взрыва химического ВВ. Уширенная полость в основании свай образуется либо одним взрывом сосредоточенного заряда, либо двумя последовательными взрывами (методом двойного камуфлетирования), либо взрывом кольцевого заряда или групповым взрывом нескольких зарядов, расположенных по периметру скважины. Сваи с камуфлетным уширением [2-4, 12-14] рекомендуется применять в экономически целесообразных случаях для любых зданий и сооружений. Они могут иметь набивной ствол или сборный ствол из железобетонных свай заводского изготовления [1 4, 12—17].
Сваи с уширением пяты изготовляют по технологической схеме, приведенной на рис. 1.1. Вначале производят бурение скважины. Установка обсадных труб производится непосредственно перед взрывом - при устройстве скважин в устойчивых связных фунтах и сразу же после изготовления скважин - в песчаных грунтах, в которых стенки скважин могут оплывать или обрушаться через небольшой промежуток времени после их изготовления. При прорезании слабых водонасыщенных грунтов проходка скважин осуществляется с одновременной обсадкой трубами. В таких случаях ствол сваи изготовляют с защитной оболочкой, которую извлекают ступенями по мере бетонирования или оставляют в грунте.
Технологическая схема устройства набивных свай с камуфлетной пятой: 1 - бурение скважины; 2 - установка инвентарной обсадной трубы с воронкой; 3 - установка заряда взрывчатого вещества (ВВ) и заполнение скважины бетонной смесью литой консистенции; 4 - образование камуфлетной пяты взрывом заряда ВВ и добавление бетонной смеси; 5 - перестановка трубы в другую скважину, установка арматурных стержней и формирование головы сваи в инвентарной опалубке под проектную отметку и создание бетонной пробки. После камуфлетного уширения производится армирование и остаточное бетонирование ствола скважины.
Устройство камуфлетного уширения в основании железобетонной сваи заводского изготовления показано на технологической схеме, приведенной на рис. 1.2. До изготовления камуфлетного уширения, работы выполняют в такой же последовательности, как и для свай с набивным стволом. После подрыва заряда в скважину добавляют порцию бетона, извлекают обсадную трубу, устанавливают в скважине с помощью стрелового крана железобетонную сваю-стойку и, с использованием вибропогружателя или молота, забивают сваю до проектной отметки. При этом острие сваи должно быть заглублено в бетонную смесь до центра пяты. Если имеются зазоры между стволом сваи и стенками скважины, то их заполняют жидким раствором.
Удельное сопротивление грунтов под камуфлетной пятой приближается к сопротивлению грунта под подошвой обычного фундамента. Основные проблемы, возникающие при устройстве фундаментов с набивными сваями и камуфлетиым уширением, связаны с тем, что: - достаточно сложно обеспечить сплошность бетонного ствола и камуфлетного уширения; -при неоднородных напластованиях грунтов, а также при укладке заряда несимметрично относительно оси ствола форма камуфлетной пяты получается несимметричной; - для производства взрывов требуется привлекать специализированную организацию, имеющую соответствующую лицензию на производство таких работ; -запрещается применение этого способа при опасности повреждения взрывом близлежащих зданий или сооружений, а также в водонасыщенных песках, текучих, текучепластичных и скальных грунтах.
Технологическая схема устройства железобетонных свай-стоек с камуфлетной пятой: / - бурение скважины; 2 - установка обсадной трубы с воронкой; 3 - опускание заряда ВВ и заполнение скважины бетонной смесью литой консистенции; 4 - образование уширенной пяты взрывом заряда;5 добетонирование пяты и ствола сваи до проектной отметки; 6 - перестановка трубы в следующую скважину; 7 - погружение железобетонной сваи-стойки с заглублением конусного конца в бетонную смесь до центра пяты Таким образом, следует сделать вывод, что применение ВВ в геотехническом строительстве вообще, и при производстве набивных свай в частности, достаточно ограничено.
Улучшение несущей способности набивной сваи связано не только с различными методами воздействия на уложенный бетон, но и зависит от состояния грунта как по боковой поверхности сваи, так и в ее основании. Разработанные методы и приемы производства набивных свай, как правило, не решают этих задач в комплексе. Необходимо найти такое технологическое решение, которое обеспечивало бы уширение пяты и уплотнение под ней грунта, а также уплотнение грунта по поверхности сваи, придание ей волнообразной формы и уплотнение бетона в теле сваи. Этим требованиям отвечает электрогидравлический метод, сущность которого заключается в воздействии на бетонную смесь, закачанную в скважину, и окружающий грунт мощными импульсными разрядами. При таком воздействии имеется возможность широкого регулирования энергетических параметров. Электрический разряд в бетонной смеси положительно влияет на прочностные свойства бетона. Кроме того, при использовании электрогидравлического метода практически сводится к минимуму динамическое воздействие на расположенные рядом здания, строения и коммуникации.
Генераторы импульсных токов
В процессе проведения исследований использовались два генератора импульсных токов (ГИТ-1 и ГИТ-2), принципиальные электрические схемы которых представлены на рис. 2.1 и рис. 2.2, соответственно. Используемые в работе источники импульсов позволяли в широких пределах регулировать энергию единичного импульса при неизменности других параметров разрядного контура. Основные параметры этих источников представлены в табл. 2.1. Генераторы импульсных токов, используемые в экспериментальных исследованиях, собраны на импульсных малоиндуктивных конденсаторах ИК 100-0.1, ИК 1004).4 и ИКГ50-1/У1, варьирование энергии импульсов достигалось изменением количества конденсаторов.
Генератор импульсных токов (ГИТ—2) использовался для физических исследований, поскольку данный генератор обладает более широкими возможностями для варьирования параметров импульса. Следует отметить, что его зарядное устройство обладает меньшей мощностью, вследствие чего ГИТ-2 работал в режиме формирования одиночных импульсов, однако данная особенность не является принципиальной для изучения физических процессов в разряде. Зарядным устройством ГИТ-2 является однофазный высоковольтный трансформатор ИОМ 100/25 с выпрямительным блоком, собранным на ВКС 7000—5, регулировка уровня напряжения осуществлялась посредством РНО 250/10, ГИТ-2 снабжен пусковым устройством, обеспечивающим его синхронное срабатывание совместно с запуском измерительной и оптической аппаратуры. В связи с необходимостью фиксации электрических параметров разряда, схема установки включает все необходимые измерительные комплексы, а также схему синхронизации подачи импульса с запуском оптических приборов и подсветкой рабочего промежутка (импульсной или стационарной).
Использовались две схемы зарядки генераторов импульсов: классическая схема, когда зарядные цепи отделены от разрядного контура, и схема, когда зарядка конденсаторных батарей осуществляется через рабочий промежуток. Полярность импульсов была положительной, что требовало соответствующих переключений при использовании второй схемы зарядки. Уровень амплитуды импульса регулировался зазором разрядного промежутка в воздушном шаровом разряднике (диаметр шаров - 60,5 мм), что позволяет использовать градуировочные таблицы [61] для грубой оценки амплитуды импульса напряжения. Для более точной оценки уровня напряжения конденсаторной батареи использовался киловольтметр марки С-100, позволяющий с точностью не менее 5,0 % фиксировать амплитуду напряжения, прикладываемого к разрядному промежутку.
Для регистрации импульсов напряжения и тока в разрядной цепи использовались омические делители типа Раске-Балыгина и токовые шунты Роговского [62,63]. В качестве регистрирующей аппаратуры применялись двухканальный осциллограф ОК-17 и запоминающий осциллограф С 8-17. Для передачи сигнала к осциллографам использовались радиочастотные кабели с волновым сопротивлением іїк = 75 Ом. В качестве примера на рис. 2.3 приведены характерные осциллограммы тока и напряжения импульса.
Омические делители напряжения Раске-Балыгина имели специальный выравнивающий экран, обеспечивающий равномерное распределение импульсного напряжения по длине делителя [64]. Это позволяло измерять амплитуду и форму импульса напряжения практически без искажения с постоянным коэффициентом деления в диапазоне частот от 40 кГц до 10 МГц. Градуировка делителей напряжения и токового шунта проводилась совместно с калибровкой осциллографов по методике, приведенной в [62]. Схема градуировки делителя напряжения представлена на рис. 2.4, а схема градуировки токового шунта - на рис. 2.5.
Расчет потерь энергии на стадии формирования канала разряда в водоцементных растворах
В настоящем разделе предложенная выше методика расчета потерь используется для случая, когда обрабатываемой средой являются водоцементные суспензии, водоцементные, песчаные или бетонные растворы, удельное сопротивление которых может изменяться от 4-Ю2 до 2-103Ом-см. Известно [35-37,53,78,88], что кинетика развития разряда одинакова в средах с различной проводимостью. Согласно выражению (3.5), время создания перегревной неустойчивости, соответствующее времени долидернои стадии формирования разряда, пропорционально уменьшается с увеличением удельной электропроводности жидкости. Сопротивление рабочего промежутка R0 также пропорционально уменьшается с ростом о. Следовательно Wu согласно выражению (3.7), не зависят от электропроводности и при U0 = const определяются только длиной рабочего промежутка, конструкцией рабочей камеры и энергией импульса. Вследствие указанной особенности для оценки потерь в этой стадии развития разряда можно воспользоваться результатами расчета, представленными в табл. 3.4. В табл. 3.9 приведены экспериментальные значения времени задержки импульса и величины сопротивления электродной системы для воды с рда 1,5-103Ом-см, /о«ЗОкВ, диаметр электрода Й?=1,2СМ. Расчетные и экспериментальные значения сопротивлений достаточно хорошо совпадают. Времена запаздывания разряда, полученные экспериментально, значительно превышают время долидернои стадии развития разряда, что может быть связано с увеличением длительности лидерной стадии (см. табл. 3.9). Используя выражение (3.9), определим скорость развития лидера и длительность времени лидерной стадии. Полученные расчетные данные представлены в табл. 3.10. Следует отметить, что с увеличением электропроводности жидкости средние скорости движения лидеров уменьшаются, что связано с существенным выравниванием электрического поля в рабочем промежутке и снижением напряженности поля Е\ при увеличении длины рабочего промежутка.
Результаты расчета значений п по выражению (3.11) сведены в табл. 3.11. Число плазменных каналов и, стартующих с потенциального электрода и пересекающих большую часть рабочего промежутка, увеличивается с ростом электропроводности жидкости, что следует из сравнения данных из табл. 3.3 и 3.11 и подтверждает результаты работы [49].
Потери энергии в лидерной стадии развития разряда представлены в табл. 3.12. Эти результаты можно использовать для оценки потерь энергии в водоцементных растворах при использовании генератора импульсов, у которого рабочий промежуток отделен от нагрузки выходным разрядником. Сводные значения потерь энергии в предпробивной стадии развития разряда приводятся в табл. 3.13. Из представленных результатов видно, что увеличение проводимости раствора приводит к росту числа каналов, уменьшению скорости прорастания лидерных образований и, в конечном итоге, к увеличению потерь Wi, которые являются определяющими в общей структуре потерь энергии в предпробивной стадии развития разряда.
Проверку результатов расчета провели с использованием экспериментально оцененной вероятности пробоя жидкости с р 1,5-Ю3 Ом-см в рабочей камере 1, а также по времени запаздывания разряда т3, определяемому по осциллограммам. Экспериментально измеренное и расчетное время запаздывания удовлетворительно совпадают. Оценки вероятности пробоя представлены в табл. 3.14. Если считать, что при вероятности пробоя 50 % потери энергии в предпробивной стадии развития разряда приблизительно равны энергий импульса, то совпадение результатов расчета и данных эксперимента следует признать удовлетворительными.
Оценка потерь энергии по вероятности пробоя рабочего промежутка является «оценкой по конечным показателям» и не дает полной информации о структуре потерь энергии. Поэтому целесообразно экспериментально оценить количество образованных лидеров, пересекающих основную часть рабочего промежутка, времена долидерной и лидерной стадий. Эта задача решалась с использованием скоростного фотографирования разряда в рабочей камере 2 с прозрачными стенками. Для уменьшения количества лидеров, образующихся в тройной точке, был сделан радиально-щелевой зазор. В качестве примера на рис. 3.7 представлена фоторазвертка и осциллограмма разряда в жидкости с электропроводностью р» 1,5-103 Ом-см, полученные для С/о«ЗОкВ, Wo-ІВОДяс, /ргт-10мм. Результаты расчета и экспериментов приведены в табл. 3.15. Представленные результаты показывают удовлетворительное совпадение данных эксперимента и расчета, подтверждают возможность использования предлагаемой методики для оценки затрат энергии в предпробивной стадии развития разряда при разных значениях энергии импульса, а также указывают на правомерность структурного деления потерь энергии.
Активация электрическими разрядами растворов при различных водоцементных соотношениях
Как было отмечено выше, в состав бетона для изготовления набивных свай входит песок. Известно [65,66,107], что песок за счет развитой поверхности связывает часть воды из раствора. При заводском производстве свай водоцементное соотношение составляет В/Ц ==0,5, что является оптимальным для обеспечения необходимой прочности свай. Если В/Ц 0,5, то, как правило, часть воды не участвует в реакции, тем самым увеличивая пористость бетона, что, соответственно, снижает его прочностные характеристики. Если В/Ц 0,5, то происходит более быстрое схватывание раствора, при этом прочность бетона также снижается.
Оценку прочности бетона при различных водоцементных соотношениях можно проводить по эмпирической формуле [66]: а„=Аои(ВЛ\-С) (4.1) где Сеж — прочность бетона после 28 суток, ац — активность цемента, А и С - численные коэффициенты, учитывающие влияние заполнителей и других факторов на прочность бетона. В обычных условиях приготовления бетона значения А к С принимаются равными, 0,6 и 0,5, соответственно [66]. При производстве набивных свай с воздействием электрических разрядов выбор оптимального водоцементного соотношения представляет собой сложную задачу. Так, при выборе водоцементного соотношения надо ориентироваться на максимальную прочность бетона, т.е. использовать минимально необходимое количество воды, которая обеспечит полную гидратацию цемента, т.е. В/Ц должно быть равно 0,5. При этом, однако, бетонная смесь имеет тестообразное состояние, и для укладки в скважину с ее полным заполнением требуется использование специальных насосов, обеспечивающих повышенное давление. И, наконец, для изготовления электронабивных свай такие смеси практически непригодны, так как парогазовая полость, образованная за счет испарения в разряде воды, может не схлопнуться. Таким образом, при использовании электроразрядной технологи в производстве свай необходимо существенно увеличить водоцементное соотношение, что, в свою очередь, приведет к увеличению текучести, удобоукладываемости и сплошности бетонной смеси. В этом случае за счет излишков воды должна уменьшаться прочность сваи. Однако при производстве набивных свай следует учитывать водопоглощение, которое зависит от типа грунта. Степень поглощения избыточной воды будет также изменяться по высоте скважины в зависимости от свойств и толщины соответствующих слоев окружающего грунта. По-видимому, возможно подобрать водоцементное соотношение с учетом водопоглощения грунтами, которое удовлетворит требованиям электроразрядной технологии и обеспечит максимальную прочность свай.
При использовании выражения (4.1) для определения прочности бетонной сваи при высоком водоцементном соотношении смеси водопоглощение грунта может быть учтено изменением коэффициентов А и С. Поскольку в это выражение входит активность цемента, то рост ее при обработке раствора разрядами приведет к увеличению прочности бетона. Для выяснения данной возможности были проведены специальные исследования прочности бетонного камня при обработке разрядом растворов с различным значением водоцементного соотношения. Методика проведения экспериментов, марка цемента, параметры импульса и конструкции рабочих камер были рассмотрены в разд. 2.1. К одному обрабатываемому объему (Юл) прикладывалось до 150 импульсов. При проведении экспериментов использовалась схема с протеканием зарядного тока через рабочий промежуток. Результаты измерений прочности представлены в табл. 4.3. Как следует из представленных результатов, с увеличением водоцементного соотношения от 0,5 до 0,8 прочность цементного камня на сжатие уменьшается. Однако прочность цементного камня, полученного из обработанного электрическими разрядами раствора, выше, чем у контрольных образцов, более чем на 50%. Это означает, что активность цемента была увеличена при воздействии разряда, по крайней мере, в 1,5 раза по сравнению с активностью необработанного цемента. Так, показатель активности цемента у контрольных образцов, не подвергнутых воздействию разряда, составляет 402 кГс/см при В/Ц = 0,5, а у обработанных электрическими разрядами образцов при соотношении В/Ц = 0,7 этот показатель достигает 363 кГс/см. То есть, происходит увеличение прочности бетона даже при водоцементном соотношении, превышающем рекомендованные значения. Следовательно, при использовании электроразрядной технологии для производства набивных свай бетонная смесь должна иметь водоцементное соотношение более 0,5, которое должно подбираться с учетом наполнителя и геотехнических характеристик грунта. При правильном выборе водоцементного соотношения электроразрядный способ обработки бетона будет достаточно эффективен, а прочностные и несущие характеристики сваи возрастут.
