Совершенствование способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных грунтах с использованием электрических разрядов 05. 23. 02 Основания и фундаменты, подземные сооружения

Вид материала

Автореферат

Содержание Научный руководитель Ющубе Сергей Васильевич Нуждин Леонид Викторович Общая характеристика работы Предмет исследования – Цель работы Научная новизна работы Достоверность и обоснованность Практическая значимость и реализация работы. Личный вклад автора На защиту выносятся следующие положения Апробация работы. Структура и объем диссертационной работы. Содержание работы Во второй главе В третьей главе D от количества импульсов N Пятая глава Рекомендуется следующая последовательность определения несущей способности свай, устраиваемых электроимпульсным способом Общие выводы ... Полное содержание

Подобный материал:

• Исследование прочности и устойчивости грунтовых массивов 05. 23. 02 Основания и фундаменты,, 526.69kb.
• Мгсн 19-05, 2261.89kb.
• I редакция здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах, 1009.37kb.
• В. Маркуц Определение осадки основания земляного полотна на глинистых переувлажнённых, 24.98kb.
• Фундаменты и их конструктивные решения Фундаменты, 68.31kb.
• Радикальное энергетическое совершенствование электрических машин переменного тока, 468.15kb.
• Радикальное энергетическое совершенствование электрических машин переменного тока, 468.58kb.
• Радикальное энергетическое совершенствование трансформаторов и электрических машин, 469.12kb.
• Ватости поверхности заготовки с применением электрических разрядов, магнитострикционного, 2111.77kb.
• Фундаменты на просадочных грунтах, 84.59kb.

На правах рукописи


САМАРИН Дмитрий Геннадьевич


СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА УСТРОЙСТВА

БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ В МАЛОВЛАЖНЫХ ГРУНТАХ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ


05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2005

Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете и Научно-исследовательском институте строительных материалов, г. Томск


Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Полищук Анатолий Иванович


Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент

Ющубе Сергей Васильевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Кушнир Семен Яковлевич


кандидат технических наук,

доцент

Нуждин Леонид Викторович


Ведущая организация:


Сибирский государственный университет путей сообщения (г. Новосибирск)


Защита диссертации состоится «7» декабря 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.02 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, корп. 2, читальный зал.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.


Автореферат разослан «5» ноября 2005 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета: Недавний О.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы. В последние годы в практике строительства и реконструкции зданий большой интерес проявляется к фундаментам из буроинъекционных свай, создаваемых при помощи электрических разрядов в бетонной смеси (электроимпульсный способ устройства свай). Такой способ позволяет уплотнять околосвайный грунт и уширять ствол сваи, что обеспечивает их высокую несущую способность.

Электроимпульсный способ устройства свай используется в основном в слабых обводненных грунтах. До настоящего времени практически не было научного обоснования его применения в маловлажных грунтах, например, песчаных. Такие грунты интенсивно обезвоживают бетонную смесь, что приводит к нарушению устойчивости процесса устройства свай. В научно-технической литературе мало результатов экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния системы буроинъекционная свая – маловлажный грунт, формируемой при действии электрических разрядов в бетонной смеси, и влияния на эту систему энергетических параметров электрических разрядов.

Совершенствование электроимпульсного способа устройства свай в маловлажных песчаных грунтах позволит повысить надежность и эффективность использования буроинъекционных свай, создаваемых при помощи электрических разрядов.

Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением ее разделов по следующим госбюджетным темам:

1. 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.

2. 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, обеспечивающего возможность его эффективного применения при малой влажности основания.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

1. Разработать методику исследований формирования системы буроинъекционная свая – маловлажный песчаный грунт при действии электрических разрядов в бетонной смеси.

2. Установить рациональные энергетические параметры электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах и их влияние на силовое действие разряда в бетонной смеси.

3. Определить состав бетонной смеси, обеспечивающий сохранение ее пластических свойств при электроимпульсном способе устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах.

4. Исследовать напряженно-деформированное состояние формируемой системы буроинъекционная свая – маловлажный песчаный грунт при действии электрических разрядов в бетонной смеси.

5. Разработать рекомендации по определению геометрических размеров и несущей способности буроинъекционных свай, устраиваемых при помощи электрических разрядов в маловлажных песчаных грунтах.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что определяющим фактором при формировании уширения 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.

2. Установлено влияние энергетических параметров разряда (напряжения, разрядной емкости, межэлектродного расстояния) и времени действия импульсной нагрузки на напряженно-деформированное состояние системы 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 гелеобразующим веществом. Введение в бетонную смесь метилгидроксиэтилцеллюлозы (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.
  

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 фундаментостроению», «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.
  

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований состава бетонной смеси и энергетических параметров для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах.

2. 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 175 страниц, включая 118 страниц текста, 77 рисунков, 15 таблиц и приложения. Список литературы содержит 134 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и приведена общая характеристика работы.

В первой главе дан литературный обзор опыта применения электроимпульсных технологий в геотехническом строительстве.

Современный уровень развития электроимпульсных технологий в геотехническом строительстве достигнут благодаря исследованиям Бахолдина Б.В., Гаврилова Г.Н., Далматова Б.И., Ломизе Г.М., Улицкого В.М., Борисенкова В.И., Бровина С.В., Бухова В.М., Гильмана Я.Д., Головченко В.Т., Джантимирова Х.А., Евдокимова В.С., Егорова А.Л., Еремина В.Я., Кадушкина Ю.В., Кириллова Ю.А., Коровина С.К., Королева Б.А., Куркова В.И., Мещерякова А.Н., Муха А.Г., Ромащенко Н.М., Семушкиной Л.А., Хлюпиной Л.П., Шеляпина Р.С., Юткина Л.А., Яссиевича Г.Н. и других. Существенное развитие электроимпульсные технологии получили в г. Москве при устройстве буроинъекционных свай, где они реализуются проектно-строительной фирмой РИТА и другими организациями с 1992 года.

Электроимпульсные технологии устройства буроинъекционных свай существенно повышают их несущую способность. Это связано с формированием уширения ствола сваи и уплотненной зоны в околосвайном пространстве при действии электрических разрядов в бетонной смеси. Электроимпульсные технологии устройства буроинъекционных свай используются в основном в слабых обводненных грунтах. Такие грунты, при силовом действии электрических разрядов, возбуждаемых в бетонной смеси, легко разжижаются и уплотняются. При этом ствол буроинъекционной сваи получает необходимое уширение. Однако в маловлажных грунтах, например песчаных, эффективность электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай снижается. Одним из решающих факторов является время действия импульсной нагрузки, которого оказывается недостаточно для уширения ствола сваи. Анализ результатов исследований применения электроимпульсных технологий в различных отраслях промышленности показывает, что время действия давления от разряда в значительной степени определяется соотношением энергетических параметров разряда (напряжения и разрядной емкости). При соотношении энергетических параметров разряда, обеспечивающих переход с теплового пробоя межэлектродного промежутка на лидерный, увеличение энергии разряда может обеспечить рост длительности действия импульсной нагрузки и, соответственно, повысить эффективность электроимпульсного способа устройства свай в маловлажных грунтах.

При изготовлении буроинъекционных свай свойства бетонной смеси, в которой происходит электрический разряд, могут изменяться, например, вследствие ее обезвоживания. Это приводит к резкому уменьшению давления на стенке скважины, и к нарушению устойчивости или к полной остановке процесса устройства свай. Поэтому, требуется изучение фильтрации воды в системе буроинъекционная свая – грунт и оценка ее влияния на процесс устройства сваи электроимпульсным способом.

Установлено, что достаточно трудной задачей является прогнозирование геометрических размеров поперечного сечения ствола сваи, устраиваемой электроимпульсным способом. Решение этой задачи сводится к оценке напряженно-деформированного состояния системы буроинъекционная свая – маловлажный грунт основания. В настоящее время размеры уширения ствола сваи определяются по аналоги с размерами камуфлетной полости, образуемой при взрыве взрывчатого вещества, где механическая работа производится действием ударной волны. Размеры уширения ствола сваи являются функцией энергии разряда и не зависят от соотношения энергетических параметров разряда. Анализ экспериментальных данных показывает, что определяющим фактором уширения ствола сваи в маловлажных грунтах может быть давление от парогазовой полости, которое отличается от давления ударной волны по характеру действия на обрабатываемый объект. Обстоятельство, что размеры уширения ствола сваи являются только функцией энергии разряда сомнительно и требует экспериментальной проверки.

На основании проведенного литературного обзора были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе представлена методика проведения экспериментальных исследований параметров электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных песчаных грунтах. Это энергетические параметры разряда (напряжение, разрядная емкость, межэлектродное расстояние) и параметры материала ствола сваи (состав бетонной смеси, добавки, соотношение воды и цемента, соотношение песка и цемента).

Опыты по определению минимального уровня напряжения, при котором происходит переход от теплового пробоя межэлектродного промежутка к лидерному, осуществлялись в лаборатории электроимпульсных технологий ФГНУ НИИ высоких напряжений (г. Томск). Использовалось стандартное оборудование, которое позволяет производить фотосъемку разряда при его формировании в жидкой среде (генератор импульсных токов, скоростной фоторегистратор, камера со встроенной электродной парой).

Исследования влияния энергетических параметров разряда на время действия давления в бетонной смеси, создаваемого на стенке ствола сваи, проводились на опытном стенде (рис. 1). Опытный стенд состоит из рабочей камеры 1 (150150200 мм), заполняемой бетонной смесью, со встроенными электродами 2. Корпус камеры крепится к станине 3. Возбуждение в камере электрических разрядов приводит к возникновению импульсной нагрузки (электрогидравлических ударов). Создаваемое при этом давление передается на тензометрический динамометр 5. Полученный сигнал с тензометрического динамометра передается на приемно-измерительную систему 9. В качестве источника разрядов использовался генератор импульсных токов 10. Расстояние от центра разряда до динамометра соответствовало расстоянию от разряда до стенки ствола сваи.





3




Рис. 1. Схема опытного стенда: 1 – рабочая камера; 2 – электроды; 3 – станина; 4 – жесткий штамп; 5 – тензометрический динамометр; 6 – текстолитовые пластины; 7 – металлические тяжи; 8 – резиновая диафрагма; 9 – приемно-измерительная система; 10 – генератор импульсных токов


Опытный стенд использовался и для оценки силового действия разряда при различном влагосодержании бетонной смеси. Опыты проводились с 6 – 10-ти кратной повторяемостью по программе, изложенной в диссертации.

Апробация энергетических параметров разряда для электроимпульсного способа устройства буроинъекционных свай в маловлажном песчаном грунте проводилась на сваях-моделях. Эти исследования выполнялись в экспериментальном модуле (рис. 2). Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Рабочая камера 1 заполнялась маловлажным песчаным грунтом. После монтажа основных элементов





Рис. 2. Схема экспериментального модуля, предназначенного для моделирования процесса электроимпульсного способа устройства буроинъекционной сваи: 1 – рабочая камера; 2 – крышка; 3 – станина; 4 – ребра жесткости; 5 – центральное отверстие; 6 – разрядник; 7 – резиновая пластина; 8 – давление, передаваемое от компрессора; 9 – водяная подушка; 10 – манометр; 11 – ствол буроинъекционной сваи; 12 – электрический разряд; 13 – сформированное уширение

экспериментального модуля на грунт передавалось давление p = 100 кПа, что соответствовало устройству уширения нижнего конца сваи в натурных условиях на глубине 6 м. Затем формировался ствол буроинъекционной сваи 11.

Способ формирования ствола сваи включал следующие операции: устройство скважины диаметром 110 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 его обработка электрическими разрядами 12. При этом, в состав бетонной смеси вводилось гелеобразующее вещество для ограничения влагопотерь бетонной смеси в процессе устройства сваи.

В исследованиях использовались маловлажные пески со следующими характеристиками: плотность  = 1,65 – 1.68 гр/см³; плотность частиц грунта _s = 2,65 – 2,66 гр/см³; коэффициент пористости e = 0,76 – 0,79; естественная влажность w = 9 – 11%; коэффициент водонасыщения S_r = 0,3 –0,35; угол внутреннего трения  = 23 – 25⁰; удельное сцепление с = 1 – 2 кПа; модуль деформации E = 15 – 18 МПа.

Разработанная методика исследований параметров электроимпульсного способа устройства свай при действии электрических разрядов в бетонной смеси, позволила решить поставленные задачи.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований влияния энергетических параметров (напряжения, разрядной емкости, межэлектродного расстояния) и параметров материала ствола сваи на электроимпульсный способ устройства свай.

Установлено, что при обеспечении лидерного пробоя межэлектродного промежутка (рис. 3) увеличение энергии разряда приводит к росту длительности действия импульсной нагрузки. Так, при энергии разряда W = 1,8 кДж, длительность действия импульсной нагрузки составляет 0,002 сек (рис. 4, а). Увеличение энергии до 4,5 кДж приводит к увеличению времени действия импульсной нагрузки до 0,006 сек. (рис. 4, б).

Показано, что при энергии разряда W = 4,5 кДж и энергетических параметрах – напряжения U = 30 кВ, разрядной емкости C = 10 мкф и

межэлектродного расстояния 35 – 40 мм, формируется существенное уширение ствола сваи. Диаметр уширенной части ствола сваи практически в два раза превышает ее первоначальный.


а б


Рис. 3. Формирование разряда: а – тепловым способом (U = 20 кВ);

б – лидерным способом (U = 30 кВ);

1 – электрод; 2 – газовый чехол; 3 – электрический разряд


Выявлено, что при устройстве буроинъекционных свай электроимпульсным способом в маловлажных песчаных грунтах происходит интенсивное обезвоживание материала ствола сваи путем фильтрации его жидкой составляющей в пористую грунтовую среду. В результате бетонная смесь теряет пластичность, что приводит к остановке процесса устройства сваи. Определяющим фактором обезвоживания материала ствола сваи является непосредственное силовое действие разряда. Установлено, что введение гелеобразующего вещества в состав бетонной смеси приводит к прекращению ее обезвоживания. Показано, что использование гелеобразующего вещества, позволяет обеспечить: устойчивый процесс устройства сваи, стабильность импульсной нагрузки и эффективную передачу ее силового действия окружающей среде. Все это позволяет формировать существенное уширение ствола сваи в маловлажных песчаных грунтах.

В проводимых исследованиях использовалось гелеобразующее вещество Walocel мкх 25000 рр 20 – продукт германской фирмы "Вольф Вальсроде" АО.



а



б

Рис. 4. Характерные осциллограммы давления p на стенке скважины диаметром 110 мм при энергии разряда W: а – при W = 1,8 кДж; б – при W = 4,5 кДж

В четвертой главе приведены методика и результаты исследований напряженно-деформированного состояния формируемой системы буроинъекционная свая – маловлажный песчаный грунт при действии электрических разрядов в бетонной смеси. Исследования проводились в экспериментальном модуле (рис. 2). Давление в грунте измерялось тензометрическими датчиками М – 70, разработанными в ЦНИИСКе (автор Баранов Д.С.). Перемещения грунта вокруг ствола сваи измерялись металлическими марками специальной конструкции, приведенной в диссертации. Марки и тензометрические датчики устанавливались на стенке скважины, а также на различном удалении от нее.

Установлено, что развитие деформаций в системе в значительной степени определяется соотношением энергетических параметров разряда (напряжения U и разрядной емкости C). При одинаковой энергии разряда, но различном соотношении энергетических параметров, деформации грунта основания изменяются (рис. 5). Так, при U = 30 кВ, C = 10 мкф (W = 4,5 кДж) диаметр уширеной части ствола сваи составляет 190 – 210 мм, а при U = 47,5 кВ, C = 4 мкф (W = 4,5 кДж) – 130 – 145 мм.




Рис. 5. Зависимости диаметра сваи D от количества импульсов N:

1 – U = 30 кВ, C = 10 мкф (W = 4,5 кДж);

2 – U = 47,4 кВ, C = 4 мкф (W = 4,5 кДж);

U – напряжение; C – разрядная емкость; W – энергия разряда





Рис. 6. Распространение давления p в грунте основания на различном

расстоянии R от стенки скважины (от единичного разряда):

1 – U = 30 кВ, C = 10 мкф (W = 4,5 кДж);

2 – U = 47.4 кВ, C = 4 мкф (W = 4,5 кДж);

U – напряжение; C – разрядная емкость; W – энергия разряда


Выявлено, что изменение соотношения энергетических параметров (напряжения и разрядной емкости) приводит к изменению характера распространения давления в грунте (рис. 6). Установлено, что при режимах разряда, когда энергия разряда формируется за счет изменения напряжения при постоянной разрядной емкости, деформации грунта основания быстро затухают. Интенсивный характер развития деформации грунта носят в том случае, если рост энергии разряда происходит за счет увеличения разрядной емкости при заданном напряжении. При устройстве уширения ствола сваи влияние разрядной емкости тем больше, чем выше энергия разряда.

В работе показано, что определяющим фактором формирования уширения ствола буроинъекционной сваи является время действия импульсной нагрузки, которое зависит от разрядной емкости. Увеличение времени действия импульсной нагрузки приводит к интенсивному распространению давления в грунте основания. При этом, зона деформируемого грунта вокруг сваи увеличивается. Например, на расстоянии R = 100 мм от стенки скважины, при U = 47,5 кВ, C = 4 мкф (W = 4,5 кДж) перемещения грунта составляют примерно 4 мм, а при U = 30 кВ, C = 10 мкф (W = 4,5 кДж) – 20 мм.

Таким образом, установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния формируемой системы буроинъекционноя свая – маловлажный песчаный грунт в зависимости от энергетических параметров разряда.

Пятая глава посвящена практическому применению результатов исследований. В диссертации предложен подход к определению геометрических размеров поперечного сечения ствола буроинъекционной сваи. Если известно распределение давления в грунте, то можно оценить смещение стенки скважины. Распределение давления в грунте зависит от энергетических параметров разряда и может быть описано зависимостью вида:


, (5.1)


где p(x) – давление в грунте на расстоянии x от ствола сваи; p₀ – давление на стенке ствола сваи; µ – коэффициент аппроксимации, учитывающий характер распространения давления в грунте; R₀ – радиус ствола сваи.

Соотношение (5.1) получено на основе известной зависимости распространения давления в грунте при действии на него импульсной нагрузки (по данным Вовк А.А., 1984 г.).

Используя упругопластическую модель грунта, реализованную в программном пакете Рlaxis, при известном характере распределения давления в грунте, можно определить смещение u стенки скважины от единичного разряда. Дальнейшие деформации ствола сваи от последующих разрядов достаточно хорошо описываются логарифмической зависимостью:


, (5.2)


где d(n) – диаметр ствола сваи после действия разрядов, d₀ – начальный диаметр сваи, u(1) – радиальное смещение стенки скважины от единичного разряда, n – число поданных разрядов.

Соотношение (5.2) является аппроксимацией экспериментальной зависимости смещения стенки скважины от количества разрядов, которая получена в диссертации. Сравнение расчетных и экспериментальных значений изменения диаметра сваи при ее обработке электрическими разрядами показывает удовлетворительное согласие.

Таким образом, формулы (5.1) и (5.2) дают возможность определять геометрические размеры поперечного сечения ствола сваи после ее обработки электрическими разрядами.

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. 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.

Требуемые параметры процесса устройства сваи:

• Энергетические параметры разряда:
  

– напряжение U – 30 кВ,

– разрядная емкость C – не менее 10 мкф,

– энергия разряда W – ≥ 4,5 кДж.

• Частота подачи импульсов –  2 Гц.
  
• Количество импульсов – не менее 10 – 15 при длине сваи
  

до 15 м.

• Межэлектродное расстояние – 35 … 40 мм.
  
• Диаметр скважины Dc – 110 … 250 мм.
  
• Смещение стенки скважины – (0,5 … 0,6) Dc.
  
• Состав бетонной смеси:
  

– водоцементное отношение В/Ц – 0,8,

– П : Ц – 3 : 1, (П – песок, Ц – цемент),

– гелеобразующее вещество (метилгидроксиэтил

целлюлоза – "Walocel мкх 25000 рр 20") –

0,03 % от массы сухой смеси.

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 h_i = (0,1 – 0,2) Dc. В первом приближении принимается количество слоев h_i = 10.

3. Задается давление p₀ на стенке ствола сваи, которое, при диаметре ствола сваи 110 – 250 мм, составляет 1400 – 1800 кПа.

4. Определяется величина давления в каждом слое h_i по формуле (5.1).

5. Определяются перемещения в каждом слое h_i с использованием программного пакета Рlaxis (при исходных данных: угол внутреннего трения , удельное сцепление c, модуль деформации E, плотность грунта ).

6. Суммируются перемещения, полученные для каждого слоя h_i, и определяется полное смещение стенки скважины от единичного разряда u(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;

– принимается коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи _сR = 1 (СП 50-102-2003);

– принимается коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи _сf = 1.3 (СП 50-102-2003).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально установлено, что в маловлажных песчаных грунтах изготовление свай обеспечивается лидерным типом пробоя, позволяющим увеличить время действия импульсной нагрузки и уменьшить требуемые энергетические затраты. Существенное уширение сваи и уплотнение околосвайного грунта достигаются при времени действия импульсной нагрузки от 2 до 6 мс и энергии разряда до 4,5 кДж.

2. Установлено, что в маловлажных песчаных грунтах при устройстве свай электроимпульсным способом, происходит интенсивное обезвоживание бетонной смеси вследствие выдавливания воды в грунт под действием импульсной нагрузки. Устойчивый процесс устройства сваи обеспечивается использованием модифицированной бетонной смеси с гелеобразующим веществом. Введение в бетонную смесь метилгидроксиэтилцеллюлозы в объеме 0,03% от массы смеси позволяет сохранять ее пластические свойства в течение всего интервала времени устройства сваи.

3. Установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния формируемой системы буроинъекционноя свая – маловлажный песчаный грунт в зависимости от энергетических параметров разряда. Определяющим фактором в формировании уширения ствола сваи и уплотнения грунта является время действия импульсной нагрузки, зависящее от емкости разряда. В результате увеличения энергии разряда с 1,8 до 4,5 кДж за счет увеличения разрядной емкости получено развитие диаметра сваи, размер которого превышает первоначальный в два раза. Зафиксированная зона уплотнения грунта составила два диаметра уширенного ствола сваи. Установлены зависимости радиуса уплотненной зоны грунта от энергии разряда.

4. Установлено, что определяющим при совершении механической работы разряда по уширению ствола сваи является давление от парогазовой полости, которое носит квазистатический характер с достаточно длительным временем нарастания на фронте. В экспериментальных исследованиях это время составило 1,5 мс. Измеренное давление в бетонной смеси в замкнутом объеме составило 2,2 МПа, на стенке скважины – 1,8 МПа.

5. Исследование динамки увеличения диаметра ствола сваи показывает, что наибольшие перемещения стенки скважины зафиксированы при первых 15 – 20 импульсах, что соответствует количеству разрядов, принимаемых в существующих электроимпульсных технологиях устройства буроинъекционных свай. При последующих воздействиях зависимость выходит на насыщение, и диаметр ствола сваи практически не изменяется после 30 импульсов.

6. Установлено влияние частоты подаваемых импульсов на стабильность процесса устройства свай. Рекомендуемая частота подачи импульсов составляет не менее 2 Гц.

7. В результате измерения плотности грунта установлено, что в пределах зоны уплотнения вокруг сваи, плотность сухого грунта изменяется от 1,87 г/см³ на стенке скважины до первоначального состояния на его границе. Результаты изменения плотности грунта соответствуют данным измерения зон уплотнения, формируемых при забивке свай. Поэтому, взаимодействие буроинъекционных свай с маловлажным песчаным грунтом основания может быть принято по аналогии с забивной сваей.

8. Установленные экспериментальные зависимости распределения напряжений в маловлажном песчаном грунте от энергии разряда положены в основу решения задачи по определению геометрических размеров поперечного сечения сваи, устраиваемой электроимпульсным способом. Результаты решения, реализованного в программном пакете Plaxis методом конечных элементов, соответствуют результатам эксперимента.

9. Установлены параметры электроимпульсного способа устройства свай в маловлажных песчаных грунтах:

• Энергетические параметры разряда:
  

– напряжение U – 30 кВ,

– разрядная емкость C – не менее 10 мкф,

– энергия разряда W – ≥ 4,5 кДж.

• Частота подачи импульсов –  2 Гц.
  
• Количество импульсов – не менее 10 – 15 при длине сваи
  

до 15 м.

• Межэлектродное расстояние – 35 … 40 мм.
  
• Диаметр скважины Dc – 110 … 250 мм.
  
• Смещение стенки скважины – (0,5 … 0,6) Dc.
  
• Состав бетонной смеси:
  

– водоцементное отношение В/Ц – 0,8,

– П : Ц – 3 : 1, (П – песок, Ц – цемент),

– гелеобразующее вещество (метилгидроксиэтил

целлюлоза – "Walocel мкх 25000 рр 20") –

0,03 % от массы сухой смеси.

10. Разработаны предложения по определению геометрических размеров поперечного сечения буроинъекционной сваи и ее несущей способности.


Список опубликованных работ


1. Самарин Д.Г. Устройство ствола набивных свай с использованием электрических разрядов // Известия ВУЗов, Строительство. – 2005. – № 3. – С.120-124.

2. Патент на полезную модель № 34949 РФ, 7Е 02D 33/00. Устройство для исследования взаимодействия электронабивных свай с грунтовым основанием / Полищук А.И., Ющубе С.В., Самарин Д.Г. – Заявлено 26.06. 03. Опубл. 20.12.03. Бюллетень № 35.

3. Патент на изобретение № 2256029 РФ, Е 02D 5/42. Способ изготовления набивной сваи / Ющубе С.В., Самарин Д.Г. – Заявлено 23.08.04. Опубл. 10.07.05. Бюллетень № 19.

4. Самарин Д.Г. Исследование электрического режима разрядов, применяемых для уширения набивных свай // Теоретические и практические проблемы геотехники: Сб. тр., СПбГАСУ. – С. Петербург: изд. СПбГАСУ, 2005. – С. 45-49.

5. Самарин Д.Г. Электрогидравлический метод устройства набивных свай // Сб. Тез. Докл. 61-й науч.-техн. конф. НГАСУ (Сибстрин). - Новосибирск: изд. НГАСУ, 2004, С. 108-109.

6. Самарин Д.Г. Технология устройства электронабивных свай // Сб. Тез. Докл. 62-й науч.-техн. конф. НГАСУ (Сибстрин). – Новосибирск: изд. НГАСУ, 2005. – С. 95.

7. Самарин Д.Г., Капарулин С.Л., Шабанов Д.В. Обеспечение геоэкологической безопасности и повышения эксплуатационной надежности свайных фундаментов // Качество – стратегия 21 века: Мат. VIII межд. научн.-практ. конф. –Томск: Изд.-во НТЛ, 2003. – С.148 – 149.

8. Самарин Д.Г. К вопросу использования разрядно-импульсных технологий при устройстве буронабивных свай // Архитектура и строительство: Тез. докл. межд. научн.-техн. конф.– Томск: ТГАСУ, 2002 – С. 156 – 158.

9. Самарин Д.Г. О качестве и новых технологиях в фундаментостроении // Репутация и качество. – 2004. – № 1. – С.9.