Анализ способов осуществления высоковольтных электрических разрядов при формировании буронабивных и буроинъекционных свай



В статье автор анализирует способы уплотнения бетонной смеси электрическим взрывом, при производстве свайных работ.

Ключевые слова: электрогидравлический эффект, буроинъекционные сваи, буронабивные сваи.

При производстве работ по устройству свайных фундаментов в условиях плотной застройки городских территорий в последние годы применение буронабивных свай приобретает массовый характер. Разновидностью буронабивных свай являются буроинъекционные сваи, применяемые для усиления грунтов оснований фундаментов при реконструкции зданий и сооружений. В последние годы всё шире внедряется разрядно-импульсная технология (РИТ) при изготовлении как буронабивных, так и буроинъекционных свай.

Анализируя практику применения РИТ и данные научно-технической литературы, можно сделать вывод о реализации двух способов получения энергии в канале разряда в жидких средах [1;2;3].

Первый способ основан на том, что в результате создания напряжения на электродах, превышающего электрическое сопротивление жидкости в межэлектродном пространстве происходит электрический пробой (разряд). Для создания требуемой энергии на электродах конструкция генераторов импульсных токов (ГИТ) предусматривает применение высоких напряжений на электродах (порядка 10 и более кВ). С целью стабилизации разряда в жидкости необходимо учитывать характеристики жидкости в которой производится разряд (tС, электропроводность её состава, наличие примесей и др. факторов). Именно от них зависит величина межэлектродного зазора, которая, в свою очередь влияет на энергетические параметры электровзрыва.

К тому же, для формирования тела буронабивных свай применяется тяжёлый конструкционный бетон. Для создания камуфлетных уширений желательно обеспечить жёсткость бетонной смеси, так как применение литых бетонных смесей снижает эффект образования камуфлетных уширений. Как показывает практика применения данной технологии пробой межэлектродного промежутка иногда происходит не в растворной части бетона, а в воздушном пространстве, это приводит к необходимости увеличения напряжения на электродах свыше 10кВ. К тому же эффективность такого разряда значительно ниже из-за низкой плотности воздуха по сравнении с жидкостью. На практике приходится иногда делать перерывы в работе электроразрядной установки (ЭРУ) для заполнения межэлектродного промежутка жидкостью. Следует отметить, что в дренирующих водонасыщенных грунтах процесс формирования ствола сваи идёт более интенсивно, наблюдается стабильность процесса.

Второй способ состоит в инициировании разряда путём замыкания рабочих электродов разрядника тонким металлическим проводником. Это позволяет увеличить величину межэлектродного зазора при относительно низком напряжении (не более 1000 В) сохраняя при этом высокие параметры ударных волн сжатия, сопровождающих высоковольтный разряд. Возможность при этом увеличить величину межэлектродного зазора, увеличивает время протекания разряда и электровзрыв принимает объёмный характер, это увеличивает эффект образования полости и уплотнения грунта вокруг скважины.

Существует предложение об инициировании межэлектродного промежутка металлосодержащей пастой (например, алюминиевой) путём впрыскивания её в электродную систему из специально картриджа. После каждого разряда [4].

Достоинством данного способа формирования канала разряда в теле сваи является возможность образования объёмного электровзрыва в скважине, снижение энергоёмкости процесса, уменьшение габаритов оборудования, к тому же обслуживание оборудования с применением высоких напряжений (свыше 1000 ) выполняется специально обученным персоналом.

Реализация способа инициирования электрического разряда путем замыкания электродной системы металлическим проводником или металлизированной пастой в реальных условиях устройства камуфлетных уширений в свае на больших глубинах является весьма сложной задачей, и требует отдельного технического решения.

В случае устройства буроинъекционных свай ствол сваи служит каналом для подачи твердеющей смеси в пяту сваи. Так как ствол сваи не предназначен для восприятия вертикальной нагрузки, диаметр скважины выполняется небольшими диаметрами (порядка 130–150 мм). Скважины больших диаметров иногда сложно выполнить, учитывая громоздкость оборудования. Буроинъекционные сваи предназначены не столько для образования камуфлета, сколько для иньекцирования твердеющей смеси в межзерновое пространство околоскваженного массива грунта для последующего его скрепления (цементирования).

Следовательно, твердеющая смесь должна обладать большой текучестью и не содержать крупного заполнителя. Данные условия соответствуют осуществлению устройства свай по первому способу, т. е. без инициирования разряда путём замыкания электродов проводником.

Учитывая, что процесс инъекцирования твердеющей смеси в скважинах осуществляется вблизи существующего фундамента, применение электрических зарядов большой мощности недопустимо по причине воздействия волн сжатия на реконструируемые фундаменты. В данном случае большего эффекта по инъекцированию твердеющей смеси в грунт можно достичь не высоким напряжением на электродах, а увеличением длительности протекания разряда за счёт увеличения электрической ёмкости конденсатора ГИТа [5].

Выводы:

1. Способ инициирования электрического пробоя межэлектродного пространства путём замыкания электродов металлическим проводником или металлизированной пастой требует доработки для его практического применения.
2. При устройстве буроиньекционных свай способ инициирования неприемлем из-за малых диаметров скважин и невозможности «осушения» электродной системы по причине большой текучести твердеющей смеси
3. Наибольший эффект по иньекцированию твердеющей смеси в межзерновое пространство грунта достигается при выполнении процесса в дренирующих, а также водонасыщенных грунтах.
4. В качестве твердеющей смеси целесообразно применять растворы шлакощелочных вяжущих, обладающих большой текучестью, а после затвердевания образующих камень с высокой прочностью, плотностью и устойчивостью к воздействию агрессивных сред.

Литература:

1. Л. А. Юткин «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». Ленинград издательство «Машиностроение» ленинградское отделение 1986г.
2. Соколов Н. С. Кадышев Е. Н. «Электроразрядная технология для устройства буроиньекционных свай. Вестник Чувашского университета. 2017-№ 3- с. 159–164.
3. С. А. Рытов «Устройство буроинъекционных свай с применением электроразрядной технологии в различных грунтовых условиях» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2009 г. Институт оснований и подземных сооружений имени Н. М. Герсиванова.
4. С. А. Рытов «Устройство буроинъекционных свай с применением электроразрядной технологии в различных грунтовых условиях» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2009 г. Институт оснований и подземных сооружений имени Н. М. Герсиванова.
5. Кадушкин Ю. В. к.т.н., заведующий кафедрой строительства зданий и сооружений СПБГАУ, Миклашевский Н. В. к.т.н. доцент кафедры строительства зданий и сооружений. «Применение шлакощелочных вяжущих в технологии устройства буроинъекционных свай» СПБГАУ Санкт-Петербург. Пушкин.
6. Патент на полезную модель № 215022 U1 Российская Федерация, МПК E02D 7/00. «Разрядник для создания бетонной стены в грунте» № 2022126818: заявл.14.10.2022г. опубл. 24.11.2022г. Ю. В. Кадушкин, Н. В. Миклашевский; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»-EDNUSJNXQ