Исследования теории и практики электрогидроэффекта
Теоретические, лабораторные и натурные исследования механических характеристик конструкций, изготовленных на основе электрогидравлического эффекта (ЭГЭ), описываемые в данной статье, выполнялись в научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсных технологий» (НИЛ РИТ) Военного института (железнодорожных войск и военных сообщений).
На ранней стадии исследований способов уплотнения грунтов, создания буронабивных свай в качестве основной была принята так называемая цилиндрическая модель гидродинамического поля, возникающего при электрогидроэффекте. Эта модель рассматривает в качестве источника импульса силы взрыв проводника (проволочки), соединяющей полюсы электроразрядника. Данное явление легло в основу целого ряда технологий, однако в деле создания буронабивных свай оказалось бесперспективным. В то же время, выполненные эксперименты позволили сделать ряд весьма важных выводов:
- степень уплотнения грунта возрастает с увеличением энергии, вводимой в зону разряда. Ориентировочно для грунтов с влажностью 10…20% при энергии 100 кДж можно обеспечить уплотнение грунта в зоне одиночной скважины в пределах 20% от его начальной плотности на расстоянии 1 м;
- КПД по ударной волне ≈ 24%, по гидродинамическому потоку ≈ 28%, общий КПД ≈ 52%;
- подбор кабельной оснастки через индуктивность и сопротивление существенно влияет на величину КПД;
- распределение энергии характеризуется следующими показателями: энергия ударной волны ≈ 30%; энергия пульсации парогазовой полости (энергия гидродинамического потока) ≈ 22%; энергия сонолюминесцентного излучения
≈ 10%; потери ≈ 38%.
Переход от моноимпульсного воздействия к полиимпульсному состоял в отказе от взрывающегося проводника в пользу прямого пробоя электролита.
Технология заключается в следующем:
- в специально сконструированном активаторе производится предварительная полиимпульсная обработка высоковольтным электрическим разрядом (ВЭР) водно-цементной суспензии;
- вводятся модифицирующая химическая добавка (ХД) и инертные составляющие;
- цементно-песчаный раствор (мелкозернистый бетон) подается в пробуренную скважину через специальный полый шнек;
- в скважину погружается электроразрядник и выполняются серии разрядов на расчетных уровнях;
- после опускания арматурного каркаса оформляется оголовок сваи (анкера).
Проблема состояла в обеспечении максимально продолжительного срока службы электродной системы.
Стойкость электродов при плотности тока в контактном слое δ = 1• 1010 А/м2, в основном, зависит от эрозии поверхности разрядной зоны и прочности изоляторов. Было установлено, что центральный электродный стержень должен иметь диаметр (8…12) • 10-3 м с радиусом кривизны рабочей поверхности разрядника (3…6) • 10-2 м. Ряд эрозионной стойкости металлов имеет следующий вид:
Al → Ti→ Zr → Cd → V → Cu → Fe → Cr → Ni → Co → Mo → Ta → W.
В настоящее время созданы специальные типы эрозионно-стойких материалов: МКВ70НЗ, МВ70НЗ, АВМ30 и др., применение которых позволяет значительно повысить срок службы электродных систем.
Надежность узла выделения энергии определяется также стойкостью изоляции, разделяющей положительный и отрицательный электроды. Лидерами здесь являются стеклопластики, полиэтилен, вакуумная резина, фторопласт.
Как показывает опыт, кабельная оснастка должна состоять из малоиндуктивных радиочастотных кабелей марок КПВ, РК, РКП, КПВ 1/75, РК 50-11, РКГ- 10, РКГ- 15 и т.д. Передающей линией от разрядника к электродам должны служить гибкие проводники, помещаемые в шланг из вакуумной резины с толщиной стенки (10…20) • 10-3 м.
Лабораторные эксперименты проводились в специально изготовленных лотках размерами 1х1х1 м и 2х1,5х2 м.
Методами теории вероятностей и математической статистики было рассчитано необходимое количество экспериментов. Особое внимание уделялось адекватности лабораторных и натурных опытов. Так, теоретически обосновано: для сферической модели гидродинамического поля (принятой за основу при формировании свай РИТ) разряды подобны, если одинаковы параметры: где U – рабочее напряжение, кВ; L – индуктивность разрядного контура, мкГн; С – ёмкость конденсаторов, мкФ.
Полученное соотношение позволяет утверждать о возможности моделирования разрядов в растворах. Подобие разрядов означает не только совпадение безразмерных функций, но и подобие абсолютных значений исходных величин, характер изменения физических параметров разряда и расширения канала, взятых в соответствующие моменты времени. Характеристики волн сжатия и параметры парогазовой полости, определяемые в соответствующих точках в определенные моменты времени, подобны.
Согласно программе испытаний были проведены серии опытов (n = 13) с одиночными буронабивными сваями, изготовленными по обычной технологии, с одиночными и включенными в состав фундамента сваями и анкерами, создаваемыми на основе ЭГЭ. Оценивались изменения размеров камуфлетной полости, получаемой за один разряд, наращивание необратимых деформаций грунта в зависимости от количества разрядов. С целью снижения влияния случайных факторов все опыты производились в близких грунтовых условиях.
После каждой серии опытов проводилась переподготовка грунтового основания. Для повышения наглядности результатов воздействия разрядного импульса на грунт, оценки размеров зон уплотнения и цементации грунта по каждому укладываемому слою песка наносилась прослойка сухого мела.
Во время проведения опытов варьировались: напряжение от 5 до 9 кВ, ёмкость конденсаторов от 150 до 300 мкФ, исходная энергия от 2 до 12,2 кДж. Изменение числа импульсов (n = 5…40) позволило получить максимальную зону уплотнения грунта при n = 15…20. Большее количество разрядов не дает искомого эффекта.
Исследовалось влияние ЭГЭ на механические характеристики бетона. Модуль упругости бетона, обрабатываемого электрическими импульсами, увеличивается в среднем на 35%.
Несущая способность макетов свай РИТ, полученная в лабораторном лотке, составила: Fd = 10…15 кН. Несущая способность анкеров РИТ: Fd = 17…21 кН. Предельная несущая способность свай РИТ на горизонтальную нагрузку: Fd = 1,6…2,4 кН.
Особое место занимают эксперименты с грунтонабивными сваями, т.е. с буронабивными сваями, создаваемыми без применения вяжущих. Несущая способность таких свай на 35…40% ниже свай, изготавливаемых на основе ЭГЭ с применением цемента. Однако экономическая привлекательность таких конструкций делает актуальным выполненное исследование.
Создание свай (анкеров) РИТ приводит к изменению физико-механических характеристик окружающего грунта. Так, коэффициент пористости уменьшается на 45…47%; угол внутреннего трения увеличивается 30…35%; удельный вес грунта увеличивается на 8…12%; модуль общей деформации увеличивается более чем в два раза.
В лабораторном лотке моделировалась подпорная стенка в откосе насыпи из свай РИТ. Основная цель экспериментов состояла в оценке влияния динамики обращающейся нагрузки, процесса формирования свай РИТ на существующие конструкции, а также устойчивости стенки при динамическом воздействии грунта, выгружаемого из думпкаров при заполнении пазухи между стенкой и откосом насыпи.
Было смоделировано поперечное сечение земляного полотна с устройством откосов и с размещением в нем датчиков. В качестве измерителей упругого воздействия использовались сейсмоприемники с датчиками СВ-10 и СВ-20-П, которые внедрялись внутрь сваи в процессе их изготовления. Другие датчики устанавливались на расстоянии 5…..15 см от источника импульсных
колебаний по всему грунтовому полю лотка. Определены характеристики грунта до опыта. Изготовлены 4 сваи. После набора ими прочности в течение полугода произведено 6 серий экспериментов.
Производились серии ударов грузом массой 5 кг и 27.8 кг (не превышала предел упругости грунта, иначе происходит обратная картина - разуплотнение грунта) с фиксированной высоты. Результатом проведенных в течение полугода экспериментов стали годографы изменения скорости звука в грунтовом массиве во времени.
Анализ графиков указывает на изменение параметров грунтов после определенного количества электрических разрядов на соответствующих уровнях. Скорость распространения звука в грунтовом массиве возросла на 15…20%, что говорит об увеличении плотности околосвайного грунта. Дальнейшие динамические воздействия на грунтовый массив способствовали уплотнению верхнего пласта экспериментального поля. Заключительной серией эксперимента стало определение влияния импульсного воздействия электрического разряда на существующие буронабивные сваи.
Величины скоростей звука измерялись с помощью сейсмоприемников. Сравнительный анализ параметров, полученных расчетом и экспериментально, показал хорошую сходимость (1…2%,).
Упругая волна, воздействуя на сваю, вызывает ее деформацию. По величине деформаций рассчитывались напряжения, возникающие в материале сваи. Величина деформаций (перемещения, скорости и ускорения) сваи от воздействия упругих колебаний, возбуждаемых электрическим разрядом, оценивались в ходе опытов.Максимальное перемещение (колебание) сваи составила 0,235 мм, при скорости 113 мм/с. Колебания голов свай, фиксируемые прогибомерами, составили 1,5 мм.
Основные выводы по результатам лабораторных экспериментов:
1) изготовление буронабивной сваи по рассматриваемой технологии приводит к уплотнению грунта в зоне ее устройства (вокруг боковой поверхности и ниже пяты), что способствует существенному возрастанию несущей способности сваи;
2) величина деформации сооружения на сваях,изготовленных по РИТ, при действии динамических нагрузок уменьшается. Это обстоятельство позволяет применять их для усиления ранее построенных сооружений, увеличить обращающуюся нагрузку;
3) процесс изготовления буронабивных свай по РИТ не вызывает значительных колебаний фундаментов существующих сооружений и окружающего грунта, в отличие от забивки или вибропогружения обычных свай. Вследствие этого их можно применять для усиления аварийных сооружений, чувствительных к колебаниям грунта.
Одновременно с лабораторными экспериментами были выполнены теоретические исследования несущей способности свай РИТ.
Испытания свай РИТ, изготовленных в натуральную величину, производились на стендах испытательного полигона в г. Ярославле в 2002…2010 годах.
Так, в 2002 и 2003 годах эксперименты выполнялись со сваями РИТ, создаваемыми на основе обычного портландцемента (М-400) с добавкой пластификатора, после выдержки их в течение 28 суток. Сваи имели различную конструкцию: буронабивные без уширений, сваи РИТ с уширениями по всей длине и с уширением только пяты сваи.
Испытательный стенд состоял из сборно-разборного пролетного строения и рамно-винтовых опор (РВО) из комплекта РЭМ-500НЛ.
При изготовлении свай РИТ электрические разряды производились через каждые 0,4 м разрядником диаметром 60 мм, мощностью 20 кДж (на каждом уровне по 20 импульсов).
Сваи РИТ (Lсв = 6 м) нагружались вертикальной (до 1000 кН) и горизонтальной (до 80 кН) нагрузками. Вертикальная сила в 1300 кН вызвала разрушение стенда, при этом несущая способность свай РИТ не достигла предельной величины.
По результатам испытаний можно сделать вывод о том, что несущая способность свай РИТ составляет не менее 1300 кН, при максимальной нагрузке вертикальные деформации 5…10 мм, горизонтальные – 2 мм.
В 2004, 2006 году были проведены испытания, целью которых являлось определение возможности восприятие нагрузки сваями РИТ, изготовленными из цементно-песчаного раствора с применением быстросхватывающегося глиноземистого цемента марки ГЦ-50 и пластификатора, через максимально короткий срок после их изготовления.
Для проведения испытаний электроразрядных устройств были смонтированы два типа электрических разрядников диаметрами 89 и 108 мм.
Сваи РИТ изготавливались из бетона на основе глиноземистого цемента марки «ГЦ-50», в целях увеличения пластичности бетона применялась химическая добавка «С-3» и доломитовая мука.
Во время испытаний максимальная нагрузка на сваю РИТ (Lсв = 4 м), изготовленную на основе цемента «ГЦ-50», достигла 280 кН. Осадка сваи под нагрузкой составила 2…5 мм. Предельная несущая способность свай не была достигнута из-за потери несущей способности анкерными сваями испытательного стенда. Свая, изготовленная по обычной технологии, выдержала нагрузку 150…180 кН, при этом деформация составила 24…27 мм. Сваи испытывались через 1,2,3 суток после изготовления.
После завершения экспериментов были выполнены раскопки грунта вокруг буронабивных свай РИТ (рисунки 10, 11). Результаты осмотра тела свай показали, что включений грунта в ствол сваи не наблюдается, сколы отсутствуют, бетон тела сваи набрал достаточную прочность, уширения сваи до 0,7 м. Уширения начинаются на 1,0 м от дневной поверхности.
Основные выводы:
комплекс натурных исследований напряженно-деформированного состояния свай РИТ подтвердил теоретические предположения об их высокой несущей способности и жесткости. Сравнение результатов аналитических расчетов, лабораторных и натурных экспериментов показало следующее: аналитический расчет предельной несущей способности сваи РИТ– Fd = 1417кН;
испытания на лабораторном стенде – Fd = 11,4•125 = 1425 кН;
натурные эксперименты – Fd > 1300 кН;
проведенные опыты по созданию камуфлетной полости показали, что увеличение напряжения с 5 до 9 кВ, при постоянной емкости 150 мкФ, повышает скорость выделения мощности в канал разряда в два раза. Характер воздействия импульса при этом становится более резким, бризантным. Снижение напряжения до 7 кВ и увеличение емкости от 150 мкФ до 300 мкФ изменяет характер выделения энергии: длительность разряда возрастает с 43,7 мкс до 107 мкс, скорость выделения мощности в канал разряда снижается в 1,7 раза, что приводит к уменьшению ударного действия разряда;
накопленный статистический материал позволил вывести математические зависимости, позволяющие прогнозировать размеры зон уплотнения и цементации грунта, физико-механические характеристики околосвайного грунта и бетона тела свай РИТ, величину камуфлетного уширения после серии разрядов и др.;
В 2010 – 2013 годах была проведена серия экспериментов со сваями и анкерами РИТ в акватории р. Волги. В настоящее время результаты экспериментов обрабатываются.
Авторы:
Найденов Юрий Анатольевич – научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсных технологий» филиала Военной академии материально-технического обеспечения. Кандидат технических наук доцент. Полковник в отставке. Автор более 120 опубликованных работ, 15 изобретений. Родился в 1950 г. В г. Воркуте. В 1972 г. Окончил Днепропетровский институт инженеров железнодорожного транспорта, факультет «Мосты и тоннели». В 1977 г. закончил Военную академию тыла и транспорта, в 1985 г. Ленинградский электротехнический институт. В 1986 г. защитил кандидатскую диссертацию. Руководил кафедрой «Строительства мостов и тоннелей» ВАТТ.
Веприняк Иван Алексеевич - заведующий кафедрой «Общенаучных и общетехнических дисциплин» Военного института (ЖДВ и ВОСО) Военной академии Материально-технического обеспечения, доктор технических наук, профессор, академик ПАНИ, полковник запаса. Автор более 100 опубликованных работ, 50 изобретений. Родился в 1957 году. В 1978 г. окончил Ленинградское высшее военное училища ЖДВ и ВОСО им. М.В. Фрунз. В 1993 закончил Военную академию Тыла и транспорта. В 1996 г. защитил кандидатскую диссертацию. В 2006 защитил докторскую диссертацию. Занимал командные и инженерно-технические должности. С 1990 г. особое внимание уделяет научно-практическому исследованию разрядно-импульсных технологий.