Усиление фундаментов буроинъекционными сваями с электроимпульсным уплотнением бетона и грунтов

Электроимпульсная технология уплотнения бетона буроинъекционных свай основана на передаче кратковременных импульсов большой мощности в теле скважины, заполненной подвижной бетонной или цементно-песчаной смесью. Для создания импульсов используются специальные установки, обеспечивающие повышение напряжения с 220-380 В до 4,0-10 кВ. Электроэнергия повышенного напряжения, проходя через выпрямитель, накапливается в блоке конденсаторов. С помощью специального разрядника - коммутатора накопленная энергия через коаксиальный кабель подается к излучателю, помещенному в свежеуложенную бетонную смесь. Излучатель состоит из двух электродов с фиксированным расстоянием между ними. При подаче напряжения образуется разряд, который сопровождается повышением температуры и гидродинамического давления до 10⁷-10⁸ МПа за период времени 10^-4-10^-5 с. В результате гидравлического удара образуются сферические волны сжатия, которые через жидкую фазу бетонной смеси распространяются в окружающем грунте, тем самым уплотняя это пространство и расширяя стенки скважины. Одновременно происходит уплотнение мелкозернистой бетонной смеси. Совокупность факторов уплотнения грунта стенок скважины и бетонной смеси дает увеличение несущей способности свай. По данным фирмы «Рита», достигается повышение несущей способности свай в 2 раза, сопротивление грунта под пятой возрастает в 1,3-2,0 раза, а на боковых поверхностях - в 1,2-1,5 раза.

На рис. 6.20 приведены принципиальная схема формирования электрогидравлических импульсов в бетонной смеси и динамика передачи давления на стенки скважин.

Рис. 6.20. Схема формирования электрогидравлических импульсов при устройстве свай
а - общая технологическая схема; б - схема разрядника и механизма уплотнения стенок скважины; в - распределение плотности зоны грунта, примыкающей к скважине; г - распределение пульсации давления в бетонной смеси и грунте; 1 - скважина; 2 - погружная труба с разрядником; 3,4 - генератор импульсного тока; 5 - литая бетонная смесь; 6,7 - разрядник с изолятором; Р_max - плотность грунта после электроимпульсного воздействия; Р₀ - начальная плотность

Распространение сферических волн через бетонную смесь обеспечивает уплотнение стенок скважины.

Для повышения технологического эффекта целесообразно использовать высокопластичные смеси с добавкой суперпластификатора С-3 в объеме 0,2-0,3 % массы цемента. Меньшая сжимаемость смеси создает предпосылки более эффективной передачи импульсов стенкам скважины.

При этом в силу высокого коэффициента затухания b наблюдается экспоненциальное снижение амплитуды давления пропорционально коэффициенту затухания P_g = P ₀ e ^{- b r},где r - расстояние от источника импульса до исследуемой точки; P ₀- динамическое давление на стенку скважины.

Таким образом, достигается локальное уширение скважины за счет кратковременного действия динамической нагрузки и повышения плотности грунта.

Зона уплотнения стенок зависит от величины динамического давления и реологических характеристик грунта. В свою очередь, динамическое давление в зоне разряда P_g = f (V, D, R),где V -подаваемое напряжение; D - зазор между электродами; R - электрическое сопротивление бетонной смеси.

При подаче электроэнергии на электроды излучателя в межэлектродном пространстве создается высокая плотность энергии порядка 10¹³-10¹⁴ Дж/м². В результате образуется плазма с высокой температурой и давлением до 10⁸-10¹⁰ Па. Парогазовая смесь совершает работу по формированию сферической ударной волны, которая распространяется по бетонной смеси, совершая работу по уплотнению грунта начиная с границы раздела «бетон-грунт» (рис. 6.21).

Рис. 6.21. Характер распределения динамического давления в бетонной смеси (1) и грунте (2)
Р₀ - давление на границе раздела сред; Р_ст.гр - статическое давление грунта; Р_г.б - гидростатическое давление бетонной смеси

К моменту окончания ввода энергии канал разряда развивается в парогазовую полость, продолжая расширяться, что способствует образованию камуфлетного уширения. Когда в полости давление снизится до гидростатического давления бетонной смеси, происходит процесс «схлопывания» полости, а этот объем занимает бетонная смесь. За полный цикл подачи импульса происходит уплотнение грунта на величину D r c последующим затуханием волны также по экспоненциальной зависимости, но с другим коэффициентом затухания.

По экспериментальным данным, давление ударной волны в радиусе 1 м от центра разряда составляет 3,56 МПа, а на расстоянии 1,2 м - 1,82 МПа. Это свидетельствует о высоком коэффициенте затухания ударной волны в грунтовых условиях и более высоких давлениях на границе раздела сред.

По данным Г.Н. Гаврилова, при энергии в 20-40 кДж достигается уплотнение грунта на 10-15 % в радиусе до 0,8 м.

Динамический режим пульсации требует учета характеристик грунта, которые определяются путем бурения контрольных скважин с целью определения залегания различных по физико-механическим и реологическим характеристикам грунтовых слоев. Эти данные позволяют осуществлять электрогидравлическую обработку с переменным режимом (энергии) воздействия. Компьютерное управление процессами позволяет получать сваи с заданной несущей способностью.

Технологическая последовательность операций при изготовлении свай состоит в: установке инвентарного кондуктора; бурении скважины и монтаже обсадной трубы; заполнении скважины мелкозернистой литой бетонной смесью подвижностью П5; установке электродной системы в забой скважины и обработке пяты сваи; импульсной обработке ствола сваи по расчетному режиму с дополнением бетонной смеси; погружении арматурного каркаса; демонтаже инвентарного кондуктора; формировании оголовка сваи.

На рис. 6.22 приведена технологическая схема устройства свай.

Рис. 6.22. Технологическая схема устройства свай по разрядно-импульсной технологии
1 - буровой станок; 2 - трансформаторная подстанция; 3 - генератор импульсного тока; 4 - металлическая труба для размещения системы подачи напряжения; 5, 6 - разрядник; 7 - кондуктор; D_n - диаметр уширения пяты; D_у - диаметр уширения по высоте сваи; d₁ - диаметр скважины; s₁ - s₁ - сопротивление слоев грунта сжатию

При производстве работ необходимо определить так называемый отказ, т.е. такое камуфлетное уширение, при котором последующее разрядно-импульсное воздействие не приводит к уширению полости сваи.

Это условие контролируется понижением и стабилизацией уровня бетонной смеси.

Особое место в производстве работ отводится процессу уширения «пяты», что в целом определяет несущую способность сваи.

Методика определения несущей способности свай производится согласно нормативному документу СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».

При расчете свайных фундаментов по предельным состояниям первой группы требуется выполнить расчет по несущей способности грунта основания свай (п. 3.1 СНиП 2.02.03-85).

Несущую способность грунтов основания одиночной сваи в составе фундамента и вне его рассчитывают исходя из условия (п. 3.10 СНиП 2.02.03-85): P_CB=F_d / g _K, P_CB - расчетная нагрузка, передаваемая на сваю; F_d -расчетная несущая способность грунта основания одиночной сваи (несущая способность сваи); g _K - коэффициент надежности, принимаемый в соответствии с требованиями СНиП 2.02.03-85.

Несущая способность висячей сваи определяется по зависимости F_d = g _с ×(g _CR × R × A + u S g _cf ×× f_i × l_i), g _с =1 - коэффициент условий работы сваи; g _с = 1,3 - коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи (принимается как для сваи с камуфлетным уширением); g _cf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи (при разрядно-импульсной обработке i -го горизонта принимается g _cf = 1,3); R -расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи (кПа).

Серия электрических разрядов в зоне скважины образует уширения, которые заполняются бетонной смесью под действием гидростатического давления.

Понижение уровня бетонной смеси равно: D h = h _нач - h _кон.

Расход бетона на заполнение полости равен: V_б = p d ² _c /4D h,где d_c -диаметр скважины, м.

Приравняв объем полости к расходу бетона, требуемого на ее заполнение, получим диаметр условной полости, равный

Из теории камуфлетных взрывов известно, что отношение величины зоны уплотнения к радиусу образуемой полости не зависит от масштаба взрыва и находится в пределах 3,0-3,5: D_у = (3,0 - 3,5) D_n, D_у - диаметр зоны уплотнения, м; D_n - диаметр условной полости, м. F - площадь опирания сваи, принимаемая равной площади поперечного сечения уширения, получаемая в результате обработки ее забоя по разрядно-импульсной технологии, составляет F = p D ² _у /4,где D_у - наибольший диаметр, м, разрядно-импульсного уширения; определяется по зависимости где g _б = 0,9 - коэффициент, учитывающий потери бетонной смеси и уменьшение объема смеси в формируемом уширении за счет фильтрации воды из растворной части в окружающий грунт; h = D h / d_c - коэффициент, учитывающий отношение изменения уровня бетонной смеси к диаметру скважины; и _i - периметр поперечного сечения ствола сваи на i -м горизонте, м: и _i = D D _у, м; s _гр - расчетное сопротивление i -го слоя грунта на боковой поверхности сваи, кПа (тс/м²), принимается по СНиП 2.02.03-85; h _i -толщина i -го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.