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          探礦工程在線 > 正文

          高壓脈沖放電技術成樁法

          發布時間:2013年05月20日
          來源:《探礦工程(巖土鉆掘工程)》,2011年第4期

           

          高壓脈沖放電技術成樁法

           

          李冬霜1,王茂森1,А.Ю.Юшков2

          1.吉林大學建設工程學院,吉林 長春 130026;2. 托木斯克理工大學,俄羅斯 托木斯克 634034

           

          摘要:主要介紹了高壓脈沖放電技術的發展現狀、成樁機理、成樁特點以及成樁的新工藝。該成樁方法具有高的承載能力和經濟效益,具有其它樁所不具有的優點對其成樁技術的應用前景也進行了展望。

          關鍵詞:樁;高壓脈沖;成樁機理;成樁新工藝

           

          0  引言

          進入21世紀,我國經濟發生了突飛猛進的發展,國家大興基礎設施建設,建設活動日趨頻繁。高層建筑已經成為城市繁榮發展的象征,以及隨著我國工業的發展重型工業廠房也不斷涌現。目前,高層建筑、重型廠房的大型建筑大量使用樁基礎,由此可見,樁基已經成為我國工程建設中最主要的基礎形式之一?,F在我國已經具有各種各樣的成樁方法,且成樁工藝也比較成熟。但是為了降低樁基造價,改善成樁質量,工程設計人員試圖利用小的經濟投入使樁發揮更高的承載力。為此進行了許多實驗研究,發明了各種類型的樁,其中包括擴孔樁。目前的成樁工藝大多是人工挖擴、機械擠擴、沖擴、爆擴等。這些成樁工藝都存在著一定的技術困難和經濟不合理性。為此,筆者介紹一種俄羅斯正在研究和應用的一種新的成樁方法——利用高壓脈沖放電成樁法。筆者認為,目前應用高壓脈沖放電技術成樁是現在最有前景的成樁方法之一。該方法能夠使樁形成一定的幾何形狀(在地基中沿長度方向樁身加寬,擠密樁底和樁周土體),最主要是它可大幅度的提高了樁的承載力。這種成樁技術目前在我國的研究還很少,我院已從俄羅斯引進該技術及實驗設備并正準備深入研究該成樁技術,給樁基企業的發展和上升提供了良好空間。

           

          1  高壓脈沖放電技術成樁的發展現狀

          雖然在18世紀就有人提出了高壓放電技術能夠產生機械功的性能,但是在20世紀才得到學者們的關注。首先,蘇聯Фагель教授在1952年,МазовМейер教授在1955年提出了高壓放電技術可以在地學中應用。這個觀點的提出和宣傳促使了該技術的廣泛推廣,并開始受到廣大學者的關注。50年代末,蘇聯的Г.М. Ломизе教授將其用于飽和砂土的密實。1967—1969年,ЛейнПристли又一次證實了液體中放電還能夠擁有破壞力的這樣一個事實。70年代末和80年代初,在列寧格勒,在В.М. Улицкого Г.Н. Ясевича教授的領導下研究出應用高壓脈沖放電技術成樁工藝的基本原理。此后高壓脈沖放電技術在俄羅斯正式進入研究與應用領域。至今,俄羅斯已經利用該成樁技術完成多個工程項目,其中包括全俄戲劇協會大樓、古老的中心商城的基礎,據不完全統計,成樁數量已上萬根 [1,2]。由此可見,該技術具有廣闊的應用前景,我國很有必要對該成樁技術進行研究。

           

          2  高壓脈沖放電技術成樁機理

          2.1  成樁機理

          高壓脈沖放電成樁實質是將電能轉化為其他形式的能量,如機械波能、熱能等。它是以液電效應為基礎的。所謂液電效應,是電容器通入高壓后置于水中的兩電極間隙會發生脈沖放電,在放電通道內產生巨大的沖擊波和強烈輻射[3]。其原理參見圖1 。

          1  脈沖放電原理圖

          1.高壓變壓器;2.整流器;3.電容;4.保護電阻;5.隔離間隙(放電開關);

          6.電勢電極;8.接地電極;7.放電間隙(充滿液體)

          接通高壓電源1,通過整流器2向電容器3充電,當電容器3電壓上升到兩極間隙7擊穿電壓時,即,放電間隙被擊穿,此時,電容器迅速把貯存的高密度能量瞬間釋放,釋放的能量高達103kJ,這個過程相似于炸藥爆炸的過程。這個過程首先將電能轉化為熱能,通道中物質快速升溫,溫度高達(10~40)×103K ,通道中的水迅速汽化、膨脹并引起爆炸,結果導致通道內產生巨大沖擊壓力,可高達105大氣壓,并通過液相介質將其壓力傳給作用對象。

          2.2  脈沖放電成樁的特點

          高壓脈沖方法的應用是現在最有前景的解決灌注樁的質量改善問題的方法之一,為了這種方法的應用,專門生產了電物理設備。該方法保證了大的樁截面的生成,同時使樁底和樁周土體密實,最主要的增大了樁的承載能力?,F在電動液壓方法在工業上已經有成功的例子。

          成樁方法的本質歸結為,在鉆孔的不同深度在大功率的高壓脈沖放電下產生沖擊荷載,將液態混凝土不斷打入樁周土中并加擴其徑向尺寸,密實土體。和任何一種其他傳統方法相比,它具有高的承載能力,具有高效率的工藝流程和最好的經濟指標。脈沖放電成樁具有很多優點,例如,可以擴大樁身的任意部位,避免了使用大型機械擴孔,即使很小的空間也可以完成工作;無環境污染,無噪聲,符合環保要求;可以大幅度提高樁的承載能力,成本卻可降低50%;可以擠密樁周土體,使其密實;增強混凝土活性,提高其凝結后強度等等。正因如此,該技術開始引起來人們的重視和研究,當然,至今對它的研究還不是很多,還需要進一步完善和研究。

           

          3  高壓脈沖放電技術成樁新工藝

          脈沖放電成樁包括以下工序:首先用普通方法成孔,向孔內澆注混凝土,在電壓5—15kV,單脈沖能量100kJ時,在混凝土砂漿中脈沖放電。此時擠密混凝土時放電區周圍形成空區,用新的混凝土填滿。由于放電時孔中會產生沖擊壓力,會使孔周土壤密實和孔封閉區膨脹。放電數量根據設計要求的半徑確定,每處放電的平均數量為10-50次。放電完成后提升放電設備到新的設計高度和重復其工序。待放電工作全部完成,取出放電設備,將鋼筋籠安裝入孔中,這就形成了承載力很高的樁基。

          2  俄羅斯脈沖放電成樁實驗照片

          根據俄羅斯制造此類樁的實驗結果分析表明(實驗所成樁型見圖2),高壓脈沖放電技術成樁的單樁承載力比已有的類型的樁的承載力要高,包括鋼筋混凝土灌注樁。取出的樁證實放電對混凝土混合物和周圍土強度特性有正面影響,除此之外,發現混凝土能快速的凝固,能夠解決對已有建筑物基礎的加固及維修等復雜問題[4]。

           

          4  結語

          樁基工程已經獲得較大發展,在快速發展的21世紀,它必將獲得更大發展。然而,樁基工程所具有的復雜性,使得成樁方法不斷改進,不斷出現新方法。而本文介紹的應用高壓脈沖放電技術并將成為得以推廣的成樁技術之一。在俄羅斯已有實際項目實例順利開展并完成,并取得一定成績,也就是說該技術在俄羅斯已經基本成熟。在我們國內雖然脈沖放電技術的應用也比較廣泛,但用其成樁的研究還很少見,我院已經初步從俄羅斯引進這種技術及實驗設備,并和俄方保持密切聯系和學術交流,將進一步深入研究高壓脈沖放電成樁技術。相信該成樁技術必將在我國得到推廣應用。

           

          參考文獻:

          [1]  Наугольных К.А., Рой М.А. Электрический разряд в воде[M]. - М.: Наука, 1971.

          [2]  Тер-Мартиросян З.Г., Буданов А.А., Еремин В.Я.О.повышении несущей способности свай, изготавливаемых по разрядно-импульсной технологии. Информационный научно-технический журнал[J].строительство материалы обрудование,технологии век.2004,(1):60-67.

          [3]  Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности[M]. Л.: Машиностроение, 1986.

          [4]  Юшков, Анатолий Юрьевич. Исследование формирования набивных свай импульсными разрядами[D]. дисс... канд. Техн.наук. Томск, 2004.

           

          作者簡介:李冬霜(1983-),(漢族),黑龍江人,吉林大學碩士研究生在讀,巖土工程專業,主要從事高壓脈沖放電成樁新技術研究及土建、公路、鐵路施工地質勘查工作,吉林省長春市吉林大學建設工程學院2008級碩士, caulds@126.com。

          [責任編輯:dww]

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