高壓脈沖放電技術(shù)對樁徑影響的研究

王茂森， 博 坤

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

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高壓脈沖放電技術(shù)對樁徑影響的研究

王茂森， 博 坤

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

高壓脈沖放電技術(shù)可利用液電效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波，在鉆孔局部產(chǎn)生擴(kuò)孔段，通過灌注水泥而形成異徑擴(kuò)底樁。主要介紹了高壓脈沖放電技術(shù)的擴(kuò)底成樁機理、成樁過程以及對樁徑的影響情況，并研究了沖擊波、蒸汽膨脹壓力對樁徑的作用。利用新引進(jìn)的高壓脈沖放電裝置進(jìn)行現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明，理論公式計算結(jié)果基本與試驗結(jié)果符合。

鉆孔灌注樁；擴(kuò)底樁；高壓脈沖放電；樁徑變化；沖擊波

0 引言

樁基礎(chǔ)具有承載力高、施工工藝高效和經(jīng)濟(jì)效益好等特點，其中鉆孔灌注擴(kuò)底樁具有單樁承載力高、成孔后出土量小、承臺面積小等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。擴(kuò)孔成型工藝除鉆挖外，還有爆擴(kuò)、夯擴(kuò)、振擴(kuò)等，但這些成樁工藝存在著施工難度大和經(jīng)濟(jì)不合理等問題。為了實現(xiàn)高效擴(kuò)底成樁、降低成本，俄羅斯正在研究和應(yīng)用一種新的成樁方法，即高壓脈沖放電成樁技術(shù)。該方法通過在鉆孔內(nèi)對液態(tài)混凝土進(jìn)行放電，利用瞬時放電產(chǎn)生徑向機械作用使樁徑擴(kuò)大形成一定的幾何形狀，從而達(dá)到提高樁承載力的目的。這種成樁技術(shù)目前在我國的研究還很少，吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院已從俄羅斯引進(jìn)該技術(shù)及試驗設(shè)備,并開展試驗研究，為我國樁基技術(shù)的發(fā)展提供一條新的思路。

1 高壓脈沖放電裝置的工作原理

高壓脈沖放電技術(shù)是以“液電效應(yīng)”為基礎(chǔ)的。液電效應(yīng)，是電容器通入高壓后置于水中的兩電極間隙會發(fā)生脈沖放電，在放電通道內(nèi)產(chǎn)生巨大的沖擊波和強烈輻射[1]。圖1為高壓脈沖放電裝置原理圖，主要由脈沖電流發(fā)生器和放電設(shè)備組成。電網(wǎng)為380 V動力交流電壓，接通高壓電源1后，通過高壓硅堆整流器2獲得高壓直流電，向電容器3充電，當(dāng)電容器3電壓上升到一定大小時，放電開關(guān)5會在空氣中被擊穿，此時電路接通，會在瞬間將放電設(shè)備兩極間隙7也擊穿，即發(fā)生脈沖放電。在放電過程中，電容器會把貯存的高密度能量瞬間釋放，釋放的能量可高達(dá)103kJ，這個過程類似于炸藥爆炸的過程。這個過程首先將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通道中物質(zhì)快速升溫，溫度高達(dá)(10～40)×103K，通道中的水迅速汽化、形成汽泡，汽泡內(nèi)的壓力迅速增大，以至膨脹并引起爆炸，導(dǎo)致通道內(nèi)產(chǎn)生的巨大沖擊壓力作用放電設(shè)備周圍不可壓縮介質(zhì)，此壓力可高達(dá)105個大氣壓，并通過液相不可壓縮介質(zhì)將其壓力傳給作用對象。當(dāng)汽泡內(nèi)的壓力等于周圍液相介質(zhì)的壓力時膨脹會由于慣性作用繼續(xù)膨脹，但汽泡內(nèi)壓力開始減小，膨脹速度隨之減慢并直至停止，液相介質(zhì)開始反向運動使汽泡內(nèi)壓力又急劇增大使汽泡再次膨脹，這個過程將數(shù)次重復(fù)。在上述過程中，兩電極間的高壓脈沖放電會伴隨有強烈的光和聲的輻射。綜上所述，高壓脈沖放電成樁實質(zhì)是將電能轉(zhuǎn)化為伴隨光和聲輻射現(xiàn)象的沖擊波能的過程[2]。

1—高壓變壓器；2—整流器；3—電容；4—保護(hù)電阻；5—隔離間隙(放電開關(guān))；6—電勢電極；7—放電間隙(充滿液體)；8—接地電極

圖1 高壓脈沖放電原理圖

2 高壓脈沖放電作用對樁徑的影響

相比傳統(tǒng)成樁技術(shù)，高壓脈沖放電技術(shù)成樁具有樁承載力高、施工成本低、環(huán)境污染小、無噪聲等特點，是典型的綠色施工。高壓脈沖對樁周土的擠密和樁徑增大是承載能力提高的主要原因，因而需要對高壓脈沖放電作用對樁徑的變化進(jìn)行分析。

2.1 沖擊波前沿壓力

高壓脈沖放電會在液相介質(zhì)中產(chǎn)生劇烈的沖擊波，沖擊波的前沿壓力P1可根據(jù)公式(1)確定[3-5]。

P1≈0.06Pm(l0/Ri)2exp(-t/θ)σ[T-t]

(1)

θ可根據(jù)公式(2)確定：

(2)

式中：W0——脈沖電流發(fā)生器中所儲存的能量，J；Wn——放電發(fā)展階段擊穿前的能量損失，J；η——放電電路的聲音系數(shù)，約等于0.5；K——公式系數(shù)，取6.6×108Pa；L——充電電路的電感，H；C——充電電路的電容，F(xiàn)。

放電通道中的最大壓力值Pm，可根據(jù)如下經(jīng)驗公式確定，近似等于

(3)

式中：ρ——液相介質(zhì)的密度，kg/m3。

聯(lián)立公式(1)、(2)、(3)可以計算出沖擊波的前沿壓力P1，但是這里還會涉及到一個問題就是在混凝土與樁周土分界處會產(chǎn)生沖擊波的反射和折射現(xiàn)象，這個過程是不可以忽略的，這里可以通過公式(4)確定其最終沖擊波壓力的大小[6-7]：

P1′≈P1·2λ2/(λ1+λ2)

(4)

式中：λ1——混凝土砂漿的聲勁度，λ1=a0ρ1；λ2——土的聲勁度，λ2=a1ρ2；a0——混凝土砂漿縱波的傳播速度，可以近似等于水中的聲速，m/s；a1——密實不飽和土中縱波的傳播速度 ，m/s。

2.2 蒸汽泡膨脹壓力的確定

膨脹汽泡的動態(tài)情況和對周圍液相介質(zhì)的作用的應(yīng)力場早在前蘇聯(lián)時期就有過很多研究[8-10]。壓力值與作用距離的關(guān)系見如下表達(dá)式：

(5)

式中：P0——大氣壓力，Pa；Pg——混凝土砂漿的水靜力學(xué)壓力，Pa；R——膨脹階段的蒸汽孔平均半徑，mm；Pm——蒸汽孔初始最大壓力，Pa；Ri——脈沖放電作用時的半徑，mm；r0——蒸汽膨脹前放電通道半徑，mm；r——汽泡膨脹階段的平均半徑，mm。

公式整理如下：

P2=0.2/(2Ri)·P1-P0-Pg

(6)

2.3 高壓脈沖放電作用下孔徑的變化

高壓脈沖放電過程中孔徑的變化是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，它與脈沖放電次數(shù)，放電能量，以及土的力學(xué)性質(zhì)，壓縮模量等參數(shù)有關(guān)。

為了評價孔徑的增大可以應(yīng)用土壓力模量表達(dá)式，這個公式在土試驗時應(yīng)用[11]：

E=(1-μ2)ωdΔP/Δh

(7)

式中：μ——泊松系數(shù)；ω——無量綱系數(shù)，取0.8；d——壓膜直徑，m；P——土的壓縮荷載曲線直線段壓力增大值，Pa；h——土的壓縮量，m。

選取土的模型為圓柱形，高度等于放電通道長度，半徑取放電通道到混凝土和土分界處的距離。由于沖擊荷載隨著孔身不斷加擴(kuò)導(dǎo)致半徑Ri會不斷的變化。在土模表面放電間隙施加第i個脈沖后，Si=2πRil0，施加第i+1個脈沖后，Si+1=2π(Ri+ΔRi)l0，在這里ΔRi為膨脹汽泡壓力作用下孔徑增大值，壓力可根據(jù)公式(6)確定，r為放電通道半徑。這時表達(dá)式可以按以下形式：

E=0.5(1-μ2)ω·2πRilrPm/(2πl(wèi)RiΔRi)

=(1-μ2)ωPmr/ΔRi

(8)

這時，所有數(shù)值系數(shù)能夠計算，第i個脈沖孔半徑的增大：

ΔRi=(1-μ2)ωPmr/E

(9)

每次連續(xù)的脈沖都會使孔徑增大，并且隨著土體空隙率的減小，需增加脈沖作用。施加n次脈沖后，鉆孔半徑增大值為每個脈沖作用的總和：

(10)

式中：n——脈沖總數(shù)。

根據(jù)這個公式可以估算孔徑的變化情況。

3 試驗驗證

為了驗證上述理論的成立，采用引進(jìn)的高壓脈沖裝置做了現(xiàn)場模擬擴(kuò)底成樁試驗，驗證高壓脈沖放電技術(shù)用于擴(kuò)底成樁的可行性。

試驗采用M32.5標(biāo)號水泥，砂子采用河沙，水為自來水，試驗場地為吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院橋外實習(xí)基地。其試驗過程如下。

(1)首先采用GJ100型鉆機成孔3個，孔深均為3 m，孔徑150 mm。每2個孔相隔1 m，以保證試驗土層具有相似性。經(jīng)鉆孔勘察可知，孔K-1、K-2在孔深1.0 m以深為原狀土，可用來放電擴(kuò)樁試驗研究，孔K-3在深1.5 m處為磚塊，孔深2.5 m處為原狀土，故對孔K-3只可在2.5 m處做試驗。

(2)配置水泥砂漿，水灰比為0.6，采用普通自來水?dāng)嚢?。本次試驗僅為驗證高壓脈沖放電對樁徑的影響，故采用一般自來水配置，使砂漿具有一定流動性即可。

(3)向已鉆好的150 mm孔內(nèi)澆注水泥砂漿，直至澆滿整個孔。

(4)將放電設(shè)備(見圖2)放入孔中，固定其標(biāo)高為孔深1.5 m處保持不動，保證放電設(shè)備在1.5 m處放電，確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 俄羅斯專家正在安裝放電設(shè)備

(5)將高壓脈沖裝置接通電源，首先在孔K-1深1.5 m處啟動放電，放電參數(shù)為：電壓U0=7 kV，C=758，W=18.5 kW，要求放2次電后停止放電，觀看鉆孔表面水泥砂漿的下降程度并做好記錄，并提起放電設(shè)備，使其水泥砂漿充滿放電處的加擴(kuò)處，之后將放電設(shè)備再次放入孔深1.5 m處，向孔中澆注水泥砂漿至孔頂。循環(huán)操作這個工序，直至放電后孔中水泥砂漿液面變化不明顯停止，即擴(kuò)徑至極限，本次試驗在孔K-1深1.5 m處放電10次。按照這個工序分別對3個孔的不同位置(1.5 m處和2.5 m處)進(jìn)行放電處理。

(6)取出放電設(shè)備，將孔用水泥砂漿填滿，48 h后樁已基本成型，具有一定強度后挖出樁觀察最后擴(kuò)徑情況，挖出的樁見圖3。

圖3 放電后所成葫蘆狀樁型

將高壓脈沖放電處理后樁徑變化試驗值與計算值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖4所示[12]。

圖4 深2.5 m處樁徑計算值與試驗值比較

圖5 深2.5 m處的放電次數(shù)與樁徑變化的關(guān)系

4 結(jié)論

盡管俄羅斯對該技術(shù)應(yīng)用已基本成熟，但是理論分析還有不足之處。與俄羅斯試驗相比，有別于俄羅斯采用細(xì)沙模擬土層，本次試驗地層為原狀土層，試驗結(jié)果更接近真實情況。從試驗結(jié)果中可得以下結(jié)論。

(1)高壓脈沖放電技術(shù)成樁可有效增大樁徑，密實樁周土壤，大幅度的提高樁基承載能力。

(2)放電能量參數(shù)較高的樁孔徑的變化值比較大。因為在樁周土被完全密實之前，脈沖能量越大，土體的變形越大，即樁徑變化越大。這是因為脈沖能量越大，所產(chǎn)生的沖擊波壓力越大，導(dǎo)致作用在樁周土體的壓力也就越大，所以樁周土的塑性變形就大。

(3)樁周土被完全擠密之前樁徑的變化與脈沖放電次數(shù)成正相關(guān)性，而樁徑每次的增大量是隨著樁周土的密實情況逐漸變小。

[1] 黃國良.高壓脈沖放電碎巖的研究[D].湖北武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[2] 李冬霜,王茂森，А.Ю.Юшков.高壓脈沖放電技術(shù)成樁法[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2011,38(4):78-79.

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[4] Наугольных К.А., Рой М.А. Электрический разряд в воде[M].-М.: Наука,1971.-155 с.

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[6] Семушкина А.А. Экспериментальное обоснование основных параметров технологического процесса импульсного уплотнения водонасыщенных грунтов при строительстве. Дисс... канд. техн. наук[M]. - Москва, 1968.-151с.

[7] Хлюпина Л.П. Физические процессы в песчаных водонасыщенных грунтах при высоковольтных разрядах.Дисс... канд. техн. наук[M].-Москва,1967.-163 с.

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[11] Основания и фундаменты / Под. редакцией Н.А. Цытовича[M].-М.: Высшая школа,1970.-384 с.

[12] 李冬霜.高壓脈沖放電擴(kuò)樁機理及試驗研究[D].吉林長春：吉林大學(xué)，2011.

Study on the Effect of High Voltage Pulse Discharge Technology on Pile Diameter

WANG Mao-sen, BO Kun

(College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130026, China )

Shock wave is generated by the electro-hydraulic effect in high-voltage pulsed discharge technology, and local hole reaming is built in downhole. Finally, pedestal piles with different diameters are formed via cement injection. This paper describes the high-voltage pulse discharge technique about the pile forming mechanism by hole bottom reaming, the pile forming process and the effect on the pile diameter, studies the work of shock wave and vapor expansion pressure on pile diameter. The field experiment is carried out by using a newly introduced high-voltage pulse discharge device, the results show that the theoretical formula results are in good agreement with the experimental results.

bored grouting pile; pedestal pile; high-voltage pulse discharge; pile diameter change; shock wave

2016-05-24；

2017-03-06

王茂森，男，漢族，1963年生，教授，地質(zhì)工程專業(yè)，博士，研究方向為多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，吉林省長春市西民主大街938號，wangms@jlu.edu.cn；博坤，男，蒙古族，1981年生，講師，地質(zhì)工程專業(yè)，博士，研究方向為多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，bokun@jlu.edu.cn。

TU473

A

1672-7428(2017)05-0068-04