способ изготовления набивной сваи

Формула изобретения

1. Способ изготовления набивной сваи, включающий бурение скважины, подачу в нее твердеющего материала, формирование высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов с помощью перемещаемого в материале разрядника, отличающийся тем, что формируют высокоэнергетические импульсы низкого напряжения и, одновременно с формированием каждого высокоэнергетического импульса низкого напряжения, формируют дополнительный маломощный импульс высокого напряжения, для возбуждения инициирующего электрического разряда в перемещаемом разряднике.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют высокоэнергетические импульсы энергией выше 20 кДж, напряжением 500-1000 В, а дополнительные маломощные импульсы для возбуждения инициирующего электрического разряда в перемещаемом разряднике формируют напряжением 5-15 кВ, энергией 200-2000 Дж, длительностью (5-20)10^-6с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении свай постоянных и временных фундаментных конструкций и искусственных оснований.

Известен способ изготовления набивной сваи, включающий подачу твердеющего материала в предварительно выполненную скважину и последующее камуфлетное уплотнение твердеющего материала серией высоковольтных высокоэнергетических электрических разрядов напряжением 6-8 кВ (А.с. СССР №1441847, МПК E 02 D 5/44).

Известен также способ изготовления набивной сваи, включающий бурение скважины, подачу в скважину твердеющего материала, возбуждение в нем высоковольтных электрических разрядов с помощью разрядника, предварительно помещенного в твердеющий материал, заключенный в оболочку, с перемещением снизу вверх зоны возбуждения (патент на изобретение RU №2039156, E 02 D 5/34).

Недостатком известных способов является повышенная опасность воздействия электрической энергии высокого напряжения на организм операторов из-за распространенной высоковольтной части в виде тракта передачи электрической энергии от мощного энергоемкого источника - батареи конденсаторов к нагрузке (рабочее напряжение может составлять порядка 5-8 кВ и более, а энергоемкость - свыше 5 кДж).

Наиболее часты случаи поражения шаговым напряжением персонала, что зависит от внешних условий протекания электрического тока в грунте (например, сопротивления грунта), уровня рабочего напряжения и др. Кроме того, при случайном (аварийном) замыкании высоковольтного тракта возможно световое, дуговое, электрическое и электродинамическое воздействие.

Все вышеуказанное ведет к снижению надежности работы оборудования. Кроме того, при аварийном замыкании возможен выход из строя электроимпульсной установки в целом.

В рассмотренном известном способе обеспечение безопасности обслуживающего персонала требует неукоснительного выполнения дополнительных защитных мероприятий и средств по технике безопасности, что усложняет и удорожает процесс. При этом дополнительные защитные мероприятия не достаточно эффективны и не могут обеспечить безопасность обслуживающего персонала особенно в полевых условиях - под дождем, снегом, при мокром грунте.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления набивной сваи, включающий бурение скважины, подачу в нее твердеющего материала, возбуждение в нем электрических разрядов с помощью разрядника, перемещаемого снизу вверх (А.с. СССР №1678971 A, E 02 D 5/34).

Этот способ обладает теми же недостатками, что и вышеуказанные технические решения.

Заявляемое техническое решение решает задачу создания надежного и безопасного способа изготовления набивной сваи.

Техническим результатом является повышение надежности способа и электробезопасности путем уменьшения рабочего напряжения, при формировании высокоэнергетического электрического импульса для создания условий, при которых развивается электрогидравлический удар.

Этот технический результат достигается тем, что при изготовлении набивной сваи, включающем бурение скважины, подачу в нее твердеющего материала, формирование высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов с помощью перемещаемого в материале разрядника, формируют высокоэнергетические импульсы низкого напряжения, и, одновременно с формированием каждого высокоэнергетического импульса низкого напряжения, формируют дополнительный маломощный импульс высокого напряжения, для возбуждения инициирующего электрического разряда в перемещаемом разряднике. При этом для обеспечения оптимальных условий изготовления набивной сваи с высокими качественными показателями формируют высокоэнергетические импульсы свыше 20 кДж напряжением 500-1000 В, а дополнительные маломощные импульсы формируют напряжением 5-15 кВ, энергией 200-2000 Дж, длительностью (5-20)10^-6 с.

Способ поясняется чертежом, где t₁, t ₂, t₃... t₇ - стадии изготовления набивной сваи; 1 – скважина; 2 - твердеющий материал; 3 – разрядник; 4 – армокаркас; 5 - зарядно-выпрямительное устройство, подсоединенное к емкостному высокоэнергетическому накопителю электроэнергии 6; 7 - коммутатор накопителя 6; 8 - питающий низковольтный кабель, соединяющий низковольтный накопитель 6 с разрядником 3; 9 - зарядно-выпрямительное устройство для маломощного высоковольтного источника 10; 11 - коммутатор маломощного высоковольтного источника; 12 - блок синхронизации; 13 - кабель, соединяющий источник с дополнительным инициирующим электродом 14, размещенным в разряднике; 15 - область формирования разряда; 16 - часть изготовленной сваи. Блок синхронизации 12 выполнен с возможностью одновременного срабатывания последовательно соединенных через него коммутаторов 7 и 11.

Способ реализуется следующим образом (см. чертеж).

Любым известным способом, например бурением с помощью буровых станков фирмы "Бауер", производят проходку цилиндрической скважины 1 проектного диаметра (стадия t₁).

По достижении проектной глубины буровой снаряд извлекают из скважины 1, часть ее заполняют твердеющим материалом 2 (стадия t).

Опускают в скважину 1 армокаркас 4, разрядник 3 с питающим низковольтным кабелем 8, подсоединенным к емкостному низковольтному накопителю энергии 6 (стадия t ₃).

От зарядно-выпрямительного устройства 5 заряжают накопитель электрической энергии 6, например, энергоемкостью (20-50) кДж до низкого напряжения порядка до 1000 В (стадия t ₄). Одновременно производят зарядку поджигающего устройства 10 энергоемкостью порядка 200-2000 Дж до напряжения 5-15 кВ от зарядно-выпрямительного устройства 9 (стадия t₅).

Затем осуществляют подачу серии синхронизированных с помощью блока синхронизации 12 высокоэнергетических низковольтных импульсов от накопителя 6 и маломощных высоковольтных импульсов от источника 10 через кабели 8 и 13 коммутаторы 7 и 11 на разрядник 3 и дополнительный инициирующий электрод 14. Происходит серия низковольтных разрядов основного емкостного накопителя энергии 6 посредством пробоя с помощью сформированного инициирующего разряда в области формирования разряда 15.

Это в свою очередь приводит к появлению электрогидравлических ударов. Образующейся при этом ударной волной воздействуют на твердеющий материал 2 и стенки скважины 1, увеличивая ее диаметр, уплотняя твердеющий материал и образуя часть сваи 16.

При подаче импульса низкого напряжения, каким считают напряжение в диапазоне до 1000 В, на разрядник 14 электрического пробоя не произойдет, т.к. величины напряжения недостаточно для перекрытия промежутка даже при наличии квазипроводящей среды между электродами разрядника в виде “загрязнения”. Поэтому в зону разряда для обеспечения пробоя подают инициирующий импульс высокого напряжения (5-15) кВ от дополнительного поджигающего устройства энергией, равной (200-2000)Дж длительностью (5-20)10^-6 с синхронно с высокоэнергетическим, выше 20 кДж, импульсом низкого напряжения. Выбор параметров напряжения поджига, величины энергии и длительности поджигающего импульса осуществлен экспериментальным путем исходя из необходимости изготовления сваи с высокой несущей способностью и плотностью, безопасности процесса изготовления сваи для технического персонала, а также оптимального использования существующего электрического оборудования.

Известно, что, с точки зрения выделения энергии при электрогидравлическом эффекте, расстояние между электродами должно быть порядка 10-20 мм по поверхности диэлектрика (см. Ф.Фрюнгель. "Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов, конденсаторов". М.-Л., "Энергия", 1965, 488 с.). При низком напряжении величиной до 1000 В в этом промежутке разряда не образуется (см., например, "Техника высоких напряжений", под ред. Д.В.Разевига, 2-е изд. - М.: Энергия, 1976, - 488 с.).

Напряжение до 1000 В обусловлено граничным значением с точки зрения техники безопасности, т.к. считается, что высокое напряжение - это величина напряжения свыше 1000 В (см., например, Правила техники безопасности и технической эксплуатации электрооборудования. - Утверждены Приказом Минэнерго РФ №6 от 13.01.03. Екатеринбург, Урализдат, 2003 г., с.304). Наиболее оптимальным нижним порогом низкого напряжения является величина напряжения 500 В, который выбирают исходя из массогабаритных характеристик накопителя. При дальнейшем снижении напряжения сильно возрастают габариты и вес накопителя (Кужекин И.П. "Испытательные установки и измерения на высоком напряжении", М.: Энергия, 1980, с.52-56).

В таблице 1 приведены данные объема и веса накопителя в зависимости от уровня зарядного (рабочего) напряжения для импульсного конденсатора К41И 7 (напряжение 5 кВ; емкость 100 мкФ; габариты А× В× Н=170× 122× 410 мм; объем V=0,0014 м³; масса m=15 кг) при условии накопления электрической энергии накопителем 20 кДж.

Из таблицы 1 следует, что наиболее оптимальным является напряжение в интервале 500-1000 В.

При этом высокое напряжение поджигающего импульса также безопасно, так как энергия его, равная 200-2000 Дж, мала, импульс кратковременный и, следовательно, мало и количество электричества в импульсе (В.Н.Гайдук, В.Н.Шмигель. "Практикум по электротехнологии", М., Агропромиздат,1989 г., с.136-137).

Влияние выбранных параметров выполнения способа на такую характеристику сваи, как ее несущая способность, представлено в таблице 2. Испытывались сваи длиной 12 м, изготовленные из мелкозернистого бетона. Вмещающими грунтами по боковой поверхности служат четвертичные аллювиальные отложения, представленные песками мелкими и пылеватыми с прослоями суглинков и глин. Грунтами активной сжимаемой толщи под острием свай являются пески мелкие и средней крупности (по классификации СниП 2.02.03-85), 2. При этом несущая способность полученных свай определялась по существующим методикам в соответствии с ГОСТ 5686-94. Из табл.2 следует, что сваи, полученные заявленным способом, обладают достаточной несущей способностью, вместе с тем условия техники безопасности существенно улучшены.

Таблица 2
№	Параметры способа	№ примера
		1	2	3	4
1	Низкое напряжение накопителя электроимпульсной установки, В	500	700	850	1000
2	Энергия накопителя электроимпульсной установки, кДж	20	200	25	30
3	Высокое напряжение поджигающего импульса, кВ	15	20	10	7
4	Энергия поджигающего устройства, Дж	1100	2000	500	245
5	Длительность поджигающего импульса, с	20· 10-6	14· 10-6	5· 10-6	20· 10-6
6	Несущая способность сваи, тс	82	84	86	82

Изобретение дает возможность при относительно небольших затратах получить положительные результаты, существенно улучшить условия техники безопасности.