книги из ГПНТБ / Николаев, Б. А Погружение свай с помощью электроосмоса

III. ВЛИЯНИЕ ПЛОЩАДИ ЭЛЕКТРОДОВ

НА УСКОРЕНИЕ ЗАБИВКИ ДЕРЕВЯННЫХ СВАЙ

5. Лабораторные исследования

Чтобы определить влияние расположения и величины пло­ щади электродов на ускорение забивки деревянных свай, были поставлены предварительные опыты в лабораторных условиях, которые в дальнейшем подверглись экспериментальной про­

верке в полевых условиях. Деревянные модели свай имели диа­ метр 3,4 см и оканчивались четырехгранной пирамидой. Они погружались на глубину 14 см. В табл. 4 приводятся данные об

электродах, расположенных вдоль образующих деревянных свай, а также на пирамидальной поверхности башмака.

Таблица 4

Размеры и площадь электродов деревянных свай

лом для электродов могут служить сталь, медь и алюминий.

Наиболее дешевым материалом является сталь. Все указанные металлы подвергаются окислению на аноде. В наших опытах замена медных электродов стальными не вызывала никакой раз­ ницы в скорости погружения свай с помощью электроосмоса. Основываясь на этом, можно рекомендовать применение более

дешевых стальных электродов.

Опытами установлена зависимость экономии в работе при забивке свай с использованием электроосмоса от площади элек­ тродов. Сваи забивались в пластичную нижнекембрийскую

глину при влажности 21—24%. Результаты опытов приведены в табл. 5.

электродами. Действие электроосмоса 'усиливалось при погру­ жении сваи 2 с башмаком-электродом, где экономия в работе составляла 52%. Так как значительное сопротивление грунта погружению сваи наблюдается у острия сваи, то оно должно хорошо смачиваться водой и вся его поверхность должна быть электродом. Для этого на острие следует надевать стальной башмак-электрод, покрывающий всю поверхность конуса. Как мы уже видели из табл. 5, применение башмака-электрода в свае 2 дает уже значительный эффект от использования элек­ троосмоса (52% экономии в работе). Очевидно, электроосмоти­ ческое смачивание водой острия сваи заметно уменьшило ло­ бовое сопротивление. При забивке свай 3—5 экономия в работе

была почти одинаковая (71—72%), хотя площади электродов на них были различные и составляли от 49 до 83% поверхности сваи. Следовательно, увеличение площади катодов сверх 50% от всей поверхности сваи уже существенно не влияло на эконо­

мию в работе при. забивке свай с помощью электроосмоса. Для наглядного представления о результатах опытов, приве­

денных в табл. 5, построены кривые зависимости между пло­ щадью катодов, силой и плотностью тока и экономией в работе (рис. 5). Из рисунка видно, что при уменьшении площади като­ дов моделей свай 1—5 плотность тока увеличивается (при оди­ наковом напряжении). Так, например, площадь катодов сваи 1 была в 3 раза меньше, а плотность тока в 3,7 раза больше, чем сваи 2, тогда как экономия в работе равнялась соответственно 42 и 52%. У сваи 2 площадь катодов была в 2 раза меньше, а плотность тока в 2,4 раза больше, чем у сваи 3, причем эконо­ мия в работе у них составляла 52 и 71%. Из этих примеров также видно, что изменениям площади электродов соответ­ ствует почти обратно пропорциональное изменение плотности

20

тока (при одинаковом напряжении) и сокращение экономии в работе. Чтобы (последняя не уменьшалась, требуется усилить ток и увеличить его плотность; для этого надо (повысить напря­ жение и тем самым электроосмотически перенести большее ко­ личество воды к свае-катоду. Например,- чтобы повысить эко­ номию в работе с 42 до 72% при площади электродов, равной

10%, необходимо усилить ток или увеличить напряжение не менее, чем в 1,7 раза, т. е. пропорционально экономии в работе.

Зависимость между площадью -катода и плотностью тока,

удовлетворяющая условию неизменности эффекта воздействия

F обратно пропорциональна плотности тока i. Таким образом, можно написать:

21

Следует, однако, иметь в виду, что с уменьшением площади электродов и увеличением плотности тока будет (больше рас­ ходоваться электроэнергии на нагревание грунта вследствие

возрастания его сопротивления из-за осушения у анода. Кроме того, при малой площади электродов смачивание поверхности сваи электроосмотически перенесенной водой будет неравно­ мерным, что ухудшит увлажнение грунта вокруг нее. Поэтому для сохранения неизменной эффективности электроосмоса при погружении сваи в случае уменьшения площади электродов не­ обходимо вводить коэффициент 0>1 в зависимость, выражаю­

ской сваи,

Рс—площадь поверхности сваи-катода, ic—плотность тока по всей поверхности сваи-катода.

Из данных опытов со сваями 1—3 (табл. 5) видно, что при площади 'катодов, составляющей более 50% 'всей поверхности сваи, 0=1; с уменьшением площади катодов до 19% этот коэф­ фициент увеличивается и равняется 0 = 1,5, а при площади элек­ тродов 7%—0 = 2,2. Указанными значениями коэффициента 0,

полученными по лабораторным исследованиям, можно пользо­

ваться для ориентировочных расчетов оптимальной площади электродов. Сваи 1—4 были устроены так, что они могли рабо­ тать также и как двухполюсные (сведения об электродах ом. в табл. 4). Результаты опытов забивки свай по двухполюсной и однополюсной схемам приводятся в табл. 6. Забивка свай про­ изводилась 'в нижнекембрийскую глину пластичной консистен­ ции при влажности 21—24%.

Во всех двухполюсных сваях при малом расстоянии (9—

26 мм) между электродами противоположного знака сила тока была значительно меньше, чем при использовании этих же свай

в качестве однополюсных, когда (расстояние между электродами было значительно больше (90—180 мм). Уменьшение силы тока

в двухполюсных сваях вызывает меньший, по сравнению с од­

нополюсными сваями, электроосмотический перенос воды и по­ нижение экономии в работе при забивке ударником.

К недостатку двухполюсных свай относится довольно быст­ рое высыхание и уплотнение грунта у анодов, затрудняющее

погружение свай. Чтобы уменьшить сопротивление осушенного

грунта, аноды делаются узкими, а катоды, наоборот, широкими. При чрезмерно узких анодах большая плотность тока вызывает

нагревание прилегающего грунта и сильное его осушение. В на­ ших опытах плотность тока на анодах была следующая: сваи

22

1—0,024 а/с.и2, сваи 2—0,013а/слг2,свай 3 и 4—0,015—0,026 а/см2.

Соотношение ширины анодов и катодов было на свае 1—1: 1, на свае 3—1 :4 и на свае 4—1 :6. Экономия в работе возрастала

с увеличением ширины и площади катодов.

Преимущество однополюсных моделей свай в сравнении с двухполюсными выражается в большей экономии в работе при погружении их с использованием электроосмоса (на 14—25%), что видно из табл. 6. Устройство однополюсных электродов на сваях гораздо проще, так как отпадает необходимость в изоля­ ции анодов от катодов.6

6. Опыты в полевых условиях

Работы, произведенные ЛИИЖТ под руководствам автора в полевых условиях на ст. Мстинский мост, Окт. ж. д. в июле — августе 1955 г., имели целью установить возможность исполь­

зования электроосмоса для облегчения и ускорения забивки

деревянных свай в грунты естественного залегания и разрабо­ тать способ свайных работ применительно к производственным условиям. Было забито 15 деревянных свай, из которых 7 за­ бивались с помощью электроосмоса. Схема расположения шур­ фов и свай приводится на рис. 6. Опыты производились с дере­ вянными сваями длиной 4 м и диаметром 10—12 см. Они заби-

23

вались ручным молотом весом 88 кг, падавшим с высоты 1 м, с 'Применением треноги с направляющими для молота и сваи. Ге-

Рис. 6. Схема расположения шурфов и деревянных

свай на опытной площадке

нератором постоянного тока служил сварочный агрегат «Кель­

берг», у 'которого при малой нагрузке можно было регулировать

Рис. 7. Геологический разрез по шурфам на площадке

На площадке, где осуществлялась опытная забивка свай, были пройдены шурфы 2—4. Геологический разрез площадки ■показан на рис. 7. С поверхности и на глубину до 0,9—1,46 м залегает насыпной слой, сложенный преимущественно супесью и частично суглинком, содержащий большое количество гравия,

24

гальку, мелкие валуны, обломки кирпича, осколки стекла, шлак и гнилое дерево. Ниже залегает плотный моренный суглинок с гравием, галькой и мелкими валунами. Грунтовая вода на площадке выработками не обнаружена. Морена представлена легкими суглинками с линзами тяжелой супеси и среднего су­ глинка. Гранулометрический состав морены неоднородный, так содержание фракций по 12 пробам изменялось в следующих пределах: частиц менее 0,002 мм — от 8,6 до 15,2%; частиц 0,5— 0,05 мм — от 39,8 до 60,9%; частиц крупнее 0,5 мм — от 4,2 до

9%. Моренные суглинки имеют степень водонасыщения 0,8—1,.

пористость 28—35% и влажность 4'1—49%. Значительные угол

внутреннего трения (20°30') и сцепление (.и,/ кг;см^} свидетель-

дому состоянию.

При опытной забивке деревянных свай была использована методика, принятая при лабораторных исследованиях. Семь свай было забито с помощью электроосмоса и для сравнения с ними восемь свай — обычным способом. Забивались толькооднополюсные сваи. Анодом служили забитые соседние сваи с электродами. Расстояние между сваями-электродами было­ одинаковым— 0,5 м. Все сваи забивались со дна закопушек (глубиной 1 м) в моренные суглинки до глубины 3,8 м. Зако­ пушками проходился насыпной слой, содержавший камни. Сваи снабжались башмаками из кровельного железа, голова их укреплялась бугелем.

Сваи, забиваемые с помощью электроосмоса, кроме баш­ мака, имели полосы-электроды из кровельного железа или из проволоки. Исследовались три типа электродов: I тип —две же­ лезные проволоки диаметром 0,29 см (рис. 8, tz), II тип — четыре узкие железные полосы шириной по 2 см (рис. 8,6), III тип — две широкие железные полосы -шириной по 9 см (рис. 8,в). Сваи с проволочными электродами и с узкими полосовыми электродами показаны на рис. 9. Сваи I типа имели площадь

электродов, равную 7% от .всей -площади поверхности сваи в грунте, II типа —21—25% и III типа — 50—55%. С помощью-

25-

с помощью электроосмоса и без него, причем в конце забивки в первом случае отказы (и скорость погружения) были в два раза больше, чем во втором.

Забивка свай с узкими полосовыми

ипроволочными электродами (I и II типы)

Свайный куст IX состоял из девяти свай. Сваи 1, 4, 5, 7, 8 были забиты обычным способом, а сваи 2, 3, 6, 9 — с помощью

электроосмоса, из них свая 6 имела проволочные электроды,

а остальные — узкие полосовые электроды (шириной по 2 см).

Ширина четырех узких полос-электродов составляла около 23% ■периметра сваи. Сваи 2, 3, 6 забивались при напряжении по­

стоянного тока 100 в, а свая 9 — 50 в. Несмотря на малую пло­

щадь электродов, результаты забивки свай с помощью элек­

троосмоса получились удовлетворительные, о чем свидетель­ ствуют данные табл. 7.

Таблица 7

Результаты забивки е помощью электроосмоса деревянных свай (IX куста) с проволочными (I типа) и полосовыми

(II типа) электродами

забивки свай 2 и 3 с использованием электроосмоса (при на­

пряжении 100 в) потребовалось лишь 260—303 удара молота,

тогда как свая 8 была забита обычным способом до той же глубины лишь после 455 ударов. Уменьшение числа ударов от использования электроосмоса составляет 37%. Соответственно уменьшалось и время забивки. Другие сваи 1 и 7, забитые обыч­ ным способом, имели деформации, и поэтому результаты их за­ бивки не сопоставимы.

На рис. ГЗ построены кривые изменения отказов в зависи­ мости от глубины забивки деревянных свай. Расхождение в от­ казах свай, забитых с помощью электроосмоса и обычным юпо-

28