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

С увеличением степени электроосмотического водонасыщения грунта в объеме, вытесненном острием сваи, экономия в работе

по забивке свай возрастает, так как сопротивление сдвигу его

уменьшается. Величина S определяется в конце забивки сваи, когда эффект электроосмоса наибольший. Ниже приводится (табл. 22) результат определения по формуле (12) степени электроосмотического водонасыщения грунта по данным опыт­

ной забивки стальных и деревянных свай в моренные суглинки

Как видно из табл. 22, в условиях опытной забивки вели­

чина S изменялась для стальных свай от 0,005 до 0,015, а для

деревянных — от 0,007 до 0,03 при конечных отказах стальных свай, колебавшихся от 0,7 до 1,7 см, а деревянных — от 0,31 до

0,77 см. Величина S для стальных свай при отказах 1,7 см была в два раза больше, чем при отказах 0,7 см, т. е. S возрастала вместе с отказами. Из таблицы также видно, что при большей

площади электродов (составлявшей 50% для свай VIII-3-5-2) отказ был в два раза больше (0,71—0,77 см), а величина S при­ близительно в два раза меньше, чем для свай (IX-9-2-3) с мень­ шей площадью электродов (25%). Для деревянных свай с оди-

69

Лаковой площадью электродов величина S увеличивалась

вместе с отказом.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что увели­ чение величины S соответствует возрастанию экономии в работе и величине отказов под действием электроосмоса, поэтому она может служить коэффициентом эффективности действия элек­ троосмоса на ускорение погружения свай. Аналогичным коэф­ фициентом является толщина оболочки электроосмотически во­ донасыщенного грунта вокруг острия сваи б, обоснование ко­ торой опубликовано ранее [10].

Определение средней плотности тока по

заданному напряжению

Для определения средней плотности тока на стальной свае при заданном напряжении генератора постоянного тока тре­ буется сначала вычислить омическое сопротивление грунта между сваями, а затем по закону Ома найти силу тока. Для

этого необходимо знать удельное омическое сопротивление грунта, расстояние между сваями-электродами и площадь сваи-

катода. Омическое сопротивление грунта между сваями-элек­

торая вытекает из выражения (12):

■ : 0,7855/Щ2(1-£)”

КоЭ^К

В этой формуле известными являются следующие члены: /<09—объемный коэффициент электроосмоса в см3 • кулон-1;

t— время между ударами молота в сек.;

70

h — проектируемый отказ свай, который при погружении с помощью электроосмоса увеличивается в 2—5 раз по

сравнению с обычной забивкой;

g — степень водонасыщения грунта в долях единицы; п—пористость грунта в долях единицы;

FK—площадь поверхности конуса-катода (определяется по

формулам 12в, г); d—диаметр свай;

S— степень электроосмотического водонасыщения грунта в

объеме, вытесняемом острием свай от 1 удара молота.

При ориентировочных расчетах забивки стальных свай в мо­

ренные суглинки величина S изменяется от 0,005 до 0,015 при отказах 0,7;—1,7 см, а для деревянных свай — от 0,007 до 0,03

при отказах 0,31—0,77 см. Расчетная величина S принимается между указанными предельными значениями. Для более точ­

ного определения коэффициента S необходимо в каждом кон­ кретном случае производить пробную забивку свай обычным

способом и с помощью электроосмоса.

Вычислив по формуле . (14) среднюю плотность тока, нахо­ дим силу тока, омическое сопротивление (по формулам 126, 13) и напряжение тока, а затем мощность генератора постоян­ ного тока. Если возрастают напряжение (более 100—120 в) и нагрузка тока на сваю-электрод (более 120 а), то по условиям нормальной эксплуатации генератора постоянного тока и без­ опасности для работы их необходимо снизить. Для этого сле­

дует уменьшить отказ h, тем самым увеличить время влияния электроосмоса или же снизить эффект электроосмоса, умень­ шив величину S.

Пример 1 приближенного расчета плотности, силы и на­

пряжения постоянного тока при электроосмотическом способе погружения стальных свай. Исходные данные для расчета взя­

d=42,6 см. По табл. 22 выбираем максимальное значение вели­ чины 5 = 0,0148 и по формуле (14) находим среднюю плотность тока:

Далее определяем по известным формулам силу тока (126)-,

омическое сопротивление грунта между электродами (13), по­ требное напряжение тока (по закону Ома) и мощность генера­ тора при следующих исходных данных: Fc=287 100 см2— по­ верхность стальной сваи-электрода в грунте; Я = 2150 см — глу­ бина погружения сваи-электрода в грунт; г ==21,3 см — радиус электродов в см-, L=740 см — расстояние между сваями-элек­

тродами; р = 2400 ом-см — удельное омическое сопротивление.

/ = 0,0003-287 100 = 86 а.

71

Е= 86-1,26= 108,3^110 в. N = 110-86 = 9460 в/п^10 кет.

В случае, если напряжение и сила тока будут превосходить предельно допустимые по условиям работы, то их необходимо уменьшить, снизив величину S.

Определение оптимальной величины отказа

Для найденных расчетным путем параметров тока можно определить вероятную эффективность погружения свай элек­ троосмотическим способом. Последняя характеризуется вели­ чиной соотношения между оптимальным конечным и проекти­ руемым отказами. Оптимальным конечным отказом называется такое погружение сваи, при котором в данных условиях уско­

а для других типов/грунта — по данным забивки пробных свай. Формула (15) не учитывает живую силу удара молота (вес и высоту подъема) и сопротивление грунта погружению сваи, по­ этому величина h может не соответствовать истинному погру­ жению, но при углублении сваи на величину h будет получен наибольший эффект от использования электроосмоса при вы­ бранных параметрах постоянного тока и при данном физиче­ ском состоянии грунта. Действие электроосмоса на ускорение погружения сваи будет наиболее эффективным при условии, если оптимальный конечный отказ сваи, погружаемой с по­

мощью электроосмоса, получится в 2—5 раз больше проекти­

руемого конечного отказа сваи, забиваемой без электроосмоса. Если величина h не будет удовлетворять этому условию, то не­ обходимо увеличить плотность тока или удлинить время дей­ ствия тока, делая реже частоту ударов молота.

14. Расчет параметров тока и оптимальной площади электродов для неметаллических свай

Для приближенного расчета требуемой средней плотности тока при электроосмотическом погружении деревянных или же лезобетонных свай (имеющих башмак и полосовые продольные электроды) вычисляют сначала по формулам (126) или (14) среднюю плотность тока для стальной сваи одинаковых разме­

ров (по длине и диаметру) с неметаллической сваей, а затем

72

по формуле (9) определяют среднюю плотность тока для неме­ таллической сваи.

При этом надо одновременно найти оптимальную площадь электродов Fa, при которой сила, тока не вызывала бы чрезмер­ ного осушения грунта у анода. Кроме того, с точки зрения тех­ ники безопасности и обеспечения изоляции тока желательно

иметь низкое напряжение и небольшую силу тока между элек­ тродами или же не допускать большую разность напряжений между копром и землей или сваями-электродами (шаговое на­ пряжение).

Минимальные параметры тока при максимальном эффекте

электроосмоса будут у стальных свай. Для неметаллических свай не экономично делать электроды на всей поверхности сваи. Площадь электродов должна быть не более 50% поверх­

ности сваи. Необходимо выбрать оптимальную площадь элек­ тродов при минимальных параметрах тока и обеспечить уско­ рение и облегчение погружения свай по крайней мере в два раза и более. Эта задача разрешается путем определения сред ней плотности и параметров тока для разной площади элек­ тродов и выбора из них оптимальных.

Пример 2 приближенного расчета плотности, силы и на­

пряжения тока и оптимальной площади электродов при электро­ осмотическом погружении деревянных свай. Данные для рас­ чета взяты из опыта с деревянной сваей IX-2: Доэ=0,034 сдг3/ку-

лон; /=1,72 сек.; /1 = 0,45 см; d=10,3 см; гк = 364 см2; £=0,91;

/г=0,27.

По табл. 22 принимаем величину 5 = 0,03. По формуле (14) рассчитываем среднюю • плотность тока на всю поверхность

стальной сваи, одинакового размера с деревянной.

0,785-0,03-0,45-10,341—0,91)0,27

Zc =----------------- 0,034-1,72-364---------- = °'0012 а СМ'-

Для выбора площади электродов на деревянной свае возь­ мем разное соотношение площади поверхности сваи Fc к пло­ щади электродов:

73

площади электродов необходимо увеличивать плотность тока, чтобы количество электричества, протекающего через сваю, оставалось одно и то же. Исходя из этой пропорции, находим

Сила тока при этом остается неизменной и равной произве­ дению площади электрода на соответствующую плотность тока:

7, — 72 = 73 = 7С = 11,29 а.

Для расчета омического сопротивления грунта между элек­

Наконец, определяем напряжение тока для принятых элек­ тродов:

74

Из приведенных напряжений наиболее безопасным с точки зрения техники безопасности является 62,65 в. Однако послед­ нее может быть принято только для стальных свай, у которых вся поверхность является электродом. Что касается деревян­

ных и железобетонных свай, то по конструктивным соображе­ ниям площадь их электродов желательно принять по возмож­

ности меньше всей поверхности свай. Однако при этом следует

иметь в виду, что для сохранения неизменной эффективности электроосмотического погружения свай напряжение тока в дан­

ном случае должно быть увеличено по сравнению с напряже­ нием для стальных свай соразмерно с принятым процентом площади электродов свай (по отношению к площади их поверх­ ности). Величина этого напряжения не может превосходить 120 в, так как в противном случае потребуются уже не сва­

рочные агрегаты, имеющиеся на строительствах, а специальные генераторы. При этом усложняется изоляция, усиливаются

утечки тока, увеличиваются шаговое напряжение и опасность поражения работающих током, происходит более сильное осу­ шение грунта у анода.

На основании исследований с деревянными сваями можно принять оптимальную площадь электродов, соответствующую

2'5% всей поверхности сваи. При этом полученное расчетное на­

пряжение тока 100 в надо увеличить согласно формуле (16),

Определение среднего удельного сопротивления и коэффи­ циента электроосмоса для слоистой неоднородной толщи грун­ тов производится по методу, рекомендованному А. В. Нетуши-

лом [8]. Предлагаемый автором ориентировочный способ рас­

чета параметров постоянного тока и оптимальной площади электродов есть первая попытка выявить необходимые данные для проектирования погружения свай с помощью электроос­ моса. В дальнейшем этот приближенный способ требует уточ­

нения путем накопления сведений об изменениях толщины обо­ лочки и степени электроосмотического водонасыщения в разных грунтах, для различных типов и размеров свай и электродов, а также при разных способах и скоростях погружения свай.

75

VIII. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКОГО СПОСОБА УСКОРЕНИЯ ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ

Практические рекомендации основаны на проведенных ис­ следованиях, поэтому перед их изложением подведем итог вы­

полненных работ. Разработка электроосмотического способа заключалась в изучении закономерного влияния различных факторов на ускорение погружения свай. Исследованиями была установлена зависимость скорости погружения свай с помощью электроосмоса от геологического строения участка, минерало­ гического и гранулометрического составов грунта. Определено влияние изменения влажности и пористости грунта, параметров постоянного тока, скорости погружения и расстояния между сваями-электродами на ускорение и облегчение забивки свай с помощью электроосмоса. На деревянных и железобетонных сваях были испытаны различные типы электродов (проволоч­ ные и полосовые с башмаком, труба с конусом) и выявлены

наиболее эффективные из них.

Влияние изменения всех указанных факторов на ускорение погружения свай с помощью электроосмоса оказалось возмож­

ным характеризовать величиной степени электроосмотического водонасыщения грунта вокруг острия сваи. Этот условный ко­ эффициент определяется расчетным путем по формуле (12) и изменяется вместе с \ ускорением погружения свай под дей­

ствием электроосмоса. По известным значениям степени элек­ троосмотического водонасыщения грунта и другим данным мож­ но приближенно рассчитать, пользуясь формулами (126) или (14), плотность тока для стальных свай (§ 13), а по формуле (16) —плотность тока и оптимальную площадь электродов для неметаллических свай (§ 14).

Эти способы расчета являются обобщением накопленного материала и позволяют получить необходимые данные для про­

ектирования погружения свай с помощью электроосмоса.

В результате проведенных автором исследований в произ­

водственных условиях установлено, что использование электро­ осмоса в несколько раз облегчает и ускоряет забивку и вибро­ погружение стальных, деревянных и железобетонных свай в

глинистые грунты. С помощью электроосмоса может быть до­ стигнута большая, чем в обычных условиях забивки, глубина погружения свай в плотные глинистые грунты и тем самым уве­

личена их несущая способность после «отдыха». Под влиянием электроосмоса облегчается работа, затрачиваемая на погруже­

ние свай, и последние меньше деформируются, чем при обычном способе.

В 1958 г. Ленмостостроем при консультации ЛИИЖТ был применен при сооружении опор моста Строителей электроосмо­ тический способ забивки трубчатых железобетонных свай диа­

76

метром 560 мм в плотные моренные суглинки на глубину до 19 м. Производственные результаты подтвердили высокую эф­ фективность этого способа. Динамическими и статическими ис­ пытаниями свай было установлено, что прочность грунта вокруг забитых свай-катодов восстанавливается, причем этот процесс можно ускорить, использовав .забитую сваю-катод в качестве

анода. Осушение и уплотнение грунта вокруг сваи-анода по­ стоянным током значительно сокращает время, необходимое

для ее «отдыха», что особенно важно при вибропогружении.

Чтобы успешно применять на производстве электроосмотиче­ ский способ погружения свай, необходимо:

а) иметь генератор постоянного тока (типа сварочного аг­ регата), амперметр и вольтметр постоянного тока с пределами измерений, соответствующих параметрам генератора;

б) оборудовать неметаллические сваи электродами или ис­ пользовать в качестве электродов имеющиеся стальные баш­ маки, трубы-наконечники с конусом и проч, и присоединить их к генератору;

в) изолировать сваю-катод от копра или копер от земли,

чтобы ток проходил через грунт только между сваями-электро­

дами и чтобы не было других утечек.

Во время погружения свай с помощью электроосмоса копро­ вой бригаде необходимо соблюдать правила техники безопас­

ности при работе с током низкого напряжения. Электроосмоти­

ческий способ погружения свай не требует больших затрат на его осуществление, но дает значительную экономию времени и средств, способствуя сохранению неметаллических свай от раз­ рушения при погружении в плотные глинистые грунты.

15. Геологические условия, благоприятствующие погружению свай с помощью электроосмоса

грунтов. Поэтому для решения вопроса об успешном использо­ вании электроосмоса необходимо иметь данные инженерно-гео­

логических исследований площадки и результаты изучения фи­ зико-механических свойств грунтов.

Наилучшими геологическими условиями для использования электроосмоса будут такие, когда вся толща, проходимая свая­ ми, представлена глинистыми грунтами. С возрастанием мощ­ ности песчаных слоев и уменьшением глинистых эффективность использования электроосмоса уменьшается. В водоносных пес­ чаных грунтах поверхность сваи омачивается грунтовыми во­

дами. Поэтому применение электроосмоса в песках и супесях мало эффективно и не целесообразно. Проходка сваями водо­

77

носных 'слоев с электроосмосом вызывает излишний расход электроэнергии, который увеличивается вместе с минерализа­

цией воды. Если сваи 'проходят песчаную толщу и остриями углубляются в плотные глинистые грунты или проходят слои плотных глин, то для облегчения их погружения в плотные гли­ нистые грунты целесообразно использовать электроосмос.

Эффективность использования электроосмоса зависит от минералогического состава коллоидно-дисперсной части глин. Наибольшая экономия в работе наблюдается при забивке свай в монтмориллонитовую глину, в меньшей мере — в гидрослюдистую и еще меньше — в каолинитовую глину. При погружении свай в не насыщенные водой глинистые грунты на эффект дей­

ности и степени водонасыщения грунта увеличиваются электро­ проводность и электроосмотическая фильтрация. Вследствие этого ускоряется погружение свай под действием электроосмоса. С приближением степени водонасыщения к единице происходит увеличение ускорения погружения свай (экономия в работе

достигает 60—70%); при степени водонасыщения меньше 0,6

эффект электроосмоса падает (экономия в работе составляет меньше 20%).

При углублении сваи в грунт замедляется скорость ее по­

гружения, удлиняется время действия постоянного тока на грунт, увеличивается электроосмотическое увлажнение грунта

в прикатодной зоне и уменьшается его сопротивление погруже­ нию сваи. Эффект электроосмоса тем больше, чем меньше ско­

рость погружения сваи, чем больше плотность тока и степень водонасыщения грунта. Наибольший эффект от использования электроосмоса наблюдается при медленном погружении свай в плотные глинистые грунты, имеющие степень водонасыщения^ близкую к единице.

В грунтах, более плотных и водонасыщенных, с большим со­

противлением сдвигу, электроосмос ускоряет погружение свай

■значительно сильнее, чем в менее плотных грунтах. Такими плотными грунтами являются моренные суглинки и коренные глины. В них электроосмотический способ погружения свай дает значительный эффект при условии, что структурные (кристалли­ зационные) связи имеют незначительную прочность. В камне­

подобных глина/х (аргиллитах) и других полускальных грунтах

погружение свай от пропускания постоянного тока не уско­ ряется.

Особенно хороший результат получался от использования электроосмоса, когда острие сваи углублялось в плотный гли­ нистый грунт (нижнеморенный суглинок). При надлежащем за­ глублении сваи имели высокую несущую способность. Чтобы заглубить сваи обычным способом, требовалась большая ра­ бота, при этом железобетонные сваи от большого количества

78