高压脉冲放电在大直径扩底灌注桩中的应用技术研究

马宁; 邓岳; 凌雪; 杨麟睿; 钱阳; 刘毅; 黄仕杰; MA Ning; DENG Yue; LING Xue; YANG Linrui; QIAN Yang; LIU Yi; HUANG Shijie

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1. 北京三一智造科技有限公司，北京102200； 2. 中国地质大学（北京），北京 100037； 3. 华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北武汉430074

中图分类号： TU473.1

最近更新：2024-12-04

DOI：10.12143/j.ztgc.2024.06.019

摘要

本文主要研究了金属丝电爆炸产生的压力冲击波作用在土层孔壁上，在桩底部挤压土体形成扩底桩。建立了金属丝爆炸能量与冲击波压力之间的关系函数与仿真模型，分析了放电参数与冲击波强度的关系；建立了冲击波压力与土体变形之间的关系，计算出粘性土体变形量所需要的压力大小；制作扩底桩、直桩模型，验证金属丝电爆炸荷载作用下土体受力变形特性，并对两种桩型承载力及抗拔力性能进行对比分析。利用高压脉冲扩底技术模型试验中的电学参数及工艺参数，构建国内首根直径0.8 m的高压脉冲扩底桩，完成“灌-扩”一体高压脉冲扩底工法的开发。

关键词

脉冲放电; 冲击波; 扩底灌注桩; “灌-扩”一体工法

0 引言

为了降低施工难度，减少施工成本，提升桩基础承载力，工程人员发明了各种类型的异形桩，包括夯扩桩、人工挖孔扩底桩、挤压支盘桩、机械扩底桩、复合载体夯扩桩、压力注浆等^［

1-3］。这些异形桩节约建筑材料同时，减少了碳排放，符合可持续发展的要求。其中常用的机械式扩底或静压式扩底法“扩底-清渣-灌注”的传统工艺比较复杂，钻孔有坍塌风险，钻具易损坏，导致卡钻，且机械切削成孔对孔壁无挤密压实作用，承载力提升不显著。在液态混凝土中利用高压脉冲放电形成的冲击波对土体具有挤密压实作用，可增加钻孔的径向尺寸，符合扩底施工的特点。

早在1950年代，高压脉冲放电技术就已经被苏联科学家发现并研究^［

4］。在随后的几十年里，该技术逐渐应用于工程中，1980年代初，苏联科学家研究出应用高压脉冲放电技术成桩工艺的基本原理，随后该设备样机下线^{［参考文献 5

百度学术}5］。截止至2003年，俄罗斯采用高压脉冲放电成桩的建筑物基础已有300多个，桩基使用量超过10000根^{［参考文献 6

百度学术}6］。这些项目的应用，表明该技术是一种效果佳、经济性优良的成桩方法。随着脉冲放电成桩技术在俄罗斯工程行业应用越来越多，参考RITA公司在莫斯科高层建筑设计中制造RIT-桩的经验，2006年莫斯科市发布了关于使用脉冲放电技术对高层建筑（RIT-桩）进行桩基设计和安装技术建议（TR 50-180-06），见表1。

表1 俄罗斯建筑规范中关于RIT桩施工建议

Table 1 Recommendations for RIT pile construction in the Russian Building Code

钻孔直径/mm	80~450
桩长/m	一般20
脉冲电流发生器电压/kV	10
单桩承载力建议值/kV	1500
放电终止标准	混凝土液面降低至设计高度且连续放电5次液面降低高度1 cm
放点步长/m	砂质土0.3~0.5，粘性土0.75~1(3~3.5倍桩径）
静载荷试验桩数量/个	≮3

国内对于高压脉冲放电技术成桩的应用研究相对较少，2011年，陈晨等^［

7］对高压脉冲放电技术在岩石破碎以及土体挤密方面进行了应用研究，在通过土体挤密实现扩大桩径的试验过程中，测得在高压脉冲放电的作用下直径150 mm钻孔会扩大至原来桩径的2倍左右，由此证实了该技术应用于提高桩的承载能力的可行性。2017年，王茂森等^{［参考文献 8

百度学术}8］通过高压脉冲放电技术将直径150 mm的钻孔桩多个部位扩大至280 mm形成竹节桩。2019年，Wang等^{［参考文献 9

百度学术}9］为促进高压脉冲放电技术的应用，具体的探讨了该技术在岩石破碎、混凝土破碎、石油开采、油井疏通和基础工程等方面的应用。近年，孔二伟等^{［参考文献 10

百度学术}10］、梁丽等^{［参考文献 11

百度学术}11］、马宁等^{［参考文献 12

百度学术}12］相继开展了高压脉冲放电的仿真试验研究等工作。

综上，国内外应用高压脉冲放电技术成桩的钻孔直径多450 mm，对于大直径工程桩缺少应用研究，且由于桩径较小，很少考虑冲击波的衰减效应。成桩后，对于高压脉冲扩底桩的成桩效果，尤其是承载力及抗拔力研究较少。鉴于此，本文首先在调研总结高压脉冲放电与钻孔孔径变化关系的基础上，分析了放电能量-冲击波衰减压力-土体变形3者之间的关系。然后通过仿真模拟以及室内模型试验等手段，确定了高压脉冲放电扩底所需的电学参数及工艺参数，并检测桩基承载力及抗拔力。最后，开展室外半工程试验，验证了该技术工程应用的合理性。

1 高压脉冲放电装置

由北京三一智造科技有限公司联合华中科技大学共同开发的高压脉冲放电装置，最大电压7 kV，最大储能232 kJ。装置主要包括高压升压变压器、高压整流硅堆、充电保护电阻、主电容、续流二极管、调波电感、晶闸管触发开关等。设备电气原理见图1，负载端放电电极采用铜棒电极，结构见图2，装置额定电压为0~7 kV，电容为9.47 mF，充电电流为4 A，充电机功率为20 kW储能为0~232 kJ。

图1 高压脉冲放电装置电气原理

Fig.1 Electrical schematic diagram of high voltage pulse discharge device

图2 负载端放电电极

Fig.2 Load‑side discharge electrode

2 高压脉冲放电扩桩理论分析

2.1 土层压缩性分析

高压脉冲扩桩过程中孔径的变化是一个复杂的动态过程，它与放电次数、放电能量及土的变形模量等性质参数有关。根据弹性力学公式，可确定土体的变形模量为^［

13］：

E_{0} = ω \frac{b P (1 - μ^{2})}{s}

（1）

式中： $E_{0}$ ——土体变形模量； $μ$ ——桩周土体的泊松比； $ω$ ——无量纲沉降影响系数； $b$ ——压膜直径； $P$ ——压力荷载； $s$ ——土体的沉降量。

当冲击波载荷挤密土体时，可将土体的沉降量近似为钻孔空腔直径的扩大，将上式中的压膜直径定义为电弧通道的直径。由土体变形模量可推导高压脉冲放电冲击波作用下单次钻孔空腔扩径计算公式，获得单次放电参数与钻孔空腔扩径的关系^［

14］：

∆ R_{i} \approx ω \frac{b r_{0} P_{m}^{'} (1 - μ^{2})}{E_{0}^{*}}

（2）

式中： $∆ R_{i}$ ——冲击压力下孔径变化值； $P_{m}^{'}$ ——衰减后的冲击波压力； $E_{0}^{*}$ ——土体变形模量变化。

高压脉冲可实现重复放电，每次放电均会使孔径增大，可采用累加法计算最终获得冲击波压力-土层变形特性的钻孔孔径累积扩张分析方法。

∆ R = \sum_{1}^{n} Δ R_{i} \approx \sum_{1}^{n} ω \frac{b r_{0} P_{m}^{'} (1 - μ^{2})}{E_{0}^{*} N_{i}}

（3）

式中： $N_{i}$ ——脉冲编号； $n$ ——脉冲次数。

冲击波载荷作用下，土的状态会发生改变，土的变形模量也会随之变化，该参数需要根据土力学试验及放电参数评估，反复迭代获取高压放电土体变形模量修正结果。本文为便于计算，将 $E_{0}^{*}$ 看成常数，取土体初始变形模量 $E_{0}$ 。

2.2 冲击波压力衰减分析

爆炸冲击波的最大压力与液体密度、脉冲总能量、持续时间均有关系，可按照式（4）进行估算^［

15-16］，能够比较准确的描述冲击波的传播规律：

P_{m} = β \sqrt[]{\frac{ρ_{0} W}{τ T}}

（4）

式中： $P_{m}$ ——冲击波产生时的最大峰值压力； $β$ ——复杂积分函数，水介质取0.75；W——放电通道单位长度上的能量；T——脉冲持续时间； $ρ_{0}$ ——介质密度； $τ$ ——波前时间。

冲击波在传递过程中，其强度近似呈指数衰减。距离放电中心 $r$ 处的冲击波压力为^［

17-18］：

p = P_{m} e^{- \frac{k r}{v_{0}}}

（5）

式中： $v_{0}$ ——冲击波的波速。

Ls-Dyna软件在爆炸冲击领域应用广泛，该软件程序中包含许多关键字，用户可通过修改关键字，定义所需材料，具有很强的自适应功能^［

19-20］。现阶段，金属丝电爆炸产生的冲击波多采用使用该软件模拟。波源材料定义为TNT，TNT炸药采用Mat_High_Explosive_Burn材料模型和JWL状态方程，该方程的关系如下：

p = A (1 - \frac{ω}{R_{1} V}) e^{- R V} + B (1 - \frac{ω}{R_{2} V}) e^{- R_{2} V} + \frac{ω E_{0}}{V}

（6）

式中： $V$ ——相对体积； $E_{0}$ ——初始内能密度； $A$ 、 $B$ 、 $R_{1}$ 、 $R_{2}$ 、 $ω$ ——试验确定的常数。

对于装药密度1.2 g/cm³的TNT炸药，各相关参数分别取值为： $A = 741 G P a$ ， $B = 18 G P a$ ， $ω = 0.35$ ， $R_{1} = 5.56$ ， $R_{2} = 1.65$ ， $E_{0} = 3.6 \times 10^{9} J / m^{3}$ 。

此外，炸药的爆速 $D = 5500 m / s$ ，爆压 $P_{C J} = 1.0 \times 10^{10} P a$ 。

由于流态混凝土介质密度高，本文采用粘土介质代替流态混凝土，模拟爆炸冲击波的衰减规律，见图3、图4。

图3 爆炸冲击波在土中的传播规律

Fig.3 Propagation law of explosion shock wave in soil

图4 距离爆炸中心不同距离处冲击波波形

Fig.4 Wave forms at different distances from the explosion center

通过仿真曲线得到的冲击波传播规律与经验公式具有一致性。由于设备最大储能232 kJ，代入公式（4）中， $β$ 取0.75， $τ$ 取2 us，T取500 us^［

21-22］，峰值压力为361 MPa。根据炸药爆炸仿真拟合到的距离不同爆炸中心处，冲击波峰值压力衰减公式，得到冲击波衰减系数为-7.6，距离爆炸中心20 cm处，代入公式（5），衰减后的压力79 MPa，仅为峰值压力的22%。土层变形模量初始值取2.0 MPa，钻孔单次孔径变化值仅2.8 cm，扩孔效率低。因此，对于直径400 mm以下钻孔，可以采用中心放电扩孔工艺（图5a），而直径400 mm及以上钻孔，中心放电工艺已不适用，需要减小爆炸中心与孔壁间的距离，提升冲击波作用在钻孔孔壁上的荷载，可采用圆周方向放电工艺（图5b）。

图5 不同放电扩孔方式

Fig.5 Different types of discharge reaming

3 试验验证

3.1 模型试验

实验室内，将粘土装入直径1.0 m固定容器内，由土工实验室测定的粘土物理力学指标详见表2，设置100、300、400 mm直径的钻孔，钻孔内浇筑M10水泥砂浆。改变放电能量及放电次数，得到不同扩大端直径的扩底桩。通过测量扩底桩扩大端最大直径，验证理论及仿真结果的准确性。

表2 试验土体物理力学指标

Table 2 Physical and mechanical indexes of tested soil

土层名称	淤泥质粉质粘土
密度 $G_{s}$ /(g·cm^-3)	2.73
含水率 $w / %$	23
重度 $γ / (k N \cdot$ m^-3)	19
孔隙比	0.77
无侧限抗压强度 ${q_{u}}^{'} / k P a$	36.2
侧壁阻力 $f_{s} / k P a$	16
压缩模量 $E_{s} / M P a$	2.6
变形模量 $E_{0} / M P a$	2.0

直径100 mm钻孔，水泥砂浆介质中，使用高压脉冲放电装置，电极置于钻孔中心，放电能量4.2 kJ，放电部位分别位于孔底以上200、400 mm处，放电4次，每一次放电时，金属丝相对钻孔方位不变。成桩后挖出，扩大端不均匀，一侧扩大明显，另一侧变化小（见图6）。高压脉冲扩孔过程中，为保证扩大端均匀，每一次放电结束，需调整电极在钻孔中相对位置，保证扩孔均匀，电极布置见图7。

图6 100mm竹节桩

Fig.6 The front of 100mm nodular pile

图7 电极布置

Fig.7 Electrode arrangement

直径300、400 mm钻孔，水泥砂浆介质中，使用高压脉冲装置，电极按照上述方位布置，放电能量43 kJ。成桩后，扩大端最大直径分别为45 cm（1.5倍）、52 cm（1.3倍），扩大端高度分别为28、30 cm，扩大端呈椭球状。通过统计桩径扩大理论值与试验值（见表3、表4），可以看出，理论值与试验值整体上能较好的符合，但仍具有一定偏差。其原因在于土体非弹性体，受冲击荷载后会产生塑性变形，且每次土体变形后，变形模量均会发生改变。

表3 放电次数与土体变形统计

Table 3 Statistical table of discharge times and soil deformation

钻孔直径/mm	放电能量/kJ	冲击波峰值压力/MPa	冲击波衰减后压力/MPa	脉冲放电次数n	桩径扩大理论值 $/ c m$	桩径扩大实测值 $/ c m$
100	4.7	51.6	35.3	4	3.8	3.5
100	4.7	51.6	45.9	4	3.8	2.5
300	42.6	154.8	49.7	5	6.0	7.5
400	42.6	154.8	34.0	10	5.2	6

表4 放电能量与土体变形统计

Table 4 Statistical table of discharge energy and soil deformation

钻孔直径/mm	放电能量/kJ	冲击波峰值压力/MPa	冲击波衰减后压力/MPa	脉冲放电次n	水泥浆液面下降高度/cm	扩大端体积/cm³
300	4.7	51.6	16.6	1	0.5	353
	18.9	103.2	33.1	1	2	1413
	42.6	154.8	49.7	1	9	6358
400	4.7	51.6	11.3	1	0	0
	18.9	103.2	22.7	1	1	1256
	42.6	154.8	34.0	1	6	7536

随着放电次数的增加，扩大端桩径的变化值呈逐渐递小规律（图8），原因在于冲击波每次作用后，桩周土都会被挤密，土体变形模量不断增大，且随着扩大端直径不断增大，冲击波衰减效应越强。提升放电能量，对于土体变形效果显著（图9）。

图8 放电次数与孔径变化关系

Fig.8 Relation between discharge frequency and aperture change

图9 放电能量与土体变形关系

Fig.9 Relation between discharge energy and soil deformation

3.2 承载力及抗拔力测试

扩底桩的承载力及抗拔力大小为衡量扩底成桩效果的重要指标，参考《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）中关于桩基承载力及抗拔力检测方法，采用单桩竖向抗压静载荷试验、单桩竖向抗拔静载荷试验（图10），测试高压脉冲扩底桩的极限承载力及抗拔力的大小^［

23］，确定成桩效果。试验过程中设置相同条件的不扩底对照试验，确定承载力及抗拔力提升值。其中，300、400 mm高压脉冲扩底桩与不扩底桩荷载-位移曲线详见图11。

图10 承载力及抗拔力试验

Fig.10 Bearing capacity and pullout resistance tests

图11 直径300/400 mm扩底桩承载力及抗拔力试验

Fig.11 Bearing capacity test and pullout resistance test of 300/400mm diameter pile

单桩极限承载力及抗拔力大小的确定，取荷载-位移曲线明显向下弯曲的前一级荷载值。通过荷载-位移曲线可以看出，高压脉冲扩底桩荷载-位移曲线变化更缓，相同荷载下，桩基位移量更小。300、400 mm扩底桩与不扩底桩承载力及抗拔力大小见表5。高压脉冲形成的扩底桩效果见图12。

表5 直径300/400mm扩底桩与等直径不扩底桩承载力及抗拔力

Table 5 Bearing capacity and pulling strength of 300/400mm belled pile and pile with equal diameter

桩径/mm	桩类别	承载力/kN	抗拔力/kN
300	扩底桩	15	14
	不扩底桩	10	8
	提升率	+50%	+75%
400	扩底桩	25	20
	不扩底桩	18	12
	提升率	+39%	+67%

图12 高压脉冲扩底桩

Fig.12 High voltage pulse belled pile with diameter

对比同等直径扩底桩与非扩底桩成桩后承载力及抗拔力大小，试验效果显著，高压脉冲扩底桩承载力及抗拔力大小提升40%。

3.3 工程应用

根据室内实验结果，开展室外半工程桩扩底试验，钻孔直径800 mm，孔深2.0 m，粘土地层，放电部位孔底以上0.3 m。本次试验扩大端最大直径需达到等直径端的1.5倍。基于此目标，优选放电参数及扩孔工艺，详见表6所示。其中，X₁、Y₁分别表示圆周方向、竖直方向上，相邻两爆炸中心冲击波在孔壁相遇处距离爆炸中心最短距离。

表6 Ø800 mm半工程桩放电参数及扩孔工艺

Table 6 Discharge parameters and reaming process of Ø800mm pile

电极距孔壁距离/mm	200
圆周方向/对	4
竖直方向/对	1
X₁/mm	294
Y₁/mm	282
最少放电次数	4×3
最低放电能量/kJ	170
观测指标	混凝土液面下降高度40 cm

在混凝土介质中，使用高压脉冲装置扩孔施工，最终实测扩大端最大直径1.15 m，扩大1.5倍，扩大端高度0.4 m（图13），达到预设目标。同时，桩挖出后发现，扩大端局部扩大不均，不足1.15 m，该部位主要位于两相邻布置电极之间，冲击波传播距离远，衰减后对孔壁作用效果弱。通过在圆周方向增加电极布置数量可解决扩大不均的情形。

图13 Ø800 mm扩底桩成桩效果

Fig.13 Pile formation effect of Ø800mm diameter belled pile

根据Ø800 mm半工程桩试验，开发“灌-扩”一体施工工法（图14、图15），区别于传统的扩底灌注桩先钻进成孔，再扩底施工，最后浇筑混凝土的施工工艺，该工法是在钻孔施工完成后，将电极连同钢筋笼一起下放至孔中，灌注混凝土的同时，进行放电扩孔。为高压脉冲技术在大直径扩底灌注桩中的工程应用提供一种可行方案。

图14 “灌‑扩”一体施工工艺

Fig.14 “irrigation‑expansion” integrated construction method

图15 高压脉冲扩底桩现场布置

Fig.15 Field layout of high‑voltage pulse belled pile

4 结论

本文基于理论计算和仿真模拟，并开展试验，分析了高压脉冲放电技术在粘土层中大直径扩底桩所需的电学参数及工艺参数，成功做出了国内首根Ø800 mm大直径扩底桩，并对高压脉冲扩底桩的承载力及抗拔力进行了试验计算，确定了高压脉冲扩底桩的工程性指标。实验表明，脉冲放电形成的冲击波对土体具有挤密压实作用，可密实桩侧土体，且可以扩大钻孔任意部位，形成多个扩大端的竹节桩，显著提升单桩承载力及抗拔力，而目前国内尚无该技术的扩底桩工法应用，具备较好的开发应用前景。

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