高压脉冲放电技术论文

高压脉冲放电技术论文

摘要：高压脉冲放电技术适用地层范围广适用地层范围广、占地少、速度快，是一项应用前景广阔、安全快捷的环保型新技术

1.引言

高压脉冲放电技术在20世纪已被俄罗斯（前苏联）科学家进行系统的研究并应用于生产。高压脉冲放电过程可以产生液电效应[1]，即电火花震源在液体中放电将电能转化为声能及其它形式的能量的现象，具体为力学效应、电磁效应、声学效应、热学效应、光学效应及化学效应。因此决定了此技术在工程、机械、医学、工业等方面的广泛应用，例如，电磁效应和热效应已开始应用于金属裂纹止裂[2]，也取得了一定的进展，而用于金属成形、石油地质勘探、液电清砂、液电破碎、桩基无损检测、体外震波碎石等技术主要利用了其力学效应。

目前，我国对高压脉冲放电技术的研究也逐步深入，但在部分应用领域我国尚处于空白阶段。本文重点介绍高压脉冲放电技术在基础工程，特别是桩基础中的应用。

2.液电效应机理

高压脉冲放电在液体中形成液电效应的系统原理[3][4]图1所示。

液电效应产生过程如下：

1）先导产生及发展

变频升压控制柜把工频50Hz， 220V电压变成高频2kHz的2kV高

频高电压。它具有电压调节，过压保护作用，对市电电压波动有稳定作用。具有恒流装置，保证对高压脉冲电容器进行线性充电，保持高压脉冲电容电压恒定，不受供电网络影响，保证液电效应作用稳定。高频2kV电压经高压形成块升压整流到-40～ -60kV的直流高压，对储能高压脉冲电容充电。

当高压直流电源对高压脉冲电容的充电电压达到隔离间隙临界击穿电压时，隔离间隙击穿，成为高压电路通路，高压脉冲电容充电后所储能量全部加在主间隙上，主间隙液相介质中的水间隙开始击穿，带动其中的先导的形成和发展。当第一个先导接通电极间的间隙时，电容器开始向液中放电。放电时间极短，约为1～10μs。

2）击穿效应

脉冲放电通道击穿后，电容器向液中放电的电流可达几十千安至几百千安。由于通道中的电弧放电，也使得通道中心的温度迅速升高，最高温度可高达104K。高温引起了通道中的压力升高，通道随即膨胀，在液相介质中形成脉冲放电压力波。

3）气泡脉动

脉冲放电后期阶段，由于汽泡的压力比液体静压力高，故通道形成的汽泡不断膨胀。形成高速扩张的液压冲击波。液体（水压缩系数为0.00048）可认为是不可压缩的介质，瞬时冲击波压力最大值可达103～104MPa大气压，电能直接转换成爆炸式机械能。该高压冲击波压力以球形向外辐射（如图2）。当脉冲压力大大超过了孔壁岩土体所能承受的强度时，岩土体原始结构被破坏，岩土体被破坏或挤密。

3.高压脉冲放电技术在基础工程中的应用

3.1对已有建筑物的地基和基础加固

利用高压脉冲放电压浆还可以进行边坡加固、地基加固等工程。

在400mm厚的墙体上并通过基础钻直径42mm的孔，钻孔间距500×500mm，孔内注入水泥浆，如图3。采用放电压浆的方法。此时脉冲放电技术既制桩又加固墙体、基础和地基。1kJ的放电电能相当于0.0834gTNT炸药。加固砖墙时提供的能量为0.3～1.5kJ，放电频率10～150次/min。制桩和加固地基时，开始采用20～50kJ/次的电能，放电频率3～15次/m。

3.2扩桩工艺

高压脉冲放电扩桩技术是通过在钻孔内对液态混凝土进行放电，产生液电效应，利用高压和脉冲瞬时放电的扩展通道对周围液体介质的径向（垂直于放电方向）机械作用，而后将这一机械作用传递给地层，挤密桩周土，使桩径扩大，达到提高桩承载力的目的，扩桩工艺示意图如图4。

首先用普通钻机钻孔，孔径大小可以控制在10～30cm之间；然后向已钻好的孔内浇注按照要求配置好的混凝土，直至浇满整个孔；最后将放电设备固定安装在孔中，接通电源，进行高压脉冲放电处理成桩。放电设备的位置和放电次数均根据设计值确定。

3.3 其他应用

随着前苏联对高压脉冲放电技术的研究，学者们发现了高压脉冲放电可以破碎岩石[5]，原理是通过脉冲电压源产生上千伏特的电压，

电压通过电流导线传至孔底，在孔底布置着两个电极，在电极之间会使固体介质被击穿，进行高压脉冲放电破坏两电极间的岩石，达到碎岩目的，岩石被破碎后，通过泵的作用，将其孔内液体反循环，携带被破坏的岩石从钻杆内部运至残渣收集容器内。

虽然该技术在俄罗斯已经试验成功，但在我国这种应用，几乎处于空白阶段，因此该应用也是我国以后所关注的重要研究方向之一。

此外，高压脉冲放电技术还可以应用于桩基检测工程。方正忠[6]等人通过对桩基检测原理的数值分析，以及现场测试试验证明了其原理的可行性和实际应用的可靠性。

在广东地区采用水电效应法无损检测桩基已有十多项工程[7]，验桩150多根，并用钻机钻取岩芯对6根桩作过对比检查，对比结果表明，水电效应法与抽芯测定损桩位置误差最大1 米，最小仅若干毫米。另据西安公路所等单位对几十根桩进行抽芯对比，其断裂位置检测值与实际值的偏差在95%置信区间是-0.65～+1.35m。

此外，利用高压脉冲放电技术挤密土体可以用于提高锚杆的抗拔力；可应用于非开挖管线的铺设和更换等领域；利用液电效应产生的电磁效应和热效应也已经开始应用于金属裂纹止裂，并取得了一定的进展。

4.高压脉冲放电技术扩桩试验研究

吉林大学建设工程学院使用从俄罗斯引进的高压脉冲放电设备（如图5）在实习基地做了扩孔试验，井下部分结构实物图及示意图如图6。

扩桩试验中，在试验场地同样土层钻了2个孔，分别命名为1#孔、2#孔，孔深3m，孔径150mm，分别在每个孔内1.5m和2.0m处放电，且放电位置皆处于原状土层。为了更直观的观察孔径的扩大程度量以及便于扩孔之后孔径的测，试验采用在孔内注入水泥砂浆的方式，在孔内进行放电，成桩后测量桩身扩大情况，桩径扩大的程度即孔的扩径程度。

待成桩48小时后，孔内桩体已基本成型，且具有一定强度，采取人工挖土方式将地下成桩处挖出，显露出来的最终成桩效果如图7所示，测量其直径发现桩径扩大约2倍，数据结果为302mm～319mm（如图8），并且在扩径处的桩周土具有非常好的密实程度。说明该技术在扩大孔径的同时也可以保证孔内质量。

5.结论

1）高压脉冲放电技术在工程技术领域中属于较为先进的技术之一，通过国内外的工程实践以及本次扩桩试验，该套装置表现出了如下优点：可针对不同地层及压力调节相应的电容电压参数，可控性好；检测精确，有效性和可靠性高；施工速度快，操作简单，经济性好；

2）利用高压脉冲放电时产生的压力波可以对土体进行挤密，实现扩径，可以提高单桩承载力、锚杆的抗拔力等，同时还能减小基础沉降量；通过放电还可以将水泥浆压入土体或墙体中，对土体地基、已有建筑物地基、堤坝等进行加固。

3）高压脉冲放电技术适用地层范围广适用地层范围广、占地少、速度快，是一项应用前景广阔、安全快捷的环保型新技术