І. І. Кулаков, член-кореспондент Рара, доктор технічних наук,
А. І. Ильинич, науковий співробітник
1. Використання об'ємного вибуху для знесення будівель і споруд.
Згідно з генеральним планом реконструкції Москви протягом найближчого часу повинні бути знесені більше 2000 панельних будинків старої забудови. Аналогічні проблеми стоять перед міськими властями інших міст Росії. У зв'язку з цим виникає необхідність у розробці ефективного методу прискореного зносу будівель.
Аналіз існуючих методів руйнування панельних будинків показав, що найбільше поширення має метод послідовної розбирання, при якому конструкція за допомогою баштових кранів та іншої будівельної техніки послідовно розбирається з даху до нижніх поверхів.
Недоліками даного методу є великі терміни виконання робіт (3? 4 місяці), небезпека проведення висотних робіт в умовах порушення конструкційної цілісності будови, особливо в зимовий час, використання дорогої техніки і ручної праці, необхідність проведення газозварювальних робіт у закритих приміщеннях, що пов'язано з попаданням в атмосферу шкідливих газів, висока вартість робіт.
Дуже часто, особливо при руйнуванні старих будівель у центральній частині міста, використовується метод простого механічного руйнування будинків з використанням копрів, екскаваторів, а останнім часом і з допомогою спеціальних маніпуляторів. На жаль, застосування такого методу утруднене при руйнуванні будинків висотою понад 20 м, а також мають жорсткий каркас (панельні будинки). Однак даний метод може бути удосконалений за рахунок застосування технології? Стягуючого петлі |. При цьому будівля охоплюється петлею з особливо міцних тросів, які потім за допомогою трьох-чотирьох бульдозерів (залежно від міцності панелей) затягуються, що призводить до руйнування конструкцій і обвалення будівлі.
На базі останніх досягнень фізики вибуху розроблена і застосовується на практиці нова технологія руйнування будівель за допомогою об'ємного (вакуумного) вибуху. Сутність даного методу полягає в спеціально організованому процесі, що включає:
? руйнування несучих конструкцій будинку вибухом, при цьому забезпечується дроблення панелей і інших елементів на частини;
? прибирання і вивіз залишків будівлі, переробку їх на дробильно-сортувальному комплексі (до 800 т залізобетонних уламків за зміну);
? використання кінцевого продукту в дорожньому будівництві і виробництві стінових матеріалів.
Будівельні конструкції досить важко піддаються швидкого руйнування внаслідок їх армування, пружності та інших факторів. У зв'язку з цим для їх руйнування традиційними вибуховими методами потрібні великі матеріальні та людські витрати, велику кількість вибухових речовин і різних технічних засобів. Крім того, використання великої кількості конденсованих вибухових речовин (КВВ) часто застосовується в умовах щільної забудови будівель і споруд, особливо в містах.
Розроблена на підприємствах військово-промислового комплексу технологія істотно більше економічна і в технічному плані заснована на? М'якому | внутрішньому навантаженні будівельних конструкцій.
Практика показує, що при руйнуванні будівельних конструкцій типу залізобетонних панелей за допомогою традиційних КВВ до прийнятної ступеня дроблення (розмір уламків не більше 50 см) слушну витрата КВВ складає 0,5? 1,0 кг/м3. При цьому маса заряду КВВ в шпурі визначається за формулою:
Q = a HWC (1)
де Q? маса заряду в шпурі, кг; а? відстань між зарядами, м; W? величина опору по підошві, м; H? висота уступу, м; C? питома витрата КВВ, кг / м3.
При руйнуванні панелей товщиною 0,25 м і відстанню між зарядами в ряду 0,32 м маса заряду в шпурі складе 0,05 кг.
При розмірі секції панельного будинку в плані 16,0 х 10,1 м і висоті поверху 2,7 м загальна кількість шпурів може досягати 1700 при масі КВВ на одну секцію до 40 кг.
При виробництві вибухових робіт небезпеку для людей і навколишніх об'єктів будуть представляти сейсмічні й ударні хвилі, а також розліт шматків бетону та цегли і падіння конструкцій на грунт.
Проведений аналіз показує, що найбільше обмеження на масу підриває заряд накладає дію ударних повітряних хвиль (УВВ), що утворюються під час вибуху.
Найбільш слабким конструктивним елементом споруд є скління. Радіус небезпечної зони дії УВВ на скління можна визначити за формулою:
(2)
де rв? радіус небезпечної зони, м; Ку? коефіцієнт укриття; Кt? коефіцієнт уповільнення (у близькій зоні при підриванні з уповільненням 20 мс дорівнює 1,3);
Qв? маса еквівалентного заряду однієї групи, кг. Під час вибуху шпурових зарядів
Qв = 0,25 QКз + Qдш
де Q? фактична маса шпурових зарядів однієї групи, кг; Кз? коефіцієнт набійки; Qдш? маса ВР в магістралі ДШ однієї групи, кг.
При розташуванні зарядів усередині будівлі і їх розподілу за обсягом коефіцієнт укриття складе
Ку = 0,5
При розташуванні сусіднього будинку на відстані 30 м еквівалентна допустима маса ВР складе тільки 0,81 кг. Еквівалентна маса ВР одного шпуру становить 0,01 кг (Q = 0,05, довжина набійки 0,1 м і Кз = 0,37, довжина магістралі ДШ на один шпур lдш = 0,35 м). Отже, допускається підрив одночасно лише 81 шпуру загальної еквівалентної масою ВВ 4 кг. Це призводить до необхідності рознесених за часом підривів, що значно ускладнює схему підриву і часто робить застосування вибухового методу взагалі неприйнятним.
Застосування для руйнування конструкцій будівлі зарядів ОДС (об'ємно-детонують системи) дозволяє істотно знизити кількість необхідних вибухових речовин.
Відомо, що за працездатності ОДС в 3? 4 рази перевищує КВВ, а у випадку замкнутого обсягу? до 10 разів. Найкращі результати можуть бути отримані при поєднанні застосування ОДС та КВВ. За допомогою підривів зарядів КВВ проводиться порушення цілісності конструкції, а основна робота з обвалення будівлі виконується за допомогою підриву заряду ОДС.
Розрахунки показують, що для руйнування секції панельного будинку, що має розміри в плані 16,0 х 10,1 м і висоту поверху 2,7 м, буде потрібно не більше 0,5 кг такої горючої композиції ОДС, як аерозін. При цьому кількість необхідного для руйнування однієї секції КВВ знижується до 2? 3 кг (проти 40 кг КВВ при традиційному способі). Таким чином, стає можливим застосування вибухового методу навіть в умовах дуже щільної забудови.
Рис.1
Практика показала, що м'яке внутрішнє навантаження руйнується будівлі не призводить до якого-небудь пошкодження сусідніх споруд, навіть знаходяться в безпосередній близькості. Присутній при об'ємному вибуху ефект вакуумування перешкоджає розльоту елементів і панелей будівлі, тому уламки будівлі займають його первісну площа (рис. 1).
При реалізації пропонованого (вибухового) методу бригада з п'яти підривників забезпечує руйнування п'ятиповерхового панельного будинку протягом 7? 10 днів. Вивезення зруйнованих конструкцій здійснюється протягом 14? 21 днів (всього 21? 31 день). Після знесення будинку замовнику передається майданчик, повністю готова до будівництва нового житла. Термін виконання всього комплексу робіт 25? 31 день. За наявності декількох будинків, розташованих поруч, загальний термін виконання робіт зберігається.
При використанні дробильно-сортувального комплексу виручка від реалізації вторинних будівельних матеріалів, а також економія від скорочення обсягу перевезень і відсутності плати за утримання звалища складе 0,2? 0,5 млн. руб. в залежності від якості одержуваних матеріалів, відстані до звалища і ряду інших чинників.
Таким чином, вперше пропонується програма робіт за прискореною розбирання та повної переробки конструкцій будинку з подальшим використанням кінцевого продукту в дорожньому будівництві і виробництві стінових матеріалів.
2. Застосування об'ємного вибуху для зниження грозової активності.
Грози відносяться до числа досить складних і небезпечних явищ природи, від яких залежить регулярність роботи багатьох галузей народного господарства? повітряного транспорту, енергетики, лісового господарства та ін На жаль, технічний прогрес у цих галузях практично не зменшує їхньої залежності від грозових процесів, тому придушення інтенсивних грозових явищ? надзвичайно актуальне завдання.
Відмови в роботі літакових радіонавігаційних систем через ураження блискавкою, а іноді і більш істотні пошкодження літальних апаратів, особливо небезпечні при посадці, є однією з серйозних причин, які змушують літаки йти на запасні аеродроми, якщо вони ще в змозі це зробити. Відомо досить багато важких аварій, причиною яких були блискавки. Статистичний аналіз показує, що в середньому на 2500 льотних годин поршневих літаків або на 10000 годин реактивних припадає один випадок влучення блискавок.
Інша, не менша небезпека? ураження блискавкою наземних об'єктів. Так, наприклад, тільки в західних штатах США щорічно через блискавок виникає близько 10000 лісових пожеж, у тому числі близько 400 приносять величезний збиток.
Великі лінії електропередачі та електротехнічні системи зазвичай обладнуються грозозахисний, але, тим не менше, під час сильних гроз і вони нерідко виявляються виведеними з ладу.
Для більш виразного розуміння складності цієї проблеми коротко зупинимося на основних сучасних поглядах на грозові явища.
Грозова хмара складається з однієї або декількох комірок [1], які є центрами конвективної, осадкообразующей та електричної активності. Горизонтальні розміри осередків можуть змінюватися від 1 до 10 км. Висота грозової хмари перевищує 6? 7 км і може досягати 14? 18 км.
Електричне будова типового грозової хмари біполярно? основний позитивний і негативний заряди розташовуються у верхній і нижній частинах хмари відповідно. Поблизу підстави хмари під негативним зарядом зазвичай розташовується додатковий позитивний заряд. У залежності від умов (зокрема, від широти місцевості) можливі різні значення верхнього позитивного і нижнього негативного зарядів.
Електричне поле в хмарах обумовлено розподілом об'ємних зарядів, створюваних усіма носіями зарядів у даному хмарі. У грозових хмарах відбувається досить швидке накопичення великих об'ємних зарядів. Середня щільність об'ємного заряду може становити порядку (0,3? 3) -10-8 Кл/м3, а середня швидкість накопичення зарядів (0,1? 10) • Ю-9 Кл / (м3 • с). Області з максимальною щільністю зарядів мають розміри порядку кількох сотень метрів. У таких локальних обсягах хмари створюються умови, сприятливі для ініціювання блискавок. За сучасними уявленнями найбільш часто зустрічаються обсяги з максимальною щільністю зарядів (зони неоднорідності) розміром 200? 400 м.
Електрична активність гроз, виражена частотою розрядів блискавок, змінюється в широких межах? від одного до декількох десятків розрядів у хвилину. Молніевих активність гроз залежить від розмірів та кількості грозових осередків.
Принципово можливі наступні основні шляхи придушення грозових явищ. Можуть бути вжиті заходи до того, щоб розвивається грозову хмару? Розрядити | на землю до підходу до об'єкту, що охороняється, змусивши розряд пройти по штучно створеному шляху, або створити умови для? Короткого замикання | всередині хмари, або подати у хмара заряд, що нейтралізує природно утворюється , або спробувати зруйнувати хмара, або, нарешті, впливаючи на його хімічний склад, перешкодити розвитку в ньому електричних явищ.
Штучно викликаний розряд хмари на землю реалізовувався практично неодноразово [2]. Відомі досліди, коли в результаті глибинних вибухів в море, що піднімали фонтани води на висоту близько 70 метрів під грозовою хмарою, відбувалися розряди хмар в море. Також практично були проведені розряди грозових хмар на поверхню землі (моря) за допомогою дроту, яка доставлялася до хмари ракетою. Зазвичай розряд відбувався, коли ракета піднімалася на висоту близько 100 м. Цього виявлялося достатнім, щоб розрядити на землю грозова хмара з висотою нижньої межі близько кілометра. Були також спроби використовувати в цілях створення каналу для блискавки пучок протонів, отриманих на синхротроні, а також за допомогою лазерів. Основними недоліками зазначених методів є ряд чисто технічних труднощів.
Були проекти розсіювання в хмарах металевих або металізованих платівок і ниток, що грають роль провідників короткого замикання і одночасно мікроразрядніков, на яких внаслідок наявності в хмарі власного електричного поля створюється падіння потенціалу, достатню для коронного розряду, послабляє електричне поле хмари. І лише тільки технічні і організаційні труднощі при здійсненні подібних дослідів змусили засумніватися в їх практичної доцільності.
Досліди по засіву хмар кристалізуючим реагентами з метою зміни їх електричного стану показали, що при відповідних умовах можна викликати інтенсивну електризацію хмари, і один із шляхів управління електричним станом грозових хмар пов'язаний з управлінням процесом кристалізації. Але результати подібних дій поки недостатньо визначені.
У даній роботі для зниження грозової активності пропонується використовувати ефект об'ємного вибуху в зоні грозових хмар. Для більш повного розуміння явищ, що протікають в грозовій хмарі при підриві в ньому заряду об'ємно-детонуючої суміші (ОДС), коротко зупинимося на фізичних особливостях процесів всередині зони вибуху ОДС.
Хмара продуктів вибуху ОДС є об'єм речовини, нагрітого до температури 3000? 4000 К. При таких температурах починається іонізація атомів і молекул, що входять до складу хмари. Обсяг газу, розігрітого до таких температур, прийнято називати холодної (низькотемпературної) плазмою, оскільки в цьому випадку енергія, що припадає на один електрон, багато менше енергії зв'язку ядра в атомі. Практично миттєва зміна температури призводить до того, що в плазмі відбувається перерозподіл електричного заряду в області продуктів вибуху як у просторі, так і в часі. Це пов'язано з величиною концентрації вільних електронів в плазмі, що утворюються в ході термічної іонізації.
Теорія термічної іонізації Саха дає для повітря з температурою 30000 До величину концентрації електронів N = 1014 1/м3 (при тиску 1 кгс/см2). Однак ця теорія припускає, що плазма рівноважна. Наявність нерівноважності може призвести до перерозподілу просторового заряду. Теорії, за якою можна було б розрахувати величину концентрації електронів в нерівноважної плазмі, в даний час не існує. Тому для визначення величини концентрації електронів у плазмовому обсязі, що утворюється при підриві зарядів на основі ОДС, був використаний метод, заснований на застосуванні експериментально виміряної величини коефіцієнта загасання електромагнітної хвилі, що пройшла крізь плазму.
На рис. 2 наведені графіки залежностей концентрації електронів для різних температур для хмари товщиною 10 м. Крива 7 розрахована за формулою Саха для іонізації повітря при 1 кгс/см2. Крива 3 отримана на підставі методик [3, 4]. Крива 2 побудована на підставі експериментальних робіт. З наведених результатів можна зробити висновок, що концентрація вільних електронів у плазмовому хмарі, що утворюється під час вибуху ОДС, становить величину не менше 1017 1/м3, і може бути з задовільною ступенем точності визначена теоретично за рівняннями Саха та методиками [3, 4].
Зі сказаного вище ясно, що поява в грозовий осередку плазми з такою концентрацією вільних електронів створює сприятливі умови для зняття електричного розряду в даній зоні хмарності, а отже для зниження грозовий небезпеки.
Практично цей метод реалізований з використанням ракети? Хмара |. Заряд ОДС масою 2,8 кг розміщується в головній частині ракети. За допомогою локатора МРЛ-5 визначається вогнище грозовий небезпеки в хмарних скупченнях і його координати. У це місце проводиться пуск ракети і здійснюється підрив головної частини з допомогою дистанційного тимчасового влаштування (піротехнічного типу).
2600 2800 3000 Т, К
Рис. 2. Залежність концентрації N вільних електронів від температури Т
Рис. 3. Експериментальна осереднення залежність зміни числа n спалахів блискавки в хвилину від часу при використанні п'яти ракет? Хмара | з ОДС.
Експериментальні роботи показали, що для придушення грозової активності 'хмари середніх розмірів потрібно близько 5? 6 підривів в ньому зарядів ОДС у складі ракети? Хмара |. Реєстратор грозової активності показує, що при цьому кількість спалахів блискавок в одиницю часу знижується не менше, ніж у 4? 5 разів. На рис. 3 як приклад представлено експериментальна осереднення залежність зміни числа спалахів блискавок в хвилину за часом при застосуванні ракет? Хмара | із зарядами ОДС. Вона показує, що грозова активність пригнічується на період до 30? 35 хв. (У ряді випадків до 55 хв.), Після чого хмара відновлює первинну величину частості молніевих розрядів в одиницю часу.
Позитивними сторонами цього методу є також його безпека для обслуговуючого персоналу (особливо в порівнянні з використанням авіації), практична можливість застосування в будь-яких умовах, наприклад, в гірських регіонах, і відносна дешевизна.
Список літератури
1. Зимін Б. І. Регулювання розвитку грозової активності конвективних хмар при впливі льдообразующімі аерозолями. / Праці ЦАО. Вип. 136. М.: Гидрометеоиздат, 1978. С. 106.
2. Качурін Л. Г. Фізичні основи впливу на атмосферні процеси. Л.; Гідрометіоіздат, 1973. 366 с.
3. Бонд Дж., Уотсон К., Уелч Дж. Фізична теорія газової динаміки. Пер. з анг. М.: Світ, 1968. 556 с.
4. Кузнєцов М. М. Термодинамічні функції та ударні адіабати повітря при високих температурах. М.: Машинобудування, 1965. 464 с.
5. Кулаков І.І., Рогов Н.К., Ильинич А.І. Технологія? М'якого | вибуху для руйнування будівельних конструкцій. Конверсія в машинобудуванні. 1996. | 1
6. Кулаков І.І., Ильинич А.І. Новий метод зносу будівель і споруд за допомогою об'ємного вибуху. Конверсія в машинобудуванні. 1996. | 6
7. Кулаков І.І., Волков Ю.В., Тараскін А.В. Застосування об'ємного вибуху для розсіювання туманів. Конверсія в машинобудуванні. 1997. | 2
8. Кулаков І.І., Рогов Н.К., Ильинич А.І. Захист гідроспоруд від впливу льоду за допомогою підлідних газових зарядів. Конверсія в машинобудуванні. 1996. | 6
9. Кулаков І.І., Волков Ю.В., Тараскін А.В. Застосування об'ємного вибуху для зниження грозової активності. Конверсія в машинобудуванні. 1998. | 3