Способ уплотнения песков

и) 2002961 п 9) КЦ (Я) 5 Е 2 О Е 21 Г ЗОБРЕ Комитет Российской Федерации пе патентам й товарным знакам ПИСАНИЕ ТЕНТУ(7 Э) Бакулин Андрей Викторович (54) СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ПЕС(ОВ (57) Использование: изобретение относится к строительству, и гидростроительству и может быть использовано для уплотнения песков с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации, Сущность: для повышения эффективности за счет увеличения скорости уплотнения песков и снижения энергоемкости. размещают виброисточники в основном грунте, заполняют скважины с виброисточниками упруго-вязким телом,возбуждают мощнь 1 е вибрационные колебания в диапазоне 50 - 600 Гц в локальном участке грунта, на котором находится слой песка, и вибровоздействия проводят в течение времени, при котором амплитуда колебаний в знакопеременной упругой волне не достигает значения напряжений, обуслов-, ленных весом песка на грунт, после чего переходят на частоту колебаний, равную частоте колебаний слоя песка, и вибровоздействия осуществляю 1 в течение времени, при котором достигают положительного эффекта, что позволяет по сравнению с известными способами значительно повь 1 сить производительность способа и снизить его энергоемкость. 6 зл. ф-лы,З ил.Изобретение относится к строительству и гидротехническому строительству и может быть использовано для уплотнения песков с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации. 5Известен способ искусственного уплотнения песков и песчаных грунтов, включающий следующие способы воздействия;горио-технологические мероприятия: выполаживаиие откоса, уменьшение высо- "0 ты отсоса;стабилизацию посредством осуществления механического уплотнения катками, вибрациоюсьсми катками, дренажом, энергией взрыва; 15иньектированием растворов.Известные способьс воздействия трудоемки, нетехнологичны, длительны при вре- . мени, экономически невыгодны из-забольшого обьема гео- и горно-техиологических работ, полностью зависят от погодных условий, ие учитывают структурные особенности горных пород и песков и не позволяют управлять состоянием и свойствами песков и горных пород,Известен также способ упрочнения горссых пород, включасощий определение векторов главных напряжений о массиве, бурение скважин, установку в иих невзрывнцх пневматических источников, причем направление дейстсзия виброисточников располагают параллельно направлению действия главного напряжения, заполнение скважин упруго-вязким материалом, синхронизацисо работы источников и возбуждение в массиве колебаний, увеличение их амплитуды до величины, при которой напряжения в массиве достигнут половины от разрушающих, и поддержание амплитуды колебаний на этом уровне до достижения в массиве положительного эффекта.Известный способ ие учитывает структурные особенности песков и не использует для повьсшеиия эффективности способа и снижения его энергоемкости эффекты кавитации,Достигается это тем, что виброисточники раэмещасат в основном грунте, на котором ссаходится слой песка, и вибровоэдействия осуществляют поэтапно: вначале приводят локальный участок грунта. на котором находится слой песка в возбукден нов состояние в диапазоне 50-600 Гц и воздействие производят в течение времени, при котором амплитуда давления достигает в знакопеременной упругой волне сселичины напряжения, обусловленных весом песка на грунт; затем, поддерживая амплитуду колебаний на достигнутом уровне переходят на частоту колебаний, равную собственной частоте 25 ЗО 35 40 45 50 55 слоя песка, и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором достигают положительного эффекта, Во времявибровоздействия осуществляют региональное увлажнение песка водой. Виброисточники размещают в основном грунтепод слоем песка в шахматном порядке сшагом 10 х 10 м. Регистрируют тензодатчиками импульсы давления, определяют их спек- .тры и управляют формой возбуждаемыхволн давления в выбранном диапазоне частот,Величину акустического сопротивленияупруго-вязкого тела, которым заполняютскважины в грунте с размещенными в нихвиброисточниками, выбирают равным величине акустического сопротивления основного грунта. Увлажнение песка производятводой, нагретой до 00 С, возбуждают колебания в слое песка в диапазоне 1-10 Кгц иэнергию кавитирующего пузырька, образующегося в зоне разрежения и схлопывающегося в зоне сжатия волны, определяют иэвыраженияЕ Пй 4/ЗРо,где Ро - давление, обусловленное слоем песка на осйовной грунт, кг/см;й - размер кавитирующего пузырька,мм,На фиг,1 приведена схема осуществления способа; на фиг.2 - величины пороговкавитации в выбранном диапазоне частот; нафиг.3 - изменение радиуса кавитационногопузырька В во времени при постоянномдавлении Р=10 Паначастоте 10 Кгц, гдеа -Р =10 Па, в - Р=5 10 Па,с - Р =10 Па.Она содержит основной грунт 1, слойпеска 2, скважины для размещения виброисточников 3, виброисточники 4, компрессор 5 высокого давления ЭУили ЭУ,электронный блок 6 управления для синхронизации работы группы виброисточниковсблок согласования), микропроцессорныйблок 7. блок памяти 8, пультовый терминал9, цифропечатающее устройство 10.Способ осуществляют следующим образом, С помощью датчиков давления горныхпород, устанавливаемых в контрольнуюскважину, определяют поле напряжений иглавные векторы о 1 и о 2 в основном грунте,где требуется вызвать колебания. В основном грунте 1 делают котлован, бурят в немскважины 3 глубиной 2-3 м, размещают вних виброисточники 4 и заполняют скважины 3 упруго-вязким телом, в качестве материала которого используют кварцевыйпесок, скальный грунт и другие минеральные добавки вперемешку с водой, причемвеличину акустического сопротивления ос 2002961новного грунта упруго-вязкого тела выбирают равной величине акустического сопротивления основного грунта для лучшей передачи энергии упругих колебаний от источника в основной грунт 1 и слой песка 2, Направление воздействия источников 4 совпадает с одним из главных напряжений в основном грунте 1, то есть оси источников 4 устанавливают в плоскости, проходящей через линию действия максимального главного напряжения,Максимальный диаметр скважин 3 выбирают, исходя из оптимальных условий возбуждения упругих колебаний в выбранном диапазоне частот от 50 до 600 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в тело основного грунта и слоя песка 2, Для выбранного диапазона частот диаметр скважин равен 300-500 мм. Скважины с размещенными в них виброисточниками 4 бурят в шахматном порядке с шагом 10 х 10 м, что позволяет исг 1 ользовать виброисточники для уплотнения песков.Время синхронной работы группы виброисточников определяют используя ИВК- информационно-вычислительный комплекс, в который входят микропроцес сорный блок 7, блок памяти 8, пультовой терминал 9. цифропечатающее устройство 10. Время синхронной работы группы виброисточников зависит от обводненности грунта 1 и слоя песка 2 и обусловлено весом слоя песка на основной грунт.Работу группы виброисточников контролируют геомеханическими методами с использованием тензодатчиков, посредством которых регистрируют импульсы давления воды, определяют их спектры и управляют формой возбуждаемых волн в выбранном частотном диапазоне сопоставлением полученных в полевых условиях спектров со спектрами и формой волн давления в лабораторных условиях,Воздействие на слой песка осуществляют поэтапно; вначале приводят в возбужденное состояние основной грунт в диапазоне 50-600 Гц о совокупности с нагнетанием в песок воды и при достижении амплитуды давления в знакопеременной волне, равной по величине напряжениям, обусловленным весом слоя песка на грунт, вибровоздействия прекращают и переходят на частотусобственных колебаний слоя песка и вибровоздействия производят в течение времени, при котором достигают положительного эффекта,В том случае, если слой песка весьма значителен - от 5 м и более, для повышения эффективности способа в песок нагнетают40 волны совпадает с направлением распространения миграции жидкости, Перечислен 50 5 10 20 25 30 воду, нагретуюдо 80 С, и вибровоздействия осуществляют в диапазоне 1- 1 О кГц, для чего экспериментально выбирают порог кавитации при давлениях 1-10 атм и в направлении волн сжатия и растяжения, порождаемых мощными вибрационными колебаниями, в зоне разрежения упругой волны в слое песка возникают гидроразрывы - мельчайшие пузырьки, заполненные паром и газом и схлопывающиеся в зоне сжатия упругой волны. При захлопывании кавитирующего пузырька (фиг.2 и фиг,3) возникают сильные возмущения в слое песка, что проявляется в виде микро- и микроударных возмущений, способствующих уплотнению песка на значительных расстояниях - до 10-20 дл и н волн основной частоты.Сущность способа состоит в том, что под воэдействием мощных вибрационных нагрузок на пути распространения упругой волны в слое песка возникают волны сжатия и растяжения. Они выэцваот миграцио флюидов - жидкостей и газов, содержащихся в слое песка, и содействуют их миграции во много раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны. При нагнетании в слой песка воды или растворов, нагретых до 80 ОС, при условии, что направление нагнетания воды совпадает с направлением распространения упругой волны, возникают кавитирующие процессы в диапазоне 1 - 10 кГц и при этом резко возрастает проницаемось песков, Кавитирующие процессы имеют вероЯтНОСтНЫй ХаРаКтЕР И ИМЕсот МЕСТО ПРИ условии, что частота собственных колабаний жидкости, содержащейся в песка, близка к частоте зондирующих упругих импульсов, то есть к области резонанса, когда направление распространения упругой ные факторы способствуют повышению гидро- и аэродинамических связей в слое песка и в конечном итоге приводит к перераспределению поля упругих напряжений и уплотнению песка на пути распрос 1 ранениямощных вибрацион ых нагрузок.Преимущества способа зс 1 кл 10 чсзются в том, что использование виороисточников попредлагаемому способу позволя 8 т:создать Оптимальные условия воэбуждения упругих колебаний в слое песка в вс: - бранном диапазоне частот в режима накопления упругой нергии путем закачки при неизменных контактных условиях;снизить энергоемкость способа;ПОВЫСИТЬ ПРОНИЦсэеМОСТЬ П 8 СКОВ ЭД СЧ 8 Т упругого миграционного геозффекта и зф. феКТОВ КаВИТсаЦИИ, Име)ОЩИХ М 8 СТО ПРИ На гнетании в слой песка нагретых растворов:2002961 повысить производительность труда в несколько раз и увеличить эффективность способа,Использование предлагаемого способа позволяет а несолько раз повысить произ Формула изобретения 1. СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ПЕСКОВ, включающий определение векторов главных напряжений в массиве, бурение скважин, установку в них невзрывных пневматических источников, причем направление действия виброисточников располагают параллельно направлению действия главного напряжения, заполнение скважин упруговязким материалом, синхронизацию работы источников и возбукдение в массиве колебаний, увеличение их амплитуды до величины, при которой напряжения в массиве достигнут половины от разрушающих, и поддержание амплитуды колебаний на этом уровне до достижения полокительного эффекта, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности за счет увеличения скорости уплотнения песков и снижения энергоемкости, виброисточники размещают и грунте, на котором размещен слой песка, а вибро воздействия осуществляют поэтапно: на первом этапе приводят локальный участок грунта со слоем песка в возбужденное состояние в диапазоне 50- 600 Гц и в течение времени до достижения амплитуды давления в знакопеременной упругой волне величины напряжений, обусловленных весом песка на грунт, а затем поддержива 1 от амплитуду колебаний на достигнутом уровне перехода на частоту колебаний, равную собственной частоте слоя песка, и в течение времени до полноводительность труда и снизить энергоемкость способа.,1, отличающийся тем, что во время вибро-.воздействия осуществляют региональное10 увлажйение песка водой,3. Способ по п.1, отличающийся тем,что виброисточники размещают в основном грунте под слоем песка в шахматном15порядке с шагом 1010 м,4. Способ по п.1, отличающийся тем,что регистрируют тензодатчиками импульсы давления, определяют их спектры и управляют формой возбуждения волн20 давления в выбранном диапазоне частот.5. Способ по п.1, отличающийся тем,что величину акустического сопротивленияупруговязкого тела, которым заполняютскважины в грунте с размещенными в них25 виброисточниками, выбирают равным величине акустического сопротивления основного грунта,6. Способ по п,1, отличающийся тем,0 что увлажнение песка производят водой,нагретой до 80 С, возбуждают колебания вслое песка в диапазоне 1 - 10 кГц и энергию кавитирующего пузырька, образующегося в зоне разрежения. упругой волны и35 схлопывающегося в зоне сжатия волны,определяют из выраженияЕ-П Й - Рсз 43где Рс-давление, обусловленное слоем пе 40 ска на основной грунт, кг(см 2;8 - размер кавитирующего пузырька,мм.