Способ глубинного уплотнения грунтов

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ 19) П ) ЕСПУБЛИК 2 О 3/1 НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕНТ К по ты 50 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(56) Цейтлин М,Г., Верстов В:В., Азбель Г.Г,Вибрационная техника и технология при свайных и буровых работах. Л.: Стройиздат. 1987,с,254 в 2,Авторское свидетельство СССР(54) СПОСОБ ГЛУБИННОГО УПЛОТНЕНИЯГРУНТОВ(57) Использование: строительство, глубин-.ное уплотнение грунтов под основаниямизданий и сооружений. Сущность изобретения: бурят в грунтовой массив рабочую скважину и обустраивают ее. Определяютосновную частоту вибровоздействия нагрунтовый массив. Бурят на удалении от рабочей скважины 3-5 длин волн основнойчастоты дополнительных сквахин и размещают в них пневматические источники колеба н и й. О суй(ествл я ют и оэта и н оевибрационное воздействие на массив, На первом этапе вибровоздействуют с частотой в диапазоне от 60 до 1500 Гц. Подают в рабочуюскважину разупрочняющий раствор с добавлением расклинивэющего агента. На второмэтапе вибровоздействуют с частотой, равной.частоте колебаний массива, Дополнительныескважины бурят глубиной до коренных пород,Пневматические источники колебаний ориентируют во взаимно встречном направлении,Вибрационное воздействие на первом этапеосуществляют при одновременной подаче 4 Заявляемое изобретение относится кобласти гидротехнического, подземного и других видов строительства и может быть использовано дляя глубинного уплотнения грунтов и горных разупрочняющего раствора до момента достижения прочности грунта нэ разрыв 40 - 80 О/ от начальной с последующим нагнетанием в грунт скрепляющего раствора. Время вибрационного воздействия опреде-, ляют из зависимости:1= ( /Ч, где- глубина распространения виброволны, м; Ч - скорость перемещения флюидов жидкостей и газовых включений в грунте под воздействием виброволны, м/с, В качестве разупрочняющего раствора используютверхностно-активные вещества, нагрее до 80 С и содержащие в своем объеме - 75 О/о газовых компонентов, Их нагнетают под давлением 0,2 - 0,3 величины разрушающих напряжений грунта, а добавки расклинивающего агента составляют 1,2 - 1,8%, При этом размер его частиц 0,15 - 1,1 мм, плотность 2,6 - 4 8 г/см, В грунте возбуждаютультразвуковые колебания с частотой 1,0 - 20,0 кГц и создают кавитацию в участкэх грунта с температурой выше ЗООС, а энергию каветирующего пузырька определяют изз зависимости: Е =. 4/3 л: РоЯ,з где: Й - радиус каветирующего пузырька, мм; Ро - добавление в порах и трещинах грунта в естественном состоянии, кг/см . В нагнетаемых разупрочняющем и скрепляющем растворах возбукдэют ультразвуковые колебания, при этом вязкость раствора снижают на 10-60%. Осуществляют постоян-, ный тензоконтроль величины импульсов давления, 4 з.и. ф-л ы, 1 ил. ород с использованием эффектов кавитаии и упругого миграционного геоэффекта.Цель изобретения - повышение качеств уплотнения.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу бурят дополнительные скважины глубиной до коренных пород, пневматические источники колебаний ориентируют во взаимно встречном направлении, вибрационное воздействие на первом этапе осуществляют при одновременной подаче разупрочняющего раствора до момента достижения прочности грунта на разрыв 40 - 80% от начальной с нагнетанием в грунт скрепляющего раствора, при этом время вибрационного воздействия определяют из зависимости: 1 =ОН, где Е - глубина распространения виброволны, м; Ч - скорость перемещения флюидов-жидкостей и газовых включений в грунте под воздействием виброволны, м/с.В качестве разупрочняющего раствора используют поверхностно-активные вещества, нагретые до 80 С и содержащие в своем объеме 50 - 75% газовых компонентов, и их нагнетают под давлением 0,2 - 0,3 величины разрушающих напряжений грунта, а добавки и расклинивающего агента составляют 1,2 - 1,8%, при этом размер его частиц 0,15- 1,1 мм, плотность 2,6 - 4,8 г/см,В грунте возбуждают ультразвуковые колебания с частотой 1,0 - 20,0 кГц и создают кавитацию в участках грунта с температурой выше 30 С, а энергию кавитирующего пузырька определяют из зависимости:Е= лЙ Ро 4/3где В - радиус кавитирующего пузырька, ммР, - давление в порах и трещинах грунта в естественном состоянии, кг/см,В нагнетаемых разупрочняющем и скрепляющем растворах возбуждают ультразвуковые колебания, при этом вязкость растворов снижают на 10 - 60%.Осуществляют постоянный тензоконтроль величины импульсов давления.На чертеже приведена схема реализации способа, где 1 - грунтовой массив, 2 - скважины для размещения в них виброисточника, 3 - виброисточники, 4 - упруго- вязкое тело, 5 - компрессор высокого давления, 6 - микроЭВМ, 7 - электронный пульт управления для синхронизации работы группы виброисточников, 8 - гидроимпульсатор для нагнетания растворов,Способ осуществляют следующим образом: с помощью датчиков давления горных пород устанавливаемых в контрольную скважину определяют поле напряжений и главные векторы о и о 2 в грунтовом массиве, в котором следует осуществить глубинное уплотнение, 55 этого тензодатчиками встроенными в виброисточники регистрируют импульсы давления, определяют их спектры и управляютформой разрушающих импульсов давления, возбуждаемых в грунтовом массиве, исходя из нес;щей способности грунта. Это время зависит от обеодненности грунтового массива и его геомеханических свойств,Бурят скважины 2 глубиной до коренных или скальных пород ф 250-300 мм иразмещают в них невзрывные пневматические источники 3, при этом оси виброисточ 5 ников с одного торца локального участкагрунтового массива 1 ориентируют в плоскости проходящей через линию действиямаксимального главного напряжения, а сдругого торца участка виброисточники ориентируют навстречу направлению действиявиброисточника из первого торца участкапараллельно направлению их действия.Максимальный диаметр скважин 2 иглубину размещения в них виброисточников15 3 выбирают исходя из условия волновогоподобия - возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60 - 1500 Гц, при которыхимеет место максимальная закачка упругойэнергии в тело грунтового массива 1 и со 20 ставляющая от 3 до 9% всей запасенной висточнике энергии от компрессора высокого давления ЭУили ЭУот 60 до 300атмосфер. После размещения источника вскважине 2 ее заполняют упругим телом 4,25 причем, в качестве материала для упруговязкого тела используют мокрый песок, буровую мелочь, грунт смешанный с водой,Величину акустического сопротивления материала упруго-вязкого тела выбирают та 30 ким образом, чтобы она была близка квеличине акустического сопротивлениягрунта, что обеспечивает максимальную передачу энергии сейсмических колебаний отисточника в грунтовой массив,35 Скважины 2 бурят на удалении друг отдруга 10 - 15 м, что позволяет осуществитьсинхронизацию работы группы виброисточников, Это обусловлено тем, что на такихудалениях поле упругих напряжений волн40 излучаемых виброисточниками равномерно, Время воздействия - время синхроннойработы группы виброисточников для приведения локального участка грунтового массива в возбужденное состояние контролируют45 путем посредством электронного пульта управления 7, который воспринимает сигналыот тензодатчиков встроенных в источники ис использованием микроЭВМ, в которую заложена программа с эталонными сигнала 50 ми, осуществляют корректировку исинхронизацию работы группы виброисточников в выбранном диапазоне частот. Для1 = 1 /Чмиграции где- путь проходимый волной; эмиграции- скорость миграции флюидов-жидкостей игазов, содержащихся в порах и трещинахгрунта под воздействием упругих волн о вы 10 бранном диапазоне частот, причем, скорость миграции флюидов определяютэкспериментально на образцах грунта о лабораторных условиях пр воздейстнии уп ругих волн разных частот,Для снижения вязкости нагнетаемыхрастворов н них возбуждают мощные ультразвуковые колебания и добавляот газовыекомпоненты под давлением, причем, газирование растворов позволяет повысить глу 20 бину его проникновения в грунт, При низкихскоростях инжектирования и растворов используют азот, при высоких - углекислыйгаз, Обладая малой вязкостью газы уменьшают потери на трение на 30 - 400/, и более"25 глубоко проникают в грунтовые породы присотрясениях, вызываемых мощными оибрационными нагрузками.Для паоышсния гидро- и аэродинамических связей грунта инициируют каоитирую 0 щие процессы в местах, где упругая волнавстречает на своем пути участки нагретыхпород с температурой свыше 30 С, причем,каоитирующие пузырьки возникают в зонеразрежения и схлопываются о зоне сжа 5 тия упругой оолны, чта способствует резкому увеличению проницаемостигрунтовых пород, Для того, чтобы повысить эффективность способа виброваздейстния производят встречными колебаниями0 из вибраисточников, расположенных наторцах участка, при этом частоту виараооздействия настраивают в резонанс с частотой собственных колебаний пласта, и черезнагнетательные скважины 9 посредством5 гидраимпульсатара 8 нагнетают пад давлением скрепляющие растворы н грунтооыепарсды,Па истечении необходимого времениисточники выключают и переносят на новоеО место, преднарите,;ьна пробурив для нихскважины, Таким образом грунтовый массив обрабатыва ог всеми видами сжимающих и растягинающих нагрузок о широкомдиапазоне частот, цта способствует увели 5 чению проницаемости грунтовых пород иснижению энергоемкости процесса при одновременном уьеличении производительности.Сугцнасть способа состоит н том, чтапод воздействием мощных оибрацианных Работу группы виброисточников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований, а именно;- методом разгрузки с использованиемтензодатчиков- ультразвуковыми методами- методами с использованием сейсмоа,кустической или электромагнитной эмиссии- сейсмическими или электромагнитными методами, т.е. в активном режиме,Воздействуя на массив мощными оибрационными нагрузками, измеряют напряженно-деформированное состояниегрунтовых пород, определяют их несущую 3способность и при достижении в массиванапряжений 0,2 - 0,3 от величины разрушаю-.щих напряжений нагнетают в массив разупрочняющие растворы в качестве которыхиспользуют ПАВ, гидроакись натрия или 3гидроокись натрия с метанолом, нагретыхдо 80 С, причем, в разупрочняющие растворы добавляют от 1,2 до 1,8 расклиниваощих агентов с размерами частиц 0,15 - 1,1мм и плотностью 2,6-4,8 г/см, чтобы не 4дать порам и трещинам закрыться, и вибровоздействия осуществляют на частоте 601500 Гц, в течение времени, при которомдеформации сжатия грунтовых пород несменятся деформациями растяжения, цто 4соответствует оптимальной проницаемостигрунтов, после чего переходят на частотусобственных колебаний грунтового массиваи нагнетают о него скрепляющие растворыи вибровоздействия осуществляют в течение времени при котором прочность скрепляющих растворов не достигнет 0,5. от .величины нормативной или проектной ихпрочности,Так как виброисточники размещены о 5скважинах окаймляющих локальный участок массива, то для зкономии разупрочняющих растворов, вибровоздейстниеосуществляют попеременно с одной, а затем с другой стороны, причем время оиброПри синхронной работе амплитуду группы виброисточникоо постепенно поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого амплитудой в знакопеременной волне и равным примерно 0,5 от величины несущей способности грунта, Колебания вызывают в грунтовом массиве относительнуо подвижку структурных элементов перераспределяют поля упругих напряжений на пути распространения упругих волн и осуществляют частичную дегазацию локальногоучастка грунтового массива. Эти явленияимеют место как при работе группы виброисточникоо, так и при работе одиночного источника,воздействия с каждой стороны определяютиз выражения510 15 20 30 35 40 4550ф нагрузок в грунтовом массиве возникают волны сжатия и растяжения разрежения, действующие на флюиды - жидкости и газы содержащиеся в порах и трещинах грунтовых пород, как тектонический насос и содействующие их миграции во много раз быстрее, чем,в отсутствие упругой волны. Это явление авторы назвали упругим миграционным геоэффектом. Он имеет. место в любых диапазонах частот и сопровождается:- перераспределением поля упругихнапряжений на пути распрострацения упругих волн- частичной дегазацией грунтовых пород, то есть истечение газов из пор и трещин при вибрациях и сотрясениях- кавитирующими процессами при определенных РТ-параметрах на пути распространения упругой. волны, а именно:- если на пути упругой волны встречаются участки нагретых грунтовых пород- если направление распространения упругой волны совпадает с направлением пор и трещин в грунтовом массиве- если длина волны соизмерима с размерами пор и трещин по их простиранию- если на пути распространения упругой волны существуют перепады знакопеременного давления из-за несимметричности расположения пор и трещин в пространстве- если во флюидосодержащих растворах содержатся зародыши кавитации, - мельча 9 шие твердые частицы размерами 0,01 - 0,05 мм,Добавка в технологические растворы расклинивающих агентов позволяет повысить проницаемость грунтов, так как при их попадании в поры и трещины они не дают им закрыться и служат новыми концентраторами напряжений в грунтовом массиве.Преимущества способа состоят в том, что размещение виброисточников по предлагаемому способу позволяет осуществить;1.возбуждение упругих волн в выбран- ном диапазоне частот при неизменных контактных условиях в режиме накопления и таким образом закачать в массив упругую энергию превышающую несущую способность грунта и привести локальный его участок в возбужденное состояние.2.перераспределить поле упругих напряжений на пути распространенйя флюидов и управлять состоянием и свойствами грунтовых пород на пути распространения упругой волныЗ,снизить энергоемкость способа и повйсить эффективность и производительность,Использование заявляемого способа позволит значительно снизить энергоемкость способа, повысить его эффективность за счет воэможности получения эффекта как разупрочнения, так и упрочнения грунтовых пород с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффекта кавитации по сравнению с классическими традиционными способами глубинного уплотнения,Формула изобретения 1. Способ глубинного уплотнения грунтов, включающий бурение в грунтовый массив рабочей скважины и ее обустройство, определение основной частоты вибровоздействия на грунтовый массив, бурение на удалении от рабочей скважины 3 в . 5 длин волн основной частоты дополнительных скважин, размещение в них пневматических источников колебаний, поэтапное вибрационное воздействие на массив частотой на первом этапе в диапазоне от 60 до 1500 Гц, подачу в рабочую скважину разупрочня 25 ющего раствора с добавлением расклинивающего агента и последующее на втором этапе вибровоздействие с частотой, равной частоте колебаний массива, о тл и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения качества уплотнения, дополнительные сквакины бурят глубиной до коренных пород, пневматические источники колебания ориентируют во взаимно встречном направлении, вибрационное воздействие на первом этапе осуществляют при одновременной подаче. разуп рочняю щего раствора до момента достикения прочности грунта на разрыв 40 - 80 оот начальной с последующим нагнетанием в грунт скрепляющего раствора, при этом время вибрационного воздействия определяют из зависимости 1= ОЧ,где- глубина распространения виброволны,м;Ч - скорость перемещения флюидов жидкостей и газовых включений в грунте под воздействием виброволны, м/с,2, Способ по и 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве разупрочняющего раствора используют поверхностно-активные вещества, нагретыедо 80 С и содержащие в своем объеме 50-75 оь газовых компонентов, и их нагнетают под давлением 0,2-0,3 55 величины разрушающих напряжений грунта, а добавки расклинивающего агента составляют 1,2 - 1,8 ф при этом размер его частиц 0,15-1,1 мм, плотность 2,6 - 4,8 г/см .3, Способ по п.1, о т,л и ч а ю щ и й с я тем, что в грунте возбуждают ультразвуко1806245 10 оставитель А.Бакулиехред М.Моргентал Корректор М. Максимишинец едакт горо ва ГКНТ СССР каэ 968 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно льский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 вые колебания с частотой 1,0-20,0 кГц и создают кавитацию в участках грунта с температурой выше 30 С, а энергию каветирующего пузырька. определяют из зависимостиЕ =4/3 л й Ро, 5 где В - радиус каветирующего пузырька, мм;Ро - давление в порах и трещинух грунта в естественном состоянии, кг/см . 4. Способ по и,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в нагнетаемых разупрочняющем и скрепляющем растворах возбуждают ультразвуковые колебания, при этом вязкость растворов снижают на 10-605, Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что осуществляют постоянный тензоконтроль величины импульсов давления,