Способ глубинного уплотнения грунтов Советский патент 1993 года по МПК E02D3/12 

Заявляемое изобретение относится кобла- сти гидротехнического, подземного и других видов строительства и может быть использовано для глубинного уплотнения грунтов и горных

пород с использованием эффектов кавитации и упругого миграционного геоэффекта. Цель изобретения -- повышение качества 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: t L/V, где L - глубина распространения виброволны, м; V - 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/см3.

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 я R3 Ро 4/3

где R - радиус кавитирующего пузырька, мм

Ро - давление в порах и трещинах грунта в естественном состоянии, кг/см2.

В нагнетаемых разупрочняющем и скрепляющем растворах возбуждают ультразвуковые колебания, при этом вязкость растворов снижают на 10-60%.

Осуществляют постоянный тензоконт- роль 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 - гидроим- пульсатор для нагнетания растворов.

Способ осуществляют следующим образом: с помощью датчиков давления горных пород устанавливаемых в контрольную скважину определяют поле напряжений и главные векторы rri и 02 в грунтовом массиве, в котором следует осуществить глубинное уплотнение.

Бурят скважины 2 глубиной до коренных или скальных пород Ф 250-300 мм и размещают в них невзрывные пневматические источники 3, при этом оси виброисточников с одного торца локального участка грунтового массива 1 ориентируют в плоскости проходящей через линию действия максимального главного напряжения, а с другого торца участка виброисточники ориентируют навстречу направлению действия виброисточника из первого торца участка параллельно направлению их действия,

Максимальный диаметр скважин 2 и глубину размещения в них виброисточников

з выбирают исходя из условия волнового подобия - возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60-1500 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в тело грунтового массива 1 и составляющая от 3 до 9% всей запасенной в источнике энергии от компрессора высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7 от 60 до 300 атмосфер. После размещения источника в скважине 2 ее заполняют упругим телом 4,

причем, в качестве материала для упруго- вязкого тела используют мокрый песок, буровую мелочь, грунт смешанный с водой. Величину акустического сопротивления материала упруго-вязкого тела выбирают таким образом, чтобы она была близка к величине акустического сопротивления грунта, что обеспечивает максимальную передачу энергии сейсмических колебаний от источника в грунтовой массив.

Скважины 2 бурят на удалении друг от друга 10-15 м, что- позволяет осуществить синхронизацию работы группы виброисточников. Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений волн

излучаемых виброисточниками равномерно. Время воздействия - время синхронной работы группы виброисточников для приведения локального участка грунтового массива в возбужденное состояние контролируют

путем посредством электронного пульта управления 7, который воспринимает сигналы оттензодатчиков встроенных в источники и с использованием микроЭВМ, в которую заложена программа с эталонными сигнала0 ми, осуществляют корректировку и синхронизацию работы группы виброисточников в выбранном диапазоне частот. Для этого тензодатчиками встроенными в виброисточники регистрируют импульсы давле5 ния, определяют их спектры -и управляют формой разрушающих импульсои давления, возбуждаемых в грунтовом массиве, исходя из несущей способности грунта. Это время зависит от обводненности грунтового массива и его геомеханических свойств.

При синхронной работе амплитуду группы виброисточников 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 относительную подвижку структурных элементов перераспределяют поля упругих напряжений на пути распространения упругих волн и осуществляют частичную дегазацию локального участка грунтового массива. Эти явления имеютместо как при работе группы виброисточников, так и при работе одиночного источника.

Работу группы виброисточников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований, а именно:

- методом разгрузки с использованием тензодатчиков,

- ультразвуковыми методами

- методами с использованием сейсмоа- .кустической или электромагнитной эмиссии

- сейсмическими или электромагнитны- ми методами, т.е. в активном режиме.

Воздействуя на массив мощными вибрационными нагрузками, измеряют напряженно-деформированное состояние грунтовых пород, определяют их несущую способность и при достижении в массиве напряжений 0,2-0,3 от величины разрушающих напряжений, нагнетают в массив разуп- рочняющие растворы в качестве которых используют ПАВ, гидроокись натрия или гидроокись натрия с метанолом, нагретых до 80°С, причем, в разупрочняющие растворы добавляют от 1,2 до 1,8% расклинивающих агентов с размерами частиц 0,15-1,1 мм и плотностью 2,6-4,8 г/см3, чтобы не дать порам и трещинам закрыться, и вибровоздействия осуществляют на частоте СО- 1500 Гц, в течение времени, при котором деформации сжатия грунтовых пород не сменятся деформациями растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости грунтов, после чего переходят на частоту собственных колебаний грунтового массива и нагнетают в него скрепляющие растворы и вибровоздействия осуществляют в тече- ние времени при котором прочность скрепляющих растворов не достигнет 0,5 от величины нормативной или проектной их прочности,

Так как виброисточники размещены в скважинах окаймляющих локальный участок массива, то для экономии разупрочня- ющих растворов, вибровоздействие осуществляют попеременно с одной, а за- .тем с другой стороны, причем время вибровоздействия с каждой стороны определяют из выражения

t / /мигрзции

где L- путь проходимый волной; Умиграции

- скорость миграции флюидов-жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах грунта под воздействием упругих волн и выбранном диапазоне частот, причем, скорость миграции флюидов определяют экспериментально на образцах грунта о лабораторных условиях npt; воздействии упругих В071Н разных частот.

Для снижения вязкости нагнетаемых растворов в них возбуждают мощные ультразвуковые колебания и добавляют газовые компоненты под давлением, причем, газирование растворов позволяет повысить глубину его проникновения в грунт. При низких скоростях инжектирования и растворов используют азот, при высоких - углекислый газ. Обладая малой вязкостью газы уменьшают потери на трение на 30-40% и более глубоко проникают в грунтовые породы при сотрясениях, вызываемых мощными вибрационными нагрузками.

Для повышения гидро-и аэродинамических связей грунта инициируют кавитирую- щие процессы в местах, где упругая волна встречает на своем пути участки нагретых пород с температурой свыше 30°С, причем, кавитирующие пузырьки возникают в зоне разрежения и схлопываются в зоне сжатия упругой волны, что способствует резкому увеличению проницаемости грунтовых пород, Для того, чтобы повысить эффективность способа вибровоздействия производят встречными колебаниями из виброисточников, расположенных на торцах участка, при этом частоту вибровоздействия настраивают в резонанс с частотой собственных колебаний пласта, и через нагнетательные скважины 9 посредством гидроимпульсатора 8 нагнетают под давлением скрепляющие растворы в грунтовые породы.

По истечении необходимого времени источники выключают и переносят на новое место, предварительно пробурив для них скважины. Таким образом грунтовый массив обрабатывают всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок в широком диапазоне частот, что способствует увеличению проницаемости грунтовых пород и снижению энергоемкости процесса при одновременном увеличении производительности.

Сущность способа состоит в том, что под воздействием мощных вибрационных

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 содей- ствующие 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 упругихна- пряжений на пути распространения упругих волн

- частичной дегазацией грунтовых пород, то есть истечение газов из пор и трещин при вибрациях и сотрясениях

- каптирующими 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 пе-репады знакопеременного давления из-за несимметричности расположения пор и трещин в пространстве

- если во флюидосодержаи1их растворах содержатся зародыши кавитации

.- мельчайшие 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 выбранном 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 D возбужденное состояние.

2.перераспределить поле упругих напряжений на пути распространения флюидов и управлять состоянием и свойствами грунтовых пород на пути распространения упругой волны

3.снизить энергоемкость способа и повысить эффективность и производительность.

Использование заявляемого способа позволит1 значительно снизить энергоемкость способа, повысить его эффективность за счет возможности 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.

Форму л а 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 3-5 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 разупрочняющего раствора с добавлением расклинивающего агента и последующее на втором этапе вибровоздействие с частотой, равной частоте колебаний массива, отличающий- с я тем, что, с целью повышения качества

уплотнения, дополнительные скважины бурят глубиной до коренных пород, пневматические источники колебания 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 последующим нагнетанием в грунт скрепляющего раствора, при этом время

вибрационного воздействия определяют из зависимости

t L/V,

где L- глубина распространения вибровол- ны, м;

V - скорость перемещения флюидов жидкостей и газовых включений в грунте под воздействием виброволны, м/с.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что 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 расклинивающего агента составляют 1,2-1,8%, при этом размер его частиц 0,15-1,1 мм, плотность 2,6-4,8 г/см3.

3. Способ по п. 1,обличающийся тем. что в грунте возбуждают ультразвукевые колебания с частотой 1,0-20,0 кГц и создают кавитацию в участках грунта с температурой выше 30°С, а энергию каветирую- щего пузырька определяют из зависимости

Е 4/3 я R3 Ро, где R - радиус каветирующего пузырька, мм;

РО - давление в порах и трещинах грунта в естественном состоянии, кг/см .

4. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в нагнетаемых разупрочняющем и скрепляющем растворах возбуждают ультразвуковые колебания, при этом вязкость растворов снижают на 10-60%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют постоянный тензо- контроль величины импульсов давления.

Использование: строительство, глубин-. ное уплотнение грунтов под основаниями зданий и сооружений. Сущность изобретения: бурят в грунтовой массив рабочую сква- жи ну и обустраивают ее. Определяют основную частоту вибровоздействия на трунтовый массив. Бурят на удалении от рабочей скважины 3-5 длин волн основной частоты дополнительных скважин и размещают в них пневматические источники колебаний. Осуществляют поэтапное вибрационное воздействие на массив. На первом этапе вибровоздействуют с частотой в диапазоне от 60 до 1500 Гц. Подают в рабочую скважину разупрочняющий раствор с добавлением расклинивающего агента. На втором этапе вибровоздействуют с частотой, равной .частоте колебаний массива. Дополнительные скважины бурят 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 последующим нагнетанием в грунт скрепляющего раствора. Время вибрационного воздействия опреде-. ляют из зависимости: t L/V, где L- глубина распространения виброволны, м; V - 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. 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 возбуждают ультразвуковые колебания с частотой 1,0-20,0 кГц и создают кавитацию в участках грунта с температурой выше 30°С, а энергию каветирующего пузырька опреде- ляютиз зависимости: Е 4/3 п -Р0 R3, где: R - радиус каветирующего пузырька, мм; Ро - добавление в порах и трещинах грунта в естественном состоянии, кг/см2. В нагнетаемых разупрочняющем и скрепляющем растворах возбуждают ультразвуковые колебания, при этом вязкость раствора снижают на 10-60%. Осуществляют постоям-, ный тензоконтроль величины импульсов давления. 4 з.п.ф-лы, 1 ил. ел с 00 о о ю ел

/// , s А/ / // / / / А / / ///

7

А