RU2305153C2

RU2305153C2 - Method and device for loose foundation base consolidation by directed horizontal pattern hydraulic fracturing

Info

Publication number: RU2305153C2
Application number: RU2005132730/03A
Authority: RU
Inventors: кин Виктор Федорович Кар (RU); Виктор Федорович Карякин; Сергей Валентинович Сергеев (RU); Сергей Валентинович Сергеев; Леонид Павлович Ганичев (RU); Леонид Павлович Ганичев; Сергей Викторович Гапон (RU); Сергей Викторович Гапон
Original assignee: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова)
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-08-27
Also published as: RU2005132730A

Abstract

FIELD: industrial and civil construction, particularly chemical consolidation of foundation bases.

SUBSTANCE: method involves drilling well; driving hollow cylinder in well and supplying hardening composition inside the cylinder. Well is drilled below existent foundation bed. Well length is equal to thickness of ground to be consolidated. Before cylinder insertion well is filled with mud solution. The cylinder comprises notches formed on inner surface thereof. During device insertion the notches are directed towards foundation so that the notches are below foundation bed within the thickness of ground to be consolidated. Hardening composition is supplied in the cylinder under P_h pressure. Device for horizontal hydraulic ground fracturing comprises hollow cylinder arranged inside well and having upper end air-tightly connected to hardening compositions supply means. Cylinder is formed of hardening composition and comprises stress concentrators made as notches. The notches are preferably triangular and arranged on inner cylinder side in one or several levels directed in foundation direction below foundation bed. Cylinder dimensions are equal to well dimensions. Cylinder has sealed lower end.

EFFECT: increased quality and efficiency of loose foundation bed consolidation, decreased labor inputs and time for ground consolidation.

2 cl, 3 dwg

Description

Заявленное изобретение относится к области химического закрепления и усиления оснований фундаментов в промышленном и гражданском строительстве.The claimed invention relates to the field of chemical fixing and strengthening the foundations in industrial and civil engineering.

Известны способы закрепления и усиления рыхлых оснований фундаментов путем введения твердеющих растворов в поровое пространство грунта инъецированием через скважины [Ржаницын Б.А. Химическое закрепление грунтов в пространстве, М.: Стройиздат, 1986.].Known methods for fixing and strengthening loose foundations of foundations by introducing hardening solutions into the pore space of the soil by injection through wells [B. Rzhanitsyn Chemical fixation of soils in space, M .: Stroyizdat, 1986.].

Закрепленный массив грунта в этом случае образуется из элементов цилиндрической формы вокруг скважины, которые зависят от водопроницаемости грунта. Если использовать этот способ, чтобы закрепить грунт под фундаментом, необходимо бурить скважины с обеих сторон фундамента наклонно, но это увеличивает объем бурения и расход твердеющего раствора.A fixed mass of soil in this case is formed from cylindrical elements around the well, which depend on the water permeability of the soil. If you use this method to fix the soil under the foundation, it is necessary to drill wells on both sides of the foundation obliquely, but this increases the amount of drilling and the flow rate of the hardening solution.

Известен способ усиления грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений, включающий бурение скважин с установкой инъекторов, замачивание, уплотнение и армирование грунта через гидроразрыв с образованием системы вертикальных элементов повышенной жесткости (патент RU 2122068 С1, 6 Е02Д 3/12, 1998.11.20). В связи с тем что вертикальные элементы, образованные данным способом, в глинистых грунтах достигают толщины всего 0,04-0,14 м, в песках 0,25-0,30 м, то для существенного повышения несущей способности основания необходимо вдоль фундамента бурить большое количество скважин через каждые 0,5 м, что также увеличивает объем бурения и количество технологических операций, удорожая стоимость работ.A known method of strengthening the soil of the foundations of buildings and structures, including drilling wells with the installation of injectors, soaking, compaction and reinforcing the soil through hydraulic fracturing with the formation of a system of vertical elements of increased rigidity (patent RU 2122068 C1, 6 Е02Д 3/12, 1998.11.20). Due to the fact that the vertical elements formed by this method, in clay soils reach a thickness of only 0.04-0.14 m, in the sand 0.25-0.30 m, to significantly increase the bearing capacity of the base, it is necessary to drill large along the foundation the number of wells every 0.5 m, which also increases the amount of drilling and the number of technological operations, increasing the cost of work.

Известны устройства для осуществления способа гидроразрыва грунта, представляющие конструкцию в виде инъекторов, помещаемых в скважины (Осипов В.И., Филиппов С.Д. Уплотнение и армирование слабых грунтов методом "геокомпозит". Основания, фундаменты и механика грунтов. №5, 2002. с.15-21).Known devices for implementing the method of hydraulic fracturing, representing the design in the form of injectors placed in wells (Osipov V.I., Filippov S.D. Compaction and reinforcement of soft soils using the geocomposite method. Foundations, foundations and soil mechanics. No. 5, 2002 p. 15-21).

Инъекторы представляют собой трубы с сопловыми отверстиями, через которые подают твердеющие растворы под большим давлением, значительно превышающим бытовое давление грунта, обеспечивающее фактически струйную резку грунта. Вследствие этого в массиве формируется отдельные горизонтальные трубчатого сечения геокомпозитные образования диаметром 5-10 см, создающие каркасную структуру в массиве, а не площадное закрепление. Для сгущения каркаса в этом случае необходимо бурить повышенное количество скважин и увеличивать, соответственно, технологические операции. Кроме того, высокое давление нагнетания может приводить к прорыву растворов на поверхность.Injectors are pipes with nozzle openings, through which hardening solutions are supplied under high pressure, significantly exceeding the household pressure of the soil, which actually ensures jet cutting of the soil. As a result of this, separate horizontal tubular sections of geocomposite formations with a diameter of 5-10 cm are formed in the massif, creating a skeleton structure in the massif, rather than areal anchoring. To thicken the frame in this case, it is necessary to drill an increased number of wells and increase, accordingly, technological operations. In addition, high discharge pressure can lead to breakthrough of solutions to the surface.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ гидроразрыва рыхлых пород (авт. свидетельство СССР №1033752, бюллетень изобретений №29, 1983). В этом способе в вертикальную скважину, заполненную твердеющим раствором, опускают трубу с диаметрально расположенными треугольными выступами. После схватывания твердеющего раствора трубу извлекают, а в скважине на стенках по вертикали формируются треугольные засечки. Повторным нагнетанием раствора в скважину по ним происходит гидроразрыв по направлению засечек.The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a method of hydraulic fracturing of loose rocks (USSR Authors Certificate No. 1033752, Bulletin of Inventions No. 29, 1983). In this method, a pipe with diametrically located triangular protrusions is lowered into a vertical well filled with a hardening solution. After setting of the hardening mortar, the pipe is removed, and triangular serifs are formed vertically in the borehole on the walls. Repeated injection of the solution into the well along them results in hydraulic fracturing in the direction of serifs.

Устройство для осуществления способа выполнено в виде трубы с диаметрально противоположными треугольными выступами на наружной поверхности трубы. Выступы имеют форму, необходимую для образования треугольных засечек в скважине.A device for implementing the method is made in the form of a pipe with diametrically opposite triangular protrusions on the outer surface of the pipe. The protrusions have the shape necessary for the formation of triangular serifs in the well.

Недостаток такого способа и устройства заключается в том, что процесс подготовки скважины для гидроразрыва требует выполнения нескольких операций: заполнение скважины твердеющим раствором, помещение трубы для формирования треугольных засечек, выжидание схватывания раствора, подъем трубы. При этом только после повторного нагнетания раствора в грунте формируются вертикальные протяженные трещины с пропиткой стенок, создавая вертикальную армировку грунта, которая лишь частично обеспечивает повышение несущей способности грунта. Кроме того, конструкция в виде трубы, используемая в способе, значительно увеличивает время его осуществления, так как при значительном количестве скважин необходимо в каждую скважину опускать эту трубу и формировать засечки. В противном случае нужно заготавливать количество труб в зависимости от числа скважин, что усложняет и удорожает работы по закреплению грунта.The disadvantage of this method and device is that the process of preparing a well for hydraulic fracturing requires several operations: filling a well with a hardening solution, placing a pipe to form triangular serifs, waiting for the solution to set, raising the pipe. Moreover, only after repeated injection of the solution in the soil do vertical extended cracks form with the walls being impregnated, creating a vertical soil reinforcement, which only partially provides an increase in the soil bearing capacity. In addition, the design in the form of a pipe used in the method significantly increases the time of its implementation, since with a significant number of wells it is necessary to lower this pipe into each well and form serifs. Otherwise, it is necessary to harvest the number of pipes depending on the number of wells, which complicates and increases the cost of fixing the soil.

Изобретение направлено на повышение качества и эффективности усиления рыхлых оснований фундаментов, а также снижение трудоемкости при проведении данных работ и времени осуществления способа усиления.The invention is aimed at improving the quality and efficiency of strengthening the loose foundations of the foundations, as well as reducing the complexity in carrying out these works and the time of the implementation of the reinforcement method.

Это достигается в способе усиления рыхлых оснований фундаментов направленным горизонтальным площадным гидроразрывом, включающим образование скважины, введение в скважину полого цилиндрического элемента - цилиндра, подачу в его полость твердеющего раствора, в котором согласно предлагаемому решению, скважину бурят ниже подошвы существующего фундамента глубиной, равной мощности массива грунта, требующего усиления, перед введением цилиндра заполняют скважину глинистым раствором, при этом цилиндр содержит на внутренней поверхности засечки, которые при введении цилиндра ориентируют в направлении фундамента таким образом, чтобы они находились ниже подошвы фундамента в пределах сжимаемой толщи, подачу твердеющего раствора в полость цилиндра осуществляют под давлениемThis is achieved in the method of strengthening the loose foundations of the foundations with a directed horizontal areal hydraulic fracturing, including the formation of a well, introducing a hollow cylindrical element - a cylinder into the well, supplying a hardening solution into its cavity, in which according to the proposed solution, the well is drilled below the base of the existing foundation with a depth equal to the mass of the mass soil, requiring reinforcement, before the introduction of the cylinder fill the well with a clay solution, while the cylinder contains on the inner surface hibernation which when administered cylinder is oriented in the direction of the foundation so that they are below the base of the foundation within the compressible strata supply solidifying solution into the cavity of the cylinder is carried out at a pressure

P_н≤γ·H·tg²(45°+φ/2)+2·c·tg(45°+φ/2), кПа;P _n ≤γ · H · tg ² (45 ° + φ / 2) + 2 · c · tg (45 ° + φ / 2), kPa;

где γ - удельный вес грунта выше плоскости гидроразрыва, кН/м³;where γ is the specific gravity of the soil above the fracture plane, kN / m ³ ;

Н - мощность слоя грунта от поверхности до плоскости гидроразрыва, м;H is the thickness of the soil layer from the surface to the fracturing plane, m;

φ - угол внутреннего трения грунта, град.;φ is the angle of internal friction of the soil, deg .;

с - удельное сцепление грунта, кПа.s - specific soil adhesion, kPa.

Способ осуществляется при помощи устройства, выполненного в виде полого цилиндрического элемента - цилиндра, который согласно предлагаемому решению выполнен из твердеющего раствора с внутренними концентраторами напряжений в виде засечек преимущественно треугольной формы, расположенных на внутренней поверхности цилиндра в одном или нескольких уровнях и направленных в одну сторону. При этом размеры цилиндра совпадают с размерами скважины и нижний конец цилиндра закрыт наглухо, а верхний герметично связан с приспособлением для подачи твердеющего раствора.The method is carried out using a device made in the form of a hollow cylindrical element - a cylinder, which according to the proposed solution is made of a hardening solution with internal stress concentrators in the form of serifs of mainly triangular shape, located on the inner surface of the cylinder in one or several levels and directed in one direction. In this case, the dimensions of the cylinder coincide with the dimensions of the well and the lower end of the cylinder is closed tightly, and the upper end is hermetically connected to the device for supplying a hardening solution.

Авторами при экспериментальных проверках способа установлено, что после гидроразрыва развитие трещины происходит при давлениях нагнетания больше и даже меньше γН (Фатеев Н.Т., Карякин В.Ф., Власов Н.Г. Исследование способа возведения противофильтрационных завес из трещин гидроразрыва - Сб. Осушение месторождений, рудничная геология, специальные горные работы, гидротехника. - Белгород: ВИОГЕМ, 1980, с.80-83), так как гидроклин, острие которого имеет на режущей части толщину молекулярного уровня, создает на этой линии высокое давление, несравненно более чем γН.During experimental checks of the method, the authors found that after hydraulic fracturing, a crack develops at injection pressures greater than or even less than γH (Fateev N.T., Karyakin V.F., Vlasov N.G. Study of the method of erecting anti-filter curtains from hydraulic fractures - Sat. Drainage of deposits, mining geology, special mining, hydraulic engineering - Belgorod: VIOGEM, 1980, p. 80-83), since the hydrocline, the tip of which has a molecular level thickness on the cutting part, creates high pressure on this line, incomparably more than γH.

Кроме того, при постановке экспериментов выявлено, что при излишнем давлении нагнетания выше предложенной математической зависимости происходят прорывы раствора на поверхность при малых глубинах по прослабленным структурным связям напластований грунта.In addition, when setting up the experiments, it was revealed that, with an excessive injection pressure above the proposed mathematical dependence, breakouts of the solution to the surface occur at shallow depths along the weakened structural bonds of the soil strata.

Поэтому, учитывая ранее выполненные исследования и то, что предложенный способ предполагается к использованию для укрепления рыхлых оснований фундаментов мелкого заложения, мы ввели ограничение давления развития трещины гидроразрыва знаком равенства и меньше в математической зависимости, которая отражает повышенное давление нагнетания, чем от собственного веса вышележащего грунта с обеспечением гидроразрыва.Therefore, taking into account the previously performed studies and the fact that the proposed method is supposed to be used to strengthen loose foundations of shallow foundations, we introduced a restriction on the development pressure of a hydraulic fracture with an equal sign and less in the mathematical dependence, which reflects an increased discharge pressure than on its own weight overlying soil with hydraulic fracturing.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг.1 изображено бурение скважины 1 ниже подошвы фундамента 2 на глубину закрепления массива грунта; на фиг.2 - размещение в скважине 1 цилиндра 3 с засечками 4; на фиг.3 показано нагнетание от нагнетательного насоса в приспособление 3 твердеющего раствора по шлангу 5, прикрепленному к штуцеру 6.The invention is illustrated in the drawing. Figure 1 shows the drilling of a well 1 below the bottom of the foundation 2 to the depth of consolidation of the soil mass; figure 2 - placement in the well 1 of the cylinder 3 with serifs 4; figure 3 shows the injection from the injection pump into the device 3 hardening mortar through a hose 5 attached to the nozzle 6.

Устройство 3 для осуществления способа состоит из полого цилиндра, сформированного предварительно по длине и диаметру скважины в пресс-форме из твердеющего раствора, например карбамидной смолы. На внутренней поверхности цилиндра 3 выполнены в один или в несколько уровней концентраторы напряжения в виде засечек 4, преимущественно треугольной формы. Треугольная форма засечек наиболее предпочтительна для обеспечения концентрированного напряжения в вершине треугольника, направленного внутрь стенки цилиндра для осуществления гидроразрыва. Засечки направлены в одну сторону, при этом нижний конец цилиндра 3 закрыт наглухо, а верхний герметично связан с устройством для подачи твердеющего раствора, выполненным, например, в виде нагнетательного шланга 5. Герметичная связь со шлангом 5 осуществляется, например, с помощью штуцера 6 цилиндра 3 под диаметр гайки шланга 5.The device 3 for implementing the method consists of a hollow cylinder, previously formed along the length and diameter of the well in the mold from a hardening solution, for example, urea resin. On the inner surface of the cylinder 3 are made in one or several levels of voltage concentrators in the form of serifs 4, mainly triangular in shape. The triangular shape of the serifs is most preferable to provide concentrated stress at the apex of the triangle directed inside the cylinder wall for hydraulic fracturing. The serifs are directed in one direction, while the lower end of the cylinder 3 is closed tightly, and the upper one is hermetically connected to the device for supplying a hardening mortar, made, for example, in the form of an injection hose 5. Sealed connection with the hose 5 is carried out, for example, using the nozzle 6 of the cylinder 3 for the diameter of the hose nut 5.

Способ осуществляют следующим образом. В стороне от существующего фундамента, на расстоянии 1-1,5 м бурят вертикальную скважину 1 ниже подошвы фундамента 2 на глубину мощности массива грунта (фиг.1). Скважину заполняют жидким раствором, например, глинистым, для заполнения пространства между стенкой скважины и цилиндром, что исключает прорыв твердеющего раствора на поверхность при подаче его под давлением внутрь цилиндра и помещают в нее полый цилиндр 3, из твердеющего раствора, например раствора карбомидной смолы КФМТ плотностью 1,08 кг/см³ с кислотным отвердителем - 6%-ой соляной кислотой. На поверхности внутренней полости цилиндра 3 выполнены концентраторы напряжений в виде засечек 4, которые могут быть выполнены в одном или нескольких уровнях, это зависит от толщины укрепляемого массива грунта. В предлагаемом решении засечки выполнены в количестве двух уровней, так как этого достаточно при толщине слоя в 1 м. Ориентируют цилиндр 3 засечками 4 в сторону фундамента 2 так, чтобы они находились ниже подошвы фундамента в пределах расчетной сжимаемой толщи грунта (фиг.2). Далее по шлангу 5 в цилиндр подают твердеющий раствор желательно из того же состава, из которого выполнен цилиндр, так как он легко формирует сквозную трещину треугольной засечки, развиваясь под давлением в трещине гидроразрыва пласта. В качестве последнего используют распространенные твердеющие составы на основе карбомидных смол, жидкого стекла или полиизоционатов. Эти растворы позволяют заполнить поровое пространство грунта и трещины гидроразрыва, обеспечивая прочность полученного материала до 5 МПа и низкую водопроницаемость. В предлагаемом решении подают раствор смолы марки КФМТ с кислотным отвердителем - 6%-ой соляной кислотой - в количестве 5-10% от объема смолы. Твердеющий раствор подают под давлением, которое составляет 1,5 МПа, определяемым по формуле:The method is as follows. Away from the existing foundation, at a distance of 1-1.5 m, a vertical well 1 is drilled below the bottom of the foundation 2 to the depth of the soil mass (Fig. 1). The well is filled with a liquid solution, for example, clay, to fill the space between the borehole wall and the cylinder, which eliminates the hardening of the solution to the surface when it is supplied under pressure inside the cylinder and put a hollow cylinder 3 into it, from the hardening solution, for example, a solution of KFMT carbide resin with a density 1.08 kg / cm ³ with an acid hardener - 6% hydrochloric acid. On the surface of the inner cavity of the cylinder 3, stress concentrators are made in the form of serifs 4, which can be made in one or several levels, this depends on the thickness of the soil mass being strengthened. In the proposed solution, notches are made in the amount of two levels, since this is sufficient for a layer thickness of 1 m. Orient cylinder 3 by notches 4 towards the foundation 2 so that they are below the base of the foundation within the estimated compressible thickness of the soil (figure 2). Then, through the hose 5, a hardening solution is fed into the cylinder, preferably from the same composition from which the cylinder is made, since it easily forms a through crack of a triangular notch, developing under pressure in a hydraulic fracture. As the latter, common hardening compositions based on carbide resins, water glass, or polyisocyanates are used. These solutions make it possible to fill the pore space of the soil and hydraulic fractures, providing the strength of the obtained material up to 5 MPa and low permeability. In the proposed solution, a resin solution of the KFMT brand is supplied with an acid hardener — 6% hydrochloric acid — in an amount of 5-10% of the resin volume. The hardening solution is supplied under pressure, which is 1.5 MPa, determined by the formula:

где γ - удельный вес грунта выше плоскости гидроразрыва, кН/м³; Н - мощность слоя грунта от поверхности до плоскости гидроразрыва, м; φ - угол внутреннего трения грунта, град.; с - удельное сцепление грунта, кПа.where γ is the specific gravity of the soil above the fracture plane, kN / m ³ ; H is the thickness of the soil layer from the surface to the fracturing plane, m; φ is the angle of internal friction of the soil, deg .; s - specific soil adhesion, kPa.

Попадая в цилиндр 3, раствор по концентраторам напряжений 4 прорывает цилиндр как гидроклин и образует горизонтальные трещины гидроразрыва 7 в массиве грунта, заполняя их и пропитывая грунт вокруг них в рассматриваемом случае на глубину до 30 см и длину закрепляемого слоя 2,5 м в песке, на глубину до 15 см и длину закрепляемого слоя 2,0 м в суглинке с последующим твердением (фиг.3). Количество уровней, то есть слоев геокомпозита определяется расчетом по величине необходимого расчетного сопротивления грунта с прослойками затвердевшего раствора или по величине расчетной осадки геокомпозитного грунта (СНиП 2.02.01-83 с.8, с.38). Объем раствора, нагнетаемого в цилиндр рассчитывается в зависимости от площади фундамента и толщины геокомпозитного слоя с учетом разновидности грунта. В результате образуется одно- или многослойный геокомпозит в массиве грунта под всей площадью подошвы фундамента при минимальном количестве скважин, что обеспечивает качество и эффективность усиления оснований фундаментов, а также снижение трудоемкости при проведении данных работ и времени осуществления способа усиления.Getting into cylinder 3, the solution through stress concentrators 4 breaks through the cylinder like a hydrocline and forms horizontal hydraulic fractures 7 in the soil mass, filling them and soaking the soil around them in the case under consideration to a depth of 30 cm and the length of the fixed layer 2.5 m in sand, to a depth of 15 cm and a length of a fixed layer of 2.0 m in loam, followed by hardening (figure 3). The number of levels, that is, layers of a geocomposite, is determined by calculating the value of the required design soil resistance with layers of hardened mortar or the value of the design settlement of the geocomposite soil (SNiP 2.02.01-83 p.8, p.38). The volume of solution injected into the cylinder is calculated depending on the area of the foundation and the thickness of the geocomposite layer, taking into account the variety of soil. As a result, a single or multilayer geocomposite is formed in the soil mass under the entire area of the base of the foundation with a minimum number of wells, which ensures the quality and effectiveness of reinforcing the foundations of the foundations, as well as reducing the complexity in carrying out these works and the time of the reinforcement method.

Claims

1. A method of reinforcing loose foundation foundations with a directed horizontal areal hydraulic fracturing, including forming a well, introducing a hollow cylinder into the well, supplying a hardening solution into its cavity, characterized in that the well is drilled below the bottom of the existing foundation with a depth equal to the thickness of the soil mass requiring reinforcement before the introduction of the cylinder fills the well with clay solution, while the cylinder contains serifs on the inner surface, which, when the device is introduced, are oriented in the direction f of the foundation in such a way that they are below the base of the foundation within the compressible thickness, and the hardening mortar is supplied to the cylinder cavity under pressure

P _n ≤γ · H · tg ² (45 ° + φ / 2) + 2 · c · tg (45 ° + φ / 2), kPa,

where γ is the specific gravity of the soil above the fracture plane, kN / m ³ ;

H is the thickness of the soil layer from the surface to the fracturing plane, m;

φ is the angle of internal friction of the soil, deg .;

s - specific soil adhesion, kPa.

2. Device for horizontal hydraulic fracturing of the soil, containing a hollow cylinder located in the well, the upper end of which is hermetically connected to the device for supplying a hardening solution, characterized in that the cylinder is formed of a hardening solution with stress concentrators in the form of serifs of predominantly triangular shape located on the inner surface the cylinder in one or more levels oriented in the direction of the foundation below its sole, while the dimensions of the cylinder coincide with the dimensions of the wells us, and its lower end is closed tightly.