Метод гидроразрыва для усиления грунтовых оснований под фундаментами зданий при горизонтальной проходке

Проанализированы методы гидравлического разрыва пласта при горизонтально ориентированных скважинах, а также способы усиления грунтовых оснований под фундаментами существующих зданий с применением высоконапорной инъекции (в том числе выполненных по манжетной технологии). Рассмотрено поведение гидроразрыва в массиве грунта, которое, в свою очередь, также зависит от давления гидроразрыва и напряженно-деформированного состояния грунта. Представлена сводная таблица с формулами отечественных и зарубежных ученых по определению давления, при котором происходит разрыв грунта. На основании выявленных преимуществ и недостатков рассмотренных методов закрепления грунтовых оснований предложен альтернативный способ – усиление оснований методом цементации при горизонтально ориентированной проходке. Суть технологии заключается в устройстве (с применением технологий, позволяющих производить горизонтальное бурение бестраншейным способом) горизонтальных полиэтиленовых (колтюбинговых) труб под фундаментом здания либо вдоль него, через которые по манжетной технологии в грунт под давлением, равным давлению разрыва грунта, будет поступать твердеющий раствор, образуя при этом гидравлические разрывы в грунте и тем самым увеличивая его механические характеристики. 

1. Edelman E., Aidagulov G., Brady D. Acoustic analysis as means for detecting early-stage hydraulic fracture initiation in open and notched wellbores. In: GEO-2016, 12th Middle East Geosciences Conference & Exhibition. 2016;AAPG:90254. URL: https://www.researchgate.net/publication/309293165_Acoustic_Analysis_as_Means_for_Detecting_EarlyStage_Hydraulic_Fracture_Initiation_in_Open_and_Notched_Wellbores.

2. Al-Naimi K. M., Lee B. O., Bartko K. M., Kelkar S. K., Shaheen M., Al-Jalal Z., Johnston B. Application of a novel open hole horizontal well completion in Saudi Arabia. In: SPE Indian Oil and Gas Technical Conference and Exhibition, Mumbai, India, 4–6 March. 2008;SPE-113553-MS. http://dx.doi.org/10.2118/113553-MS

3. Rahim Z., Al-Kanaan A., Johnston B., Wilson S., Al-Anazi H., Kalinin D. Success criteria for multistage fracturing of tight gas in Saudi Arabia. In: SPE/DGS Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition, Al-Khobar, Saudi Arabia, 15–18 May. 2011;SPE-149064-MS. http://dx.doi.org/10.2118/149064-MS

4. Daneshy A. Horizontal-Well Fracturing: Why Is it So Different? Journal of Petrolium Technology. 2009;61(9):SPE-09090028-JPT. http://dx.doi.org/10.2118/0909-0028-JPT

5. Lecampion B., Abbas S., Prioul R. Competition between transverse and axial hydraulic fractures in a horizontal wells. In: SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference, 4–6 February, Woodlands, TX, USA. 2013;SPE-163848-MS. http://dx.doi.org/10.2118/163848-MS

6. Fjaer E., Holt R. M, Horsrud P., Raaen A. M., Risnes R. (eds.) Petroleum ralated rock mechanics. 2nd edition. Netherland: Elsvier; 2008. URL: https://litbit.ru/edition/e-fjaer-rm-holt-p-horsrud-am-raaen-and-r-risnes-eds/petroleum-relatedrock-mechanics-2nd-edition.

7. Valko P., Economides M. J. Hydraulic Fracture Mechanics. Chichester: John Wiley & Sons; 1995. URL: https://golnk.ru/ qJagz.

8. Aidagulov G., Alekseenko O., Chang F. F., Bartko K., Cherny S., Esipov D., Kuranakov D., Lapin V. Model of hydraulic fracture initiation from the notched open hole. In: SPE Saudi Arabia Section Annual Technical Symposium and Exhibition, Al-Khobar, Saudi Arabia, 21-23 April. 2015;SPE-178027-MS. http://dx.doi.org/10.2118/178027-MS

9. Yildizdag K., Weber F., Konietzky H. Hydraulic fracturing. Freiberg: TU Berg-akademie Freiberg, Geotechnical Institute; 2022. URL: https://tu-freiberg.de/sites/default/files/2023-11/15_Hydraulic_fracturing_3.pdf.

10. Hossain M. M., Rahman M. K., Rahman S. S. Hydraulic fracture initiation and propagation: roles of wellbore trajectory, perforation and stress regimes. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2000;27(3–4):129–149. https://doi.org/10.1016/s0920-4105(00)00056-5

11. Keshavarzi R. Laser perforation for hydraulic fracturing in oil and gas wells. In: 45th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium. San Francisco, USA: American Rock Mechanics Association; 2011. URL: https://onepetro.org/ ARMAUSRMS/proceedings-abstract/ARMA11/ARMA11/ARMA-11-115/119550?redirectedFrom=PDF.

12. Kennedy R. L., Gupta R., Kotov S. V., Burton W. A., Knecht W. N., Ahmed U. Optimized shale resource development: proper placement of wells and hydraulic fracture stages. In: Abu Dhabi International Petroleum Conference and Exhibition, Abu Dhabi, UAE, 11 November. 2012;SPE-162534-MS. https://doi.org/10.2118/162534-MS

13. Воробей Д. А., Майснер А. А., Семкин Д. С. Обзор установок горизонтально-направленного бурения и анализ эффективности способов управления траекторией бурения. Техника и технологии строительства. 2023;(2):26–33. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=54092743.

14. Ермолаев В. А., Мангушев Р. А. Научно-практическое обоснование применения метода высоконапорной инъекции (манжетной технологии) на объектах Санкт-Петербурга. В сб.: Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет; 2014. Ч. 2. С. 9–19. URL: https://studfile.net/preview/2630314/.

15. Исаев Б. Н., Бадеев С. Ю., Цапкова Н. Н., Лунев А. Г., Кузнецов М. В., Бадеев В. С., Логутин В. В. Способ создания в грунтовом массиве пространственных структур из твердеющего материала. Геотехника. 2012;(5):4–12. URL: https://www.geomark.ru/journals_list/zhurnal-geotekhnika-52012/.

16. Крицкий М. Я., Сухорукова А. Ф., Лубягин А. В. Пути решения проблемы усиления грунтовых оснований объектов с учетом инженерно-геологических условий города Новосибирска. В сб.: Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий. Екатеринбург: Аква-Пресс; 2001. Т. 2. С. 727–731.

17. Пронозин Я. А., Кайгородов М. Д. Регулирование геометрического положения зданий, в условиях сильносжимаемых грунтовых оснований. В сб.: Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ); 2018. С. 462–466. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=35602798.

18. Нуждин М. Л. Предупреждение неравномерных осадок фундаментной плиты с помощью высоконапорного инъецирования. В сб.: Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах. Архангельск: АрхГТУ; 2003. С. 119–122.

19. Ермолаев В. А., Мацегора А. Г., Осокин А. И., Трифонова И. И., Шахтарина Т. Н. Усиление оснований и фундаментов зданий вблизи расположенной застройки при строительстве глубоких котлованов в условиях городской застройки. В сб.: Проектирование и строительство подземной части нового здания (второй сцены) Государственного академического Мариинского театра. Санкт-Петербург: СПбГАСУ; 2011. С. 146–157.

20. Полищук А. И., Петухов А. А., Назин Д. С. Cпособ устройства инъекционной сваи. Российская Федерация. Патент № 2637002 C. 2016 г. 9 с. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=38273645.

21. Полищук А. И. Ющубе С. В., Петухов А. А., Нуйкин С. С. Опыт усиления фундаментов здания с использованием напорнонабивных свай. В сб.: Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки. Пермь: ПГТУ; 2005. Т. 1. С. 149–155.

22. Ясько С. И., Семенов И. В., Чухряев Н. П. Способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений. Российская Федерация. Патент № 2331736. 2006 г. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2331736C1_20080820.

23. Абелев М. Ю., Аверин И. В., Кораблева У. А. Экспериментальные исследования эффективности метода цементации грунтов «геокомпозит» в основании зданий на насыпных песках. Основания, фундаменты и механика грунтов. 2015;(2):13–15. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23605455.

24. Осипов В. И., Филимонов С. Д. Уплотнение и армирование слабых грунтов методом «Геокомпозит». Основания, фундаменты и механика грунтов. 2002;(5):15–21.

25. Сахаров И. И., Захаров А. Е. Опыт высоконапорной инъекции в пластично-мерзлые грунты. Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2004;(8):168–171. URL: https://707.su/ciIY.

26. Шулятьев О. А., Мозгачева О. А., Поспехов В. С. Освоение подземного пространства городов. Москва: АСВ, 2017. 510 с.

27. Ланис А. Л. Использование метода напорной инъекции при усилении земляного полотна железных дорог: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва: Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ); 2009. 24 с. URL: https://new-disser.ru/_avtoreferats/01004372604.pdf.

28. Крицкий М. Я., Пусков В. И., Скоркин В. Ф., Ланис А. Л. Лечение болезней земляного полотна с использованием современных технологий. В сб.: Труды международной научно-практической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. Пермь: ПГТУ; 2004. Т. 2. С. 47–53.

29. Фатеев Н. Т., Сергеев С. В., Карякин В. Ф., Гапон С. В., Щетинин О. В. Технология направленного гидроразрыва для создания в массиве пород ограждающих конструкций. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008;(1):260–264. URL: https://elibrary.ru/jupvnv.

30. Степанов М. А. Взаимодействие комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тюмень: Тюменская государственная архитектурно-строительная академия; 2015. 25 с. URL: https://golnk.ru/eD2Xa.

31. Наумкина Ю. В. Усиление ленточных фундаментов с переустройством в сплошную плиту переменной жесткости с предварительным напряжением грунтового основания: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тюмень: Тюменский государственный архитектурно-строительный университет; 2013. 25 с. URL: https://viewer.rsl.ru/ru/rsl01005058567?page=1&rotate=0&theme=white.

32. Stoker M. F. The influence of post grouting on the load bearing capacity of bored piles. In: Proceedings 8th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Helsinki; 1983. P. 167–170. URL: https://eurekamag.com/research/020/372/020372770.php.

33. Нуждин М. Л. Усиление грунтового основания зданий методом пакетного высоконапорного инъецирования: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет; 2021. 24 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01010769542.

34. Самохвалов М. А. Ашихмин О. В., Токарев А. Е., Паронко А. А. Результаты экспериментальных исследованийформирования гидроразрывов в пылевато-глинистых грунтах. Инновации и инвестиции. 2020;(3):294–297. URL: https://innovazia.ru/upload/iblock/f55/№3-2020.pdf.

35. Самохвалов М. А., Матюков А. А., Гейдт А. В., Паронко А. А. Результаты экспериментальных исследований манжетной технологии закрепления грунтов. Инновации и инвестиции. 2018;(10):249–252. URL: https://innovazia.ru/upload/iblock/95b/№10%202018%20new.pdf.

36. Самохвалов М. А. Ашихмин О. В., Цернант А. А. Определение состава инъекционного раствора для повышения качества закрепления грунтов по манжетной технологии. Cовременные наукоемкие технологии. 2018;(5):139–144. URL: https://top-technologies.ru/article/view?id=37005.

37. Самохвалов М. А. Взаимодействие буроинъекционных свай, имеющих контролируемое уширение, с пылевато-глинистым грунтовым основанием: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тюмень: Тюменский государственный архитектурно-строительный университет; 2016. 28 с. URL: https://viewer.rsl.ru/ru/rsl01006646888?page=2&rotate=0&theme=white.

38. Ибрагимов М. Н. Усиление слабых грунтов инъекцией растворов. Вестник НИЦ «Строительство». 2019;23(4):69–80. URL: https://vestnik.cstroy.ru/jour/article/download/51/51.

39. Ибрагимов М. Н. Вопросы проектирования и производства уплотнения грунтов инъекцией растворов по гидроразрывной технологии. Основания, фундаменты и механика грунтов. 2015;(2):22–27. URL: https://elibrary. ru/item.asp?id=23605458.

40. Аббуд М. Геотехническое обоснование стабилизации осадок фундаментов с помощью инъекционного закрепления грунтов: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет; 2000. 22 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01003208547.

41. Богомолов В. А. Метод высоконапорной инъекции связных грунтов при устройстве и усилении оснований и фундаментов: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пермь: Пермский государственный технический университет; 2002. 18 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01003228006?ysclid=m704d17gf4667484184.

42. Ермолаев В. А. Закрепление оснований зданий и сооружений методом гидроразрыва при неоднократном инъектировании: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СанктПетербург: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет; 2013. 25 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01005543569?ysclid=m704eow4a560690510.

43. Ломов П. О., Ланис А. Л., Гребенников И. О. Оценка деформационных характеристик грунтовых массивов, армированных вертикальными элементами. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2023;(3):22– 37. https://doi.org/10.32683/0536-1052-2023-771-3-22-37

44. Кононенко Д. В., Личман А. Р., Нуждин М. Л. Лабораторные исследования формы инъекционных тел, полученных нагнетанием расширяющегося геополимера. В сб.: Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: сборник материалов XV Всероссийской научно-практической конференции, Пенза, 21 мая 2024 года. Пенза: Пензенский государственный университет архитектуры и строительства; 2024. С. 19–22.

45. Ибрагимов М. Н., Семкин В. В. Закрепление грунтов инъекцией цементных растворов. Москва: АСВ; 2012.

46. Камбефор А. Инъекция грунтов. Принципы и методы. Москва: Энергия; 1971. 333 с.

47. Шулятьев О. А., Мозгачева О. А. Снижение осадки фундамента за счет изменения напряженнодеформированного состояния основания путем инъекции твердеющего раствора. Вестник НИЦ «Строительство». 2020;(3):121–148. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2020-3(26)-121-148

48. Пронозин Я. А., Степанов М. А., Шуваев А. Н., Давлатов Д. Н. Взаимодействие системы усиления свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием эксплуатируемого сооружения. Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2018;9(3):42–52. https://doi.org/10.15593/2224-9826/2018.3.05

49. Мангушев Р. А., Гарнык Л. В., Трифонова И. И. Влияние защитных геотехнических мероприятий на стабилизацию осадок аварийного здания. Вестник гражданских инженеров. 2016;(4):85–93. URL: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=26673483.

50. Сахаров И. И. К вопросу об адаптации манжетной технологии для целей укрепительной инъекции оснований зданий. Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2000;(2). URL: http://georeconstruction.net/ journals/02/6/6.htm.

51. Jaworski G. W., Seed H. B., Duncan J. M. Laboratory study of hydraulic fracturing. Journal of the Geotechnical Engineering Division. 1981;107(6):713–732. https://doi.org/10.1016/0148-9062(81)90537-4

52. Mohd Norizam M. S., Nuzul Azam H., Helmi Zulhaidi S., Abdul Aziz A., Nadzrol Fadzil A. Literature review of the benefits and obstacle of horizontal directional drilling. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017;271:012094. https://doi.org/10.1088/1757-899X/271/1/012094

53. Нуждин М. Л., Нуждин Л. В. Экспериментальное подтверждение возможности создания в грунтовом массиве инъекционных тел установленной формы. Известия вузов. Строительство. 2019;(10):101–112. URL: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=41831500.