Как применять бентонит при плывуне

Плывун — один из самых сложных грунтов для строительства и бурения. Водонасыщенные пески и супеси теряют несущую способность при малейшем механическом воздействии и буквально «текут», что приводит к обрушению стенок скважин и траншей, прихвату инструмента, просадке грунта и деформации близлежащих зданий. Традиционные методы — обсадка, заморозка — не всегда эффективны: они дороги, сложны и не всегда применимы в стесненных условиях.

Что такое бентонит и почему он работает против плывуна

Бентонит — это природный глинистый минерал, способный поглощать воду и увеличиваться в объеме в десятки раз. Основные свойства, важные для работы с плывуном:

• Тиксотропия: в покое раствор превращается в гель, при движении — в жидкость. Это позволяет раствору удерживать стенки, когда бурение приостановлено, и легко перекачиваться при работе.
• Кольматация: частицы бентонита проникают в поровые пространства грунта и оседают на поверхности песчинок, создавая тонкую малопроницаемую фильтрационную корку, которая удерживает стенки.
• Структурообразование: бентонит армирует слабый грунт, не давая ему «плыть».

Для плывунов ключевое значение имеет не тип бентонита как таковой, а высокая коллоидность и способность быстро создавать плотную корку. Обычный бентонит в таких условиях не держит стенки — вода уходит в грунт быстрее, чем формируется корка.

Кальциевый бентонит после активации кальцинированной содой приобретает необходимые реологические свойства. Активация содой — это стандартный метод повышения набухаемости кальциевого бентонита, при котором ионы кальция в межслоевом пространстве замещаются на ионы натрия. Это позволяет кальциевому бентониту эффективно работать в условиях плывуна. 

Основные методы применения бентонита при плывуне

При плывуне рекомендуется применять качественный бентонитовый раствор. 

Т.к. наша компания ООО «Баулюкс» является производителем бентонитовых материалов в том числе для сложных геологических условий, включая песчаные плывуны, далее мы рассмотрим методы выбора и применения бентонита при плывуне на примере материалов «Bentolux».

Буровые растворы (ГНБ, скважины)

Буровой раствор при плывуне нужен для укрепления стенок скважины, предотвращения их обрушения и водопритока, а также для выноса разжиженного грунта на поверхность. Он создает противодавление и кольматирует (закупоривает) плывун, не давая ему течь в скважину.

Для изготовления качественного бурового раствора обратите внимание на следующие виды материалов:

• Bentolux API-AS — для плывунов и нестабильных грунтов, где нужны быстрое «запирание» стенок и низкая водоотдача. Рекомендуемые концентрации для получения раствора вязкостью 15 мПа·с — 50–60 кг/м³, вязкостью 20 мПа·с — 55–65 кг/м³. 
• Bentolux API-B — подходит для стандартных условий бурения, где важнее высокая вязкость и хорошая выносная способность раствора, а требования к фильтрации менее строгие. Рекомендуемые концентрации для получения раствора — 65–75 кг/м³ (вязкость 15 мПа·с) и 75–85 кг/м³ (вязкость 20 мПа·с). Для плывунов, где требуется высокая вязкость и быстрое «запирание» стенок, концентрацию следует увеличивать.
• Bentolux API-G — подходит для вертикального бурения в сложных условиях, когда требуется повышенная вязкость и высокая концентрация. Применяется, если API-AS или API-B не обеспечивают нужную стабильность. Рекомендуемые концентрации для получения раствора — 75–85 кг/м³ (вязкость 15 мПа·с) и 85–95 кг/м³ (вязкость 20 мПа·с).
• Линейка Bentolux Horizont.

Линейка Bentolux Horizont для использования при плывуне

Bentolux Horizont — бентонитовые материалы для ГНБ. В линейке представлены продукты для проблемных грунтов:

• Bentolux Horizont PR — универсальный бентонит класса «премиум» для приготовления однокомпонентного бурового раствора. В его составе использованы материалы, обладающие большой устойчивостью к минеральной агрессии, что делает его неприхотливым к воде затворения и не требует дополнительной водоподготовки при использовании жесткой воды. Отличительной чертой бентонита Bentolux Horizont PR является возможность использования без дополнительных полимерных добавок, увеличивающих реологию и выносные характеристики бурового раствора. Bentolux Horizont PR обладает высокими вязкостными характеристиками и низкой водоотдачей, что стабилизирует ствол скважины и исключает вероятность оседания шлама в стволе. По своим характеристикам он идеально подходит для бурения в водонасыщенных песках, супесях и слабоцементированных грунтах. При бурении активных глин необходимая концентрация бентонита Bentolux Horizont PR составляет всего 15–20 кг/м³, а также рекомендуется применение ингибитора глин Bentolux Horizont РНРА в концентрации 0,1–0,3 кг/м³. Перемешивать раствор рекомендуется в активном турбулентном режиме в течение 20 минут.
• Bentolux Horizont TN Premium — бентонит премиум-сегмента, аналог глинопорошков зарубежного производства с улучшенными характеристиками. Продукт изготавливается из высококоллоидальных глин месторождений Республики Казахстан (собственное месторождение группы компаний «Баулюкс»), обладает высоким содержанием активной коллоидной фазы и характеризуется быстрой диспергируемостью в воде. Буровой раствор на основе TN Premium не требует применения дополнительной обработки полимерными добавками при условии нормального бурения без осложнений. Продукт стабилен в воде средней жесткости, выход раствора эффективной вязкостью 15 мПа·с составляет 40–45 м³/т. Важное преимущество: не подвержен биологическому разложению и не требует применения бактерицидов при рециркуляции бурового раствора. Bentolux Horizont TN Premium можно применять в сложных грунтах, включая неустойчивые и обводненные породы, но при прохождении плывунов обычно требуется дополнительная модификация бурового раствора полимерами. Бентонит обладает высокой удерживающей способностью и хорошими реологическими характеристиками, что помогает укреплять стенки скважины. На нестабильных грунтах и плывунах стандартного раствора одного бентонита может не хватить для предотвращения обвалов — в таких случаях вводят профильные полимерные добавки (например, для увеличения вязкости и стабилизации разреза).
• Bentolux Horizont UN — бентонит для ГНБ с модифицирующими добавками, относится к классу универсальных смесей для приготовления однокомпонентного бурового раствора. За счет использования в составе смесевой основы глинопорошка и специальным образом подобранных полимерных добавок обеспечивает быстрое диспергирование и набор реологических характеристик, готов к применению через 15–20 минут перемешивания в НСУ. Устойчив к воде затворения различных типов (водопроводной, артезианской). BENTOLUX HORIZONT UN содержит в себе полимерные компоненты, которые улучшают вынос шлама и резко снижают фильтрацию. Это готовая бентонитовая смесь для проблемных участков. UN можно использовать на участках с плывунами и водонасыщенными песками, так как он содержит специальные модифицирующие полимерные добавки. Полимеры в составе UN резко уменьшают уход жидкости в пористый грунт и помогают быстро сформировать плотную герметичную корку на стенках скважины. Раствор обладает высокой удерживающей способностью, что важно для стабильности ствола в подвижных водянистых песках. Расход порошка в песчаных и водных грунтах обычно увеличивают до 25–30 кг на 1 м³ воды. Возможно потребуется увеличение дозировки глинопорошка до 30- 35 кг на /м3. При сильных осложнениях и протяженных плывунах базового однокомпонентного раствора может не хватить — в таких случаях для стабилизации реологии дополнительно вводят специализированные полимеры (например, ингибиторы вроде Bentolux Horizont PHPA). Рекомендуемые концентрации: для глинистой почвы — 15–20 кг/м³, для песчаной — 25–30 кг/м³, для гравия и скальных пород — 30–35 кг/м³. Перемешивать раствор следует на протяжении 20 минут в активном турбулентном режиме.

Тоннелепроходка (ТПМК с гидропригрузом)

При строительстве тоннелей в плывунных неустойчивых грунтах используются тоннелепроходческие механизированные комплексы с гидропригрузом. В призабойную область под давлением нагнетается бентонитовая суспензия со строго регламентированными свойствами. Она поддерживает давление на забой, предотвращая просадку и обвал породы, а также удаляет выбуренную породу, смазывает и охлаждает проходческое оборудование.

Технология «стена в грунте»

При возведении подземных сооружений в плотной застройке траншею заполняют глинистым раствором по мере выемки грунта. Раствор проникает в грунт и кольматирует стенки, образуя на их поверхности тонкую фильтрационную корку, которая предотвращает обрушение до момента спуска арматурного каркаса и заполнения траншеи бетоном. Для этих задач применяется бентонитовый глинопорошок ПБМВ — экологически чистый бентонит из высококачественных глин российских месторождений, произведен на основе высококоллоидальных глин, модифицированных кальцинированной содой. ПБМВ обеспечивает быстрое затворение, высокие структурно-механические свойства суспензии, низкий показатель фильтрации, устойчивость к поливалентной агрессии и совместимость с другими компонентами бурового раствора. Рекомендуемые концентрации для получения раствора: вязкостью 15 мПа·с — 45–50 кг/м³, вязкостью 20 мПа·с — 60–70 кг/м³.

Инъекции и гидроизоляционные экраны

Благодаря герметизирующим и проникающим свойствам бентонит применяется в составе инъекционных и цементационных растворов для заделки трещин и заполнения пустот, а также для создания противофильтрационных завес.

Как выбрать правильный бентонит для плывуна

При выборе бентонита для плывуна следует обращать внимание на следующие критерии:

• Коллоидность и выход раствора. Для плывунов нужен бентонит с высокой коллоидностью, который быстро создает плотную непроницаемую корку. Выход раствора указывается в паспорте качества (м³/т).
• Совместимость с модификаторами. Для сложных условий часто требуются полимерные добавки, которые связывают мелкие частицы и помогают стабилизировать стенку.
• Стабильность в минерализованных средах. Для Horizont PR заявлена устойчивость к минеральной агрессии и неприхотливость к воде затворения, для Horizont TN Premium — стабильность в воде средней жесткости.

Рекомендации по маркам для плывунов:

• Bentolux Horizont UN — готовая бентонитовая смесь. Можно использовать на участках с плывунами и водонасыщенными песками, так как содержит специальные модифицирующие полимерные добавки. Полимеры резко уменьшают уход жидкости в пористый грунт и помогают быстро сформировать плотную герметичную корку. Раствор обладает высокой удерживающей способностью, что важно для стабильности ствола в подвижных водянистых песках. Расход порошка в песчаных и водных грунтах обычно увеличивают до 25–30 кг на 1 м³ воды. В ряде случаев может потребоваться увеличение дозировки глинопорошка до 30- 35 кг на /м3. При сильных осложнениях и протяженных плывунах дополнительно вводят полимеры (например, Bentolux Horizont PHPA).
• Bentolux Horizont PR — универсальный, предсказуемый выбор. Неприхотлив к воде затворения, не требует дополнительных обработок кальцинированной содой в случае использования жесткой воды, подходит для водонасыщенных песков и супесей. В особо сложных водонасыщенных грунтах рекомендуется применять PR в паре с полимерами.
• Bentolux Horizont TN Premium — можно применять в сложных грунтах, включая неустойчивые и обводненные породы, но при прохождении плывунов обычно требуется дополнительная модификация бурового раствора полимерами. Бентонит обладает высокой удерживающей способностью и хорошими реологическими характеристиками, что помогает укреплять стенки скважины. На нестабильных грунтах и плывунах стандартного раствора одного бентонита может не хватить для предотвращения обвалов.
• Bentolux API-AS — изготовлен из модифицированной высококоллоидальной глины кальцинированной содой. Отличается экономичностью и высокими структурно-механическими свойствами: быстрое затворение и высокие структурно-механические свойства суспензии, низкий показатель фильтрации, устойчивость к поливалентной агрессии, совместимость с другими компонентами бурового раствора. Не рекомендуется для плывунов без дополнительных модификаторов.

Перед началом работ рекомендуется запросить паспорт качества и провести тестовый замес на объекте.

Приготовление и контроль бентонитового раствора

Время гидратации зависит от марки: для API-AS и API-B — 30 минут после перемешивания, для Horizont TN Premium, Horizont PR и Horizont UN рекомендуется перемешивание в течение 20 минут в активном турбулентном режиме.

Ключевые параметры контроля: плотность, вязкость, водоотдача, стабильность. Контролировать эти параметры следует прямо на объекте, а не полагаться только на лабораторные данные. Для усиления раствора в плывунах часто обязательно добавлять структурообразующие полимерные модификаторы, а не просто рекомендуется. Экономия на модификаторах неоправданна: их стоимость ниже стоимости ликвидации аварии.

Типичные ошибки и меры предосторожности

• Использование низкосортного глинопорошка. Для плывунов необходим бентонит с высокими структурно-механическими свойствами.
• Недостаточная гидратация. Раствор должен набрать свойства до начала работ.
• Экономия на полимерных модификаторах. В сложных условиях без них не обойтись.
• Отсутствие контроля параметров на объекте. Вязкость и плотность нужно проверять непосредственно на площадке.

При работе с бентонитовым порошком следует защищать кожу и глаза от пыли, а отработанный бентонитовый раствор утилизировать в соответствии с требованиями.

Правильный подбор марки, соблюдение рецептуры и контроль параметров раствора позволяют снизить аварийность, ускорить работы и отказаться от дорогостоящих обсадных колонн.

Для плывунов оптимально использовать Bentolux Horizont UN (готовая смесь для проблемных участков, содержит модифицирующие полимерные добавки) или Bentolux Horizont PR (в паре с полимерами для особо сложных водонасыщенных грунтов). Bentolux Horizont TN Premium также можно применять в сложных грунтах, включая неустойчивые и обводненные породы, но при прохождении плывунов обычно требуется дополнительная модификация бурового раствора полимерами. Перед началом работ на сложных грунтах рекомендуется проконсультироваться с технологом по буровым растворам.