Рецептуры растворов для ГНБ

Перед началом бурения проводится оценка грунтов, преобладающих в начальной точке бурения. Это могут быть неактивные грунты (песок, гравий, камень) или активные грунты (глина, глинистый сланец). Неактивные грунты опасны осыпанием частиц грунта в скважине. Активные грунты опасны увеличением размера смоченных частиц глины бурильной смесью, что способствует значительному сужению канала ствола скважины. Для решения возможных проблем буровой раствор регулируется с помощью добавок, следуя рекомендациям относительно типа грунтов.

Приготовление буровых растворов

Различные грунты по разному влияют на процесс бурения и требуют решения проблем, характерных для каждого типа грунта.

Гравий. Грунты, состоящие из плотных пород гравия, во время выполнения работ приводят к полной потере циркуляции и обрушению стенок скважины.

Гравий и песок крупнозернистый. Для грунтов, состоящих из гравия с песком характерна частичная или полная потеря циркуляции, с нестабильностью и обрушением стенок скважины.

Песок мелкозернистый, супеси. Сложности бурения в данных грунтах связаны с нестабильностью стенок скважины, неустойчивостью ствола и потерей бурового раствора.

Суглнинки. При работе в таких грунтах характерно набухание глины, что приводит к поглощению раствора и желобообразованиям.

Глины. В глинистых грунтах трудности работ связаны с сужением стенок ствола скважины и сальникообразованием. Происходит прихват инструмента и забивка насадок долота.

Для решения возникающих проблем необходимо правильно подбирать состав и регулировать свойства бурового раствора при помощи добавок или полимеров, следуя рекомендациям относительно типа грунтов. Приведенные составы буровых смесей являются усредненными с возможной корректировкой по месту в зависимости от точного состава грунта и качества воды.

МатериалГравийГравий и песокПесок мелкий (супеси)СуглинкиГлины
Бентонит
MaxBent Base
30-35
кг/м3
30
кг/м3
25
кг/м3
25
кг/м3
20-30
кг/м3
VIS1-2 кг0,5-1 кг
PHPA0,1-0,3 кг0,3-0,6 кг
PAC0,5-1,5 кг0,5-1 кг0,5-1 кг
MaxBent Standart30-35
кг/м3
25-30
кг/м3
20-25
кг/м3
20-25
кг/м3
20-25
кг/м3
VIS0,5-1 кг0,3-1 кг
PHPA0,1-0,5 кг0,3-0,5 кг
PAC0,5-1 кг0,3-1 кг0,5-1 кг
MaxBent Premium30
кг/м3
25-30
кг/м3
20-25
кг/м3
20-25
кг/м3
15-25
кг/м3
VIS0,3-0,7 кг
PHPA0,1-0,4 кг
Состав буровых растворов для различных грунтов

Бентониты для строительства станций метро

Одним из активно развивающихся направлений в подземном строительстве является строительство метро. В условиях растущей плотности городской застройки и увеличения трафика движения в Москве метро становится почти единственным решением для соединения отдалённых жилых районов и центральной части города. Обеспечивая кратчайшее время поездки, линии метро позволяют сохранить историческую застройку и привлекательный ландшафт столицы.

Новые станции метро для обжитых районов Москвы

В строительстве метро можно выделить следующие направления работ: проходка тоннелей с прокладкой путей для поездов и строительство станций. В тоннельной проходке применяют специальное оборудование – тоннеле-проходческие механизированные комплексы. При проходке грунт или горные породы срезаются и подаются на транспортёр для перемещения наружу. Существуют различные модификации тоннеле-проходческих комплексов. В одной из них механизированная разработка грунта происходит с использованием раствора на основе бентонитовых глинопорошков. Во время проходки бентонитовая суспензия подается на рабочий инструмент и выполняет несколько функций: от снижения трения в работе режущих инструментов до удержания грунта от обрушения во время рабочего процесса.

Выход тоннеле-проходческого комплекса в подготовленный котлован

В строительстве станций метрополитена также применяется бентонит. Он используется в процессе сооружения ограждений котлована, выполняемых по технологии «стена в грунте». Прежде, чем начинать разработку котлована в условиях близко расположенных зданий и жилых домов, необходимо предотвратить возможные движения грунтов в зоне, прилегающей к строительной площадке. Для этого по периметру строительства будущей станции возводят монолитную стену из железобетона. После устройства монолитной стены, внутри её периметра начинают разработку и вывоз грунта. В процессе дальнейших работ грунт надежно удерживается возведенной монолитной стеной, а прилегающая территория не испытывает каких-либо движений грунта в сторону котлована.

Строительные работы по устройству котлована для станции метро

Масштабы земляных работ при строительстве станций метро весьма впечатляющие. Глубина котлована доходит до пятидесяти метров, с поперечными размерами в несколько сотен метров. Конечно требования к качеству работ, а особенно к бетонным работам по технологии «стена в грунте» очень высокие.

Готовое ограждение по технологии «стена в грунте» с распорной системой

При строительстве метро предъявляют высокие требования и к качеству материалов, в том числе к бентонитам. Для достижения лучших результатов и стабильности в работе наиболее подходят глинопорошки изготовленные по международным стандартам. Таким стандартом, используемым для оценки качества бентопорошков является стандарт API-13A. По этому стандарту определяют не только исходные характеристики бентонитов. Преимуществом стандарта является оценка качества приготовляемых растворов, для чего измеряют вязкость, динамическое напряжение и объем фильтрата. Расширенные возможности позволяют не только контролировать стабильность качества продукции, но и подбирать оптимальные параметры для различных условий.

Поставка бентонита ПБМА/API для строительства метро

К бентонитам, соответствующим международным стандартам относится бентонит марки ПБМА/API изготовленный по ТУ 20.59.59-001-66968482-2017. Он изготовляется из натриевой бентонитовой глины Иранского месторождения с высоким содержанием породообразующего минерала — монтмориллонита. Сберегающий режим сушки в процессе производства глинопорошка сохраняет полезные свойства минерала, а сверхтонкий помол увеличивает их показатели. Дополнительным преимуществом бентопорошков из натриевой глины Иранского месторождения является отсутствие добавок при производстве базового продукта. Это значит, что материал имеет высокие показатели и стабильность исключительно за счет природных свойств. Также качество бентонита по всем характеристикам соответствует марке ПБМА, что подтверждается в паспортах качества.

Бентонит ПБМА/API

Производство бентонтовых растворов осуществляется непосредственно на строительной площадке. Для этих целей на период строительства сооружается мобильный бентонитовый завод. Он позволяет выполнять работы «стена в грунте» в течении всего года, даже в зимний период. Задачей завода является приготовление и хранение готового раствора, его подача на производственную площадку и регенерация отработанных растворов. В процессе регенерации из раствора выделяется твердая фаза и осуществляется обновление суспензии до необходимых параметров.

Подготовка бентонитового раствора на мобильном заводе

Для обеспечения бесперебойной работы, помимо необходимой вязкости и плотности бентонитовый раствор должен иметь высокую стабильность в течении нескольких суток. Применение бентонитов марки ПБМА/API показало преимущество в процессе приготовления раствора. Наряду со стабильностью качественных характеристик раствора, снижается расход бентопорошка по сравнению с другими марками бентонитов. Монолитная стена возводимая на основе бентонитов ПБМА/API обладает более чистой поверхностью и повышенными прочностными характеристиками.

Применение бентонитов. Строительство на берегу Яузы в центре Москвы.

Реализация проектов по строительству новых зданий в центре Москвы всегда связана с дополнительными сложностями и ограничениями.  Плотная застройка, высокая стоимость земли и загруженность подъездных путей сказываются на способах и сроках строительства. Ограничения на реализацию проектов также накладывают требования по сохранению архитектурного облика. Фасад здания должен гармонично выглядеть в пределах существующей застройки. Этажность строительства в исторических районах Москвы не превышает высоты соседних зданий, построенных более ста лет назад, когда высокими считались дома в три или четыре этажа. Сложности в реализации проектов отражаются на их стоимости, когда каждый квадратный метр площади на вес золота.

Фабрика Станиславского после реконструкции

В процессе проектирования зданий в центре города учитывают возможности новых технологий, которые позволяют увеличивать площадь здания за счет строительства подземных этажей. В условиях плотной городской застройки можно построить здание с углублением до сорока метров, в зависимости от геологических условий. На практике обычно строится два или три подземных этажа, которые используются как технические помещения или парковочные места для автомобилей. Конечно, стоимость таких помещений ниже, чем помещений с красивыми видами из окна. Но увеличение площади здания почти в два раза в центре столицы – отличный вариант для инвестиций. Тем более, что возможность использования подземных этажей очень многосторонняя. Начиная от размещения платных парковочных мест до организации оздоровительного или фитнесс центра с бассейном. Отличным решением будет открытие торгового центра и сдача коммерческих помещений в аренду. Учитывая район расположения здания и сложившуюся инфраструктуру можно прогнозировать различные варианты использования подземных этаже.

Проект реконструкции Большого Театра. Строительство подземных этажей по технологии «стена в грунте»

В случаях строительства подземных этажей успешная реализация проектных решений зависит от технических возможностей и компетенции строительной организации. Для строительства в плотной застройки в центре города требуется опыт и определённые навыки. Здесь важно все — начиная от бесперебойной работы высокотехнологичного оборудования и до своевременной поставки качественных материалов.

Здание старой застройки на берегу реки Яуза

Проект гостиничного комплекса на берегу реки Яуза как пример успешного строительства зданий с подземными этажами в историческом центре Москвы. В соответствии с инвестиционной политикой правительства Москвы было решено снести несколько зданий общей площадью около двух тысяч квадратных метров для строительства гостиничного комплекса площадью более одиннадцати тысяч квадратных метров.  На основе визуально-ландшафтного анализа были определены допустимые высотные ограничения. Новые здания не должны закрывать виды на ансамбль Андроникова монастыря.

Ещё на стадии проектирования были определены сложные геологические условия для проведения строительных работ. Разведочные работы показали необходимость проходки нескольких разнородных слоёв, состоящих из насыпного грунта, суглинков и твёрдых горных пород. Для установки специального оборудования и проведения работ место было ограничено плотной городской застройкой. Общая площадь, отведенная под новое здание, составляла меньше половины гектара.

Строительные работы по возведению «стены в грунте»

Проведение земляных работ и возведение стены в грунте с успехом выполнила компания Нью Граунд. Строительная организация имеет многолетний опыт строительства фундаментов и ограждающих конструкций методом «стена в грунте» в условиях плотной городской застройки. Специалисты компании обладают определёнными навыками при работе в сложных ситуациях. Техническая база укомплектована современным оборудованием ведущих производителей, таких как Bauer и Casagrande для работы в самых разных условиях. По данному проекту для разработки траншеи глубиной пятнадцать метров была задействована грейферная установка Bauer. Для приготовления и регенерации бентонитовой смеси на строительной площадке установили мобильный бентонитовый завод немецкого производства МАТ с возможностью производства и единовременного хранения больше тысячи тонн готовой смеси. В соответствии с регламентом СП-45 специалистами был разработан график и план работ, спланировано размещение оборудования для организации бесперебойного строительства. Выполнение строительных работ в заданные сроки – это один из важнейших приоритетов в строительстве. Поэтому в процессе разработки плана работ сразу были учтены сложные геологические условия, особенности выполнения работ в жилом районе и нюансы логистики для центра столицы.

Бентонитовый завод

Разработка траншеи проходила в различных слоях грунтов от насыпных из песка до плотных слоёв известняка. Технические возможности Bauer позволяют выполнять работу в различных грунтах, включая плотные горные породы. Особенностью работы в различных слоях грунтов является необходимость правильно подготовить бентонитовый раствор с заданной плотностью и вязкостью. От качества раствора зависят чистота поверхности и прочность «стены в грунте», что является решающим результатом для этого вида работ. На данном объекте работы по устройству «стена в грунте» проводили на основе бентонита марки ПБМВ по ТУ 39-0147001-105-93. Эта марка при невысокой стоимости имеет стандартные характеристики, достаточные для работы бентонитового раствора в большинстве случаев. Испытания бентонитового раствора, проводимые в полевых условиях на строительной площадке в процессе работ показали результаты, соответствующие требованиям СП 45.13330.2017: вязкость раствора более 30 секунд (по воронке Марша) и плотность не менее 1,03 г/см3.

Бентонит ПБМВ для работ «стена в грунте»

Приготовленный раствор посредством насоса через магистраль подаётся в рабочую зону для разработки траншеи. Выбранный грейфером грунт вместе с раствором обратно подаётся на бентонитовый завод для регенерации и последующего использования. В процессе регенерации раствор разделяется на твёрдую и жидкую фазы. Твёрдая фаза собирается на площадке и вывозится самосвалами на полигон. Жидкая фаза обновляется бентонитом до необходимой вязкости и повторно используется при разработке грунта. На одном замесе бентонита раствор используется до 3-х раз, в зависимости от грунтов, находящихся в разработке.

В процессе разработки грунта бентонитовый раствор постоянно находится в траншее от раскопки до заливки бетона. Задача раствора — удержание стен траншеи от обрушения. После завершения раскопки, в траншею помещают каркас из арматуры и заливают бетон. В процессе заливки бетон вымещает из траншеи бентонитовый раствор, который собирается в специальных бункера. По мере заполнения бункеров, отработанный бентонитовый раствор вывозится на полигон для утилизации.

Заливка бетона — завершающий этап работ

При соблюдении технологии работ и использовании качественных материалов стена в грунте должна иметь ровную поверхность и необходимую прочность. Чистота поверхности стены в первую очередь зависит от качества бентонита и полученного из него бентонитового раствора. При нахождении в траншеи раствор должен удерживать стены от обвалов грунта, вплоть до поступления бетона. Попадание грунта в бетон приводит к возникновению рыхлых участков и потере прочности конструкции. Также неровные и рыхлые участки монолита в дальнейшем подвергаются разрушению в процессе гидрогеологического воздействия грунтовых вод.

Полученная стена в грунте является ограждающей конструкцией по периметру будущего фундамента здания. На последующем этапе строительства проводятся работы по извлечению грунта, находящегося внутри периметра, огражденного монолитом. Стена в грунте служит механической и гидрологической оболочкой, препятствующей движению окружающих грунтов и воздействию грунтовых вод. Уже внутри периметра после выемки грунта в последующем ведутся работы по строительству фундамента и подземных этажей. Современные технологии позволяют использовать стену в грунте не только в качестве ограждающей конструкции. При использовании определённых регламентов, стена в грунте может служить фундаментом для последующего возведения каркаса здания. Конечно в этом случае требования к характеристикам монолита и технологическим материалам значительно выше. В этом случае качественные характеристики бентонитов и приготовляемых растворов играют большую роль.

Моделирование литья из чугуна в песчано-глинистой форме

Один из примеров использования компьютерного моделирования в производстве новых видов литья — изготовление коллекторов из высокопрочного чугуна ВЧ-40. Моделирование проводится с учетом действующей технологии литья в песчано-глинистую форму. Входные параметры для построения модели следующие:

  • качественные характеристики сплава;
  • температура заливки;
  • качественные показатели песчано-глинистой смеси;
  • известные методики для корректировки качества литья

Основная задача — получение отливок с минимальными дефектами в условиях реального производства. Дополнительные задачи, решаемые в ходе моделирования — выявление мест в которых возможно появление усадочных дефектов.

Изначально проектируется 3D модель отливки внутри литейной формы. На основе модели генерируется конечно-элементная сетка для отливки и литейной формы.
Материал для изготовления стержневой смеси и песчано-глинистой формы в расчетах может приниматься как с одинаковыми, так и с разными характеристиками. В данном проекте материал рассматривается одинаковый.
На основе математической обработки полученная сетка моделируется в конечно-элементную модель (КЭ — модель), отражающую реальные физические характеристики литья, такие как распределение потоков сплава и толщину отливки в разных частях.

Рис.1
На построенной модели можно определить точные геометрические размеры отливки в любом разрезе.

Следующим этапом проводятся гидродинамические расчеты и динамика затвердевания сплава в отливке. Расчеты производятся на основе теплофизических свойств материалов отливки и формы, а также усадочных свойств металла. Преимуществом компьютерного моделирования является возможность визуализация процессов, происходящих при заливке металла в литейную форму.
Процесс формирования отливки можно посмотреть в режиме видеоролика. На любой момент времени можно остановить видеоролик, сделать необходимый разрез отливки и формы с отображением процессов, происходящих в полостях формы.
Программное обеспечение позволяет по временной шкале рассмотреть следующие процессы, происходящие при формировании отливки:

  • распределение скоростей в процессе заливки металла в полость формы;
  • поле температур металла при формировании отливки

Поле температур металла отливки можно увидеть в любой момент времени и в любом разрезе.

Рис.2
Распределение температур в целом по отливке на промежуточной стадии заполнения.
Рис.3
Поле температур в сечении отливки на момент равный 124 секундам от момента заполнения полости формы металлом показывает формирование тепловых узлов.

Скорость потока металла или температура сплава визуально отображаются разными цветами, согласно принятой шкале соответствий. Точные значения представляются в табличном виде. Анализ скорости металла в процессе заливки, в том числе на границах металла и литейной формы позволяет контролировать скорости течения с целью обнаружения застойных зон, завихрений потока и других процессов, влияющих на качество отливки. Изучение поля температур в металле при заполнении полости формы дает возможность оценить не переохлаждается ли слишком сильно металл при течении, получить поле температур по окончании заливки.

На последующих этапах делается серия расчётов для определения возможных дефектов литья и планирование методов их устранения. В первую очередь это расчеты для установления усадочных дефектов. Они связаны с распределением температур в теле отливки в процессе затвердевания. Первоначальная оценка процесса литья делается при рассмотрении изменения температурного поля в отливке. Для последующего расчета усадочных дефектов применяется метод, основанный на выводе зон, в которых поля расчётных величин находятся выше или ниже определённого задаваемого значения.
Можно произвести любое сечение для определения температуры в формирующейся отливке.

Рис.4
Сечение с выделением зон, где образуются усадочные дефекты в теле отливки.

Далее проводятся расчеты для установления раковин и макро-пористости литья. Данные дефекты формируются в условиях недостатка питания в зонах, расположенных выше уровня зеркала расплава. Методы расчета основаны на вычислении объемной усадки и расчете движения зеркала расплава в каждой изолированной области питания. Для расчетов определяются несколько критических точек:

  • точка начала линейной усадки;
  • точка прекращения гравитационного течения жидкости;
  • точка полного перекрытия меж-дендритных каналов

Эти точки существенно зависят от способа приготовления расплава, от характерных скоростей охлаждения в интервале затвердевания и параметров, связанных с материалами, используемыми для производства отливки.
Важно для правильности расчетов использовать точные сведения по технологии литья и качеству используемых материалов.
В процессе моделирования определяются на каждом временном шаге все изолированные зоны питания и уровень зеркал расплава в каждой зоне.

Рис.4
Формирование дефектов в зоне тепловых узлов.

На графическом изображении выводятся зоны выше определённого значения — изоповерхности для иллюстрации процесса образования изолированного объёма жидкости. Наличие массивных частей, питание которых затруднено, в преимущественно тонкостенной отливке, обуславливает возникновение дефектных зон.

Кроме макро-пористости программа рассчитывает и микро-пористость, формирующуюся в условиях недостатка питания в зонах, которые потенциально находятся в удачных по питанию условиях (ниже зеркала расплава).

По результатам компьютерного моделирования строится модель процесса формирования отливки. Программа позволяет рассмотреть этот процесс в различных сечениях и разные интервалы времени с момента подачи расплавленного металла до полного затвердевания отливки. В результате расчетов в данном проекте установлено возникновение следующих дефектов:

  • определены зоны, где образуются усадочные дефекты в теле отливки;
  • установлены места с наличием раковин и макро-пористости на поверхностях отливки;
  • сделана оценка поверхности литья по наличию микро-пористости.

Полученные результаты применяются для корректировки технологии литья. Правильное изменение литниковой системы и подбор материалов приводят к устранению дефектов в проблемных зонах. Результат изменений — отливки с минимальными дефектами литья.