Геосинтетические материалы в дорожном строительстве

Концепция укрепления грунта с помощью помещения в них слоев материалов со сравнительно высокими прочностными и деформативными характеристиками, возникла еще в древние времена. В Святой Библии можно найти упоминание о применении соломы с целью улучшения свойств глины для производства кирпичей: "В тот день фараон дал такие приказания надсмотрщикам и своим писарям: "Вы не будете больше давать солому народу для производства кирпичей, как делали это раньше. Они сами будут доставать солому".

Самый древний пример постройки, выполненной с применением техники укрепленного грунта, существующей до сих пор – это Зиггурат ди Агар-Куиф, находящийся примерно в 5 км от Багдада. Данная конструкция, первоначально имевшая высоту более 80 м, была построена приблизительно в 1000 году до нашей эры и выполнена полностью из глиняного кирпича различной плотности, усиленного "циновками", сплетенными из тростника.

Другие примеры, основанные на той же концепции, можно найти и сейчас. Значительно повлиял на развитие техники укрепления грунта Казагранде.

Именно он первым понял, как природные элементы (тростник, ветки деревьев) можно заменить листовыми элементами, имеющими высокую прочность на растяжение. Концепция, задуманная Казагранде, была развита Видалем, который и ввел термин "армированный грунт".

Развитие химии в последние десятилетия привело к появлению новых материалов, характеризующихся высокими эксплуатационными характеристиками, как в отношении механического сопротивления, так и в отношении срока службы. Эти материалы получили общее название – геосинтетические материалы, а дорожные одежды, в конструктивных слоях которых применяются высокопрочные синтетические материалы, - армированные дорожные одежды.

Широкое применение геосинтетических материалов в дорожном строительстве обусловлено их высокими физико-механическими характеристиками: прочностью, устойчивостью к воздействию климатических и гидрогеологических факторов, долговечностью и экологической безопасностью. Долговечность применяемых геосинтетических материалов составляет 40÷120 лет, если материалы не получили серьезные повреждения в процессе строительства и были своевременно защищены от воздействия солнечной радиации.

В отечественной и зарубежной практике для изготовления геосинтетических материалов используют в основном полипропилен, полиамид, полиэфир, полиэтилен, стекловолокно, полиэстер, поливинилалкоголь, полиолефины (смеси полиэтилена и полипропилена). Для придания специальных свойств в сырье вводятся добавки, например технический углерод (сажу) в качестве стабилизатора от солнечной радиации; пигменты для окраски материала и т.п. На поверхность рассматриваемых материалов могут быть нанесены специальные покрытия (обволакивающие и защитные слои), придающие или увеличивающие адгезионные свойства, необходимые для надежного контакта с рабочими поверхностями контактной среды конструкций и сооружений.

В нашей стране классификация геосинтетических материалов находится в стадии разработки, поэтому в статье приводится один из ее возможных вариантов (рис. 1), составленный на основе анализа литературных данных. В качестве классификационных признаков выбраны: вид исходного сырья, способ изготовления и геометрические размеры.

К сплошным геотекстилям относятся водопроницаемые нетканые, тканые, плетеные и композиционные материалы.

Тканые сплошные геотекстильные материалы состоят из нитей, имеющих взаимно перпендикулярное направление и различающиеся между собой видом волокна, числом нитей на единицу площади, а также видом плетения (холстовое плетение, панамское, диагональное и др.). При этом места соединения могут быть усилены в зависимости от предъявляемых к ним требований.

Нетканые материалы изготавливаются путем наложения волокон друг на друга. В целях их упрочнения используются следующие способы: механический (например, сшивание), адгезивный (при помощи связующих материалов), когезивный (например, путем термического воздействия).

Плетеные (вязаные) сплошные материалы состоят из одной или нескольких волоконных композиций, соединенных друг с другом специальной волоконной системой.

Георешетки – изделия, изготовленные из синтетических волокон, пластмассы, стекловолокна и других материалов, представляющие собой плоские структуры с различными узловыми соединениями и величиной ячеек 10 мм и более.

Перфорированные георешетки – это материалы, изготавливаемые из синтетических рулонных материалов, которые первоначально перфорируются и вытягиваются в одном или двух направлениях (вдоль и поперек). В результате вытягивания молекулы полимеров ориентируются в направлении растяжения. Тем самым повышается прочность по направлению растяжения и, соответственно, уменьшается их относительное удлинение.

Тканые геосетки – это тканые материалы с ячейками размерами более 10 мм.

Слоистые геосетки изготавливаются из послойно уложенных синтетических элементов, которые располагаются крестообразно и связываются в местах контактов.

Геосоты изготавливаются из синтетических волокон, пластмассы, стекловолокна и представляют собой объемные структуры с различными узловыми соединениями и имеют величину ячеек 10 мм и более.

Композиционные материалы могут состоять из объединенных между собой в одной плоскости нетканых материалов, геосеток, георешеток, других искусственных полимерных материалов плоской или объемной формы.

Геомембраны – это сплошные непроницаемые рулонные материалы толщиной от 0,5 до 5 мм, которые применяются, главным образом, для создания гидроизолирующих прослоек.

Дискретные элементы – это материалы различных размеров в виде нитей (фибра), тел сферической, кубической, октаэдрической или иной формы. Они вводятся равномерно в массив грунта для придания ему оптимального гранулометрического состава и увеличения его прочностных и деформативных характеристик.

Геоконтейнеры – это замкнутые конструкции, заполняемые в ходе строительства грунтовым или инертным материалом. Они изготавливаются из высокопрочных рулонных материалов и предназначены для армирования грунтов.

Оболочки – это герметично закрытые конструкции, наполняемые различными строительными материалами, например, песком или щебнем. Выбор материала заполнителя зависит от назначения и условий работы сооружения.

Геоматы – это трехслойные конструкции, состоящие из верхней и нижней оболочек, соединенных между собой посредством соединительных элементов, расположенных равномерно по площади. Заполняют геоматы грунтовым или инертным материалом (щебнем, песком) в ходе строительства.

Габионы в отличие от геоконтейнеров и оболочек имеют более протяженные размеры, соизмеримые с размерами строящегося объекта.

Геотубы – это протяженные оболочки трубчатой формы для защиты земляного полотна автомобильных дорог от эрозии и волн. Диаметр геотуба может достигать 1,5÷2м.

Геосинтетические материалы в конструкциях дорожных одежд и земляном полотне могут выполнять функции арматуры, дрены или фильтра (рис. 2).

Армирующий эффект основан на способности синтетического материала воспринимать растягивающие напряжения, работая совместно с грунтовым массивом земляного полотна, слоями дорожной одежды (щебень, песок и др.), поскольку грунт и слои дорожной одежды практически не обладают прочностью при растяжении. Совместная работа прослойки с грунтом земляного полотна и слабо связными слоями дорожной одежды являются основой перераспределения напряжений в основании от временной нагрузки и собственного веса насыпи.

На практике эффект перераспределения напряжений в основании неоднократно находит подтверждение в уменьшении колееобразования под колесами автомобилей и в снижении осадки насыпи на болоте и заболоченных участках местности. При деформациях прослойка включается в работу, воспринимая часть вертикальной нагрузки, снимая тем самым ее с основания и перераспределяя напряжения. Перераспределение напряжений приводит к существенному уменьшению осадки насыпи на болоте и заболоченных участках местности.

Как известно, характерной особенностью зернистых материалов является их способность создавать на поверхности грунта в контактной зоне значительные касательные напряжения от вертикального давления. В связи с этим, для снижения "опасных" касательных, напряжений, на наш взгляд, целесообразно армирование зернистого материала (щебня) плоскими полипропиленовыми георешетками СЛАВРОС СД 20-20, СД 30-30, СД 40-40, имеющими жесткие узловые соединения и высокий модуль упругости.

При устройстве щебня поверх георешетки происходит его заклинивание в ячейках и образуется слой, способный воспринимать растягивающие напряжения (рис. 3).

Рис. 3. Заклинка щебня в ячейках георешетки.

Для обеспечения эффективного и обоснованного использования георешеток в конструкциях нежестких одежд на кафедре "Аэродромы и дороги. (Основания и фундаменты)" Военного инженерно-технического университета в течение нескольких лет проводились модельные и натурные экспериментальные исследования.

Цель экспериментальных исследований – определение эффективности армирования нежестких одежд синтетическими георешетками.

Исследования носили сопоставительный характер, при этом георешетка укладывалась на контакте слоя щебня и подстилающего грунта. Эффективность армирования определялась по разности полных и упругих деформаций, интенсивности и величине накопления остаточных деформаций традиционной и армированной конструкций в условиях воздействия многократно повторяющихся нагрузок.

В результате проведенных исследований установлено:

1. Армирование щебня георешетками позволяет увеличить модуль деформации дорожной конструкции в Ка раз (табл. 1, 2), модуль упругости в 1,14÷1,36 раз:

,

где Еэкв.арм. – модуль деформации конструкции, армированной георешеткой;

Еэкв. – модуль деформации традиционной конструкции.

2. Достигается увеличение относительной несущей способности дорожной конструкции (Р) (табл. 1).

,

где Ра – удельное давление, при котором сохраняется линейная зависимость между давлением и осадкой для армированной дорожной конструкции;

Ро – то же для неармированной конструкции.

Таблица 1

Сравнительные данные для конструкций неармированных и

армированных георешетками

Примечание: ***- при проведении опыта не достигнута потеря несущей способности.

Таблица 2

Сравнительные показатели конструкций неармированных и армированных

георешетками по эквивалентному модулю деформации

3. После проведения цикла из 10000 нагружений дорожных одежд расчетной нагрузкой остаточные деформации армированных конструкций более чем в 1,2÷1,8 раза меньше остаточных деформаций неармированной конструкции, что свидетельствует о снижении сдвигающих напряжений в слое грунта под георешеткой (рис. 4). Армирование щебня позволяет значительно улучшить качество его уплотнения в ходе строительства.

Рис. 4. Сравнительные графики деформаций конструкций после циклов

из 11 статических и 10000 кратковременных нагружений.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Геосинтетические материалы (полипропиленовые двухосные георешетки) являются перспективными строительными материалами, применение которых обеспечивает высокий уровень конструктивных решений, технологии строительства, культуры производства, выполнения экологических требований к сооружаемым объектам, а также прочность и надежность дорожных конструкций.

2. При действии многократных кратковременных нагрузок динамика накопления остаточных деформаций армированных конструкций в большей степени соответствует логарифмическому закону, нежели динамика накопления деформаций неармированных конструкций. Необходимо также отметить, что широко применяемые в конструкциях дорожных одежд слои из зернистых материалов, дискретность структуры которых в действующей методике не учитывается, при армировании георешетками приближаются по своим свойствам к сплошным телам. Таким образом, работа армированных конструкций в большей степени соответствует той расчетной схеме дорожной конструкции, которая применяется в действующей методике расчета нежестких дорожных одежд.

3. Срок службы оснований дорожных одежд автомобильных дорог, армированных георешетками, может быть существенно увеличен (на 40-60 %) по сравнению со сроком службы традиционных оснований и дорожных конструкций в целом.

По вопросам приобретения геосеток вы можете обратиться в компанию Славрос-Урал 216-00-27, 216-00-23.

Внимание мы освоили производство новой сетки – Общестроительная пластиковая сетка (ОСС), по своим характеристикам ОСС соответствует сетке СЛАВРОС СД-20.

Контактная информация для заказчиков:
ООО "Славрос-Урал"
Екатеринбург, ул. Походная, д.81 (ул. Новостроя, д. 1а)
тел.: (343) 216-00-23, 216-00-27
моб. тел.: 8 909 703-34-43
lysenko@slavros.com