Армирование грунтов высокопрочными геосинтетическими материалами

Укрепление слабых оснований различных сооружений, земляного полотна, усиление дорожной одежды, возведение насыпей с откосами повышенной крутизны, строительство армогрунтовых подпорных стен – все эти задачи легко решаются с использованием современных армирующих материалов [4, 19].

Наиболее перспективными для армирования грунтов являются высокопрочные геосинтетические материалы благодаря своим уникальным свойствам: высокая прочность, устойчивость к низким температурам и агрессивным средам, неподверженность коррозии и гниению, низкая ползучесть (старение).

Высокопрочные геосинтетические материалы (геосинтетики) –материалы, используемые в контакте с грунтом, в которых как минимум одна из составных частей изготовлена из какого-либо полимера, и предназначенные для разных целей (армирование грунтов, создание гидроизоляции или дренажа в грунте, противоэрозионная зашита склонов). Геосинтетики для армирования грунтов представлены в виде объемных сотовых георешеток, плоских геосеток и геотканей.

В промышленном и гражданском строительстве можно выделить несколько направлений применения геосинтетиков, и в каждом из них возможно использование множества их видов. Например, при укреплении слабых оснований можно использовать и георешетку, и геосетку, и геотекстиль. Таким образом, многие геосинтетические материалы взаимозаменяемы, что является немаловажным аспектом преимущества их применения над традиционными технологиями.

Геотекстиль– экологически чистый нетканый материал, изготовленный из бесконечных полипропиленовых волокон иглопробивным методом, что обеспечивает его высокую химическую стойкость, устойчивость к термоокислительному старению, а также высокие физико-механические свойства. Геотекстиль применяется для дорожного строительства, строительства туннелей, гидротехнических сооружений, железных дорог, трубопроводов, гидродренажных систем, мусорных свалок, для армирования откосов.

Георешетка– геотекстильный каркасный материал, представляющий собой гибкую конструкцию типа «пчелиные соты». В зависимости от характеристик защищаемого объекта ячейки решетки могут заполняться растительным грунтом с семенами, щебнем или бетоном. Георешетка применяется для противоэрозионной защиты откосов, защиты конусов путепроводов, строительства подпорных стенок, армирования слабых оснований

Геосетка– нитепрошивной материал, состоящий из провязанных между собой синтетических нитей повышенной прочности и пропитанных битумной эмульсией. Сетки стеклянные нитепрошивные пропитанные - ССНП, предназначены для усиления асфальтобетонного покрытия взлетно-посадочных полос, автомобильных дорог, для балластировки магистральных трубопроводов, упрочнения строительных конструкций укрепления притрассовых дорог и других аналогичных целей.

Геомембрана полимерная(ПГ) изготовлена из высококачественного полиэтилена высокого давления с добавлением углеродного стабилизатора. Предназначена для строительства гидротехнических сооружений, полигонов, свалок и т. д.

На рис. 6.1 приведены примеры применения геотекстиля и геомембраны:

Рис. 6.1. Примеры применения геотекстиля и геомембраны:

а –устройство дренажных сооружений различного назначения;
б –создание ландшафта на слабых и техногенных грунтах;
в –строительство гидротехнических сооружений и туннелей;
г –прокладка трубопроводов; д –строительство и ремонт автомобильных дорог и аэродромов; е –строительство железных дорог;
ж –укрепление грунта, насыпей, высотное строительство;

з –предотвращение эрозии почвы, строительство мусорных свалок;
и –бассейны и водоканалы

На рис. 6.2 приведены схемы армирования дорожного основания геосинтетическими материалами

Рис. 6.2. Возможные схемы армирования

дорожного основания геосинтетическими

материалами

На рис. 6.3. приведен пример проекта армирования основания автодороги и его боковых откосов подпорными стенками из геосинтетических материалов.

Как показывает производственный опыт при упрочнении и укреплении откосов, склонов, дорожных насыпей и других сооружений высокопрочные геосинтетические материалы очень часто применяются вместе с габионными блоками (рис 6.4).

Габионные блоки представляют собой специально изготовленные металлические корзины определенных размеров, которые заполняются прочным материалом (например, гранитом) в специально отведенных местах или непосредственно на объекте строительства.

Эти конструкции помимо придания устойчивости откосам способствуют свободной инфильтрации воды через них и ее отводу.

Рис. 6.3. Пример проекта армирования основания автодороги и его боковых откосов подпорными стенками из геосинтетических

материалов:

1 – эксплуатационная площадка; 2 – подпорная стенка 2 (левая)
система «Зеленый Террамеш»; 3 – сигнальный столбик;

4 – подпорная стенка 2 (правая) система «Зеленый Террамеш»;

5 – георешетка ParaGrid 200/15

В последние годы габионные блоки в сочетании с армированием грунтов застенной зоны геосинтетическими материалами начали широко применяться в качестве гравитационных удерживающих (подпорных) стен.

Рис. 6.4. Пример проекта устройства автодороги в условиях сложного рельефа с применением габионных блоков

и геосинтетических материалов:

1 – естественная поверхность откоса; 2 – габионные блоки;

3 – уплотненный грунт; 4 – геосинтетические решетки или сетки

На рис. 6.5 и 6.6 приведены примеры проектов усиления оползнеопасного склона гравитационной подпорной стеной с использованием габионных блоков и геосинтетических материалов.

Рис. 6.5. Пример проекта усиления оползнеопасного склона

гравитационной подпорной стеной с использованием
габионных блоков и геосинтетических материалов

Рис. 6.6. Проект укрепления склона удерживающей стеной
из габионных блоков и геосинтетических материалов

Представляет особый интерес использование высокопрочных геосинтетических материалов для армирования оснований фундаментов. В целом основания могут быть как естественными, так и искусственными, но в первом случае грунт должен иметь достаточную несущую способность, обладать равномерной и небольшой сжимаемостью, ведь осадка основания будет зависеть не только от массы нагрузки и характера ее распределения по площади, но и от свойств самого грунта. Для создания искусственного основания, в том случае, когда естественные свойства грунтов основания не могут гарантировать высокую прочность, идеально подходят георешетки и геосетки.

Одними из самых популярных материалов для армирования оснований зданий и сооружений, откосов, насыпей, строительства дорог являются георешетки. С их помощью можно не просто значительно увеличить несущие способности конструкций, но и предотвратить вдавливание щебня в мягкую подоснову, а также противостоять разрушительному действию морозов, что особенно важно для нашей климатической зоны.

Высокая эффективность армирования достигается вследствие оптимального сцепления с крупными механическими фракциями грунтов, высокого сопротивления к боковому выдергиванию и малого коэффициента ползучести. Созданные конструкции приобретают долговременную устойчивость.

На практике широко применятся следующие марки георешеток.

Георешетка T-GR1D – это гибкая полиэстерная решетка, скрепленная с тончайшим нетканым материалом из полипропилена.

Георешетка T-TRACK – это плоская полиэстерная решетка, предназначенная для армирования грунтовых конструкций.

Георешетка Т-ТЕСН – двухосная решетка, изготовленная из высокопрочного полипропилена.

Георешетка T-ARM – высокомодульная полиэстерная решетка, способная комбинироваться с нетканым материалами. Используется при строительстве на грунтах с низкой несущей способностью.

Объемная георешетка. Каркасный материал, изготовленный из полиэтиленовых лент или геотекстиля (тканого или нетканого), представляющий собой гибкую конструкцию типа «пчелиные соты».

В настоящее время геосетки из высокопрочных нитей и волокон в России не производятся. При этом объем потребления данной продукции на отечественном рынке достаточно значительный и растет из года в год. Основными видами геосеток из высокопрочных нитей являются тканые и основовязаные (нитепрошивные) геосетки.

Тканые геосетки представляют собой решетчатую структуру, образованную путем прямого переплетения нитей.

Основными материалами при производстве такого типа геосеток являются полиэстер и стекловолокно.

Основные типы тканых геосеток представлены на рис. 6.7 и 6.8.

Рис. 6.7. Тканая геосетка из обычной нити

Рис. 6.8. Тканая геосетка из двойной нити

Это основная конструкция холстов. Верхние и нижние нити основы находятся на равном расстоянии друг от друга. Под нитью по основе проходит нить по утку, через определенное расстояние нить по основе проходит под нитью по утку, это сочетание продолжается вдоль всей ширины. Таким образом, в местах пересечения встречаются две нити.

Тканые геосетки производятся на ткацком оборудовании. Основным минусом подобной конструкции является ограничение по размеру ячеек – при больших размерах ячеек структура становится подвижной.

Кроме того, поскольку нити соприкасаются между собой на изгибе, возможны дополнительные механические напряжения в местах их пересечения, что может приводить к преждевременному разрушению структуры. Ниже рассматриваются область применения и характеристики геосеток.

Свойства и технические возможности.

Геосетка – это рулонный синтетический материл, получаемый путем переплетения под прямым углом нитей и волокон из высокопрочных материалов. В отличие от тканых геотекстилей геосетки имеют значительно большие размеры ячеек.

Геосетки из высокопрочных нитей и других синтетических материалов различаются между собой по:

• используемому материалу – этим определяется большинство физико-механических и химических характеристик геосетки;

• способу формирования геосетки – от этого зависит стабильность структуры, а также некоторые физико-механические характеристики геосетки, такие как: удлинение при разрыве, % продольно/поперечно; ползучесть материала.

Основными требованиями к геосеткам в зависимости от применяемого материала являются:

• водостойкость;

• биостойкость;

• стойкость к действию кислотных и щелочных сред, возможных в условиях эксплуатации;

• светостойкость;

• механические свойства волокон.

В табл. 6.2 приведены основные свойства применяемых в практике строительства синтетических волокон и нитей [4].

Геосетки из высокомодульных полиэфирных нитей (ПЭФ) обладают высокой химической и биологической стойкостью, а поли-винилхлоридное (ПВХ) покрытие предохраняет их от ультрафиолетового (УФ) излучения и механических повреждений.

Таблица 6.2

Основные свойства синтетических волокон

Геосетка из ПЭФ-нитей должна обеспечивать:

1) высокую устойчивость к снижению устойчивости к нагрузкам или устойчивость структуры сетки к механическим воздействиям во время кладки;

2) высокую устойчивость к деформации при использовании геосетки по назначению;

3) высокую устойчивость к снижению устойчивости к нагрузкам или устойчивость структуры сетки к ультрафиолету, биологическому и химическому воздействиям, обычно сопутствующим земляным работам.

Таблица 6.3

Сравнительные физико-механические показатели геосеток

из полиэфирных нитей и из стекловолокна

Геосетки из высокомодульных ПЭФ-нитей отличаются высокими механическими характеристиками и применяются для создания армирующих прослоек.

Подобными геосетками армируют основания дорожных одежд из крупнофракционных материалов, откосы насыпей. При армировании верхних слоев дорожных одежд наряду с геосетками из ПЭФ-нитей широко применяются геосетки из стекло- или базальтового волокна. Геосетки из стекло- или базальтового волокна имеют сходные и превосходящие геосетки из полипропиленовых нитей (ПЭТ) механические характеристики, однако их свойства менее стабильны в сравнении сполимерными геосетками по отношению к возможным агрессивным воздействиям в процессе эксплуатации.

Геосетки из ПЭФ-нитей обычно имеют ячейки с линейными размерами 5-50 мм. Наличие и размер ячеек, толщина элементов определяют механические характеристики материалов и степень их связи с материалами контактирующих слоев.

Основными характеристиками геосеток из синтетических материалов, в том числе из ПЭФ-нитей, являются: масса, г/м²; размер ячейки, мм; предельная прочность при растяжении, продольно/поперечно, кН/м; удлинение при разрыве, % продольно/поперечно.

В табл. 6.3 представлены сравнительные физико-механические показатели одних из наиболее популярных на российском рынке армирующих геосеток из ПЭФ-нитей производства компании HUESKER Synthetic GmbH & Со марки НаТеШ и из стекловолокна производства ООО «Стекло-Прогресс» марки «Армдор».

Технологически сетки из ПЭФ-нитей и геосетки из стекловолокна сопоставимы по ширине рулонного материала. Тем не менее, на российском рынке сеток из стекловолокна шириной больше 3 м практически не представлено, в то время как ширина геосеток из ПЭФ-нитей находится в пределах 4-5 м.

Безусловный плюс геосеток из стекловолокна – дешевизна
(в 2-4 раза дешевле геосеток из ПЭФ-нитей). Их существенным недостатком является небольшая эластичность (всего 2-4 %). Полиэстер прочен, не гниет, эластичен (до 20-25%), очень технологичен.

Геосетки из ПЭФ-нитей могут быть как равнопрочными (по основе и по утку), так и с дифференцированной прочностью на разрыв. Наибольшее распространение в мире и в России получили равнопрочные геосетки. Реже используются геосетки, в которых прочность на разрыв по основе превышает аналогичный показатель по утку. Требования к прочностным характеристикам геосетки и размеру ее ячеек определяются областью ее применения.

Выбор соответствующего типа геосетки из ПЭФ-нитей основывается на соотношении между размерами ячейки и наибольшим диаметром частиц заполнителя. Как правило, ширина ячейки должна быть больше самых крупных частиц заполнителя в 2,0-2,5 раза.

Геосетки из ПЭФ-нитей имеют небольшое удлинение при разрыве, подходящее для применения в гражданском, промышленном строительстве и дорожных одеждах. Сетки из стекловолокна имеют сравнительно лучшие показатели по удлинению при разрыве. В связи с этим свойством геосеток из стекловолокна широкое применение получило использование стекловолоконных нитей (ровингов) в поперечном направлении (по утку) геосеток из ПЭФ-нитей.

Также в представленной таблице в ряду стекловолоконных сеток присутствуют марки с высокой предельной прочностью при растяжении, не имеющей аналогов среди представленных марок геосетки из ПЭФ-нитей. Тем не менее производители геосеток из ПЭФ-нитей способны предоставлять продукцию, сопоставимую по прочности с любыми марками геосеток из стекловолокна.

Вместе с тем геосетки из стекловолокна имеют низкую стойкость к окружающей среде, вследствие чего срок их эксплуатации в основаниях дорожных одежд и в грунте составляет несколько лет по сравнению с геосетками из ПЭФ-нитей, которые служат десятилетия. Так, срок службы геосетки из ПЭФ-нитей марки Fotrac производства HUESKER Synthetic GmbH & Со при использовании ее в грунтовых основаниях составляет примерно 120 лет. Также геосетки из ПЭФ обладают небольшим уровнем ползучести – 3-5 %.

Области применения геосеток из ПЭФ-нитей определяются их физико-механическими показателями и устойчивостью к внешней среде.

Так, они применяются:

• для армирования грунтов.Геосетки, изготовленные из высокомодульных полимерных волокон, покрываются ПВХ. Они используются в различных нестандартных конструкциях, имеют прочность на разрыв от 20 до 400 кН/м и размер ячеек от 10 до 50 мм. Для подобных нужд применяются сетки с квадратными и прямоугольными ячейками, с одинаковой и разной прочностью вдоль и поперек материала. При сооружении земляных конструкций геосетки служат для улучшения физико-механических свойств грунтов путем армирования;

• для создания подпорных конструкций и обеспечения общей устойчивости откосов насыпей.При укреплении откосов георешетка укладывается между слоями, т. е. по возможной поверхности скольжения верхнего слоя. Уплотнение верхнего слоя делает конструкцию более прочной за счет повышения коэффициента трения. В данном случае георешетка воспринимает скатывающее усилие массы верхнего слоя, обеспечивая тем самым местную устойчивость откоса;

• для увеличения несущей способности слабых оснований сооружений, дорог и др.Основным принципом такого рода укрепления является перераспределение локальных напряжений, возникающих в грунте, на весь массив грунта и саму георешетку. При устройстве насыпей дорог на слабых основаниях геосетка из ПЭФ-нитей может использоваться для повышения несущей способности основания. Для этого она укладывается на основание и на нее осуществляется отсыпка насыпи;

• в конструкциях дорог на свайных основаниях(несущих опорах) мягкие слои грунта не должны подвергаться нагрузкам. В данном случае геосетка позволяет создать свайный ростверк из грунта и геосетки;

• для использования неосвоенных территорий,отводимых под строительство, необходима подготовка грунта – устройство дренажа и повышение несущей способности для нового строительства. В этом случае несущую функцию выполняет геосетка из ПЭФ-нитей, которая при правильном расположении может распределять нагрузки и создавать эффект противоскользящего армирующего слоя поверх гидроизоляции.

В целом использование высокопрочных геосинтетических материалов для армирования грунтов позволит получить ряд неоценимых преимуществ.

В частности, снизить материально-технические затраты на укладку, так как уменьшается потребность в строительных материалах и ускоряются работы. Общая стоимость технического обслуживания оказывается ниже благодаря увеличению срока службы конструкции.

При этом необходимо отметить, что, несмотря на увеличивающиеся из года в год объемы использования высокопрочных геосинтетических материалов в практике строительства, имеется очень малое количество исследований, направленных на разработку эффективных технологий устройства и особенностей их работы в различных грунтовых условиях.

В частности, при проектировании уплотненных грунтовых подушек с использованием высокопрочных геосинтетических материалов не имеется методики определения основных размеров подушки (высоты и ширины), количества и зон установки армирующих элементов по высоте и ширине подушки, методики расчета осадок фундаментов и др.