Автор:
Андрей Мошенжал
Инженер-проектировщик компании “Миаком Инжиниринг”
Важными проблемами при строительстве транспортных сооружений в песчаных зонах являются эрозионные (эоловые) процессы. Одним из возможных способов решения этих проблем становится применение геосинтетических материалов.
Основные проблемы строительства и эксплуатации транспортных сооружений в районах распространения песков следующие:
1. Эоловые процессы
Процессы эти происходят везде, где есть незакрепленные рыхлые отложения, например на песчаных берегах рек, но наиболее подвержены воздействию ветра пустынные районы, отличающиеся сухостью воздуха и отсутствием растительности. Горные породы там быстро разрушаются из-за сильных колебаний температуры (физическое выветривание). Ветер действует совместно с выветриванием, выносит его продукты и очищает поверхность для дальнейшего разрушения.
2. Смешивание материалов конструкции покрытия дорожной одежды с грунтом земляного полотна
Под действием динамической нагрузки от автомобильного транспорта происходит вдавливание материала конструкции дорожной одежды в насыпь. Это приводит к ухудшению прочностных характеристик покрытия и как следствие — к увеличению затрат на период эксплуатации.
Конструкции укрепления синтетическими неткаными материалами (СНМ) могут быть защитными и несущими. Для защиты откосов от ветровой эрозии применяют мелкоячеистый СНМ. Его укладывают по всей поверхности откоса в виде сплошного покрытия с заводом верхнего края под слои грунта толщиной 10–15 см и с закреплением нижнего края у подошвы. В условиях барханных песков посев трав соответствующих сортов производится перед укладкой геотекстиля в грунт откоса на глубину 2–3 см с помощью ручных грабель или другими способами. Полотна геотекстиля укрепляются на откосе металлическими штырями П-образной формы из проволоки диаметром 6 мм, длиной 300 мм (рис. 3).
Для того чтобы обеспечить проезд по готовому земляному полотну автомобилей и дорожных машин, а также предотвратить погружение в песок частиц материала дорожного основания и улучшить условия его уплотнения, между земляным полотном и дорожным основанием следует либо устраивать на всю ширину земляного полотна защитный слой из пылевато-глинистых грунтов, песчано-гравийных и песчано-щебеночных материалов, а также из пылевато-глинистых грунтов и мелких песков, обработанных неорганическими и органическими вяжущими средствами, либо укладывать геотекстильную прослойку с одновременной отсыпкой нижнего слоя дорожного основания (рис. 4).
Применение георешеток позволяет создать усиленный слой на поверхности откосов, имеющий улучшенные характеристики по отношению к грунту откоса
Объемная георешетка — это гибкая и в то же время прочная трехмерная конструкция, представляющая собой надежно скрепленные термоультразвуковым соединением пластиковые ленты из полимерного материала, формирующие ячейки одинакового размера, расположенные в определенной последовательности.
Также эффективным методом закрепления песков растительностью вспомогательными средствами, приостанавливающими движение песков на период прорастания семян и укрепления корневой системы растений, служит механическая защита, розлив вяжущих материалов или другие способы фиксации поверхности песков.
Растительностью закрепляют:
- барханные и слабозаросшие пески;
- очаги дефляции («язвы» и котловины выдувания) в полузаросших и заросших песках.
При фитомелиоративной защите дорог от песчаных заносов предусматривают «сплошное облесение» песков.
Сплошное облесение применяют как основной способ закрепления песков всюду, где условия благоприятны для развития растений (влажность песков) и формирования достаточно густых насаждений, что способствует полной остановке движения песков.
Наиболее экологичным, современным и недорогим способом торможения процесса эрозии и эоловых процессов является укрепление откосов и берегов геоматами. В настоящее время укрепление склона с использованием противоэрозионных геоматов является самой передовой и эффективной технологией против естественного разрушения почвы.
Противоэрозионный геомат — это гибкий, легкий воздухо- и водопроницаемый геосинтетический материал хаотичной трехмерной структуры, изготовленный из термосоединенных полимерных волокон, беспорядочно переплетенных в виде мочалки. Открытая хаотичная структура материала обеспечивает эффективную защиту от эоловых процессов и эрозии почвы как с растительностью, так и до ее появления. Стойкий к большинству возможных негативных воздействий среды геомат надежно фиксирует даже мелкие частицы почвы, армируя слабое грунтовое основание и обеспечивая благоприятные условия для высадки и роста растительного слоя, корневая система которого свободно распределяется в структуре геомата, обеспечивая дополнительное усиление почвенного покрова.
Считается, что применение геоматов позволяет обеспечивать длительную защиту склона от эрозии, но при этом не обеспечивает защиту семян до формирования стабильной корневой системы. Особенно это актуально в пустынных регионах. Использование биоматов (состоящих из органических частей) создает благоприятные условия для роста семян, но после разложения составляющих биомата защита обеспечивается обыкновенным травяным покровом и склон (откос) может быть подвержен эрозионным процессам.
Удачным решением симбиоза положительных качеств геомата и биомата является применение специального композита геомата и гидравлической мульчи. Такой материал обеспечивает защиту семян до момента их произрастания и гарантирует длительную защиту склонов.
Гидравлические мульчи (HM) содержат 100% переработанной древесины и/или бумажных волокон, воду и стабилизирующую эмульсию (0–3% по массе). Эмульсия обычно содержит органический закрепитель или неорганический полимер. Часто применяются гуар, сок подорожника или полиакриламид. Расход мульчи варьируется от 1600 до 2800 кг/га в зависимости от вида волокна, параметров склона. Обычная продолжительность работы мульчи — не более 3 месяцев.
Для того чтобы обеспечить проезд по готовому земляному полотну автомобилей и дорожных машин, а также предотвратить погружение в песок частиц материала дорожного основания и улучшить условия его уплотнения, между земляным полотном и дорожным основанием следует либо устраивать на всю ширину земляного полотна защитный слой из пылевато-глинистых грунтов, песчано-гравийных и песчано-щебеночных материалов, а также из пылевато-глинистых грунтов и мелких песков, обработанных неорганическими и органическими вяжущими, либо укладывать геосинтетическую прослойку с одновременной отсыпкой нижнего слоя дорожного основания.
Эффективным способом повышения сдвигоустойчивости конструкции дорожных одежд является использование геосинтетических материалов.
Исследования показывают, что применение на границе «зернистый слой–грунт основания» армирующих прослоек в виде геотекстилей, геосеток и георешеток способствует повышению механических свойств слоев дорожных одежд
Однако эти материалы имеют очевидные структурные различия, предопределяющие и различные механизмы работы и их эффективность.
Принципиальным различием является момент включения прослойки в работу. Так, георешетки и геосетки, имеющие решетчатую структуру, при сопоставимом размере ячеек и минеральных зерен начинают работать сразу. Решетчатые геоматериалы обладают эффектом блокировки (заклинивания): минеральные зерна (щебень), частично попадая в ячейки, заклиниваются и тем самым блокируют горизонтальные перемещения в слое порядка 15 см над решеткой. Образуется композитный слой, обладающий прочностью на сжатие, как у щебня, при этом возникающее «псевдосцепление» с подстилающим слоем позволяет воспринимать растягивающие нагрузки.
Принцип работы сплошных тканых геоматериалов в зернистых слоях заключается в мембранном эффекте. Лабораторные и полевые исследования эффективности применения геотекстилей показали, что только при значительных вертикальных деформациях возникает достаточное натяжение полотна, обеспечивающее материалу способность воспринимать приложенные нагрузки.
Сама ткань не сопротивляется изгибу, для включения прослойки в работу необходима осадка (прогиб) более 3 см, что для конструкций капитальных дорожных покрытий недопустимо
Армирование зернистых сред решетчатыми ГМ (геосетки, георешетки) приводит к изменению напряженно-деформированного состояния в грунте:
- ограничивается передача касательных напряжений на подстилающий слой;
- снижается уровень вертикальных и сдвиговых напряжений в конструкции;
- возрастает прочность конструкции на сдвиг в грунте до 60%, а упругий прогиб — до 15%.
Таким образом, эффективность использования георешеток и геосеток заключается в двойном эффекте их работы: повышении сопротивления сдвигу (эффект блокировки) и снижении давления на подстилающий грунт (мембранный эффект).
Заключение
Обеспечение инженерной защиты транспортных объектов в районах распространения песков является важной, но не единственной сферой применения геосинтетических материалов. Опыт применения данной группы материалов свидетельствует о возможности их использования для решения большого круга задач в сфере транспортного строительства, горно-добывающей промышленности и берегоукрепления.
Андрей Мошенжал
Связаться Андрей МошенжалИнженер-проектировщик компании "Миаком Инжиниринг"
