Применение геосинтетических материалов в дорожном строительстве
Геосинтетические материалы, представляющие класс полимерных строительных материалов, в дорожном строительстве выполняют функции армирования, разделения и дренирования. Применение современных геосинтетических материалов и разработка на их основе прогрессивных технических решений, что стало возможным в последнее десятилетие, позволили существенно повысить эффективность дорожного строительства и долговечность дорожных конструкций без увеличения их материалоемкости, трудо- и энергозатрат.
Преимуществами применения геосинтетических материалов, по сравнению с традиционными технологиями, являются их низкая чувствительность к присутствующим в грунте в нормальных концентрациях агрессивным веществам, простота в укладке и более низкая стоимость сооружений. В большинстве случаев применение геосинтетических материалов позволяет использовать местный грунт и тем самым избежать замены его грунтом с более высокими физико-механическими характеристиками.
Производимые в настоящее время в мире геосинтетические материалы подразделяются на классы:
- нетканые и тканые геотекстили;
- геосетки (георешетки);
- водонепроницаемые геомембраны;
- геокомпозитные двух- и многослойные материалы.
Для производства геосинтетических материалов используют различные полимеры: полиэстер, полиамид, полипропилен, полиэтилен и др. Выбор полимера и способ изготовления материала зависят от назначения геосинтетических материалов в дорожных сооружениях и выполняемой ими функции: армирования, разделения или дренирования. Ниже приведены основные направления применения различных геосинтетических материалов в дорожном строительстве.
Разделительные и дренирующие прослойки
Разделительная прослойка препятствует взаимопроникновению материалов различного гранулометрического состава. Тем самым обеспечивается стабильность свойств дисперсных материалов, повышается качество и культура работ.
Основные требования, предъявляемые к прослойке: прочность при растяжении, относительное удлинение, прочность при продавливании, сопротивляемость местным повреждениям. Последние два свойства обеспечивают сохранность материала в процессе производства работ.
К прослойкам существуют и дополнительные требования: поверхностная плотность, толщина, водопроницамость перпендикулярно и в плоскости прослойки, фильтрующая способность (эффективная пористость) и др.
Дренирующая прослойка ускоряет отвод воды из дорожной конструкции, выполняя, например, совместно с дисперсным дренирующим материалом (песком) роль пластового дренажа.
Основные требования к этой прослойке: водопроницаемость (коэффициент фильтрации Кф, м/сут) в плоскости прослойки и перпендикулярно полотну, фильтрационная способность (О90 — эффективная пористость), поверхностная плотность и толщина.
В качестве разделительной и дренирующей прослойки применяются материалы, имеющие прочность на разрыв от 3–4 кН/м, относительное удлинение при разрыве до 100–120%, прочность при продавливании — не менее 500 Н. Геотекстили должны иметь в плоскости полотна коэффициент фильтрации не менее 20 м/сут. Эффективная пористость характеризуется размером пор нетканого геотекстиля. Как правило, О90 < d90 — размер частиц грунта, полный остаток которых составляет 90%.
Наиболее широко применяются нетканые геотекстили (до 50% от общего объема), получаемые непосредственно из волокон полимера, минуя операцию прядения и ткачества, свойства которых зависят от способа упрочнения холста: механического, термического или химического. Отечественной промышленностью выпускаются в основном иглопробивные и термоупрочненные геотекстильные материалы (дорнит, геоком и др.). К наиболее распространенным материалам зарубежного производства относится геотекстиль тайпар, изготовленный из полипропилена путем термического соединения непрерывных волокон полимера. Тайпар имеет более высокий начальный модуль упругости и большие прочностные показатели при той же поверхностной плотности по сравнению с иглопробивными неткаными материалами.
Армирующие прослойки
При армирования зернистых оснований и грунта армирующий эффект обеспечивается за счет обратного прогиба геосетки вне зоны действия нагрузки. Кроме того, на границе раздела двух дисперсных материалов, например, щебня и песка, достигается повышенное сцепление с нижележащим слоем за счет образования пограничного слоя из щебенок, защемленных в ячейках геосетки, что увеличивает сопротивляемость несвязных слоев дорожной одежды сдвиговым напряжениям.
Назначение геосинтетических материалов в конструкциях на слабом основании — повышение несущей способности слабого грунта.
Конструкции на слабом основании подразделяются на два типа:
- «плавающие» насыпи, дающие осадку, устойчивость которых обеспечивается путем армирования слабого основания геосинтетическими материалами;
- безосадочные насыпи, устойчивость которых обеспечивается глубинным армированием путем использования дискретных элементов в виде свай из различных материалов, а локализация возможной осадки между ними — гибким армогрунтовым ростверком с использованием геосинтетических материалов.
В армогрунтовых стенках устойчивость откоса насыпи обеспечивается совместной работой геосинтетической прослойки и грунта. Армирующая прослойка воспринимает часть растягивающих напряжений, стремящихся вызвать оползание откоса. Применение армогрунтовых стенок позволяет увеличить угол наклона откоса насыпи к горизонту до 70–90 0С, что очень актуально в стесненных условиях, когда ограничена ширина полосы отвода.
Основные требования к армирующим прослойкам: прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве, прочность при относительном удлинении ε=5%, сопротивляемость местным повреждениям, модуль деформации при одноосном растяжении, размер ячеек (для геосеток).
Дополнительные требования: прирост деформации при строительстве и эксплуатации (в зависимости от требований к сооружению), длительная (долговременная) прочность.
Одним из ключевых вопросов при выборе типа геосинтетического материала для конструкций, где геосинтетический материал воспринимает статическую нагрузку (от веса вышележащих слоев насыпи), является его склонность к ползучести. Исследованиями установлено, что фактор ползучести полиэстера в 2–2,5 раза меньше, чем полипропилена, то есть длительная прочность геосинтетического материала, изготовленного из полиэстера, как минимум в 2 раза выше, чем аналогичного материала из полипропилена или полиэтилена.
В качестве армирующих прослоек могут применяться геосинтетические материалы, имеющие прочность не менее 20 кН/м, относительное удлинение при разрыве не более 10–15%, модуль деформации не менее 100 кН/м. Размер ячеек должен быть не менее 0,5 Дmax (где Дmax — максимальный диаметр частиц дисперсного грунта).
Долговечность армогрунтовых стенок и конструкций на свайном основании обеспечивается только при применении материалов, обладающих минимальной, не более 0,5–1,0%, склонностью к ползучести в течение всего срока службы сооружения, то есть изготовленных из высокомодульного полиэстера.
Рекомендуемые материалы: геосетка (тканая, вязаная и тянутая), тканый геотекстиль (геоткань) и объемные георешетки.
Тканые геосинтетические материалы имеют упорядоченную структуру в виде двух различным способом взаимно переплетенных систем, что обеспечивает высокую прочность при малых относительных удлинениях при разрыве (не более 15–20%).
Геосетки (георешетки) — плоские структуры, состоящие из регулярно расположенных открытых ячеек размером более 10 мм и имеют неподвижные узловые точки, благодаря которым достигается лучшее распределение нагрузки между продольными и поперечными элементами. Как правило, у геосеток есть скрепленные узлы (склеенные, связанные и т. д.), у георешеток — монолитные узлы.
Из тканых материалов хорошо себя зарекомендовала геоткань стабиленк, из решетчатых материалов — геосетка фортрак. Данные материалы изготовлены из высокомодульного полиэстера, поэтому у них более низкий показатель ползучести по сравнению с материалами, изготовленными из полипропилена или полиэтилена, что обеспечивает меньшие деформации и просадки дорожных конструкций при действии статической нагрузки в процессе их эксплуатации.
Армирующие геосетки для повышения долговечности асфальтобетонных покрытий
Эффективным способом борьбы с усталостными и отраженными трещинами в асфальтобетонных покрытиях является армирование асфальтобетонных покрытий геосетками, которые увеличивают структурную прочность асфальтобетона. При этом геосетка включается в работу на растяжение при изгибе, предотвращая превращение микротрещин в раскрытые трещины.
Это возможно при выполнении нескольких условий: модуль упругости геосетки должен быть соизмерим с модулем упругости асфальтобетона, размер ячейки геосетки достаточен для взаимопроникания смеси и обеспечения хорошего сцепления между слоями покрытия. При этом геосетка должна обладать высокой термостойкостью при достаточно высоких температурах укладки асфальтобетонной смеси и хорошей адгезией к битуму. Таким качествам соответствует геосетка из полиэстера хателит С с размером ячеек 40х40 мм, имеющая следующие расчетные характеристики: прочность на разрыв Рр = 50 кН/м, относительное удлинение при разрыве ε=10–12%, температура плавления — 250 0С.
Геосетка выпускается с подложкой из нетканого материала, назначение которой — увеличение адгезии геосетки к нижнему слою асфальтобетона.
Ремонт асфальтобетонного покрытия осуществляется по следующей технологии. Перед началом работ производится фрезерование существующего покрытия полностью или в зоне трещины на ширину 60–90 см и глубину 5–6 см.
Затем производится розлив битумной эмульсии в количестве не менее 0,5–0,6 л/кв. м в пересчете на битум. По типовой технологии укладывается и уплотняется асфальтобетонная смесь. В процессе производства работ необходимо следить, чтобы была обеспечена хорошая адгезия между асфальтобетонным покрытием и геосеткой, уложенной с натяжением не менее 3%. Толщина вышележащего слоя из плотного асфальтобетона должна быть не менее 5 см.
Армирование асфальтобетонных покрытий геосетками требует дополнительных первоначальных затрат, однако исследования и многолетний опыт применения полимерных геосеток за рубежом и в нашей стране показали, что суммарное количество приложений нагрузки в армированной конструкции увеличивается в 3–4 раза по сравнению с неармированной конструкцией. Таким образом, экономический эффект обеспечивается за счет увеличения межремонтных сроков службы асфальтобетонного покрытия.
Следует отметить, что применение геосеток из стекловолокна и базальта в дорожных одеждах, работающих в условиях многократного приложения нагрузок, нецелесообразно, поскольку они выдерживают значительно меньшее количество приложений нагрузки по сравнению с геосетками из полимеров.
Геокомпозиты и объемные (трехмерные) материалы в дорожных конструкциях
Геокомпозиты — это двух-, трех- и многослойные структуры из плоских материалов, внутри которых помещены сетка, глина-бентонит или жесткий каркас. Расчетные характеристики геокомпозитов зависят от свойств компонентов и их взаимного расположения. Так, конструкция из слоев полипропиленовой ткани, между которыми расположена сетка из полиамида или полиэтилена, является дренирующим материалом, а такая же конструкция, заполненная глиной-бентонитом, — идеальным гидроизолирующим материалом.
Объемные (трехмерные) геоматы, геокаркасы и габионы с вертикальными стенками, выпускаемые за рубежом и отечественной промышленностью, выполненные из плоских элементов с различными способами крепления стенок, в рабочем растянутом состоянии представляют собой, как правило, сотовую структуру, заполняемую грунтом или зернистым материалом. Соты перераспределяют усилия в зернистом материале, за счет чего модуль упругости армированного слоя существенно увеличивается.
Для защиты откосов земляного полотна от водной и ветровой эрозии применяют объемную ажурную геосетку из путаной открытой структуры нити — энкамат — толщиной 10–20 см, изготовленную из полиамида, заполняемую растительным грунтом. Растения, проросшие через геосетку такой структуры, имеют прочную корневую систему.
В тех же случаях применяют сотовые конструкции из нетканых геоматов.
Иногда возникает необходимость ускорить процесс консолидации (уплотнения) слабого грунта под насыпью. Здесь хорошо себя зарекомендовали плоские геокомпозитные дрены шириной 10 см, которые поставляются на строительную площадку в рулонах длиной 100 м. Вертикально установленные специальной техникой в слабый грунт, они обеспечивают отвод воды в заданные сроки, зависящие от шага между дренами (1,5–2,0 м).
Хотелось бы отметить, что с появлением новых геосинтетических материалов возникают все новые направления их использования в дорожном строительстве.
| Автор: Э. Д. Бондарева Дата: 31.01.2008 Журнал Стройпрофиль 1-08 Рубрика: дорожное строительство: технологии, материалы и оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |