Применение армированных грунтов в дорожном строительстве: преимущества и возможности

Введение

Концепция укрепления дорог существенно изменилась с появлением и популяризацией геосинтетических материалов. Этот широкий термин относится к использованию синтетических материалов, более известных как "Армирование автомобильных дорог".

Область применения геосинтетических материалов обширна и разнообразна, и они могут похвастаться своей эффективностью. Европа была одним из первых, кто внедрил геосинтетические материалы, применяя их на протяжении множества десятилетий и прокладывая путь к настоящему перевороту в таких секторах, как дорожное, гражданское и специализированное строительство. Экономическая целесообразность в сочетании с широким спектром областей применения, включая определенные области, где геосинтетические материалы практически незаменимы, позиционирует их как материалы со значительным потенциалом на будущее.

Хотя использование геосинтетических материалов в дорожном строительстве уже вошло в историю, она все еще находится в первых главах. Мировой дебют геосинтетических материалов в виде геотекстиля относится к концу 1960-х годов.

Мировое производство этих материалов пережило стремительный рост, и в настоящее время мировой рынок предлагает множество разнообразных геотекстилей, георешеток, геоматов, геосеток и геоплиток, которые используются в качестве теплоизоляторов. Они различаются по своему назначению, составу сырья, технологии изготовления, расходу полимера, физико-механическим характеристикам, ширине листов и другим факторам. Например, геотекстиль, изготовленный из синтетических волокон, таких как полиэстер (лавсан), полипропилен и полиамид (нейлон), с использованием иглопробивных или клеевых методов. Георешетки изготавливаются из высокопрочных полиэфирных или полипропиленовых волокон, стекловолокна; геоплитки изготавливаются на основе полистирола.

Обзор литературы

Применение геосинтетических материалов в области строительства, особенно для дорожной инфраструктуры, было предметом всесторонних исследований в течение последних нескольких десятилетий. Новаторские исследования изучили присущие геосинтетическим материалам свойства и преимущества, сосредоточив внимание на их прочности при растяжении, гибкости, проницаемости и устойчивости к неблагоприятным условиям, таким как мороз и сырость. Кроме того, исследования были посвящены роли геосинтетических материалов в повышении несущей способности, повышении компактности конструкции и сведении к минимуму образования колей.

Кроме того, была тщательно изучена экономическая эффективность использования геосинтетических материалов по сравнению с традиционными методами строительства, такими как возведение бетонных подпорных стен или замена грунта при слабом фундаменте. Несмотря на растущий объем знаний о геосинтетических материалах, интеграция этих передовых материалов в более широкий контекст строительной отрасли и их долгосрочное влияние на срок службы конструкций остаются менее изученными.

Научная новизна работы

Это исследование привносит новизну, предоставляя обширный анализ применения геосинтетических материалов в различных областях строительства, в частности в дорожном строительстве. В ней тщательно изучается, каким образом эти материалы способствуют экономической эффективности, долговечности и общей структурной целостности возводимых сооружений.

В статье также рассматривается взаимодействие геосинтетических материалов с различными элементами окружающей среды, такими как мороз. Исследуется, как свойства этих материалов могут предотвратить потенциальное ухудшение, вызванное этими факторами, предлагая новый взгляд на роль геосинтетических материалов в смягчении воздействия на окружающую среду при строительстве.

Наконец, исследование дает новое представление о сроке службы конструкций, в которых используются геосинтетические материалы, и о том, как их использование может оптимизировать затраты на техническое обслуживание и срок службы. Этот подход вносит существенный вклад в понимание долгосрочных последствий и преимуществ интеграции геосинтетических материалов в строительные процессы.

Разработка и использование геосинтетических материалов в России

Начало российского опыта использования геосинтетических материалов относится к середине 1970-х годов, первоначально ознаменовавшегося приобретением этих материалов за рубежом. За этим последовали обширные научные исследования в отраслевых научно-исследовательских институтах и собственные разработки производственных предприятий. В современном мире производится около 380 различных типов геосинтетических материалов, которые ежегодно используются в более чем 100 000 различных конструкциях по всему миру.

Такое широкое применение обусловлено прежде всего двумя факторами: экономическим и экологическим. Использование геосинтетических материалов позволяет значительно снизить капитальные затраты при строительстве, ремонте и техническом обслуживании дорог. С экологической точки зрения эти материалы выгодны, поскольку они сокращают потребление природных ресурсов и объем предварительных инженерно-геологических работ. Кроме того, геосинтетические материалы помогают:

1. Повышают долговечность конструкций земляного полотна и дорожных покрытий;
2. Повысить качество работы;
3. Свести к минимуму объем дополнительной работы;
4. Повышению стандартов производства.

Актуальность внедрения инновационных технологий в дорожном строительстве и природоохранных мероприятиях на территории Содружества Независимых Государств (СНГ) в настоящее время очевидна и неоспорима. Континентальный климат некоторых регионов со значительными перепадами температур, территории со сложными геологическими условиями и состояние дорог, многие из которых были построены 40-60 лет назад для снижения нагрузок и интенсивности движения, все это способствует этой актуальности. Проблема повышения стойкости к сдвигу и растрескиванию, а следовательно, и долговечности асфальтовых покрытий, является особенно актуальной, учитывая растущую интенсивность дорожного движения и наметившуюся тенденцию к увеличению осевых нагрузок на дороги и городские улицы. На большинстве дорог могут разместиться только относительно легкие транспортные средства с нагрузкой на ось не более 6 тонн, в то время как автомобильная промышленность разрабатывает тяжелые машины с нагрузкой на ось до 10 тонн. На дорогах часто встречаются еще более тяжелые транспортные средства, и интенсивность движения возросла, достигнув на некоторых участках 45-50 тысяч транспортных средств в день по сравнению с расчетной нормой в 6 тысяч единиц. В результате несущая способность многих дорожных покрытий была исчерпана, что привело к частым ремонтным работам.

Наконец, в условиях нынешней рыночной экономики и экономической автономии экономическая эффективность становится для строителей первостепенной задачей. Например, использование стеклопластиковых георешеток для армирования асфальтобетона может уменьшить толщину последнего до 20%.

Геосинтетические материалы

Геосинтетические материалы, часто называемые просто геосинтетики, представляют собой группу синтетических материалов, которые нашли широкое применение в дорожном и гражданском строительстве. Использование геосинтетических материалов открывает новые возможности для решения широкого спектра задач при проектировании и строительстве дорог, а также сложных инженерных сооружений.

Геосинтетические материалы – это полимерные материалы, предназначенные для изменения естественных свойств почв. Эти модификации обычно нацелены на фильтрационные свойства почвы, такие как снижение коэффициента фильтрации чрезмерно рыхлого грунта или его прочностных характеристик - например, использование георешеток для повышения прочности слабых грунтов.

Геосинтетические материалы описываются как материалы, которые содержат по меньшей мере один синтетический или природный полимерный компонент в виде листа, ленты или трехмерной структуры. Эти материалы используются в сочетании с грунтом и другими строительными материалами, создавая новый композитный материал, который сочетает в себе функции как грунта, так и синтетического материала.

Качественные и физико-химические характеристики геосинтетических материалов определяются свойствами полимеров, используемых при их производстве. Полимерам можно приписать такие качества, как водо- и морозостойкость, коррозионная стойкость, легкий вес и высокую прочность на растяжение. В то же время недостатки полимера (быстрое старение под воздействием ультрафиолетового излучения, снижение прочности при температурах от +80 до +120°C и воспламеняемость) компенсируются специфическим применением геосинтетических материалов. Материалы используются в конструкциях, состоящих преимущественно из грунтов или гранулированных горных пород, которые защищают полимеры от воздействия света и температуры.

Геотекстиль часто считается предшественником геосинтетических материалов, и первоначальные стандарты в первую очередь были разработаны для этих материалов.

В зависимости от области применения в почвенных конструкциях геосинтетические материалы могут выполнять несколько функций:

1. Армирование для повышения стойкости гранулированных материалов к сдвигу;
2. Разделение для поддержания структурной целостности зернистых слоев;
3. Фильтрация для пропускания жидкости и удержания частиц почвы;
4. Дренаж для сбора и удаления жидкости из конструкции;
5. Борьба с эрозией для предотвращения эрозии почвы из-за воды или ветра;
6. Защита для предотвращения повреждения структурного слоя, например, изоляции вокруг искусственных сооружений в земляном полотне во время обратной засыпки;
7. Изоляция для предотвращения миграции жидкостей и газов.

Рис. 1. Пример применения геотекстиля

Первая двухосная георешетка была изготовлена в 1980-х годах путем экструзии листа полиэтилена или полипропилена, перфорированного после растяжения с помощью обычной шаблонной сетки отверстий. Эти экструдированные и ориентированные георешетки называются неэластичными или жесткими георешетками. Двухосные георешетки широко используются в дорожном строительстве, строительстве аэропортов, контейнерных площадок, автостоянок и т.д. на слабых и неоднородных грунтах.

Основной принцип работы двухосных георешеток заключается в предотвращении взаимопроникновения конструктивных слоев и фиксации наполнителя путем заклинивания его частиц в ячейках георешетки. При заполнении и уплотнении ячеек георешетки инертным материалом частицы материала фиксируются в ячейках, создавая эффект "механической стабилизации". Двухосные георешетки обладают высокой жесткостью, что позволяет им выдерживать высокие нагрузки при низких деформациях.

Преимущества применения и реализации

Геосинтетические материалы обладают рядом примечательных преимуществ, в том числе:

1. Повышение несущей способности усиленной секции;
2. Разделение несвязных слоев, предотвращающее проникновение крупнозернистого материала в нижние слои;
3. Уменьшение деформации из-за морозного пучения;
4. Отсутствие необходимости увеличения толщины балластной призмы на слабых грунтах;
5. Снижение скорости оседания фундамента;
6. Увеличение скоростного режима (для железнодорожных оснований).

Рассмотрим стеклопластиковую георешетку модели SSNP-34BT, изготовленную российским предприятием. Это изделие представляет собой сетку, изготовленную из двух слоев ровинга, сшитых вместе и пропитанных связующим составом для повышения прочности и адгезии к асфальтобетону. Давайте рассмотрим механизм взаимодействия георешетки SSNP с асфальтобетонным слоем. Асфальтобетон является идеальным материалом для возведения покрытий нежесткого типа благодаря высокой вязкости асфальтобетонного вяжущего и шероховатости зерен наполнителя, которые обеспечивают высокую устойчивость к кратковременным нагрузкам.

Испытания, проведенные на образцах — балках, изготовленных из двухслойного асфальтобетона (с верхним слоем толщиной 3 см, нижним слоем толщиной 4,5 см), армированных дорожной сеткой, расположенной между слоями асфальтобетона, и контрольных неармированных образцах, - показали, что армирование асфальтобетона сеткой SSNP немного увеличило предельное усилие и относительная деформация при изгибе. Однако было также обнаружено, что разрушение образцов асфальтобетона дорожной сеткой потребовало в 2,85 раза больших энергетических затрат. Следовательно, скорость образования трещин в асфальтобетоне замедляется с той же скоростью. Следовательно, сетка SSNP улучшает эластичные свойства асфальтобетона, увеличивая его распределительную способность, что приводит к распределению нагрузки на колеса транспортного средства по большей площади, уменьшая концентрацию напряжений и тем самым замедляя процесс образования трещин. Кроме того, сетка повышает устойчивость дорожного покрытия к растрескиванию льда, что особенно важно для регионов с суровыми климатическими условиями.

По эксплуатационным характеристикам дорожные сетки также могут значительно улучшить транспортные и эксплуатационные показатели покрытий, увеличить интервалы между ремонтами и, в конечном счете, высвободить ресурсы для других видов работ и объектов. Сетки SSNP доказали свои исключительные качества в целом ряде проектов. Стеклянные сетки компании использовались при строительстве дорог в Санкт-Петербурге, Москве, Астане, а также в проектах реконструкции аэропортов в Нижневартовске и Ханты-Мансийске.

Высокопрочный геотекстиль Stabitex

Геотекстиль Стабитекс (также известный как геоткань) относится к категории геосинтетических материалов. Это тканый материал, изготовленный из высокопрочных полиамидных нитей, используемый при строительстве крутых насыпей из сыпучих материалов, возведении подпорных стен, защите территорий от оползневых явлений, разделении слоев грунта, укреплении фундаментов железнодорожных и автомобильных трасс, стабилизации слабых грунтов. Высокопрочный геотекстиль Stabitex можно сравнить с такими материалами, как geolon, polyfelt, typar и kortex.

Рис. 2. Геотекстиль Стабитекс

Геотекстиль (Дорнит)

Геотекстиль (Дорнит) – это геосинтетический материал, представляющий собой иглопробивную или спанбондовую нетканую ткань, изготовленную из полиэфирных волокон. Выдающиеся физико-механические характеристики геотекстиля Дорнит в сочетании с его широким применением в различных областях делают его лидером среди геосинтетических материалов по спектру применения, как в строительстве, так и в быту.

Рис. 3. Геотекстиль Дорнит

Области применения геотекстиля Дорнит:

1. Геотекстиль используется в качестве разделительного слоя (фильтра) между грунтом и наполнителем (песком, гравием и т.д.);
2. Предотвращает проникновение частиц грунта в дренажные системы (дренаж подвалов, плоских крыш);
3. При строительстве туннелей геотекстиль защищает изоляционное покрытие от повреждений, образует дренажный слой и направляет грунтовые и ливневые воды в дренажную систему;
4. Служит фильтром под береговым укреплением;
5. Геотекстиль высокой плотности можно использовать в качестве армирующего слоя на слабых несущих грунтах;
6. Он используется для укрепления дна отстойников очистных сооружений, одновременно выполняя функцию фильтра, заменяя слой песка;
7. Геотекстиль используется в качестве тепло- и звукоизоляции;
8. Он используется в качестве балласта при прокладке трубопроводов.

Георешетки (стеклонит)

Георешетки, также известные как SSNP, представляют собой геосинтетические материалы, изготовленные из тканых стеклянных нитей с покрытием. Они используются при строительстве или ремонте жестких дорожных покрытий с асфальтобетонным покрытием. Использование георешеток в дорожном строительстве может решить целый ряд текущих проблем.

Георешетки SSP – это нефтегазовые геосинтетические материалы, предназначенные для армирования, стабилизации слабых грунтов, строительства временных дорог и обеспечения локальной устойчивости насыпей и склонов.

Одной из перспективных конструкций для объемного армирования грунта является геотехническая сетка или георешетка. Георешетка – это геосинтетический материал, который представляет собой гибкий компактный модуль, состоящий из пластиковых полосок, скрепленных вместе, образуя пространственную ячеистую структуру с заранее определенными геометрическими комбинациями и размерами в разложенном состоянии. Георешетки устойчивы к ультрафиолетовому излучению, пресной и соленой воде, химическому составу почвы и агрессивным средам. Важно отметить, что материал долговечен, нетоксичен и безвреден для окружающей среды. Такое сочетание факторов диктует технологические преимущества использования георешеток.

Рис. 4. Георешетки (стеклонит)

Их широкое применение объясняется высокими физико-механическими свойствами, такими как прочность, низкое потребление материала при погодно-климатических и гидрогеологических воздействиях, долговечность и экологическая безопасность.

В зависимости от условий строительства армирование с использованием георешеток может быть однослойным с горизонтальной прослойкой из геотекстиля или многослойным, обеспечивающим равномерное армирование всего объема земляной насыпи.

Применение георешеток:

1. Укрепление насыпей и откосов, повышающее общую устойчивость насыпей;
2. Строительство железной дороги. Усиление балластной призмы;
3. Освоение строительных площадок с минимальными затратами;
4. Усиление защитных сооружений трубопроводов;
5. Использование георешеток позволяет использовать в строительстве местные материалы;
6. Снижение прямых затрат за счет замены до 20% стоимости традиционных несущих, защитных и изолирующих видов арматуры;
7. При строительстве аэропортов.

Геомембрана

Геомембрана HDPE – это рулонный гидроизоляционный геосинтетический материал, изготовленный из полиэтилена высокой плотности. В современном строительном проектировании одной из основных задач является эффективная защита, обеспечение гидроизоляции и устранение сырости в зданиях. Для тех, кто ценит важность обеспечения надежности и безопасности зданий и сооружений, существующие в настоящее время системы гидроизоляции являются неадекватными; отсюда и разработка геомембраны HDPE. Эта геомембрана характеризуется высокой прочностью и устойчивостью к воздействию различных веществ. Благодаря многочисленным выступам это изделие обеспечивает вентиляцию защищаемых поверхностей и отвод влаги с них.

Рис. 5. Геомембрана HDPE

Применение геомембраны из ПНД:

1. Гидроизоляция и армирование откосов;
2. Используется при строительстве водоемов и оросительных каналов;
3. Защита внешних сторон стен;
4. Защита несущих стен;
5. Замена обедненного бетона (фундаментные подушки);
6. Вентиляция и дренаж внутренних стен;
7. Вентиляция и ремонт старых помещений (защита внутренней стороны стен);
8. Защита и двойная гидроизоляция;
9. Дренаж, гидроизоляция и защита корней;
10. Усиление, уменьшение толщины и изоляция;
11. Гидроизоляция и защита от эрозии;
12. Гидроизоляция и распределение нагрузки (при строительстве туннелей).

Геосинтетические материалы в дорожном строительстве

Рост объемов дорожного строительства, как надеются операторы рынка геосинтетических материалов, окажет положительное влияние на объемы продаж этих материалов. Во-первых, этот сегмент является одним из основных потребителей геосинтетических материалов. Во-вторых, отечественные дорожно-строительные предприятия все чаще переходят к использованию более современных материалов и технологий, к которым, несомненно, относятся геосинтетические материалы.

В этом сегменте геосинтетические материалы используются для строительства крутых склонов, несущих стен и укрепления фундаментов дорожных насыпей. Кроме того, геосинтетические материалы используются для защиты конусов трубопроводов, усиления асфальтобетонных покрытий, разделения строительных слоев дорожного "пирога" и в качестве компонентов дренажных систем.

В дорожном строительстве преимущественно используются различные виды геотекстиля, как тканые, так и нетканые. Учитываются их специфические характеристики - механические и фильтрующие.

Помимо геотекстиля, георешетки широко используются для укрепления откосов или дорожных покрытий. Использование георешеток позволяет значительно экономить строительные материалы: например, армирование слоя гравия в дорожной системе может привести к экономии того же гравия на 60-70%.

Использование геосинтетических материалов более экономически эффективно, чем традиционные технологии, такие как возведение бетонных подпорных стен или замена грунта при строительстве слабого фундамента. В железнодорожном строительстве геосинтетические материалы в основном используются для укрепления железнодорожных путей и насыпей (геотекстиль, георешетки).

Более того, достижение качественного строительства, отвечающего всем требованиям к взлетно-посадочным полосам и мостам, без геосинтетических материалов сегодня практически невозможно, отмечают эксперты. Часто эти сооружения возводятся на слабых грунтах, которые требуют надежного и долговечного армирования.

Применение геосинтетических материалов

При строительстве дорог (от пешеходных до железнодорожных) и парковочных зон обычно используется гравий. Однако со временем на дорогах со слабым основанием (глинистые, торфяные или переувлажненные почвы) образуются колеи, а гравий и вовсе "проседает". Геотекстиль помогает решить эти проблемы, предотвращая смешивание гравийного наполнителя с основанием, сохраняя первоначальную толщину наполнителя. Это, в сочетании со значительным модулем упругости самого геотекстиля, позволяет:

1. Существенно повышая несущую способность таких конструкций;
2. Обеспечение повышенного уровня уплотнения на этапе строительства, предотвращающее вдавливание гравия в мягкое основание;
3. Уменьшение ущерба дорогам, вызванного воздействием мороза. Захваченные мелкие частицы (коллоидные включения) действуют подобно губке, впитывая воду и расширяясь при замораживании.
4. Предотвращение образования колеи.

Результаты использования геотекстиля в качестве разделительного слоя включают:

1. Сниженные затраты на монтаж (уменьшено использование гравия для достижения той же несущей способности).
2. Сокращенное время строительства благодаря более быстрому и качественному уплотнению.
3. Снижение затрат на техническое обслуживание и увеличение срока службы конструкции.

Сочетание высокого начального модуля упругости и относительного удлинения (сочетание свойств тканых (силовых) геосинтетических материалов и иглопробивного геотекстиля) позволяет материалу поглощать больше энергии. Это обеспечивает ему повышенную устойчивость к повреждениям при монтаже и выполняет укрепляющую функцию.

Геотекстиль также широко используется при строительстве дорожек и площадок из тротуарной плитки. Мягкая (без бетонной стяжки) укладка тротуарной плитки обходится значительно дешевле (разница в стоимости работ по бетонированию и армированию достигает до 70%), она предотвращает вымывание песка, его смешивание с гравием или грунтовым основанием, повышает жесткость конструкции и значительно снижает вероятность возникновения оседание. Вы достигаете отличного результата, возможности легкого ремонта и перепланировки со значительно меньшими материальными, трудовыми и временными затратами.

Преимущества материала геосинтетики (GS) для будущего.

Во-первых, их применение оптимизирует экономические затраты и обеспечивает высокое качество строительных работ по армированию и гидроизоляции конструкций и сооружений на основе рыхлых горных пород - грунта, песка, гравийных смесей и т.д.

В мировой практике строительства геосинтетические материалы имеют менее чем за 30 лет значительно преобразились различные аспекты транспортного и гражданского строительства. В 70-х годах 20-го века на мировом рынке существовало всего около 5-6 типов GS, но к 2000 году их число возросло примерно до 600. Объемы использования достигли 1 трлн квадратных метров в год на общую сумму около 1,5 млрд долларов США. Такие темпы роста и объемы указывают на чрезвычайно широкое применение и эффективность GS в строительстве, благодаря их свойствам и функциям в конструкциях. Во многих случаях использование GS может существенно увеличить запас прочности, долговечность и надежность, повысить эксплуатационные характеристики и снизить затраты по сравнению с традиционными конструктивными решениями.

Например, по мнению экспертов по геосинтетике, использование GS в дорожном строительстве, таких как геотекстиль для борьбы с "отражающими трещинами", как Polyfelt PGM 14 и PGM G (ремонт асфальтобетонных дорожных покрытий), снижает напряжения в местах старых трещин до 40% за счет поглощения деформаций между старым и новое покрытие. Общим эффектом этих материалов является значительное замедление образования трещин, утроение времени между ремонтами, экономия средств на содержание дорог, регулярный текущий и объемный ремонт, а также укрепление покрытия. Во-вторых, область эффективного применения геосинтетических материалов не просто широка. Материалы прекрасно работают там, где использование других решений не обеспечивает надежного и долговечного результата. Отечественное строительство, в отличие от западного, только сравнительно недавно начало "рассматривать" геосинтетические материалы в контексте широкого применения, и перечень проблем, связанных с использованием этого материала, вполне стандартен.

Заключение

Внедрение геосинтетических материалов в дорожное строительство предоставляет ряд значительных преимуществ, включая снижение стоимости работ и увеличение устойчивости и долговечности конструкций. Экономическая выгода от использования геосинтетиков значительно превосходит такие традиционные технологии, как строительство бетонных подпорных стен или замена грунта при строительстве на слабых основаниях.

Применение геотекстиля, в частности, способно значительно увеличить несущую способность дороги, обеспечивая при этом повышенную степень уплотнения на этапе строительства. Это также помогает снизить разрушение дорог, вызываемое воздействием мороза, и предотвращает образование колеи.

Использование геосинтетических материалов не только снижает затраты на техническое обслуживание, но и увеличивает срок службы конструкций, что делает их важным ресурсом для любого строительного проекта.

Геосинтетические материалы нашли применение во всех сферах строительства, начиная от жилищного строительства до сложных инженерных проектов. Эти материалы справедливо считаются материалами будущего, и их развитие должно быть активно поддерживаемо и стимулировано.

Применение этих материалов приводит к улучшению самого строительного процесса, а также его последующей эксплуатации. Срок службы конструкций, построенных с использованием геосинтетических материалов, значительно увеличивается, что подчеркивает необходимость более активного использования геосинтетиков во всех областях строительства.