ГЛАВА 10. Строительство земляного полотна с использованием геосинтетических материалов

10.1. Понятие о геосинтетических материалах. Области их применения^*

Геосинтетические материалы - общая классификационная терминология для всех видов синтетических материалов, которые используются в различных отраслях строительства, в том числе и дорожной отрасли. Этот термин включает: геотекстильные материалы, георешётки, геосетки, геомембраны и геокомпозиты.

Геотекстильный материал (водопроницаемый): нетканый, тканый, «трикотаж», другие изделия плоской формы, характерные для искусственных полимерных материалов.

Нетканые материалы получают в результате скрепления синтетического холста уложенными по плоскостям одни на другие элементарными нитями (бесконечными волокнами) - элементарными неткаными нитями, или от 3 до 5 см длиной штапельными волокнами. Скрепление может быть механическим (например, при прокалывании иглой или при зашивании) и/или адгезионным (например, с помощью соединительного клеющего средства), или когезионным (например, при термическом воздействии).

Тканые материалы состоят из скрещивающихся под прямым углом нитевых систем (пряжи). Они различаются по виду пряжи (пряжа из штапельного волокна, мультиволоконная пряжа, кручёная нить, моноволоконная пряжа, узкие полоски, нарезанные из плёнки, и срощенная нить); по её переплетению (так называемому соединению), например, полотняное переплетение типа «рогожка», и каркасное; по количеству нитей на единицу длины. При необходимости дополнительно укрепляются места скрещивания пряжи.

Трикотаж - общее наименование изделий плоской формы, которые состоят из одной или нескольких нитевых систем, соединённых одна с другой петлеобразно; из одной или нескольких проходящих по прямой линии нитевых систем, связанных одна с другой следующей нитевой системой (вязально-прошивной, основовязальный трикотаж).

Геосетками, которые выделены отдельно, являются изготовленные из синтетических волокон или пластических масс кристаллические структуры с различными узловыми соединениями и с шириной отверстия более 10 мм. Различают: плетёные геосетки; вязаные геосетки; уложенные геосетки (то есть сформированные на месте производства работ). Реже встречаются ленты и стержневидные элементы.

Сплетённая геосетка. Плетёной геосеткой является сетка с отверстиями более 10 мм.

Вязаная сетка изготавливается из синтетических лент. В лентах пробиваются отверстия, растягиваются в одном или обоих направлениях (вдоль и поперёк). При вытягивании полимерные молекулы ориентируются в направлении растяжения. При этом прочность в направлении растяжения увеличивается, а удлинение уменьшается. Узловые пункты не смещаются, благодаря чему происходит передача силового фактора между продольными и поперечными перемычками.

Уложенная геосетка в соответствии с «Памятной запиской» производится из покрытых оболочек лент. При этом ленты укладываются крестообразно и соединяются в местах перекрещивания.

Ленты и стержневидные элементы рассматриваются (обозначаются) как геосеткообразные «продукты». Ленты могут состоять, например, из сотканных или соединённых полос, а также из объединённых между собой на одном уровне слоев нитей, зафиксированных полимерной оболочкой. Стержневидные элементы выполняют из связанных переплетающихся нитей, которые обёрнуты материалом из искусственного волокна.

Комбинированные материалы или композиты состоят из объединённых в плоскости нетканых материалов, тканей, геосетки и/или других плоскостных структур и композитов в зависимости от их последующего использования.

Гидроизоляционные материалы (водопроницаемые или с незначительной степенью водопроницаемости): искусственные (полимерные) материалы, бентонитовые композиты, другие изделия из геосинтетики или геопластики плоской формы. Выделенные структуры представлены в «Памятной записке» в самом общем виде и, очевидно, не могут претендовать на какую-либо классификацию.

Технические характеристики геотекстильных материалов и георешёток. Характеристики геосинтетического материала определяются его компонентами, назначением, используемым сырьём, типом, креплением или соединением волокон (нитей) или расположением узловых точек пересечения георешёток.

Сырьё. В настоящее время для сплошных материалов и решёток используются полиамид (РА), полиэтилен (РЕ), полиэстер (PES) и полипропилен (РР). Полиэтилен и полипропилен известны как полиолефины. В целях обеспечения специальных характеристик могут использоваться добавки (например, стабилизаторы), применяться оболочки из поливинилхлорида (ПВХ), полиэтилена (РЕ) или битума. Другим типом сырья являются такие разлагаемые натуральные материалы, как лён, джут или кокос, которые применяются для зашиты поверхности грунтовых откосов.

^* Следует иметь в виду, что использование геосинтетических материалов уменьшает влияние различных отрицательных факторов, но не всегда полностью решает проблему повышения устойчивости земляного полотна (Прим. ред.).

При используемых материалах почва, грунты и вода не подвергаются воздействию вредных компонентов. Применяемые при производстве добавки, растворимые в воде или вымываемые водой, например, определённые авиважи (водные эмульсии, поверхностно-активные вещества), стабилизаторы или определённые консерваторы для авиважей, должны быть исполнены в соответствии с указаниями, содержащимися в описании геосинтетического материала в части его типа и количественного соотношения с основным полимером.

Устойчивость к старению. При применении в рассмотренных типах геосинтетических материалов синтетического сырья можно добиться их высокой долговечности прежде всего за счёт обеспечения устойчивости к старению. Для этих целей особенно важно обеспечить технологические требования при укладке материалов, не нанося механических дефектов, которые могут ухудшить исходные функции материала. Существенное значение приобретает защита от света (ультрафиолетовых лучей). Это касается прежде всего полипропилена. Необходимо принимать во внимание чувствительность полиэфира к сильным щелочным воздействиям, что, безусловно, ограничивает их применение в конструкциях с бетонными или железобетонными элементами или требует проектирования специальных защитных мероприятий. Для отечественной практики следует иметь в виду, что полиамид и геосинтетические материалы из него не морозостойки и должны быть уложены в зонах ниже глубины промерзания. Изделия из стекла, обладая относительно высокими «силовыми» функциями, снижают их при длительном взаимодействии с водой и отрицательными температурами, в связи с чем подвержены интенсивному старению и также требуют специфических мер защиты. Это учитывают при рассмотрении сроков службы дорожных конструкций и их отдельных элементов в случаях применения стеклоизделий.

Снижение (изменение) гидравлических и фильтрационных характеристик, а следовательно, и соответствующих функций геосинтетических материалов может быть предотвращено путём тщательного подбора и соответствия показателей их фильтрационных свойств составу прилегающего грунта (или наоборот).

Весьма важны усталостные свойства геосинтетических материалов, то есть их реакция на воздействие длительной нагрузки (ползучесть). Роль этого фактора приобретает первостепенное значение при использовании так называемых «силовых» геосинтетических материалов с целью обеспечения или повышения надёжности грунтовых сооружений.

Области применения. В самом широком аспекте области применения геосинтетических материалов в дорожной отрасли, охватывая как конструктивные, так и технологические решения, включают два направления: земляные сооружения и дорожные одежды. В качестве основополагающих функций геосинтетических материалов для указанных направлений характерны следующие.

Разделение. Разделение грунтовых сред различных по составу или состоянию с целью исключения их перемешивания (особенно в процессе строительства) путём соответствующей защиты и обеспечения в условиях эксплуатации неизменности по толщине конструктивных слоев. Особое значение эта функция приобретает при строительстве земляного полотна насыпей на слабых основаниях (в естественном залегании последних), а также устройстве рабочего слоя выемок в глинистых переувлажнённых грунтах и последующих дополнительных слоев дорожной одежды. Кроме того, во многих случаях функция разделения может быть использована в качестве дополнительной к другим функциям, рассматриваемым ниже.

Фильтрация. Функция, которая направлена на осушение и отвод поверхностных и грунтовых вод от конструктивных элементов земляного полотна и дорожных одежд.

Осушение (дренирование). Использование геосинтетических материалов в качестве антикольматационных фильтров, а также горизонтальных и вертикальных дренажей в случаях применения композитных объёмных материалов (дренажи в выемках, оползневых структурах).

Защита от эрозии. Укрепление наклонных и лекальных поверхностей грунтовых сооружений на автомобильных дорогах от вредного воздействия воды и ветра. Указанная функция может быть совмещена с дренированием поверхностных слоев откосных частей, например, в выемках (откосные дренажи).

Армирование. Силовая функция сплошных тканых геосинтетических материалов, геосеток и георешёток используется для армирования земляных сооружений и их оснований при строительстве, реконструкции, ремонте.

В определённых случаях применение геосинтетических, например, нетканых материалов охватывает такие области, как зашита уплотняемых слоев насыпей от механических повреждений от движения построечного транспорта или уплотняющих средств. Особое значение указанная защитная функция приобретает при наличии слабых или недоуплотнённых естественных оснований.

Области применения конкретных типов геосинтетических материалов. Нетканые материалы используются в качестве разделительного и фильтрующего элемента в дорожной конструкции. В нетканых материалах с ориентированно расположенными волокнами механические характеристики не зависят от направления расположения самих волокон. Зависимость направления может возникнуть вследствие частично ориентированного расположения волокон.

При натяжении только часть волокон будет подвержена указанной нагрузке, а другая ориентируется по направлению натяжения. В результате достигается высокая эластичность тканей по сравнению с ткаными материалами. Чем меньше волокон фиксируется в заданном положении, тем выше эластичность ткани. Механически закреплённый нетканый материал растягивается сильнее, чем связанный адгезионно или когезионно. В уложенном состоянии эластичность значительно снижается вследствие сопротивления поперечному сжатию. Нетканые материалы в зависимости от своей эластичности могут хорошо подходить для укладки на неровные грунтовые поверхности. Они повторяют неравномерно изменяющуюся граничную грунтовую поверхность при укладке, располагаясь между ней и дренирующим материалом. В случае локальных повреждений, например, при засыпке камнем, и сквозных деформациях (продавливании) благодаря своей эластичности (прежде всего эластичности волокон) структура материала, окружающего локальное повреждение, не изменяется, оставаясь незатронутой. Трение между грунтом и нетканым материалом в значительной степени зависит от взаимодействия грунта и структуры верхней поверхности нетканых материалов.

Нетканые материалы обладают, как правило, хорошей водопроницаемостью. Толстый нетканый материал может также использоваться для отвода воды в её плоскости.

Тканые материалы применяются в тех случаях и ситуациях, когда требуется компенсировать дефицит силовых факторов в грунтовых сооружениях или слоях дорожных одежд.

Механические характеристики тканых материалов формируются через структуру нитей в ткацкой машине для правки утка и основы и зависят от направления при использовании. При разрыве одной или больше нитей ткань теряет часть своей прочности в направлении нити. Трение и сцепление между грунтом и тканым материалом в значительной степени зависит от взаимодействия грунта и структуры ткани. Технические фильтрационные характеристики определяются через ширину раскрытия кромок в материале. Смятие незначительно влияет на изменение фильтрационных характеристик. При растяжении ширина раскрытия кромок может меняться. Рекомендуется соблюдать ограничение (уменьшение) водопроницаемости при нагрузке, а также при укладке грунта во время фильтрационных технических измерений.

Трикотажные материалы. Для применения в земляных работах материалов этой группы особенно подходит текстиль с прямолинейной непрерывной ниточной ровинговой системой, когда необходимо использовать растягивающее усилие. Особенностями трикотажных материалов являются:

высокое растягивающее усилие при небольшом относительном удлинении в направлении непрерывной нити (ровинга);

возможность воспринять растягивающие напряжения в диагональном направлении при определённых «продуктах» этой группы с диагональной непрерывной системой нитей (ровингов);

низкая эластичность в направлении непрерывной нити по сравнению с ткаными и неткаными материалами;

соответствие характера передачи нагрузки при взаимодействии с грунтом или другим дорожно-строительным материалом, а также фильтрационных технических характеристик аналогичным параметрам тканых геотекстилей.

Георешётка. Используется в грунте для армирования различных конструктивных элементов сооружений. Передача силы нагрузки между грунтом и георешёткой осуществляется через трение, в котором при достаточной узловой жёсткости можно также дополнительно получить сопротивление грунту узлов и перемычек. Георешётки, (или в отечественной практике геосетки) используются также при армировании асфальтобетонных покрытий при их ремонте, реконструкции и в случаях борьбы с отражёнными трещинами.

Комбинированные материалы. Применяются, когда требуется одновременное действие их отдельных компонентов. Их технические характеристики определяются взаимодействием отдельных компонентов материалов. Определённые комбинированные материалы могут также использоваться для отвода воды в её плоскости.

Рассмотренная совокупность геосинтетических материалов не включает в качестве отдельного типа объёмные георешётки из полиэтиленовых лент, скреплённые между собой механическим или термическим способом, которые вошли в отечественную и зарубежную практику прежде всего для укрепительных работ. Кроме того, в разделе «Геосетки» (плоские структуры) не приведены способы их получения (изготовления) методом экструдирования. Наконец, для дальнейшего анализа необходима более полная трактовка геомембран.

Геомембрана- это герметический элемент из полимерного материала, используемый для регулирования поверхностных и подземных вод и защиты от них оснований и фундаментов грунтовых сооружений, а также иных конструктивов.