Рассмотрим конструктивные решения, соответствующие каждому из указанных случаев. В отечественной практике широкое применение нашли для этих целей нетканые иглопробивные и термоскреплённые материалы. Они использовались для устройства временных дорог (рис. 1), на участках слабых оснований (переувлажнённые глинистые грунты), болотах I и II типов.

Рис. 1. Конструкции временных дорог с использованием нетканых материалов:

а – на болоте I-II типов; б – на минеральном переувлажнённом грунте; в – на болоте II типа; 1 – насыпь; 2 – геосинтетический материал; 3 – слабый грунт; 4 – нижняя часть насыпи из торфа; 5 – глинистый грунт; 6 – лежневый настил

При разработке и назначении конструктивных решений выбор геосинтетического материала определялся несущей способностью грунтов естественного основания, самого материала, грунта, применяемого для засыпки (устройства насыпи), его мощностью и показателями физико-механических свойств, интенсивностью транспортной нагрузки. Для конструкций временных дорог без капитального типа покрытия требуемым условием работы является отсутствие колеи или ограничение её допустимыми пределами. Недостающая для этой цели несущая способность грунтов естественного основания должна компенсироваться несущей способностью применяемого геосинтетического материала.

Таким образом, в зависимости от показателей физико-механических свойств грунта основания, а также грунта насыпи, её высоты (или толщины слоя засыпки) подобранный геосинтетический материал, прежде всего нетканый, может выполнять одну из трёх функций: технологическую, обеспечивая работу технологического транспорта; разделение грунтовых сред, т. е. предотвращение перемешивания или проникания насыпных дисперсных и слабых грунтов основания; фильтрационную или всех вместе. Кроме того, в определённых случаях, учитывая соотношение между объёмными и транспортными нагрузками и несущей способностью грунтов основания, к указанным функциям геосинтетического материала прибавляется ещё одна – армирование, которая более подробно будет рассмотрена в подразделе 2.6 настоящего обзора.

Помимо перечисленных, специфика ещё одной функции связана с устройством насыпи из мёрзлых комковатых глинистых грунтов в районах распространения вечномёрзлых грунтов (I дорожно-климатическая зона России). Для того чтобы при оттаивании мёрзлые грунты не смещались в сторону откосных частей и равномерно деформировались при прохождении осадки, их заключают в обоймы из геосинтетического, как правило, нетканого материала с коэффициентом фильтрации не менее 20 м/сут. (под расчётной нагрузкой) и требуемо эффективной пористостью в зависимости от состава оттаивающего грунта. Срок службы таких обойм из геосинтетического материала может быть равен времени консолидации оттаивающих грунтов с учётом переформирования их комковатой структуры под нагрузкой.

Возвращаясь к рассмотрению временных дорог, целесообразно выделить тонкослойную насыпь в качестве своеобразного расчётного элемента дорожной конструкции. Он может определяться как собственно земляное полотно для временных дорог, а кроме того, в качестве первого слоя отсыпки при сооружении обычных насыпей различной высоты (рис. 2). Толщина этого слоя с учётом геосинтетической прослойки определяется опытным путём или исходя из следующих условий.

При движении построечного транспорта и работе уплотняющих средств не должна образовываться колея (т. е. отсутствие горизонтальных деформаций в слое грунта основания – так называемая внутренняя колея); возможности доуплотнения естественного грунта основания до требуемой плотности в тех случаях, когда по фактическому состоянию, т. е. по естественной влажности, этот процесс исключает движение уплотняющих средств непосредственно по грунту основания.

Рис. 2. Тонкослойная насыпь в виде расчётного элемента дорожной конструкции:
а – на минеральном основании (глинистые грунты); б – с лежневым настилом на болоте;
1 – основание земляного полотна; 2 – тонкослойная насыпь в рабочих отметках или нижний
слой земляного полотна из песка; 3 – геосинтетический материал в виде разделительной
или армирующей прослойки; 4 – лежневый настил

В выемках, особенно «мокрых», когда грунты рабочего слоя представлены грунтами повышенной влажности или переувлажнены, эффективны геосинтетические прослойки, обладающие комплексом функций из числа перечисленных выше. Конструктивные решения для выемок показаны на рис. 3.

 

Рис. 3. Конструкции выемок в переувлажнённых грунтах и грунтах повышенной влажности:
а – выемка с откосным дренажом и трубчатыми дренами; б – выемка с подкюветным
дренажом в обойме из геосинтетического материала; 1 – земляное полотно выемки;
2 – геосинтетический дренажный материал; 3 – пластиковые дрены

Технологические и разделительные прослойки при обеспеченной устойчивости слабого основания под действием объёмных и транспортных нагрузок в отечественной практике устраивают из нетканых иглопробивных материалов с плотностью не менее 250 г/м2 или термоскреплённых – с плотностью не менее 110 г/м2. Конусное погружение для указанных материалов должно быть не более 50 мм. Дренирующая и фильтрационная функции нетканых геосинтетических материалов используются как в отечественной, так и в зарубежной практике для ускорения осадки слабого основания с помощью вертикальных ленточных дрен.

В наиболее простой форме такие дрены представляют собой ленты из рулонного волокнистого или объёмного материала (рис. 4), вертикально установленные в грунте. Различия между ними сводятся в основном к ширине и толщине ленты, числу слоёв образующего её материала. Возможны также более сложные варианты конструкции дрены: с укладкой геотекстиля в несколько слоёв, различной структуры и образованием внутри дрены продольных каналов, различной величины и формы или использованием объёмных материалов.

Рис. 4. Насыпь с вертикальными дренами на слабых грунтах:
1 – насыпь; 2 – рабочая платформа из песка; 3 – слабый грунт; 4 – ленточные дрены
из материала Сolbonddrain; 5 – коренной грунт

Ленточные дрены целесообразно применять для ускорения консолидации слабых водонасыщенных грунтов, как биогенных (торф, сапропель, заторфованные грунты), так и минеральных (илы, глинистые грунты, мелкие пески) при мощности слабого слоя свыше 3 м на водоупоре и свыше 5 м – на водопроницаемом основании.

При устройстве геотекстильных дрен в таких грунтах могут быть сняты принимаемые для песчаных дрен дополнительные ограничения по использованию вертикальных дрен в слоистых толщах, имеющих крупные включения или прочные слои, затрудняющие погружение обсадной трубы при устройстве песчаной дрены. Применять ленточные дрены следует при обеспеченной устойчивости основания под нагрузкой от веса насыпи. Причём одним из вариантов обеспечения устойчивости слабого основания может быть его армирование.

Вертикальные геотекстильные дрены целесообразно устраивать в слабых грунтах со степенью влажности 1 > δ > 0,8 и с коэффициентом фильтрации до 10-5 м/сут. При проектировании дрен следует учитывать неоднородность строения и свойств слабого грунта по глубине и простиранию, благоприятную с точки зрения вертикального дренирования: превышение горизонтальной водопроницаемости над вертикальной, наличие в слабой толще горизонтальной слоистости и горизонтальных прослоек с повышенной водопроницаемостью.

Необходимым условием применения вертикальных геотекстильных дрен в грунтах с начальным градиентом фильтрации Ju0 является достаточная величина напора, возникающего в основании под весом насыпи. Критическое значение напора Нк (м) определяется из условия

 do5

где de – эффективный диаметр дрены (диаметр зоны дренирования), м;

J0u – начальный градиент фильтрации с учётом его изменения в процессе уплотнения слоя до степени консолидации u.

Для ускорения консолидации, проведения предварительного построечного уплотнения, а также для достижения уплотнения грунта при высоте насыпи и давлении, не обеспечивающих преодоление начального градиента, вертикальное дренирование целесообразно сочетать с устройством временной пригрузки, например в виде дополнительного слоя грунта. Минимальная толщина пригрузки hnр (см) определяется из условия:

do6

где ρS, ρB – соответственно плотность влажного грунта и воды, т/м3;

Нн – проектная высота насыпи, м.

Величину временной пригрузки назначают в зависимости от требуемого срока консолидации насыпи (по условию устройства монолитных слоёв дорожной одежды) и ограничивают по условию устойчивости основания. Для насыпей автомобильных дорог II категории и ниже максимальная толщина слоя пригрузки составляет 2 м.

Вертикальные ленточные дрены должны, как правило, достигать подстилающих слабую толщу прочных слоёв грунта. В плане дрены располагают по квадратной или ромбической сетке (с углом 60°).

Эффективный диаметр дрены de в зависимости от расстояния между дренами l следует принимать для квадратной сетки de = 1,13⋅l, для ромбической – de =1,05⋅l.

Для устройства вертикальных ленточных дрен применяют нетканые волокнистые геотекстильные материалы толщиной не менее 3 мм при обжатии уплотняющей нагрузкой 0,05 МПа. Этим условиям, как правило, удовлетворяют нетканые иглопробивные полотна, вырабатываемые как из расплава полимера, так и из штапельных волокон. Текстильное полотно для ленточных дрен должно обладать долговечностью не меньше срока службы дрены (обычно 1 год). Волокнообразующий полимер не должен вызывать загрязнения грунтовых вод.

Текстильный материал для вертикальных ленточных дрен должен отвечать следующим требованиям:

− поверхностная плотность по ГОСТ 15902.1–80 (масса 1 м2 материала) должна быть не менее 500 г/м2 для материалов, не обработанных связующим;

− отклонение поверхностной плотности от среднего значения по площади полотна по ГОСТ 15902.1–80 должно быть не более 20%;

− ширина полотна и ширина вырезанной из него дрены должны соответствовать расчётным значениям;

− длина полотна в рулоне и длина дрены в катушке должны соответствовать конструкции установки для погружения дрен и проектной длине дрен;

− толщина полотна по ГОСТ 15902.1–80 должна составлять не менее 5 мм;

− разрывное усилие по ГОСТ 15902.3–79 не менее 30 Н/см;

− относительная деформация при разрыве по ГОСТ 15902.3–79 от 30 до 150%.

Кроме того, геотекстильный материал для ленточных дрен должен характеризоваться водопроницаемостью в плоскости полотна (продольной водопроницаемостью), сжатого расчётной нормальной нагрузкой; сжимаемостью под расчётной нагрузкой; величиной и структурой пористости.

Продольная водопроницаемость геотекстильного полотна измеряется в условиях сжатия его расчётной нормальной нагрузкой, равной боковому давлению, действующему в слабой толще на дрену и возникающему от собственного веса рабочей платформы и бокового давления на глубине середины мощности слабого слоя. Коэффициент фильтрации геотекстильного полотна должен соответствовать принятому в проекте значению, но быть не менее 30 м/сут. при нагрузке 0,05 МПа.

Для устройства вертикального дренажа, обеспечивающего ускоренную консолидацию слабого грунта основания, в зарубежной практике нашли применение уже готовые специально сформированные дрены.

Применение таких дрен обеспечивает быстрое прохождение осадок грунта слабой толщи, увеличение её несущей способности, а также использование дополнительных конструктивных решений, например временной пригрузки. В зарубежной практике такие дрены устанавливаются в слабую толщу с помощью стандартного оборудования, без нарушений природной структуры грунта слабого основания, что гарантирует целостность вертикального дренажа после его установки и передачи нагрузки. Основным экономическим преимуществом является быстрое увеличение сопротивляемости сдвигу грунтов слабой толщи за счёт их ускоренной консолидации и стабилизации в связи с этим осадок ещё в период строительства.

Дренажные конструкции. В отечественной и зарубежной практике геосинтетический материал в значительных объёмах используется в дренажных сооружениях [29, 30] для перехвата и отвода поверхностных и грунтовых вод. Одним из самых элементарных решений в этом плане является конструкция пластового дренажа, которая в отечественной практике была впервые применена при реконструкции МКАД. На низких насыпях в нулевых местах и выемках для отвода подземных вод на основание, как правило, из глинистых грунтов, укладывали нетканый материал отечественного или зарубежного производства.

Материал должен был удовлетворять следующим требованиям: плотность 250 г/м2, коэффициент фильтрации Кф > 20 м/сут. (в поперечном направлении), номинальная прочность > 2 кН/пог. м, конусное погружение не более 50 мм; полимер (исходное сырьё) – полипропилен. На материал распределялся гранитный щебень размером зёрен 20-40 мм, поверх которого укладывали слой

аналогичного геосинтетического материала. Далее выполнялась отсыпка грунта насыпи или рабочего слоя земляного полотна. Более сложные виды дренажных конструкций, а именно: перехватывающие (подкюветные, закюветные, в пределах откосных частей выемок); откосные застенные с использованием геосинтетических материалов различных типов (рис. 5).

Такие решения были внедрены на автомобильной дороге МКАД – Кашира. При этом вместо асбоцементных труб также использовались пластиковые в оболочке из термоскреплённого материала «Тайпар».

Анализ эффективности применения различных типов геосинтетических нетканых материалов для дренажных конструкций показал, что именно этот материал в наибольшей степени подходит для обеспечения антикольматационной защиты элементов дренажа, а также может служить сам оболочкой (формой) новых типов дренажей без укладки водоотводящих труб.

Рис. 5. Конструкции дренажных сооружений с использованием геосинтетических материалов

Особое место занимают геокомпозиты для рассматриваемых типов дренажных сооружений и условий их применения. Как правило, такие материалы состоят из комбинации различных компонентов: нетканого геотекстиля с различной плотностью, геосеток (или георешёток) из полиэтилена или пропилена и в некоторых случаях геомембран. Сочетание геотекстиля (фильтрующая функция), геомембран (водозащитная функция) и геосетки (дренаж и распределение нагрузки) обеспечивает всю гамму свойств для фильтрации, дренажа и защиты от давления грунта.

Наиболее эффективными решениями с использованием объёмных дренажных композиций для отечественной практики являются следующие конструкции:

− горизонтальные дренажные устройства под дорожной одеждой с заменой части подстилающего слоя из песка;

− пластовые дренажи в основаниях земляного полотна;

− перехватывающие траншейные дренажи всех типов;

− откосные дренажи.

Во всех случаях преимущества таких конструкций, по сравнению с традиционными, включают высокую дренирующую способность при выдерживании расчётного давления грунта, многофункциональность применения, долговечность, устойчивость к гниению, эластичность, малый вес и простоту монтажа, возможность выполнения всех технологических операций в любых погодных условиях, надёжную защиту гидроизоляции от механических повреждений при обратной засыпке, экономию песка и щебня.

Вместе с тем, в частности для отечественной практики, возникают вопросы, связанные с технологией укладки различных типов дренажных матов, уплотнением песка, укладываемого на поверхность горизонтальных дренажей, стыковкой узлов сопряжений горизонтальных, вертикальных и наклонных элементов. Безусловно, что их решение напрямую связано с объёмами использования этих материалов, накоплением опыта проектирования и строительства.

 

Источник: «ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ И ГЕОПЛАСТИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ», О. Н. Бурмистрова, М. А. Воронина