ГЕОМАТ ДЛЯ ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области производства строительных геосинтетических материалов, предназначенных для создания армирующих, дренирующих, защитных, фильтрующих, гидроизолирующих слоев, покрытий при сооружении дорог и гидротехнических сооружений, и, в частности, к геоматам для обеспечения устойчивости грунтов против эрозии, предпочтительно, с облагораживанием грунтовой поверхности растительным покровом.
Данная группа строительных геосинтетических материалов благоприятно влияет на сохранение окружающей среды: уменьшается расход природных материалов, снижаются объемы подготовительных геотехнических работ.
Известно, что геосинтетические материалы обеспечивают защиту грунтовой поверхности откосов траншей, котлованов от эрозии при воздействии природно-климатической среды. Для стабилизации склоновых поверхностей от эрозионных процессов, сопровождающихся, в том числе оползнями, как в процессе строительства искусственных траншей и котлованов, так и в процессе строительства трубопроводов по пересеченной местности, используют различные геосинтетические геоматериалы.
В частности, для защиты подверженных эрозии слоев грунта откосов, дамб и искусственных насыпей в техническом решении по патенту DE №4017710, (публ. 26.09.1991) предложен решетчатый геосинтетический материал, который выполнен в виде сетки с образованием фасонных камер, заполняемых насыпным грунтом.
Данное техническое решение по выполнению геосинтетических материалов, в виде фасонных камер относится к наиболее трудоемким процессам конструктивного изготовления противоэрозионных материалов - габионы, использование которых затрудняет процесс облагораживания склоновых поверхностей растительностью и уход за ними.
Известна геотехническая решетка (георешетка) в виде объемной ячеистой конструкции, предназначенная для укрепления откосов, армирования слабых оснований в транспортной, гидротехнической и других отраслях строительства, которая изготавливается из полиэтиленовых лент путем их сварки линейными швами, расположенными в шахматном порядке перпендикулярно основанию георешетки (см. ТУ 2246-002-07859300-97 "ПРУДОН-494", Геотехничекая решетка пластиковая).
Одним из недостатков данного геосинтетического материала является недостаточная поперечная жесткость решетки, обусловленная большой деформативностью полиэтиленовых лент, короблением их кромок, что снижает эксплуатационную надежность георешетки.
Наиболее перспективными строительными геосинтетическими материалами, используемыми при дорожном строительстве, в том числе с целью предотвращения эрозионных процессов на склоновых поверхностях являются геоматы, содержащие подложку, изготовленную из рулонного плоского геоматериала и соединенного с ним покрытия в виде трехмерных структур - филаментов, образованных из полимерного материала (см например, патенты US №№4181450, публ. 1980 г.; 5249893 публ. 1993 г.; 5651641, публ. 1997 г.)
Так, в техническом решении по патенту US №.5651641, публ. 1997 г.), предлагается геомат, содержащий подложку на основе плоской рулонной геосетки, образованной из полимерных нитей, и соединенное с ней покрытие на основе структуры трехмерных филаментов, образованных из полимерного материала.
Для изготовления геосетки и покрытия на ней используют полимерные материалы на основе полиэфира, полиэтилена, полипропилена, других полимерных материалов.
Геомат по патенту US №.5651641 предназначен для стабилизации грунтов склоновых поверхностей на пересеченных местностях.
Характерной особенностью данного геомата является использование тафтинг технологии для соединения филаментного покрытия с геосеткой, что значительно увеличивает трудо- и материалозатраты по изготовлению геомата.
При использовании тафтинг технологии покрытие на геосетке образовано параллельными продольно ориентированными и поперечно смещенными рядами петлеобразных структур с группой филаментов в каждой из них и при толщине каждой нити около 0,3 мм.
Однако при данном исполнении геомата ухудшаются его защитные противоэрозионные свойства, вследствие образования при поперечном смещении рядов петлеобразных структур филаментов зон, которые не защищены от гидро- и ветроэрозии. Выполнение каждой петлеобразной структуры в виде группы филаментов и при толщине каждой нити около 0,3 мм приводит к образованию в геомате продольно ориентированных зон со значительной плотностью филаментов в них, препятствующих равномерному прорастанию растительного покрова при облагораживании поверхностей откосов. Значительная плотность нитей филаментных волокон в петлеобразных структурах покрытия повышает массу данного геомата, что ограничивает возможность его использования для защиты насыпных склонов вследствие повышения сдвиговых нагрузок на грунт насыпи.
В техническом решении по патенту US №5249893, которое выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели, предложен геомат для противоэрозионной защиты грунтовых поверхностей, содержащий подложку на основе плоской рулонной геосетки и соединенное с ней покрытие на основе трехмерных хаотичных филаментов из полимерных нитей.
Из данного технического решения следует, что для соединения трехмерных хаотичных полимерных филаментов с геосеткой могут быть использованы различные методы, в том числе химические, термические, и с использованием технологии ткацкого станка.
2
Геомат по данному техническому решению имеет плотность не более 150 г/м при параметрах ячеек геосетки, предпочтительно, от 15-20 мм, и как следует из данного технического решения такие параметры геомата эффективны для противоэрозионной защиты склонов, почвенный слой которых мелкоструктурирован и выравнен.
Однако данные параметры известного геомата ограничивают технологические возможности его использования на склонах, почвы которых имеют различный гранулометрический состав (глинистые, суглинистые почвенные комки, гравийные агрегаты) вследствие низкой эксплуатационной надежности данного геомата.
Технический результат настоящей полезной модели состоял в повышении эксплуатационной надежности и в расширении технологических возможностей геомата при использования его для противоэрозионной защиты почв с различным гранулометрическим составом.
2
Для решения поставленного технического результата предложен геомат для противоэрозионной защиты грунтовых поверхностей, содержащий подложку на основе плоской рулонной геосетки и соединенное с ней покрытие на основе трехмерных хаотичных филаментов из полимерных нитей, при этом используют геосетку с размерностью ячеек 20-100 мм, и покрытие, которое выполнено на основе экструдированных на геосетку трехмерных хаотичных филаментов при толщине их нитей 0,3-1 мм с образованием высоты геомата от 8 до 20 мм, плотности от 300 до 1500 г/м, при которой плотности геосетки и филаментного покрытия имеют соотношение, как 1:(3-4).
Согласно изобретению, используют основовязальную геосетку, в которой скрещивающиеся системы нитей (основа и уток), предпочтительно, на основе полиэфирных волокон или стеклянного ровинга, провязаны нитью.
Согласно полезной модели, используют геосетку, полосы основы и утка которой аппретированы адгезивом на основе полихлорвинилового пластизоля (ПВХ-пластизоль).
Согласно изобретению, используют экструдированную геосетку, на основе полипропилена и полиэтилена.
Согласно полезной модели, используют геосетку с образованием квадратных или прямоугольных ячеек и с шагом между ячейками не менее 1 мм.
Согласно полезной модели, используют геосетку с прочностью на разрыв вдоль и поперек не менее 2 кН/м.
При реализации полезной модели геомат имеет:
высокую эксплуатационную надежность, благодаря использованию аппретированной адгезивом основовязальной геосетки на основе полиэфирных волокон или стеклянного ровинга или экструдированной геосетки на основе полипропилена и полиэтилена, что повышает надежность термического соединения трехмерных хаотичных филаментов с продольно и поперечно ориентированными полосами геосеток при экструдировании полимерных филаментов на поверхность геосетки;
высокую эксплуатационную надежность, благодаря заданной высоте геомата, его плотности и при заданном соотношении плотностей геосетки и филаментого покрытия, благодаря чему снижается воздействие эрозионных процессов, являющихся следствием отекания на склонах талых и дождевых вод и сконцентрированных на узких участках склона водных потоков;
высокую эксплуатационную надежность, благодаря провязке, предпочтительно, полиэфирной нитью полос основы и утка из полиэфирных нитей или волокон стеклянного ровинга, что повышает устойчивость нитей геосетки к сдвиговым деформациям и обеспечивает сохранение первоначальных размеров ее ячеек. Устойчивость к сдвигу нитей геосетки упрощает процесс укладки геокомпозита на грунтовую поверхность, в том числе с невыравненным рельефом.
При реализации настоящей полезной модели расширяются технологические возможности использования геомата за счет улучшения взаимодействия полос геосетки и располагаемыми между ее ячейками экструдированных хаотичных филаментов с грунтовой поверхностью, имеющей различный гранулометрический состав почвы.
Заданная толщина филаментов геомата, его высота обеспечивают технологически требуемую густоту и равномерность прорастания растительного покрова на облагораживаемых поверхностях насыпей и эффективную прочность используемого геомата к эрозионным процессам разрушения почвы и сноса ее частиц потоками воды или ветром.
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность конструктивных признаков, что свидетельствует о соответствии его критериям полезной модели: «новизна», «промышленная применимость», что подтверждается нижеприведенным описанием полезной модели и поясняющим ее рисунком, на котором показан общий вид (аксонометрия) геомата для противоэрозионной защиты склоновых поверхностей.
Геомат для противоэрозионной защиты грунтовых поверхностей содержит подложку на основе плоской рулонной геосетки и соединенное с ней покрытие на основе трехмерных хаотичных филаментов из полимерного материала.
Для реализации полезной модели используют.
1. Плоскую рулонную геосетку, полученную традиционным основовязальным способом, при котором скрещивающиеся системы нитей (основа и уток), предпочтительно, на основе полиэфирных волокон или стеклянного ровинга провязаны нитью, предпочтительно, полиэфирной.
Нити на основе полиэфирных волокон используют для изготовления различных материалов: полотен бытового, автомобильного и технического назначения; шнуров, лент, прошивки нетканых материалов.
Для провязывания используют нити, предпочтительно, на основе полиэфирных волокон и, предпочтительно, с линейной плотностью не более 18 текс, что характеризует оптимальные свойства извитости нити (не более 15%), что оптимально для технологического процесса взаимодействия провязывающей нити с полосами основы и утка из полиэфирных волокон или стеклянного ровинга.
Процесс получения плоской рулонной основовязальной геосетки, предпочтительно, с парамерами прямоугольных ячеек от 20 до 50 (мм) осуществляют с использованием известного оборудования - основовязальных машин «LIBA», «KARL MAYER» (Германия), в состав которой входит приспособления для подачи основной и уточных нитей, валы с навоями для подачи провязывающих нитей, каретка для раскладки уточных нитей, механизм петлеобразования с системой пазовых движковых игл для основы, утка и провязывающей нитей, механизм оттяжки и намотки в рулон наработанной сетки.
Полученная на основовязальной машине плоская рулонная геосетка подвергается аппретированию в пропиточной машине «Ontec», «Menzel» (Германия), с использованием пленкообразующего связующего (адгезива) на основе полихлорвинилового пластизоля (ПВХ-пластизоля). Возможно также использование составов на водной основе и, предпочтительно, полихлорвиниловых (ПВХ) составов.
Данный тип пластизолей имеет широкое промышленное применение.
ПВХ-пластизоля имеют условную вязкость 75-300 (с) и при использовании их для пропитки рулонной геосетки учитывают стабильность их свойств во времени.
Использование для реализации полезной модели геосетки, аппретированной адгезивом, улучшает надежность соединения полос основы и утка с экструдированными на их поверхность хаотичными трехмерными полимерными филаментами, образующими покрытие на геосетке.
2. Экструдированные геосетки, которые изготавливают на основе полипропилена и полиэтилена.
Процесс производства экструдированных геосеток состоит из плоскощелевой экструзии с выработкой пластикового «бесконечного» листа, в котором до охлаждения листа пробиваются отверстия для образования ячеек геосетки. На заключительной стадии лист растягивается в одном (продольном) или в двух (продольном и поперечном) направлениях. При растягивании структуры в продольном направлении, вырабатываются геосетки с прямоугольными ячейками, с разной длиной сторон ячеек. При растягивании структуры в двух направлениях вырабатываются геосетки, ячейки которых имеют одинаковые по длине стороны.
Используют экструдированные геосетки с размерами ячеек от 20 до 100 (мм).
2
3. Для изготовления геомата по настоящей полезной модели используют промышленно выпускаемые плоские рулонные основовязальные геосетки, полосы основы и утка которой образованы полиэфирными нитями или волокнами стеклянного ровинга и провязаны нитью полиэфирной, или экструдированные геосетки с размерностью ячеек от 20 мм до 100 мм, с различными вариантами сочетания размеров сторон и образованием квадратных ячеек или прямоугольных, и при поверхностной плотности геосеток от 100 до 500 г/м.
Заданные параметры используемых геосеток оптимальны по условиям взаимодействия их с различным гранулометрическим составом грунтов на склоновых поверхностях, по условиям устойчивости к нагрузкам растяжения и надежности к любым климатическим воздействиям.
При уменьшении или увеличении размерности ячеек геосеток либо ухудшаются условия взаимодействия их с гранулометрическим составом грунтов, характеризующихся наличием в них комковатых и каменистых включений, либо усложняется процесс экструдирования на геосетку трехмерных хаотичных филаментов для образования геомата.
При уменьшении или увеличении заданных по полезной модели плотности геосеток для изготовления геомата либо снижается эксплуатационная надежность последнего при климатических воздействиях на него, либо увеличиваются материало- и трудозатраты по изготовлению геомата.
4. Покрытие на основе термического экструдирования на поверхность геосетки полимерных филаментов, с технологически заданной толщиной нитей, что обеспечивает образование геомата заданной высоты.
Заданная по настоящей полезной модели высота геомата от 8 до 20 мм при толщине нитей филаментов 0,3-1,0 мм наиболее оптимальны:
по условиям предотвращения эрозионных процессов, сопровождающихся потоками воды и ветра;
по условиям стабильности прорастания растительного покрова на грунтовых поверхностях.
Уменьшение заданной высоты геомата приведет к ухудщению противоэрозионной защиты грунтовых поверхностей при значительных гидро- и ветро нагрузках на выступающие филаменты геомата. Увеличение высоты геомата и толщины нитей филаментов приведет к ухудшению равномерности роста и густоте образования растительного покрова на поверхности откоса, к повышению материалозатрат.
2
Выполнение геомата наиболее эффективно при плотности его от 300 до 1500 г/ми при соотношении плотности геосетки и филаментного покрытия, как 1:(3-4).
Заданные параметры плотности геомата оптимальны по условиям его использования при создании армирующих, защитных слоев на склонах, подверженных эрозионным процессам, в том числе оползневым и при противоэрозионной защите склоновых поверхностей с облагораживанием грунтовой поверхности растительным покровом.
При уменьшении плотности геомата ухудшаются его эксплуатационные характеристики при противоэрозионной защите грунтовых поверхностей, для почв которых характерно наличие крупных почвенных агрегатов. Увеличение плотности геомата нецелесообразно по материалозатратам, а также трудозатратам при его эксплуатации.
Соотношение плотностей геосетки и филаментного покрытия оптимизировано условиями эксплуатационной надежности геомата к действующим сдвиговым нагрузкам и условиями действующих на геомат силовых нагрузок при эрозионных процессах.
Установлено, что уменьшение плотности геосетки приведет к снижению ее прочности, а увеличение - к повышению материалозатрат. Уменьшение или увеличение плотности филаментного покрытия нецелесообразно, как по условиям его эксплуатационной надежности, так и затратам на его изготовление.
В соответствии с настоящей полезной моделью был изготовлен с использованием известного технологического оборудования геомат с длиной рулона 50 м, шириной - 3 м.
Для изготовления данного геокомпозита использовали:
2
плоскую рулонную геосетку, полосы основы и утка которой образованы волокнами стеклянного ровинга и провязаны нитью полиэфирной с линейной плотность 17,8 текс. Размерность ячеек геосетки 40×40 мм. Геосетка пропитана адгезивом на основе ПВХ-пластизоля. Плотность геосетки после пропитки 100 г/м. Прочность сетки при разрыве (вдоль и поперек) - 5 кН/м;
на аппретированную адгезивом поверхность геосетки при протаскивании (непрерывном движении) с использованием экструдера (для термической подготовки полимерной массы) через фильерную головку на поверхность геосетки экструдировали полимерные нити (сырье - полипропилен). В результате на поверхности геосетки было образовано покрытие в виде хаотичной трехмерной структуры филаментов. При экструдировании расход полимерного материала определяли с учетом технологических потерь. В процессе экструдирования задавали диаметр фильер для получения толщины полимерной нити (филамента) не менее 0,3 (мм) и высот расположения фильерной головки относительно движущейся ленты геосетки для получения высоты геомата не менее 15 мм.
2
Получен рулонный геомат с размерностью ячеек геосетки 40×40 мм, полосы основы и утка которой соединены с хаотичной трехмерной структурой филаментного покрытия. Плотность геомата составила - 350 г/м.
Полученный геомат был испытан в лабораторных условиях в режиме замораживания и оттаивания (10 циклов), что имитирует процесс замерзания и оттаивания глинистых грунтов, при котором в полной мере проявляется негативное воздействие силовых нагрузок (со стороны влаги, содержащейся в грунте, при замерзании и расширении при оттаивании) на противоэрозионные покрытия. Температурный режим регулировался в диапазоне от -40° до +40°C.
Прочность исследуемого геомата (после испытаний) на разрыв (вдоль и поперек) соответствовала исходным значениям прочности геосетки - 5 кН/м.
Для подтверждения эксплуатационной надежности геомата были проведены испытания для противоэрозионной защиты насыпи с уклоном 30°. Геомат расстилали на грунтовой поверхности склона, закрепляли анкерами.
Ситовый гранулометрический состав почвы насыпи показал наличие почвенных комков до 10 мм, гравийных агрегатов 3 мм и более, крупный и средний песок 0,5-1 мм. Поверхность почвы неровная с выемками и впадинами глубиной до 30 мм. Предварительно почвенный грунт был засеян газонной травой.
2
Испытания проводились на площади 50 м в течение 10-ти месяцев (август - май). Плотный густой растительный покров образовался к концу сентября.
В результате испытаний установлено:
уклон насыпи (при значительных за испытываемый сезон гидро- и ветро нагрузок) не изменился;
плотность растительного покрова существенно не изменилась, наличие отдельных прогалин (до 5%) объясняется значительными изменениями температур в природно-климатической зоне;
увеличения количества выемок, впадин и др. деформаций на грунтовой поверхности не наблюдалось.
2
2
Аналогичные эксплуатационные испытания для противоэрозионной защиты насыпи с уклоном 30° и с грунтовой поверхностью, содержащей значительное количество почвенных комков более 10 мм и гравийных агрегатов более 5 мм, были осуществлены с использованием геомата, который был изготовлен с использованием плоской рулонной экструдированной геосетки со стандартной размерностью ячеек 35×40 (мм), поверхностной плотностью 330 г/м, предел прочности на разрыв 30 кН/м. При экструдировании на поверхность геосетки полимерных филаментов получен геомат с толщиной нитей 0,5 (мм), высотой 20 (мм), поверхностной плотностью 1100 г/м.
Результаты испытаний данного геомата в целом подтверждают высокую эксплуатационную надежность его и эффективность для противоэрозионной защиты грунтов склоновых поверхностей с различным гранулометрическим составом почв.