К вопросу применения геосинтетических материалов для повышения надежности работы подпорных стен в условиях Крыма

РАЗДЕЛ 4.

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, МЕХАНИКА И СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ

УДК 624.137

К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ПОДПОРНЫХ СТЕН В УСЛОВИЯХ

КРЫМА

Дьяков И.М. к.т.н., доцент, Мравец Д.А. аспирантка

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Рассматриваются вопросы повышения надежности работы подпорных стен в сложных

инженерно-геологических условиях Крыма за счет улучшения свойств

взаимодействующего с ним грунта армированием геосинтетическими материалами.

Определены направления исследования.

Геосинтетические материалы, геосетки, георешетки, армирование грунта,

надежность подпорных стен

Введение.

Территория Крыма обладает сложными инженерно-геологическими условиями и рельефом местности. Ее строительное освоение связано с инженерным оборудованием территорий и, прежде всего, с закреплением откосов грунта. Традиционно в качестве откосоудерживающих конструкций используются массивные, уголковые, тонкие, контрфорсные подпорные стены. В современной практике появились и начинают активно внедряться более новые методы закрепления грунтового массива и откосоудерживающие конструкции, основанные на применении геосинтетических материалов.

Геосинтетики могут использоваться как для самостоятельного закрепления откосов, так и для повышения надежности работы существующих подпорных стен. Этому способствует большое разнообразие геосинтетических материалов и возможность их применения в целях улучшения строительных свойств грунта. Наибольшее распространение геосинтетики получили в области дорожного строительства, а именно армирования основания дорожного полотна.

Существенное значение в сложных инженерно-геологических условиях Крыма играет обеспечение надежности работы подпорных стен. Большое количество аварий с подпорными стенами в условиях Южного Крыма свидетельствует о том, что не все факторы работы подпорных стен в условиях многофакторности природных и техногенных воздействия изучены. Значительную неопределенность в работе подпорных стен создают взаимодействующие с ними грунты, изменяющие свои физико-механические характеристики под воздействием воды и других факторов, склонные к сдвижению, уплотнению и т.д.

Одним из путей повышения надежности работы подпорных стен в сложных условиях Крыма может стать улучшение свойств грунтов, взаимодействующих с подпорными стенами. В качестве способов такого улучшения можно рассматривать армирование грунта геосинтетическими материалами и, прежде всего, геосетками и георешетками.

Большой вклад во внедрение геотекстиля сделан учеными институтов СоюздорНИИ профессором д.т.н. Казарновским В.Д., инженером Львовичем Ю.М., к.т.н. Полуновским А.Г., д.т.н. Рувинским В.И., РосдорНИИ к.т.н. Перковым Ю.Р., к.т.н. Фоминым А.П., ЦНИИС к.т.н. Бирюковой Л.М., Пермского политехнического института профессором д.т.н. Темофеевой Л.М., институтом "Гипротюменнефтегаз" к.т.н. Табаковым Н.В. В Европе с участием геотехнических национальных обществ ведется разработка национальных и общеевропейских строительных норм и правил по применению геосинтетических материалов (геотекстиль и георешетка).

В 2003 году в Российском обществе по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (РОМГ-ГиФ) организован технический комитет по геосинтетическим материалам, который возглавляет профессор д.т.н. В.Д Казарновский. В Европе действует международное общество по геосинтетическим материалам (International Geosynthetics Societi IGS), издаются специализированные издания.

В отечественной практике акцент сделан на использование геосинтетиков, а именно геотекстиля, в дорожном строительстве, где армирование грунта основания под дорожное полотно позволяет уменьшить толщину асфальтобетонного покрытия, повысить устойчивость земляного полотна на слабых грунтах, повысить устойчивость земляного полотна на слабых грунтах и т.д.

Применение геосинтетических материалов для улучшения надежности работы подпорных стен в сложных инженерно-геологических условиях Крыма сдерживается из-за отсутствия исследований взаимодействия этих материалов с характерными для Крыма грунтами. Не изученным является и вопрос влияния армирования грунта на характер работы подпорных стен. Результаты исследования позволили бы выявить эффективность применения геосеток и георешеток с целью повышения надежности работы подпорных стен, унифицировать геосинтетические материалы с точки зрения их использования в тех или иных инженерно-геологических условиях, разработать рекомендации по расчету подпорных стен в условиях взаимодействия с армированным геосинтетиками грунтом. Немаловажным было бы и изучение вопросов экологической безопасности использования геосеток в инженерно-геологических условиях Крыма.

Цель статьи:

Рассмотреть особенности геосинтетических материалов, определить возможные пути и круг проблем их применения в сложных инженерно-геологических условиях Крыма для повышения надежности работы подпорных стен посредствам улучшения свойств окружающего грунта.

Задачи:

- проанализировать свойства геосинтетиков и опыт их использования для улучшения свойств грунтов;

- исходя из анализа опыта применения геосинтетических материалов, определить методы повышения надежности работы подпорных стен за счет армирования грунта у конструкций геосетками и георешетками;

- выявить возможные проблемы и направления исследования применения геосеток с целью повышения надежности работы подпорных стен.

Методика исследования: научный анализ и систематизация полученных данных.

Результаты исследования и их анализ

Геосинтетические материалы применяются в строительстве несколько десятков лет. Первые из них использовались как дренирующие и разделяющие прослойки. 60-е годы отмечены выпуском иглопробивных нетканых полотен, компанией "Роун-Пуленик Текстиль" во Франции. Последующие десять лет прошлого века активно развивалась геотекстильная промышленность. В Америке и Европе начали расширяться существующие и появляться новые предприятия, выпускающие геотекстиль. В этот период георешетки и геосетки впервые были использованы для повышения несущей способности грунтов при помощи армирования массива полосами геосинтетиков. С развитием химической промышленности для армирования массива грунта стали применять нетканые геотекстили, а в последующем и высокопрочные синтетические геоткани и геосетки.

Для сопротивления эрозионным процессам почв первоначально использовались сотовые конструкции из полиэтилена, геотекстили и георешетки. Позже появились специальные противоэрозионные маты, моделирующие корневую систему растений и защищающие поверхности откосов грунта.

В строительной практике применение геосинтетических материалов стремительно растет. Они используются в дорожном, гидротехническом, экологическом, подземном

строительстве, а так же для стабилизации эрозионных процессов грунтов. Это связано с увеличением уровня сложности и ответственности архитектурных и строительных решений в особых инженерно-геологических условиях, нарастающим процессом урбанизацией регионов и повышением плотности застройки. В этих условиях возникает необходимость применения новых технологий, материалов и конструкций, обеспечивающих повышение надежности и безопасности строительства [1].

Геосинтетические материалы все чаще применяются при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях Крыма для повышения несущей способности оснований путем его армирования. В ряде случаев они позволяют отказаться от замены грунтов или устройства свайных фундаментов в пользу фундаментов мелкого заложения.

При строительстве на техногенных грунтах, характеризующихся значительной неоднородностью физико-механических свойств, возможным наличием пустот, использование геосинтетиков дает возможность предотвратить суффозионные процессы и повысить надежность конструкций. Эффект армирования геосинтетиками также широко используется при строительстве грунтовых подпорных сооружений и закреплении откосов грунта с углом заложения выше нормативного, что в ряде случаев служит альтернативой бетонным и каменным подпорным стенам. Такие решения имеют существенные технические преимущества и являются экономически выгодным при производстве работ в стесненных условиях городской застройки.

Армирование грунта геосинтетическими материалами позволяет повысить его несущую способность за счет восприятия растягивающих усилий, возникающих в грунтовом массиве. Геосинтетики обладают хорошей способностью к удлинению и сокращению длины после снятия растягивающих напряжений, высокой разрывной нагрузкой, большой гибкостью и способностью выдерживать точечные нагрузки с сохранением исходных размеров. Передача усилий на армирующие элементы достигается через касательные напряжения в геосинтетике, возникающие на контакте геосинтетического материала и грунта. Чем выше значения предельных касательных напряжений контакта (контактная прочность), тем более полно проявляется эффект армирования [2].

В геотехнике наибольшее распространение геосинтерические материалы получили в дорожном строительстве и гидротехнических сооружениях. Преимущественно они используются для армирования грунта под дорожным полотном и армирования самого полотна. Среди основных преимуществ армирования, разработчики данного решения отмечают эффекты повышения надежности работы основания и дорожного полотна при динамических воздействиях, воздействии воды, локальных деформаций грунта и действия сосредоточенных нагрузок.

В связи с тем, что геосинтетические материалы применяются в геотехнике и являются составными элементами природных или техногенных грунтовых массивов, важна их классификация по водопроницаемости. От водопроницаемости геосинтетиков, укладываемых в грунт, могут зависеть гидравлические свойства сооружения, гидравлический режим основания и грунтового массива. Изменение гидравлического режима, неизбежно приводит к изменению прочностных и деформационных характеристик грунтов, что, в свою очередь, определяет надежность сооружения. Выделяют три класса геосинтетиков: водопроницаемые, водонепроницаемые и геокомпозиционные.

Первый класс водопроницаемых геосинтетических материалов разделен на две группы. Это геотекстили и геотекстильподобные материалы. Геотекстили - материалы, изготавливаемые с использованием текстильных технологий с применением ткацких, вязальных, швейных станков. Группа геотекстилей разделяется на виды в зависимости от способа текстильного производства, например, геотекстили нетканые, вязаные, тканые. Геотекстильподобные материалы - это материалы, которые не могут быть классифицированы, как геотекстили. При их производстве применяются не только способы текстильной промышленности, но и другие методы обработки пластических масс.

Скрепление отдельных элементов, образующих геосинтетический материал, достигается путем привязывания, сварки (термической, лазерной), или они являются цельными элементами. К ним относятся георешетки, геосетки, геоматы.

Второй класс - водонепроницаемые геосинтетики представлен двумя группами -геомембранами и глиноматами. Такое разделение на группы обусловлено технологией производства геосинтетических материалов, которая определяет их качественные особенности. Геомембраны - это рулонные материалы, изготовленные из синтетических полимеров или битумов, вид которых определяется в зависимости от способа производства и состава сырья. Глиноматы - материалы заводского производства, состоящие из природных глин. Они делятся на виды в зависимости от используемого сырья и способа изготовления.

Третий класс - геокомпозитные материалы. Геокомпозиты - это комбинация нескольких геосинтетических продуктов, соединенных друг с другом в заводских условиях. Состав такого композита зависит от цели его применения [3].

Разнообразие классов, групп и типов геосинтетических материалов обусловлено применением их для определенных инженерно-геологических условий и целей использования. Из всего разнообразия геосинтетических материалов для целей армирования грунта, взаимодействующего с подпорными стенами, наибольший интерес по нашему мнению представляют геосетки и георешетки, как материалы, имеющие максимальную водопроницаемость. Геосетки и георешетки, как правило,

классифицируются по способу производства, материалу, размерам ячеек, сечению нитей, физико-механическим характеристикам.

В инженерно-геологических условиях Крыма, в связи со сложным строением грунтовой толщи, в каждом конкретном случае возникает вопрос о возможности и целесообразности применения геосинтетиков в целом и определенного их вида - в частности. Это обусловлено значительным разбросом физико-механических, прочностных и других характеристик слоев грунта в грунтовой толщи.

В районах Южного Крыма для средней части склона нередко характерен двух - или трехслойный разрез толщи, в составе которой сверху вниз выделяются: желто-бурые известковистые суглинки с включением обломков карбонатных и флишевых пород.

В толще суглинков и глин на разных уровнях прослеживаются прослои и линзы грубообломочного материала. На контакте с этими прослоями, в пределах которых породы, как правило, водонасыщены, вмещающие их глинисто-суглинистые породы обычно имеют мягко- или текучепластичную консистенцию. Они представляют собой зоны ослабления склона - фактические или потенциально возможные зоны оползневого смещения.

Пестрый литологический состав толщи и, в частности, наличие в них обогащенных грубообломочным материалом прослоев, обусловливает неоднородность фильтрационных свойств и своеобразный характер обводнения этой толщи, когда основное количество воды движется по прослоям грубообломочных пород. Но поскольку эти прослои, как правило, связаны между собой, то фильтрующиеся сквозь оползневую толщу подземные воды нередко образуют единую гидравлически связанную систему и оказывают на оползневую толщу гидродинамическое и гидростатическое давление, существенно снижающее коэффициент устойчивости оползневых склонов.

Многоуровневый литологический состав толщи склоновых накоплений, обводнение и оползневое смещение затрудняет выбор геосинтетического материала для защиты склона от обрушения и снижения неопределенности работы подпорных стен. Крупнообломочный материал, заполняя ячейки геосинтетиков, способствует нарушению их фильтрационной способности. Различная степень обводненности территории на небольшом участке местности усложняет процесс подбора армирующего материала, а наличие оползневого давления требует проведение дополнительных исследований геосинтетических материалов на восприимчивость к действию растягивающих усилий.

В связи с этим, появляется необходимость в:

определении возможности геосинтетических материалов сопротивляться большому сдвиговому и оползневому давлению;

унификации применения определенного вида геосинтетических материалов для конкретных типа грунтового напластования в условиях Крыма;

исследовании возможности применения геосинтетиков при наличии на территории суффозионных и карстовых процессов;

выявлении степени негативного влияния геосинтетиков на окружающую среду; исследовании возможности использования геосинтетиков в агрессивных средах и воде, которые характерны для инженерно-геологических условий Крыма;

разработке методики расчета геосинтетиков для применения в инженерно-геологических условиях Крыма.

Из анализа использования геосинтетиков в дорожном и гидротехническом строительстве можно предположить, что, для повышения надежности работы подпорных стен, можно использовать следующие схемы армирования грунта геосинтетическими материалами:

армирование грунта засыпки (рис.1,а);

армирование грунта основания в зонах пластических деформаций (рис.1,б).

Рис.1. Возможные схемы армирования грунта геосинтетическими материалами: а) - армирование грунта засыпки; б) - армирование грунтового основания: 1- подпорная стена; 2 - граница призмы обрушения; 3 - геосинтетики

Армирование грунта засыпки должно создать эффект связного грунта, изменив нагрузки на подпорную стену. При этом должно снизиться влияние на давление на подпорную стену увлажнения грунта, сдвижения наклонных пластов грунта.

Армирование грунта основания в зонах пластических деформаций позволит увеличить несущую способность грунта под краевыми зонами подошвы фундаментов подпорных стен, снизить ее зависимость от увлажнения, повысив, таким образом, надежность работы сооружения на опрокидывание. Попутно снизится неравномерность осадок и деформации подпорной стены по ее длине. Вместе с тем армирование должно быть выполнено материалами, не снижающими устойчивость подпорной стены на сдвиг.

Возможны следующие виды армирования грунта засыпки:

Горизонтальное армирование (рис.1, а);

Армирование по типу устройства подпорных стен из геотекстиля

Безразрывное армирование, повышающее качество анкеровки геосеток;

Варьироваться в данных видах армирования могут:

Характеристики самой геосетки или георешетки (прочностные и деформационные характеристики, размер ячейки);

Вертикальный шаг сеток;

Длина анкеровки сеток;

В планируемых экспериментальных исследованиях предполагается выявить следующие факторы:

Влияние армирования грунта геосетками и георешетками на работу подпорных стен на сдвиг и опрокидывание при различных видах армирования и параметрах геосинтетиков;

Степень обеспечения надежности работы подпорных стен с армированным грунтом при увлажнении грунта и других воздействиях на него;

Влияние вида грунта на эффект повышения надежности работы подпорных стен посредствам армирования геосетками и георешетками и др.

В экспериментальной части исследований предполагается использовать модели массивных и уголковых подпорных стен. Первоначально исследования будут проводиться на песчаных грунтах средней крупности.

Выводы:

Крымский регион обладает особыми инженерно-геологическими условиями, сложным рельефом местности, наличием деструктивных процессов, что обусловливает использование большого количества подпорных стен при строительном освоении территорий. В современной практике появились и активно используются более новые способы закрепления грунтового массива с применением геосинтетических материалов. Геосинтетики могут использоваться как для самостоятельного закрепления откосов, так и для повышения надежности работы существующих подпорных стен.

Большое количество аварий подпорных стен в сложных инженерно-геологических условиях Крыма повышает актуальность разработок по обеспечению надежности работы откосоудерживающих сооружений. Значительную неопределенность в работе подпорных стен создают взаимодействующие с ними грунты, изменяющие свои физико-механические характеристики под воздействием воды и других факторов, склонные к сдвижению, уплотнению и т. д. Одним из перспективных направлений повышения надежности работы подпорных стен может стать улучшение свойств грунта, взаимодействующего с конструкцией, путем его армирования геосинтетическими материалами - геосетками и георешетками. Для этого необходимо проведение исследований взаимодействия геосинтетических материалов с грунтом в инженерно-геологических условиях Крыма и определение эффективности их использования для улучшения свойств грунта.

Из опыта применения геосинтетических материалов в дорожном строительстве можно сделать вывод о возможности повышения надежности работы подпорных стен путем армирования, взаимодействующего с ними грунта. Вместе с тем эффективность такого армирования можно установить только экспериментальным путем. В процессе экспериментальных исследований должны быть выявлены такие факторы, как целесообразные схемы армирования грунта, влияние шага и типа, устанавливаемых геосеток или георешеток на надежность работы подпорных стен и др. Так же необходима разработка метода расчета подпорных стен с учетом армирования грунта геосетками.

Список использованных источников

1. Щербина Е.В. Геосинтетические материалы в строительстве: Монография. - М.:

Издательство АСВ, 2004.- 112с., ил.

2. Добров Э.М. Механика грунтов: учебник для студ. Высш. Учеб. Заведений/ Э.М.

Добров. - М.: Издательский центр «Академия»,2008. - 272с.

3. Тимофеева Л.М. Армирование грунтов, теория и практика применения. - Пермь.:

Перм. Политехн. Ин-т, 1991. - 478 с.