Использование геосинтетических материалов при сооружении и эксплуатации ледовых переправ в Иркутской области

Оригинальная статья / Original article УДК: 625.7/.8

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-114-121

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СООРУЖЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛЕДОВЫХ ПЕРЕПРАВ

В ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

© А.А. Карпунин, С.С. Шабуров

Резюме. Цель. Изучение вопроса использования геосинтетических материалов при устройстве ледовых переправ в Российской Федерации. В частности, рассмотрено применение технологий устройства ледового покрова в северных районах Иркутской области. Показана заинтересованность в использовании новых материалов во всем мире. Методы. Рассмотрена организация строительных процессов, проведены расчеты толщины ледового покрова, определены затраты для повышения экономической эффективности. Результаты и их обсуждение. Результатом применения геосинтетики ГЕОН является уменьшение толщины ледяного покрова и увеличение несущей способности в отличие от способа намораживания слоев льда на 11 см. Уменьшение затрат показывает эффективность применения способа армирования геосеткой по сравнению с двумя основными способами устройства переправ. Выводы. Проведенный анализ выявляет положительные стороны использования геосинтетических материалов: увеличение срока службы ледовых переправ и обеспечение транспортной доступности северных районов Иркутской области.

Ключевые слова: геосинтетический материал, ледовая переправа, армирование, экономическая эффективность, нагрузки, грузоподъемность.

Формат цитирования: Карпунин А.А., Шабуров С.С. Использование геосинтетических материалов при сооружении и эксплуатации ледовых переправ в Иркутской области // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 4 (19). С. 114-121. DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-114-121

USE OF GEOSYNTHETIC MATERIALS DURING THE CONSTRUCTION AND EXPLOITATION OF ICE BRIDGES IN IRKUTSK REGION

© A.A. Karpunin, S.S. Shaburov

Abstract. Purpose. Investigation of the question of using geosynthetic materials in arranging ice bridges in Russian Federation. Particularly, we considered the use of arrangement technology of ice cover in Northern parts of Irkutsk region. We showed interest in the use of new materials around the world. Methods. We considered organization of building processes, performed calculations of the thickness of ice cover, defined expenses to increase economic effectiveness. Results and their discussions. Use of geosynthetics GEON gives the decrease of thickness of ice cover and the increase of bearing capacity which differs from the freezing of ice layers up 11 sm. Decrease of expenses shows the effectiveness of the use of the way to reinforce with the help of geonet in comparison with two main ways of bridge arrangement. Conclusions. Performed analyses shows positive sides of the use of geosynthetic materials, increase of the working lifespan of ice bridges and guarantee of transport availability of Northern territories of Irkutsk region.

Keywords: geosynthetic material, ice bridge, reinforcing, economic effectiveness, burdens, capacity

For citation: Karpunin A.A., Shaburov S.S. Use of geosynthetic materials during the construction and exploitation of ice bridges in Irkutsk region. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate], 2016, no. 4 (19), pp. 114-121. (In Russian) DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-114-121

Введение

Ежегодно на территории Российской Федерации задействовано около 500 ледовых переправ, что говорит о важности вопроса их устройства. Огромное количество ледовых переправ имеется в таких странах, как Швеция, Финляндия, Канада, схожих по климатическим условиям с Российской Федерацией.

Сеть автомобильных дорог общего пользования в Иркутской области имеет протяженность свыше 12 300 км, в их числе более 50 ежегодно устраиваемых на территории области ледовых переправ, общая протяженность которых свыше 96 км.

На работу транспорта в Иркутской области огромное влияние оказывает резкоконтинентальный климат. Продолжительная и холодная зима сокращает период эксплуатации водного транспорта, что приводит к необходимости устройства ледовых переправ. Открытие переправ чаще всего происходит в декабре - январе, а закрытие в конце марта или начале апреля [1]. Их работа оказывает огромное влияние на транспортную связь населения с другими районами и улучшает социально-экономическое развитие самих районов.

Актуальным является внедрение новых материалов [2] для увеличения несущей способности ледового покрытия и уменьшения образования трещин [3]. Разработка организации и методов строительства переправ становится насущной проблемой при продлении сроков их эксплуатации для дорожной службы.

Важным и перспективным направлением в дорожных технологиях, в том числе устройстве ледовых переправ, показывает себя применение разного вида геосинтетических материалов. Разработка данного материала ведется порядка 40 лет, и с каждым годом геосинтетика приобретает преимущества как в улучшении прочностных характеристик, ведущих к повышению надежности, увеличению срока службы, так и в уменьшении размера затрат. Геосинтетические материалы используются с различными целями в дорожном строительстве: для замедления появления трещин в дорожном полотне, увеличения межремонтного срока, проведения объемных ремонтных работ, а также усиления покрытия, укрепления откосов, для строительства ледовых переправ.

Материалы и методы исследования

Организация устройства ледовых переправ [4] выполнена с применением геосетки ГЕОН 40/40. Объектом исследования выбран участок, разделенный заливом Братского водохранилища, между населенными пунктами п. Игжей (Усть-Удинский район) и п. Бала-ганск (Балаганский район) в Иркутской области (рис. 1, 2). Протяженность ледовой переправы на этом участке составляет 6,3 км.

Организационно-технологический процесс производства работ на опытном участке разделяется на четыре основных этапа [5]:

- подготовительные работы;

- строительство ледовой переправы (укладка геосеток и намораживание);

- наблюдение за состоянием льда, то есть образованием трещин;

- извлечение армирующего материала из ледового покрова.

Подготовительные работы (первый этап) заключаются в следующем [6] :

• Выбор створа будущей переправы на основании промеров глубин.

• Проведение разбивочных геодезических работ на створе ледовой переправы (рис. 2).

• Систематический промер толщины льда.

Рис.1. Участок, выбранный для строительства ледовой переправы

К основным работам по устройству ледовой переправы (второй этап) относятся:

• Расчистка поверхности ледяного покрова механизированными способами.

• Пробуривание лунок (происходит за полотном) для использования воды.

• Раскатывание рулонов и укладка геосинтетического материала на ледовую поверхность с соблюдением следующих условий: материал укладывается по 2 полосы (ширина одной равна 4 м) с перехлестом 0,2 м и более; крепление материала осуществляется с одной стороны примораживанием ко льду или с использованием анкеров; далее материал натягивается и примораживается ко льду.

• Создание бортика (формирование снежных валиков) для удержания воды.

• Заливка уложенного материала водой на всю ширину ледовой переправы до нужной (проектной) толщины искусственно намороженного льда.

Испытываемый участок

Test site^ i>_. - * )

/Г  Щ

_ ШЯ0Щ ^Btk И igzhey

Ba agansk

KdHOHjnOUO

Рис. 2. Испытываемый участок п. Балаганск - п. Игжей

Для усиления ледового покрова была выбрана геосетка ГЕОН 40/40. Строительство участка ледовой переправы с применением геосинтетических материалов должно начаться в декабре. Толщина льда к этому периоду составляет около 60 см. Высота снежного покрова - 30 см [7]. Одним из главных вопросов является крепление геосентетических материалов к естественному слою льда. Крепление на льду можно осуществлять двумя методами. Первый заключается в использовании металлических скоб. Скобы следует заблаговременно нагревать и втапливать их в лед, также можно поливать вбитую скобу холодной водой, что приведет к замерзанию (вмораживанию). Однако этот способ является более трудоемким. Вторым и более простым способом является примораживание одного края рулона геосетки к поверхности льда. Также стоит заметить, что при отрицательной температуре геосинтетический материал становится жестким, и перед укладкой геосетку следует предварительно раскладывать на поверхности льда для удобства использования и правильности выполнения работ по примораживанию сетки ко льду. Следующим становится примораживание геосетки: ледяное полотно предварительно обрабатывается водой, затем происходит укладка свободного конца рулона, который также поливается водой, далее происходит процесс примораживания материала ко льду. После осуществляется натягивание и разматывание рулона, что приводит к уменьшению количества складок, а также их исчезновению. Раскладка сетки происходит вручную во избежание образования волн. После укладки сетку следует поправлять для придания ей необходимого местоположения в плане. Последним важным моментом становится поливание водой, что приводит к улучшению сцепления самой геосетки с поверхностью льда [8].

Расчет толщины льда ледовой переправы. Нагрузка Р = 40 т; интенсивность движения N = 500 авт./сут; толщина естественного льда hл = 60 см.

1) Метод намораживания дополнительных слоев.

Определяем требуемую толщину льда для пропуска нагрузок (ОДН 218.010-98):

а) Ьтр = 11*пи *л/Р,

Итр = 11*1,1* л/40 = 77 см.

б) по данным таблицы П.2.1 (ОДН 218.010-98), для средней температуры воздуха 0 °С, ^р = 77 см, ^ < ^р (60 см < 77 см) необходимо усиление льда намораживанием верхнего слоя.

Определяем толщину намороженного льда:

h = —*

нам ту

К 2

(h >

тр - h

V K3 л У

( 77

-- -60 I =

v 1

К2 = 0,7, К3 = 1 (в случае отсутствия оттепелей).

Общая толщина ледяного покрова: Ъ0бщ = hл + \ам = 60 + 24 см = 84 см.

2) Армирование геосеткой:

а) при условии армирования льда геосеткой ГЕОН 40/40 принимаем коэффициент армирования Карм = 1,25 .

б) определяем требуемую толщину армированного льда:

,арм = 11* п * Р «'тр 11 " к ,

арм

40

hTL = ii*i,i* — = 63см. тр V 1,25

в) определяем толщину намороженного льда, армированного геосеткой:

*

(h >

тр - h

1 K 3 У

( 63

-- -60 1 =

1 1

h = —*

нам ту

K 2

h = —*

нам Q 7

Общая толщина ледяного покрова: ho64 = hn + hHaM = 6Q + 13 см = 73 см.

Экономическое сравнение проведено применительно к Иркутской области. Для расчета принято 3 варианта технологии усиления ледовых переправ: усиление ледового покрова армированием геосинтетическими материалами; намораживанием дополнительных слоев льда сверху; устройством деревянного настила.

Результаты исследования и их обсуждение

Усиление ледового покрова армированием геосинтетическими материалами выявляет положительные моменты: последовательная и довольно простая реализация работ после образования естественного ледового покрова, армирование приводят к меньшему раскрытию трещин. Несмотря на то, что армирование происходит в средней зоне (а не в нижней), расчет на грузоподъемность показывает сокращение толщины намораживаемого слоя. Также увеличивается несущая способность по сравнению с намораживанием дополнительных слоев льда. Использование материала может осуществляться на следующий год, так как после схода ледяного покрова геосетка не теряет своих свойств, а скатывается в рулоны и убирается на хранение, что приносит экономическую выгоду от строительства переправы в течение нескольких лет. Геосетка принимает на себя растягивающие напряжения, возникающие от температурных и транспортных нагрузок. Использование геосен-тетики ГЕОН (табл. 1) приводит к увеличению несущей способности [9] и уменьшению толщины покрова в отличие от способа намораживания слоев льда на 11 см (что приводит к уменьшению образования и раскрытия трещин), имеющего ограничения: эффективность достигается только при сравнительно тонких слоях (до 5Q см), и толщина намороженного слоя не должна превышать 3Q % от естественной толщины льда.

Таблица 1

Технические характеристики геосетки ГЕОН 40/40

Table 1

Technical characteristics of geonet GEON 40/40

Наименование/ Name Геосетка ГЕОН 40/40 / Geonet GEON 40/40

Материал / Material Стеклоровинг / Stekloroving

Длина рулона, м / Roll length, m 50

Ширина рулона, м / Roll width, m 4

Температурный диапазон, t °С / Temperature range, t °С -100...+280

Прочность на разрыв, кН/м, вдоль/поперек / Tensile strength kN/m along the transverse 40/40

Вес полотна, г/м2 / Weight canvases, g/m2 1000

Относительная деформация при разрыве, % / The strain at fracture, % 6

Условный показатель деформативности ЕА, кН/м / Conditional component deformability EA, kN/m 712

Коэффициент армирования Карм / Reinforcement ratio Карм арм 1,25

Как видно из данных, приведенных на рис. 3, стоимость устройства деревянного настила превышает стоимость усиления намораживанием дополнительных слоев льда более чем в 14 раз. Стоимость армирования льда геосинтетическими материалами увеличивается только за счет цены самого материала и увеличения затрат ввиду появления дополнительной операции - укладки армирующего материала на поверхность льда. Намораживание льда в этом случае необходимо только для предотвращения повреждений геосинтетического материала колесами автотранспорта, а поэтому оно не превышает 13 см. Геосинтетические материалы могут быть использованы повторно на следующий год. Это существенно снижает затраты при строительстве армированного ледового покрытия на второй год. Сметная стоимость уменьшается на второй и следующие годы соответственно (рис. 3).

Рис. 3. Сметная стоимость (с учетом зимнего удорожания) за два года по трем

вариантам усиления ледового покрова Fig. 3. Cash budget (with account of winter value appreciation) within two years of three variants of ice cover reinforcement

Заключение

Проведенными исследованиями установлена большая экономическая эффективность применения геосинтетических материалов, по сравнению с другими способами усиления ледового покрова, при устройстве ледовых переправ на два года и более. Установлено повышение несущей способности покрытия более чем на 30 %, уменьшение образования и раскрытия трещин, продление срока использования ледовой переправы. Широкое применение предлагаемой технологии с использованием геосинтетических материалов при устройстве ледовых переправ позволяет существенно снизить затраты на их устройство и содержание.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Волкова Е.В., Степаненко А.А. Применение геосинтетических материалов в дорожном хозяйстве // Мат-лы междунар. науч.-практ. конф. «Наука, технологии, инновации в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-коммунальном комплексе». Иркутск: ИрГТУ, 2009. С. 4.

ISSN 2227-2917

2. Müller W., Saathoff F. Geosynthetics in Geoenvironmental Engineering // Science and Technology of Advanced Materials. 2015. Vol. 16, no. 3. P. 034605. DOI: 10.1088/14686996/16/3/034605

3. Sarsby R.W. Geosynthetics in Civil Engineering. Cambridge, England: Woodhead Publishing, 2007. 312 p.

4. Warren R., Hayley D. Best Practice for Building and Working Safely on Ice Covers in Alberta. 2013. 57 p.

5. Якименко О.В., Сиротюк В.В. Армирование ледовых переправ // Криосфера земли. 2014. № 1. С. 88-91.

6. Barrette P.D. A Review of Guidelines on Ice Roads in Canada: Determination of Bearing Capacity // Conference of the Transportation Association of Canada. Charlottetown, PEI, 2015. 17 p.

7. Guidelines for Safe Ice Construction. The Department of Transportation of the Government of the Northwest Territories, 2015. 52 p.

8. Pounder E.R. The Physics of Ice. Pergamon, 2013.160 p.

9. Koerner R.M. Designing with Geosynthetics. 6th edition. XLIBRIS, 2012. 526 p.

REFERENCES

1. Volkova E.V., Stepanenko A.A. Primenenie geosinteticheskikh materialov v dorozhnom khozyaistve [Use of geosynthetic materials in road utility]. Mat-ly mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Nauka, tekhnologii, innovatsii v investitsionno-stroitel'noi sfere, nedvizhimosti i zhilishchno-kommunal'nom komplekse " [Materials of international science and practical conference «Science, technologies, innovations in investment and building sphere, real estate and housing and public complex»]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2009, p. 4.

2. Müller W., Saathoff F. Geosynthetics in geoenvironmental engineering. Science and Technology of Advanced Materials, 2015, vol. 16, no. 3, p. 034605. DOI: 10.1088/14686996/16/3/034605

3. Sarsby R.W. Geosynthetics in Civil Engineering. Cambridge, England, Woodhead Publishing, 2007. 312 p.

4. Warren R., Hayley D. Best practice for Building and Working Safely on Ice Covers in Alberta. 2013. 57 p.

5. Yakimenko O.V., Sirotyuk V.V. Reinforcement of Ice Crossings. Kriosfera zemli [Cryosphere of Earth], 2014, pp. 88-91.

6. Barrette P.D. A review of guidelines on ice roads in Canada: Determination of bearing capacity. Conference of the Transportation Association of Canada. Charlottetown, PEI, 2015. 17 p.

7. Guidelines for Safe ice construction. The Department of Transportation of the Government of the Northwest Territories, 2015. 52 p.

8. Pounder E.R. The Physics of Ice. Pergamon, 2013.160 p.

9. Koerner R.M. Designing With Geosynthetics. 6th edition. XLIBRIS, 2012. 526 p.

Информация об авторах

Карпунин Антон Алексеевич, инженер-строитель, e-mail: karpunin_91@mail.ru; ООО «Сельстрой», 664002, Россия, г. Иркутск, ул. Сахалинская, 12.

Шабуров Сергей Семенович, кандидат технических наук, профессор кафедры автомобильных дорог, e-mail: ad@istu.edu; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Критерии авторства

Карпунин А.А., Шабуров С.С. имеют равные авторские права. Карпунин А.А. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Information about the authors Karpunin A.A., construction engineere, e-mail: karpunin_91@mail.ru; Ltd «Selstroi», 12 Sakhalinskaia St., Irkutsk, 664002, Russia.

Shaburov S.S., candidate of technical sciences, professor, Department of Automobile Roads, e-mail: ad@istu.edu; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Contribution

Karpunin A.A., Shaburov S.S. have equal author's rights. Karpunin A.A. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this

article.

Статья поступила 10.06.2016 г. The article was received 10 June 2016