Геосинтетические материалы в строительстве

  Геосинтетические материалы (ГМ) применяются уже более тридцати лет в международной практике строительства. Область их применения достаточно широка. Это дорожное, гидротехническое, природоохранное, подземное строительство. Как правило, ГМ применяются в тех случаях, когда найти другое решение невозможно, или их применение оправдано экономически. Экономическое преимущество применения ГМ обусловлено сокращением материалоемкости традиционных грунтовых материалов или железобетона, стоимость которых возрастает с каждым годом в связи с тем, что природные ресурсы ограничены, либо их транспортировка становится весьма дорогой. Другим аргументом в пользу применения ГМ служит гарантия качества строительства, увеличение межремонтного срока сооружений или снижение эксплуатационных затрат.
  Гидротехническое строительство. В практике гидротехнического строительства ГМ применяются в качестве гидроизоляционных элементов при устройстве противофильтрационных завес, плотин или дамб, а также для организации гидроизоляционных экранов водохранилищ, прудов, водоемов. ГМ применяются в качестве дренирующих элементов и фильтров. Дренажи, выполненные с применением ГМ, устойчивы к кальмотажу и защищают грунтовый массив от суффозии (рис. 1).
  Широко применяют ГМ при строительстве на слабых грунтах для увеличения несущей способности оснований. Эти решения составляют альтернативу замене грунтов основания.
  Природоохранное строительство. ГМ применяются для стабилизации эрозионных процессов, развивающихся на склонах и откосах, а также берегах водоемов (рис. 2).
  Широкое применение нашли ГМ при строительстве полигонов захоронения отходов. Это гидро- и газоизоляция, дренажи для воды и сбора биогаза, армирующие элементы для обеспечения устойчивости оснований и откосов.
  Дорожное строительство. В дорожном строительстве ГМ применяются для устройства откосов повышенной крутизны, подпорных стенок, усиления оснований дорожных насыпей (рис. 3, 4), дренажей, армирующих элементов асфальтобетонных покрытий.
  Подземное строительство. В подземном строительстве ГМ в основном применяются в качестве гидроизоляции подземных сооружений и пластового и пристенного дренажей.
  Известны и другие области применения ГМ, например устройство “Зеленых крыш”, спортивных площадок, зеленых парковок и др.
  Что такое геосинтетические материалы? Это материалы, в которых, как минимум, одна из составных частей изготовлена из синтетических или натуральных полимеров в виде плоских форм, рулонов (лент) или трехмерных структур, которые используются в геотехнике или применяются в других областях строительства в контакте с грунтом и (или) другими строительными материалами.
  Геосинтетические материалы подразделяются на водопроницаемые и водонепроницаемые. К первой группе ГМ относятся геотекстили (нетканые, тканые, вязанные) и геотекстилеподобные материалы (георешетки, геосетки, геоматы, геоячейки). Ко второй относятся глиноматы и геомембраны. Группа геокомпозиционных ГМ представлена материалами, которые объединяют в себе свойства нескольких геосинтетиков.
  Свойства геосинтетических материалов во многом определяются макромолекулярной структурой полимеров, которые используются для их производства. В основном применяются:
  - арамид;
  - полиамид (РА);
  - полиэстер (РЕТР);
  - полиэтилен (РЕ);
  - полипропилен (РР);
  - поливинилхлорид (PVC);
  - стекловолокно.
  То, из какого полимера изготовлен материал, определяет его устойчивость к температурным воздействиям, кратковременную и длительную прочность, устойчивость к воздействию ультрафиолета и других агрессивных сред. Например, РЕ и РР при отрицательных температурах становятся хрупкими, что ограничивает их применение в зимних условиях. Все полимеры обладают ползучестью, что обязательно должно быть учтено в тех случаях, когда они используются в качестве армирующих элементов, например, при расчете армированных насыпей повышенной крутизны. С учетом этих факторов максимальное допустимое усилие в армирующей прослойке может быть вычислено:

    N = Ra / K1K2 K 3K4, (1 )
  
  где Ra – усилие по расчету, K1 – коэффициент, учитывающий ползучесть материала, зависящий от срока эксплуатации сооружения; K2 – коэффициент условий работы, учитывающий повреждения материала во время укладки; K 3 – коэффициент, учитывающий агрессивность грунтовых вод; K4 – коэффициент, учитывающий бактериологическую агрессивность.
  Значения всех этих коэффициентов больше единицы и они устанавливаются в зависимости от типа материала и материала заполнителя. Определение допустимого значения растягивающего усилия в армогрунтовом откосе приведено, например, в [1, 2].
  Рассмотрим задачу расчета насыпи на слабом основании. Расчетная схема представлена на рис. 5.
  Для определения устойчивости насыпи и усилия в армирующей прослойке должны быть проанализированы все кинематически возможные случаи потери устойчивости. Расчет может выполняться на основе комплексного решения задачи устойчивости, а так же по отдельным схемам:
  - плоский сдвиг по поверхности армирующего геосинтетического материала сверху;
  - потеря устойчивости в результате разрыва или выдергивания ГМ;
  - потеря устойчивости за счет проскальзывания снизу ГМ.
  Сформулируем условия устойчивости для этих случаев:
  
  Rkn – Ea >=0, (2)
  
  Rko + Ra - Ea >=0, (3)
  
  где Rkn – сопротивление трению контакта армирующего материала и грунта насыпи, Ea – горизонтальная составляющая активного давления грунта насыпи, Rko – сопротивление трению контакта армирующего материала и грунта основания, Ra – прочность армирующего материала, или анкерное усилие, реализуемое на контакте армирующего материала и грунта. Расчет выполняется по минимальному значению.
  Значение сопротивления трению при плоском сдвиге по поверхности армирующего ГМ может быть вычислено:
  
  Rkn= gn n H2 f / 2, (4)
  
  где gn – удельный вес грунтов насыпи, n – заложение откоса насыпи 1/n = tg a, H – высота насыпи, f – прочность контакта грунта насыпи и армирующего материала определяется экспериментально; параметр, аналогичный углу внутреннего трения грунта.
  Прочность контакта зависит от типа геосинтетического материала, типа и разновидности грунта. Прочность контакта изменяется в диапазоне от 0,5 угла внутреннего трения грунта до 1. Если это значение не определено экспериментально, то прочность контакта принимается минимальной.
  Значение сопротивления трению по поверхности армирующего материала и грунта основания различно для начала возведения насыпи и окончания. На начальном этапе возведения насыпи при определении контактной прочности учитывается только сцепление грунтов, на конечном – характеристики трения грунтов.
  Из решения уравнений 2, 3 может быть найдено усилие, необходимое для обеспечения устойчивости насыпи. По найденному значению, согласно формуле 1, определяется расчетная прочность арматуры.
  На основании изложенного можно заключить, что для оптимального проектирования конструкций с использованием геосинтетических материалов необходимо проведение экспериментальных исследований и совершенствование методов расчета. Опыт проектирования армогрунтовых конструкций МГСУ совместно с ГП Мосинжпроект, Союздорпроект и другими проектными организациями, возведенные объекты третьего транспортного кольца, такие как подходы к мосту на Бережковской набережной, Автозаводского моста, реконструкция Волгоградского проспекта и др. показывают эффективность этих конструкций в сравнении с традиционными решениями и служат основой для совершенствования методов расчета, проектирования и строительства.
  
  Библиографический список
  1. Щербина Е.В., Хромец Т.В. Армогрунтовые конструкции, как критические технологии устройства откосов повышенной крутизны. Сб. трудов международной практической конференции “Критические технологии в строительстве”. М., 1998.
  2. Труды СоюздорНИИ. Вып. № 196. М., 1998.