Чижиков И. А., Щербина Е.В. Обоснована техническая эффективность, экономическая и экологическая целесообразность биопозитивной конструкции дороги для условий строительства на слабых водонасыщенных грунтах.

В концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 г. особое внимание сосредоточено на задаче экологической безопасности северных районов России и территории Западной Сибири, которая служит источником поставки энергоресурсов на мировые рынки, а также характеризуется сложными природными условиями

Данные государственных природоохранных органов и результаты выполненных исследований  свидетельствуют о том, что значительный экологический ущерб региону наносят крупномасштабные механические воздействия на земельные ресурсы региона при строительстве грунтовых дорог, которые часто приводят к глубоким, необратимым изменениям экосистем, формированию техногенных ландшафтов. Сложившаяся практика строительства земляного полотна грунтовых дорог с использованием традиционных материалов в таких условиях не обеспечивает требуемый уровень экологической безопасности, который определен на государственном уровне в программе «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года». Кроме того, строительство грунтовых сооружений при подготовке территорий для размещения инженерно-транспортной инфраструктуры городов и населенных мест требует значительных капитальных вложений, которые в сложных природных условиях могут составлять от 30 до 50% сметной стоимости. Это определило необходимость выполнения исследований применительно к строительству грунтовых дорог, как наиболее распространенному типу грунтовых сооружений.

Так как большую часть территории Западной Сибири занимают болота, включая торфяники, т.е. слабые водонасыщение грунты с низкой несущей способностью, это определило выбор для дальнейшего анализа наиболее распространенных в настоящее время методов строительства грунтовых дорог.

Первый метод — выторфовка грунтов основания, предусматривающая полную или частичную отчистку основания от слабых грунтов, с их заменой на строительный грунт (песок различной крупности), позволяющая обеспечить высокую однородность основания и уменьшить риск не достижения требуемого срока службы грунтовой дороги.

Рис. 1 Выторфовка

Второй метод — устройство лежневых настилов для повышения несущей способности основания, для чего на заболоченные участки укладываются лежни (заранее подготовленная древесина, обрезанная от сучков с заданным диаметром и определенной длины).

Рис. 2. Устройство лежневых настилов.

Строительство грунтовых дорог в сложных природных условиях этими методами наносит экологический ущерб  природной среде.

Нами предложена биопозитивая конструкция и технология производства работ, позволяющие снизить объем техногенных грунтов, образующихся в процессе строительства; уменьшить материало- и энернгоемкость решения; минимизировать негативные воздействия на геологическую среду. Конструкция предусматривает использование геосинтетических материалов.   Эффективность конструкции опробована на примере реализации Салымского проекта. Выполненные исследования проводились на участке строящейся грунтовой дороги, проходящей рядом с поселком Салым Ханты-Мансийского автономного округа, в 120 км к югу от Сургута. Общая протяженность грунтовой дороги  равна 37 км (ПК0 – ПК37). Данный участок дороги возводился на территории, большая часть которой занята болотами. В процентном соотношении общая протяженность болот составляла 31,5% от общей длины. Глубина болот находилась в диапазоне от 1-до 6 м. Эти участки относятся к 1-му и 2-му типу болот.

Данные инженерно-геологические условия являются характерными для значительной территории Западной Сибири, то есть данный объект может быть отнесен к «аналоговому» и полученные результаты исследования применимы  в подобных условиях.

Для обеспечения природного равновесия для условий Западной Сибири важным условием служит сохранение естественного растительного покрова болот при строительстве [1]. Применение строительных технологий, не отвечающих специфики территорий, приводит в большинстве случаев к коренному преобразованию ландшафтов, с переходом порогов устойчивости компонентной структуры к утрате структурных эталонных свойств и функций территории. Происходит трансформация природно-ресурсного потенциала и замещение естественных ландшафтов антропогенными [2].

Для оптимального выбора схемы и параметров биопозитивной конструкции были рассмотрены различные варианты конструкций с применением геосинтетических материалов [3-5], осуществлен анализ положительных и отрицательных сторон каждой конструкции. Итогом работы была разработана биопозитивная конструкция с использованием геосинтетических материалов в сложных природных условиях (Рис.3).

Рис. 3.   Принципиальная схема биопозитивной конструкции дороги.

Основное отличие предложенной биопозитивной конструкции от ранее известных решений, заключается:

1)        в том, что биопозитивная конструкция и технология применимы для строительства в сложных природных условиях, характеризующихся залеганием большой толщи слабых водонасыщенных, структурно неустойчивых грунтов или торфов (модуль общей деформации менее 5 МПа) с выходом грунтовых вод на поверхность (по существу болота);

2)        осадки основания биопозитивной конструкции дороги, предложенной автором, достигают более двух метров, при этом грунтовое сооружение вводится в эксплуатации сразу же с момента строительства.

3)        эксплуатационный срок службы конструкции без проведения капитального ремонта более 30 лет.

В качестве армирующего материала была выбрана высокопрочная геоткань, т.к. она может быть уложена непосредственно на поверхность грунтов основания, а для использования геосеток и георешеток необходимо дополнительное применение нетканых геотекстилей.

Геоткани при высоких прочностных параметрах обладают сплошной структурой и выполняют сразу несколько функций, армирование, разделение слоев и фильтрация. Геоткани можно сшивать в полотна, обеспечивая большую площадь армирования. Кроме того сплошная структура геоткани позволит устанавливать в тело насыпи водопропуска,  обеспечивающие свободный ток воды и целостность от разрушений.

Такая конструкция позволяет отказаться от замены грунтов основания, устройства ограждающих конструкций, укладки лежневых настилов и  др. специальных мероприятий. Положительным свойством конструкции служит отсутствие ограничений на производство работ в зависимости от годовых сезонов.

Следует отметить, что в основу проектирования биопозитивной конструкции положен принцип обеспечения ее прочности и устойчивости на слабых грунтах основания по типу: «плавающая конструкция». При этом осадки основания биопозитивной конструкции могут достигать больших значений до метров и продолжаться в течение длительного времени. Это является существенным отличием биопозитивной конструкции от существующих конструкций грунтовых дорог.

Прогноз осадок грунтовых сооружений на слабых основаниях (торфах и/или илах), с применением геосинтетических материалов в настоящее время не разработан в полной мере. Для обоснования применимости данного решения был выполнен геотехнический мониторинг, результаты которого позволяют дать комплексную оценку работоспособности биопозитивной конструкции в процессе эксплуатации, а также расширить комплекс научных знаний в части прогноза осадок слабых оснований грунтовых сооружений.

Программа наблюдений включала несколько циклов. Первый цикл съемок – последовательный, по мере возведения дороги, который составил 20 суток. Последующие 8 циклов проводились сразу по всем реперам на всем протяжении участка. Через первые 10 месяцев 6 циклов и следующие 10 месяцев 2 цикла (Рис.4). Следует отметить, что сразу же после строительства промысловая дорога была введена в эксплуатацию и эксплуатировалась тяжелым транспортом массой до 120 тонн.

Рис. 4.График проведения наблюдений.

Первые 10 месяцев характеризовались интенсивным развитием осадок, затем приращения осадок уменьшались (Рис.5) и через 20 месяцев, после начала строительства дороги относительная деформация основания стала незначительной, что свидетельствовало о завершении процесса консолидации.

Рис.5. Диаграмма осадок основания в точках наблюдения через 10 и 20 месяцев после строительства.

Данные мониторинга показали, что на всем протяжении участка не было выявлено местных разрушений, дорога находится в устойчивом состоянии на всем наблюдаемом участке, при этом нет необходимости в проведении ремонтных работ, это подтверждает правильность расчетов биопозитивной конструкции.

Технико-экономическая оценка трех вариантов строительства, показала, что использование биопозитивной конструкции в сравнении с традиционными методами строительства (метод выторфовки, устройство лежневых настилов) в подобных условиях  имеет меньшую стоимость. На рисунке 6 приведены относительные (к методу выторфовки) показатели стоимости строительства.

Стоимость строительства с применением биопозитивной конструкции с армированием на 47,8% дешевле строительства с методом выторфовки и на 17,5% дешевле метода устройства лежневого настила. То есть использовани биопозитивной конструкции обеспечивает наименьшие затраты.

Результаты экологической оценки по методике, разработанной на базе метода прикладной квалиметрии архитектурно-строительного проектирования (рис. 7), позволили определить обобщенный показатель, значения которого изменяются в диапазоне от 0 до1. При этом приближение к 0 соответствует меньшим негативным воздействиям на окружающую среду.

Основные выводы:

Применение высокопрочных геосинтетических материалов в конструкции грунтовых дорог позволяет обеспечить несущую способность слабых водонасыщенных грунтов оснований и начать их эксплуатацию до истечения времени полной консолидации.

По данным мониторинга установлено, что фактические осадки основания оказались несколько меньше расчетных, что позволяет отметить положительный эффект использования предложенной конструкции в условиях строительства на заболоченной территории.

Предложенная биопозитивная конструкция позволяет снизить негативные воздействия строительства на окружающую среду.

Список литературы:

1. Новиков С. М. Изменение условий обитания растений на болотах северных районов Западной Сибири при хозяйственном освоении территории / С. М. Новиков. Материалы всесоюзного совещания «Охрана растительного мира северных регионов» [7-9 сент. 1982 г. : В 2-х т.].  Т. 2. Устойчивость растительности к антропогенным факторам и биорекультивация в условиях Севера. Сыктывкар: Коми фил. АН СССР С. 23-27.
2. Теличенко В. И. Основы комплексной безопасности строительства / В. И. Теличенко, В. М Ройтман, М. Ю. Слесарев, Е. В. Щербина: Монография / Под ред. В. И. Теличенко и В. М. Ройтмана. – М.: Издательство АСВ, 2011. – 168 с.
3. Чижиков И.А. Геосинтетики и дорожное строительство // Специализированный бюллетень. Строительство / И. А. Чижиков // №1 (8). – 2003. С. 12 — 13.
4. Чижиков И. А. Эколого-экономическая эффективность устройства грунтовых дорог Западной Сибири с использованием геосинтетических материалов / И. А. Чижиков  // Экология урбанизированных территорий. Сборник материалов международной научно-технической конференции. – М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2006. — С. 197 — 200.
5. Щербина Е. В. Геосинтетические материалы в строительстве / Е. В. Щербина. — М.: Изд. АСВ, 2004. – 111 c.