Геосинтетические материалы

(Опыт применения, цель и задачи исследований).

Читать все материалы конференции Российская геотехника – шаг в XXI век

Щербина Е.В., Московский государственный строительный университет

Опыт использования геосинтетических материалов в строительной практике насчитывает десятки лет. Известные и применяемые сегодня  нетканые геотекстили впервые были использованы в качестве разделяющих и дренирующих прослоек, что послужило альтернативой минеральным фильтрам. В конце 60-х годов началось промышленное производство иглопробивных нетканых полотен с целью их  использования в строительстве. Семидесятые годы прошлого столетия отмечены бурным развитием геотекстильной промышленности, появлением новых материалов и предприятий в Европе, Америке, СССР. В настоящее время в Российской федерации насчитывается более 50 предприятий, выпускающих геотекстильные материалы. Например, Комитекс и Сибур-геотекстиль (производство нетканых геотекстилей различной плотности и назначения), ООО 494 УНР — производство геоячеек из полиэтилена «Прудон» и др.

Первые попытки повышения несущей способности грунтов на основе армирования с применением стальных полос и сеток были предприняты в начале прошлого столетия, а в шестидесятые годы с развитием химической промышленности стали использоваться нетканые геотексили а затем высокопрочные геосетки и геоткани.

В борьбе с эрозионными процессами грунтов на смену деревянной обрешетке пришли сотовые конструкции из полиэтиленовых лент или геотекстилей и специальные противоэрозионные маты, имитирующие корневую систему растений.

Применение геосинтетических материалов (ГМ) в строительной практике стремительно возрастает. Они используются в гидротехническом, дорожном, подземном, природоохранном строительстве, а так же при сооружении полигонов захоронения отходов и рекультивации урбанизированных территорий. Такая тенденция обусловлена увеличением сложности и ответственности архитектурных и строительных решений, реализуемых в сложных инженерно-геологических и климатических условиях, возрастающими техногенными воздействиями на строительные конструкции, что диктует необходимость применения новых  технологий, материалов и инженерных решений. Часто геосинтетических материалы применя.тся в тех случаях, где трудно, а порой невозможно найти альтернативное решение. С использованием геосинтетиков возводятся армированные насыпи с углом заложения выше нормативного, подпорные сооружения, проводится инженерная подготовка территрий, становится возможным строительство на слабых или техногенных грунтах.

Одними из первых геосинтетических материалов, который применялся в строительстве, был нетканый геотекстиль. В нашей стране он хорошо известен под маркой «Дорнит». Его первое использование началось в практике дорожного строительства в качестве разделительного слоя и фильтрующей прослойки. Большой вклад во внедрение геотекстиля сделан учеными института 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 настоящее время работы по использованию геоснтетических материалов в инженерной защите территорий от развития эрозионно-склоновых процессов, размешения отходов производства и потребления, повышению несущей способности слабых оснований активно проводятся в Московском государственном строительном университете.

Более чем сорокапятилетний путь развития геотекстильной промышленности, направленный на разработку новых типов материалов, а так же внедрение новых технологий производства изделий из пластических масс (экструдирование, различные виды проката, лазерная сварка и др.)  привел к появлению новых типов геотекстилей, родственных геотекстилям материалов, геомембран и геокомпозиционных материалов. Это вызвало необходимость определить их в самостоятельную группу строительных материалов: «геосинтетические материалы» — материалы, в которых как минимум одна из составных частей изготовлена из синтетических или натуральных полимеров в виде плоских форм, лент или трехмерных структур, применяемых в геотехнике или других областях строительстве в контакте с грунтом и/или другими строительными материалами.

Геосинтетические материалы представляют собой наукоемкие продукты, разработка и производство которых нацелено на выполнение ими определенных функций, к основным функциям можно отнести следующие.

Разделение — предотвращение перемешивания различных грунтов на контакте между собой.

Изоляция — предотвращение миграции газа иили жидкости.

Фильтрование – задерживание грунта или других частиц, которые под действием гидродинамических сил потока жидкости могут проникать или проходить через геотекстиль или геотекстильподобные материалы.

Дренирование – сбор и транспортировка поверхностного стока, грунтовых вод и/или других жидкостей геотекстилями или геотекстильподобными материалами.

Защита — предотвращение или снижение возможности локального повреждения определенного элемента или материала конструкции.

Армирование – повышение несущей способности грунтов основания или грунтовых конструкций в результате перераспределения возникающих в них растягивающих напряжений на некоторые виды геотекстилей или геотекстильподобных материалов.

Защита от эрозии — применение геотекстиля и геотекстильподобных материалов для стабилизации подвижных грунтов или других частиц на наклонных поверхностях, например,  на поверхностях склонов и откосов.

В настоящее время выпускаются ГМ, предназначенные для выполнения  нескольких функуий — многофункциональные геокомпозиционные геосинтетические материалы.

Для производства геосинтетических материалов используются натуральные или искусственные полимеры, среди которых наиболее распространенны:

—           арамид                           AR,

—           полиамид                      PA  (или  PA6 и PA6.6),

—           полиэфир                      PET (часто PES, PETP),

—           полиэтилен                   PE (часто PEHD – полиэтилен высокого давления),

—           поливинилхлорид        PVC,

—           полипропилен              PP.

Некоторые производители используют также стекло- и базальтовое волокно, а в некоторых случаях органические материалы — джут, кокос  и др. Физические, механические и гидравлические свойства геосинтетических материалов существенно зависят от сырья и способа производства, они устанавливаются на основании экспериментальных испытаний образцов, проводимых как фирмами изготовителями, так и другими испытательными центрами. Очевидно, что для получения достоверных оценок, необходима стандартизация методов, методик и экспериментального оборудования, чтобы исключить влияние шраничных условий, масштабного фактора и др. Наибольшие расхождения результатов наблюдается при испытаниях высокопрочных геотканей, геосеток и георешеток.

В зависимости от назначения использования геосинтетического материала его физико-механические характеристики имеют не равную значимость. В таблице 1 приведена приоритетность характеристик геосинтетических материалов в зависимости от области применения

Приоритетность характеристик геосинтетических материалов в зависимости от области применения.

 

Таблица 1.

ХарактеристикаНазначение	Прочность на растяжение	Деформируемость	Водопроницаемость	Поверхностная плотность	Устойчивость к УФ воздействию	Устойчивость к агрессивным воздействиям	Эффективный размер пор	Фильтрующая  способность
Гидроизоляция  конструкций	2	1	1	_	_	3	_	_
Гидроизоляция  полигонов, прудов, отстойников	2	1	1	_	2	1	_	_
Разделение  слоев грунта	3	1	1	3	_	_	2	2
Устройство дренажей	3	2	1	_	_	2	1	1
Дренажные фильтры	3	1	1	_	_	_	1	_
Защита гидроизоляции	3	1	3	2	3	1	_	_
Армирование  оснований и и грунтовых сооружений	1	1	1	_	_	3	_	_
Защита откосов от эрозии	2	2	1	_	1	3	_	_

 

Обозначения:

1-      Основная решающая характеристика при выборе материала

2-      Важная характеристика.

3-      Вспомогательная характеристика.

Помимо свойств самих геосинтетических материалов при проектировании конструкций с их использованием необходимо иметь параметры геокомпозиционной системы, которая образуется в результате. В таблице 2 приведены параметры геокомпозиционной системы Геосинтетические материалы — Грунт — Грунтовая вода, необходимы для расчета и проектирования  конструкции или сооружения.

Параметры геокомпозиционных систем, определяющие конструктивную надежность.

Таблица 2.

Функции	Необходимые параметры геокомпозиционной системы: Геосинтетический материал — Грунт — Грунтовая вода
Армирование	— Контактная прочность между грунтом и геосинтетическим материалом.  — Деформируемость (зависимость удлинения ГМ от растягивающего напряжения в грунте). — Ползучесть ГМ в грунте.
Фильтрация/Дренирование	— Стабильность фильтрующей способности при механическом и гидравлическом воздействиях, при знакопеременных и динамических нагрузках.  — Устойчивость ГМ к кольматажу. — Устойчивость фильтрующей способности  материала при агрессивности грунтовых вод.

 

Как показывает анализ технической и нормативной литературы, а также представленных докладов, нормирование испытаний геосинтетических материалов и методов расчетов в нашей стране регламентировано не столь жестко, как зарубежом, а для некоторых параметров вовсе отсутствует.  Прослеживается тенденция создния ведомственных нормативных документов, которые содержат значительные отличия, затрудняющие работу специалистов. Однако это и положительный процесс, показывающий все возрастающий интерес к ГМ. Он способствует накоплению теоретических и экспериментальных данных, которые необходимы для повышения качества проектирования и надежности сооружений, а также стимулирует развитие отечественного производства.

В качестве одной из важнейших и первоочередных задач следует отметить необходимость развития методов расчета грунтовых конструкций и оснований с армирующими элементами из ГМ. При этом необходимо принять обоснованные значения крэффициентов запаса по несущей способности сооружения с учетом сроков эксплуатации и уровня ответственности, или разработать методику для их определения.

В Европейском союзе с участием  геотехнических национальных обществ ведется разработка национальных, общеевропейских и международных строительных норм по применению геосинтетических материалов. Отечественную нормативную базу, которая позволит специалистам наиболее просто ориентироваться при проектировании конструкций с использованием ГМ, представляется целесообразным создавать с учестом как отечественного, так и зарубежного опыта, чтобы обеспечить гармонизацию вводимых нормативных документов.

Первочередрыми научно-техническими разработками, которые начаты по инициативе технического коммитета по геосинтетическим материалам Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (РОМГГиФ), стали:

Геоситетические материалы. Термины и определения.

Руководство по применению геоситетических материалов для защиты склонов и откосов от развития эрозионных процнсов.

Руководство по применению геоситетических материалов для ускорения сроков консолидации слабых грунтов оснований.

Руководство по применению геоситетических материалов для устройства дренажей.

Руководство по применению геоситетических материалов для армирования грунтовых сооружений и оснований.

Седует отметить, что разработка стандарных методов испытаний механических и гидравлических свойств особенно высокопрочных геосинтетических материалов, а также контактной прочности, в первую очередь требует модернизации экспериментальной базы и геотехнического оборудования, которое, по известным причинам, долгое время оставалось без должного внимания и финансирования.   Решение этой задачи представдянтся возможным при условии создания геотехнического центра по вопросам применения геосинтетических материалов для различных областей строительства. Технический коммитет по геосинтетическим материалам РОМГГиФ, как независимая некоммерческая организация может оказывать информационную помощь и научно-техническую поддержку.

Библиографический список

 

1. Щербина Е.В, Теличенко В.И и др. Геосинтетические материалы: Классификация, термины и определения.: Известия вузов. Строительство, №  5, 2004.

1. Щербина Е.В., Алексеев А.А. Методы расчета армированных оснований дорожных насыпей.: Материалы межд. научно-технической конференции «Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах» — Архангельск: Изд. АГТУ, 2003.
2. Щербина Е.В. Геосинтетические материалы в строительстве: Монография. – М.: Изд. АСВ, 2004. – 112 с.

Читать все материалы конференции Российская геотехника – шаг в XXI век