Геоимпланты: конструирование и дизайн

Современный российский рынок геосинтетики в дорожном хозяйстве характеризуется рядом тенденций, оказывающих определенное воздействие на его дальнейшее развитие.

В настоящее время отмечена повышенная информационная активность крупных зарубежных и отечественных компаний, занимающихся крупносерийным производством сформированной номенклатуры как геосинтетических материалов (нетканого геотекстиля, мембран, лент и полос), так и изделий из них (геосинтетической арматуры, геодрен, геооболочек и др.). Стараются не отстать от них и перепродавцы изделий и материалов вышеназванных фирм. К сожалению, параметры этой номенклатуры используются также и при поставке контрафактной продукции, производимой в России, странах СНГ, Турции и КНР.

Достаточно широко представлена сейчас в России и услуга проектирования дорожных конструкций или различных грунтовых сред с применением геосинтетических материалов и изделий. Расчеты ведутся с использованием отечественных методик — на основе модуля упругости по климатическому принципу, а также международных — на основе модуля деформации.

Анализ применения дорожных конструкций с использованием геосинтетических материалов и изделий из них, проведенный на основе банка данных прогрессивных технических решений дорожного хозяйства и совмещенный с результатами изменения техникоэксплуатационных характеристик автомобильных дорог (АБДД «Дорога»), в целом ряде случаев показал отсутствие положительного эффекта от их применения.

В частности, зарегистрировано неоднократное изменение проектных решений конструкций автомобильных дорог под возможности ограниченной номенклатуры производителей геосинтетических материалов и изделий, что приводило к удорожанию конструкции в целом, а также, в частности, к недоуплотнению заполнителя в ячейках георешетки, что, как следствие, не позволяет получить ожидаемый эффект повышения устойчивости сооружения.

Далеко не всегда, например, учитывается присущая пылевато-глинистым грунтам изменчивость свойств, связанная в основном с их набуханием в процессе водонасыщения.

Перестали быть единичными и случаи, связанные с последствиями невыполнения требований нормативной документации. Так, при неукоснительном соблюдении технологии производства работ их конечным результатом никоим образом не может быть получение параметров среды «грунт-жидкость». Применительно к дорожному строительству, следует отдельно рассматривать зернистую среду, слоистую среду и подобное им, свойства которых действительно неоднородны и с течением времени изменяются под воздействием различных факторов.

Следует также особо отметить основную функцию геосинтетической арматуры — работу на растяжение и изгиб.

В настоящее время в нашей стране, к сожалению, не ставятся и не решаются с учетом реальных особенностей следующие важные для дорожников задачи:

1. Совмещение размеров ячейки георешетки и статистического анализа распределения размеров зернистого заполнителя.
2. Оптимизация размеров ячейки под установленные параметры характеристик укрепляемой поверхности.
3. Выравнивание механического, воздушного и водяного давлений среды.
4. Дизайн и антивандальная защита.
5. Оптимизация мероприятий по монтажу, эксплуатации, ремонту и содержанию конструкций с применением геосинтетических материалов и изделий.

Решение комплекса этих задач невозможно на основе существующих возможностей ограниченной номенклатуры материалов и изделий из геосинтетики.

Традиционно используемый путь проектирования дорожных конструкций с применением геосинтетики на основе математического моделирования или расчета неэффективен изза значительной вариативности климатических условий и характеристик укрепляемой среды — практически нереально смоделировать все возможные сочетания этих параметров.

Единственным объектом, сохраняющим свои характеристики в ограниченном диапазоне, о котором имеется изначально достоверная информация, является сам геосинтетический материал.

Поэтому главной задачей в данной ситуации должно быть не столько многовариантное проектирование грунтовых или дорожных конструкций с применением геосинтетики, сколько конструирование и дизайн изделий из нее. Именно так можно получить максимум положительных эффектов, а именно: дополнительное приращение как сопротивления нагрузки, так и срока службы, параметров устойчивости и рыночной стоимости объекта.

Все это может быть достигнуто на основе мелкосерийного, переналаживаемого производства, обеспечивающего оптимизацию параметров геосинтетических материалов и изделий на этапе их конструирования по гидроклиматическим, размерномеханическим и другим данным участка укрепляемой среды.

Таким образом, фактически предлагается переход от силового (модуля упругости) к геометрокинематическому принципу конструирования геотехнической арматуры, информационными параметрами которого будут являться приращения перемещений и скорости деформации элементов арматуры (линейных элементов — для сетки, соединительных швов — для решетки).

Подобные технологии уже применяются при изготовлении сложнопрофильных деталей на технологических роботах гибки с растяжением, где на смену силовому пришло координатное формообразование (по перемещениям и скоростям).

Из предельных геометрических соотношений, характерных для образования трещин, следует привести значение 1,2% относительного удлинения слоя дорожного покрытия, при котором наступает его разрыв (данные профессора Б.Б. Телтаева).

При проезде колеса это удлинение находится в диапазоне 0,01–0,1%, параметры которого, собственно, и определяют отсутствие в покрытии трещин.

Взаимодействие колеса транспортного средства и дорожного покрытия может быть представлено в виде математической модели гибки с растяжением через центральную точечную опору. Время взаимодействия колеса с данным локальным участком для различных моделей находится в масштабном диапазоне от 0,01 (непосредственное контактирование) до 0,1 с (в линзе прогиба). Обычно рассматривается конусная модель передачи нагрузки от верхних, более прочных слоев дорожного покрытия, к нижележащим, менее прочным (щебеночному и песчаному слоям).

В связи с этим главным условием достижения положительного эффекта применения геотехнической арматуры является мгновенное, без запаздывания, восприятие нагрузки от проезда транспортного средства и дальнейшая работа в режиме растяжения в одинаковых скоростях и перемещениях упругих деформаций конструкционного слоя автомобильной дороги.

В данной постановке вопроса может быть применена инкрементальная теория наведенной неоднородности, подробно проработанная в научной школе профессора В.В. Петрова (Саратовский государственный технический университет).

Необходимым условием здесь является обеспечение прямолинейности геотехнической арматуры. Она достигается при монтаже путем предварительного натяжения на величину усилия выбора непрямолинейности и требуемой величины относительного удлинения и последующей гибки с растяжением (обтяжки) относительно укрепляемой поверхности. Математическое моделирование и анализ близких аналогов показал целесообразность дополнительной калибровки после засыпки заполнителем на величину 0,1–0,5% относительного удлинения.

Конструирование геотехнической арматуры для геосеток и георешеток имеет принципиальные различия. Для их обозначения рассмотрим типовое проектное решение, например, нагрузки на ось транспортного средства 10 т. Представляется, что если арматура работает без запаздывания, то она сразу будет воспринимать приращение положительного эффекта в 3 т (если требуется увеличить нагрузку до 13 т).

Пример 1. Предположим, что линза прогиба увеличится от применения геосетки с 1 (условный квадрат 1х1 м) до 4 м2 (условный квадрат 2х2 м). Примем, что одна нить геосетки выдерживает 50 кг. Тогда для одного колеса необходимо удержать 1,5 т. Простой расчет показывает, что для этого достаточно иметь 30 нитей геосетки (15х15 нитей в продольном и поперечном направлении к оси автомобильной дороги с расстоянием между нитями в 140 мм).

Пример 2. Рассмотрим георешетку с высотой 50, 75, 100, 150 и 200 мм. Примем, что самым слабым ее сечением является соединительный шов, чья прочность составляет 50–80% от прочности самого материала ленты георешетки. Можно также принять, что один погонный сантиметр шва должен удерживать 5 кг. Предварительный расчет показывает, что в квадрате 2х2 м достаточно иметь 300 погонных см соединительного шва. Однако швы могут разрываться в двух направлениях, поэтому для георешетки высотой 5 см необходимы 120 швов (16х16 лент в продольном и поперечном направлении к оси автомобильной дороги с расстоянием между швами в 125 мм). Для решетки высотой 10 см будет достаточно иметь межшовное расстояние в пределах 240–250 мм.

Соответствующий расчет может быть произведен и для пластмассовых или стальных анкеров.

В своем большинстве данные технические решения уже не могут попадать под определение «геосинтетические материалы». Это геоимплантаты — вполне естественный для применения предметный термин в области геосинтетики — внедряемые, встраиваемые и пристраиваемые в конструкцию автомобильной дороги или мостового сооружения материалы, изделия, конструкции, системы и комплексы.

Геосинтетические материалы в данной классификации предлагается рассматривать как компоненты геоимплантат, и в этом качестве они имеют право, например, на лабораторное и сертификационное обеспечение и контроль качества на этапе производства и приготовления.

В настоящее время архитектурнопланировочные решения дорожной инфраструктуры, в частности, объектов дорожного сервиса, получили дополнительные возможности своего совершенствования в виде проектов и технических решений ландшафтного дизайна и сервиса.

В отличие от ландшафтного дизайна, озеленения и посадки всевозможных крупномеров (деревьев), является основой всех мероприятий по благоустройству и решает такие проблемы, как:

• устройство экопарковок с применением газонной решетки;
• берегоукрепление габионными конструкциями;
• армирование сетками;
• укрепление склонов и берегов водоемов и рек объемной георешеткой;
• возведение подпорных стен и ограждений из габионов;
• устройство дренажа и водоотвода, укладка дренажных труб.

Монтаж габионов, в частности, — это экологичный, долговечный способ укрепления склонов и откосов, благоустройства и устройства уникального ландшафта. А создание водоемов и прудов хотя и является достаточно сложным процессом, но зато это отличный способ «оживить» территорию.

Геотекстильные материалы эффективны при укреплении берегов и гидроизоляции водоемов и бассейнов, при озеленении территорий, защите склонов от эрозии, организации игровых площадок с естественным растительным слоем и устройстве садовых дорожек. Наиболее эффективным здесь является современный экологичный материал — геомат, широко применяемый в ландшафтном сервисе.

Понятие «благоустройство земельной территории» объединяет в себе весь комплекс мероприятий по улучшению экологического, санитарного и эстетического состояния участка, способный придать ему завершенный, привлекательный вид, не нарушая природного равновесия. К таким мероприятиям относятся:

• укрепление земельных склонов; возведение подпорных стен из габионов;
• создание искусственных водоемов;
• берегоукрепление;
• дренажные работы с применением различных геокомпозитов, геотекстиля или дренажных матов;
• создание экологических парковок;
• гидроизоляция фундаментов с применением геомембран.

Укрепление склонов и откосов габионными конструкциями позволяет сооружению легко воспринимать осадку грунта. Даже сильный эрозионный размыв почвы в основании такой конструкции приводит чаще всего лишь к незначительным деформациям, не вызывая потери прочности и разрушения.

С годами их прочность возрастает — благодаря естественному прорастанию корней растений. Со временем, сливаясь с окружающей средой, сетчатые конструкции, при реализации правильного проектного решения, могут служить неограниченный срок, приобретая вид естественных природных блоков, прекрасно вписывающихся в ландшафт, становясь с ним единым целым, сохраняя и укрепляя его.

А.В. Кочетков,
д.т.н., профессор, академик транспорта, зав. отделом ФГУП «РосдорНИИ»;

А.Л. Земляк,
директор ООО «Евродор»

Журнал «ДОРОГИ. Инновации в строительстве» № 01, май 2010 г.