Вопросы применения геосинтетических материалов в дорожных конструкциях при проектировании автомобильных дорог

Активно участвуя в реализации Федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010–2015 гг.)», ОАО «ГипродорНИИ» является генпроектировщиком более чем 100 федеральных и региональных дорог. В своей работе мы учитываем то обстоятельство, что ускорение темпов внедрения инноваций, какими, безусловно, являются геосинтетические технологии, позволяет решить одну из приоритетных задач — повышение эффективности использования бюджетных средств.

Эффективность применения геосинтетических материалов (ГМ) в дорожных конструкциях и искусственных сооружениях подтверждена мировой и отечественной практикой. Актуальность их применения особенно возросла в связи с удорожанием стоимости производства и логистики традиционно используемых инертных материалов, а также необходимостью обеспечения качества и долговечности дорожных конструкций в условиях резкого повышения нагрузок на них.

Сейчас уже очевидно, что задача повышения сроков службы дорожных конструкций может быть решена только путем их совершенствования с применением новых композитов на основе традиционных и геосинтетических материалов.

Использование усовершенствованных и качественных ГМ закладывает основу надежных, долговечных и экономичных проектных решений в дорожном строительстве. Часто эффективные проектные решения, обеспечивающие долговечность транспортных сооружений и сохранение их высоких потребительских свойств в течение всего жизненного цикла, невозможны без применения современных геосинтетических технологий.

В практике проектирования геосинтетические материалы используются во всех слоях дорожной одежды и в конструкции земляного полотна в качестве элементов, выполняющих различные функции с целью повышения надежности дорожных конструкций, качества строительства и долговечности объекта.

За период 2008–2009 гг. (на момент написания статьи не обобщена информация от подразделений за 2010 г.) на 205 объектах проектирования автомобильных дорог и титульных мостов, выполненных ОАО «ГипродорНИИ», в проектных решениях использовано:

• для усиления асфальтобетонных покрытий — более 11 млн м² геосеток;
• для повышения сдвигоустойчивости дискретных слоев основания — около 3 млн м² георешеток и геополотна;
• для повышения несущей способности слабых оснований земполотна — свыше 12 млн м² георешетки, геосетки и геотекстиля;
• для укрепления откосов — около 3 млн м² георешеток, геоматов и геотекстиля.

Однако более масштабному внедрению прогрессивных конструкций и технологий с применением ГМ препятствует отсутствие полноценной нормативно-технической базы, регламентирующей проектные решения в установлении требований к ГМ, и, как следствие, невозможность закладки в проектную документацию объективной системы контроля качества используемых материалов и выполнения конструкций при реализации проекта.

В начале процесса внедрения ГМ был установлен основной принцип рационального их применения: расчет дорожной конструкции с определением «узких мест» работы ее элементов и далее переход к конкретным требованиям для геосинтетических материалов, которые и должны воспринимать дефицит усилий, изменить условия дренирования, обеспечить в целом требуемую надежность и долговечность дорожных сооружений. Именно это позволило в первоначальном объеме определить комплекс требований к ГМ при их совместной работе с конструктивными элементами насыпей, выемок и их естественных оснований.

Если рассмотреть блок нормативных документов по геосинтетике, которые используют производители отечественных материалов, то, с точки зрения проектирования автомобильных дорог, он весьма недостаточен. Во-первых, отсутствуют требования к различным типам материалов, исходя из условий, расчетных схем их работы в конструкции при достижении предельных состояний. Во-вторых, существуют стандарты не на все виды и методы испытаний, а, кроме того, они в достаточной степени устарели, поскольку вся «стандартная» методология была «привязана» к другим отраслям, первоначально применявшим тканые и нетканые синтетические материалы. Причем отрасли не были напрямую связаны с дорожным строительством. В связи с этим производители в последние годы стали ориентироваться на зарубежные требования в основном для сплошных геотекстилей и геосеток.

Типичными документами, характеризующими выпускаемую продукцию в настоящее время, являются технические условия и стандарты организации, которые производители разрабатывают сами. Для применения этих стандартов на автомобильных дорогах общего пользования необходимо согласование Федерального дорожного агентства. К сожалению, по перечню согласованных СТО отсутствует официальная публикация ФДА.

К примеру, за 2008–2009 гг. из общего объема новых технологий, материалов и оборудования, утвержденных к применению Росавтодором, на ГМ приходится всего 14% (7 технологий и материалов), а на битумы и асфальтобетоны — 40% (20 технологий и материалов). В этом наглядно проявляется позиционирование производителей ГМ перед ФДА.

Основными действующими нормативными документами по использованию в дорожном строительстве геосинтетических материалов на сегодняшний день являются:

• СНиП 2.05.02-85* Автомобильные дороги;
• ОДМ 218.5.2003-2010 «Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог», утвержденные к применению распоряжением ФДА № 71-р от 01.02.2010;
• ОДМ 218.5.002-2008 «Методические рекомендации по применению полимерных геосеток (георешеток) для усиления слоев дорожной одежды из зернистых материалов», утвержденные к применению распоряжением ФДА № 203-р от 30.05.2008;
• ОДМ 218.5.001-2009 «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешеток для армирования асфальтобетонных слоев усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог», утвержденные к применению распоряжением ФДА № 502-р от 26.11.2009;
• «Рекомендации по расчету и технологии устройства оптимальных конструкций дорожных одежд с армирующими прослойками при строительстве, реконструкции и ремонте дорог с асфальтобетонными покрытиями», одобренные Минтрансом РФ (письмо от 12.04.93 № НТО-8-6/78).

В СНиП 2.05.02-85*, главном документе по проектированию автомобильных дорог, в основном даны декларативные указания по применению только геотекстильных материалов. Конструктивные расчетные и материаловедческие требования, к сожалению, отсутствуют. Указания касаются применения сплошных геотекстильных материалов только в одном конструктиве автомобильной дороги — в земляном полотне.

В то же время можно привести пример положительного решения вопросов нормирования применения ГМ в Республике Беларусь. Изданный в 2009 г. Технический кодекс установившейся практики «Автомобильные дороги. Земляное полотно. Правила проектирования» не только нормирует применение ГМ, но и дает технические решения их применению.

В этих условиях традиционные подходы к конструированию дорожных одежд и земляного полотна не могут дать надежные долговременные позитивные результаты. Становится невозможной реализация основного инструмента обоснования проектных решений проектировщиками — техникоэкономического сравнения альтернативных вариантов.

Проектировщики лишены возможности прогнозировать работу дорожных конструкций с геосинтетикой из-за полного отсутствия данных длительных наблюдений на реальных объектах в сравнении с параллельными данными в отношении традиционных конструкций без геосинтетики. Техническая эффективность применения ГМ, особенно в качестве конструктивных прослоек в дорожных одеждах и земляном полотне, часто может проявиться только во времени.

В этой ситуации, когда никто не может предъявить результаты, объективно позволяющие оценить эффективность применения новых решений, их защита в органах экспертизы становится весьма проблематичной. Тем более что эффект во многих случаях может возникнуть на стадии эксплуатации дороги (продление межремонтных сроков и т. п.). Для получения таких данных нужны определенные последовательные усилия со стороны дорожной администрации в кооперации с производителями, заинтересованными во внедрении своей продукции.

Согласно закону о техническом регулировании, проектировщик может использовать свои или заимствованные за рубежом расчетные методики, но практика свидетельствует о трудностях применения нормативных документов, не сертифицированных в России. Во многих случаях этому способствует позиция органов государственной экспертизы и заказчиков, не обремененных ответственностью за применение новых технических решений.

В качестве примера можно привести проектные решения по олимпийским объектам, где применение геосинтетических материалов в подпорных стенках было исключено государственными экспертами и соответственно было навязано конструктивное решение в виде монолитного железобетона. И это несмотря на то, что совместно с ООО «Тенсар Интернэшнл» 16 августа 2009 г. проведены динамические испытания фрагмента конструкции армогрунтовой подпорной стенки Тенсар Уолл на сейсмическую устойчивость при воздействии землетрясения, прогнозируемого для региона г. Сочи.

Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 30546.1-98, ГОСТ Р 22.0.03-95, СНиП II-7-81* с учетом ГОСТ 17516.1-90. На сейсмическое воздействие испытывался фрагмент натурной подпорной армогрунтовой стенки с размером фасадной поверхности 3,5×2,6 м. При испытаниях воспроизводилось многокомпонентное движение сейсмоплатформы с параметрами, соответствующими условиям расположения объекта на поверхности грунта в сейсмоопасном (8–9 баллов по шкале MSK-64) г. Сочи.

По результатам проведения испытаний выявлено наличие значительных (в 2–3 и более раз) запасов сейсмостойкости конструкции по отношению к расчетному воздействию.

Сегодня при создании нормативной базы специалисты отмечают целесообразность ориентирования на такие зарубежные методики, как Британский стандарт ВS 8006 «Свод правил по армированию грунтов естественного залегания и насыпных грунтов». Этот стандарт включает правила и требования ко всем видам армирования, в том числе и при использовании геосинтетики. В нем содержатся материалы, которые предназначены как для информации, так и для практического руководства.

В последние годы Британский стандарт нашел свое применение и в отечественной практике, например, при разработке проектных решений по конструкциям земляного полотна для КАД вокруг Санкт-Петербурга. В других странах Европы (таких как Италия, Финляндия и Франция) этот документ принят в качестве основополагающего при расчетах, конструировании, организации работ и разработке технологических регламентов для армогрунтовых сооружений. В ближайшее время должны появиться документы Европейского союза, гармонизированные на основе прежде всего немецких норм, а также Британского стандарта.

Резюмируя анализ состояния дел в области нормативно-технической базы, можно отметить следующее:

1. Зарубежный опыт представлен значительным объемом документов, начиная со стандартов и кончая отдельными инструкциями. Имеются две группы стандартов и документов — американские и европейские, которые в настоящее время гармонизируются для Европейского союза. На их основе выпускаются специальные каталоги по геосинтетике. Отдельные фирмыизготовители различных материалов приводят в своих каталогах их характеристики, требования, области использования, а в некоторых случаях и методики расчетов. Имеются технические условия и требования на поставку и т. д.
2. Отечественная практика характеризуется фрагментарным объемом и номенклатурой документов, которые недостаточно увязаны между собой, в большинстве случаев имеют давний срок издания и лишь в первом приближении могут послужить некоторой основой для создания нормативно-технической базы.

Такая база должна гибко войти в систему нормативных и методических документов дорожного хозяйства. Ее разработка должна быть комплексной — с участием как потребителей, так и производителей — на основе следующих принципов:

• создания общей классификации геосинтетики для дорожного строительства с разграничением областей применения различных материалов отечественного и зарубежного производства в дорожных конструкциях;
• разработки требований к материалам, исходя из условий их работы в дорожной конструкции, расширения областей применения для изменения существующих технологий, обоснования расчетных данных;
• подготовки стандартов и методов на различные виды испытаний геосинтетики согласно существующим требованиям с последующим созданием технических условий для ее производства;
• разработки документов нормативного, инструктивного и методического характера, определяющих технические и технологические принципы работы геосинтетики в дорожных конструкциях;
• создания типовых проектных решений с использованием геосинтетики;
• подготовки специальных документов, определяющих условия поставки потребителям отечественных и зарубежных материалов;
• объединения всех указанных (и не указанных, т. е. еще не учтенных) позиций в общую систему, гибко согласующуюся с нормативными документами потребителей и производителей;
• создания системы сертификации отечественных и зарубежных материалов на основе единой нормативно-технической базы.

Таким образом, использование новых принципов конструирования с введением в дорожные конструкции геосинтетики является объективной необходимостью.

Проблема формирования нормативной базы для проектирования дорожных конструкций, армированных геосинтетическими материалами, заключается в отсутствии системного подхода к разработке моделей деформирования и расчета слоистых конструкций армированными плоскими и пространственными (объемными) структурами.

Общий недостаток существующих подходов при решении этих вопросов заключается в попытках привлечения традиционных методик расчета конструкций со сплошными, однородными, изотропными слоями для расчета армированных конструкций, являющихся, по существу, конструктивно анизотропными.

Необходимы решения задач построения расчетных моделей при армировании объемными и плоскими георешетками, задач установления связей между упругими характеристиками получившегося композитного анизотропного материала и характеристиками заполнителя (грунта или асфальта) и армирующей структуры, а также разработка методов расчета при нагрузках и температурных воздействиях, характерных для всего периода эксплуатации дорожных конструкций.

Конечно, создание целостной нормативной базы, связанной с формированием специальной области знаний геотехнических композитных материалов, аналогичных, к примеру, железобетону, — процесс длительный. Поскольку нормативная база, хотя бы в рамках отдельного свода правил по использованию геосинтетических материалов для дорожного строительства, отсутствует, в ближайшее время встанет вопрос о принятии европейских норм с учетом особенностей грунтовых и климатических условий России. Как следствие, такое решение неизбежно потянет за собой гармонизацию норм для других материалов и, прежде всего, для грунтов. Остается только сожалеть, что проектировщики не имеют возможности оценить зарубежную методику проектирования геотехнических дорожных конструкций, потому что до сих пор не изданы переводы того же Британского стандарта или немецких норм.

Необходимость прохождения государственной экспертизы, все замечания которой направлены на снижение стоимости проекта, заставляет проектировщиков применять более дешевые материалы и решения. Да и в связи с повышением цен на энергоносители следует искать более дешевые материалы и технологии.

Формирование специальной области знаний, развитие методологии расчета и конструирования геотехнических материалов, по существу являющихся новым классом композитных материалов, является сегодня актуальной задачей, решение которой дает возможность удешевления стоимости автомобильных дорог в течение жизненного цикла.

Только базовые знания по рассматриваемому вопросу и соответствующая им подготовка инженеров-проектировщиков способствуют принятию квалифицированных проектных решений. Иначе применение ГМ в дорожных конструкциях будет все более деградировать вплоть до полной дискредитации идеи использования данных материалов в условиях России. Все эти вопросы должны решаться независимыми специалистами, имеющими соответствующую квалификацию в области применения геотехнических технологий в дорожных конструкциях. Их привлечение должно стать важной ответственной инициативой соответствующих государственных структур.

Службы заказчика, определяющие техническое задание на проектирование дорожных объектов и обеспечивающие финансирование, также должны обладать не только необходимым уровнем знаний, но и мотивацией, стимулирующей отход от архаичных конструктивно-технологических решений.

Сегодня в дорожной отрасли действует Закон о техническом регулировании, согласно которому все бывшие нормативы переведены в разряд рекомендательных документов. Закон предусматривает необходимость разработки технических регламентов, которые и должны учитывать современные условия строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Передовые технологии, качественно новые материалы, позволяющие значительно продлить срок службы дорожных сооружений, — все это должно быть учтено в новых технических регламентах и других нормативных документах, предусмотренных Законом о техническом регулировании. При этом необходимо упорядочить многочисленные документы, нередко противоречащие друг другу.

В свое время руководство ФДА высказало критические замечания в адрес проектировщиков, которые по согласованию с заказчиками стали ссылаться в документации не на действующие и определенные Законом о техническом регулировании нормы (технический регламент, национальные стандарты и стандарты организаций), а на материалы и названия известных фирм-производителей. Это действительно недопустимо. В соответствии с постановлением правительства о защите прав потребителей следует считаться не с маркой фирмы, а с параметрами, которые показывает тот или иной материал, то или иное изделие. Но сложившаяся практика, скорее, не вина проектировщиков, а беда состояния нормативной базы.

Проектировщики руководствуются имеющимися методическими рекомендациями, где приводятся в качестве справки физикомеханические показатели продукции ряда производителей. Для определенности проектных решений проектировщики вынуждены делать такие ссылки. В отдельных случаях эксперту не очевидна по приведенным параметрам обоснованность проектных решений. Другая крайность: производители стали угрожать судебными исками к проектной организации в случаях, когда проект с применением геосинтетических материалов получал положительное заключение, но в реальности закупки подрядчиком осуществлялись у другого поставщика.

Должна существовать система мер, стимулирующая и проектировщиков, и строителей применять, реализовывать через проекты новые решения. Когда проектировщики, строители и эксплуатирующие организации будут заинтересованы в конечном результате и совместно отвечать за качество дорог, долговечность и длительность эксплуатации до первичного ремонта, только тогда вопросы применения ГМ будут решаться комплексно, при общей и обоюдной заинтересованности в конечном результате. И начальная инициатива также должна исходить от государственной дорожной структуры.

Введение системы создания и последующей эксплуатации объекта весьма перспективно, что позволит и строителям, эксплуатирующим построенную дорогу, и проектировщикам наконец-то иметь общую заинтересованность.

Кроме того, очень важно создание единой специализированной базы данных об аккредитованных лабораториях, позволяющих проводить качественные и всесторонние исследования используемых материалов в дорожном строительстве, с последующей сертификацией производства данных материалов.

В.И. Тюрин,
заместитель главного инженера,
начальник технического отдела ОАО «ГИПРОДОРНИИ»

Журнал «ДОРОГИ. Инновации в строительстве» № 07, февраль 2011 г.