УДК 624.01:625.8 А.В.Кочетков

УДК 624.01:625.8
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОДНОРОДНОСТИ СВОЙСТВ УКРЕПЛЯЕМЫХ СРЕД
В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА ОСНОВЕ ПЛОСКИХ
ГЕОСЕТОК
А.В.Кочетков1, д-р техн. наук, проф., кафедры «Автомобили и
технологические машины»; Л.В.Янковский1, канд. техн. наук, доцент кафедры
«Автомобили и технологические машины»; Н.Е.Кокодеева2 ,профессор, д-р
техн. наук; Е.М.Хижняк3, директор
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический
университет». Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29.
2
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина
Ю.А.». Россия, ул. Политехническая, 77
3
ООО «ВЗТМ», г. Волжский
1
Рассмотрены вопросы обеспечения однородности свойств укрепляемых
сред в дорожном строительстве на основе плоских геосеток. Ставится цель не
совершенствования дорожных конструкций с применением геосинтетических
материалов, а уменьшения риска недостижения требуемого срока службы –
риска
недостижения целей и требований нормативных документов и
технических регламентов.
Ключевые слова: геосетка, георешётка, дорожная одежда, риск,
техническое регулирование.
ENSURING UNIFORMITY OF PROPERTIES OF STRENGTHENED ENVIRONMENTS
IN ROAD CONSTRUCTION ON THE BASIS OF FLAT GEOGRIDS
And. Century Kochetkov1; L.V.Yankovskiy1; N.E.Kokodeeva2 , E.M.Khizhnyak3
1
Perm National Research Polytechnical University, Russia, 614990, Perm, Komsomolsky Ave,
29.
2
Saratov state technical university of a name of Gagarin Yu.A., Russia, Saratov,
Politekhnicheskaya St., 77, soni.81@mail.ru
3
JSC VZTM, Volgskiy
Questions of ensuring uniformity of properties of strengthened environments in road construction
on the basis of flat geogrids are considered. In this work the purpose not improvement of road
designs with application of geosynthetic materials, and reduction of risk of not achievement of
demanded service life – risk of not achievement of the objectives and requirements of normative
documents and technical regulations is set.
Keywords: geogrid, geolattice, road clothes, risk, technical regulation.
1
Геосинтетические материалы - класс строительных материалов, как
правило, синтетических, а также из другого сырья (минерального, стекло или базальтовые волокна и др.), поставляемых в сложенном компактном виде
(рулоны, блоки, плиты и др.), предназначенных для создания дополнительных
слоев (прослоек) различного назначения (армирующих, дренирующих, защитных, фильтрующих, гидроизолирующих, теплоизолирующих) в строительстве
(транспортном, гражданском, гидротехническом) и включающий следующие
группы материалов: геотекстильные материалы, георешетки, геокомпозиты,
геооболочки, геомембраны, геоплиты и геоэлементы и др. (рис. 1). В качестве
расширения этого предметного термина предлагается использовать термин
«геоимплантат» [1, 2, 3, 4].
а
б
Рис.1. Примеры геосинтетических материалов: а - геосетка [5]; б - георешётка [6]
При работе сетки в режиме изгиб-растяжение образуется горизонтально
устойчивый каркас, предназначенный для фиксации укрепляемой среды
(грунт, песок, щебень и т.д.). Геосетку применяют для закрепления грунтов,
армирования оснований, гидротехнических сооружений, укрепления конусов
и откосов, оборудования подпорных стен, обваловки трубопроводов, для
противоэрозионной защиты поверхностных слоев земли на склонах и др.
Армирующий эффект основан на способности синтетического
материала воспринимать растягивающие напряжения, работая совместно с
укрепляемой средой (грунт, грунт-жидкость, лед, грунт-лед и др.). В данном
случае важен эффект безлюфтовой работы геосетки. При деформациях
геосетка включается в работу, воспринимая часть вертикальной нагрузки и
перераспределяя напряжения.
В данной работе ставится цель не совершенствования дорожных
конструкций с применением геосинтетических материалов, а (в соответствии
с ФЗ «О техническом регулировании») уменьшения риска недостижения
требуемого срока службы – риска недостижения целей и требований
нормативных документов и технических регламентов. Поэтому актуальна
задача уменьшения степени риска через нормирование риска на основе
среднеквадратического отклонения и коэффициента вариации и повышения
однородности свойств укрепляемой среды.
Анализ применения дорожных конструкций с использованием геосинтетических материалов и изделий из них, проведенный на основе банка данных
2
прогрессивных технических решений дорожного хозяйства, совмещенный с
результатами изменения технико-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог (АБДД «Дорога», ФГУП «РОСДОРНИИ») показал в ряде
случаев отсутствие положительного эффекта от их применения.
Зарегистрировано, что во многих случаях происходило изменение
проектных решений конструкций автомобильных дорог под возможности
ограниченной номенклатуры производителей геосинтетических материалов и
изделий, что приводило к удорожанию конструкции автомобильной дороги в
целом, а также к недоуплотнению заполнителя в ячейках георешетки и к
недостижению требуемого эффекта повышения устойчивости сооружения.
Это связано с тем, что, например, пылевато-глинистым грунтам
присущи свойства, связанные с их набуханием и изменением их свойств в
процессе водонасыщения. Часты случаи, связанные с последствиями невыполнения требований нормативной документации. Применительно к дорожному строительству следует рассматривать зернистую среду, слоистую среду
и подобное им. Свойства этих сред действительно не однородны и изменяются с течением времени под воздействием различных факторов. Решение
комплекса этих задач невозможно на основе существующих возможностей
ограниченной номенклатуры материалов и изделий геосинтетики.
Традиционно
используемый
путь
проектирования
дорожных
конструкций с применением геосинтетики на основе математического
моделирования или вычислительного расчета неэффективен из-за
значительной вариативности климатических условий и характеристик
укрепляемой среды. Нереально промоделировать всевозможные сочетания
этих
параметров.
Единственным
объектом,
сохраняющим
свои
характеристики в ограниченном диапазоне, о котором имеется заранее
достоверная информация, является сам геосинтетический материал или
изделие. Отметим, что основная функция геотехнической арматуры – работа
на растяжение и изгиб в отличие от функции георешетки – ограничение
степени свободы для материала среды.
Поэтому важно не многовариантное проектирование грунтовых или
дорожных конструкций с применением геосинтетических материалов и
изделий, а конструирование и дизайн изделий геосинтетики для достижения
планируемых положительных эффектов: дополнительного приращения
сопротивления нагрузки, приращения срока службы, приращения параметров
устойчивости, приращения рыночной стоимости объекта. Это может быть
достигнуто на основе мелкосерийного переналаживаемого производства
геосинтетических материалов и изделий, обеспечивающего возможность
оптимизации их параметров на этапе конструирования по гидроклиматическим и размерно-механическим и другим данным участка
укрепляемой среды.
Учитывая анализ ФЗ № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности
зданий и сооружений», № 257-ФЗ «Об автомобильных дорогах и о дорожной
деятельности…», ФЗ №184-ФЗ «О техническом регулировании», а также ОДН
3
218.046-01, разработана базовая классификация автомобильных дорог по
степени ответственности (таблица 1), на основе: 1) уровней ответственности и
коэффициентов надежности по ответственности; 2) требуемых минимальных
коэффициентов прочности при заданных уровнях надежности для дорожных
одежд нежесткого типа; 3) недопустимого риска и коэффициента вариации
качества автомобильной дороги.
Таблица 1 Классификация автомобильных дорог по степени ответственности
-
0,02
1,1
1,29
> 0,02
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1, 0
1,0
1,3
1,2
1,17
1,17
1,17
1,17
1,13
> 0,05
> 0,05
> 0,05
> 0,05
> 0,05
> 0,05
> 0,05
-
-
-
0,05
0,05
0,1
0,3
1,0
1,0
0,94
0,94
0,9
0,87
0,94
0,94
0,9
0,87
0,94
0,87
0,8
0,94
0,9
0,87
0,94
0,87
0,8
1,17
1,13
1,1
1,1
1,06
1,02
1,1
1,1
1,06
1,02
1,06
0,98
0,9
1,1
1,06
1,02
1,06
0,98
0,9
> 0,05
> 0,05
> 0,1
> 0,1
> 0,15
> 0,2
> 0,1
> 0,1
> 0,15
> 0,2
> 0,1
> 0,2
> 0,3
> 0,1
> 0,15
> 0,2
> 0,1
> 0,2
> 0,3
-
-
-
> 0,3
0,2
0,1
0,2
0,3
0,2
> 0,02
≤0,15
Пониженная
-
Средняя
≤0,1
-
> 0,05
≤0,2
Повышенная
0,02
0,02
0,02
Недопустимый
риск
Предельный
коэффициент
разрушения
(предельный
допустимый риск)
Заданная
надежность
Категория
дороги
I
0,98
II
0,98
III
0,98
Капи- основные
внутризав
≥1,1 тальный
одские
дороги
предприятий
Облегченн
III
0,98
ый
I
0,95
II
0,95
Капитальный
III
0,95
IV
0,95
III
0,95
IV
0,95
≥1,0
V
0,95
Облегчен
прочие
ный
внутризав
одские
дороги
IV
0,95
Переходный
V
0,95
III
0,9
Капиталь
0,9
ный
IV
0,85
0,8
III
0,9
0,9
IV
0,85
Облегчен
0,80
ный
0,9
V
0,8
≥0,8
0,7
0,9
IV
0,85
Пере0,8
0,9
ходный
V
0,8
0,7
Временные
Низший
дороги
Требуемый
коэффициент
прочности
сдвига
и
растяжени упругого
я
прогиба
при
изгибе
1,1
1,50
> 0,02
1,1
1,38
> 0,02
1,1
1,29
> 0,02
Коэффициент
вариации
качества
автомобильной
дороги
Степень риска
В соответствии
с ФЗ № 184-ФЗ
и ФЗ № 257-ФЗ
С учетом структуры
ОДН 218.046-01
Тип дорожной
одежды
Коэффициент
надежности
Признак
ответственности
Сооружения, отнесенные
к особо опасным,
технически сложным или
уникальным объектам
Сооружения, за исключением
зданий и сооружений
повышенного и пониженного
уровней ответственности
Сооружения временного (сезонного)
назначения, а также сооружения
вспомогательного использования
III
Пониженный
II
Нормальный
I
Повышенный
Уровень
ответственности
сооружения
В соответствии
с ФЗ № 384-ФЗ
4
В качестве процедуры исследования технического риска возникновения
вреда окружающей среде выполнено обоснование нового критерия качества
строительства автомобильной дороги на основе оценки допустимых средних
квадратических отклонений параметров автомобильной дороги [7, 8, 9].
Разработана методика оценки эффективности управления риском при
выборе проектного решения (на примере использования геосинтетического
материала при проектировании дорожных одежд нежесткого типа)., что
увеличение вероятности нарушения монолитных слоев при изгибе в большей
степени вызвано ростом коэффициента вариации суммарной толщины
асфальтобетонных слоев нежели увеличением коэффициента вариации
общего модуля упругости на поверхности основания и коэффициента
вариации среднего модуля упругости слоев асфальтобетона.
На рис. 2. представлена графическая интерпретация влияния наличия
геосетки в дорожной конструкции на уменьшении области риска.
f (σ)
Конструкция без геосетки
Отличное качество строительства
f (σr)
f (σКР)
σr=0,765
σ, МПа
σКР=1,32
Р и с к
1
Область риска
0,5
rmin
rожид=
=0,0281
0
rmax
σr=0,765
σКР=1,32
σ, МПа
f (σ)
Конструкция с геосеткой
Отличное качество строительства
f (σr)
f (σКР)
σКР=1,89
σr=0,765
σ, МПа
Р и с к
1
Область риска
0,5
rmin
0
rожид=
=0,0019
σr=0,765
rmax
σКР=1,89
σ, МПа
Рис. 2. Уменьшение области риска возникновения трещин в монолитном слое при изгибе в
случае использования в конструкции дорожной одежды геосетки
5
В России для изготовления геосеток применяются самые разные
материалы. Это и стекловолокно, и полипропиленовые, и базальтовые
волокна и др. На выбор правильного материала влияют следующие моменты:
температура плавления материала должна превышать температуру горячих
асфальтобетонных смесей; модуль упругости армирующей сетки должен быть
больше модуля упругости асфальтобетона; сцепление между асфальтом и
армирующей сеткой должно быть достаточным, что бы распределить
растягивающие напряжения в смежные участки покрытия, при этом нужно
учесть факторы, влияющие прочность этого сцепления.
Геосетки из полимерных волокон (в основном, из ПЭФ нитей) отличаются высокими механическими характеристиками и применяются для
создания армирующих прослоек. Подобными геосетками армируют основания
дорожных одежд из крупнофракционных материалов, откосы насыпей. При
армировании верхних слоев дорожных одежд наряду с геосетками из ПЭФ
нитей широко применяются геосетки из стекло- или базальтового волокна.
Геосетки из стекло- или базальтового волокна имеют сходные и превосходящие геосетки их ПЭФ нитей механические характеристики, однако их свойства менее стабильны в сравнении с полимерными геосетками по отношению
к возможным агрессивным воздействиям в процессе эксплуатации.
Основные недостатки стеклосеток и базальтовых сеток:
1) Невозможность пропитки стекловолокна битумом (возможна только
обмазка поверхности стекловолокна битумом, поэтому стекловолокно
является инородным телом между слоями асфальтобетона) - аналогичные
проблемы по сцеплению с асфальтобетоном у сеток из базальта и
металлических сеток;
2) Плохое сцепление стеклосеток с асфальтобетоном;
3) Плохое сопротивление стеклосетки агрессивным средам и воде - по
имеющимся приведенным испытаниям потеря прочности через 7 суток около 10%, в известковом молоке - около 30 % от первоначальной прочности.
Это крайне негативно сказывается на поведении стекловолокна в грунтовых
конструкциях - в связи с резкой потерей прочности от воздействия грунтовых
вод и переносимых водами частицами материалов;
4) Высокая потеря прочности стекловолокна или базальтовых сеток при
укладке и уплотнении асфальтобетонной смеси или вышележащего слоя
грунта, что связано с низкой стойкостью сырья указанных материалов к
механическим повреждениям и динамическим воздействиям;
5) Недостаточное сопротивление сдвиговым нагрузкам, что ведет к
истиранию материала в покрытии (это обусловлено беспорядочной структурой волокон стеклосетки). Зафиксированы случаи, когда через 3 года эксплуатации асфальтобетонного покрытия стеклосетки истирались в белый порошок. В грунтах в странах Европы стеклосетки не применяются, так как потеря
прочности геосетки происходит быстрее и больше, чем в асфальтобетоне;
6
6) Стеклосетка разделяет слои асфальтобетона, что ведет к затруднению
передачи транспортных нагрузок на нижележащие слои дорожной
конструкции, увеличению износа асфальтобетона и ускоренному образованию
колеи, волн, гребенок и других деформаций асфальтобетонных покрытий;
7) Различные коэффициенты (отличие - порядка 12..20 раз)
температурного расширения стеклосетки ухудшают и без того неидеальную
совместную работу стекловолокна и асфальтобетона;
8) Геосетка из стекловолокна и базальта плохо воспринимает динамические нагрузки, из-за которых относительные перемещения между асфальтобетоном и стеклосеткой могут практически полностью разрушить волокна;
9) Стекловолокно являются очень хрупким материалом и при любой
перерезающей нагрузке разрушается; после фрезеровки асфальтобетона
необходимо создавать дополнительный выравнивающий слой.
Ряд производителей стеклосеток в качестве прочности материала
указывают прочность отдельной ниточки (стекловолокна). Когда из этих
волокон производят геосетку, то около 40 % исходной прочности теряется за
счет трения в узлах, трения соседних ниточек друг о друга и некоторых
потерь прочности, связанных с производством.
Предлагаемые на рынок геосетки АГМ-дор и АГМ-Грунт производства
ОАО «ВАТИ» обладают свойством отсутствия люфта, при распределении
легко приобретают плоскую форму или требуемую форму укрепляемой поверхности, из-за использования немецкой пропитки органичны с укрепляемой
средой, могут изгибаться с растяжением, обтягивать непрямолинейные поверхности, поверхности со знакопеременной кривизной. После их монтажа не
требуется технологической операции калибровки. Применение продукции
ОАО «ВАТИ» также позволяет эффективно решить задачу выравнивания
гидростатического давления в дорожных покрытиях ездового полотна эстакад
аэропортов. Новыми возможностями обладает и композиционный материал
АГМ-Композит в виде нетканого полотна, усиленного сеткой из полиэфирных
нитей. В качестве уникального предложения могут быть поставлены
геосинтетические материалы из кевлара, а также других материалов.
Фактически работа с этими материалами и изделиями аналогична
особенностям формообразования и ремонта объемных и силовых элементов
самолета (объемная обтяжка, плоская гибка с растяжением).
Сетка АГМ-Дор. Основное применение выполняет функцию
армирования используется в процессе укладки асфальтобетона при
строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог и аэродромов.
Преимущества использования: увеличивает несущую способность дорожного
покрытия, обеспечивает равномерное распределение горизонтальных сил
(напряжений) на большую площадь. Применение геосетки уменьшает
образование колеи в зонах высоких транспортных нагрузок и снижает
вероятность появления гребенки в местах интенсивного разгона-торможения,
создавая эффект равномерного распределения нагрузки; предотвращает
распространение отраженных трещин в асфальтобетонном покрытии;
7
обеспечивает высокую прочность соединения с асфальтом за счет битумной
пропитки увеличивает межремонтные сроки проведения ремонтных работ
(таблица 2).
Таблица 2 Технические характеристики геосетки АГМ-Дор
Технические характеристики материала
Тип сырья
100% полиэфир
Разрывная нагрузка, кН/м, в
продольном/поперечном
50/50
100/100
Тип пропитки
Битумная дисперсия
40х40 может производиться с
Размер ячейки, мм х мм (стандартный)
различными размерами ячеек
Удлинение при разрыве, %, не более
13
Ширина, м
1,00-5,40
Длина, м
50-300
Форма поставки
в рулонах
Технический документ
СТО 00149363-314-2009
Сетка АГМ-Грунт. Основное применение: выполняет функцию разделения и армирования армирование всех типов слабых оснований, армирование
насыпей дорог, парковок, железнодорожных путей и аэропортов Преимущества использования: разделяет щебеночный слой от насыпного грунта (песок),
с целью предотвращения смешивания их между собой обеспечивает максимальную прочность на сдвиг. Обеспечивает равномерное распределение напряжений на большую площадь, увеличивает несущую способность насыпного слоя и основания высокая устойчивость к колебаниям температуры, высокий уровень сопротивления микробиологическому воздействию (таблица 3).
Таблица 3 Технические характеристики геосетки АГМ-Грунт
Технические характеристики материала
Тип сырья
100% полиэфир
Разрывная нагрузка, кН/м, в
100/10
20/20
30/30
50/50
70/70
продольном/поперечном
0
Тип пропитки
ПВХ
Размер ячейки, мм х мм
40х40 может производиться с различными
(стандартный)
размерами ячеек
Удлинение при разрыве, %,
не более
13
Ширина, м
1,00-5,40
Длина, м
50-300
форма поставки
в рулонах
Технический документ
СТО 00149363-316-2009
В целом для практики применения геосинтетических материалов
перспективно совершенствование не показателей геосетки как материала, а
технологий ее монтажа на укрепляемой поверхности.
8
Исследование проведено при финансовой поддержке государства в лице
Минобрнауки России из федерального бюджета в рамках реализации
федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России» на 2009–2013 годы, соглашение № 14.В37.21.1222.
Библиографический список
1. Инновации в геоимплантатах: экопаркинги для мегаполисов / Н.Е.
Кокодеева, А.Л.Земляк, М.В. Степанов, А.В. Кочетков // Строительные материалы.
– 2011. – № 2. –С. 35-38.
2. Кочетков А.В. Геоимплантат как новый предметный термин в
геосинтетике // Строительные материалы. – 2010. – №2. – С. 36.
3. Янковский Л.В. Классификация геоимплантатных конструкций,
используемых при строительстве и ремонте транспортных объектов // Строительные
материалы. – 2011. – №7. – С. 51-53.
4. Янковский Л.В., Кочетков А.В. Применение геоимплантатных
конструкций для создания экопаркингов // Экология и промышленность России. –
2011. – май. – С. 32-34.
5. [Электронный ресурс]. – URL: http: // ru.all.biz / img / ru / catalog /
763792.jpeg (дата обращения 19.09.2011).
6. [Электронный ресурс]. – URL: http: // img.vl.ru / i / catalog /
add_images/18003/comp_8671_big_dorogi_geosintetika.jpg
(дата
обращения
19.09.2011).
7. Н.Е.
Кокодеева,
В.В.
Столяров.
Методическое
обеспечение
проектирования дорожных одежд нежесткого типа с применением геоматериалов с
учетом принципов технического регулирования (на основе теории риска) //
Строительство и реконструкция. Известия Орел ГТУ. – 2010. – № 4/30(5966). – С.
59-66.
8. Кокодеева
Н.Е.
Принципы
технического
регулирования
при
проектировании дорожных одежд нежесткого типа с применением геоматериалов
(на основе теории риска) // Строительные материалы. – 2011. –№1. С. 25-28.
9. Кокодеева Н.Е., Кочетков А.В., Янковский Л.В. Методические подходы
реализации принципов технического регулирования в дорожном хозяйстве // Охрана
окружающей среды. Транспорт. Безопасность жизнедеятельности: Вестник ПГТУ. –
Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011. – №1. – С. 44-56.
10. Столяров В. В., Кокодеева Н. Е. О системе технического регулирования //
Техническое регулирование в транспортном строительстве. – 2013. – № 1; URL:
trts.esrae.ru/1-2.
11. Кокодеева Н. Е. Проектирование, строительство и эксплуатация
транспортных сооружений по условию обеспечения безопасности движения с
учетом теории риска // Техническое регулирование в транспортном строительстве. –
2013. – № 1; URL: trts.esrae.ru/1-3.
12. Янковский Л. В., Кокодеева Н. Е., Аржанухина С. П. Техническое
регулирование – основа технической веры 21 века // Техническое регулирование в
транспортном строительстве. – 2013. – № 1; URL: trts.esrae.ru/1-4.
9