Геосинтетические материалы (НТЦ ТэкПро г. Москва)
Геосинтетические материалы в строительстве транспортных сооружений на территориях с распространением карстовых процессов и в зонах горных выработок
Современное строительство сегодня все больше направлено на реконструкцию имеющихся поселений и промышленных комплексов и соответственно, на существующую транспортную систему [1]. В связи с этим, инженеру-строителю и инженеру-геологу все чаще приходится использовать уже измененную геологическую среду, и возводить («переделывать») сооружения в условиях существующих сооружений.
Нерациональное использование природных ресурсов (добыча полезных ископаемых) приводит к увеличению площади территорий отработанных месторождений и горных выработок, которые все чаще выступают в роли основания, среды и материала для возведения инженерных сооружений, в частности, железных и автомобильных дорог.
Проблемы строительного освоения закарстованных территорий и развитие промышленных районов являются весьма актуальными в настоящее время, как в России, так и за рубежом. Карстовые явления распространены чрезвычайно широко. Примерно треть площади суши земного шара имеет возможности для развития карста. Карстовые формы рельефа развиваются везде, где присутствуют карстующиеся породы — известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, каменные соли.[1].
Карст представляет собой совокупность геологических, гидрологических и/или техногенных процессов и явлений, обусловленных растворением скальных или полускальных горных пород, в результате которых происходят изменения структуры и состояния вышележащих пород, образование каверн, полостей, трещиноватых, разуплотненных зон, и связанных с ними, деформаций земной поверхности и оснований сооружений (провалы, оседания и т.п.) [6].
Транспортные коридоры, прокладываемые по территориям с подповерхностными пустотами различного происхождения (подрабатываемые территории в зонах шахтного строительства, территории с карстовыми процессами), в процессе эксплуатации могут испытывать значительные деформации, которые могут привести к разрушению инженерных сооружений.
При строительном освоении закарстованных территорий, проектировщик
сталкивается с рядом проблем, таких как:
разработка методики и техники изысканий для различных видов строительства и типов сооружений на разных стадиях проектирования;
прогноз карстоопасности и риска;
определение характера и степени влияния хозяйственной деятельности на карстовый процесс;
определение необходимости, характера и объемов противокарстовой защиты;
назначение параметров проектирования противокарстовых мероприятий.
Несмотря на то, что карстовые явления существенно осложняют строительство, территории их распространения, особенно в последние десятилетия, интенсивно осваиваются. Это объясняется, прежде всего, дефицитом свободных территорий для строительства. Кроме того, строительство таких сооружений, как железные и автомобильные дороги, нефтегазопроводы, складские помещения, полигоны ТБО и ПО, контейнерные терминалы, в обход закарстованных территорий, зачастую, бывает экономически невыгодным.
При строительстве инженерных сооружений, для предотвращения карстообразования, в настоящее время широко используются такие методы искусственного укрепления грунтов, использующиеся в целях улучшения их строительных свойств, как: цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация, методы электрохимического или термического воздействия, искусственное замораживание, устройство свайных оснований. [1]
Концепция армирования грунтов, как метод улучшения их свойств, при строительстве транспортных сооружений, в частности, железных дорог, на территориях, подверженных карстообразованию, особенно в условиях стесненной городской и/или промышленной застройки, имеет большое научное и практическое значение. [2] Армогрунтовые конструкции нашли широкое применение в строительной практике, как за рубежом, так
и в России, особенно, в последние десятилетия, в связи с появлением специальных высокопрочных армирующих геосинтетических материалов.
Компания Huesker Synthetic GmbH (Германия) — признанный мировой лидер на рынке геосинтетики, сегодня имеет в своем багаже сотни марок и типов конструкционных геосинтетических материалов, специально разработанных и изготовленных для решения определенных технических задач в транспортном строительстве. [4]
Армирование грунта высокомодульными геосинтетиками нового поколения (как правило, это георешетки Фортрак, геоткани Стабиленка, композиционные материалы Комтрак, Хате, Рингтрак
и т.п.) позволяет исключить такие опасные составляющие карстового проявления, как внезапность и катастрофичность. Правильно сконструированная армогрунтовая конструкция насыпи земляного полотна железной дороги, подверженная внезапно появившейся под ней карстовой полости, за счет перераспределения нагрузок на всю ширину армирования способна функционировать, не приводя к внезапным провалам, непосредственно, проезжей части. О наличии под дорогой карстовой полости, в этом случае, можно судить по осадке дорожного полотна и вовремя предотвратить обрушение, а также принять меры по ликвидации последствий данного процесса.
Наша компания на сегодняшний день имеет опыт проектирования и строительства дорог на территориях, подверженных карстообразованию, например, насыпь автомобильной дороги в Нижегородской области на участке «Павлово-Сосновское — Лесуново — Мухтолово — Саконы» на км 13+600 в Сосновском районе. На данном участке трассы образовался провал диаметром, примерно, 4,30 м (ширина проезжей части – 7,0 м). Необходимо было разработать проект реконструкции насыпи земполотна на данном участке для скорейшего восстановления движения транспорта. По данным инженерно-геологических изысканий зона перекрытия провальной впадины в пределах земляного полотна автодороги должна быть не менее, чем 15,0 м, то есть, от центра существующего провала минимум по 7,5 м в поперечном и в продольном направлениях. Строительство и проектирование конструкции насыпи земполотна на участке провала осложнялись тем, что на участке провала имеет место замачивание грунтовой толщи со стороны верхней части склона. Избыточное переувлажнение грунтов в верхней части склона и дополнительная пригрузка тела насыпи создают предпосылки деформаций грунтов над зонами разгрузки.
Вокруг провала существует ослабленная зона, размер которой по данным изысканий достигает 6–9 м вокруг провальной впадины. Геологическое строение рассматриваемой площадки представлено современными и четвертичными отложениями, в частности: современные отложения — насыпной грунт, представленный суглинком, песком и щебнем. Данные отложения имеют мощность от 0,5 до 1,80 м; средне-четвертичные отложения представлены: суглинком мягкопластичным, текучепластичным мощностью слоя от 3,5 м до 5,6 м; глиной тугопластичной, прослоями мягкопластичной и текучепластичной консистенции. Общая мощность глин составляет 7,7—11,2 м.
Расчет армирования и проектные предложения разработаны на основе европейских норм и правил по применению геосинтетических материалов в грунтовом строительстве и указаний по армированию грунтов с применением геосинтетических материалов EBGEO (ФРГ)
и BS 8006:1995 (Великобритания),
а также СНиП 2.02.01.-83 «Основания зданий и сооружений».
Цели расчетов:
- определение растягивающего усилия, возникающего в армирующей прослойке, и подбор ее типа из условия долговременной прочности на разрыв;
- определение необходимой длины анкеровки армирующей прослойки;
- определение общей устойчивости.
Армирование грунта в качестве противокарстового мероприятия, которое воздействует на покрывающую толщу карстующихся пород, предполагалось произвести до начала строительства земляного полотна насыпи автодороги. Принцип воздействия данного мероприятия заключается в непосредственном влиянии на естественный ход карстового процесса.
На основании анализа данных Заказчиком проектных предложений поликвидации карстового провала вариант применения армогрунтовой конструкции является наиболее эффективным,
и надежным, с точки зрения геоэкологической безопасности и последующей эксплуатации автодороги. В качестве армирующего слоя для конструкции перекрытия провала была использована высокопрочная георешетка марки Fortrac R1200/100-10 AM с максимальной кратковременной прочностью на разрыв FBko=1 200 кН/м
в продольном направлении.
P>
Современное строительство сегодня все больше направлено на реконструкцию имеющихся поселений и промышленных комплексов и соответственно, на существующую транспортную систему [1]. В связи с этим, инженеру-строителю и инженеру-геологу все чаще приходится использовать уже измененную геологическую среду, и возводить («переделывать») сооружения в условиях существующих сооружений.
Нерациональное использование природных ресурсов (добыча полезных ископаемых) приводит к увеличению площади территорий отработанных месторождений и горных выработок, которые все чаще выступают в роли основания, среды и материала для возведения инженерных сооружений, в частности, железных и автомобильных дорог.
Проблемы строительного освоения закарстованных территорий и развитие промышленных районов являются весьма актуальными в настоящее время, как в России, так и за рубежом. Карстовые явления распространены чрезвычайно широко. Примерно треть площади суши земного шара имеет возможности для развития карста. Карстовые формы рельефа развиваются везде, где присутствуют карстующиеся породы — известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, каменные соли.[1].
Карст представляет собой совокупность геологических, гидрологических и/или техногенных процессов и явлений, обусловленных растворением скальных или полускальных горных пород, в результате которых происходят изменения структуры и состояния вышележащих пород, образование каверн, полостей, трещиноватых, разуплотненных зон, и связанных с ними, деформаций земной поверхности и оснований сооружений (провалы, оседания и т.п.) [6].
Транспортные коридоры, прокладываемые по территориям с подповерхностными пустотами различного происхождения (подрабатываемые территории в зонах шахтного строительства, территории с карстовыми процессами), в процессе эксплуатации могут испытывать значительные деформации, которые могут привести к разрушению инженерных сооружений.
При строительном освоении закарстованных территорий, проектировщик
сталкивается с рядом проблем, таких как:
разработка методики и техники изысканий для различных видов строительства и типов сооружений на разных стадиях проектирования;
прогноз карстоопасности и риска;
определение характера и степени влияния хозяйственной деятельности на карстовый процесс;
определение необходимости, характера и объемов противокарстовой защиты;
назначение параметров проектирования противокарстовых мероприятий.
Несмотря на то, что карстовые явления существенно осложняют строительство, территории их распространения, особенно в последние десятилетия, интенсивно осваиваются. Это объясняется, прежде всего, дефицитом свободных территорий для строительства. Кроме того, строительство таких сооружений, как железные и автомобильные дороги, нефтегазопроводы, складские помещения, полигоны ТБО и ПО, контейнерные терминалы, в обход закарстованных территорий, зачастую, бывает экономически невыгодным.
При строительстве инженерных сооружений, для предотвращения карстообразования, в настоящее время широко используются такие методы искусственного укрепления грунтов, использующиеся в целях улучшения их строительных свойств, как: цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация, методы электрохимического или термического воздействия, искусственное замораживание, устройство свайных оснований. [1]
Концепция армирования грунтов, как метод улучшения их свойств, при строительстве транспортных сооружений, в частности, железных дорог, на территориях, подверженных карстообразованию, особенно в условиях стесненной городской и/или промышленной застройки, имеет большое научное и практическое значение. [2] Армогрунтовые конструкции нашли широкое применение в строительной практике, как за рубежом, так
и в России, особенно, в последние десятилетия, в связи с появлением специальных высокопрочных армирующих геосинтетических материалов.
Компания Huesker Synthetic GmbH (Германия) — признанный мировой лидер на рынке геосинтетики, сегодня имеет в своем багаже сотни марок и типов конструкционных геосинтетических материалов, специально разработанных и изготовленных для решения определенных технических задач в транспортном строительстве. [4]
Армирование грунта высокомодульными геосинтетиками нового поколения (как правило, это георешетки Фортрак, геоткани Стабиленка, композиционные материалы Комтрак, Хате, Рингтрак
и т.п.) позволяет исключить такие опасные составляющие карстового проявления, как внезапность и катастрофичность. Правильно сконструированная армогрунтовая конструкция насыпи земляного полотна железной дороги, подверженная внезапно появившейся под ней карстовой полости, за счет перераспределения нагрузок на всю ширину армирования способна функционировать, не приводя к внезапным провалам, непосредственно, проезжей части. О наличии под дорогой карстовой полости, в этом случае, можно судить по осадке дорожного полотна и вовремя предотвратить обрушение, а также принять меры по ликвидации последствий данного процесса.
Наша компания на сегодняшний день имеет опыт проектирования и строительства дорог на территориях, подверженных карстообразованию, например, насыпь автомобильной дороги в Нижегородской области на участке «Павлово-Сосновское — Лесуново — Мухтолово — Саконы» на км 13+600 в Сосновском районе. На данном участке трассы образовался провал диаметром, примерно, 4,30 м (ширина проезжей части – 7,0 м). Необходимо было разработать проект реконструкции насыпи земполотна на данном участке для скорейшего восстановления движения транспорта. По данным инженерно-геологических изысканий зона перекрытия провальной впадины в пределах земляного полотна автодороги должна быть не менее, чем 15,0 м, то есть, от центра существующего провала минимум по 7,5 м в поперечном и в продольном направлениях. Строительство и проектирование конструкции насыпи земполотна на участке провала осложнялись тем, что на участке провала имеет место замачивание грунтовой толщи со стороны верхней части склона. Избыточное переувлажнение грунтов в верхней части склона и дополнительная пригрузка тела насыпи создают предпосылки деформаций грунтов над зонами разгрузки.
Вокруг провала существует ослабленная зона, размер которой по данным изысканий достигает 6–9 м вокруг провальной впадины. Геологическое строение рассматриваемой площадки представлено современными и четвертичными отложениями, в частности: современные отложения — насыпной грунт, представленный суглинком, песком и щебнем. Данные отложения имеют мощность от 0,5 до 1,80 м; средне-четвертичные отложения представлены: суглинком мягкопластичным, текучепластичным мощностью слоя от 3,5 м до 5,6 м; глиной тугопластичной, прослоями мягкопластичной и текучепластичной консистенции. Общая мощность глин составляет 7,7—11,2 м.
Расчет армирования и проектные предложения разработаны на основе европейских норм и правил по применению геосинтетических материалов в грунтовом строительстве и указаний по армированию грунтов с применением геосинтетических материалов EBGEO (ФРГ)
и BS 8006:1995 (Великобритания),
а также СНиП 2.02.01.-83 «Основания зданий и сооружений».
Цели расчетов:
- определение растягивающего усилия, возникающего в армирующей прослойке, и подбор ее типа из условия долговременной прочности на разрыв;
- определение необходимой длины анкеровки армирующей прослойки;
- определение общей устойчивости.
Армирование грунта в качестве противокарстового мероприятия, которое воздействует на покрывающую толщу карстующихся пород, предполагалось произвести до начала строительства земляного полотна насыпи автодороги. Принцип воздействия данного мероприятия заключается в непосредственном влиянии на естественный ход карстового процесса.
На основании анализа данных Заказчиком проектных предложений поликвидации карстового провала вариант применения армогрунтовой конструкции является наиболее эффективным,
и надежным, с точки зрения геоэкологической безопасности и последующей эксплуатации автодороги. В качестве армирующего слоя для конструкции перекрытия провала была использована высокопрочная георешетка марки Fortrac R1200/100-10 AM с максимальной кратковременной прочностью на разрыв FBko=1 200 кН/м
в продольном направлении.
Рис. 1. Техническое решение по ликвидации карстового провала на автодороге «Лесуново — Саконы» в Нижегородской области, км 13+600. (2005-2006 гг.).
Вероятностный подход к оценке потенциальной карстоопасности не позволяет однозначно ответить на вопросы: где именно, когда и какого размера ожидается карстовая деформация на земной поверхности. В таких случаях при проектировании «Противокарстовых» мероприятий необходимо учитывать категорию устойчивости территории, вероятность образования провалов определенных размеров, степень ответственности проектируемого сооружения и т.п. Решение целесообразно искать в рациональном сочетании мероприятий предпостроечного, строительного и эксплуатационного периодов. Отсюда и возникает необходимость комплексного подхода к организации противокарстовой защиты строительных объектов на основе проектирования оптимального решения, включающего такие элементы, как, изыскания, строительство, эксплуатация.
Техническое решение с армированием грунта позволило сократить сроки строительства и выполнить работы по устройству дорожной одежды непосредственно после возведения земляного полотна автодороги. Для выравнивания осадок и обеспечения устойчивости насыпи армирование основания насыпи является обоснованным и обязательным.
Для оптимизации проектного решения и совершенствования метода расчета Заказчику было рекомендовано проведение натурного эксперимента и организация наблюдений за построенным сооружением.
Уникальное техническое решение в экстремальных условиях в г. Греберсе (Германия) было разработано проектной организацией совместно с компанией Huesker Synthetic GmbH при строительстве железнодорожного узла с 7-ю параллельными ж/д путями для скоростных поездов на участке с опасностью возникновения провалов в горнопромышленном районе (см. рис.2). [4]
Рис. 2. Проведение строительных работ по перекрытию участка с карстовыми полостями (железнодорожный узел в г.Греберсе, 2001 г.).
На участке в горнопромышленной зоне, где ранее располагались горные выработки добычи каменного угля (глубина выработки достигает 30 метров), было разработано специальное инженерно-техническое решение с армированием грунта основания высокопрочными георешетками нового поколения Фортрак R1200/100, для того, чтобы создать специальную защиту от возможных провалов. Особую трудность составляла разница максимально допустимых величин осадки у разных ж/д путей (3 мм по ширине колеи равной 1,5 м).
Выбор данного решения заключался в возможности точно и своевременно определить место провала грунта в основании насыпи ж/д. Обнаруженные при испытании полости были заполнены цементным раствором. Далее был создан слой основания стабилизированный цементом, толщиной 0,4 м. На стабилизированный слой основания (толщиной 0,4 м) были уложены слои из минеральной смеси в соединении с сигнальным устройством и перекрестная укладка (в продольном и поперечном направлениях) двух слоев высокомодульного геосинтетического материала марки Фортрак из арамида с прочностью в продольном направлении Fk= 1200 кН/м фирмы HUESKER, в виде полуобойм из щебня, которые работают по принципу «плиты». Общая толщина армирующей системы составила 0,95 м. Отсыпаемый над армированной «плитой» грунт, также был укреплен раствором цемента, на него был уложен разделяющий нетканый материал НаТе FB350, и затем следовала укладка слоев земельного полотна и морозозащитного слоя.
При образовании провала сигнальное устройство позволит точно определить место провала. При этом, сразу же включаются в работу высокомодульные георешетки Фортрак R1200/100, и в укрепленном цементом грунтовом слое образуется «несущая система». Данная система в конструкции насыпи земляного полотна рассчитана на восприятие нагрузки в течение одного месяца. Предполагается, что за этот период времени образованный провал заполняется методом инъектирования, при этом, движение поездов не останавливается.
Такая уникальная несущая система, перекрывающая провал, позволяет осуществлять постоянный мониторинг при помощи автоматизированной системы управления и, таким образом, обеспечить полный контроль за эксплуатацией сооружения.
Рис. 3. Проведение испытаний на трассе Эрфурт — Лейпциг/Галле, участок Грёберс, имитация провала размером 4,0 х 8,0 м.
Рис. 4. Укладка сигнального слоя в основании насыпи земляного полотна ж/д.
Рис.5. Экспериментальный провал грунта в основании насыпи.
Рис. 6. Провал грунта во время строительства.
При реконструкции автострады A38, соединяющей Готтинген — Лейпциг и западный объезд автострады A143 в Галле, на участке отработанных угольных шахт с распространением грунтов, подверженных карстовым процессам (провалы, воронки) (рис.5). [4]
В качестве оптимального технического решения по перекрытию образованных воронок и провалов в данном проекте было предложено устройство армогрунтовой конструкции в основании насыпи земполотна дороги с использованием георешетки нового поколения марки Фортрак тип R1200/100-10, которая была изготовлена по специальному заказу в соответствии с проектной документацией.
Армогрунтовая конструкция была запроектирована с одним слоем георешетки Фортрак с учетом возможного образования карстовых провалов диаметром до 4,0 м.
Контроль качества сырья и готовой продукции, осуществляемый лабораторией Huesker Synthetic GmbH на всех этапах производства георешетки Фортрак, был одобрен службой Заказчика «DEGES» (г.Берлин) и подтвержден независимой аккредитованной лабораторией в соответствии DIN 18 200. Только после этого было разрешено использовать данный вид георешетки Фортрак для строительства.
Рис. 7. Укладка георешетки Фортрак R 1200/100-10АМ в проектное положение.
Необходимо отметить, что в Российской Федерации отсутствует накопленный и систематизированный опыт эксплуатации конструкций, функционирующих в качестве основания при перекрытии провалов и полостей карстового происхождения с применением высокопрочных геосинтетиков. Поэтому, проектирование и строительство армогрунтовых конструкций в данных условиях требует пристального внимания и осторожного к ним отношения. Можно, наверное, использовать в таких случаях методы ускоренных испытаний, но неизвестно, будет ли для некоторых материалов такая экстраполяция при масштабе моделирования выше
10-кратного достоверной.Список использованной литературы:
1) СНиП 2.01.15-90 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения проектирования».
2) Голубева О.С. «Эффективность применения армогрунтовых конструкций для повышения геоэкологической безопасности транспортных сооружений». Дисс. Канд. Наук. Москва. 2002 г.
3) Копосов Е.В. «Методология обеспечения экологически безопасного освоения природных ресурсов закарстованных территорий. Дисс. Канд. Наук. Н.Новгород. 2000г.
4) Huesker Reports. 2001—2005. Материалы представлены фирмой Huesker Synthetic GmbH.
5) Потапов А.Д. Экология. Учебник для вузов. М.—2001г.
6) СНиП 2.05.02-85* «Автомобильные дороги».
7) СНиП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм».
8) Шахтное и подземное строительство. Учеб. Для вузов-2-е издание, В 2 т.-М.: Изд-во Академии горных наук, 2001,—582 с.
Денис Савицкий, Ольга Голубева (НТЦ ТэкПро).
© 2006-2012. Все права защищены. «Единый промышленный портал Сибири»
Цитирование приветствуется при условии указания ссылки на источник - www.epps.ru
© Создание сайта - студия GolDesign.Ru