Укрепление земляного полотна с помощью инновационных материалов на основе базальта

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается актуальность проблемы укрепления земляного полотна, которое служит основанием для строящихся гидротехнических сооружений, автомобильных и железных дорог. Перечисляются виды нагрузок и воздействий, вызывающих деформацию земляного полотна. Описываются способы увеличения прочности грунта основания земляного полотна с помощью инновационных материалов, содержащих базальт. Первый способ: применение в технологии укрепления земляного полотна геоматериалов, армированных базальтовой фиброй. Второй способ: создание опорной решетки под земляным полотном с помощью полимерного криогеля, содержащего базальтовую фибру.

ABSTRACT

The article examines the relevance of the problem of strengthening the subgrade, which serves as the basis for hydraulic structures, roads and railways under construction. The types of loads and effects that cause deformation of the subgrade are listed. Methods of increasing the strength of the soil of the subgrade base using innovative materials containing basalt are described. The first method: the use of geomaterials reinforced with basalt fiber in the technology of strengthening the subgrade. The second method is to create a support grid under the subgrade using a polymer cryogel containing basalt fiber.

Ключевые слова: строительство дорог, земляное полотно, укрепление грунта, геоматериалы, базальт, базальтовая фибра, криогель

Keywords: road construction, subgrade, soil strengthening, geomaterials, basalt, basalt fiber, cryogel

Слабость грунтов земляного полотна, которое служит основанием для строящихся гидротехнических сооружений, автомобильных и железных дорог, является одной из сложнейших проблем, которые приходится решать сегодня в Узбекистане. Прежде всего, она проявляется на тех отрезках дорог, которые подвергаются деформациям, заключающимся в неравномерной осадке. Одной из причин являются часто повторяющиеся кратковременные нагрузки от движущегося транспорта. В целом же, земляное полотно, которое служит основанием для технических и инфраструктурных сооружений, подвергается следующим нагрузкам и воздействиям:

• динамические нагрузки вследствие проезда по сооружению транспортных средств;
• статические нагрузки от размещенного на грунте сооружения;
• нагрузки, вызванные сейсмической активностью в регионе;
• трансформация напряжений, причиной которой является воздействие на грунт фильтрационной или транспортируемой воды, вследствие чего он увлажняется и размывается;
• влияние изменившейся массы увлажненного грунта на напряженное состояние массива [5].

Все перечисленные виды воздействий и нагрузок приводят к различным деформациям земляного полотна: оно сползает, проседает и размывается. Чтобы предотвратить это, перед началом строительства сооружений требуется принятие мер по усилению слабых грунтов основания земляного полотна в той местности, где вероятна неравномерная осадка грунта и его деформация под влиянием нагрузок.

Чтобы увеличить прочность грунта основания земляного полотна в инженерно-геологических и гидрологических условиях повышенной сложности, предлагается два способа:

1. Геоматериалы, к которым относят георешетки и геосетки, армированные базальтовой фиброй.
2. Криогель, состоящий из поливинилового спирта, выполняющего роль структурообразователя, борной кислоты, базальтовых волокон и воды.

С помощью армирования земляного полотна удается повысить сдвигоустойчивость грунта там, где он обладает склонностью к деформациям и характеризуется повышенной влажностью. Специалистами, занимающимися строительством автомобильных и железных дорог, накоплен достаточно богатый опыт применения всевозможных геоматериалов с содержанием стекловолокна, базальта и синтетических материалов.

В ходе исследований [3, 4] установлено, что геосетки и георешетки, выполненные из химических волокон, склонны к растягиванию при нагрузке. И если такие конструкции используются под автомобильной дорогой, ее качество может существенно пострадать. Стекловолоконная сетка значительно уступает базальтовой в способности противостоять природным факторам и воздействию химических сред, в частности, щелочей и солей. Это необходимо принимать во внимание при дорожном строительстве, поскольку за время эксплуатации дорожное полотно подвергается непрерывному воздействию атмосферных и иных явлений, а асфальтобетон и цементобетон дорожных одежд оказывает дополнительное химическое воздействие на армирующий слой. Геосетки на основе базальта обладают целым рядом преимуществ: они не растягиваются под нагрузкой, высокопрочны (табл. 1), устойчивы против экстремальных температур, невосприимчивы к коррозии и экономически более выгодны. Высокие характеристики базальтовых материалов делают их предпочтительными перед иными вариантами армирования земляного полотна, сооружений для водоотвода, зернистых сред в виде балластов и др.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика базальтовых геосеток PCB-D и NPB-550K

Геоматериалы, армированные базальтовой фиброй, нашли широкое применение при прокладке автомобильных дорог, строительстве взлетно-посадочных полос аэродромов, возведении гидротехнических сооружений. Также базальт используется в строительстве гражданских и промышленных объектов для армирования бетонных полов, различных стеновых строительных материалов (кирпич, облицовочный камень, строительные блоки и т.д.) и конструкций, выполненных из цементно-песчаных, клеевых и иных смесей [2]. Важную роль базальтовые волокна играют при армировании асфальтобетонных покрытий, которые используются в процессе строительства новых автомобильных дорог и ремонта существующих.

Усиление земляного полотна геоматериалами с содержанием базальтовой фибры проводится такими способами:

1. Верхняя (рабочая) зона земляного полотна, при укреплении которой решаются задачи:

• уменьшение объемов использующихся дренирующих грунтов;
• повышение прочности грунта, в частности благодаря уменьшению бокового распора (обойма);
• увеличение эффективности дренирования;
• продление сроков эксплуатации дорог и повышение их надежности;
• препятствование образованию ила в дренирующем слое;
• улучшение несущей способности земляного полотна.

2. Нижняя зона земляного полотна, при укреплении которой решаются задачи:

• дренирование увлажненных грунтов;
• уменьшение объемов рабочих материалов, в том числе, привозных. Например, если вместо песка в земляном основании дорожного покрытия использовать геоматериалы, затраты на транспортировку снизятся в несколько десятков раз. Если сравнивать различные материалы по эффективности осушения, то сантиметровый слой геоматериала способен заменить метровый слой песка;
• ускорение устройства покрытия. Этому способствует более интенсивная консолидация земляного полотна и более эффективный водоотвод.

Альтернативным способом повышения прочности слабых грунтов основания земляного полотна является технология, по которой в грунт через скважины нагнетается специальный полимерный состав, имеющий гелеобразную форму (криогель) [1]. Привычные растворы из цемента и песка неэффективны, поскольку под действием грунтовых вод они быстро размываются, не успевают затвердевать и вскоре выводятся за пределы основания конструкции. Потому целесообразно для таких нужд использовать полимерный криогель, имеющий такой состав:

• поливиниловый спирт - 3-10% от общей массы;
• базальтовая фибра (минеральные добавки) - 0,5-1%;
• борная кислота - 0,2-1%;
• вода - 88-96,3%.

Полимерный криогель нагнетается в грунт земляного основания с обеих сторон через скважины, которые располагаются под углом 20-45° к горизонтальной плоскости (рис.1.). Благодаря этому формируется опорная система, способная значительно упрочить основание и представляющая собой две пространственные решетки: правую и левую. Каждую георешетку образуют цилиндры грунта, усиленного криогелем. Каждый такой цилиндр имеет несколько пересечений с другими цилиндрами. Таким образом формируются узлы георешетки, которые обеспечивают высокую жесткость конструкции.

Рисунок1. Поперечный разрез земляного полотна двухпутной железной дороги, основание которой укреплено криогелем

1 – скважины, 2 – земляное полотно, 3 – полимерная перфорированная обсадная труба, 4 – укрепленные решеткой из криогеля цилиндры грунта

Обе решетки сходятся в середине основания земляного полотна. В результате множественные цилиндры грунта, усиленного полимерным криогелем, образуют прочную пространственную решетчатую конструкцию, которая заметно повышает устойчивость грунтового основания. Благодаря этому земляное полотно хорошо выдерживает динамические нагрузки, возникающие вследствие движения транспортных средств, и воспринимает их равномерно. Равномерность передачи нагрузки на нижние слои грунта препятствует неравномерной осадке дорожного покрытия, тем самым предотвращая его разрушение. Устройство полимерных георешеток целесообразно и с экономической точки зрения, поскольку на такую конструкцию расходуется намного меньше материалов, чем в случае с устройством сплошной плиты.

Подводя итоги, можно утверждать, что улучшение характеристик грунтового основания земляного полотна, совершенствование его структуры и механических свойств с помощью инновационных материалов на основе базальтовых волокон является перспективным методом предотвращения разрушения дорожного полотна для автомобильного и железнодорожного транспорта. Использование базальтовых георешеток, геосеток и криогеля способно свести к минимуму просадку дорожного покрытия и расползание откосов насыпей. Также необходимо отметить экономичность данного способа повышения прочности земляного полотна.

С другой стороны, нужно признать, что сегодня вопрос применения в дорожном и других видах строительства современных геосинтетических материалов (стекловолокна, базальтовой фибры, полимеров) в Узбекистане изучен недостаточно. Приходится сталкиваться с трудностями при разработке норм и правил, в соответствии с которыми инновационные материалы могут использоваться в рабочих процессах. Потому в настоящее время базальтовые геоматериалы применяются при строительных работах в незначительном количестве. Чтобы вывести использование данных материалов на качественно новый уровень, необходим глубокий анализ опыта их применения в условиях Узбекистана, а также активная исследовательская работа в данной сфере.

Список литературы:

1. Алтунина Л.К., Хоменко А.П., Сигачев Н.П., Благоразумов И.В., Конышев С.С. Способ укрепления слабых грунтов основания земляного полотна и состав для его осуществления // Патент на изобретение RU 2474651 C2, 10.02.2013. Заявка № 2010129649/03 от 15.07.2010.
2. Защепкина К.А. Перспективы применения материалов с добавлением базальтовых волокон и базальтового ровинга // Наукові нотатки. – 2014. – №. 45. – С. 215-219.
3. Окольникова Г.Э. и др. Применение базальтовой сетки в конструкциях автомобильных дорог // Системные технологии. – 2019. – №. 2 (31).
4. Хожметов Г.Х., Каюмов А.Д., Комилов С.И. Экспериментально-теоретические исследования устойчивости насыпей автомобильных дорог, армированных геосинтетическими материалами // Вестник Каздорнии. – Алматы, 2019. - № 1-2. – С. 149-158.
5. Хужакулов Р. Гидротехнические сооружения ирригационных систем на лессовых просадочных грунтах Республики Узбекистан // Инновационные технологии. – Карши. – 2019. – №. 1. – С. 52-57.