На обширных территориях России значительная часть земель представлена грунтами с низкой несущей способностью. Для строительства в таких условиях дорог, жилых зданий и промышленных объектов инженеры применяют геосинтетические материалы — полимерные полотна высокой прочности, которые усиливают основание и препятствуют его разрушению. Чтобы гарантировать безопасность будущих построек, специалистам необходимо точно понимать, как армирующий слой будет вести себя при контакте с конкретным типом грунта.
Екатерина Григорьева
Источник фото: пресс-служба Пермского Политеха
Суть проблемы: Отсутствие отечественного оборудования
Сложность заключается в том, что в стране до сих пор не было собственного оборудования для проведения подобных испытаний. На практике проектировщики опираются на табличные показатели, что нередко ведет либо к излишнему расходу материалов, либо к их недостатку, создающему угрозу прочности. Ученые Пермского Политеха впервые разработали российскую установку, которая позволяет оценивать поведение геосинтетики в условиях, близких к реальным. Данное устройство дает возможность изучать разные виды материалов и подбирать оптимальный вариант для конкретного строительного объекта, что существенно повышает надежность возведения даже в самых сложных геологических условиях.
На новую разработку уже получен патент.
Масштабы проблемы: 80% территории. Строительство автомобильных дорог, гражданских и промышленных сооружений сегодня ведется в самых разных местах: на болотистых участках, склонах, подверженных оползням, в районах вечной мерзлоты, пустынных зонах и предгорьях. По имеющимся данным, слабые грунты занимают до 80% территории государства. Освоение таких площадок всегда связано с существенными рисками: обычные насыпи и фундаменты со временем сильно проседают и часто выходят из строя, поэтому без специальных мер по укреплению построить надежную инфраструктуру здесь невозможно.
Как работает армирование. Для сохранения устойчивости оснований все чаще используют геосинтетику — прочные полимерные материалы разнообразных форм. Это могут быть тонкие полотна, напоминающие плотную ткань, или объемные конструкции, состоящие из пластиковых листов. Их укладывают на определенной глубине, создавая тем самым дополнительный армирующий слой. Этот слой воспринимает давление от грунта, конструкций и техники, распределяет его на большую площадь и не допускает бокового смещения основания.
Почему важен контакт с грунтом. Для того чтобы дорога не проседала, а здание оставалось целым, необходимо правильно выбрать и уложить полимерный материал. Инженеру требуется знать не только его собственные характеристики, но и то, не потеряет ли армирующий слой контакт с грунтом, поскольку это может привести к разрушению основания или самого сооружения. Таким образом, перед использованием геосинтетики в строительстве нужно проверить не только ее физико-механические параметры, но и характер ее взаимодействия с конкретным грунтом.
В настоящее время в России существует национальный стандарт, определяющий порядок испытаний таких армирующих материалов. По требованиям ГОСТ установка для этих целей должна включать жесткий короб, в котором размещается образец грунта, а также геосинтетический материал, укладываемый горизонтально под определенным вертикальным давлением. По итогам таких испытаний определяется, насколько прочно полимерное полотно удерживается в данном основании.
Дефицит испытательного оборудования. Для создания нужной испытательной нагрузки требуется специальная конструкция — силовая рама. Однако до настоящего времени в России не производились отечественные аналоги таких установок.
Риски «слепого» проектирования. В результате при проектировании оснований зданий, транспортных развязок и дорожных насыпей инженеры в основном ориентируются на табличные данные, которые содержат значительные коэффициенты запаса. Это приводит к тому, что геосинтетика укладывается с большим избытком, вызывая перерасход материалов, либо ее количество оказывается недостаточным, что влечет за собой риск деформаций и разрушения укрепленного основания.
Решение: Уникальная разработка Пермского Политеха
Специалисты Пермского Политеха впервые создали российскую силовую раму для испытаний геосинтетических материалов на вытягивание из грунта. Это изобретение позволяет проводить испытания в полном соответствии с нормативными требованиями и точно определять контактные характеристики, что необходимо для обеспечения долговечности дорог, зданий и прочих объектов.
Устройство и принцип работы установки
Конструкция рамы включает в себя два взаимно перпендикулярных замкнутых контура, выполненных из металлических прямоугольных рам. На раме также смонтированы устройства для вертикального нагружения и горизонтального вытягивания, которые имитируют реальные нагрузки, возникающие в грунте. Между рамами установлен жесткий короб с регулируемым зазором, внутрь которого помещается образец грунта с горизонтально уложенным геосинтетиком. Свободный край материала выводится через зазор короба и закрепляется в специальном зажиме для последующего вытягивания.
— Для проверки созданной конструкции мы использовали слой тканого геосинтетического материала, который укладывали в песчаный грунт. Перед этим грунт уплотняли и увлажняли согласно методике ГОСТ. Затем создавали вертикальное давление и вытягивали армирующий материал, фиксируя приложенное усилие. Именно этот показатель демонстрирует, насколько прочно геосинтетика удерживается и какую нагрузку выдержит укрепленное основание в реальных эксплуатационных условиях, — пояснил Максим Казаков, старший преподаватель кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ.
Результаты испытаний и их значение
Проведенное испытание подтвердило, что силовая рама работает надежно. Полученные данные показали четкую зависимость: при увеличении вертикальной нагрузки сопротивление вытягиванию закономерно возрастало. Это указывает на корректность методики, а полученные результаты могут быть использованы для дальнейших расчетов при строительстве.
— Ключевое преимущество нашей разработки заключается в возможности проводить испытания в строгом соответствии с национальным стандартом. Теперь инженеры могут получать реальные данные для проектирования сооружений и сравнивать их с табличными значениями характеристик трения, что позволяет принимать обоснованные проектные решения, — добавил Вадим Офрихтер, заведующий кафедрой «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, доктор технических наук.
Итоги и перспективы применения
Применение отечественной силовой рамы для испытаний геосинтетики на вытягивание дает возможность точно определить параметры взаимодействия материала с грунтом. Использование таких данных в проектировании позволяет выбрать наиболее подходящий материал, заранее оценить возможные риски и избежать дорогостоящих ремонтных работ или аварийных ситуаций в течение всего жизненного цикла сооружения.
Ранее журнал «Химагрегаты» уже рассказывал о разработке ученых Института Мирового океана, входящего в структуру Дальневосточного федерального университета (ДВФУ). Речь шла о технологии биоцементации — инновационном методе, который позволяет превращать рыхлый песок в прочное монолитное основание, пригодное для строительства автомобильных дорог и промышленных объектов. Данная разработка открывает новые перспективы для освоения территорий со слабыми грунтами, где традиционные методы укрепления требуют значительных затрат.
Тема укрепления грунтов тесно связана с проблемой долговечности дорожных покрытий. Асфальт, уложенный даже на прочное основание, со временем может разрушаться. Почему это происходит и как избежать трещин, разбирались ученые ПНИПУ в отдельном материале — читайте об этом в статье «Почему асфальт трескается и как это исправить».
