ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕКСТИЛЕЙ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБЧАТЫХ ДРЕНАЖЕЙ В ТЯЖЕЛЫХ ГРУНТАХ

Данная задача с разработкой рекомендаций по рациональным материалам и технологиям производства работ является крупной межотраслевой проблемой как в нашей стране, так и в мире в целом. Для решения сооружений этой задачи привлекаются ведущие специалисты. Большие объемы жилищно-коммунального строительства, строительства гидротехнических сооружений, мелиоративных систем (орошение, осушение), автомобильных дорог, мостов, тоннелей, освоение новых территорий настоятельно требовали принятия решений по устройству дренажных систем, которые бы обеспечивали длительную и устойчивую работу инженерных систем во времени с минимальными капитальными затратами.

В 1960—1980 гг. вопросам выбора материалов для дренажей в тяжелых грунтах, устройству водоприемников были посвящены многочисленные работы и исследования Абрамова С.К., Истоминой В.С., Олейник И.Я., Пивовар Н.Г., а также немецких, французских и американских ученых в области мелиорации. В нормативных документах ведущих стран мира нашли отражения рекомендации по устройству дренажей с использованием песчано-гравийного материала в несколько слоев, перфорации водоприемных труб. Причем, указывалось на необходимость устройства водоприемных труб с перфорацией максимальной скважности для предупреждения и уменьшения воздействия механического, химического и биологического кольматажа. Для наблюдения протекания их во времени были созданы опытные стационары в различных природных условиях. По результатам этих работ вносились соответствующие изменения в нормативные документы.

К сожалению, не всегда проверенные практикой достижения вносятся в действующие нормы и правила, национальные стандарты. Так, в нашей стране, основные требования по устройству подпорных стен и горизонтальных дренажей изложены в СП 43.13330.2012 «Сооружения промышленных предприятий». В актуализированной редакции в п. 2.1 указывается, что «…нормы настоящего раздела следует соблюдать при проектировании отдельно стоящих подпорных стен на естественном основании…. На территориях…а также на подъездных и внутриплощадочных железных и автомобильных дорогах». В п. 2.13 прописано, что «…. При расположении подпорных стен вне здания следует предусматривать устройство со стороны подпора грунта пристенного дренажа из щебня, камня или гравия с продольным уклоном 0.04. В подпорной стене через каждые 3—6 м должны быть предусмотрены отверстия для выпуска воды из дренажа». К чему приводит выполнение этих требований, видно на рис. 1 (дренажное окно в подпорной стене, г. Сочи, ул. Бамбуковая).

Рисунок 1. Дренажное окно, забитое глинистым материалом

Такие явления здесь не единичны. Фильтрационный поток в аргиллитовой толще движется по горизонтальному застенному дренажу. Аргиллиты — это тяжелые спрессованные глины. Многие дренажные системы полностью забиты глинистым материалом в результате механического кольматажа. Соблюдение технологий, рекомендованных действующим СП, приводит к постоянному обводнению подошвы подпорных стен, уменьшению их устойчивости против сдвига. К тому же, сами стены находятся под воздействием гидростатического и гидродинамического давления фильтрационного потока со стороны склона, что особенно опасно в сейсмических районах.

Нормативные документы фиксируют последние достижения науки и практики на определенный момент времени. С течением времени они корректируются, видоизменяются, уточняются.

Исследования последних десятилетий, развитие соответствующих отраслей промышленности позволили рекомендовать вместо песчано-гравийных обратных фильтров в горизонтальных дренажах для тяжелых грунтов фильтры из геотекстиля на основе нитей из высокомолекулярных органических соединений и нитей из стеклянного и базальтового волокон.

В Германии, Австрии, Белоруссии разработаны рекомендации и налажен промышленный выпуск геотекстилей на основе полипропилена (Polyfelt, Дорнит и пр.), в Финляндии, России и Украине — на основе базальтового и стеклянного волокон. Данный геотекстиль с номенклатурой из нескольких десятков наименований различной толщины, из нитей различного диаметра отличается малым удельным весом, значительной пористостью (доходит до 95 %). Фильтрационные маты, выпускаемые на основе базальтового волокна, состоят из нитей диаметром 5—10 мкм, 11—20 мкм, 20—30 мкм. Выпускается как нетканное волокно различной ширины, так и прошивные маты. Весь геотекстиль характеризуется кроме высокой пористости, значительными коэффициентами фильтрации (в основном 100—1000 м/сут.). Многие пропитаны различными связующими смолами. Большое распространение получили формальдегидные смолы.

Выполненные в различных странах мира исследования как в лабораторных, так и в полевых условиях позволили рекомендовать в производство работ данный материал. Геотекстиль был использован в конструкциях различных гидротехнических сооружений (плотины, дамбы), а также подпорных стенах, на осушаемых мелиоративных системах.

На Украине геотекстиль на основе базальтового волокна был уложен в горизонтальные дренажи на глубинах 1—4 м на опытном стационаре в Херсонской области в тяжелых (Ip = 50-70) засоленных глинах с минерализацией вод до 50 г/л. По данным наблюдений в течение 15 лет наблюдается отсутствие механического и химического кольматажа. По заказу Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР, в Институте гидромеханики АН УССР в 1973 г. был разработан ОСТ 33-10-73, который и в настоящее время является действующим. ОСТ не лишен недостатков и нуждается в корректировке. Подробно изучены вопросы изменения плотности фильтрующего материала, а в ряде случаев (французские исследователи) — химического и биологического кольматажа. Разработаны рекомендации по подбору фильтрующих материалов. Так, в США на основе лабораторных исследований применения геотекстилей на остицнове высокомолекулярных соединений разработан критерий «степени градиента», который определяется с помощью лабораторной установки, в которую закладывают грунт, частицы которого будут удерживать данный геотекстиль. Данный критерий рекомендуется и французскими исследователями для условий Франции.

В СФ МАДИ в настоящее время авторами начаты работы по определению реологических свойств геотекстиля на основе органических соединений и каменного литья. Многочисленными опытными данными по деформациям материалов установлено, что при приложении длительной нагрузки они деформируются, проявляется эффект ползучести материалов. Вопросы течения фильтрационных материалов, изменение характеристик пористости, коэффициентов фильтрации, изменение скоростей фильтрации во времени в связи с проявлением реологических свойств в исследованных работах, к сожалению, не рассматривается. Существующие рекомендации по применению фильтрационных изделий из различных материалов основываются на характеристиках, полученных по результатам кратковременных исследований.

В общем виде, зависимость прочности любого материала от времени является нелинейной (рис. 2).

Рисунок 2. Кривая длительной прочности фильтрационных материалов

Ползучесть материала тем больше, чем меньше его первоначальная несущая способность. Учитывая это, предпочтения явно должны отдаваться неорганическим материалам. К тому же, они практически не подвержены разложению. По данным опытных работ в условиях свободного бокового расширения фильтрующих материалов при сжатии будет справедливо соотношение:

где:

σ_t — напряжение в данный момент времени;

σ_∞ — предельное длительное напряжение;

σ₀ — начальное напряжение;

t — время от начала опыта

n — параметр, характеризующий скорость релаксации напряжений (n<1)

Значения коэффициента n для высокомолекулярных соединений определялось в лаборатории АН СССР Б.В. Дерягиным.

Релаксация, ее характеристики, могут быть определены методом прямого измерения релаксаций, а также динамометрическим способом (прибор конструкции В.Ф. Ермакова) и методом шаровой пробы (прибор Н.А. Цытовича).

В настоящее время в СФ МАДИ выполняются опыты по определению характеристик релаксации фильтрующих материалов на основе полипропилена и базальтовых волокон.

Линейные сооружения (дороги, мосты, тоннели) рассчитываются на длительный период эксплуатации. В связи с этим, нетканые материалы на основе нитей из базальтовых волокон должны занять ведущее положение среди фильтрационных изделий различного целевого назначения. Для массового внедрения в практику рекомендаций по устройству горизонтальных дренажей необходимо существенно расширять в России номенклатуру изделий из базальтового волокна и шире использовать практику устройства опытных стационаров.

Список литературы:
1.    СП 43.13330.2012 «Актуализированная редакция. Сооружения промышленных предприятий».
2.    В.С. Истомина. «Фильтрационная устойчивость грунтов. ВНИИ ВОДГЕО», — М., 1957 г.
3.    Р. Энгельсманн. «Руководство по дренажу». — М., Колос, 1978 г.
4.    Н.Г. Пивовар, Н.Г. Бугай, В.А. Рычко. «Дренаж с волокнистыми фильтрами». Киев. 1980 г.
5.    ОСТ 33-10-73 «Фильтры дренажные из искусственных волокнистых материалов». Минводхоз СССР, 1973 г.
6.    Ткаченко В.П. Патент на изобретение № 2287043 Фильтр дренажный горизонтальный повышенной проницаемости. 2005.
7.    Y.-H. Faure, J.J. Fry “Retention et colmatage des geotextiles”. RGF, 2003.