Подбор состава и размера фракций заполнителя объемных георешеток с учетом гидравлического воздействия

Никита Александрович Зубачев, Илья Мидхатович Галимов, Алексей Владимирович Кузин, Ольга Александровна Собина

Введение: В рамках работы по изучению методов защиты склонов от эрозионного воздействия с применением объемных георешеток мы обнаружили проблему вымывания материала заполнителя из ячеек при воздействии потока воды. На поиск решения данной проблемы нас натолкнула ситуация обрушения откоса при строительстве стадиона в городе Волгоград (рисунок 1).

Рисунок 1 – Размыв откоса под действием дождевых и сточных вод.

Защита поверхности склонов – часто встречающаяся проблема при строительстве большинства объектов дорожного, гидротехнического, железнодорожного строительства. Склоны подвергаются постоянным разрушающим воздействиям, так все откосы испытывают эрозионное воздействие осадков, откосы дамб испытывают действие потока воды и волн, льда, откосы железнодорожных насыпей постоянные динамические нагрузки [1]. Под воздействием такого количества нагрузок откосы быстро разрушаются и уже само тело насыпи (сооружения) начинает деформироваться. В связи с этими многочисленными трудностями конструктивное решение защиты откосов должно быть технологичным, долговечным, простым и недорогим при монтаже и эксплуатации. По нашему мнению, таким решением являются конструкции с применением объемных георешеток. Для подготовки исследования мы обратились к крупнейшему производителю геосинтетических материалов ООО «ПРЕСТОРУСЬ». Для проведения испытаний нам была предоставлена объемная георешетка нового поколения – инновационная пространственная полимерная решетка ГЕОКОРД®.

На данный момент на рынке геосинтетики существует огромное разнообразие объёмных георешеток. В данной статье мы не будем сравнивать различные объёмные георешетки, а поговорим о эффективности удержания заполнителя объёмными георешетками при воздействии потока воды, о подборе материала заполнителя и о назначении геометрических параметров объемных георешеток в зависимости от угла заложения откоса. Зачастую проектировщики не уделяют этому достаточно внимания и назначают материал заполнитель исключительно из сложившегося опыта и могут не учесть множество факторов. Такой подход неверный и в данной статье мы постарались осветить все вопросы, касающиеся подбора заполнителя, и разобрали несколько нюансов, которые необходимо учитывать, при проектировании сооружений с применением объемных георешеток.

Материалы и методы: Основной и, пожалуй, самой важной функцией объёмных георешеток является защита откосов от эрозии, вызванной осадками или другими потоками воды. Чтобы защитить откос, ячейки объёмной георешетки заполняют различными материалами: песок, растительный грунт, щебень, камень или обломочная порода. Выбор заполнителя обуславливается: назначением объекта, интенсивностью осадков, подтопляемостью откоса, углом заложения, дополнительными нагрузками, действующими на откос.

Показателем эффективности работы объёмной георешетки на откосе, а, следовательно, ее противоэрозионной функции, является способность удержания заполнителя при воздействии потока воды.

Чтобы изучить эффективность удержания заполнителя объёмными георешетками при воздействии дождя или потока воды, были проведены несколько лабораторных испытаний на гидравлической установке для щебня (гидравлический лоток позволяет имитировать направленный поток воды имеющий большую скорость, что соответствует реальному практическому случаю применения объёмной георешетки заполненной щебнем) и на натурной модели орошаемого откоса (песок и растительный грунт наиболее часто применяемые заполнители непотопляемых откосов, основное разрушающее действие на них оказывает дождь). Целью испытаний было определить процент вымываемости заполнителя из ячеек при воздействии на откос потока воды (в случае со щебнем) или дождя (песок).

Для изучения состава и размера фракций заполнителя объемных георешеток с учетом гидравлического воздействия были проведены теоретические расчеты критических скоростей потока для ряда крупностей частиц заполнителя, которые впоследствии сравнивались с результатами эксперимента по измерению критических скоростей при помощи «водных» тензодатчиков.

Назначение рациональных уклонов откосов и геометрических параметров объемных георешеток происходило на основе расчетов критических скоростей сноса частиц с откоса и расчетов устойчивости георешетки на откосе в соответствии с [2]. Также во внимание принимался большом опыт укрепления откосов объемными георешетками компании ООО «ПРЕСТОРУСЬ».

Результаты: Исследование эффективности удержания заполнителя георешетками при воздействии потока воды.

В первом испытании исследовалась эффективность удержания заполнителя двумя типами объёмных георешеток: перфорированной – «ГЕОКОРД» тип С 200/172 P (прочность на растяжение – 29 кН/м; 200 мм – высота ячейки, 172 мм – размер ячейки по стороне) и неперфорированной – «ГЕОКОРД» тип С 200/172. Решетки заполнялись щебнем фракцией 20-40 мм, угол заложения откоса составлял 1:2 и 1:1 [3,4,5]. В ходе испытаний образы подвергались воздействию потока воды со скоростью до 2 м/c в течении 20 минут, после чего замерялось количество щебня, вымытого из ячеек и определялся процент потери георешеткой заполнителя. Проводилось три серии испытаний для каждого типа георешетки и для каждого заложения откоса (рисунок 2).

Рисунок 2 – Гидравлическая модель для определения эффективности удержания заполнителя-щебня при воздействии потока воды

По итогам испытаний было установлено, что потери заполнителя в среднем составили не более 1% как для перфорированной, так и для неперфорированной георешетки. Однако дренирующая способность перфорированной георешетки значительно выше, вода не оказывает возвещающего воздействия на заполнитель и он более стабилен в ячейке. Данный результат свидетельствует о высокой эффективности удержания заполнителя-щебня объёмной георешеткой при воздействии потока воды, следовательно, объемная георешетка (в данном эксперименте – «ГЕОКОРД») обладает высокой противоэрозионной способностью и отлично подходит для защиты откосов.

Во втором испытании георешетка ГЕОКОРД тип С 100/172 0530 P (перфорированная) и ГЕОКОРД тип С 100/172 0530 (неперфорированная) заполненные песком средней крупности фракция 2-2,5 мм укладывались на натурную модель откоса 1:2 и 1:1 (рисунки 3, 4) и подвергались орошению из дождевых установок с интенсивностью 3 л/мин*м2 в течении 20 мин [3,4,6]. Вода с частицами вымытого песка собиралась в баки и помещалась в сушильную камеру, далее определялся процент потери грунта.

Рисунок 3 – Натурная модель откоса для определения эффективности удержания заполнителя-песка георешетками при воздействии потока воды

Рисунок 4 – Процесс испытания

По итогам испытаний было установлено, что потери заполнителя составили не более 15%. Учитывая крупность заполнителя, высокую интенсивность осадков и отсутствие посева травы — это весьма хороший результат. Георешетка «ГЕОКОРД» способна хорошо удерживать даже мелкий заполнитель, но как показали результаты испытаний, посадка травы для создания армирования необходима.

Подбор состава и размера фракций заполнителя объемных георешеток с учетом гидравлического воздействия.

В целях эффективного подбора состава и фракций заполнителя георешетки, необходимо определить зависимость между скоростью потока воды и крупностью фракции заполнителя.

По формуле (1) определим гидравлическую крупность частиц заполнителя различных фракций:

где

C – коэффициент сопротивления, 0,45 для шарообразной частицы;

D – диаметр частиц заполнителя;

ρs– плотность частицы;

ρ – плотность жидкости (воды 1 т/м3);

g – ускорение свободного падения (9,81 м/с2);

Чтобы учесть все режимы движения воды (ламинарный и турбулентный), а также большие размеры частиц заполнителя воспользуемся эмпирической формулой расчета скорости осаждения частиц взвеси (2):

Полученные результаты сведены в таблицу 1 (все величины брались по справочным данным [7]).

Таблица1. Гидравлическая крупность при t=15°C (по А.В. Воранцову)

Следующим шагом было определение критических скоростей, при которых частицы заполнителя будут уноситься с откоса (не защищенного георешеткой).

Критическая скорость при безнапорном режиме рассчитывается по формуле (3):

где

В – эмпирический коэффициент (3,85 –песок, гравий; 2,86- крупнообломочная порода);

– число Фруда;

ρсм -плотность смеси;

ρв -плотность воды;

ρт -плотность заполнителя;

W – гидравлическая крупность частиц заполнителя см. таблица 1.

Сведем полученные результаты в таблицу 2, все величины брались по справочным данным [7].

Таблица 2. Критическая скорость сноса частиц на незащищенном откосе

При расчете толщина потока воды принималась равной h=0,5м, уклоны для тока воды: 1,5-4,5% – при таких уклонах гарантируется снос частиц.

Теперь, зная критические скорости сноса частиц грунта незащищенного откоса, определим данный показатель уже для откоса, защищенного объемной георешеткой. Основное влияние на критические скорости будут оказывать ячейки георешетки, так как они оказывают сопротивление движению жидкости и частицы материала заполнителя будут задерживаться между ячейками и, следовательно, критические скорости сноса частиц будут существенно уменьшаться. Для определения критических скоростей с учетом размеров ячейки объёмной георешетки (применяем георешетку ГЕОКОРД® с размером ячейки по диагонали 200 мм, перфорированную) и учитывая ее текстурирование, мы провели ряд испытаний на гидравлическом лотке. Измерение критических скоростей проводилось при помощи «водных» тензодатчиков, которые способны измерить силовое воздействие потока. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Табл. 3. Критическая скорость сноса частиц на защищенном георешеткой откосе

Таким образом, зная критические скорости потока воды приходящегося на откос, можно подобрать тип заполнителя ячейки георешетки и его фракцию.

Назначение рациональных уклонов откосов и параметров объемных георешеток.

Исходя из расчетов критических скоростей сноса частиц с откоса и расчетов устойчивости георешетки на откосе [2], мы рекомендуем использовать объемные георешетки на откосах с предельным заложением 1:0,5(60°). Также базируясь на большом опыте укрепления откосов объемными георешетками, мы разработали методику подбора параметров объемной георешетки, а именно: высоты, размеров ячейки, толщины стенок, от величины угла заложения откоса. Данные методики были разработаны как для неподтопляемых (рисунок 5) так и для подтопляемых откосов (рисунок 6) Необходимо помнить, что фиксация объёмной георешетки на откосе осуществляется при помощи анкеров, количество которых определяется исходя из расчета.

Рисунок 5 – Схема подбора параметров объемных георешеток в зависимости от заложения откоса (неподтопляемый)

Рисунок 6 – Схема подбора параметров объемных георешеток в зависимости от заложения откоса (подтопляемый)

Выводы. Проведенные испытания позволили сделать выводы о том, что причиной обрушений откосов, помимо прочих факторов, является неправильный выбор материала заполнителя. При подготовке решения защиты откоса с применением объемных георешеток необходимо учитывать следующие рекомендации:

– при назначении параметров откосов и типов объёмных георешеток следует собирать полный пакет исходных данных для проектирования и не пренебрегать инженерными изысканиями;

– при проектировании откосов с применением объемных георешеток принимать углы заложения до 60°;

– осуществлять подбор частиц заполнителя в зависимости от исходных данных проекта, ориентируясь на описанные в данной статье методы;

– при проектировании защиты откосов против эрозии использовать перфорированную георешетку, что позволит избежать потери заполнителя и переувлажнения тела откоса.

Ключевые слова:Гидротехника, дорожное строительство, геосинтетика, объемные георешетки, ГЕОКОРД, ячейки, эрозия откосов, заполнитель, гидравлическое воздействие, заложение откосов, укрепление откосов.

Благодарности: Авторы выражают признательность компании ООО «ПРЕСТОРУСЬ» и лично исполнительному директору Азарху Михаилу Михайловичу за оказанную помощь при проведении данного исследования.