Использование геосинтетических материалов при прокладке лесных дорог
«Одежда» автомобильной дороги представляет собой слоеный пирог из дорожно-строительных материалов (ДСМ) разной прочности, одна из основных задач которого – распределение нагрузки автотранспорта на грунт земляного полотна. В учебниках по сухопутной транспортировке леса приводятся расчетные формулы и методики подбора всевозможных дорожных конструкций. Однако на практике все не так просто...
Во-первых, чисто экономические причины вынуждают лесозаготовителей использовать простейшие конструкции дорожной одежды (чаще всего гравийные) и дешевые (следовательно, низкокачественные) материалы.
Во-вторых, дорожное строительство, как правило, ведется не в оптимальное для этих работ время. Довольно часто земляное полотно лесных автомобильных дорог сооружается из переувлажненных глинистых грунтов в период дождей во избежание простоя дорогостоящей дорожно-строительной техники с отсыпкой зернистого материала на переувлажненный грунт. В результате в ходе строительства и в период эксплуатации дорог переувлажненные глинистые грунты проникают в нижние слои дорожной одежды. Материал слоя теряет прочностные характеристики, что приводит к образованию разного рода деформаций. Для гравийной дорожной одежды наиболее характерны волны, колеи, выбоины и просадки.
В-третьих, при устройстве лесных дорог необходимо учитывать неоднородность и неравную прочность грунтов: грунт соседних с дорожным полотном объемов может быть как упругим, так и пластичным. Под действием нагрузки грунт испытывает и обратимые, и необратимые деформации, к тому же неравномерные, что приводит к изменению толщины конструктивных слоев и ускоренному разрушению дорожной конструкции.
Таким образом, требуемая прочность дорожной одежды может быть достигнута путем внедрения в конструкцию специальных прослоек. В зависимости от назначения эти прослойки должны выполнять следующие функции: предотвращать взаимопроникновение глинистого грунта и дорожно-строительных материалов; перераспределять деформации для сглаживания неоднородности материалов; обеспечивать отвод влаги и гидроизоляцию дорожной конструкции. Для организации подобных прослоек и используются геосинтетические материалы.
Геосинтетические материалы (ГМ) – это класс полимерных строительных материалов, как правило, синтетических, а также произведенных из другого сырья (минерального, базальтового или стекловолокна и пр.), поставляемых в сложенном компактном виде (в рулонах, блоках, плитах и др.). Выделяют следующие группы ГМ: геотекстильные материалы, георешетки, геокомпозиты, геооболочки, геомембраны, геоплиты и геоэлементы.
Геотекстильный материал – это поставляемое в рулонах сплошное гибкое водопроницаемое тонкое нетканое, тканое или трикотажное полотно, получаемое путем скрепления волокон/нитей механическим (плетение, иглопробивание), химическим (склеивание), термическим (сплавление) способами или их комбинацией. Георешетка (геосетка) – это плоский рулонный материал с ячейками линейных размеров от 1 см или объемный материал с ячейками высотой от 3 см (так называемая пространственная георешетка). Геокомпозит – обычно поставляемый в рулонах или блоках материал из двух слоев или более, создаваемый из разных геотекстильных материалов и геосеток. Геооболочка – геотекстильный материал или геосетка, образующие объемные оболочки для заполнения другими строительными материалами (обычно на месте производства работ), например, мешки-контейнеры из геотекстильного материала, заполненные песком, сборные контейнеры из геосеток с заполнением крупнофракционным материалом (габионы). Геомембрана – это сплошное водонепроницаемое рулонное полотно из геотекстильного материала, обработанного каким-либо вяжущим составом. В некоторых случаях геомембраны поставляют с заполнителем, пример – геооболочка из нетканого геотекстильного материала, заполненная порошком из бентонитовой глины. Геоплита – это сплошной теплоизоляционный материал в виде плиты, например пенопласт. Геоэлементом называются отдельные элементы, не образующие сплошное полотно: волокна, тросы, узкие ленты, выполняющие армирующие функции.
При строительстве и эксплуатации лесных автомобильных дорог наиболее целесообразно использовать геотекстильные материалы (для предотвращения взаимопроникновения грунта и ДСМ), геосетки и геооболочки (для перераспределения деформаций), а также геомембраны (для гидроизоляции). Область применения, получаемый эффект и основные функции геосинтетических материалов в дорожном строительстве представлены в табл. 1.
Геосинтетика – материал, который появился не сегодня. Опыты по применению ГМ проводились ГипродорНИИ Минавтодора РСФСР в 1974 году с использованием австрийского материала полифельт. Первый участок лесовозной автодороги с прослойкой из геосинтетического материала был построен в Оленинском леспромхозе (Тверская обл.) в октябре 1974 года. В апреле-мае 1977 года в Крестецком леспромхозе (Новгородская обл.) была построена опытная кольцевая автодорога с участками разной конструкции при использовании разных ГМ. С 1978 года закладывались участки лесных автомобильных дорог с геосинтетическими материалами отечественного производства.
В Лесотехнической академии имени С. М. Кирова (ЛТА) исследование геосинтетического материала дорнит проводилось в 1982 году на опытных участках, построенных на автодорожном полигоне в пос. Лисино (Ленинградская область) и в 1983 году на участках дороги в другом регионе. Эксплуатация этих опытных участков и материалы их обследований подтвердили эффективность применения геосинтетиков при строительстве и эксплуатации лесных автомобильных дорог.
В 2009 году в рамках российско-шведской программы «Сотрудничество в области лесного образования» вблизи пос. Бортом-База Сысольского района Республики Коми был построен опытный участок дороги длиной 200 м с использованием геосетки стеклонит. В настоящее время на кафедре промышленного транспорта СПбГЛТУ продолжаются исследования с применением разных видов ГМ для устройства дорожного полотна лесовозных дорог.
Для подтверждения целесообразности использования геосинтетических материалов приведем расчет конструкции дорожной одежды переходного типа для лесовозной ветки в лесах Ленинградской области.
Рис. 1. Конструкции дорожной одежды лесовозной ветки без ГМ (вариант 1) и с использованием ГМ (вариант 2)
Дорога однополосная, проектируется в дорожно-климатической зоне II-1, схема увлажнения рабочего слоя – тип 2 (тип 1 – сухие места; тип 2 – сырые места с избыточным увлажнением в отдельные периоды года; тип 3 – мокрые места с постоянным избыточным увлажнением). Глубина промерзания от поверхности покрытия – 1,2 м, расстояние от низа дорожной одежды до расчетного уровня грунтовых вод – 1,6 м. Группа расчетной нагрузки по ГОСТ Р 52748-2007 – АК-10. Требуемый модуль упругости дорожной одежды – 65 МПа.
Расчет выполнялся для двух вариантов: без использования геосинтетических материалов (вариант 1) и с применением слоя геосинтетического материала (**Pр = 10–20 кН/м, Eps = 50–70%, вариант 2). Согласно ОДН 218.046–01 «Отраслевые дорожные нормы. Проектирование нежестких дорожных одежд» конструкция рассчитывалась на: прочность по трем критериям (по упругому прогибу; по сдвигу; на статическую нагрузку), а также на морозоустойчивость.
Результаты расчета дорожной одежды представлены на рис. 1. Хорошо видно, что использование геосинтетического материала в качестве прослойки между грунтом и песчаным основанием позволило сократить толщину основных конструктивных слоев. Несложные расчеты ориентировочного потребного объема дорожно-строительных материалов на 1 км дороги (табл. 2) позволяют оценить их экономию в случае применения геосинтетики.
Применение современных систем автоматизированного проектирования автомобильных дорог для расчета и выбора рациональной конструкции дорожной одежды позволяет получить несколько десятков вариантов конструкции дорожного полотна с варьированием толщины каждого конструктивного слоя и дает возможность подобрать наиболее экономически выгодный вариант дорожной одежды лесной автомобильной дороги с учетом местной специфики, доступности и качества песка, гравия или щебня.
Тарас КОВАЛЕНКО,
доц. каф. промышленного транспорта СПбГЛТУ
