Ячеистые системы ограничения (CCS), также известные как геоячейки , широко используются в строительстве для борьбы с эрозией , стабилизации грунта на ровной поверхности и крутых склонах, защиты каналов и структурного армирования для поддержки нагрузки и удержания грунта. [1] Типичные ячеистые системы ограничения представляют собой геосинтетические материалы, изготовленные из полос полиэтилена высокой плотности (HDPE) , сваренных ультразвуком, или нового полимерного сплава (NPA), и расширяемые на месте для формирования сотообразной структуры, и заполненные песком , почвой, камнем , гравием или бетоном . [2] [3]
Исследования и разработки ячеистых систем ограничения (CCS) начались в 1975 году в Инженерном корпусе армии США с целью разработки метода строительства тактических дорог на мягком грунте. [4] Инженеры обнаружили, что системы ограничения песка работают лучше, чем обычные секции из щебня, и они могут обеспечить целесообразную технологию строительства подъездных дорог на мягком грунте, не подвергаясь неблагоприятному воздействию влажных погодных условий. [5] [6] Инженерный корпус армии США в Виксбурге, штат Миссисипи (1981) экспериментировал с рядом ограничивающих систем, от пластиковых трубчатых матов до щелевых алюминиевых листов и готовых полимерных систем, называемых песчаными сетками, а затем и ячеистых ограничивающих систем. Сегодня ячеистые ограничивающие системы обычно изготавливаются из полос шириной 50–200 мм, сваренных ультразвуковой сваркой с интервалами по их ширине. CCS складывается и отправляется на место работы в сложенном виде. [ необходима цитата ]
Усилия по гражданской коммерциализации ячеичной системы ограничения, предпринятые компанией Presto Products Company, привели к созданию Geoweb®. [7] Эта ячеистая система ограничения была изготовлена из полиэтилена высокой плотности (HDPE), относительно прочного, легкого [8] и подходящего для геосинтетического экструзионного производства. Ячеистая система ограничения использовалась для поддержки нагрузки, контроля эрозии склонов, облицовки каналов и применения в качестве средств удержания грунта в Соединенных Штатах и Канаде в начале 1980-х годов. [9] [10] [11] [12]
Ранние исследования (Батерст и Джарретт, 1988) [13] обнаружили, что армированные гравийные основания с ячеистым ограничением «эквивалентны примерно двойной толщине неармированных гравийных оснований» и что геоячейки показали себя лучше, чем схемы армирования одинарными листами ( геотекстиль и георешетки ) и были более эффективны в снижении бокового распространения заполнения под нагрузкой, чем обычные армированные основания. Однако Ричардсон (2004) (который был на объекте Корпуса инженеров США CCS Vicksburg) жалуется 25 лет спустя на «почти полное отсутствие исследовательских работ по геоячейкам на всех национальных и международных конференциях по геосинтетике ». [14]
Всесторонний обзор доступной исследовательской литературы, проведенный Ю и др. в 2008 году, пришел к выводу, что использование технологии CCS в армировании основания асфальтированных дорог, и железных дорог в частности, было ограничено из-за отсутствия методов проектирования, отсутствия передовых исследований за предыдущие два десятилетия и ограниченного понимания механизмов армирования. [15] С тех пор были опубликованы сотни исследовательских работ по системам геоячеек. [16] Были проведены обширные исследования армирования CCS для применения на дорогах с целью понимания механизмов и факторов влияния армирования ограничения, оценки его эффективности в улучшении эксплуатационных характеристик дорожного полотна и разработки методов проектирования для применения на дорогах (Хан и др., 2011). [17] [18]
Хедж (2017) и Хедж и др. (2020) представляют комплексные обзоры и обзоры последних исследований геоячеек, полевых испытаний, современных знаний и современных тенденций, а также масштаба будущих направлений исследований, подтверждающих более широкое использование геоячеек в проектах по укреплению грунта и инфраструктуре. [19] [18] Хан (2013) обобщает комплексные исследования, проведенные в Университете Канзаса, включая статические и циклические испытания нагружения плит, полномасштабные испытания движущихся колес и численное моделирование оснований, армированных геоячейками, с различными заполняющими материалами, и обсуждает основные результаты исследований этих исследований, касающиеся постоянных, упругих и деформаций ползучести, жесткости, несущей способности и распределения напряжений, а также разработки методов проектирования оснований, армированных геоячейками. Эти исследования показали, что основания, армированные геоячейками из нового полимерного сплава (NAP), снижают вертикальные напряжения на границе между грунтовым основанием и основанием, снижают постоянные и деформационные деформации ползучести, увеличивают упругую деформацию, жесткость и несущую способность оснований. [20] Дополнительные обзоры литературы можно найти в работах Кифа и др. (2013) [21] и Марто (2013). [22]
Прочность и жесткость слоев дорожного покрытия определяют эксплуатационные характеристики дорожного покрытия, в то время как использование заполнителя влияет на стоимость и продолжительность установки; поэтому необходимы альтернативы для улучшения качества дорожного покрытия с использованием новых материалов с меньшим использованием заполнителя (Rajagopal et al 2012). [23] Геоячейки признаны подходящим геосинтетическим армированием зернистых грунтов для поддержки статических и подвижных колесных нагрузок на дорогах, железных дорогах и аналогичных применениях. Но жесткость геоячеек была определена как ключевой фактор влияния на армирование геоячейками и, следовательно, на жесткость всей конструкции дорожного покрытия. [23] [24]
Лабораторные испытания на нагрузку плиты, полномасштабные испытания движущегося колеса и полевые демонстрации показали, что эксплуатационные характеристики оснований, армированных геоячейками, зависят от модуля упругости геоячейки. Геоячейки с более высоким модулем упругости имели более высокую несущую способность и жесткость армированного основания. Геоячейки NPA показали более высокие результаты по предельной несущей способности, жесткости и армированию по сравнению с геоячейками из HDPE. [25] Геоячейки NPA показали лучшее сопротивление ползучести и лучшее сохранение жесткости и сопротивления ползучести, особенно при повышенных температурах, что подтверждено испытаниями на нагрузку плиты, численным моделированием и полномасштабными испытаниями на движение. [17] [26]
CCS были успешно установлены в тысячах проектов по всему миру. Однако необходимо различать приложения с низкой нагрузкой, такие как приложения на склонах и каналах, и новые приложения для инфраструктуры с высокой нагрузкой, такие как базовый слой автомагистралей, железных дорог, портов, аэропортов и платформ. [19] Например, хотя все полимерные материалы в CCS будут со временем ползти под нагрузкой, вопросы заключаются в следующем: насколько сильно произойдет постоянная деградация, при каких условиях и как это повлияет на долгосрочную производительность, и может ли это привести к отказу. [27] [28] [29]
Срок службы CCS в приложениях по защите склонов, например, менее критичен, поскольку вегетативный рост и корневое сцепление помогают стабилизировать почву. Это фактически компенсирует любую долгосрочную потерю ограничения в CCS. Аналогично, приложения по поддержке нагрузки для дорог с низкой интенсивностью движения, не подверженных большой нагрузке, обычно имеют короткий расчетный срок службы; поэтому незначительная потеря производительности является допустимой. Однако в критических инфраструктурных приложениях, таких как армирование структурных слоев дорожного покрытия автомагистралей, железных дорог и платформ, долгосрочная размерная стабильность имеет решающее значение. Пока объемная площадь геоячейки не изменяется более чем на 2-3%, уплотнение и производительность сохраняются, а осадки сводятся к минимуму. [30] [31]
Последней вехой в развитии геоячеек является разработка и публикация руководящих стандартов. Недавно опубликованные стандарты для геоячеек ASTM, [32] ISO [30] и других стран (например, Нидерландов) [33] являются естественным результатом последних разработок в области ячеистых систем ограничения: новые полимерные материалы для геоячеек, обширные опубликованные исследования, принятые методы испытаний на основе эксплуатационных характеристик и расширяющаяся база знаний полевых исследований. Они предназначены для распространения самых последних знаний о лучших методах проектирования и практиках внедрения технологии геоячеек в приложениях по стабилизации грунта и армированию дорожного основания. [32]
В новых стандартах обсуждаются соответствующие факторы применения армирующих геосинтетиков и систем ограничения, механизмы 3D-армирования, факторы проектирования и подчеркивается влияние характеристик материала геоячеек на долгосрочную прочность. Стандартные методы испытаний ASTM и ISO для полимеров, обычно используемые во многих отраслях промышленности, используются для прогнозирования долгосрочного поведения и накопленной пластической деформации в геосинтетике под нагрузкой с различными механическими напряжениями, частотами и температурами. Например, голландский стандарт по использованию армирующих геосинтетиков в дорожных покрытиях [33] охватывает применение геоячеек (а также георешеток), механизмы поддержки и принципы проектирования. Он также подчеркивает важность характеристик материала геоячеек (жесткость и сопротивление ползучести) и то, как они влияют на долгосрочные факторы армирования.
Ниже приведены ключевые моменты новых стандартов:
Общим для новых Руководящих принципов является подход, основанный на производительности, в котором инженерные параметры, такие как модуль, пластическая деформация и прочность на растяжение, являются ключевыми факторами. Тестирование на основе производительности имеет решающее значение, поскольку тяжелые инфраструктурные приложения подвергают геоячейки гораздо более высоким динамическим нагрузкам для более длительного срока службы.
Система ячеистого ограничения при заполнении уплотненным грунтом создает новую композитную сущность, которая обладает улучшенными механическими и геотехническими свойствами. [34] Когда грунт, содержащийся в CCS, подвергается давлению, как в случае применения опоры нагрузки, это вызывает боковые напряжения на периметральных стенках ячеек. Трехмерная зона ограничения уменьшает боковое перемещение частиц почвы, в то время как вертикальная нагрузка на содержащееся заполнение приводит к высокому боковому напряжению и сопротивлению на границе раздела ячейка-грунт. Это увеличивает прочность на сдвиг ограниченного грунта, что:
Ограничение из соседних ячеек обеспечивает дополнительное сопротивление против загруженной ячейки через пассивное сопротивление, в то время как боковое расширение заполнения ограничивается высокой кольцевой прочностью. Уплотнение поддерживается ограничением, что приводит к долгосрочному армированию. [35]
На месте секции геоячеек скрепляются вместе и размещаются непосредственно на поверхности подпочвы или на геотекстильном фильтре, размещенном на поверхности подпочвы и подпертом в виде гармошки с помощью внешнего растяжного узла. Секции расширяются до площади в несколько десятков метров и состоят из сотен отдельных ячеек, в зависимости от сечения и размера ячеек. Затем они заполняются различными заполняющими материалами, такими как почва, песок, заполнитель или переработанные материалы, а затем уплотняются с помощью виброуплотнителей. Поверхностные слои часто состоят из асфальта или несвязанных гравийных материалов.
Системы ячеистого ограничения (CCS) использовались для улучшения характеристик как асфальтированных, так и грунтовых дорог путем армирования почвы в интерфейсе земляное полотно-основание или в пределах базового слоя. Эффективное распределение нагрузки CCS создает прочный, жесткий ячеистый матрас. Этот 3D-матрас уменьшает вертикальную дифференциальную осадку в мягких земляных полотнах, улучшает прочность на сдвиг и увеличивает несущую способность, одновременно уменьшая количество заполнителя, необходимого для продления срока службы дорог. Как композитная система, ячеистое ограничение усиливает заполнение заполнителя, тем самым одновременно позволяя использовать плохо сортированный материал худшего качества (например, местные природные почвы, отходы карьеров или переработанные материалы) для заполнения, а также уменьшая толщину структурного опорного слоя. [36] Типичные области применения опорной нагрузки включают армирование слоев основания и подосновы в гибких покрытиях , включая: асфальтовые покрытия; грунтовые подъездные, служебные и подъездные дороги; военные дороги , железнодорожное основание и ограничение балласта; рабочие платформы в интермодальных портах; взлетно-посадочные полосы и перроны аэропортов, водопроницаемые покрытия; опоры трубопроводов; зеленые парковки и зоны аварийного доступа.
Трехмерное боковое ограничение CCS вместе с методами анкеровки обеспечивает долгосрочную устойчивость склонов с использованием растительного верхнего слоя почвы, заполнителя или бетонного покрытия (при воздействии сильного механического и гидравлического давления). Улучшенный дренаж, силы трения и взаимодействие клеток, почвы и растений CCS предотвращает движение вниз по склону и ограничивает воздействие дождевых капель, образование каналов и гидравлических сдвиговых напряжений . [37] Перфорации в 3D-ячейках позволяют проходить воде, питательным веществам и почвенным организмам. Это стимулирует рост растений и корневую связь, что дополнительно стабилизирует склон и почвенную массу и облегчает восстановление ландшафта. Типичные области применения включают: строительные выемки и засыпки склонов и стабилизацию; насыпи для дорог и железных дорог; стабилизация трубопроводов и бермы для хранения; восстановление карьеров и шахт; сооружения каналов и береговой линии. Они могут быть построены как подстилающая масса или как облицовка.
CCS обеспечивают крутые вертикальные механически стабилизированные земляные конструкции (гравитационные или армированные стены) для крутых граней, стен и неровного рельефа. Строительство удержания грунта CCS упрощается, поскольку каждый слой структурно прочен, тем самым обеспечивая доступ для оборудования и рабочих, устраняя необходимость в бетонной опалубке и отверждении. Местный грунт может использоваться для заполнения, если он подходит и зернистый, в то время как внешние поверхности позволяют использовать зеленую или коричневую фасцию горизонтальных террас/рядов, используя верхний слой почвы. Стены также могут использоваться для облицовки каналов, а в случаях высокого потока требуется, чтобы внешние ячейки содержали заполнение из бетона или цементного раствора. CCS использовались для армирования мягких или неровных грунтовых оснований для больших площадей фундаментов, для ленточных фундаментов подпорных стен, для распределения нагрузки крышек над трубопроводами и других геотехнических применений. [38]
CCS обеспечивает защиту геомембранного покрытия, создавая при этом устойчивую почву, бермы и склоны для защиты от скольжения и прочного удержания жидкостей и отходов. [39] Обработка заполнения зависит от содержащихся материалов: бетон для прудов и водохранилищ; гравий для дренажа свалок и фильтратов , растительный заполнитель для восстановления ландшафта. Бетонные работы эффективны и контролируются, поскольку CCS функционирует как готовые формы; CCS с бетоном образует гибкую плиту, которая выдерживает незначительное движение земляного полотна и предотвращает растрескивание. При средних и низких скоростях потока CCS с геомембранами и гравийным покрытием можно использовать для создания непроницаемых каналов, тем самым устраняя необходимость в бетоне.
CCS — это экологичное решение для строительства, которое делает проекты гражданской инфраструктуры более устойчивыми. В приложениях для поддержки нагрузки увеличенное армирование геоячеек позволяет сократить количество и качество заполнения для структурной поддержки. Это означает, что для строительства можно использовать локально доступные, но маргинальные типы почвы или переработанные материалы. Это снижает потребность в карьерном заполнителе, тем самым сокращая карьерное, транспортное и землеройное оборудование для размещения. Это, в свою очередь, значительно снижает потребление топлива, загрязнение и углеродный след, в то же время снижая экологический след строительства с точки зрения меньшего количества пыли, эрозии и стока. При использовании для склонов перфорированная CCS обеспечивает отличную защиту почвы, дренаж воды и ростовой слой для растений для восстановления зеленых и растительных ландшафтов. Длительный проектный срок службы передовой технологии CCS также может снизить затраты на техническое обслуживание и долгосрочные экономические затраты. [40]
