Защищенная земля ( CE ) — это структурно спроектированный натуральный строительный материал , который сочетает в себе сдерживание, недорогое армирование и прочные связные земляные стены. CE — это конструкция из мешков с землей , которая может быть откалибрована для нескольких уровней сейсмического риска на основе прочности грунта здания и стандартов плана для адекватного укрепления.
Существует признанная необходимость в структурном понимании альтернативных строительных материалов. [1] В настоящее время разрабатываются руководящие принципы строительства для CE, основанные на новозеландских нормах, основанных на эксплуатационных характеристиках для самана и утрамбованной земли. [2]
CE отличается от гравия (CG) или песка (CS) использованием влажной, утрамбованной, выдержанной связной засыпки. CE может быть модульной, встроенной в контейнеры из полипропиленового материала для рисовых мешков , или сплошной, встроенной в сетчатую трубку, которая позволяет земляной засыпке затвердевать между рядами.
CG, заполненный пемзой или обычным гравием и/или мелкими камнями, часто используется в качестве водонепроницаемых стенок основания под CE, что также обеспечивает эффективный капиллярный разрыв. Мешки с грунтом, используемые в основном в горизонтальных применениях инженерами-строителями, содержат рыхлую засыпку, которая включает как CG, так и CS. Курсы CG, как и мешки с грунтом, могут способствовать изоляции основания и/или демпфированию вибрации, [3] [4], хотя прочность вне плоскости требует исследований.
Для ясности, мешок с землей, сделанный с наполнителем с низкой связностью или заполненный сухой почвой, которая не затвердевает, не является CE, а CS. Незатвердевший CE также ведет себя структурно как CS.
Строители, привыкшие работать без инженеров, гордятся неограниченными вариациями мешков с землей. Немногие тренеры обсуждают уровни риска строительных площадок или рекомендуют точные испытания прочности грунта, хотя прочность грунта является ключевым фактором улучшения сейсмических характеристик для земляных стен. [5]
Необходимость использования металлических компонентов или их применение являются предметом споров, включая арматуру , вбитую в стены [6], и колючую проволоку между рядами, хотя статическое трение гладких поверхностей мешков друг о друга у тяжелых модульных стен из CE составляет 0,4 без адгезии. [7]
Инженерные знания о мешках с землей растут. [8] Больше известно о характеристиках стен, сделанных из песка или сухой или невыдержанной почвы, чем о подавляющем большинстве зданий из мешков с землей, в которых использовался влажный, связный грунтовый заполнитель. Отчеты, основанные на испытаниях мешков с землей и сыпучего или гранулированного заполнения (или невыдержанного заполнения), предполагают, что прочность почвы менее важна для прочности стены, чем прочность ткани мешка. [9] Однако испытания на сдвиг ясно показывают, что более прочное выдержанное, связное заполнение существенно увеличивает прочность удерживаемой стены из земли. [10]
Earthbag разрабатывался постепенно без структурного анализа, сначала для небольших куполов, [11] затем для зданий с вертикальными стенами многих форм. Хотя купола прошли структурные испытания в Калифорнии, никакой структурной информации не было извлечено из испытаний изначально устойчивых форм. [12] Строители заимствовали руководящие принципы для самана, чтобы рекомендовать детали плана, [13] но кодекс, разработанный в низкосейсмичном Нью-Мексико, не решает проблемы для областей с более высоким риском. [14] Уровни сейсмического риска в Калифорнии почти в три раза выше, чем в Нью-Мексико, [15] и риск во всем мире растет намного выше.
Мешки с землей часто применяются после катастроф в развивающихся странах, включая цунами на Шри-Ланке в 2004 году [16] , землетрясение на Гаити в 2010 году [17] и землетрясение в Непале в 2015 году [18] .
Стены CE терпят неудачу при испытаниях на сдвиг, когда шипы сгибаются или отгибаются назад или (при слабом заполнении грунтом) из-за скалывания затвердевшего наполнителя мешка. Стены CS или неотвержденные стены CE терпят неудачу по-разному, разрезая ткань мешка, когда шипы движутся через рыхлый наполнитель.
Поскольку ни одно здание с мешками с землей не было серьезно повреждено сейсмическими колебаниями до 0,8 g во время землетрясений в Непале в 2015 году , строительный кодекс Непала признает мешки с землей, [19] хотя кодекс не обсуждает прочность почвы или улучшенное армирование. Непал требует, чтобы здания выдерживали риск 1,5 g, хотя карты опасностей показывают более высокие значения. Лучшие тренеры предполагают использование связного грунта и колючей проволоки и рекомендуют вертикальную арматуру, контрфорсы и связующие балки, [20] но эмпирические методы мешков с землей следует отличать от методов с замкнутой землей, которые следуют более полным рекомендациям.
Результаты оценки ущерба от землетрясений подтверждают обоснованность подробных стандартов Новой Зеландии для неармированных саманных и утрамбованных зданий [21] , которые допускают нагрузку до 0,6 g.
Хотя земляной мешок без специальных указаний часто может быть таким прочным, обычный саман может получить серьезные повреждения при уровнях силы ниже 0,2 g. [22] Нетрадиционный земляной мешок, построенный с колючей проволокой, едва связным грунтом и без арматуры, может иметь половину прочности на сдвиг, чем неармированный саман Новой Зеландии. [23] Где-то между 0,3 и 0,6 g становятся важными указания CE.
На основе статических испытаний на сдвиг (Stouter, P. May 2017): Следующие приблизительные рекомендации предполагают наличие одного этажа со стенами шириной 380 мм (15 дюймов) с 2 прядями 4-точечной колючей проволоки на ряд. Проверьте NZS 4299 на предмет расстояния между стенами и размера стен и/или контрфорсов. Вертикальная арматура должна быть расположена на расстоянии 1,5 м (5 футов) по центру в среднем и заделана в заполнение стены во влажном состоянии. Соблюдайте ограничения NZS 4299 по размеру здания, уклону участка, климату и использованию. Обсудите вопросы фундамента с инженером, поскольку NZS 4299 предполагает полное железобетонное основание.
Для сравнения с NZS 4299 следующие уровни риска основаны примерно на 0,2-секундном спектральном ускорении (Ss) с 2% вероятностью превышения за 50 лет. Строители могут обратиться к Unified Facilities Handbook онлайн [24] для получения этих значений для некоторых городов по всему миру. Эти уровни риска основаны на предельной прочности, но пределы деформации могут потребовать более жесткой детализации или более низких уровней риска.
Грунт средней прочности: 1,7 МПа (250 фунтов на кв. дюйм) прочность на неограниченное сжатие
Прочный грунт: прочность на неограниченное сжатие 2,2 МПа (319 фунтов на кв. дюйм)
Для создания обоснованных руководств по КЭ необходимы дополнительные исследования и инженерный анализ.