С появлением и широким распространением геосинтетических материалов во второй половине ХХ века вопросы укрепления (армирования) слабых грунтовых оснований стали приобретать новый технологический облик. Повышенный спрос, в свою очередь, позволяет разрабатывать более прочные и долговечные конструкции на новом технологическом уровне, чего до того не существовало. В большинстве случаев это относится к плоским и объемным геоматериалам, которые укладывают в армируемую конструкцию (например, в основание насыпи или дорожной одежды) и засыпают щебнем, песчаногравийной смесью или иным инертным материалам, имеющий требуемые физико-механические и фильтрационные свойства.

В последнее время для укрепления слабых грунтовых оснований, откосов и береговых зон рек и озер все больше стали применять геоматериалы, имеющие пространственную конструкцию, которые при укладке заполняют дренирующим грунтом. В первую очередь это объемные геооболочки (геоконтейнеры), по сути, представляющие собой большой мешок из прочной геоткани, заполненный песком. Их часто применяют при укреплении склонов, берегов морей, озер, для устройства дамб и т.д.

Наиболее усовершенствованным вариантом геоконтейнеров являются многосекционные геооболочки — пространственные ячеистые конструкции с линейно-расположенными ячейками квадратной формы с гибким основанием-дном. Их изготавливают методом сшивания из геополос в перпендикулярном направлении друг к другу и к основанию — дну. Для укладки и заполнения многосекционных геооболочек применяется специальный технологический каркас. Благодаря тому, что эти конструкции являются объемными, появляется возможность применять их как при укреплении слабых грунтовых оснований автомобильных и железных дорог, так и в других областях инфраструктурного строительства. К ним относятся укрепление берегов озер и рек, различных портовых и береговых сооружений, откосов и склонов, устройство плотин, подпорных стен и др.

Номенклатура выпускаемых геооболочек в настоящее время включает в себя разные размеры ячеек (шириной от 0,3×0,3 м до 1,5×1,5 м, высотой от 0,3 до 1,5 м). Различные конструкции из многосекционных геооболочек и геоконтейнеров с начала нынешнего века уже применяется на многих объектах, особенно при освоении нефтегазовых месторождении на Крайнем Севере на многолетнемерзлых грунтах. Это связано с тем, что в таких районах имеется большой дефицит пригодного к строительству грунта и практически повсеместно заболоченные территории. Имея замкнутый контур, геообоймы позволяют в роли заполнителя использовать местные глинистые и суглинистые грунты с низкими физико-механическими характеристиками, которые в обычных условиях нельзя применять в строительстве.

Слабый грунт внутри геосинтетической оболочки из прочных геоматериалов (200÷400 кН/м на разрыв) лишен возможности бокового расширения при нагружении и вынужден работать как гибкий блок в конструкции, передавая часть сдвиговых напряжений на саму оболочку. Кроме того, что сам материал работает как армирующий элемент, он еще и обладает высокими фильтрационными свойствами. Это позволяет отжать воду из насыпного грунта и основания, консолидировать их, и тем самым повышать прочность конструкции и основания. Многосекционные геооболочки при монтаже соединяют между собой специальными лентами, что позволяет сразу укладывать их на неподготовленное основание. При укладке прямо на болото I или II типа создается сплошное армированное основание дороги, по которому сразу начинает ходить строительная техника. Как правило, большая часть этих дорог сразу используются как построечные или временные, а после строительства основного объекта переустраиваются под постоянные. Экономическая и технологическая целесообразность применения данных конструкций не раз была подтверждена в различных районах России, особенно на многолетней мерзлоте.

Следующий конструктивный геоматериал, который в настоящее время до-статочно широко применяется в Европе, Китае, Индии и других странах для усиления слабых грунтовых оснований — текстильно-песчаные сваи (колонны). Основным несущим (армирующим) элементом в них является бесшовная вязанная геотекстильная оболочка из высокопрочного геополотна с диаметром от 400 до 1100 мм, прочностью на разрыв 200÷600 кН/м, заполненная несвязным дренирующим грунтом. 

Хотя данный тип укрепления и называют свайным, но текстильно-песчаные сваи (как и щебеночные) в классическом понимании к сваям не относятся. В них нет арматурного каркаса с бетоном, они не обладают сопоставимой жесткостью и несущей способностью железобетона. Соответственно, они относятся к песчаным колоннам, а участки, где они применялись, следует называть усиленным грунтовым основанием, а не свайным фундаментом. Конструктивно текстильно-песчаные сваи (ТПС) являются более усовершенствованной версией обычных песчаных свай, которые широко применялись в нашей стране и за рубежом еще с начала ХХ века. Однако наличие геооболочки существенно расширило область их применения и подняло на новый технологический уровень их устройство. Данная технология представляет собой систему равноудаленных колонн, устраиваемых с применением обсадной трубы с закрытым концом (или с применением теряемого башмака), в которую после погружения помещают геообойму нужной длины и засыпают дренирующим грунтом. После этого обсадную трубу извлекают, а геообойма с заполнителем формируют колонну в слабой толще грунта. Она должна быть уперта в несущие слои, чтобы принять на себя и передавать на них структурные нагрузки (от насыпи, транспорта и др.). Возведение данной нежесткой системы является быстрым и экономически эффективным способом обеспечения устойчивости всей конструкции и мо-жет применяться на илах, текучих суглинках, торфах, на болотах всех типов. При работе на болотах III типа, которые заполнены растекающимся торфом, водой и плавающей торфяной коркой, работу можно организовать только с помощью специальной техники на понтонах или обычной техники с плавучих средств. На северных районах России производство работ целесообразно организовать в зимний период, когда болота замерзают и толщина льда позволяет устраивать лежневые дороги и площадки для сваебойной техники. Текстильно-песчаные сваи в конструкции грунтового основания выполняют следующие функции:

  • ускорение консолидации сильносжимаемого водонасыщенного слоя в основании насыпи, по всей длине сваи за счет фильтрации воды через водопроницаемое тело сваи из дренирующего грунта;
  • повышение прочности слабых грунтовых основания за счет ускорения консолидации грунта в межсвайном пространстве и увеличения активной зо¬ны, обладающих начальным градиентом фильтрации.

Текстильно-песчаные сваи целесообразно применять в слабых грунтах с мощностью до 30 м, с коэффициентом фильтрации до 10-4 м/сутки. В грунтах с водопроницаемостью менее 10-4 м/сутки, расчетный шаг свай оказывается настолько малым, что их устройство становится нецелесообразным. Кроме этого, ТПС нельзя применять в сооружениях, где требуется жесткий свайный фундамент, с большой несущей способностью с минимальными допускаемыми осадками. Вторичные осадки усиленных оснований в глинистых грунтах после строительства с применением данного вида колонн могут длиться несколько лет. По технико-экономическим показателям текстильнопесчаные сваи суще-ственно выигрывают по сравнению с другими видами свай. Так, при устройстве насыпи на гибком ростверке при одинаковых равных условиях, стоимость устройства ТПС по сравнению с железобетонными призматическими сваями ниже на 48%, с щебеночными — на 45%, с буро-набивными — более 80% . Это связано с тем, что при устройстве текстильно-песчаных свай применяется довольно дешевые материалы — песок и геообойма, ничего другого не требуется. Однако, как и у всякой технологии, здесь имеются свои недостатки. К ним относится долгий период консолидации грунта слабого основания (особенно глинистых) до требуемых значений — 90% суммарной осадки. Для ускорения зачастую необходимо устраивать пригруз насыпи и обязательно привязывать график производства работ к периоду консолидации основания. Это замедляет темп строительства, а устройство пригруза и его снятие удорожают смету, но не умаляет основных достоинств, которыми обладают ТПС. При правильном применении они полностью удовлетворяют требования по проектированию на слабых и водонасыщенных грунтах [4]. Вместе с консолидированным слабым грунтом, текстильно-песчаные сваи позволяют построенным дорогам и другим сооружениям надежно работать долгие годы.

Все выше рассмотренные геоматериалы существенно повышают несущую способность слабых грунтовых оснований, позволяют строить дороги на болотах, многолетнемерзлых грунтах, косогорах, устраивать защиту от воздействия воды на различных водных объектах, укреплять береговую зону и т. д. Однако, несмотря на такие широкие возможности, каждую из названных технологий следует включать в проект после тщательного анализа ее работы в конкретных условиях и технико-экономического обоснования, иначе требуемый результат может быть не достигнут.

В статье используются материалы из источника:

http://www.techinform-press.ru/images/stories/pdf/roads99/99.pdf