Геосинтетика

Геосинтетика — это синтетические продукты, используемые для стабилизации рельефа. Как правило, это полимерные продукты, используемые для решения проблем гражданского строительства . Сюда входят восемь основных категорий продуктов: геотекстиль , георешетки , геосети , геомембраны , геосинтетические глиняные облицовки , геопена , геоячейки и геокомпозиты . Полимерная природа продуктов делает их пригодными для использования в грунте, где требуются высокие уровни прочности. Их также можно использовать в открытых приложениях. Геосинтетика доступна в широком ассортименте форм и материалов. Эти продукты имеют широкий спектр применения и в настоящее время используются во многих гражданских, геотехнических , транспортных , геоэкологических, гидравлических и частных строительных приложениях, включая дороги , аэродромы , железные дороги , насыпи , подпорные конструкции , водохранилища , каналы , плотины , контроль эрозии , контроль осадка , облицовка свалок , покрытие свалок, горнодобывающая промышленность , аквакультура и сельское хозяйство .

Включения различных видов, смешанные с почвой, использовались на протяжении тысяч лет. Они использовались при строительстве дорог во времена Римской империи для стабилизации дорог и их краев. Эти ранние попытки были сделаны из натуральных волокон , тканей или растительности, смешанных с почвой, для улучшения качества дорог, особенно когда дороги строились на нестабильной почве. Они также использовались для строительства крутых склонов, как в случае с несколькими пирамидами в Египте , а также стен. Основной проблемой использования натуральных материалов ( дерева , хлопка и т. д.) в подземной среде является биодеградация , которая происходит из-за микроорганизмов в почве. С появлением полимеров в середине 20-го века стал доступен гораздо более стабильный материал. При правильной формулировке можно предсказать срок службы в столетия даже в суровых условиях окружающей среды.

Ранние статьи о геосинтетике (какими мы их знаем сегодня) в 1960-х годах документировали их использование в качестве фильтров в Соединенных Штатах и ​​в качестве арматуры в Европе . Конференция 1977 года в Париже собрала многих ранних производителей и практиков. Международное общество геосинтетики (IGS), основанное в 1982 году, впоследствии организовывало всемирную конференцию каждые четыре года, а его многочисленные отделения проводили дополнительные конференции. В настоящее время действуют отдельные геосинтетические институты, отраслевые группы и группы по установлению стандартов. Примерно двадцать университетов преподают отдельные курсы по геосинтетике, и почти все включают этот предмет в курсы по геотехнике, геоэкологии и гидротехнике . Геосинтетика доступна во всем мире, и эта деятельность является устойчивой и неуклонно растет.

Геотекстиль образует одну из двух крупнейших групп геосинтетиков. Это текстильные материалы, состоящие из синтетических волокон, а не из натуральных, таких как хлопок, шерсть или шелк. Это делает их менее восприимчивыми к биодеградации. Эти синтетические волокна изготавливаются в гибкие пористые ткани с помощью стандартных ткацких станков или спутываются вместе случайным нетканым способом. Некоторые из них также вяжутся. Геотекстиль является пористым для потока жидкости через свою изготовленную плоскость, а также в пределах своей толщины, но в очень разной степени. Существует не менее 100 конкретных областей применения геотекстиля, которые были разработаны; однако ткань всегда выполняет по крайней мере одну из четырех дискретных функций: разделение, армирование, фильтрация и/или дренаж.

Георешетки представляют собой быстрорастущий сегмент в геосинтетике. Вместо того, чтобы быть тканым, нетканым или трикотажным текстильным полотном, георешетки представляют собой полимеры, сформированные в очень открытую, сетчатую конфигурацию, т. е. они имеют большие отверстия между отдельными ребрами в поперечном и продольном направлениях. Георешетки (a) либо растягиваются в одном, двух или трех направлениях для улучшения физических свойств, (b) изготавливаются на ткацких или вязальных машинах стандартными методами текстильного производства или (c) путем лазерного или ультразвукового склеивания стержней или лент вместе. Существует много конкретных областей применения; однако георешетки функционируют почти исключительно как армирующие материалы.

Геосетки и связанные с ними геоспейсеры некоторыми из них составляют еще один специализированный сегмент в области геосинтетики. Они формируются путем непрерывной экструзии параллельных наборов полимерных ребер под острыми углами друг к другу. Когда ребра открываются, относительно большие отверстия формируются в сетчатую конфигурацию. Наиболее распространены два типа: либо двухплоскостные, либо трехплоскостные. В качестве альтернативы доступно множество самых разных типов дренажных сердечников. Они состоят из утолщенных, ямчатых или остроконечных полимерных листов, трехмерных сетей из жестких полимерных волокон в различных конфигурациях и перфорированных мини-труб или спейсеров внутри геотекстиля. Их конструктивная функция полностью находится в пределах дренажной области, где они используются для транспортировки жидкостей или газов всех типов.

Геомембраны представляют собой другую крупнейшую группу геосинтетических материалов, и в долларовом выражении их продажи превышают продажи геотекстиля. Их рост в Соединенных Штатах и ​​Германии был стимулирован правительственными постановлениями, первоначально принятыми в начале 1980-х годов для облицовки полигонов твердых отходов. Сами материалы представляют собой относительно тонкие, непроницаемые листы полимерного материала, используемые в основном для облицовки и покрытий объектов хранения жидкостей или твердых веществ. Сюда входят все типы полигонов, поверхностных водохранилищ, каналов и других объектов сдерживания. Таким образом, основной функцией всегда является сдерживание в качестве барьера для жидкости или пара или того и другого. Однако спектр применений велик, и в дополнение к области охраны окружающей среды быстро растут области применения в геотехнической, транспортной, гидравлической и частной инженерии развития (например, аквакультура, сельское хозяйство, добыча методом кучного выщелачивания и т. д.).

Геосинтетические глиняные подкладки, или GCL, представляют собой интересное сочетание полимерных материалов и природных грунтов. Они представляют собой рулоны тонких слоев бентонитовой глины заводского изготовления , зажатые между двумя геотекстилями или скрепленные с геомембраной. Структурная целостность последующего композита достигается путем иглопробивания, сшивания или склеивания. GCL используются в качестве композитного компонента под геомембраной или сами по себе в геоэкологических и сдерживающих приложениях, а также в транспортных, геотехнических, гидравлических и многих частных приложениях по развитию.

Геопено - это полимерный продукт, созданный путем переработки полистирола в пену, состоящую из множества закрытых ячеек, заполненных воздухом и/или газами. Скелетная природа клеточных стенок напоминает костные структуры, сделанные из нерасширенного полимерного материала. Полученный продукт обычно имеет форму больших, но чрезвычайно легких блоков, которые укладываются бок о бок и слоями, обеспечивая легкое заполнение в многочисленных применениях.

Геоячейки (также известные как системы сотового ограничения) представляют собой трехмерные сотовые ячеистые структуры, которые образуют систему ограничения при заполнении уплотненным грунтом. Выдавленные из полимерных материалов в полосы, сваренные вместе ультразвуковым методом последовательно, полосы расширяются, образуя жесткие (и обычно текстурированные и перфорированные) стенки гибкого 3D ячеистого матраса. Заполненные грунтом, из взаимодействия ячеек и грунта создается новая композитная сущность. Ячеистое ограничение уменьшает боковое смещение частиц грунта, тем самым поддерживая уплотнение и образуя жесткий матрас, который распределяет нагрузку по более широкой области. Традиционно используемые в приложениях по защите склонов и удержанию грунта, геоячейки, изготовленные из современных полимеров, все чаще применяются для долгосрочной поддержки нагрузки на дорогах и железных дорогах. Гораздо более крупные геоячейки также изготавливаются из жесткого геотекстиля, сшитого в аналогичные, но более крупные ячейки, которые используются для защиты бункеров и стен.

Геодренажи представляют собой готовые изделия, состоящие из одного или нескольких полимерных сердечников, транспортирующих жидкость (перфорированные мини-трубы, геосетки, зубчатые листы), и одного или нескольких геосинтетических материалов, разделяющих область потока от окружающей среды.

Геокомпозит состоит из комбинации геотекстиля, георешеток, геосеток и/или геомембран в заводском блоке. Кроме того, любой из этих четырех материалов может быть объединен с другим синтетическим материалом (например, деформированными пластиковыми листами или стальными тросами) или даже с грунтом. В качестве примеров можно привести геосетку или геоспейсер с геотекстилем на обеих поверхностях и GCL, состоящий из сэндвича геотекстиль/бентонит/геотекстиль, которые являются геокомпозитами. Эта конкретная категория выявляет лучшие творческие усилия инженера и производителя. Области применения многочисленны и постоянно растут. Основные функции охватывают весь спектр функций, перечисленных для геосинтетики, обсуждавшихся ранее: разделение, армирование, фильтрация, дренаж и сдерживание.

Сопоставление различных типов геосинтетиков, описанных выше, с основной функцией, которую призван выполнять материал, позволяет создать организационную матрицу для геосинтетики; см. таблицу ниже. По сути, эта матрица является «оценочной картой» для понимания всей области геосинтетики и ее проектной методологии. В таблице показана основная функция, которую может выполнять каждый геосинтетик. Обратите внимание, что это основные функции, и во многих случаях (если не в большинстве) существуют вторичные функции, а возможно, и третичные. Например, геотекстиль, укладываемый на мягкий грунт, обычно проектируется на основе его армирующей способности, но разделение и фильтрация, безусловно, могут быть вторичными и третичными соображениями. В качестве другого примера, геомембрана, очевидно, используется для своей сдерживающей способности, но разделение всегда будет вторичной функцией. Наибольшая изменчивость с точки зрения производства и материалов приходится на категорию геокомпозитов. Основная функция будет полностью зависеть от того, что фактически создано, изготовлено и установлено.

Геосинтетика обычно разрабатывается для конкретного применения с учетом первичной функции, которая может быть предоставлена. Как видно из прилагаемой таблицы, указано пять первичных функций, но некоторые группы предлагают даже больше. ^[3]

Разделение — это размещение гибкого геосинтетического материала, например, пористого геотекстиля, между разнородными материалами, чтобы целостность и функционирование обоих материалов оставались нетронутыми или даже улучшались. Асфальтированные дороги, грунтовые дороги и железнодорожные основания являются обычными областями применения. Также в эту категорию входит использование толстых нетканых геотекстилей для амортизации и защиты геомембран. Кроме того, для большинства областей применения геопены и геоячеек разделение является основной функцией.

Армирование — это синергетическое улучшение общей прочности системы, создаваемое введением геотекстиля, георешетки или геоячейки (все они хороши на растяжение) в грунт (который хорош на сжатие, но плох на растяжение) или другой разобщенный и разделенный материал. Применение этой функции — механически стабилизированные и удерживаемые земляные стены и крутые склоны грунта; их можно комбинировать с облицовкой каменной кладкой для создания вертикальных подпорных стен. Также применяется базальное армирование на мягких грунтах и ​​на глубоких фундаментах для насыпей и тяжелых поверхностных нагрузок. Жесткие полимерные георешетки и геоячейки не должны удерживаться в напряжении для обеспечения армирования грунта, в отличие от геотекстиля. Жесткая 2D георешетка и 3D геоячейки сцепляются с частицами заполнителя, и механизм армирования заключается в ограничении заполнителя. Полученный механически стабилизированный слой заполнителя демонстрирует улучшенные несущие характеристики. Жесткие полимерные георешетки с очень открытыми отверстиями, а также трехмерные геоячейки из различных полимеров все чаще используются на грунтовых и асфальтированных дорогах, грузовых платформах и железнодорожном балласте, где улучшенные несущие характеристики значительно снижают требования к высококачественным импортным заполнителям, тем самым уменьшая углеродный след строительства.

Фильтрация — это равновесное взаимодействие почвы и геотекстиля, которое обеспечивает адекватный поток жидкости без потери почвы через плоскость геотекстиля в течение срока службы, совместимого с рассматриваемым применением. Приложениями для фильтрации являются системы дренажа под автомагистралями, дренаж подпорных стенок, системы сбора фильтрата свалок, в качестве иловых ограждений и занавесок, а также в качестве гибких форм для мешков, труб и контейнеров.

Дренаж — это равновесная система почва-геосинтетика, которая обеспечивает адекватный поток жидкости без потери почвы в плоскости геосинтетики в течение срока службы, совместимого с рассматриваемым применением. Geopipe выделяет эту функцию, а также геосетки, геокомпозиты и очень толстый геотекстиль. Дренажные приложения для этих различных геосинтетиков — подпорные стенки, спортивные площадки, плотины, каналы, водохранилища и капиллярные разрывы. Также следует отметить, что листовые, краевые и фитильные дренажи — это геокомпозиты, используемые для различных ситуаций дренажа почвы и скалы. ^{[ which? ]}

Сдерживание включает геомембраны, геосинтетические глиняные подкладки или некоторые геокомпозиты, которые выполняют функцию барьеров для жидкости или газа. Подкладки и покрытия полигонов захоронения отходов критически используют эти геосинтетики. Все гидравлические приложения (тоннели, плотины, каналы, поверхностные водохранилища и плавающие покрытия) также используют эти геосинтетики.

Барьер в облицовке и покрытии спроектированных полигонов, геомембраны используются в качестве непроницаемых барьеров. Это плоские, малопроницаемые синтетические листы, которые служат барьерами или подкладками в строительных проектах для контроля движения жидкости. Изготовленные из полимерных, асфальтовых материалов или их комбинации, геомембраны предлагают эффективное решение, когда природные или уплотненные глиняные подкладки сами по себе не могут обеспечить адекватную защиту окружающей среды от миграции фильтрата в условиях подпочвы или могут потребовать значительной толщины для этого. Добавление геомембраны в качестве дополнительного барьера предлагает экономически эффективный подход для соответствия нормативным стандартам. В зависимости от области применения доступны различные типы, такие как GCL (геосинтетическая глиняная подкладка), HDPE (полиэтилен высокой плотности) и LDPE (полиэтилен низкой плотности). Проектированные полигоны предоставляют возможности использовать геосинтетику для различных целей в различных областях. На рисунке 6 показан типичный пример применения геосинтетических материалов в различных областях построенного полигона.

Защита, применяемая к поверхностям почвы, геосинтетика стабилизирует территорию, предотвращая перемещение частиц почвы и эрозию из-за ветра и воды, при этом часто поощряя рост растительности. Традиционные методы, такие как армирование бетоном, могут быть дорогостоящими из-за гидравлического давления почвы. Для предотвращения эрозии на берегах рек и береговых линиях обычно используются геотекстильные габионы, трубки и мешки. ^[4]

• Производственный контроль качества геосинтетики в контролируемой заводской среде является большим преимуществом по сравнению с наружным строительством из грунта и камня. Большинство заводов сертифицированы по стандарту ISO 9000 и имеют собственные внутренние программы качества.
• Малая толщина геосинтетических материалов по сравнению с их аналогами из натурального грунта является преимуществом, поскольку обеспечивает меньший вес основания, меньшее используемое воздушное пространство и позволяет избежать использования карьерного песка, гравия и глинистого грунта. ^[1]
• Простота установки геосинтетических материалов значительна по сравнению с толстыми слоями грунта (песок, гравий или глина), требующими крупногабаритного землеройного оборудования. ^[1]
• Опубликованные стандарты (методы испытаний, руководства и спецификации) хорошо известны в организациях, устанавливающих стандарты, таких как ISO, ASTM и GSI.
• Методы проектирования в настоящее время доступны во многих источниках публикаций, а также в университетах, которые преподают отдельные курсы по геосинтетике или интегрировали геосинтетику в традиционные курсы по геотехнике, геоэкологии и гидротехнике.
• При сравнении геосинтетических конструкций с альтернативными конструкциями из натурального грунта обычно отмечаются преимущества в плане стоимости и неизменное преимущество в плане устойчивости (меньший выброс CO2 ₎ . ^[1]

• Долгосрочные эксплуатационные характеристики конкретной смолы, используемой для изготовления геосинтетического материала, должны быть обеспечены за счет использования соответствующих добавок, включая антиоксиданты, ультрафиолетовые фильтры и наполнители.
• Срок службы геосинтетических материалов, поскольку они являются полимерными, короче, чем срок службы неэкспонированных материалов, когда они засыпаны грунтом.
• Засорение или биозасорение геотекстиля, геосеток, геотруб и/или геокомпозитов является сложной конструкцией для определенных типов почв или необычных ситуаций. Например, лессовые почвы, мелкие несвязные илы, высокомутные жидкости и жидкости, насыщенные микроорганизмами (сельскохозяйственные стоки), являются проблемными и, как правило, требуют специализированных тестовых оценок.
• Обращение, хранение, транспортировка и установка должны осуществляться под тщательным контролем и гарантией качества.

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Геосинтетика» .

• Веб-сайт Международного общества геосинтетиков - см. также Международное общество геосинтетиков
• Веб-сайт Европейской ассоциации производителей геосинтетических материалов
• Ассоциация геосинтетических материалов
• Международная ассоциация установщиков геосинтетических материалов
• Инженерное использование геотекстиля
• Институт геосинтетики
• Промышленная геосинтетика
• геосинтетическиесистемы
• Журнал «Геосинтетика»
• Geosynthetica – Бесплатная цифровая публикация по геосинтетике
• Композитное поведение геосинтетического армированного грунтового массива Федеральное управление автомобильных дорог
• Сертификация VERUS – Уполномоченный орган № 2449 для маркировки CE геосинтетических изделий