Геосинтетика - Geosynthetics

Мешки с песком из геотекстиля защищали исторический дом Клиффенде на острове Зильт от штормов, которые размыли скалы слева и справа от барьера из мешков с песком.
Мешки с песком из геотекстиля могут быть прибл. 20 м в длину, например, те, что используются для искусственного рифа в узком ущелье, Квинсленд .

Геосинтетические материалы - это синтетические материалы, используемые для стабилизации местности. Обычно это полимерные продукты, используемые для решения задач гражданского строительства . Сюда входят восемь основных категорий продуктов: геотекстиль , георешетки , геосетки , геомембраны , геосинтетические глиняные прокладки , геопена , геоячейки и геокомпозиты . Полимерная природа продуктов делает их пригодными для использования в местах , где требуются высокие уровни прочности. Их также можно использовать в открытых приложениях. Геосинтетики доступны в широком диапазоне форм и материалов. Эти продукты имеют широкий спектр применения и в настоящее время используются во многих гражданских, геотехнических , транспортных , геоэкологических, гидравлических и частных разработках, включая дороги , аэродромы , железные дороги , насыпи , подпорные конструкции , резервуары , каналы , плотины , контроль эрозии , отложения. контроль , мусорные вкладыши, чехлы на свалках, горнодобывающая промышленность , аквакультура и сельское хозяйство .

История

Включения разных сортов, смешанные с почвой , использовались на протяжении тысячелетий. В римские времена они использовались при строительстве дорог для стабилизации проезжей части 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 неустойчивой почве. Они также использовались для строительства крутых склонов, как несколько пирамид в Египте и стен. Основная проблема при использовании природных материалов ( дерево , хлопок и т. Д.) В погребенной среде - это биоразложение, которое происходит за счет микроорганизмов в почве. С появлением полимеров в середине 20 века стал доступен гораздо более стабильный материал. При правильной формулировке срок службы в столетия может быть предсказан даже в суровых условиях окружающей среды.

В ранних работах по геосинтетикам (какими мы их знаем сегодня) в 1960-х годах было задокументировано их использование в качестве фильтров в Соединенных Штатах и в качестве усиления в Европе . Конференция 1977 года в Париже собрала многих первых производителей и практиков. Международное геосинтетическое общество (IGS), основанное в 1982 году, впоследствии организовывало всемирную конференцию каждые четыре года, и его многочисленные отделения проводят дополнительные конференции. В настоящее время действуют отдельные геосинтетические институты, торговые группы и группы по установлению стандартов. Примерно в двадцати университетах преподаются отдельные курсы по геосинтетике, и почти все они включают этот предмет в курсы по геотехнике, геоэкологии и гидротехнике . Геосинтетические материалы доступны по всему миру, и эта деятельность стабильно растет.

Геосинтетические продукты

Категории

Геотекстиль

Геотекстиль - одна из двух самых больших групп геосинтетических материалов. Это текстиль, состоящий из синтетических волокон, а не из натуральных, таких как хлопок, шерсть или шелк. Это делает их менее восприимчивыми к биоразложению. Эти синтетические волокна превращаются в гибкие пористые ткани на стандартном ткацком оборудовании или сплетаются между собой случайным образом нетканым способом. Некоторые тоже связаны. Геотекстиль пористый для жидкости, протекающей через их произведенную плоскость, а также в пределах их толщины, но в очень разной степени. Разработано не менее 100 конкретных областей применения геотекстиля; однако ткань всегда выполняет по крайней мере одну из четырех дискретных функций: разделение, укрепление, фильтрацию и / или дренаж.

Геосетки

Георешетки используются для предотвращения скольжения на длинных и крутых склонах во время установки и использования системы ограждения полигона.

Геосетки представляют собой быстрорастущий сегмент геосинтетических материалов. Геосетки представляют собой не тканый, нетканый или трикотажный текстильный материал, а полимеры, сформированные в очень открытую решетчатую конфигурацию, то есть они имеют большие отверстия между отдельными ребрами в поперечном и продольном направлениях. Геосетки (а) растягиваются в одном, двух или трех направлениях для улучшения физических свойств, (б) изготавливаются на ткацком или трикотажном оборудовании стандартными методами производства текстиля, или (в) с помощью лазера или ультразвукового соединения стержней или лент вместе. Есть много конкретных областей применения; однако георешетки функционируют почти исключительно как армирующие материалы.

Geonets / Geospacers

Геосетки и связанные с ними геокосмические системы, по мнению некоторых, составляют еще один специализированный сегмент в области геосинтетики. Они образованы путем непрерывного выдавливания параллельных наборов полимерных ребер под острыми углами друг к другу. Когда ребра открыты, относительно большие отверстия образуют сетчатую конфигурацию. Наиболее распространены два типа: двухплоскостной или трехплоскостной. В качестве альтернативы доступно множество самых разных типов дренажных стержней. Они состоят из полимерных листов с выступами, углублениями или выступами, трехмерных сеток из жестких полимерных волокон в различных конфигурациях и небольших дренажных труб или прокладок внутри геотекстиля. Их конструктивная функция полностью находится в пределах дренажной зоны, где они используются для транспортировки жидкостей или газов всех типов.

Геомембраны

Геомембраны представляют собой другую по величине группу геосинтетических материалов, и в долларовом выражении их продажи выше, чем у геотекстиля. Их рост в США и Германии был стимулирован правительственными постановлениями, первоначально принятыми в начале 1980-х годов для футеровки свалок твердых отходов. Сами материалы представляют собой относительно тонкие непроницаемые листы полимерного материала, используемые в основном для облицовки и крышек хранилищ жидкостей или твердых веществ. Сюда входят все типы свалок, поверхностных водохранилищ, каналов и других средств локализации. Таким образом, основной функцией всегда является удержание в качестве барьера для жидкости или пара, или того и другого. Тем не менее, диапазон применений велик, и в дополнение к области защиты окружающей среды быстро растут приложения в геотехнической, транспортной, гидравлической и частной инженерии (например, в аквакультуре, сельском хозяйстве, кучном выщелачивании и т. Д.).

Футеровки из геосинтетической глины

Футеровки из геосинтетической глины, или ГКЛ, представляют собой интересное сочетание полимерных материалов и природных почв. Они представляют собой рулоны изготовленных на заводе тонких слоев бентонитовой глины, зажатые между двумя геотекстилем или прикрепленные к геомембране. Структурная целостность последующего композита достигается иглопробиванием, сшиванием или клеевым соединением. GCL используются в качестве составного компонента под геомембраной или сами по себе в геоэкологических и защитных приложениях, а также в транспортных, геотехнических, гидравлических и многих частных разработках.

Геопена

Geofoam - 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 из нерасширенного полимерного материала. Получающийся в результате продукт обычно имеет форму больших, но очень легких блоков, которые уложены рядом друг с другом и слоями, обеспечивающими легкое заполнение во многих областях применения.

Геоячейки

Геоячейки (также известные как системы сотовой локализации) представляют собой трехмерные сотовые ячеистые структуры, которые при заполнении уплотненным грунтом образуют систему локализации. Экструдируемые из полимерных материалов в полосы, сваренные вместе ультразвуком последовательно, полосы расширяются, образуя жесткие (и обычно текстурированные и перфорированные) стенки гибкого трехмерного ячеистого матраса. Заполненный почвой, новый составной объект создается из взаимодействий клетки с почвой. Ограничение ячеек уменьшает боковое перемещение частиц почвы, тем самым поддерживая уплотнение и образуя жесткий матрас, который распределяет нагрузки по более широкой площади. Геоячейки из современных полимеров, традиционно используемые для защиты склонов и защиты грунта, все чаще используются для долговременной поддержки дорожных и железнодорожных нагрузок. Гораздо более крупные геоячейки также изготавливаются из жесткого геотекстиля, вшитого в аналогичные, но более крупные, единичные ячейки, которые используются для защиты бункеров и стен.

Геокомпозиты

Монтаж геокомпозитного дренажа. Геокомпозитные дренажи часто используются на крутых склонах защитных систем полигонов.

Геокомпозит состоит из комбинации геотекстиля, георешетки, геосетки и / или геомембран в единице, изготовленной на заводе. Кроме того, любой из этих четырех материалов можно комбинировать с другим синтетическим материалом (например, деформированными пластиковыми листами или стальными тросами) или даже с почвой. Например, геосетка или геокосмический материал с геотекстилем на обеих поверхностях и GCL, состоящий из сэндвича геотекстиль / бентонит / геотекстиль, являются геокомпозитами. В этой конкретной категории представлены лучшие творческие усилия инженера и производителя. Сферы применения многочисленны и постоянно растут. Основные функции охватывают весь спектр функций, перечисленных для геосинтетических материалов, о которых говорилось ранее: разделение, укрепление, фильтрация, осушение и локализация.

Спрос и производство

Спрос на геосинтетические материалы (млн м²)
Область 2007 г. 2012 г. 2017 г.
Северная Америка 923 965 1300
западная Европа 668 615 725
Азиатско-Тихоокеанский регион 723 1200 2330
Центральная и Южная Америка 124 160 220
Восточная Европа 248 305 405
Африка / Ближний Восток 115 155 220
Общий 2801 3400 5200
Продажа геосинтетических материалов по всему миру
Тип Сумма
(млн м²)
Цена
(долл. / М²)
Продажи
(в миллионах долларов США)
Геотекстиль 1400 0,75 1050
Геосетки 250 2,50 625
Геонеты 75 2,00 150
Геомембраны 300 6.00 1800
Футеровки из геосинтетической глины 100 6.50 650
Геопена 5 75.00 375
Геокомпозиты 100 4.00 400
Общий 2230 5050

Функции

Стабилизация окружающей среды Инженерным корпусом армии США, работающим в Пуэрто-Рико после урагана Мария

Сопоставление только что описанных различных типов геосинтетических материалов с основной функцией, которую призван выполнять материал, позволяет создать организационную матрицу для геосинтетических материалов; см. таблицу ниже. По сути, эта матрица является «оценочной картой» для понимания всего геосинтетического поля и методологии, связанной с его проектированием. В таблице показана основная функция, которую может выполнять каждый геосинтетический материал. Обратите внимание, что это первичные функции, и во многих случаях (если не в большинстве) есть вторичные функции, а также, возможно, третичные. Например, геотекстиль, помещенный на мягкий грунт, обычно разрабатывается на основе его армирующей способности, но разделение и фильтрация, безусловно, могут быть второстепенными и третичными соображениями. В качестве другого примера, очевидно, что геомембрана используется из-за ее способности удерживать, но разделение всегда будет второстепенной функцией. Наибольшее разнообразие с точки зрения производства и материалов представляет категория геокомпозитов. Основная функция будет полностью зависеть от того, что на самом деле создается, производится и устанавливается.

Основные функции геосинтетики
Тип геосинтетики (ГС) Разделение Армирование Фильтрация Дренаж Сдерживание
2.1 Геотекстиль (GT) Икс Икс Икс Икс
2.2 Георешетка (GG) Икс
2.3 Geonet (GN) или geospacer (GR) Икс
2.4 Геомембрана (GM) Икс
2.5 Футеровка из геосинтетической глины (GCL) Икс
2.6 Геопена (GF) Икс
2.7 Геоячейки (GL) Икс Икс
2.8 Геокомпозит (ГК) Икс Икс Икс Икс Икс

Геосинтетические материалы обычно разрабатываются для конкретного применения с учетом основной функции, которая может быть предоставлена. Как видно из сопроводительной таблицы, дано пять основных функций, но некоторые группы предлагают даже больше.

Разделение - это размещение гибкого геосинтетического материала, такого как пористый геотекстиль, между разнородными материалами, чтобы целостность и функционирование обоих материалов оставались нетронутыми или даже улучшались. Дороги с твердым покрытием, дороги без покрытия и железнодорожные базы являются обычными применениями. Также к этой категории относится использование толстого нетканого геотекстиля для амортизации и защиты геомембран. Кроме того, для большинства применений геопены и геоячеек разделение является основной функцией.

Армирование - это синергетическое улучшение общей прочности системы, создаваемое введением геотекстиля, георешетки или геоячейки (все из которых хороши на растяжение) в грунт (который хорош на сжатие, но плох на растяжение) или других несвязанных и разделенных материал. Эта функция применяется в механически стабилизированных и удерживаемых земляных стенах и на крутых откосах грунта; их можно комбинировать с кладкой для создания вертикальных подпорных стен. Также подразумевается применение базального армирования на мягких грунтах и ​​глубоких основаниях для насыпей и тяжелых поверхностных нагрузок. В отличие от геотекстиля, жесткие полимерные георешетки и геоячейки не нужно удерживать в напряжении для усиления грунта. Жесткая двумерная георешетка и трехмерные геоячейки сцепляются с частицами заполнителя, а механизм усиления является одним из механизмов удержания заполнителя. Полученный механически стабилизированный слой заполнителя демонстрирует улучшенные несущие свойства. Жесткие полимерные георешетки с очень открытыми отверстиями, в дополнение к трехмерным геоячейкам, изготовленным из различных полимеров, также все чаще используются для грунтовых и мощеных дорог, грузовых платформ и железнодорожного балласта, где улучшенные несущие характеристики значительно снижают требования к высокому качеству импортных товаров. заполнение заполнителем, что снижает углеродный след конструкции.

Фильтрация - это равновесное взаимодействие грунта и геотекстиля, которое обеспечивает адекватный поток жидкости без потери почвы через плоскость геотекстиля в течение срока службы, совместимого с рассматриваемым применением. Области применения фильтрации - это дренажные системы магистралей, дренаж подпорных стен, системы сбора сточных вод на свалках , в качестве противоиловых заграждений и завес, а также в качестве гибких форм для пакетов, трубок и контейнеров.

Дренаж - это равновесная почва-геосинтетическая система, которая обеспечивает адекватный поток жидкости без потери почвы в плоскости геосинтеза в течение срока службы, совместимого с рассматриваемым применением. Geopipe выделяет эту функцию, а также геосетки, геокомпозиты и очень толстый геотекстиль. Применения дренажа для этих различных геосинтетических материалов включают подпорные стены, спортивные площадки, плотины, каналы, резервуары и разрывы капилляров. Также следует отметить, что листовые, краевые и фитильные дренажи представляют собой геокомпозиты, используемые для различных ситуаций дренажа почвы и горных пород.

Сдерживание включает геомембраны, геосинтетические глиняные облицовки или некоторые геокомпозиты, которые функционируют как барьеры для жидкости или газа. В лайнерах и покрытиях полигонов критически важны эти геосинтетические материалы. Все гидравлические приложения (туннели, плотины, каналы, поверхностные водохранилища и плавучие покрытия) также используют эти геосинтетические материалы.

Преимущества

  • Производимый контроль качества геосинтетических материалов в контролируемой заводской среде является большим преимуществом по сравнению с грунтовым и каменным строительством на открытом воздухе. Большинство заводов имеют сертификаты ISO 9000 и также имеют собственные программы обеспечения качества.
  • Малая толщина геосинтетических материалов по сравнению с их аналогами из естественного грунта является преимуществом, поскольку они легкие на земляное полотно, меньше используемого воздушного пространства и избегают попадания в карьеры песка, гравия и глинистых грунтовых материалов.
  • Простота геосинтетической установки значительна по сравнению с толстыми слоями почвы (пески, гравий или глина), требующими большого землеройного оборудования.
  • Опубликованные стандарты (методы испытаний, руководства и спецификации) хорошо развиты в таких организациях, устанавливающих стандарты, как ISO, ASTM и GSI.
  • Методы проектирования в настоящее время доступны из многих источников, а также из университетов, которые преподают отдельные курсы по геосинтетике или интегрировали геосинтетику в традиционные геотехнические, геоэкологические и гидротехнические курсы.
  • При сравнении геосинтетических конструкций с альтернативными конструкциями естественного грунта обычно отмечаются преимущества в стоимости и неизменно преимущества устойчивости (более низкий уровень выбросов CO 2 ).

Недостатки

  • Долговременные характеристики смолы определенного состава, используемой для изготовления геосинтетических материалов, должны быть обеспечены за счет использования надлежащих добавок, включая антиоксиданты, фильтры для ультрафиолетовых лучей и наполнители.
  • Эксплуатационный срок службы геосинтетических материалов, которые являются полимерными, меньше, чем у незащищенных, как при засыпке грунта.
  • Засорение или биологическое забивание геотекстиля, геосеток, геотруб и / или геокомпозитов является сложной задачей для определенных типов почв или необычных ситуаций. Например, лессовые почвы, мелкие несвязные илы, сильно мутные жидкости и жидкости, содержащие микроорганизмы (сточные воды с хозяйств), вызывают проблемы и обычно требуют специальных испытаний.
  • Обработка, хранение, переноска и установка должны обеспечиваться тщательным контролем качества и гарантией качества.

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Ван Зантен, Р.В. (1986). Геотекстиль и геомембраны в гражданском строительстве , AA Balkema Publ., Роттердам, Нидерланды.
  • Международная ассоциация промышленных тканей (1990 г.). Основы дизайна: геотекстиль и родственные материалы , IFAI Publ., Roseville, MN, US.
  • Ван Сантворт, GPTM, переводчик (1995). Геосинтетика в гражданском строительстве , AA Balkema Publ., Роттердам, Нидерланды.
  • Джуэлл, РА (1996). Укрепление грунта геотекстилем , CIRIA Publishers, Лондон, Англия.
  • Хольц, Р. Д., Кристофер, Б. Р. и Берг, Р. Р. (1997). Геосинтетическая инженерия, БиТек Паблишерс, Лтд., Ричмонд, Британская Колумбия, Канада.
  • Пиларчик, KW (2000). Геосинтетика и геосистемы в гидротехнике и прибрежной инженерии , AA Balkema Publ., Роттердам, Нидерланды.
  • Роу, РК (ред.) (2001). Справочник по геотехнической и геоэкологической инженерии , Kluwer Academic Publishers, Бостон, США.
  • Диксон, Н., Смит, Д.М., Гринвуд, Дж. Р. и Джонс, ДРВ (2003). Геосинтетика: защита окружающей среды , Thomas Telford Publ., Лондон, Англия.
  • Шукла, С.К. и Инь, Ж.-Х. (2006). Основы геосинтетической инженерии , Taylor and Francis Publishers, Лондон, Англия.
  • Sarsby, RW Ed. (2007). Геосинтетика в гражданском строительстве , Woodhead Publishing Ltd., Кембридж, Англия.

внешние ссылки