Учёные Пермского Политеха впервые разработали методику оценки влияния геосинтетических материалов на прочность дорог

Лесовозные дороги сегодня важны для вывозки сырья и связи между удалёнными территориями. Однако из-за слабых грунтов, сурового климата и высоких нагрузок от тяжёлой техники они быстро разрушаются.

Традиционно их строят из щебня и песка, но на переувлажнённой или промёрзшей земле такие конструкции деформируются и требуют частых ремонтов.

По всей России – от северных таёжных регионов до Дальнего Востока – проложены десятки тысяч километров дорог. Среди них значительную часть занимают лесовозные: они связывают удалённые, труднодоступные территории с транспортной сетью, обеспечивая вывозку древесины, доставку грузов, а иногда – единственную связь населённых пунктов с «большой землёй».

Однако строительство и содержание таких дорог сопряжены с серьёзными инженерными трудностями. Эти пути ежедневно подвергаются большим нагрузкам от тяжёлой техники и работают в условиях сурового климата (перепады температур, промерзание и оттаивание грунта).

Лесовозные дороги часто приходится строить на слабых грунтах (глинах, суглинках, супесях), то есть рыхлых и неустойчивых. При этом в России они встречаются повсеместно, занимая, по оценкам специалистов, значительную часть территории страны (не менее 60%). Это значит, что такие дороги быстро разрушаются, требуют частых ремонтов, приводят к простоям техники и росту затрат на вывозку древесины.

Геосинтетические материалы

Лесовозные пути традиционно строят из доступных сыпучих материалов: щебень, гравий, песок. Эти материалы действительно упрочняют дорожную конструкцию: создают жёсткое покрытие, распределяющее нагрузку от колёс, отводят воду и упрочняют основание. В комбинации друг с другом они образуют классическую дорожную одежду, которая давно используется на лесных дорогах.

Однако в сложных условиях даже качественные щебень и песок перестают быть полностью эффективными. Под тяжёлой техникой слои грунта начинают смешиваться, вода задерживается в конструкции и при замерзании разрушает её изнутри.

В связи с этим сегодня всё чаще применяют геосинтетические армирующие материалы. Это тонкие, но очень прочные полотна на основе полимеров, которые укладываются между слоями дорожной одежды.

В отличие от традиционных материалов, геосинтетика удерживает полотно от сдвига, отводит воду и не даёт щебню, песку и глине перемешиваться. Это позволяет дороге оставаться прочной и устойчивой даже на слабых грунтах. В некоторых случаях – на болотистых или сильно переувлажнённых участках – использование геосинтетики становится единственным технически возможным способом построить дорогу.

Кроме того, они гораздо дольше служат: обычную лесовозную дорогу из одного щебня приходится ремонтировать в среднем до 4 раз в год. При этом конструкция с геосинтетической прослойкой может прослужить от 3 до 5 лет без восстановительных работ. За счёт этого снижаются затраты на постоянные восстановительные работы, требуется меньше материалов, а значит, содержание транспортных путей обходится значительно дешевле.

Проблема в том, что действующие российские нормативы по проектированию лесных дорог, то есть цифры, которые закладываются в инженерные расчёты, учитывают влияние геосинтетики очень усреднённо.

В результате специалисты не могут точно спрогнозировать, как поведёт себя дорога на конкретном грунте. Это приводит к тому, что они либо перестраховываются и закладывают избыточные слои материала, либо переоценивают прочность и получают конструкцию, которая быстро разрушается. В обоих случаях это ведёт к лишним затратам и созданию недостаточно долговечных дорог.

Прорывное решение учёных

Учёные Пермского Политеха впервые в России разработали методику оценки влияния геосинтетических материалов на прочность лесовозных путей. Она позволяет количественно определить, как именно армирующая прослойка меняет сдвигоустойчивость и деформацию полотна. Исследование уникально для России и впервые позволяет уточнить отечественные нормативы.

Как работает цифровая модель

Чтобы изучить поведение конструкции под нагрузкой, не строя реальную дорогу, учёные построили её цифровую модель. Верхний слой (покрытие) – щебень, а нижний (основание) – песок. Именно такое двухслойное покрытие сегодня проектируется чаще всего. В качестве грунта рассмотрели три самых распространённых типа: супесь, суглинок и глина.

Один из важнейших факторов, влияющих на долговечность дороги, – это нагрузка от техники. Именно она продавливает основание и заставляет слои смещаться. Поэтому исследователи добавили в модель нагрузку, которая в среднем действует на покрытие от тяжёлого лесовоза. Это нужно, чтобы результаты моделирования можно было напрямую переносить на реальные дороги.

Затем учёные добавили главный элемент – геосинтетическую прослойку. Её поместили между песчаным основанием и слабым грунтом, поскольку именно там под нагрузкой происходит самое опасное смещение слоёв.

Исследователи рассмотрели два типа материала: более мягкий и более жёсткий. Это позволит не только оценить сам факт армирования, но и понять, насколько сильно такие характеристики влияют на прочность дороги.

Модель создана в стандартном инженерном комплексе, который давно используют для расчёта дорог. Она работает следующим образом: специалист задаёт исходные параметры – тип грунта, тип геосинтетики, нагрузку от техники.

Далее модель рассчитывает, как поведёт себя каждый слой дороги: насколько сместится, где возникнут самые опасные напряжения, как быстро конструкция начнёт разрушаться. При этом инженер может менять любой параметр и увидеть, как изменится результат.

«При проверке модели мы меняли тип грунта (супесь, суглинок, глина) и вид геосинтетики. В процессе мы смотрели на два главных показателя: сдвигоустойчивость – то есть способность дороги не расползаться в стороны, и упругий прогиб – то есть насколько она проседает под реальной нагрузкой.

Модель выдаёт результаты в виде коэффициентов – чисел, которые показывают, во сколько раз геосинтетика повышает свойства дороги по сравнению с обычной конструкцией», – отметил Владимир Клевеко, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги и мосты» ПНИПУ.

Результаты моделирования

Моделирование показало, что сдвигоустойчивость при применении прослойки в зависимости от типа грунта выросла в 2–5 раз. Наибольший эффект зафиксировали на суглинке, который наиболее склонен к набуханию и потере устойчивости при увлажнении. При этом прогиб полотна уменьшился на 2%. Это значит, что прослойка более эффективна для укрепления против сдвига слоёв.

Также учёный сравнил два типа геосинтетики. Более жёсткий материал оказался эффективнее на 33%. Это значит, что чем прочнее прослойка, тем лучше она держит дорогу при любом типе грунта.

Результаты исследования можно использовать при проектировании лесовозных дорог. Теперь инженеры могут опираться на точные данные: для конкретного грунта и типа материала они могут заранее узнать, во сколько раз вырастет сдвигоустойчивость. Это позволит оптимизировать затраты – применить более жёсткую прослойку там, где это действительно нужно, а также не закладывать избыточные слои дорогостоящих материалов.

Особенно это актуально для регионов со слабыми грунта­ми, холодным климатом и высокой влажностью. Предложенная методика позволяет строить более устойчивые конструкции в таких условиях и делает удалённые территории доступнее для развития транспортной сети.

Опубликовано в "Лесной Регион" №09(380)