Інженерний захист території та об'єкту

Деградація або ерозія грунтів впливає як на сільськогосподарські так і природні типи рослинності і може розглядатися як одна з найбільш важливих екологічних проблем, сьогодення. Проблеми ерозії грунтів в Україні є в поєднанні кількох факторів впливу: це наявність на значній території пилуватих мілко дисперсних грунтів і зміна кліматичних умов в останні роки, пов’язана з тривалим періодом високих літніх температур, коли рослинність фактично вигорає і інтенсивними опадами (водна ерозія)), які супроводжується поривами вітру більше 60 км/год або шквальні вітри при сухій погоді (вітрова ерозія). Проблема полягає в розумінні головних факторів, які безпосередньо викликають ерозію, а також визнати, що такі процеси є не тільки фізичними, а й соціально-економічними. Ґрунти піддаються ерозії не тільки за рахунок опадів, а також тому, що дерева на місцевості були вирубані і площа культивується неправильно.

Рослинність є надійним механізмом захисту, які природа створила для захисту грунту від ерозії. Іноді, однак, ерозивні сили занадто великі чи рослинність повинна розвиватися у важких умовах і природі необхідно допомогти — в цьому полягає боротьба з ерозією. Найбільш очевидний спосіб, при якому рослинність стабілізує грунт є армування кореневою системою рослин. Бічні корені рослин, що переплітаються при рості, як правило, пов’язують грунт разом у монолітну масу. Вертикальна коренева система може проникати через ґрунтовий покрив в міцні шари, що розташовані нижче і тим самим закріпити грунт на схилі, підвищуючи його стійкість до проковзування. У цьому випадку інертні матеріали можуть бути переведені у водонасичений стан. Через тривалий дощовий період, поверхнева нестабільністю схилу може відбутися в любих кліматичних умовах України.

Закордоном більше ЗО років основними методами боротьби з ерозією є геотехнічні інженерні методи з використанням геосинтетичних матеріалів з метою забезпечення відповідного коефіцієнту запасу (фактору безпеки) проти поверхневої нестабільності, застосовуючи підхід проф. Кернера і Суна (2005) [1−8], які використовували умову граничної рівноваги і відповідну кінцеву модель схилу для аналізу поверхневої стабільності. В цьому випадку, гесинтетичні матеріали (геомати, геосоти, геотекстилі в композиції із сітками тощо) використовуються для захисту поверхні укосу від поверхневої ерозії, викликаної опадами або захисту від видування вітром для сприяння зростанню рослинності. В Україні методи захисту від ерозії схилів автомобільних доріг почали застосовуватися біля 10 років тому і методи розрахунку схилів проходять стадію становлення.

Ерозійні процеси викликані опадами мають глобальне значення, особливо в регіонах, де опади інтенсивні та значні або після весняного розмерзання, коли рослинність ще не проросла. Особливо важливий протиерозійний захист на знову побудованих укосах при швидких темпах будівництва, коли ще не відбулися процеси осадки, консолідації і формування рослинного покриву.

Дощовий період зосереджений протягом осіннього сезону, може залишити Грунт довго без рослинного покриву і, як наслідок кількість опадів, що випадає має вплив безпосередньо на поверхню Грунту, таким чином дестабілізує його. Механізм поверхневої ерозії, викликаної дощами починається під дією ефекту сплеску або бризок (Гуерра 1997) [8] викликаного краплями дощової води, яка зв’язується з частками Грунту, і, як правило, приводить до розриву суцільності масиву. Після сегрегації часток та водонасичення Грунту і, як наслідок утворення калюж, поверхневий потік остаточно формується, і вода порівняно швидко знаходить траєкторії руху для перенесення часток Грунту за допомогою гідравлічної сили її течії. Це може відбуватися швидше на крутих схилах (більше 34°) або на порівняно пологих схилах (біля 20 °) складених із дрібнозернистих незв’язних Грунтів типу піщаних, пилуватих, родючих тощо, коли розпадаються частинки, присутні в Грунті, а потім викликається ерозія. Якщо процес безперервний, ерозія відбувається на великих за розмірами площах, що вимагає більш ефективного рішення. На рис. 1 показані траєкторії руху води, після того коли випала значна кількість опадів, і зростає критичний вплив течії на поверхню.

Механізм поверхневої ерозії, викликаної дією опадів Нижче наведені приклади руйнувань неукріплених укосів на дорогах України в перший рік експлуатації або після зимового періоду.

Динамічна дія крапель дощу, які падають на поверхню ґрунту, може перевищувати міцність ґрунту на зсув. Як тільки ґрунтові частинки відділені від масиву, вони захоплюються поверхневими водними потоками і зносяться в понижені місця рельєфу де й відкладаються. Аналогічним є механізм вітрової ерозії. Транспортуюча сила водних і вітрових потоків, залежно від розміру частинок грунту і кам’яного матеріалу, наведена на рис. З, звідки слідує, що пилуваті та піщані часточки ґрунту розміром 0,1 — 0,2 мм можуть виноситися не водним потоком але і вітровими поривами при їх швидкості 15−20 м/с.

Транспортуюча сила води і вітру Запобігання ерозії з використанням геосинтетиків можливе:

при не підтоплених укосах — завдяки укріпленню кореневої системи, при якому геосинтетичне полотно утримує рослинний ґрунт та насіння трав на крутому укосі й сприяє проростанню коріння рослин;

при підтоплених укосах — завдяки привантаженню крупноуламковим матеріалом при якому геосинтетик розділяє зернисті шари та фільтрує ґрунт, що особливо важливо при ерозії хвилями, що набігають.

Тому, залежно від параметрів схилу та способу його захисту, висуваються різні критерії щодо вибору геосинтетиків.

Для схилів, які повинні задовольняти естетичним вимогам, доцільним є укріплення з допомогою рослинного шару. В такому випадку основними характеристиками геосинтетичного матеріалу є його просторова структура й пустотність, міцність волокон та міцність їх з'єднання, гнучкість полотна, хімічна, біологічна й ультрафіолетова стійкість матеріалу.

Протиерозійний захист берегів водойм вимагає геосинтетичного матеріалу іншого типу: з функцію фільтра, який утримує ґрунтові частинки від вимивання, пропускаючи воду і не створюючи небажаного надлишкового порового тиску води. Такий геосинтетичний фільтр заміняє традиційний зернистий фільтр під габіонами, крупноуламковою засипкою чи бетонними плитами.

Найбільш ефективними для протиерозійного захисту не підтоплених укосів є геосинтетичні мати, які мають велику пустотність, та їх різновиди, підсилені геогратками, геотекстилем чи армуючими волокнами, які інтегровані в геомат в поздовжньому напрямку. Для підтоплених укосів, які піддаються динамічній дії хвиль, ефективними є геомати, заповнені кам’яним фракційним матеріалом, та неткані термічно скріплені геотекстилі, як прошарок між тілом укосу та крупноуламковою накидкою чи бетонними блоками. Протиерозійні геосинтетичні мати підсилюють кореневу систему рослин і забезпечують стійкість рослин до швидкого потоку води (наприклад, 6 м/с).

Тримірні протиерозійні геосинтетичні мати утримують Грунти, вологу й насіння трав на нахилених поверхнях і тим самим сприяють проростанню рослин. Принциповою областю їх застосування є водовідвідні канави, круто нахилені водовипуски і захист укосів насипів/виїмок від ерозії інтенсивними атмосферними опадами. Мати є ефективними для захисту в умовах нетривалих злив. Однак їх не використовують для захисту в умовах довготривалого потоку, де більш ефективними є жорстко армуючі протиерозійні системи.

Необхідність застосування протиерозійного захисту залежить від швидкості потоку і гранулометричного складу грунту основи.

Необхідність застосування протиерозійного захисту за допомогою геосинтетичних матеріалів Необхідність захисту укосу геосинтетичними матеріалами при реконструкції автомобільних доріг обумовлена умовами будівництва, а саме наявністю можливого підтоплення та розмиву зі сторони річки, значними поздовжніми уклонами та необхідністю влаштування віражу, швидкими темпами будівництва насипу із незв’язного піску, наявністю високих насипів (до 12 м), поганим приживленням рослинності поверх піщаного шару, тому часто виникає необхідність товстого шару засипки (15… ЗО см) над геосинтетиком для забезпечення проростання рослинності, можливістю розмиву укосу в період несформованого дернового покриву та у весняний період розмерзання укосу.

Переваги застосування протиерозійного захисту об'єктів Завдяки контролю ерозії забезпечуються:

загальна стійкість укосів насипів і виїмок внаслідок зменшення кількості інфільтрованої води в тіло укосу;

захист поверхні укосу від розмивання поверхневими водами;

продовження строку служби водовідвідних лотків і канав;

естетичність Ґрунтових конструкцій завдяки можливості закріплення і розвитку рослинності навіть на досить крутих укосах.

Інтенсивність ерозії залежить від гранулометричного складу Грунту, крутизни укосу, швидкості та кількості води, яка стікає по укосу. У випадку берега водойми показниками також є інтенсивність набігання хвиль на берег та швидкість течії.