Дренажная засыпка — материал, который на строительной площадке чаще всего остаётся без должного внимания. На первый взгляд, всё просто: укладывается труба, сверху засыпается щебень, траншея закрывается. Однако у материала, помещаемого сюда, сразу две функции, и эти функции противоречат друг другу. Материал должен быстро пропускать воду и одновременно удерживать мелкие частицы окружающего грунта, не давая им попасть в трубу. Если подбирать гранулометрический состав только исходя из водопроницаемости, система в первую же зиму заполнится мелким материалом; если подбирать только исходя из удерживающей способности, вода вообще не будет проходить. В этом руководстве рассматриваются критерии, обеспечивающие такой баланс, и их применение на практике.
Две функции дренажного заполнителя: пропускать воду и удерживать грунт
Задача дренажной системы — собрать воду, наносящую вред сооружению, и отвести её в контролируемый выпуск. Вода, скапливающаяся за подпорной стеной, создаёт горизонтальное давление, не предусмотренное её конструкцией; вода, попадающая в дорожное полотно, снижает его несущую способность; вода, давящая на стену подвала, создаёт нагрузку на гидроизоляцию. Во всех этих случаях решение состоит в том, чтобы вода была перехвачена водопроницаемым телом и направлена в трубу ещё до того, как достигнет сооружения. Материалом, формирующим это водопроницаемое тело, и является дренажный заполнитель.
Однако вода не движется в одиночку. Просачиваясь, она увлекает с собой мелкие частицы грунта, через который проходит. Если эти частицы попадают в поры дренажного материала и остаются там, поры со временем заполняются, и водопроницаемость снижается; это называется кольматацией (заиливанием). Если частицы достигают трубы, в ней образуются отложения, и система полностью теряет работоспособность. Хуже того, постоянный вынос мелкого материала создаёт пустоты в грунте; эта внутренняя эрозия приводит к оседанию поверхности, а на более поздней стадии — к обрушению.
Отсюда вытекают две задачи дренажного заполнителя: быть водопроницаемым и выполнять функцию фильтра. Эти две задачи вступают в противоречие друг с другом через гранулометрический состав. Если материал крупный и однородный по размеру, вода проходит очень хорошо, но мелкие частицы совсем не удерживаются. Если материал мелкий и имеет непрерывный гранулометрический состав, он удерживает частицы, но не пропускает воду. Правильное решение находится где-то посередине, и эту точку находят не путём догадок, а с помощью критерия фильтра.
Водопроницаемость определяется гранулометрическим составом
Способность зернистого материала пропускать воду зависит не столько от объёма пустот, сколько от их размера. Сопротивление потоку воды создаёт трение, возникающее при прохождении через узкие каналы. Размер пустот определяется самыми мелкими зёрнами материала, поскольку мелкие частицы заполняют каналы между крупными зёрнами и сужают проход. Поэтому водопроницаемость связана не со средним размером зерна, а с тонкой фракцией кривой.
Практический вывод для объекта таков: попадание даже небольшого количества мелкого материала в дренажный материал непропорционально снижает его водопроницаемость. Даже содержание мелкой фракции в несколько процентов может во много раз уменьшить водопропускную способность материала. Поэтому в дренажном и фильтрующем материале доля фракции менее 0,063 мм является наиболее строго контролируемым показателем, и материал, как правило, производится в мытом виде. Немытый щебень внешне выглядит так же, как и мытый; однако плёнка пыли на его поверхности смывается первым же дождём вниз и забивает поры.
Ширина гранулометрического состава также имеет решающее значение. В материале с высоким коэффициентом неоднородности, то есть с широким составом, мелкие частицы заполняют пустоты, и водопроницаемость снижается; зато плотность укладки и стабильность возрастают. В материале с узким составом, близким к одноразмерному, пустоты крупные и взаимосвязанные, водопроницаемость высокая, но частицы могут смещаться относительно друг друга под нагрузкой. В дренажном теле обычно предпочитают узкий состав, а в переходных слоях — более широкий. О том, как эти показатели считываются с кривой, мы рассказали в статье «Ситовой анализ и как читать кривую гранулометрического состава».
Критерий фильтра: почему мелкий материал забивает трубу
Критерий фильтра — это совокупность правил, связывающих гранулометрический состав дренажного материала с гранулометрическим составом окружающего грунта. Логика такова: поры фильтрующего материала должны быть достаточно малы, чтобы не пропускать крупные частицы защищаемого грунта. Эти крупные частицы образуют свод у входа в пору, за ними закрепляются более мелкие частицы, и грунт формирует естественный, самофильтрующийся слой. Если такое сводообразование не формируется, мелкий материал непрерывно выносится.
Классическое и широко признанное правило основано на двух соотношениях. Первое — критерий удержания: размер, ниже которого находится пятнадцать процентов материала фильтра, не должен превышать размер, ниже которого находится восемьдесят пять процентов защищаемого грунта, более чем в четыре-пять раз. Это условие обеспечивает достаточно малый размер пор фильтра для удержания крупных частиц грунта. Второе — критерий водопроницаемости: размер, ниже которого находится пятнадцать процентов материала фильтра, должен быть не менее чем в четыре-пять раз больше размера, соответствующего той же процентной доле в грунте. Это условие обеспечивает заметно более высокую водопроницаемость фильтра по сравнению с грунтом, то есть исключает накопление воды внутри него.
Эти два критерия вместе определяют диапазон. Нижнюю границу задаёт водопроницаемость, верхнюю — способность удерживать частицы; гранулометрический состав материала должен укладываться в этот диапазон. В некоторых случаях добавляется условие, что кривые должны быть примерно параллельны друг другу: если кривая фильтра имеет уклон, близкий к уклону кривой грунта, переход становится более стабильным. Кроме того, фильтрующий материал не должен расслаиваться сам по себе, то есть его мелкая и крупная фракции не должны разделяться при транспортировке и укладке; поэтому фильтры со слишком широким гранулометрическим составом создают проблемы.
Если грунт имеет очень мелкую фракцию, например при пылеватом или глинистом грунте, обеспечить одновременно условие удержания частиц и условие водопроницаемости с помощью одного фильтрующего слоя может оказаться невозможным. В этом случае применяется обратный фильтр: укладывается два или более слоя, постепенно укрупняющихся от грунта к трубе. Каждый слой защищает предыдущий, а последний слой контактирует с трубой. Постепенный переход разбивает разницу в размере частиц, которую нельзя преодолеть за один шаг, на несколько ступеней.
Отверстия трубы, ширина щели и обсыпка
У критерия фильтра есть и сторона трубы. Отверстия или щели на дренажной трубе должны быть подобраны так, чтобы не пропускать внутрь частицы окружающего заполнителя. Общепринятое правило гласит, что крупная фракция материала вокруг трубы должна быть заметно крупнее отверстия или щели; размер, ниже которого остаётся восемьдесят пять процентов материала, должен несколько превышать диаметр круглого отверстия либо, для щелевой трубы, ширину щели. Таким образом частицы образуют свод у входа в отверстие и не высыпаются внутрь.
Этот критерий на объекте чаще всего игнорируется. Если перфорированную гофрированную трубу укладывают вместе с обсыпкой из мелкого песка, песок проникает через отверстия внутрь, и труба забивается уже через несколько сезонов. При использовании той же трубы с промытым щебнем правильного размера система работает годами. Поэтому выбор трубы и выбор заполнителя — это не два отдельных решения: невозможно определить размер обсыпки, не зная геометрию перфорации трубы.
Важна также толщина обсыпки вокруг трубы. Материал следует укладывать в достаточной толщине не только под трубой и по бокам от неё, но и сверху; вода чаще всего достигает трубы сверху, и если верхний слой слишком тонкий, мелкий материал засыпки ложится непосредственно на трубу. По бокам материал нужно укладывать под трубой, а для гибких труб — особенно в зоне подбивки, так, чтобы не оставалось пустот; пустота снизу нагружает трубу в отдельных точках и деформирует её.
Использование вместе с геотекстилем
Геотекстиль — это водопроницаемое полотно, укладываемое между дренажным заполнителем и окружающим грунтом, которое берёт на себя часть функции фильтрации. У него два основных свойства: размер пор и водопропускная способность. Размер пор определяет наибольший размер частиц, проходящих через полотно, и, как и в случае агрегатного фильтра, подбирается по гранулометрическому составу защищаемого грунта. Водопропускная способность обеспечивает то, что полотно справляется с расходом воды, поступающей из грунта; если она недостаточна, вода скапливается позади полотна, и дренаж теряет свою функцию.
Геотекстиль не заменяет агрегатный фильтр, а дополняет его. В случаях, когда устройство обратных фильтрующих слоёв обходится дорого или непрактично, крупный дренажный материал одного размера оборачивается геотекстилем, что позволяет одновременно достичь высокой водопроницаемости и удерживающей способности. Именно так чаще всего устраиваются дренажные маты за подпорными стенами и обсыпка труб в траншеях.
Сам геотекстиль тоже может засоряться. В мелкозернистых грунтах, особенно с преобладанием пылеватых частиц, частицы могут закупоривать поры полотна и препятствовать прохождению воды. Чтобы снизить этот риск, размер пор тщательно подбирается по типу грунта, а при необходимости между геотекстилем и грунтом укладывается тонкий переходный слой песка. Иглопробивные нетканые типы благодаря своей толщине обеспечивают более высокую водопропускную способность, тогда как тканые типы дают более высокую прочность; выбор делается в зависимости от того, что важнее — функция фильтрации или функция разделения и армирования.
На практике результат определяют три детали. Первая — нахлёст: полосы полотна должны перекрывать друг друга на достаточную ширину, иначе через стыки будет проникать мелкий материал. Вторая — предотвращение разрывов при укладке: сброс остроугольного крупного материала прямо на полотно и манёвры техники по его поверхности пробивают отверстия. Третья — направление обёртывания: полотно должно полностью замыкаться вокруг дренажного тела, а верхняя часть не должна оставаться открытой.
За подпорной стеной: дренаж или засыпка?
Засыпка за подпорной стеной должна одновременно отвечать двум разным требованиям. С одной стороны, чтобы снизить горизонтальное давление на стену, она должна хорошо дренировать и не создавать гидростатического давления; с другой стороны, будучи засыпкой, она должна уплотняться и обладать достаточным углом внутреннего трения. Удовлетворить оба требования одним материалом чаще всего возможно, но проектирование должно выполняться осознанно.
Распространённое решение — устроить непосредственно за стеной дренажную призму заданной ширины из промытого щебня. Эта зона доходит до водосборной трубы у подошвы стены и отводит воду прямо вниз. За дренажной призмой используется обычный грунт обратной засыпки. Между двумя зонами укладывается геотекстиль, чтобы предотвратить миграцию мелких частиц засыпки в дренажную призму. В теле стены оставляют дренажные отверстия (сквозники) для отвода собранной воды, а их выходы также защищают фильтрующим материалом.
В качестве обсыпочного материала обычно используется промытый щебень одной фракции или узкого гранулометрического состава; для этой цели типичны фракции среднего и крупного щебня. Уплотнение такого материала отличается от уплотнения насыпи с непрерывной гранулометрией: он уплотняется в большей степени за счёт вибрации катка, чем его статического веса, и контроль уплотнения выполняется не классическими испытаниями на плотность, а толщиной укладываемого слоя и числом проходов. Кроме того, поскольку в узкой зоне тяжёлый каток использовать нельзя, полоса вблизи стены прорабатывается небольшим вибрационным оборудованием тонкими слоями.
Самая частая ошибка — дренажная лента оставляется открытой до самого верха стены. Дождевая и поверхностная вода сверху попадает прямо в дренажный слой, и система работает постоянно под нагрузкой. Правильное решение — закрыть верхнюю часть дренажного слоя водонепроницаемой глиняной или уплотнённой грунтовой пробкой, а поверхностную воду отводить отдельным каналом. Вторая распространённая ошибка — забытый выпуск сборной трубы у подошвы откоса или её недостаточный уклон; если собранная вода не может быть отведена, дренажный слой превращается в резервуар и создаёт именно то давление, которое вы хотели предотвратить.
Засыпка траншеи и подсыпка под трубу: выбор гранулометрического состава
В траншеях инженерных коммуникаций заполнитель используется в трёх отдельных зонах, и требования к каждой зоне различаются. В самом низу находится постель трубы: слой, на который опирается труба, обеспечивающий ровную и непрерывную опору. Задача постели — поддерживать трубу по всей длине, а не в отдельных точках, поэтому материал должен легко укладываться, не содержать крупных камней и поддаваться ручной доводке. Для этого подходят фракции среднего и мелкого щебня из дробленого камня.
Вторая зона — это боковая засыпка по обеим сторонам трубы, и для гибких труб это наиболее критичная зона. Гибкая труба воспринимает нагрузку сверху не за счёт собственной жёсткости, а благодаря реакции грунта по бокам; когда труба начинает уплощаться, она расширяется в стороны и получает опору от боковой засыпки. Без этой опоры труба приобретает овальную форму и в конце концов разрушается. Боковая засыпка должна укладываться без пустот вплоть до зоны опирания под трубой и уплотняться равными по толщине слоями с обеих сторон; уплотнение только с одной стороны смещает трубу в сторону.
Третья зона — это защитный слой над трубой и основная засыпка над ним. Защитный слой оберегает трубу от ударов сверху и от крупного материала; поэтому в нём не должно быть острогранных крупных камней. В основной засыпке требования меняются: здесь важны уже не дренаж, а несущая способность и отсутствие осадки. В траншеях, проходящих под дорогой, эта зона должна быть уплотнена до той же плотности, что и окружающий массив; в противном случае вдоль линии траншеи возникнет осадка, и на поверхности асфальта появится продольная трещина. О логике подбора материала для этого слоя можно узнать в статье что такое стабилизированный грунт.
Частая ошибка при засыпке траншеи — использование одного и того же материала во всех зонах. Если дренажным материалом одного размера заполнить всю траншею, она превращается в длинный дренажный канал внутри тела дороги, собирающий воду с окружающей территории и переносящий её в дорогу. И наоборот, если вокруг трубы уложить засыпку с мелким материалом, дренажная функция теряется, а перфорация трубы забивается. Правильная практика — применять разный материал по зонам и там, где необходимо, разделять зоны геотекстилем.
Качество материала и ошибки, допускаемые на объекте
Требования, предъявляемые к дренажному и фильтрующему материалу, отличаются от требований к заполнителю для бетона или асфальта, но не менее строги. Первое требование — чистота: материал должен быть промыт, а доля фракции менее 0,063 мм сведена к минимуму. Второе — механическая прочность. Это требование может показаться неожиданным, поскольку материал не несёт конструкционной нагрузки; однако если при уплотнении и под весом вышележащей засыпки зёрна разрушаются, образуется новая мелкая фракция, и эта пыль забивает поры системы изнутри. Дренаж, устроенный из недостаточно прочного заполнителя, может безупречно работать в первый год и утратить свою функцию уже через несколько лет.
Третий фактор — форма зерна. Кубические и угловатые зёрна под нагрузкой сцепляются друг с другом и сохраняют структуру пустот; плоские же зёрна укладываются друг на друга, закрывая пустоты и легко раскалываясь. Четвёртый фактор — долговременная химическая стойкость. Известняковый заполнитель широко и успешно применяется в дренажных и фильтрующих системах; однако в особых условиях, при наличии кислых грунтовых вод, следует помнить, что карбонат кальция может растворяться, и при необходимости переходить на кремнистый материал. Об общих свойствах известняка можно узнать в статье что такое известняк.
Большая часть ошибок на объекте связана не с материалом, а с производством работ. Самая распространённая — использование немытого или запылённого материала; вторая — укладка дренажного материала непосредственно на грунт без промежуточного фильтрующего слоя или геотекстиля. Третья — попадание мелкого материала, осыпающегося с откосов траншеи при земляных работах, в тело дренажа; это самый незаметный способ загрязнить чистый материал. Четвёртая — недостаточный нахлёст геотекстиля или оставленный открытым верх. Пятая — отсутствие контроля уклона и выпуска сборного трубопровода.
Правильно устроенная дренажная система защищает сооружение годами, ни разу не напоминая о себе; неправильно устроенная, напротив, обычно остаётся незаметной, и проблема выявляется лишь тогда, когда проявляется в виде трещины в стене, просадки дороги или сырости в подвале. Поэтому выбор материала — одно из решений, принимаемых в первый день и наиболее дорогостоящих для последующего исправления. İTS Maden на своём известняковом карьере в Milas производит промытые дренажные и фильтрующие фракции, материалы для устройства подсыпки под трубы и водопроницаемой засыпки с учётом этих требований. Чтобы определить гранулометрический состав, соответствующий грунтовым условиям и типу трубы на вашем проекте, вы можете ознакомиться с нашей продукцией и связаться с нами.
