Warstwę transmisyjną lub przesklepiającą projektuje się przeważnie na terenach

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz - Inżynieria Środowiska Szczecin Warstwa transmisyjna. Warstwę transmisyjną lub przesklepiającą projektuje się przeważnie na terenach zapadliskowych. Grunt zapada się zazwyczaj wskutek zapadnięcia się pustej przestrzeni pod jego powierzchnią. Takie pustki powstają wskutek procesów naturalnych (np. erozja gruntu na terenach krasowych) lub antropogenicznych (np. pobór wód podziemnych, odwodnienia wgłębne, sufozja lub górnictwo). Konsekwencje zapadania się gruntów pod budowlami mogą być różne, od niezdatności do użytku po całkowite zawaleniee budowli. Nasypy, zasypki i nawierzchnie to z zasady konstrukcje podatne. Dlatego techniki mające na celu ograniczenie do minimum szkód spowodowanych zapadaniem się gruntu obejmują ograniczenie pionowych nierównomiernych przemieszczeń w obrębie budowli do określonych tolerowanych wartości. Z tej perspektywy skuteczne okazuje się zastosowanie sztywnych płyt fundamentowych lub technik zbrojenia gruntu w postaci przesklepień materacami lub zamkniętymi poduszkami geotkaninowymi. Aby ograniczyć odkształcenia powierzchni spowodowane zapadaniem się gruntu, można wykonać zbrojenie w postaci poziomo ułożonej warstwy lub warstw geosyntetyków. Rys. 1. Koncepcja funkcji zbrojenia w ograniczaniu odkształceń powierzchni pod wpływem zapadlisk [1]

2 Pustą przestrzeń powstałą pod nasypem zbrojonym po jego wybudowaniu można wypełnić masą iniekcyjną, wówczas zbrojenie ma charakter tymczasowy. Jeżeli pustka nie zostanie wypełniona, zbrojenie będzie potrzebne przez cały pozostały okres eksploatacji budowli. Powszechną praktyką jest wypełnianie pustek pod konstrukcjami strategicznymi (np. nasypami autostradowymi), natomiast w przypadku tradycyjnych budowli (np. odcinków dróg lokalnych, chodników), koszt wypełnienia pustki może być nie uzasadniony ekonomicznie. Zbrojenie może być wykorzystywane na dwa różne sposoby: - jako zbrojenie wewnętrzne w obrębie konstrukcji nasypu oraz - zbrojenie podstawy nasypu. W przypadku zbrojenia wewnętrznego, zazwyczaj w nasypie wykonuje się szereg warstw zbrojenia. Zadaniem zbrojenia jest utrzymanie warunków użytkowania i niedopuszczenie do wystąpienia stanu granicznego nośności (zawalenia budowli). Dlatego obecność zbrojenia spełnia kryteria stanu granicznego użytkowania dla całej konstrukcji nasypu. Maksymalne obciążenie rozciągające w stanie granicznym T r, którego działanie musi wytrzymać zbrojenie podstawy nasypu, to wartość T rs określana na podstawie wzoru [1]: Maksymalne obciążenie działające na zbrojenie przy rozważaniu stanu granicznego nośności powinno wynosić: gdzie: T D f n - to wytrzymałośćć obliczeniowa zbrojenia, - to współczynnik cząstkowy zniszczenia. Pomimo, że zbrojenie geosyntetyczne chroni przed wystąpieniem stanu granicznego użytkowania w całym nasypie, podczas projektowania zbrojenia należy jednak uwzględnić zarówno stan graniczny użytkowania, jak i stan graniczny nośności zbrojenia.

3 Ogólna procedura projektowania w zakresie oceny wymaganej charakterystyki zbrojenia obejmuje: a) określenie maksymalnych dopuszczalnych wartości odkształcenia powierzchni chodnika lub nasypu; b) ustalenie odpowiedniej wartości obliczeniowej średnicy pustki D, (Rys. 2) Rys. 2. Schemat zapadliska c) określenie maksymalnego dopuszczalnego odkształcenia zbrojenia, przy którym spełnione jest kryterium a); d) określenie właściwościi zbrojenia przy rozciąganiu, potrzebnych do projektowania. Dopuszczalne odkształcenia powierzchni W przypadku dróg krajowych, z wyjątkiem dróg szybkiego ruchu i autostrad, maksymalne nierównomierne odkształceniee powierzchni (d s /D s ) ( rys. 2), powinno sięę ograniczać do 1%, czyli praktycznie tyle ile wynosi wydłużenie na granicy pracy układu sprężystego i plastycznego. W przypadku dróg niebędących drogami krajowymi ograniczenie powinno wynosić 2% [1]. Dla dróg szybkiego ruchu i autostrad konieczne może być wprowadzenie innych wielkości odkształceń. Obliczeniowa średnica pustki Odpowiednią wartość obliczeniową średnicy pustki określa się zazwyczaj z doświadczenia zdobytego w podobnych warunkach, na podstawie badań geologicznych lub metodami probabilistycznymi. Należy przyjąć zachowawczą wartość, ze względu na niepewność co do dalszego zapadania się gruntu oraz związane z nim ryzyko.

4 Maksymalne dopuszczalne odkształcenie względne zbrojenia Kształt ugiętego zbrojenia przebiegającego nad pustą przestrzenią można opisać w przybliżeniu jako parabolę. Maksymalne dopuszczalne odkształcenie względne zbrojenia wynosi: - w płaskim stanie odkształcenia (tj. pustki podłużne): - w warunkach osiowo-symetrycznych (tj. pustki okrągłe): gdzie: ε max ds/ds D H θ d - to maksymalne dopuszczalne odkształcenie względne zbrojenia; - to maksymalne dopuszczalne nierównomierne odkształcenie przy powierzchni nasypu lub chodnika, - to średnicaa obliczeniowa pustki, - to wysokość nasypu; - to kąt osypywania zasypki, mniej więcej równy szczytowej wartości kąta tarcia wew. w. gruntu, (rys. 2) Przebieg rozciągania zbrojenia W przypadku zbrojeń rozciągliwych (np. polimerowych) siła rozciągająca T rs ugiętego zbrojenia wyraża wzór wg [1], [2]: gdzie: T rs λ γ H w s D ε f fs f q - obciążenie rozciągające zbrojenie [kn/m]; - współczynnik, którego wartość zależy od tego, czy zbrojeniee ma przenosić obciążenia w jedną stronę czy w obie strony; - ciężar objętościowy zasypki; - wysokość nasypu; - obciążenie naziomu nasypu; - średnica obliczeniowa pustki, - odkształcenie względne zbrojenia, nie większe niż ε max, - współczynnik cząstkowy dla ciężaru objętościowego gruntu wg tab.1 [1] - cząstkowy współczynnik obciążeniowy dla obciążeń zewnętrznych wg tab.1 [1]

5 Tabela 1. Zestawienie współczynników cząstkowych [1] Współczynniki cząstkowe Współczynniki obciążeniowe Współczynniki materiałowe dla gruntu dla tan φ cv dla c Współczynnik materiałowy dla zbrojenia Stan nośności Masa jednostki gruntu, np. zasypki w nasypie f fs = 1,3 Zewnętrznee obciążenia stałe, np. obciążenia f f = 1,2 liniowe lub punktowe Zewnętrznee obciążenia ruchome, np. obciążenia f q = 1,3 kołowe f ms = 1,0 f ms = 1,6 dla c u f ms = 1,0 f ms = 1,0 zmniejszający wytrzymałość nominalną Wartość f m powinna odpowiadać zbrojenia rodzajowi stosowanego zbrojenia oraz okresowi eksploatacji, w jakim będzie ono potrzebne zob. punkt i załącznik A. Współczynniki Poślizg po powierzchni zbrojenia f s = 1,3 współoddziaływania Opór wyrywania zbrojenia f p = 1,3 pomiędzy gruntem a zbrojeniem graniczny Stan graniczny użytkowalności f s = 1,0 f f = 1,0 f q = 1,0 f ms = 1,0 f ms = 1,0 f s = 1,0 f p = 1,0 Uwaga : Dla pustek okrągłych lub prostokątnych (przenoszenie obciążenia w dwie strony) λ = 0,67, natomiast dla podłużnych (przenoszenie obciążenia w jedną stronę) λ = 1,0. Wartość odkształcenia podstawiona do powyższego wzoru powinna być równa początkowemu odkształceniu zbrojenia, tj. przed uwzględnieniem pełzania. Powyższy wzór obowiązuje dla zbrojeń rozciągliwych. Dla zbrojeń sztywnych zalecaną wytrzymałość zbrojenia należy oceniać innymi metodami. Długość zakotwienia zbrojenia Aby w zbrojeniu mogła powstać siła rozciągająca T rs, musi ono być dobrze zakotwione w gruncie. Minimalną długość zakotwienia zbrojenia L b potrzebną, by wytrzymać obciążenie T rs przedstawia wzór: gdzie: f n - współczynnik cząstkowy dla konsekwencji ekonomicznych zniszczenia, f p - współczynnik cząstkowy dla oporu wyrywania zbrojenia wg tab. 1, h - średnia wysokość zasypki nad długością zakotwienia zbrojenia; γ - ciężar objętościowy zasypki; α 1 - współczynnik współoddziaływania grunt/wzmocnienie z kątem przyczepności gruntu i zbrojenia tan φ cv1 po jednej stronie zbrojenia; α 2 - współczynnik współoddziaływania grunt/wzmocnienie z kątem przyczepności gruntu i zbrojenia tan φ cv2 po drugiej stronie zbrojenia; - cząstkowy współczynnik materiałowy nakładany na φ cv wg tab. 1. f ms

6 Praktyczne znaczenie wyznaczania potrzebnych wartości sił rozciągających w zbrojeniu geosyntetycznym występuje w trakcie projektowania nasypów posadowionych na palach żelbetowych i wszelkiego rodzaju kolumnach ( FSS, DMS, żwirowych, kamiennych itp.). Nasyp zbrojony posadowiony na słabonośnym podłożu uzdatnionym, np. kolumnami wymaga dobrania odpowiednio wytrzymałej geotkaniny, która jest bardzo ważnym elementem konstrukcyjnym wieńczącym głowice kolumn i pośredniczącym w przekazywaniu obciążeń z nasypu na kolumny oraz otaczający je grunt. Warstwa geotkaniny lub innego geosyntetyku pełni funkcję przesklepienia przestrzeni lub warstwy transmisyjnej pomiędzy sztywnymi głowicami kolumn lub pali. Obliczenia potrzebnej wytrzymałości geotkaniny wykonuje się przy założeniu, że pasmo geosyntetyku wsparte będzie na sztywnych kolumnach, a przylegający do nich ściśliwy grunt poprzez wymuszone osiadanie tworzyć będzie lokalne zagłębienia lub zapadliska. Rys. 3. Stany graniczne użytkowania dla nasypów ze zbrojeniem w podstawie posadowionych na palach lub kolumnach. Źródło:

7 Niepożądanym efektom z powstawania takich zapadlisk zapobiegnie odpowiednia geotkanina o wystarczająco wysokiej wytrzymałości na zerwanie. Rys. 4. Przykład posadowienia nasypu na kolumnach FSS Rys. 5. Przykład posadowienia nasypu na kolumnach z warstwą transmisyjną w postaci zamkniętej poduszki geotkaninowej

8 W trakcie projektowania wykorzystuje się przeważnie prostszą formę wzoru : F B - wytrzymałość długoterminowa geosyntetyku. Przykład obliczeniowy: Dla podłoża wzmocnionegoo kolumnami należy zaprojektować warstwę transmisyjną z geotkaniny. Układ graficzny jak na rys. 5. Dla pustek okrągłych pomiędzy kolumnami przyjęto λ = 0,67 Rozwartość szczelin pomiędzy kolumnami D = 1,55 m Obciążenie od nasypu i od ruchu q = 55,0 kpa Dopuszczalne wydłużenie w zbrojeniu geosyntetycznym ε = 5 % Przy uwzględnieniu współczynników cząstkowych A 1, A 2, A 3, A 4 otrzymujemy charakterystyczną wytrzymałość na zerwanie dla geosyntetyku w układzie pojedynczej warstwy: F 0 = 60 ( 1,48 1, ,4 ) = 60 2,90 = 174 kn/m Stosując jednak często konstrukcję zamkniętej poduszki geotkaninowej jako warstwy transmisyjnej osiągamy zwiększenie sztywności całego układu, gdyż forma zamknięta pracuje jak płyta półsztywna. W tym jedynym przypadku możemy zastosować współczynnik zmniejszający ( f = 0,85) dla obliczonej potrzebnej wytrzymałości pasma geosyntetyku w układzie pojedynczym przechodząc do wytrzymałości geosyntetyku jak dla poduszki (, otrzymując :

9 Rys. 6. Konstrukcja zamkniętej poduszki jako płyta półsztywna Fenomen poduszki geotkaninowej polega na tym, że : - może być ona rozpatrywana jako płyta półsztywna, - wewnątrz takiej poduszki zostaje zahamowany rozkład naprężeń, - ograniczając możliwości wyparcia gruntu na boki, osiąga się znaczące zmniejszenie osiadań, - w trakcie obliczeń osiąga się optymalne zmniejszenie potrzebnej wytrzymałości pasma geosyntetyku w stosunku do układu pojedynczego pasma (bez zamknięcia przekroju) o ok. 30 %!!!

10 Rys. 7. Przykład przesklepienia kolumn żwirowych geotkaniną bez zamknięcia w formie poduszki. Lepszym rozwiązaniem zaniem byłoby zamknięcie zamkni cie górnego pasma geotkaniny poprzez wydłużenie wydłu obu zawinięć o ok. 1,5m każdy żdy i połączenie poł na zakład z klamrowaniem (wg rys.6) Literatura: 1. BS 8006:1995 Code of practice for strengthened/reinforced soil and other fills. 2. EBGEO. DGGT, Ernst and Sohn, Berlin 2010 Źródło: