Kryteria doboru filtrów geosyntetycznych i warstw separacyjnych.

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Kryteria doboru filtrów geosyntetycznych i warstw separacyjnych. Kryteria doboru materiałów, filtrujących obejmują sprawdzenie: działania mechanicznego filtru (zatrzymywania cząstek), odporności na kolmatację (zatykanie porów materiału), działania hydraulicznego filtru (wystarczający przepływ). Należy rozróżniać warunki proste i trudne. Warunki proste: występują zwykle w drenażach i odwodnieniach z niedużym przepływem statycznym wody (z małymi, powolnymi zmianami gradientu), w gruntach wytwarzających naturalny filtr na styku z geosyntetykiem, a początkowe wypłukanie drobnych cząstek nie wpływa na działanie filtru. Warunki trudne: występują, w obwałowaniach dróg wodnych i narażonych na działanie falowania oraz w podtorzu kolejowym, poddanych dużym przepływom dynamicznym wody (z dużymi, szybkimi zmianami gradientu lub kierunku przepływu), w gruntach niestabilnych hydraulicznie (skłonnych do sufozji), nie zapewniających wytworzenia naturalnego filtru na styku z geosyntetykiem. Ogólne wskazówki dotyczące wyboru geosyntetyków filtracyjnych zawiera tablica 1. Tab. 1. Wskazówki dotyczące wyboru filtrów geosyntetyków

2 Zalecane parametry hydrauliczne geosyntetykow stosowanych jako filtry. Charakterystyczną wielkość porów geosyntetyków O 90 gtx można bez szczegółowej analizy przyjmować następująco: a) W prostych warunkach hydraulicznych (niewielki jednostronny dopływ wody): dla geowłóknin dla geotkanin 0,06 mm O 90 gtx 0,20 mm, 0,06 mm O 90 gtx 0,40 mm. b) W trudniejszych warunkach hydraulicznych (duży dopływ wody i/lub zmieniający się kierunek przypływu), w zależności od rodzaju filtrowanego gruntu: grunty spoiste 0,06 mm O 90 gtx 0,20 mm, gruby pył do piasku pylastego 0,06 mm O 90 gtx 0,11 mm, piasek drobny 0,06 mm O 90 gtx 0,13 mm, piasek średni 0,08 mm O 90 gtx 0,30 mm, piasek gruby 0,12 mm O 90 gtx 0,60 mm. Zbyt małe wymiary porów geowłókniny mogą powodować jej kolmatację. Mniej niebezpieczne jest przyjęcie większych średnic O 90 gtx, ponieważ wtedy może się utworzyć filtr odwrotny w gruncie w bezpośrednim kontakcie z geosyntetykiem. Dlatego zwykle zaleca się, by wartość O 90 gtx nie była mniejsza od 0,12 mm, a preferowany jest wymiar 0,15-0,16 mm. W gruntach trudnych do spełnienia wymagań filtrowania należy zapewnić takie warunki, że nie wystąpi ich erozja ani sufozja. Szczególnie podatne na erozję (wypłukiwanie cząstek gruntu) są grunty niespoiste: grube pyły, piaski pylaste, piaski drobne oraz równomiernie uziarnione piaski : C U = U = d 60 /d 10 < 5 Sufozja, czyli przemieszczanie drobniejszych cząstek w porach gruntu, powodujące niestateczność struktury jego szkieletu ziarnowego występuje w gruntach niespoistych o skokowo nieciągłej krzywej uziarnienia (C U = U > 15) albo w przypadku braku części drobniejszych frakcji (poniżej d 40 ). c) W trudnych warunkach hydraulicznych (rzadko występujących w budowlach drogowych) należy dokonać szczegółowej analizy stateczności filtracyjnej zwłaszcza w przypadku gruntów trudnych do spełnienia wymagań filtrowania. W szczegółowej analizie filtrowania z uwagi na warunki filtracji należy rozróżniać: grunty drobnoziarniste d 40 < 0,06 mm, grunty grubo i różnoziarniste d 40 > 0,06 mm.

3 Ponadto wyróżnia się grunty trudne do spełnienia wymagań filtrowania: drobnoziarniste - wskaźnik plastyczności I p < 0,15 i/lub stosunek zawartości frakcji iłowej do pyłowej < 0,5, grunty grubo- i różnoziarniste, zawierające frakcje pyłową (d < 0,06 mm): - wskaźnik jednorodności uziarnienia C U = U= d 60 /d 10 < 15 i/lub - zawartość frakcji od 0,02 do 0,1 mm > 50%. Zalecane są następujące wartości kryteriów filtrowania: zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu - grunty drobnoziarniste O 90 gtx 10 d 50, - grunty trudne (pylaste) O 90 gtx d 90, - grunty grubo- i różnoziarniste O 90 gtx 5 d 50 U oraz O 90 gtx d 90 ; - grunty ilaste wymagają dużej staranności i znajomości szeregu kryteriów innych niż dla pozostałych gruntów i tworzenia warstw przejściowych, kolmatacji - dla wybranego wyrobu O 90 wybr > (0,2 1) O 90 gtx wynikającego z kryteriów zatrzymywania cząstek, działania hydraulicznego - materiał geosyntetyczny drenu powinien zapewnić wystarczający przepływ wody w danym podłożu. W zależnościach tych oznaczono: O 90 gtx - potrzebna charakterystyczna wielkość porów geosyntetyków, d 10, d 50, d 90 - wielkość ziaren gruntu, które wraz z mniejszymi ziarnami stanowią odpowiednio 10, 50 i 90 % masy gruntu.

4 Rys.1. Przykładowe krzywe uziarnienia z analizy sitowej. Rys. 2. Zmiany współczynnika wodoprzepuszczalności (12-krotne!) poprzez kolmatację porów błędnie dobranej geowłókniny (najczęstszy błąd projektantów). Zmiany współczynnika wodoprzepuszczalności w trakcie eksploatacji obiektu doprowadzają do praktycznie całkowitego zatkania porów w geowłókninie lub geotkaninie i stworzenie mimo woli projektującego, coś na wzór quasi-geomembrany ze wszystkimi tego skutkami.

5 Zaprojektowanie i dobór geosyntetyków tylko i wyłącznie na podstawie gramatury jest najczęstszym przewinieniem projektantów. Od ponad dwudziestu lat, projektanci operują w projektach tym właśnie kryterium. W dzisiejszych czasach jest to absolutny anachronizm, zaświadczający tylko o niewiedzy autorów projektów na temat geosyntetyków i narażający ich na odpowiedzialność za szkody wynikłe z tego powodu. Gramatura jest parametrem mówiącym tylko i wyłącznie o wadze 1 m 2 wyrobu. Bardzo często, już w trakcie eksploatacji obiektu, okazuje się, że ulega on awarii lub katastrofie właśnie z tego powodu. Brak sprawdzenia kryteriów hydraulicznych może być powodem dużych problemów projektanta konstrukcji. Jak łatwo zauważyć, analizując poszczególne kryteria umieszczone w czerwonej ramce (na poprzedniej stronie) sprawdzenie ich nie jest czymś trudnym. Wymaga tylko posiadania odpowiednich analiz sitowych i odczytania z nich poszczególnych średnic zastępczych. Efekt zakolmatowania geosyntetyku (zatkania porów) ujawnia się z reguły w bardzo drastyczny sposób. Fot.1. Uszkodzenie rowu przydrożnego na skutek przebicia hydraulicznego i wyporu wywołanego zakolmatowaniem geowłókniny dobranej tylko i wyłącznie na podstawie gramatury wyrobu!

6 Nie można zapominać również, że oprócz kolmatacji mechanicznej istnieje również niebezpieczeństwo kolmatacji biologicznej i chemicznej. Rozmnażające się bakterie, glony i grzyby zatykają pory w równym stopniu co krystalizacja związków i substancji chemicznych zawartych w odciekach i wodach gruntowych. Jest istotne, by stosunki wymiarów porów były jak najbliższe podanym wartościom granicznym, aby zapewnić jak największą przepuszczalność geosyntetyków zachowując zarazem ich zdolność do zatrzymywania cząstek gruntu. W gruntach spoistych stosunek O 90 gtx/ d 90 może być znacznie większy, jednak trudno podać konkretne wartości ze względu na bardzo małe i zróżnicowane wymiary cząstek ilastych gruntu. Grunty spoiste zwykle nie stwarzają zagrożeń, ich spójność nie pozwala na wypłukiwanie cząstek, a mała przepuszczalność powoduje niewielkie przepływy. Trudności mogą występować w strefach dużych gradientów przepływu. Wodoprzepuszczalność materiału geosyntetycznego stosowanego jako osłony filtrujące w układach drenażowych wyznacza się na podstawie obliczeń przepływu. Orientacyjne wskazówki dotyczące przepuszczalności prostopadłej zamieszczono w tablicy 2. Tab. 2. Wymagane właściwości mechaniczne geosyntetyków filtrujących [1] W celu zapobieżenia uszkodzeniom osłon przez grube frakcje kruszywa filtrów, geosyntetyki powinny mieć dostateczną wytrzymałość i wydłużenie przy zerwaniu. Zalecane parametry mechaniczne geosyntetyków filtrujących o dużym wydłużeniu (>30%) podano w tablicy 2. W przypadku użycia geosyntetyków o wydłużeniu do 30% powinny one mieć zwiększoną wytrzymałość, tym bardziej, im wydłużenie jest mniejsze.

7 Tabl. 3. Cechy mechaniczne geosyntetyków filtrujących o dużym wydłużeniu (> 30%) wg normy SN :2002 [1] W warunkach dużych obciążeń dynamicznych i użycia zasypki tłuczniowej zalecane są materiały o masie powierzchniowej 150 g/m 2, odporności na przebicie statyczne 1500 N, grubości co najmniej 10 O 90 oraz spełniających wymagania klasy wytrzymałości GRK 3. W przypadku układania geosyntetyku w nachyleniu, np. na skarpie, należy sprawdzić: wartość siły rozciągającej powstającej w geosyntetyku - w stosunku do jego charakterystycznej długotrwałej wytrzymałości na zerwanie. tarcie między geosyntetykiem a gruntem (pod i nad geosyntetykiem), w razie potrzeby zalecane jest użycie wyrobów o szorstkiej fakturze powierzchni, zwiększającej współczynnik tarcia. Dobór geosyntetyków przeznaczonych na warstwy filtrujące Warstwy filtrujące można wykonywać z różnych wyrobów, spełniających wymagania mechaniczne i hydrauliczne, np. z geowłóknin lub geotkanin. Właściwości hydrauliczne typowych geosyntetyków podano w tablicy 4. Przepuszczalność geosyntetyków silnie zależy od ich struktury i sposobu łączenia włókien oraz od działającego obciążenia ściskającego.

8 Tab. 4. Właściwości hydrauliczne typowych wyrobów geosyntetycznych stosowanych na warstwy filtrujące [1] Literatura : 1. Zalecenia dotyczące stosowania geosyntetyków w odwodnieniach dróg. GDDKiA/IBDiM, W-wa 2009