Ocena wspó pracy georusztu z niezwi zanym kruszywem na przyk adzie wybranych bada

Transkrypt

1 dr inż. Marcin Grygierek, dr inż. Jacek Kawalec, Politechnika Śląska Ocena wspó pracy georusztu z niezwi zanym kruszywem na przyk adzie wybranych bada Duża różnorodność stosowanych na rynku geosyntetyków powoduje, że należy zauważyć odmienne mechanizmy pracy układu kruszywo geosyntetyk. Niestety gwałtownemu wzrostowi stosowania geosyntetyków nie towarzyszy wzrost wiedzy o mechanizmach ich współpracy z materiałem wypełniającym. Dodatkowo wśród inżynierów upowszechniły się niektóre poglądy, które przypisują uniwersalne wymagania dla wszystkich rodzajów geosyntetyków, bez względu na ich mechanizm pracy. W artykule przedstawiono wybrane badania eksperymentalne przedstawiające m.in. odmienne zachowanie się georusztu z kruszywem i bez kruszywa oraz o wysokiej sztywności początkowej geosyntetyku w już niewielkim zakresie odkształceń, tj. typowym zakresie dla obciążenia warstw nawierzchni obciążonych ruchem komunikacyjnym. W ostatnich, co najmniej dwóch, dziesięcioleciach bardzo wzrosło zastosowanie geosyntetyków, które jest wynikiem rozwoju technologii wykorzystujących te materiały. Warto również zauważyć, że w ostatniej dekadzie obserwuje się rewolucyjne zmiany dotyczące zrozumienia i opisania mechanizmów współpracy georusztu z kruszywem niezwiązanym. Za niezwykle istotne należy uznać oddzielenie mechanizmu zbrojenia od mechanizmu stabilizacji [5], [6], [12], mechanizm ten był i jest nadal przedmiotem wielu badań eksperymentalnych, których celem jest potwierdzenie korzystnego wpływu georusztu na pracę warstwy kruszywa [7], [8]. W publikacjach opisywane są różne mechanizmy związane z wpływem geosyntetyków na warstwy nawierzchni. Wśród nich wyróżnia się [13]: Mechanizmy w zakresie wpływu geosyntetyku na poprawę pracy nawierzchni w przypadku wzmocnienia podbudowy: poprawa rozkładu obciążenia przekazywanego od kół pojazdu, skrępowanie boczne kruszywa niezwiązanego w podbudowie. Obydwa mechanizmy są ze sobą ściśle powiązane. Mechanizmy w zakresie wpływu geosyntetyku na poprawę pracy nawierzchni w przypadku wzmocnienia podłoża: poprawa parametrów warstwy wzmocnionego podłoża dzięki polepszonemu rozkładowi obciążenia i wzrost modułów odkształcenia, redukcja deformacji gruntów w podłożu, przeniesienie obciążenia poprzez efekt naciągniętej membrany (ten mechanizm występuje jedynie w przypadku, gdy deformacje w podłożu będące efektem obciążenia Summary Assessment of the cooperation of geogrid with unbound aggregate based on the example of selected studies The large diversity of geosynthetics used on the market makes it necessary to notice different operating mechanisms of the system aggregates geosynthetics. Unfortunately, the rapid increase in the use of geosynthetics is not accompanied by the enhanced knowledge about the mechanisms of their cooperation with the fi lling material. In addition, opinions that attribute universal requirements for all types of geosynthetics, regardless of their working mechanism, have become popular among engineers. The article presents selected experimental studies of, among others, different behaviour of geogrid with and without aggregate and of high initial stiffness in geosynthetic in a small range of deformations, i.e. the typical range for the load conditions of layers loaded with road traffi c. Keywords: geosynthetics, deformation, layers są na tyle duże min 10 cm że w praktyce dochodzi do zniszczenia struktury gruntu w podłożu, a dalsze obciążanie ruchem wymaga geosyntetyku o dużej wytrzymałości, pracującego jako membrana utrzymująca całą konstrukcję i opóźniająca przyrost deformacji pod obciążeniem). Warto zauważyć, że pojęcia stabilizacja mechaniczna kruszywa i stabilizacja kruszywa georusztem, choć bliskie sobie, 24 Magazyn Autostrady 3/2017

2 Rys. 1. Badania modułu sprężystości wg AASHTO T 307 nie są synonimami. W obu przypadkach stabilizacja osiągana jest w wyniku zagęszczania kruszywa o właściwym uziarnieniu i odpowiedniej wilgotności, co prowadzi do spadku wskaźnika porowatości warstwy kruszywa. W przypadku stabilizacji mechanicznej kruszywa w wyniku działania obciążenia, w tym również cyklicznego, oddziałującego na warstwę, np. w wyniku ruchu pojazdów, ziarna, szczególnie u spodu tej warstwy, mają możliwość przesuwu, deformacja warstwy zależy wprost od liczby cykli obciążenia, a także jest silnie determinowana przez sztywność niższych warstw lub podłoża. W przypadku stabilizacji kruszywa georusztem proces zagęszczania kruszywa odpowiednio sypanego z góry dodatkowo powoduje zaklinowanie się ziaren w oczkach georusztu, o bardzo wysokiej sztywności już w niewielkim zakresie odkształceń, co zdecydowanie ogranicza zdolność przemieszczania się ziaren (rozsuwania się ziaren) pod wpływem obciążenia. Skutkiem tego mechanizmu jest mniejsza deformacja warstwy kruszywa stabilizowanego georusztem od warstwy kruszywa bez georusztu, przy tej samej liczbie cykli obciążeniowych. Poniżej wymieniono aplikacje, w których mechanizm stabilizacji kruszywa georusztem należy uznać za kluczowy: stabilizacja mechaniczna podłoża i warstw konstrukcyjnych dróg, linii kolejowych, pasów startowych itp., stabilizacja warstw platform roboczych, stabilizacja podłoża posadzek, stabilizacja podstawy nasypu o wysokości maks. rzędu 2,5 m, formowanego na słabym gruncie, zabezpieczenia geosyntetyczne na terenach górniczych i sejsmicznych, stabilizacja warstw poduszek kruszywowych geomaterace. W artykule przedstawiono wyniki wybranych badań eksperymentalnych, weryfikujących skuteczność współpracy georuszt kruszywo. Prezentowane dotychczasowe doświadczenia podzielono na zagraniczne oraz prowadzone w Polsce. Wybrane zagraniczne badania laboratoryjne Jednym z przykładowych badań laboratoryjnych wpływu georusztu na materiał ziarnisty są badania Wayne a [14] przeprowadzone w aparatach trójosiowego ściskania. Badania prowadzone były w USA wg procedury AASTHO (rys. 1). Kolejnym przykładem pokazanym na fot. 1 są laboratoryjne badania warstw kruszywa w małej skali prowadzone dla celów indeksowego porównania efektywności poszczególnych geosyntetyków. Kryterium porównawczym jest głębokość koleiny powstałej w wyniku kolejnych przejazdów koła (rys. 2). Badanie zostało przeprowadzone w Centrum Technologicznym Tensar w Blackburn. W rezultacie przeprowadzonych badań można było sformułować wstępne wnioski na potrzeby badań w pełnej skali, prowadzonych przez wiele lat np. w brytyjskim Transport Research Laboratory [9]. Wybrane zako czone krajowe badania opis kilku przypadków Bardzo szeroki program badań przeprowadzono w latach w laboratorium Katedry Geotechniki i Dróg Politechniki Śląskiej. Obejmował on szereg badań nad zachowaniem się georusztów stabilizujących warstwę kruszywa. Przykładowo badania prowadzone w ramie do rozciągania dużych prób geosyntetyku (rys. 3, fot. 2) wykazały bardzo duże różnice w odkształceniach georusztu w zależności od tego, czy współpracuje z kruszywem lub jest badany bez kontaktu z kruszywem, przy zachowaniu identycznej prędkości wymuszonego odkształcenia ramy (rys. 4). Badania prowadzono dla wielu georusztów i geosiatek, analizując m.in. wpływ kierunku działania obciążenia, wpływ współpracy geosyntetyku z kruszywem czy też porównując zachowanie się poszczególnych typów geosyntetyków [12]. Badania laboratoryjne były również częściowo weryfikowane w badaniach terenowych w skali naturalnej, gdzie warstwy kruszy- 25

3 Fot. 1. Pomiary deformacji pod kolejnymi przejazdami koła Rys. 2. Zależności wielkości deformacji od liczby przejazdów koła uzyskiwane w badaniach laboratoryjnych warstwy stabilizowanej mechanicznie georusztem typowe wyniki kilku serii badań Fot. 2. Widok stanowiska badawczego w trakcie montażu czujników Si a rozci gaj ca [kn] 16 badania georusztu z zaz ionym kruszywem badanie wg ISO badanie georusztu bez kruszywa ,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 Odkszta cenie [%] Rys. 4. Wykres zależności naprężenie odkształcenie georusztów z kruszywem i bez kruszywa Rys. 5. Schemat rozłożenia warstw i czujników [2], [3] Rys. 3. Schemat stanowiska badawczego. 1 rama obciążająca, 2 szczęki mocujące georuszt, 3 badany geosyntetyk, 4 siłownik hydrauliczny wa stabilizowanego georusztem poddawane były wymuszonemu odkształceniu podczas próbnych obciążeń. Jednym z kluczowych osiągnięć było potwierdzenie, że zakres odkształceń georusztów w warunkach rzeczywistej współpracy z kruszywem jest diametralnie inny niż parametry stosowane do charakterystyki funkcji zbrojeniowej oraz że zdecydowanie większy wpływ na efektywność stabilizacji ma sztywność samego georusztu. Nie sposób również wspomnieć o badaniach Chlipalskiego, które koncentrowały się na wykazaniu wpływu georusztu na minimalizację negatywnych skutków górniczych poziomych odkształceń rozluźniających w warstwie niezwiązanego kruszywa wbudowanego powyżej georusztu (rys. 5) [2], [3]. W wyniku przeprowadzonych badań na stanowisku laboratoryjnym Chlipalski przedstawił zależności pozwalające określić redukcję poziomych odkształceń rozluźniających po przejściu przez geosyntetyk (dwuosiowy georuszt o sztywnych monolitycznych węzłach) (rys. 6). Zależność ta może być wykorzystywana przy szacowaniu redukcji rozluźnienia warstwy z kruszywa stabilizowanej georusztem w warunkach górniczych odkształceń rozluźniających [10], [11]. Doświadczenia z badań laboratoryjnych były wykorzystane również w późniejszych badaniach terenowych na poligonie założonym na autostradzie A4 (rys. 7), które szczegółowo zostały przedstawione w publikacjach [4], [11]. 26 Magazyn Autostrady 3/2017

4 Rys. 6. Wyniki laboratoryjnych badań wpływu georusztu na redukcję odkształceń rozluźniających w ośrodku rozdrobnionym (niezwiązane kruszywo) stabilizowanym dwusiowym georusztem o monolitycznych węzłach. A odkształcenie rozluźniające poniżej georusztu, B odkształcenie rozluźniające nad georusztem [2], [3] Rys. 7. Przekrój przez terenowe stanowisko pomiarowe Wybrane badania laboratoryjne w trakcie realizacji. Badania laboratoryjne uk adu geosyntetyk niezwi zane kruszywo Aktualnie prowadzi się badania mające na celu ocenę skuteczności stosowania georusztów w warstwie podbudowy zasadniczej z kruszywa niezwiązanego. Badania realizuje się przy zastosowaniu trójosiowego georusztu o sztywnych monolitycznych węzłach w warunkach pionowego obciążenia, przykładanego na powierzchni warstwy. Badania na stanowisku są w trakcie realizacji, dlatego w artykule przedstawiono tylko wybrane rezultaty. 27

5 Fot. 4. Trójosiowy georuszt zastosowany do badań laboratoryjnych kierunek przesuwu 3,00 m Fot. 3. Widok na stanowisko badawcze (fot. M. Grygierek) kierunek przesuwu Stanowisko badawcze stanowi skrzynia o wymiarach przedstawionych na rys. 8. Integralnym elementem stanowiska jest układ przesuwnych kształtowników z zamontowaną rurą, które umożliwiają ustawienie przeciwwagi do badań siłowych (próbne obciążenie) w dowolnym punkcie stanowiska (fot. 3). Na stanowisku badawczym wbudowano następujący układ warstw: warstwa piasku o grubości 70 cm, geowłóknina, 20 cm kruszywa o uziarnieniu 0/63, trójosiowy georuszt 1,25 m o monolitycznych węzłach, 22 cm kruszywa o uziarnieniu 0/31,5. Na georuszcie oraz w warstwach kruszywa zainstalowano czujniki odkształceń poziomych. Dodatkowo w obu warstwach z kruszywa zainstalowano czujniki odkształceń pionowych. W badaniach wykorzystano czujniki strunowe produkcji fi rmy Geokon (np. Geokon 4200) [1]. Badania realizowane są poprzez przyłożenie na powierzchni górnej warstwy kruszywa, statycznego obciążenia za pomocą stalowej płyty o średnicy 300 mm. W badaniach zastosowano zestaw do badań płytą VSS produkcji firmy Fr wag. Jedno z badań miało na celu pomiar odkształcenia zabudowanego georusztu pod obciążeniem powierzchni górnej warstwy kruszywa ok. 700 kpa. Wartość ta jest zdecydowanie większa niż naprężenia występujące w warstwie podbudowy z kruszywa w trakcie użytkowania pełnej nawierzchni drogowej. Zrealizowano 6 cykli obciążenie odciążenie. Podczas dwóch pierwszych stosowano stopień obciążenia co 0,05 MPa i odciążenia 0,1 MPa. Do kolejnego stopnia obciążenia przystępowano, gdy przyrost przemieszczenia na czujniku w odstępie 2 min był mniejszy niż 0,05 mm. Przy pozostałych cyklach (od 3 do 6) kolejny przyrost obciążenia/odciążenia realizowano co minutę (rys. 9). Podczas obciążania górnej powierzchni warstwy kruszywa były rejestrowane odkształcenia przez czujniki zainstalowane w warstwach kruszywa oraz na georuszcie. Jako przykładowy wynik przedstawiający rejestrację reakcji georusztu na przykładane obciążenia przedstawiono wartości odkształceń w kierunku wzdłużnym do osi żebra. Prezentowane na rys. 10 pomierzone odkształcenia georusztu w osi obciążenia dotyczą czujnika przedstawiającego największe wartości. Przedstawione wyniki badań mają charakter wstępny. Można jednak już na tym etapie zauważyć, że maksymalne odkształcenie georusztu obserwowane przy pierwotnym obciążeniu wynosiło 28 Magazyn Autostrady 3/2017

6 Rys. 8. Wymiary stanowiska badawczego 1270 μm/m. Jak wskazują kolejne cykle obciążenie odciążenie, przyrost odkształcenia znacząco zmalał. Uwzględniając odkształcenia w warstwach podbudowy podczas użytkowania (obciążenie ruchem kołowym) pełnej konstrukcji nawierzchni, należy oczekiwać odkształceń jeszcze mniejszych niż te obserwowane w cyklach 2 6, tj. mniejszych niż Należy zatem zauważyć, że w warstwach nawierzchni drogowej, w tym wbudowanych geosyntetykach, obserwuje się zakres tzw. małych odkształceń. Stwierdzenie to potwierdza konieczność zapewnienia wysokiej początkowej sztywności od materiałów geosyntetycznych wbudowywanych w nawierzchnie, aby zapewnić efektywną współpracę geosyntetyku z kruszywem. Sformułowanie dalszych wniosków dotyczących skuteczności stosowania georusztów i ich wpływu na wzrost sztywności warstw kruszywa będą przedmiotem prowadzonych badań. Podsumowanie Dotychczasowe wyniki badań wskazują na wysoką skuteczność poprawy cech mechanicznych warstwy kruszywa stabilizowanego georusztem. Z uwagi na konieczność uwzględnienia tego wpływu w wymiarowaniu nawierzchni konieczne jest prowadzenie dalszych badań, które pozwolą jeszcze ściślej opisać mechanizm stabilizacji kruszywa. Piśmiennictwo 1. Bednarski Ł., Sieńko R.: Pomiary odkształceń konstrukcji czujnikami strunowymi. Inżynieria i Budownictwo, 11/2013, Chlipalski K.: Badania wzmocnienia podłoża drogowego rozluźnianego rozpełzaniem górniczym. Konferencja Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe, Kielce 2000, Chlipalski K.: Ocena wpływu rozpełzania górniczego podłoża na jego nośność. XLVI Konferencja Naukowa Krynica 2000, Chlipalski K., Strycharz B., Gryczmański M.: Wzmocnienie na wpływy górnicze nasypów i konstrukcji nawierzchni na przykładzie autostrady płatnej A4. XLV Techniczne Dni Drogowe, Międzyzdroje, października 2002 r. 5. Giroud J.: An assessment of the use of geogrids in unpaved roads and unpaved areas. Jubilee Symposium on Polymer Geogrid Reinforcement. Identifying the Direction of Future Research, ICE, London, 8 th September Rys. 9. Przyłożone obciążenie na powierzchni górnej warstwy kruszywa wraz z pomierzonym przemieszczeniem pionowym płyty w trakcie 6 cykli obciążenie odciążenie Rys. 10. Zarejestrowane odkształcenia wzdłuż żebra georusztu podczas przyłożonych 6 cykli obciążania i odciążenia na powierzchni układu warstw 6. Giroud J., Han J.: Field evaluation of the performance of unpaved roads incorporating geosynthetics Planning. Geosynthetics, Vol. 34, No. 2, 2016, Giroud J., Han J.: Field evaluation of the performance of unpaved roads incorporating geosynthetics Implementation. Geosynthetics, Vol. 34, No. 3, 2016, Giroud J., Han J.: Mechanisms governing the performance of unpaved roads incorporating geosynthetics. Geosynthetics. Vol. 34, No. 1, 2016, Hall C.D., Kawalec J.: Accelerated pavement testing for examining the performance of stabilisation geosynthetics. Congreso Geosintec Iberia, 1/2013, str Katalog Przebudów i Remontów Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych KWRNPP-2013 [dostęp: r.: gov.pl/userfiles/articles/p/prace-naukowo-badawcze-w-trakcie_3434/ KPRNPP%20i%20Zalaczniki% pdf.]. 11. Kawalec J., Chlipalski K., Grygierek M.: Komunikacyjne obiekty liniowe na terenach górniczych. Magazyn Autostrady, 3/2015, Kawalec J.: Stabilizacja podłoża z wykorzystaniem georusztów. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 4/2010, s Kawalec J., Grygierek M.: Wybrane laboratoryjne badania wpływu georusztu na stabilizację warstwy z niezwiązanego kruszywa. Sesja jubileuszowa z okazji 80-lecia urodzin prof. Macieja Gryczmańskiego, Gliwice, 5 kwietnia 2017 r. 14. Wayne M.: Characterization of Mechanically Stabilized Layer by Resilient Modulus and Permanent Deformation Testing. Journal of the Transport Research Board,