Dr inŝ. Witold Sterpejkowicz-Wersocki Politechnika Gdańska Katedra Budownictwa Wodnego i Morskiego

Transkrypt

1 Dr inŝ. Witold Sterpejkowicz-Wersocki Politechnika Gdańska Katedra Budownictwa Wodnego i Morskiego STABILNOŚĆ STREFY KONTAKTOWEJ GRUNT-FILTR SYNTETYCZNY Wprowadzenie. Powszechnie narzut kamienny stosowany do umocnienia skarp kanałów, obwałowań, zapór ziemnych, układany jest na materiałach geosyntetycznych. Jednym z podstawowych zadań filtra geosyntetycznego układanego w powyŝszych konstrukcjach jest zapobieganie zjawisku sufozji i wynoszeniu części drobnych z podłoŝa gruntowego. Proces ruchu cząstek gruntu wynika z parametrów ośrodka gruntowego, materiału filtracyjnego jak i przepływu wody. Warunkiem koniecznym właściwej pracy układu grunt-filtr-narzut-woda jest taki dobór parametrów materiału filtracyjnego, aby spełniał on wymagania wynikające z parametrów ośrodka gruntowego, zastosowanego narzutu oraz kierunku i prędkości przepływu wody dla określonych warunków początkowych i brzegowych. W trakcie eksploatacji geosyntetycznych materiałów filtracyjnych moŝe dojść do przetarć, rozdarć, przebić i innych uszkodzeń wynikających z cyklicznych ruchów narzutu względem podłoŝa, jak równieŝ z uszkodzeń mechanicznych powstałych w okresie budowy. Zmienny reŝim przepływu wody i uszkodzenie materiału geotekstylnego powoduje wzrost ryzyka dysfunkcji filtra geosyntetycznego, który moŝe prowadzić w określonych warunkach do utraty wewnętrznej stabilności układu. Przeprowadzone badania w kolumnie filtracyjnej oraz analizy numeryczne pozwoliły na identyfikację zjawisk występujących w płaszczyźnie kontaktowej gruntu z filtrem geosyntetycznym i określenie warunków, przy których zapewniona będzie trwałość konstrukcji w warunkach nieciągłego materiału geosyntetycznego, jako warstwy separacyjno-filtracyjnej pod narzutem kamiennym. Równorzędnym problemem oprócz sufozji materiału gruntowego przez filtr geosyntytyczny jest zjawisko kolmatacji. Degradacja geowłóknin, polegająca na zmniejszaniu ich zdolności filtracyjnych na skutek kolmatacji, prowadzić moŝe do występowania zjawisk sufozyjnych w miejscach jego nieciągłości, np. połączeń. PoniŜsze przykłady próbek pobranych z róŝnych lokalizacji terenowych, gdzie pełniły one funkcje separacyjno-drenaŝowe pod warstwą umocnienia brzegu wskazują na skalę problemu kolmatacji wewnętrznej materiału. Do tego miejsca zmieniłem W warunkach rzeczywistych geosyntetyki współpracują z róŝnymi materiałami i podłoŝem gruntowym. Powiązanie klasycznych badań współczynnika przepuszczalności geowłóknin z charakterystyką przebicia wyrobu na skutek uszkodzeń mechanicznych i z właściwościami podłoŝa, a przede wszystkim z jego rodzajem i stanem oraz zmiennym rezimem przepływu wody, wymaga odpowiedniej procedury

2 Autoreferat strona 2 badań, tak aby w warunkach laboratoryjnych moŝna było sprawdzić odporność układu na uszkodzenia spowodowane zjawiskami sufozyjnymi. Uszkodzenia geosyntetyku pochodzące od kruszywa lub kamieni moŝe być symulowane w laboratorium w dwojaki sposób: za pomocą elementu o krawędziach zaokrąglonych trzpień cylindryczny CBR (kruszywo obtoczone), albo elementu ostrokrawędzistego piramidka (kruszywo ostrokrawędziste). Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych i analiz numerycznych zostaną określone krytyczne rozmiary uszkodzenia materiału geosyntetycznego, tzn. takie po przekroczeniu których moŝna mówić o utracie stabilności systemu umocnienia skarp w wyniku rozwoju zjawisk sufozyjnych. Zakres pracy obejmują studia literatury, badania cech fizycznych geowłóknin i gruntu, badania laboratoryjne filtracji w układzie grunt-geowłóknina w warunkach zmiennego naporu hydraulicznego przeprowadzone dla róŝnych materiałów filtracyjnych oraz kształtów i rozmiarów ich uszkodzenia, badania stopnia redukcji wodoprzepuszczalności próbek ternowych w wyniku ich kolmatacji, symulacje numeryczne metodą elementów skończonych lokalnego przepływu filtracyjnego w miejscu uszkodzenia geosyntetyku. Uzyskane rezultaty przedstawiono w sześciu rozdziałach: ROZDZIAŁ 1 CHARAKTERYSTYKA, PODZIAŁ ORAZ ZASTOSOWANIA GEOSYNTETYCZNYCH MATERIAŁÓW FILTRACYJNYCH W rozdziale tym zawarłem opis geosyntetyków, ich podział i właściwości z podkreśleniem cech filtracyjnych. Bardziej szczegółowo omówiłem geotkaniny oraz geowłókniny, jako materiałów mających obecnie największe znaczenie w zastosowaniach separacyjno-drenaŝowych. Przedstawiłem równieŝ przykłady najbardziej powszechnych zastosowań geosyntetycznych materiałów filtracyjnych w konstrukcjach inŝynierskich. ROZDZIAŁ 2 KRYTERIA PROJEKTOWANIA FILTRÓW GEOTEKSTYLNYCH ORAZ OPIS DOTYCHCZASOWYCH BADAŃ WODOPRZEPUSZCZALNOŚCI W KIERUNKU NORMALNYM DO PŁASZCZYZNY GEOTEKSTYLIÓW W rozdziale drugim przedstawiłem istniejące kryteria doboru materiałów geotekstylnych w zastosowaniach filtracyjno-drenaŝowych, dotychczasowe badania laboratoryjne wodoprzepuszczalności w kierunku normalnym do powierzchni materiału

3 Autoreferat strona 3 oraz pokazałem sposób określenia cech mechanicznych i hydraulicznych geotekstyliów bazujący na teorii homogenizacji. Na podstawie przedstawionego w pracy przeglądu literatury dotyczącego istniejących kryteriów projektowania filtrów geosyntetycznych, badań modelowych oraz rozwaŝań teoretycznych dotyczących opisu procesu przepływu cieczy ściśliwej przez geowłókninę, moŝna sformułować następujące wnioski: a) mnogość istniejących kryteriów doboru materiałów geosyntetycznych w aplikacjach filtracyjnych stwarza problemy w racjonalnym doborze materiału powoduje to, Ŝe projektanci bazują głównie na swoim doświadczeniu, b) istniejące kryteria doboru materiałów w zastosowaniach filtracyjnych na ogół pomijają warunki przepływu wody (np. prędkość krytyczna) bazując głównie na zaleŝnościach geometrycznych miarodajnej średnicy porów materiału i miarodajnej średnicy ziarna gruntu chronionego; prace nad uwzględnieniem warunków przepływu, np. Strzelecki (2006), wskazują, Ŝe podejście takie wydaje się być niewystarczające dla identyfikacji zjawisk zachodzących w płaszczyźnie kontaktowej gruntu z filtrem, c) podstawą prawidłowego funkcjonowania filtra geosyntetycznego jest jego współpraca z podłoŝem gruntowym; zjawiskami niepoŝądanymi są sufozja gruntu chronionego i kolmatacja filtra (o charakterze mechanicznego zamulenia drobnymi frakcjami gruntu chronionego, chemiczna (np. wytrącanie się tlenku Ŝelaza na filtrze) i biologiczna (np. przerost korzeni roślin)), d) zjawiskiem poŝądanym, a wręcz koniecznym do prawidłowego i długotrwałego działania filtra jest powstanie trwałej sieci przesklepień (mostków) filtracyjnych w gruncie chronionym na styku z geowłókniną, Biorąc pod uwagę informacje i wnioski wyciągnięte z przeglądu literatury w zakresie projektowania i badania geosyntetycznych materiałów filtracyjnych zdecydowano się przeprowadzić własne badania eksperymentalne oraz analizy obliczeniowe dla układu grunt-filtr syntetyczny w aspekcie identyfikacji zjawisk występujących w płaszczyźnie kontaktowej gruntu z filtrem syntetycznym. ROZDZIAŁ 3 CHARAKTERYSTYKA APARATU DO BADAŃ WODO- PRZEPUSZCZALNOŚCI W UKŁADZIE GRUNT GEOSYNTETYK W KIERUNKU NORMALNYM DO POWIERZCHNI MATERIAŁU W rozdziale tym przedstawiłem krótki opis autorskiego stanowiska badawczego wodoprzepuszczalności w układzie grunt-geosyntetyk w kierunku normalnym do powierzchni materiału. Aparat ten znajduje się w Laboratorium Hydrauliki i InŜynierii Środowiska Wydziału InŜynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej.

4 Autoreferat strona 4 Głównym celem zaprojektowania i wykonania aparatu było umoŝliwienie przeprowadzenia badań filtracji w układzie grunt-geosyntetyk w warunkach zmiennych stanów wód. Ze względu na to, Ŝe przeprowadzone badania miały charakter nowatorski przeprowadziłem szereg doświadczeń wstępnych, których wyniki doprowadziły do przyjęcia ostatecznego rozwiązania konstrukcyjnego aparatu. Wiele elementów, stanowiących wyposaŝenie aparatu, zostało wykonanych przeze mnie osobiście. przelew zbiornik stalowy (górny). H1 Tablica piezometryczna. H2 przelew obciąŝniki (max. 60 kg) schem.i wahania zwierciadła wody 2 schem.ii 3a 3 6 płyta perfor. tłuczeń geosyntetyk złoŝe stałe ciśnienie 9 opróŝnianie kolumny zasilanie 7 przelew zbior. górnego } mierzone Pompa 10 1 zbiornik dolny V=1,0 m odpływ Rys. 3.1 Schemat aparatu badawczego. Aparat do badań zjawisk zachodzących w strefie kontaktu gruntu z geosyntetycznym materiałem filtracyjnym przedstawiłem schematycznie na Rys. 3.1, natomiast na Rys. 3.2 zamieściłem ogólny widok stanowiska. Aparat ten umoŝliwia przeprowadzanie badań wodoprzepuszczalności w kierunku normalnym do płaszczyzny geosyntetyku w warunkach: bez obciąŝenia, z obciąŝeniem,

5 Autoreferat strona 5 przepływu jednokierunkowego (w górę lub w dół) ustalonego, przepływu jednokierunkowego (w górę lub w dół) o cyklicznie zmiennym naporze, cyklicznie zmiennego przepływu dwukierunkowego, z próbką gruntu pod i/lub nad geosyntetycznym materiałem filtracyjnym. Rys. 3.2 Ogólny widok aparatu badawczego. Zasadniczą częścią aparatu jest kolumna filtracyjna wykonana z rur z przezroczystego pleksiglasu o średnicy wewnętrznej 195 mm. Pomiędzy pierwszym a drugim (licząc od dołu) segmentem kolumny zainstalowany jest moduł umoŝliwiający umieszczenie

6 Autoreferat strona 6 próbki geosyntetyku wewnątrz kolumny (Rys. 3.3). Moduł ten wykonany z przezroczystego pleksiglasu składa się z 2 pierścieni o średnicy wewnętrznej równej średnicy wewnętrznej kolumny, między którymi zaciska się badany materiał. płyta perforowana (dociskowa) tłuczeń geosyntetyk złoŝe płyta perforowana Rys. 3.3 Moduł do umieszczania geowłókniny w kolumnie. Ciśnienie wody w porach gruntu mierzone jest na zestawie piezometrów umieszczonych w tablicy piezometrycznej oraz na cyfrowych miernikach ciśnienia typu MPS-02. KaŜdy piezometr wyposaŝony jest w zawór umoŝliwiający jego odpowietrzenie. Rys. 3.5 Sterownik czasowy. Rys. 3.4 Kolumna filtracyjna Rys. 3.6 Tablica piezometryczna

7 Autoreferat strona 7 Cyklicznie zmienny napór hydrauliczny realizowany jest przez przełączanie elektrozaworów, które powodują, Ŝe poziom zwierciadła wody w kolumnie waha się cyklicznie pomiędzy górnym i dolnym przelewem. Pracę elektrozaworów kontroluje programowalny sterownik czasowy o minimalnym czasie cyklu 1 minuta a maksymalnym 99 godzin i 59 minut. Aparat umoŝliwia równieŝ przyłoŝenie obciąŝenia zewnętrznego na próbkę materiału. MoŜe ono być realizowane przez bezpośredni nacisk płyty perforowanej na geosyntetyk lub przez warstwę pośrednią (np. narzutu na włóknine). ObciąŜenie typu balastowego przekazywane jest przez trzpień stalowy na płytę perforowaną. System zasilania kolumny w wodę umoŝliwia zasilanie kolumny w obiegu zamkniętym lub (awaryjnie) z sieci wodociągowej. Obieg zasilania zamkniętego składa się ze zbiornika dolnego, pompy, ruchomego zbiornika górnego oraz sieci elastycznych przewodów doprowadzających wodę do kolumny filtracyjnej i odprowadzających nadmiar wody ze zbiornika górnego. ROZDZIAŁ 4 WŁASNE BADANIA NAD ZJAWISKAMI ZACHODZĄCYMI W STREFIE KONTAKTOWEJ GRUNT - FILTR SYNTETYCZNY W WARUNKACH ZMIENNYCH STANÓW WÓD Do przeprowadzenia badań nad zjawiskami zachodzącymi w warunkach grunt-filtr syntetyczny wytypowałem 3 rodzaje geowłóknin. Przeprowadzenie doświadczeń na geowłókninach podyktowane było faktem, Ŝe w znakomitej większości geofiltrów w zastosowaniach praktycznych wykorzystywane są właśnie geowłókniny. Geowłókniny znajdują najszersze zastosowanie w konstrukcjach drenaŝy, filtrów pod umocnieniami brzegów, podczas gdy inne geosyntetyki, np. geotkaniny, z uwagi na swoje dobre właściwości mechaniczne, uŝywane głównie do wzmacniania konstrukcji ziemnych. Materiały objęte badaniami to mechanicznie wzmacniane geowłókniny z włókien ciągłych, ze 100% polipropylenu stabilizowanego przeciw promieniowaniu UV: polyfelt TS 70 ( A ), TS 30 ( B ) oraz TS 20 ( C ). Przeprowadziłem badania określające podstawowe parametry badanych geowłóknin w aspekcie zastosowań filtracyjno-drenaŝowych oraz parametry badanego gruntu w oparciu o analizę granulometryczną. Badania dotyczące geowłóknin obejmowały wyznaczenie ich masy powierzchniowej oraz wodoprzepuszczalności w kierunku normalnym do powierzchni materiału w warunkach bez obciąŝenia. Parametr, jakim jest wodoprzepuszczalność w kierunku normalnym do płaszczyzny materiału geotekstylnego, jest jednym z istotniejszych parametrów, jakie muszą być brane pod uwagę przy doborze materiału w zastosowaniach filtracyjnych. Parametr ten określiłem w celu opisu hydraulicznych właściwości materiału geotekstylnego. PoniŜsze wykresy (Rys. 4.1) przedstawiają wyniki badań wodoprzepuszczalności dla jednego z badanych materiałów (geowłókniny A ).

8 Autoreferat strona 8 16,0 14,0 12,0 Skorygowana prędkość przepływu v 20 w funkcji spadku ciśnienia h spadek ciśnienia h [cm] 10,0 8,0 6,0 4,0 TS70 (1) TS70 (2) TS70 (3) 2,0 0,0 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 skorygowana prędkość przepływu v 20 [cm/s] 140,00 120,00 współczynnik przepływu w kierunku normalnym do powierzchni filtra [l/m 2 s] 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 TS70 (1) TS70 (2) TS70 (3) NatęŜenie przepływu przez geowłókninę w kierunku normalnym do powierzchni bez obciąŝenia 0,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 spadek ciśnienia na geowłókninie h [cm] Rys. 4.1 Wykresy prędkości przepływu i współczynnika natęŝenia przepływu przez próbkę geowłókniny (geowłóknina A wyniki z pomiarów trzech próbek materiału). Badania stabilności strefy kontaktowej układu grunt-geowłóknina stanowiły zasadniczą część badań przeprowadzonych w laboratorium. Próbki materiału geosyntetycznego przed załoŝeniem do aparatu poddawałem uszkodzeniom w formie nacięć o kształtach O, L, I w celu symulacji ich uszkodzenia w konstrukcji. Wykonałem łącznie 38 badań modelowych na wstępnie uszkodzonych próbkach geosyntetyku. Parametry przepływu ustaliłem na etapie kalibracji stanowiska badawczego. Przepływ wody przez układ grunt-geosyntetyk odbywał się z cyklicznie zmiennym naporem hydraulicznym, wynoszącym H 1 =142 cm i H 2 =270 cm. Czas trwania przepływu przy naporze H 1 i H 2 wynosił po 15 minut, co daje czas trwania pełnego cyklu 30 minut. Badania dla kaŝdego materiału geosyntetycznego i kształtu uszkodzenia przeprowadzane były do utraty stabilności układu grunt-geowłóknina.

9 Autoreferat strona 9 Charakterystycznym zjawiskiem obserwowanym w strefie kontaktu grunt-uszkodzony materiał filtracyjny było formowanie się przesklepienia filtracyjnego z grubszych frakcji gruntu chronionego, które zapobiegało sufozji. 100 FRAKCJE Iłowa Pyłowa Piaskowa świrowa Kamien. 90 Zawartość ziaren o średnicy < d [%] ,001 0,01 0, Średnice zastępcze ziaren d [mm] Oznaczenia: linia czarna (gruba) krzywa wyjściowa, - grunt w osadniku (na geowłókninie) wierzch złoŝa (pod geowłókninią), środek złoŝa, spód złoŝa Rys. 4.2 Krzywe uziarnienia próbek gruntu pobranych z 3-ech poziomów gruntu chronionego i z osadnika. Wspomniane przesklepienie wytworzone z grubszych frakcji badanego gruntu przedstawiają poniŝsze fotografie (Rys. 4.3 a-d). Zaobserwowane przemieszczenia frakcji gruntu widoczne są równieŝ na krzywych przesiewu (Rys. 4.2) próbek gruntu pobranych: z osadnika (na geowłókninie), bezpośrednio pod rozcięciem, ze środka złoŝa gruntu (10 cm pod geowłókniną) i z dna złoŝa (20 cm pod geowłókniną). O ile krzywe przesiewu dla próbek pobranych ze środka i z dna złoŝa praktycznie pokrywają się z wyjściową krzywą przesiewu nie nastąpiło tu wzajemne przemieszczenie się frakcji to zarówno próbka pobrana z osadnika jak i ze strefy bezpośrednio pod rozcięciem wykazuje odchylenie w stosunku do materiału wyjściowego.

10 Autoreferat strona 10 Rys. 4.3 a Narzut kamienny po demontaŝu kolumny filtracyjnej. W miejscu rozcięcia wypłukany materiał gruntowy. Rys. 4.3 b Geowłóknina po zdjęciu warstwy kamieni. Rys. 4.3 c Grunt chroniony po zdjęciu geowłókniny. W miejscu rozcięcia widoczne przesklepienie z grubszych frakcji gruntu chronionego. Rys. 4.3 d Grunt chroniony po zdjęciu geowłókniny. W miejscu rozcięcia widoczne przesklepienie z grubszych frakcji gruntu chronionego. Charakterystyczne, wybrane wyniki przeprowadzonych doświadczeń przedstawiłem graficznie na poniŝszych wykresach (rys ). przyrost masy geowłókniny g [%] Przyrost masy geowłókniny podczas badania 10 geowłóknina "B" uszkodzenie typu L 5 geowłóknina "C" uszkodzenie typu L 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 długość uszkodzenia w kształcie L [cm] geowłóknina "A" uszkodzenie typu L przyrost masy geowłókniny g [%] Przyrost masy geowłókniny podczas badania 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 średnica uszkodzenia w kształcie O [cm] geowłóknina "A" uszkodzenie typu O geowłóknina "B" uszkodzenie typu O geowłóknina "C" uszkodzenie typu O

11 Autoreferat strona 11 Przyrost masy geowłókniny podczas badania przyrost masy geowłókniny g [%] geowłóknina "A" uszkodzenie typu I geowłóknina "B" uszkodzenie typu I geowłóknina "C" uszkodzenie typu I długość uszkodzenia w kształcie I [cm] Rys. 4.4 Przyrosty masy badanych geowłóknin. Stosunek końcowego natęŝenia przepływu Qk do Stosunek końcowego natęŝenia przepływu Qk do Qk / Qmax [-] 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 maksymalnego natęŝenia przepływu Qmax geowłóknina "A" uszkodzenie typu L geowłóknina "B" uszkodzenie typu L geowłóknina "C" uszkodzenie typu L Qk / Qmax [-] 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 maksymalnego natęŝenia przepływu Qmax geowłóknina "A" uszkodzenie typu I geowłóknina "B" uszkodzenie typu I geowłóknina "C" uszkodzenie typu I 0,9 0,9 0,85 0,85 0,8 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 długość uszkodzenia w kształcie L [cm] 0, długość uszkodzenia w kształcie I [cm] Stosunek końcowego natęŝenia przepływu Qk do Qk / Qmax [-] 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 0,9 0,85 maksymalnego natęŝenia przepływu Qm ax 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 średnica uszkodzenia w kształcie O [cm] geowłóknina "A" uszkodzenie typu O geowłóknina "B" uszkodzenie typu O geowłóknina "C" uszkodzenie typu O Rys. 4.5 Stosunek końcowego natęŝenia przepływu (po 100 cyklach) przez układ gruntgeowłóknina do maksymalnego natęŝenia przepływu osiągniętego podczas badania. Wykresy ilustrujące średni stosunek końcowego natęŝenia przepływu Q k przez układ grunt-geowłóknina (po 100 cyklach) do maksymalnego natęŝenia przepływu Q max osiągniętego podczas badania (rys. 4.5) wskazują, Ŝe w większości przypadków wytworzył się stabilny układ w strefie kontaktowej grunt-filtr syntetyczny, czego rezultatem był stan równowagi przepływu w warunkach cyklicznie zmiennego naporu hydraulicznego. Redukcja natęŝenia przepływu Q k po 100 cyklach wahań zwierciadła wody w kolumnie filtracyjnej w stosunku do maksymalnego natęŝenia przepływu Q max przez układ grunt-geowłóknina (występującego przewaŝnie w okresie od początku badania do 5-go cyklu) wyniosła 1-2%. Większe nierównomierności przepływu obserwowane były w badaniach z wykorzystaniem geowłókniny A, przy czym wraz ze zwiększaniem rozmiarów jej uszkodzenia (niezaleŝnie od kształtu uszkodzenia) stosunek Q k /Q max dąŝył do 1. Zjawisko to moŝe być potwierdzeniem wcześniejszego wniosku o zwiększonej podatności grubszych geowłóknin na kolmatację i zmniejszonej

12 Autoreferat strona 12 penetracji geowłókniny przez drobne ziarna gruntu wraz ze zwiększaniem rozmiaru uszkodzenia geowłókniny. 6 Wskaźnik róŝnoziarnistości U=d60/d10 w strefie kontaktu grunt-geowłóknina 6 Wskaźnik róŝnoziarnistości U=d60/d10 w strefie kontaktu grunt-geowłóknina wskaźnik róŝnoziarnistości U=d60/d10 [-] 5,5 5 4,5 4 3,5 geowłóknina "A" uszkodzenie typu L 3 geowłóknina "B" uszkodzenie typu L 2,5 geowłóknina "C" uszkodzenie typu L 2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 wskaźnik róŝnoziarnistości U=d60/d10 [-] 5,5 5 4,5 4 3,5 geowłóknina "A" uszkodzenie typu O 3 geowłóknina "B" uszkodzenie typu O 2,5 geowłóknina "C" uszkodzenie typu O 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 długość uszkodzenia w kształcie L [cm] średnica uszkodzenia w kształcie O [cm] wskaźnik róŝnoziarnistości U=d60/d10 [-] 6 5,5 5 4,5 4 Wskaźnik róŝnoziarnistości U=d60/d10 w strefie kontaktu grunt-geowłóknina 3,5 geowłóknina "A" uszkodzenie typu I 3 geowłóknina "B" uszkodzenie typu I 2,5 geowłóknina "C" uszkodzenie typu I długość uszkodzenia w kształcie I [cm] Rys. 4.6 Wskaźnik róŝnoziarnistości gruntu U=d 60 /d 10 w strefie kontaktu grunt-geowłóknina. Wykresy pokazane na rys. 4.6 przedstawiają zmiany zachodzące w strefie kontaktu gruntu i geowłókniny w miejscu uszkodzenia materiału geosyntetycznego. Ich analiza skłania do następujących wniosków: w przypadku geowłóknin nieuszkodzonych a takŝe uszkodzeń typu L oraz I o rozmiarach do 1,5 cm nie dochodziło do przegrupowania poszczególnych frakcji gruntu, skutkującego wyraźną zmianą charakterystycznych średnic ziaren i wskaźnika róŝnoziarnistości, w przypadku uszkodzeń typu O, począwszy od uszkodzeń o najmniejszych rozmiarach, obserwowana jest zmiana średnic zastępczych gruntu w strefie kontaktu z geowłókniną wynikająca z wyniesienia z tej strefy najdrobniejszych frakcji i tworzenia się przesklepienia filtracyjnego. Jak wynika z przeprowadzonych doświadczeń uszkodzenia filtra geosyntetycznego w kształcie O stwarza najbardziej niekorzystne warunki stabilności układu grunt-filtr syntetyczny, tworzenie się przesklepienia filtracyjnego widoczne było równieŝ w uszkodzeniach typu L oraz I w zakresie rozmiarów uszkodzeń od 1,5 cm (dla typu L) i od 3,0 cm (dla typu I). Odchylenia od powyŝszej zaleŝności wystąpiły dla geowłókniny A, gdzie nie obserwowano wyraźnej tendencji zmian uziarnienia gruntu w strefie kontaktowej z geowłókniną. Prawdopodobnie spowodowane jest to faktem znacznej odporności filtra gruntowego w powiązaniu z geowłókniną A uszkodzoną podłuŝnym nacięciem. Dla tego kształtu uszkodzenia i rodzaju geowłókniny nie udało się doprowadzić do zniszczenia próbki w wyniku sufozji gruntu.

13 Autoreferat strona 13 Badania terenowych próbek materiałów geosyntetycznych stanowiły uzupełniającą część badań przeprowadzonych w laboratorium. Wynikały one z potrzeb praktycznych, oszacowania stopnia wodoprzepuszczalności oraz redukcji wodoprzepuszczalności filtrów syntetycznych zastosowanych w konstrukcjach umocnień brzegowych. Badania wykonano na próbkach pobranych z trzech lokalizacji terenowych. W pracy przedstawiłem charakterystykę próbek, sposób ich wbudowania w konstrukcję oraz wyniki przeprowadzonych doświadczeń. Wyniki wskazują na znaczną redukcję (nawet 40 krotną) wodoprzepuszczalności materiału w okresie jego eksploatacji. Rys Kolmatacja geowłókniny pyłem i korzeniami roślin Wyniki badań własnych potwierdzają wyniki innych badaczy. Niezwykle cenna w niniejszym przypadku jest ocena przydatności geowłókniny jako warstwy filtracyjnej w kontakcie z gruntami sufozyjnymi przeprowadzona przez Dariusza Wojtasika (2006), zajmującego się od wielu lat problemami kolmatacji geosyntetyków. Z niniejszym tematem bardzo ściśle związane są wyniki jego badań eksperymentalnych i zastosowana procedura badawcza. Z tego względu rozwaŝania te przyjąłem jako jeden z elementów potwierdzających wnioski ogólne wynikające z przeprowadzonych badań własnych. Uzupełnieniem badań filtracyjnych były badania na przebicie określające moŝliwość wystąpienia uszkodzeń geosyntetycznego materiału filtracyjnego. Do badań zastosowałem dwa rodzaje tłoków przebijających: tłok o kształcie cylindrycznym (wg PN-EN ISO 12236), który miał symulować przebicie materiału gruntem obtoczonym, tłok o kształcie piramidki (wg PN-EN 14754), który miał symulować uszkodzenie materiału gruntem ostrokrawędzistym. Badania przeprowadziłem na 10 próbkach dla kaŝdej z geowłóknin i dla dwóch rodzajów podparć oraz bez podparcia. Analiza przeprowadzonych badań w kolumnie filtracyjnej na wstępnie uszkodzonych próbkach geowłóknin pozwala na sformułowanie wniosków ogólnych dotyczących zjawisk zachodzących na styku gruntu i geowłókniny pod wpływem filtracji. Do najistotniejszych naleŝą:

14 Autoreferat strona 14 największą odporność na zjawiska sufozyjne wykazywała geowłóknina z rozcięciem podłuŝnym (w kształcie I); najmniejszą geowłóknina z uszkodzeniem w postaci wyciętego koła (w kształcie O), w gruncie chronionym obserwowano występowanie stabilnego przesklepienia zapobiegającego wzmoŝonej sufozji stan taki jest stanem pośrednim zaleŝnym od wielkości uszkodzenia przy mniejszych rozmiarach uszkodzenia nie obserwowano powstania przesklepienia wokół rozcięcia, przy większych uszkodzeniach nie występowało stabilne przesklepienie, czego efektem była gwałtowna sufozja gruntu chronionego, krytyczny rozmiar uszkodzenia geowłókniny, przy którym jest w stanie wytworzyć się przesklepienie filtracyjne, jest największy w geowłókninie A ; geowłókniny uŝyte w badaniach róŝnią się między sobą praktycznie jedynie grubością, wskazuje to, Ŝe w grubszych i wytrzymalszych geowłókninach dopuszczalne są przebicia o większych rozmiarach spowodowane jest to ich większą sztywnością na zginanie, będącą funkcją wytrzymałości i grubości, w przypadku osiągnięcia krytycznego rozmiaru uszkodzenia upłynnienie gruntu następuje juŝ w pierwszym cyklu; w przypadku wymiarów mniejszych proces ma tendencję stabilizującą się z liczbą cykli, w przypadku zwiększenia prędkości filtracji spowodowanej zwiększeniem róŝnicy wysokości piezometrycznych przed i za filtrem (np. w wyniku kolmatacji geowłókniny) proces ma tendencję destrukcji filtra przy mniejszej szerokości szczeliny. Analiza doświadczeń przeprowadzonych na próbkach róŝnych geowłóknin pobranych z terenu, pozwala stwierdzić, Ŝe: proces zmian współczynników wodoprzepuszczalności, będących podstawowym parametrem geowłóknin w zastosowaniach filtracyjnoochronnych, przebiega najbardziej intensywnie w pierwszych latach eksploatacji i stabilizuje się praktycznie na stałym poziomie po około 8-10 latach, zjawisko zmniejszania się wodoprzepuszczalności związane jest z częściową kolmatacją geosyntetyku wywołaną intensywnym przemieszczaniem się ziarn gruntu w początkowym okresie. W dalszej fazie dochodzi do stabilizacji współczynnika wodoprzepuszczalności poprzecznej geowłókniny, co moŝliwe jest dzięki uformowaniu stabilnego filtra na powierzchni kontaktu grunt-filtr syntetyczny, przebieg zjawiska zmniejszania się wodoprzepuszczalności wraz z upływem czasu eksploatacji geowłókniny moŝliwy jest do opisania w sposób funkcyjny, przy czym modelem lepiej odzwierciedlającym przebieg analizowanego zjawiska jest model wykładniczy k10 = A + B exp( C t), A 0, C 0, dzięki funkcyjnemu zapisowi przebiegu zmian współczynnika wodoprzepuszczalności poprzecznej geowłóknin moŝliwe jest prognozowanie wartości tego współczynnika w czasie. Jest to o tyle istotne, Ŝe parametr ten stanowi podstawową właściwość hydrauliczną geowłókniny pełniącej funkcje filtracyjno-ochronne i drenaŝowe.

15 Autoreferat strona 15 Zasadnicze wnioski wypływające z badania odporności geowłóknin na przebicie są następujące: przy badaniu przebicia tłokiem CBR (symulacja uszkodzenia przez kruszywo lub narzut kamienny obtoczony) i zastosowaniu podparć o róŝnym wskaźniku podatności, stwierdzono, Ŝe rodzaj zastosowanego podparcia miał minimalny wpływ na wytrzymałość materiału, zestawienie wyników badań odporności na przebicie piramidką (symulacja uszkodzenia przez kruszywo lub narzut kamienny ostrokrawędzisty) dla trzech geowłóknin wskazuje, Ŝe rodzaj podparcia ma bardzo istotny wpływ na zachowanie się materiału. Największą odporność na przebicie piramidką, dla kaŝdej z geowłóknin uzyskano w badaniu bez podparcia. Siła potrzebna do zniszczenia materiału, w przypadku zastosowania podłoŝa odkształcalnego, jest mniejsza i zaleŝna od parametrów pianek (podłoŝa), a przede wszystkim od wartości wskaźnika CBR podłoŝa. ROZDZIAŁ 5 NUMERYCZNE MODELOWANIE PROCESU FILTRACJI W UKŁADZIE GRUNT-FILTR SYNTETYCZNY W rozdziale przeprowadziłem analizę filtracji cieczy przez ośrodek porowaty, pod kątem moŝliwości wystąpienia zjawisk sufozyjnych. W niniejszym rozdziale przedstawiłem wyniki obliczeń i symulacji numerycznych przeprowadzonych w celu określenia zasięgu zjawisk sufozyjnych i wpływu postępującej kolmatacji geosyntetyku na warunki przepływu filtracyjnego. Analiza numeryczna została poprzedzona rozwaŝaniami dotyczącymi stateczności filtracyjnej ośrodka porowatego rozdrobnionego. W analizie numerycznej wykorzystałem multidyscyplinarny program FlexPDE5 Professional wykonujący obliczenia metodą elementów skończonych. Napisałem skrypty obliczeniowe (podprogramy), dzięki którym moŝliwe były symulacje przepływu w układzie przestrzennym dla nieciągłych (uszkodzonych) geowłóknin. Jako równanie opisujące ruch cieczy w warunkach przepływu nieustalonego zastosowałem równanie Boussinesqa, natomiast dla przypadku ruchu ustalonego równanie Laplacea. Skrypty obliczeniowe wykonałem dla trzech kształtów nieciągłości geowłókniny (L, O, I). Na podstawie badań laboratoryjnych i obliczeń numerycznych określiłem dopuszczalne średnie prędkości filtracji wody w miejscu uszkodzenia materiału geosyntetycznego w zaleŝności od kształtu uszkodzenia, jego rozmiaru oraz w zaleŝności od rodzaju uŝytego wyrobu. Decydujący wpływ na stabilność układu grunt-uszkodzona geowłóknina ma prędkość wypływu wody w miejscu uszkodzenia materiału geosyntetycznego. Przeprowadzone w ramach niniejszej pracy doświadczenia na wstępnie uszkodzonych próbkach geowłóknin wskazują, Ŝe oprócz prędkości strumienia filtracyjnego w miejscu

16 Autoreferat strona 16 uszkodzenia na stabilność ww układu wpływ ma równieŝ rodzaj materiału oraz kształt i wielkość jego uszkodzenia. Powiązaniem prędkości filtracji oraz rozmiaru i kształtu uszkodzenia jest natęŝenie przepływu wody w miejscu uszkodzenia. Prędkość filtracji wody, w miejscu uszkodzenia materiału geosyntetycznego dla maksymalnego rozmiaru uszkodzenia (przy którym nie doszło jeszcze do upłynnienia ośrodka gruntowego) o danym kształcie i dla danego materiału geosyntetycznego, została określona stosując program obliczeniowy FlexPDE5 oraz własne skrypty. ZałoŜyłem, Ŝe obliczona prędkość średnia w miejscu uszkodzenia materiału jest prędkością dopuszczalną, a jej przekroczenie spowodowane np. wzrostem ciśnienia wody lub kolmatacją materiału geosyntetycznego, wywoła upłynnienie gruntu i tym samym destabilizację układu grunt-filtr syntetyczny. Na podstawie obliczonej prędkości dopuszczalnej wyznaczyłem dopuszczalne natęŝenie przepływu w miejscu uszkodzenia materiału, z wartością którego porównywałem następnie natęŝenia przepływu dla uszkodzeń o róŝnych rozmiarach. Tę samą procedurę stosowałem dla pozostałych kształtów uszkodzeń i rodzajów materiałów. W wyniku przeprowadzonych symulacji numerycznych sporządziłem wykresy prędkości dopuszczalnych (rys. 5.1) dla przebadanych geowłóknin i kształtów w funkcji rozmiaru uszkodzenia. Obszar znajdujący się pod krzywą prędkości dopuszczalnych stanowi obszar dopuszczalnych prędkości i stabilności układu grunt-filtr syntetyczny, natomiast obszar powyŝej krzywej obszar prędkości niedopuszczalnych. 1,00E-02 średnia prędkość w miejscu uszkodzenia [m/s] 9,00E-03 8,00E-03 7,00E-03 6,00E-03 5,00E-03 4,00E-03 3,00E-03 2,00E-03 1,00E-03 0,00E+00 geowłóknina "A" geowłóknina "A" punkty doświadczalne geowłóknina "B" geowłóknina "B" punkty doświadczalne geowłóknina "C" geowłóknina "C" punkty doświadczalne długość uszkodzenia w kształcie L [cm]

17 Autoreferat strona 17 1,00E-02 średnia prędkość w miejscu uszkodzenia [m/s] 9,00E-03 8,00E-03 7,00E-03 6,00E-03 5,00E-03 4,00E-03 3,00E-03 2,00E-03 1,00E-03 0,00E+00 geowłóknina "A" geowłóknina "A" punkty doświadczalne geowłóknina "B" geowłóknina "B" punkty doświadczalne geowłóknina "C" geowłóknina "C" punkty doświadczalne średnica uszkodzenia w kształcie O [cm] średnia prędkość w miejscu uszkodzenia [m/s] 1,00E-01 9,00E-02 8,00E-02 7,00E-02 6,00E-02 5,00E-02 4,00E-02 3,00E-02 2,00E-02 1,00E-02 0,00E+00 geowłóknina "A" geowłóknina "A" punkty doświadczalne geowłóknina "B" geowłóknina "B" punkty doświadczalne geowłóknina "C" geowłóknina "C" punkty doświadczalne długość uszkodzenia w kształcie I [cm] Rys. 5.1 Wykresy zbiorcze dla uszkodzeń w kształcie L, O, I Na podstawie przeprowadzonych analiz i symulacji numerycznych określono dopuszczalne średnie prędkości filtracji w miejscu uszkodzenia materiału. Jak wykazano są one zaleŝne od rodzaju zastosowanego materiału geosyntetycznego oraz od kształtu i rozmiaru jego uszkodzenia. Uszkodzenia o kształcie L oraz I o małych rozmiarach (rzędu 1 cm) z praktycznego punktu widzenia nie mają wpływu na stabilność układu grunt-filtr syntetyczny, gdyŝ do utraty stabilności mogłoby dojść jedynie w przypadku znacznego zwiększenia prędkości filtracji spowodowanej np. 100 i więcej krotną redukcją początkowej

18 Autoreferat strona 18 wodoprzepuszczalności geosyntetyku, czego nie obserwuje się w warunkach rzeczywistych. Z kolei przy uszkodzeniach typu L oraz I o większych rozmiarach (rzędu 10 cm) osiągnięcie stabilności układu moŝliwe jest dla zdecydowanie mniejszych prędkości filtracji. Proponuje się zatem przyjęcie ograniczeń w stosowalności przedstawionych wykresów średnich prędkości dopuszczalnych w miejscu uszkodzenia materiału. Jako ograniczenie dolne moŝna przyjąć dopuszczalną prędkość filtracji dla danego gruntu (bez udziału geowłókniny) określoną zaleŝnością k Sichardt a v kr = oraz warunkami, opisanymi w p rozprawy, jakie muszą być 15 spełnione, aby mogła zajść sufozja gruntu. Gdy prędkość filtracji wody w gruncie będzie poniŝej tej granicy, wówczas kształt, rozmiar uszkodzenia oraz rodzaj materiału nie będą miały wpływu na stabilność układu grunt-geosyntetyczny materiał filtracyjny. W skrajnym przypadku moŝe dojść do zaburzenia funkcji separacyjnej geosyntetyku. Ograniczenie górne wynika z kresu stosowalności równań wykorzystanych do opisu procesu filtracji w ośrodku porowatym i związane jest z turbulizacją przepływu. MoŜliwość utraty laminarnego charakteru przepływu określa liczba Reynoldsa: v d Re 10 f = ν gdzie: v prędkość filtracji [m/s], d 10 średnica zastępcza ziaren ośrodka porowatego, które wraz z mniejszymi stanowi 10% masy próbki [m], ν kinematyczny współczynnik lepkości wody [m 2 /s] (ν 10C = 1,31 * 10-6 m 2 /s). Gdy liczba Reynoldsa Re f osiąga, bądź przekracza pewną wartość krytyczną, filtracja traci charakter laminarny. Wartości krytyczne Re fc (Sawicki, 1998) moŝna przyjąć: dla gruntu jednorodnego, piasek gruby Re fc = 3-10 ; gruntu niejednorodnego, piasek drobny Re fc = 0,034-0,24. Dla badanego gruntu, aby filtracja miała charakter laminarny, prędkość filtracji musi spełniać nierówność v < 3,45 * 10-2 [m/s] (po przyjęciu Re fc = 5, d 10 = 1,9 * 10-4 m). Wartość ta stanowi zatem górną granicę stosowalności krzywych dopuszczalnych prędkości filtracji w miejscu uszkodzenia materiału. Uszkodzenia materiału w postaci wycięcia kołowego (typ O) wykazują najmniejszą stabilność. W tym przypadku do dysfunkcji filtra moŝe dojść przy relatywnie niewielkim przekroczeniu gradientu krytycznego. W przyjętych schematach obliczeniowych obserwowano koncentrację wypływu w miejscu uszkodzenia materiału. Koncentracja ta, w połączeniu ze wzrostem prędkości filtracji w rejonie uszkodzenia geowłókniny, wywołanej redukcją wodoprzepuszczalności geowłókniny, powoduje zmniejszenie dopuszczalnego rozmiaru uszkodzenia. W przypadku silnie zakolmatowanych geowłóknin, nawet pozbawionych rozcięć lub innych uszkodzeń mechanicznych, do rozwoju zjawisk sufozyjnych moŝe dochodzić w miejscach połączeń sąsiednich pasów materiału łączonych na zakład. Taki sposób wykonywania połączeń, w razie kolmatacji materiału, moŝe odpowiadać podłuŝnemu nacięciu geowłókniny. Do dodatkowego wzrostu lokalnych prędkości filtracji moŝe dochodzić równieŝ w konstrukcjach z uŝyciem narzutu kamiennego

19 Autoreferat strona 19 układanego bezpośrednio na geowłókninie (bez ziarnistej warstwy przejściowej przypadek najczęściej występujący w rzeczywistych konstrukcjach). Schemat obliczeniowy dla tego przypadku w układzie płaskim i uzyskane wyniki obliczeń wskazują na lokalny wzrost prędkości filtracji wynikający z opływu nieprzepuszczalnej bariery (kamienia). Dla stabilności układu grunt-uszkodzony filtr syntetyczny przypadek taki jest szczególnie niebezpieczny, gdy nieprzepuszczalna bariera (kamień) znajduje się w bezpośredniej bliskości krawędzi uszkodzenia. ROZDZIAŁ 6 PROPONOWANE KRYTERIA OCENY STABILNOŚCI STREFY KONTAKTOWEJ GRUNT-FILTR SYNTETYCZNY W WARUNKACH ZMIENNYCH STANÓW WÓD Projektowanie filtrów z zastosowaniem geosyntetyków w warunkach zmiennych stanów wód wymaga rozpatrzenia warunków pracy układu grunt-filtr geosyntetyczny oraz kryteriów projektowych niezbędnych przy wymiarowaniu konstrukcji separacyjno drenaŝowych dotyczących: stabilności ośrodka gruntowego, doboru filtra geosyntetycznego, trwałości układu grunt-filtr geosyntetyczny. Aby mówić o istnieniu stabilności zjawisk zachodzących w strefie kontaktowej gruntu z filtrem geosyntetycznym i układu grunt-filtr syntetyczny, materiał geotekstylny musi pozwalać na swobodny przepływ wody przy jednoczesnym zapobieganiu erozji i migracji drobnych cząstek gruntu przez układ drenaŝowy wraz ze strumieniem filtrującej wody. Cechy te, w powiązaniu z wytrzymałością mechaniczną materiału, decydują o jego trwałości, pozwalającej na zachowanie właściwości wyrobu podczas procesu jego wbudowywania i dalszej eksploatacji. Transport cząstek gruntu w obrębie struktury ziarnistej moŝliwy jest wtedy, gdy istnieje wystarczająca ilość i wielkość wolnych przestrzeni (porów) w gruncie oraz istnieje siła filtracyjna zdolna unieść i poruszyć cząstkę gruntu. Jak wspomniano powyŝej, zamiarem jest zapobieŝenie transportowi drobnowymiarowych cząstek gruntu w podłoŝu. Zjawiskiem sprzyjającym temu jest powstanie na powierzchni rozdziału faz (gruntu i filtru geosyntetycznego) naturalnego filtru (przesklepienia). Proces tworzenia i ukształtowania się naturalnego filtru obserwowany był równieŝ w przeprowadzonych w ramach niniejszej pracy doświadczeń laboratoryjnych. Według niektórych badaczy tworzenie się naturalnego filtra moŝliwe jest tylko w przypadku przepływu ustalonego (CUR, 1993). JednakŜe, jest ono równieŝ moŝliwe w przypadku przepływu nieustalonego, dla małych wartości gradientów hydraulicznych (Pilarczyk, 2003). W przypadku cięŝkiego ataku fal (wysokich gradientów hydraulicznych) nie jest to zazwyczaj moŝliwe. Aby ocenić ryzyko wynoszenia cząstek gruntu poprzez geosyntetyki, konieczne jest określenie stateczności wewnętrznej gruntu. Stateczność wewnętrzna gruntu określana jest przez d wskaźnik róŝnoziarniostości U definiowany: U = 60. JeŜeli stosunek ten wynosi d 10

20 Autoreferat strona 20 mniej niŝ 6 (do 10), konstrukcja gruntu uwaŝana jest za wewnętrznie stateczną (stabilną). W przypadku filtra geometrycznie szczelnego (zamkniętego) zakłada się brak transportu cząstek gruntu z podłoŝa niezaleŝnie od poziomu obciąŝenia hydraulicznego. Oznacza to, Ŝe otwory w filtrze geotekstylnym są na tyle małe, Ŝe cząstki gruntu nie są w stanie fizycznie przejść przez otwór i nie są tracone z wewnętrznej struktury gruntu. Kryteria doboru geosyntetyków w oparciu o powyŝsze załoŝenie przedstawione zostały w Rozdziale 2 rozprawy. Rozszerzeniem proponowanym do zastosowania w projektowaniu są kryteria bazujące na doświadczeniach holenderskich i załoŝeniu filtra geometrycznie szczelnego przedstawione w Tablicy 6.1 (Pilarczyk, Breteler 2000). Dodatkowym wymogiem jest tu, aby grunt był wewnętrznie stateczny, a więc aby wskaźnik niejednorodności uziarnienia spełniał nierówność U < 10. Tabl. 6.1 Wymogi projektowe dla geosyntetyków pełniących funkcje filtacyjnoseparacyjne (Pilarczyk, Breteler 2000) Przewidywane warunki pracy Kryterium doboru filtra w konstrukcji ObciąŜenie ustalone O90 1_( do _ 2) D90 ObciąŜenie okresowo zmienne przy załoŝeniu utworzenia się przesklepienia filtracyjnego ObciąŜenie okresowo zmienne przy braku utworzenia się przesklepienia filtracyjnego: - jeŝeli skutki wymywania (osiadanie) są akceptowalne - jeŝeli skutki wymywania (osiadanie) nie są akceptowalne O 1_( do _ 2) D O 1,5D O D Oznaczenia: O 90 pokrywa się z przeciętną (średnią) średnicą ziaren piasku frakcji, której 90% cięŝaru pozostaje na lub w materiale geotekstylnym (lub 10% przechodzi przez materiał geotekstylny) po 5 minutach przesiewania. O 98 pokrywa się z przeciętną (średnią) średnicą ziaren piasku frakcji, której 98% cięŝaru pozostaje na lub w materiale geotekstylnym (lub 2% przechodzi przez materiał geotekstylny) po 5 minutach przesiewania. O 98 podaje praktyczne przybliŝenie maksymalnego otworu filtra, a zatem odgrywa waŝną rolę w kryterium szczelności materiału gruntowego w kontakcie z filtrem geotekstylnym w sytuacji obciąŝenia cyklicznego. O 98 określany jest takŝe jako O max. D 15, 85, 90 oznacza zastępczą średnicę ziaren gruntu, których wagowy udział wraz z mniejszymi stanowi odpowiednio 15%, 85% i 90% masy całej próbki. Przeprowadzone doświadczenia w ramach niniejszej pracy wykazały, Ŝe nawet uszkodzony materiał geotekstylny zdolny jest w dalszym ciągu do pełnienia funkcji filtracyjno-separacyjnych, przy czym warunkiem koniecznym jest wytworzenie się

21 Autoreferat strona 21 naturalnego przesklepienia filtracyjnego w strefie kontaktu gruntu z geosyntetykiem. Aby przesklepienie takie mogło się wytworzyć grunt stanowiący podłoŝe geosyntetyku musi charakteryzować się wewnętrzną stabilnością, a więc jego wskaźnik róŝnoziarnistości U < 10. Dla innych gruntów wewnętrzna stabilność moŝe być w przybliŝeniu oceniona przy pomocy następujących nierówności (Pilarczyk, 2003): Tabl. 6.2 PrzybliŜone określenie wewnętrznej stabilności dla gruntów o U>10. D 10 <4D 5 D 20 <4D 10 D 30 <4D 15 D 40 <4D 20 gdzie: D 5, 10, 15, 20, 30, 40 oznacza zastępczą średnicę ziaren gruntu, których wagowy udział wraz z mniejszymi stanowi odpowiednio 5%, 10%, 15%, 20%, 30% i 40 % masy całej próbki. W przypadku gruntów wewnętrznie niestabilnych powstanie przesklepienia filtracyjnego nie jest moŝliwe, a zatem nieciągłe materiały geosyntetyczne nie będą w stanie spełniać swoich funkcji, o ile występujące w strefie kontaktu gruntu i materiału geosyntetycznego prędkości filtracji zdolne będą do uniesienia i przemieszczenia drobnych frakcji ośrodka gruntowego. Dla gruntów wewnętrznie niestabilnych wzrasta równieŝ ryzyko dysfunkcji filtra geosyntetycznego w wyniku jego kolmatacji. Proces ten obserwowany jest w rzeczywistych konstrukcjach filtrów z zastosowaniem geosyntetyków, czego przykłady pokazane zostały w p.4.4 rozprawy. Za kryterium przydatności geowłóknin jako warstw filtracyjno-drenaŝowych w kontakcie z gruntami wewnętrznie niestabilnymi proponuje się przyjęcie kryterium współczynnika proporcjonalności spadku GR (Gradient Ratio), określonego przez Korpus InŜynierski Armii Stanów Zjednoczonych (Calhoun, 1972), Haliburtona i Wooda (1982) wraz z rozszerzeniem zaproponowanym przez Wojtasika (2006). Graniczną wartość gradientu GR powyŝej, której występuje kolmatacja, określono na poziomie GR=3. Proponuje się, za Wojtasikiem (2006), aby przy określaniu moŝliwości wystąpienia kolmatacji materiału w kontakcie z gruntami wewnętrznie niestabilnymi, korzystać z zaleŝności (6.1), opisującej stosunek gradientów gruntu (SGR 17 ) postaci: SGR17 = 0, 06 i + 0,13 F 1,14 (6.1) gdzie: i - gradient hydrauliczny [-], F - zawartość frakcji drobnych w gruncie (o średnicy d < 0,05 mm) w [%]. Graniczna wartość stosunku gradientów gruntu (SGR 17 ) wynosi 3. W przypadku, gdy stosunek gradientów (SGR 17 ), będący funkcją wzajemnych relacji gradientu hydraulicznego i oraz zawartości frakcji drobnych w gruncie F, opisany powyŝszą formułą osiągnie bądź przekroczy wartość równą 3 naleŝy się liczyć z wystąpieniem kolmatacji filtra geotekstylnego. Zwraca się uwagę, Ŝe opisana zaleŝność ma zastosowanie w przypadku filtrów wykonanych z geowłóknin igłowanych.

22 Autoreferat strona 22 Jak wspomniano wyŝej, przeprowadzone doświadczenia w ramach niniejszej pracy wykazały, Ŝe nawet uszkodzony materiał geotekstylny zdolny jest w dalszym ciągu do pełnienia funkcji filtracyjno-separacyjnych. Wzajemne przemieszczenie się ziaren gruntu pod wpływem filtrującej wody, będące wynikiem formowania się przesklepienia filtracyjnego, obserwowano w badaniach ze znacznie rozciętą geowłókniną. W mniejszym stopniu wzajemne przemieszczenie (w stopniu niedającym zasadniczych zmian w krzywych uziarnienia) ziaren gruntu zachodziło równieŝ w uszkodzeniach o mniejszych rozmiarach. Stwierdzono, Ŝe kres występowania stabilnego przesklepienia zapobiegającego wzmoŝonej sufozji (upłynnieniu ośrodka gruntowego) uzaleŝniony jest od materiału gruntowego, geosyntetycznego oraz przede wszystkim od prędkości wypływu strumienia filtracyjnego w miejscu uszkodzenia geosyntetyku. Największą stabilność na zjawiska sufozyjne wykazywała geowłóknina z rozcięciem podłuŝnym (w kształcie I); najmniejszą geowłóknina z uszkodzeniem w postaci wyciętego koła (w kształcie O). Jest to istotny wniosek, ze względu na to, Ŝe praktycznie wszystkie uszkodzenia materiałów geosyntetycznych, będące wynikiem wandalizmu mają charakter podłuŝnych rozcięć, a więc w przypadku tego typu uszkodzeń filtr moŝe w dalszym ciągu funkcjonować poprawnie o ile pewien krytyczny rozmiar uszkodzenia nie jest przekroczony. NaleŜy podkreślić, Ŝe w badaniach standardowych geowłóknin moŝemy określić dla danego wyrobu jego odporność na przebicie oraz wymiary uszkodzeń. W przypadku przekroczenia krytycznego rozmiaru uszkodzenia upłynnienie gruntu ma charakter gwałtowny. Dla uszkodzeń o mniejszych wymiarach do utraty stabilności w strefie kontaktowej grunt-filtr syntetyczny moŝe dojść w przypadku zwiększenia prędkości filtracji spowodowanej zwiększeniem róŝnicy wysokości piezometrycznych przed i za filtrem (np. w wyniku kolmatacji geowłókniny). średnia prędkość w miejscu uszkodzenia [m/s] 3,00E-02 2,50E-02 2,00E-02 1,50E-02 1,00E-02 5,00E-03 0,00E+00 geowłóknina "A", uszkodzenie "O" geowłóknina "A", uszkodzenie "I" geowłóknina "A", uszkodzenie "L" geowłóknina "B", uszkodzenie "O" geowłóknina "B", uszkodzenie "I" geowłóknina "B", uszkodzenie "L" geowłóknina "C", uszkodzenie "O" geowłóknina "C", uszkodzenie "I" geowłóknina "C", uszkodzenie "L" długość uszkodzenia typu "L" [cm], długość uszkodzenia typu "I" [cm] średnica uszkodzenia typu "O" [cm] Rys. 6.1 Zbiorczy wykres prędkości dopuszczalnych.

23 Autoreferat strona 23 Przeprowadzone doświadczenia i analizy pozwoliły na sporządzenie krzywych określających krytyczne rozmiary uszkodzeń geowłóknin w funkcji prędkości filtracji w miejscu uszkodzenia materiału. Obliczenie prędkości filtracji w miejscu uszkodzenia materiału, dla konkretnego zadania, umoŝliwia załączony program FlexPDE oraz skrypty obliczeniowe dla analizowanych w pracy kształtów uszkodzeń (O, I, L). Zgodnie z ogólnymi kryteriami projektowania filtrów i drenaŝy z wykorzystaniem geosyntetyków, od materiału geotekstylnego wymaga się, aby zapobiegał erozji i migracji drobnych cząstek gruntu oraz aby charakteryzował się wystarczającą wodoprzepuszczalnością w całym okresie eksploatacji. Wystarczająca wodoprzepuszczalność geosyntetyku oznacza, Ŝe naleŝy dąŝyć do zwiększenia wodoprzepuszczalności struktury filtracyjnej w kierunku prądu wody (zgodnie z regułami obowiązującymi przy doborze warstw filtru odwrotnego). W przypadku ochrony brzegu rzeki oznacza to, Ŝe przepuszczalność materiału geotekstylnego winna być większa od przepuszczalności gruntu, na którym materiał geotekstylny ma być zastosowany. Jako główne kryterium projektowania w przypadku przepływu normalnego do powierzchni rozdziału faz naleŝy przyjąć zasadę, Ŝe wodoprzepuszczalność geosyntetyku winna być większa, niŝ gruntu po stronie, z której następuje przypływ wody, zgodnie z formułą: kgeo = kgr nwp (6.2) gdzie: k geo współczynnik przepuszczalności (filtracji) materiału geotekstylnego, k gr współczynnik fitracji gruntu, n wp współczynnik wodoprzepuszczalności (n wp >1). W przypadku warunków ustalonych oraz czystych piasków wystarczającą wartością współczynnika n wp jest wartość 2, aby skompensować efekt blokowania. JeŜeli współczynnik n wp wynosi 10 lub więcej, nadciśnienie zazwyczaj nie występuje, ani poniŝej materiału geosyntetycznego, ani w przypadku zmniejszonej wodoprzepuszczalności spowodowanej kolmatacją materiału. Przepuszczalność materiału geotekstylnego moŝe być scharakteryzowana przez współczynnik przepuszczalności (permeability) k geo [m/s] lub przez przenikalność (permittivity) ψ [1/s]. Przenikalność moŝe być obliczana bezpośrednio na podstawie wyników badań i wyraŝa natęŝenie przepływu przez materiał geotekstylny na jednostkę powierzchni i na jednostkę wysokości hydraulicznej; jest ona takŝe definowana jako przepuszczalność na jednostkę grubości materiału: ψ = Q v f k A h = h = T geo geo (6.3) gdzie: ψ przenikalność [1/s], Q natęŝenie przepływu przez materiał geotekstylny [m 3 /s], v f prędkość filtracji [m/s], A powierzchnia materiału geotekstylnego [m 2 ], h róŝnica wysokości hydraulicznej w poprzek materiału geotekstylnego [m],

24 Autoreferat strona 24 k geo współczynnik przepuszczalności materiału geotekstylnego w kierunku normalnym do powierzchni [m/s] T geo grubość materiału geotekstylnego [m]. Za Holtz em (1997) proponuje się, aby do określenia kryterium wodoprzepuszczalności powiązać przenikalność ψ bezpośrednio z typem gruntu, definiowanym przez procentową zawartość frakcji mniejszych niŝ 0,075 mm. Wymagania przenikalności określone zostały w poniŝszej tablicy (tabl. 6.3). Tabl. 6.3 Kryteria wodoprzepuszczalności materiału geosyntetycznego Wymagana Rodzaj gruntu przenikalność ψ ψ ψ 1 0,5_[ s ] dla gruntu, gdzie < 15% przechodzi przez sito 0,075 mm 1 0,2 _[ s ] dla gruntu, gdzie od 15% do 50% przechodzi przez sito 0,075 mm 1 0,1_[ s ] dla gruntu, gdzie > 50% przechodzi przez sito 0,075 mm Jednocześnie obowiązuje równieŝ główne kryterium wodoprzepuszczalności dane równaniem (6.2). NaleŜy pamiętać, Ŝe warunek ten winien być spełniony w całym okresie przewidywanej eksploatacji materiału. Redukcja początkowego współczynnika przepuszczalności materiału geotekstylnego w wyniku jego kolmatacji, jak pokazały doświadczenia zebrane w p.4.4 rozprawy, moŝe w znacznym stopniu zmienić reŝim filtracyjny, istniejący w okresie bezpośrednio po wbudowaniu materiału. Dlatego teŝ w przypadku gruntów wewnętrznie niestabilnych, dla których przekroczony zostanie graniczny stosunek gradientów SGR 17, naleŝy liczyć się z postępującą w czasie redukcją wodoprzepuszczalności, której przebieg, jak wykazały analizy, moŝliwy jest do opisania modelem wykładniczym. NaleŜy mieć na uwadze, Ŝe dobór odpowiedniego geosyntetycznego materiału filtracyjnego nie jest zadaniem prostym. Przedstawione powyŝej kryteria mają to zadanie ułatwić i w wielu przypadkach są wystarczające, natomiast w szczególnie odpowiedzialnych konstrukcjach dobór odpowiedniego materiału powinien być przeprowadzony na drodze doświadczeń laboratoryjnych lub terenowych z zastosowaniem gruntów miejscowych w spodziewanych warunkach hydraulicznych. PODSUMOWANIE Przedstawione w Rozdziale 6 kryteria umoŝliwiają dobór odpowiednich materiałów geotekstylnych w zastosowaniach filtracyjno-drenaŝowych. Jak wykazały doświadczenia do optymalnej współpracy gruntu z filtrem geosyntetycznym konieczne jest ukształtowanie się przesklepienia filtracyjnego na powierzchni rozdziału faz.