Obliczanie wytrzymałości geosyntetyków na uderzenia.

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz - Inżynieria Środowiska Szczecin Obliczanie wytrzymałości geosyntetyków na uderzenia. Tak jak w przypadku wymagań dotyczących wytrzymałości na przebicie, odporność geosyntetyków na uderzenia jest zarówno kryterium ich przetrwania, jak i ich rolą pełnioną w ramach funkcji separacji. Jednak w wielu przypadkach projektowych związanych z separacją geosyntetyki muszą przetrwać uderzenia różnymi ostrokrawędzistymi przedmiotami. Najbardziej oczywista sytuacja to kamień spadający na warstwę geosyntetyków, ale zdarza się również, że uszkodzenia powodują zarówno sprzęt budowlany czy też kruszywo łamane lub inne materiały budowlane lub się do nich przyczyniają. Problem dotyczy energii, której nabiera swobodnie spadający przedmiot o znanej masie i wysokości upadku. Rzadko zdarza się, aby jakikolwiek przedmiot został ciśnięty w warstwę geosyntetyków celowo, z dodatkową siłą, dlatego uwzględnia się w analizach tylko energię potencjalną. Aby opracować procedurę projektowania, przyjmuje się swobodnie spadające kamienie i kruszywo łamane o ciężarze właściwym 2,60 g/cm3 i o średnicach od 25 do 600 mm. Analizowane wysokości spadania zawierają się w granicach od 0,5 do 5 m. Wykorzystując te dane, wyprowadzone zostały krzywe. Rys.1. Wykresy do wyznaczania zmobilizowanej energii od swobodnie spadającego kamienia w geosyntetyku ułożonym na stabilnym podłożu. [1]

2 W tym celu wykorzystywane są następujące wzory: - przy znanej masie obiektu E = m g h [J] - przy znanej średnicy obiektu E = 13,35x10-6 da3 h [J] gdzie : E mg h da - powstała energia [J], masa spadającego obiektu [kg], przyspieszenie ziemskie [m/s2], wysokość upadku [m], średnica przedmiotu [mm]. Należy zauważyć, że wartość energii jest obliczana dla geosyntetyków spoczywających na stabilnym podłożu, co jest najgorszą z możliwych sytuacji. Grunt znajdujący się pod warstwą geosyntetyków ulega odkształceniu, warstwa geosyntetyku pochłania więc znaczną energię uderzenia. Ze względu na takie zachowanie się ośrodków, używa się współczynników modyfikacyjnych (rys. 2) w powiązaniu z krzywymi z rys.1. Rys. 2. Wykres do wyznaczania współczynnika modyfikacji w zależności od CBR podłoża lub jego wytrzymałości na ścinanie bez odpływu. Po obliczeniu energii, należy ją porównać z dopuszczalną wytrzymałością na uderzenia geotekstyliów (np. z metody Elmendorfa lub badania przy pomocy opadającego stożka.

3 Przyjętym przez większość normalizacji jest test udarności, w którym badana próbka jest najpierw przebijana, a później rozdzierana opadającym stożkiem. Badanie to zostało opracowane przez Alfheima i Sorlie i opisane normą ISO Na stożku przebijającym znajdują się oznaczenia. Stopień zagłębienia się stożka w materiał pozwala na określenie szeregu właściwości materiału, a także przede wszystkim jego przydatności do zainstalowania w trudnych warunkach (instalacyjnych i eksploatacyjnych). Jest to ważna metoda testowania, do której nawiązuje większość europejskich specyfikacji i dokumentacja producentów. Przykład obliczeniowy. [1] Jaką energię uzyska kamień o średnicy 300 mm spadający swobodnie z wysokości 1,5 m na warstwę geosyntetyków? Geosyntetyk ułożono na słabonośnym podłożu o wytrzymałości mierzonej wskaźnikiem CBR wynoszącej 4,0. Przyjmując, że dopuszczalna wytrzymałość geosyntetyków na uderzenia wynosi 36 J, to ile wynosi współczynnik bezpieczeństwa? Energia uderzenia wynosi : E = 13,35x10-6 (300)3 1,5 = 540 J Należy zauważyć, że ta wartość jest potwierdzona również poprzez wykres (rys.1).. Obliczoną wartość zmniejszamy teraz zgodnie z warunkami podłoża odczytując współczynnik modyfikacji dla CBR = 4 (rys. 2) : E= Fs = 36 41,5 = 41,5 J Współczynnik bezpieczeństwa : = 0,87 Warunek nie spełniony!!! Jak widać, jeżeli bezpośrednio na odsłoniętą warstwę geosyntetyku spadnie przedmiot tych rozmiarów, to na pewno powstaną dziury. W analizie nie uwzględniono wpływu powierzchni styku spadającego przedmiotu i geosyntetyku. W przypadku zaokrąglonych kamieni uszkodzenia będą o wiele mniej poważne niż w przypadku kamieni o ostrych krawędziach, które z łatwością mogą przeciąć warstwę geosyntetyku.

4 Należy podkreślić, że metody projektowania oparte o teorię uderzeń i przebić odnoszą się nie tylko do drogownictwa, ale również do ogólnej trwałości geosyntetyków stosowanych w budownictwie. Zagadnienia te należy uwzględniać zawsze w trakcie projektowania, ponieważ w wielu sytuacjach stanowią one sprawę najwyższej wagi. Bagatelizowanie tych spraw lub brak świadomości i wiedzy na ten temat prowadzi do różnych uszkodzeń i możliwości wystąpienia awarii lub wręcz katastrofy w trakcie eksploatacji obiektów. Poniżej kilka zdjęć obrazujących próby doświadczalne w tym zakresie. Poprzez brak elementarnej wiedzy dopuszcza się do prób, które powinny być odrzucone z zasady. Narzut kamienny, o wymiarach boku kamieni cm, był zrzucany na geosyntetyki ułożone na skarpie z wysokości ok. 6,0 m.

5 Próby z geotkaniną. Efekt : zmiażdżone włókna geotkaniny i przedziurawiona powierzchnia

6 Próby z geowłókniną Efekt : Zmiażdżone włókna geowłókniny i przedziurawiona powierzchnia.

7 Wynikiem próby było uszkodzenie obu materiałów niezależnie od parametrów wytrzymałościowych. Zgodnie z zasadami wykonawstwa tego typu robót, należy pamiętać, że w SST jak i w projekcie nie może być mowy o bezpośrednim kontakcie tego typu narzutu kamiennego z jakimkolwiek geosyntetykiem, a co dopiero zrzucania jego i to z takiej wysokości. Geosyntetyk powinien posiadać wcześniej zaprojektowaną warstwę pośrednią z kruszywa drobego, podścielającego narzut. Rys. 3. Typowy schemat ułożenia kolejnych warstw projektowanego umocnienia cieku Narzut natomiast powinien być układany z dużą precyzją i wręcz z delikatnością w asyście nurka o ile tego wymaga sytuacja, zaczynając od dna kanału do góry po skarpie w ten sposób, aby kamienie miały jak najmniejszą energię uderzenia i nie staczały się po skarpie. O tym trzeba wiedzieć i pamiętać. Literatura: 1. Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen. EAU Ernst and Sohn 2. Koerner R.M. : Designing with geosythetics. Prentice Hall Lotrak. Poradnik projektanta Van Zanten R.V.: Geotextiles and geomembranes in civil engineering. Balkema Wesolowski A. [i in.] : Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich. Wyd. SGGW, Wwa 2000