18 POD PARAGRAFEM OKIEM EKSPERTA GEOSYNTETYKI PODSTAWOWE ZASADY I KRYTERIA DOBORU Kolejna część z cyklu publikacji poświęconych geosyntetykom przedstawia elementarne zasady ich doboru i stosowania PIOTR JERMOŁOWICZ Geosyntetyki to jedyne materiały konstrukcyjne wiotkie i cienkie można je rozpatrywać jako dwuwymiarowe. Tłumaczy to w znacznej mierze ich dynamiczny rozwój. Ponadto właściwości samych włókien polimerowych oraz funkcje jakie spełniają geosyntetyki sprawiają, że otworzyły się przed nimi szerokie możliwości zastosowania przy budowie dróg, podtorzy, pasów startowych, placów składowych; ochronie skarp, zbrojeniu korpusów zapór ziemnych oraz jako materiału filtracyjnego, drenarskiego i izolacyjnego. Schematy głównych zakresów zastosowań geosyntetyków przedstawiono na rys. 1. Duża liczba podejmowanych badań laboratoryjnych i terenowych prowadzi z jednej strony do weryfikacji niektórych pojęć, metod wymiarowania przy projektowaniu i sposobów wbudowywania geosyntetyków; z drugiej zaś do stwierdzenia, że wzmacnianie gruntu przez dodanie geosyntetyków jest zagadnieniem interdyscyplinarnym i bardzo złożonym, ze względu na brak dostatecznie ścisłych kryteriów technicznych, dotyczących pracy geosyntetyków w złożonych ośrodkach gruntowych. Obecnie w praktyce inżynierskiej jednym z głównych kierunków zastosowań geosyntetyków jest zbrojenie gruntu i separacja z warunkami filtracji przy projektowaniu posadowień obiektów na gruntach słabonośnych. Samo określenie słaby grunt lub podłoże jest pojęciem względnym. Słabe podłoże definiowane jest jako warstwy gruntu niespełniające wymagań wynikających z warunków nośności lub stateczności, albo warunków przydatności do użytkowania, w odniesieniu oczywiście do rozpatrywanego obiektu lub elementu konstrukcji. Nie istnieje tym samym jedno kryterium określające podłoże jako wymagające wzmocnienia. Konieczność wzmocnienia podłoża zależy przede wszystkim od cech podłoża, rodzaju budowli oraz stawianych wymagań. Podstawą do wyboru metody wzmacniania podłoży gruntowych jest ich szczegółowe rozpoznanie. Powinno ono uwzględniać w szczególności lokalne warunki i specyficzne potrzeby na rzecz wyselekcjonowania metody wzmocnienia. Dokładne określenie parametrów fizyko-mechanicznych gruntów podłoża, szczególnie na próbkach NNS, wykonanych z pełną świadomością celu, okazuje się być nieodzowne przy obliczaniu nośności i osiadania. W każdym przypadku należy zwrócić uwagę na: budowę geologiczną i właściwości geotechniczne podłoża, a szczególnie miąższość i rodzaj warstw słabych oraz poziom stropu podłoża nośnego; niejednorodności budowy podłoża i występowanie lokalnych gniazd lub soczewek słabych gruntów; rodzaj i uziarnienie gruntów, parametry geotechniczne, szczególnie słabych warstw wymagających wzmocnienia lub ulepszenia; prognozowane zmiany właściwości gruntów w wyniku ich wzmocnienia; warunki hydrologiczne: poziomy wód gruntowych, nawierconych i ustabilizowanych, kierunek ich przepływu, prognoza zmian stanów wód; właściwości chemiczne, zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych oraz ich agresywność; przeszkody w podłożu mogące utrudnić roboty.
OKIEM EKSPERTA 19 RYS. 1. SCHEMATY ZASTOSOWAŃ GEOSYNTETYKÓW Badania powinny wyjaśnić, czy wzmocnienie rzeczywiście jest potrzebne. Ogólnym celem wzmacniania podłoża jest dostosowanie go do wymagań, jakie stawiane są posadawianej konstrukcji. Wymagania dotyczące podłoża obiektów budowlanych zawierają odpowiednie normy i rozporządzenia. Te, które określają całokształt projektowania geotechnicznego robót i badań podłoża podaje norma europejska EN 1997-1:2004 Eurokod 7. Wymagane jest sprawdzenie dwóch grup stanów granicznych podłoża budowli: I SG nośności podłoża i stateczności skarp, II SG użytkowania.
20 OKIEM EKSPERTA Obecnie na rynku wykonawczym istnieje szereg metod i technologii wzmacniania podłoży gruntowych i nasypów, m.in.: osuszanie gruntu, wzmacnianie powierzchniowe, wymiana gruntu, konsolidacja podłoży, metody wibracyjne, metody dynamiczne, zbrojenie wgłębne. Wybór technologii zależy przeważnie od szeregu czynników technicznych, ekonomicznych, a także czasu trwania inwestycji (rys. 2). Należy zauważyć, że uzdatnienie podłoża niejednokrotnie występuje razem ze wzmocnieniem powierzchniowym. Nasypy ze zbrojeniem w podstawie są szczególnym przypadkiem nasypów zbrojonych (rys. 3). WYBÓR MATERIAŁÓW GEOSYNTETYCZNYCH Wyboru rodzaju i gatunku materiału należy dokonywać w zależności od jego przeznaczenia (rodzaju zastosowania) oraz od wymaganych właściwości mechanicznych, odporności na uszkodzenia podczas wbudowania, tarcia po gruncie, odporności na czynniki klimatyczne (atmosferyczne), chemiczne, parametrów hydraulicznych itp.; unikając bardzo często pojawiającego się kryterium masy powierzchniowej (gramatury). Wyboru materiałów do typowych zastosowań w budowlach drogowych z funkcją rozdzielania i filtrowania dokonuje się na podstawie klas wytrzymałości i ewentualnie dodatkowych współczynników bezpieczeństwa. W specjalnych przypadkach konieczne jest wymiarowanie materiału na podstawie szczegółowych obliczeń. W zależności od zastosowania, materiały geosyntetyczne muszą spełniać odpowiednie kryteria dotyczące właściwości hydraulicznych i mechanicznych. Kryterium dotyczące właściwości hydraulicznych gwarantuje, że geosyntetyki będą pełnić funkcje drenażowe lub filtracyjne w trakcie projektowanego okresu eksploatacji. Są to kryteria: zatrzymywania cząstek gruntu, wodoprzepuszczalności, odporności na kolmatację. Natomiast kryterium dotyczące właściwości mechanicznych gwarantuje zachowanie struktury geosyntetyków, zarówno podczas instalacji, jak i w całym projektowanym okresie eksploatacji. Kryterium to obejmuje wytrzymałość mechaniczną, z uwagi na rozciąganie i przebicie. Podstawą do wyboru odpowiedniego geosyntetyku powinna być jego funkcjonalność (rys. 4.). Z kolei znajomość charakterystyki (siła zrywająca wydłużenie) dla poszczególnych wyrobów geosyntetycznych wykonanych z różnych włókien i przędz polimerowych pozwala na wybór optymalnego rozwiązania (rys. 5.), a obliczenie potrzebnej wytrzymałości pasma geosyntetyku należy przeprowadzić zgodnie z przyjętymi mechanizmami zniszczenia (rys. 6.). W myśl normy, np. BS 8006, w rozpatrywanych przypadkach należy ograniczyć wydłużenie jednostkowe zbrojenia do wielkości nie większych niż 5%. Skorzystanie z jakichkolwiek nomogramów i kryteriów doboru powinno być poprzedzone obliczeniem występujących sił i naprężeń w projektowanej konstrukcji nasypu. Sprawdzenie warunku zgodnie z rys. 6 a i b wymaga, w dużym uproszczeniu, obliczenia wielkości parcia bocznego występującego w nasypie, spowodowanego parciem czynnym gruntu. Dla przykładu, bez ciśnienia porowego w nasypie wartość parcia bocznego nasypu, które powinno być zrównoważone przez zbrojenie geosyntetykiem wynosi: RYS. 3. PRZYKŁAD UZDATNIENIA PODŁOŻA I ZBROJENIA NASYPU DROGOWEGO
OKIEM EKSPERTA 21 RYS. 2. PORÓWNANIE EFEKTYWNOŚCI TECHNOLOGII WZMACNIANIA PODŁOŻY RYS. 4. FUNKCJONALNOŚĆ GEOSYNTETYKÓW RYS. 5. DZIEDZINA FUNKCJI OBCIĄŻENIE WYDŁUŻENIE DLA GEOTKANIN Pa = 0,5 K a γ H 2 [kpa] K a współczynnik parcia czynnego, γ ciężar objętościowy materiału zasypowego, H wysokość nasypu. W zakresie wytrzymałości na rozciąganie do 250 kn/m mamy do dyspozycji praktycznie wszystkie geotkaniny i geosiatki wykonane na bazie PP, PA, PES i AR. Geowłókniny ze względu na bardzo duże wydłużenia nie nadają się do żadnych systemów wzmocnienia. Pozostaje do rozpatrzenia jeszcze jedna kwestia stosować geotkaniny czy geosiatki? Wśród projektantów zdania są podzielone. Zasadniczy wpływ na to wydaje się mieć pierwszy kontakt z dystrybutorem, odpowiednio sporządzony prospekt pokazujący w sposób czytelny rozwiązanie techniczne problemu, uczestnictwo w sympozjach lub seminariach organizowanych przez producentów lub dystrybutorów oraz dostępność materiału i jego asortyment na rynku. Zalet geosiatek nie sposób przecenić przy wzmacnianiu podtorzy tramwajowych i kolejowych, gdy kolejnymi warstwami gruntu jest kruszywo grube (tłuczeń, kliniec). Natomiast we wszystkich innych zastosowaniach przewagę posiadają geotkaniny. W odróżnieniu od siatek, które samodzielnie nie pełnią funkcji separacyjno-filtracyjnej, geotkaniny spełniają wszystkie funkcje. Poza tym geotkaniny charakteryzują się znacznie wyższymi parametrami wytrzymałościowymi i niższą ceną. DOBÓR GEOSYNTETYKÓW PRZEZNACZONYCH NA WARSTWY FILTRACYJNE I SEPARACYJNE Często w technicznie uzasadnionych przypadkach w odwodnieniach podłoży konstrukcji drogowych należy stosować warstwy odsączające, wykonywane z materiałów mrozoodpornych o współczynniku filtracji k 8 m/dobę. Taka warstwa odsączająca wykonywana jest na całej szerokości korpusu drogowego i o grubości min. 15 cm. W przypadku występowania pod warstwą odsączającą gruntów nieulepszonych spoiwem, powinien być spełniony warunek szczelności warstw określony z zależności:
22 OKIEM EKSPERTA RYS. 8. SCHEMAT WARSTWY ODCINAJĄCEJ Z PIASKU Warstwa z kruszywa RYS. 6. ZASADY SPRAWDZANIA STANÓW GRANICZNYCH NOŚNOŚCI NASYPU ZE ZBROJENIEM W PODSTAWIE A) PŁASKI POŚLIZG PONAD ZBROJENIEM, BEZ PRZECIĘCIA ZBROJENIA; B) PŁASKI POŚLIZG PONIŻEJ ZBROJENIA, Z PRZECIĘCIEM ZBROJENIA D 15 Tu sprawdzamy warunek szczelności d 85 Warstwa odcinająca z piasku Tu sprawdzamy warunek szczelności D 15 d 85 Podłoże gruntowe w której: D 15 wymiar sita, przez które przechodzi 15% ziaren warstwy odcinającej lub odsączającej, d 85 wymiar sita, przez które przechodzi 85% ziaren gruntu podłoża. Jeżeli powyższy warunek szczelności warstw nie może być spełniony, to należy ułożyć między tymi warstwami warstwę odcinającą o grubości co najmniej 10 cm z odpowiednio uziarnionego gruntu lub wykonać warstwę pośrednią z geowłókniny lub geotkaniny, spełniającej kryteria: TAB. 1. WŁAŚCIWOŚCI HYDRAULICZNE TYPOWYCH WYROBÓW GEOSYNTETYCZNYCH STOSOWANYCH NA WARSTWY FILTRUJĄCE Rodzaj geosyntetyku Charakterystyczny Przepuszczalność wymiar porów O 90 [mm] pod obciążeniem 20 kpa [10-3 m/s] Geowłókniny łączone tylko mechanicznie 0,06 0,18 0,6 1,5 łączone mechanicznie i chemicznie lub termozgrzewane 0,06 0,10 0,4 1,0 łączone tylko termicznie lub chemicznie 0,05 0,15 0,2-0,6 Geotkaniny z mono lub multifilamentów 0,15 0,40 0,30 1,50 0,4 1,0 1,0 3,0 z tasiemek 0,10 0,30 0,4 1,0 0,1 0,3 1,0 2,0 z kombinacji tasiemek 0,15 0,40 0,30 1,00 i mono/multifilamentów 0,4 1,0 1,0 2,0 tkaniny o dużych oczkach (>1mm) mają znacznie większą przepuszczalność (do ponad 10-2 m/s)
OKIEM EKSPERTA 23 retencji, kolmatacji, wodoprzepuszczalności. Właściwości hydrauliczne typowych geosyntetyków podano w tab. 1. Przepuszczalność geosyntetyków silnie zależy od ich struktury i sposobu łączenia włókien oraz od działającego obciążenia ściskającego. W odwodnieniach geosyntetyki są używane najczęściej jako filtr pomiędzy gruntem rodzimym a projektowaną warstwą filtracyjną (mineralną) o odpowiednim uziarnieniu. Do takich zastosowań należą: drenaż poziomy (zw. objętościowym lub francuskim), drenaż płaski lub powierzchniowy, drenaż żebrowy z geokompozytów. 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. Ponadto wyróżnia się grunty trudne do spełnienia wymagań filtrowania: drobnoziarniste wskaźnik plastyczności Ip < 0,15 i/lub stosunek zawartości frakcji iłowej do pyłowej < 0,5; grunty grubo- i różnoziarniste, zawierające frakcje pyłową (d 40 < 0,06 mm): wskaźnik jednorodności uziarnienia CU = U= d 60 /d 10 < 15 i/lub zawartość frakcji od 0,02 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 ; RYS. 7. PORÓWNANIE GEOTKANIN I GEOSIATEK W FUNKCJI WY- TRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE WYDŁUŻENIE kolmatacji dla wybranego wyrobu O 90 wybr > (0,2 O 90 gtx ) wynikającego z kryteriów zatrzymywania cząstek; działania hydraulicznego materiał geosyntetyczny drenu powinien charakteryzować się wodoprzepuszczalnością min. dziesięciokrotnie większą niż otaczający grunt podłoża. W zależnościach tych oznaczono: O 90 gtx potrzebna charakterystyczna wielkość porów geosyntetyków, d 10, d 50, d 90 średnice zastępcze, które wraz z mniejszymi ziarnami stanowią odpowiednio 10, 50 i 90% masy gruntu. W trudnych warunkach gruntowo- -wodnych zaleca się wykonanie badań filtracji z gruntem zalegającym w podłożu. Istotne jest, by stosunki wymiarów porów były jak najbliższe podanym wartościom granicznym, aby zapewnić jak największą przepuszczalność geosyntetyków, zachowując zarazem ich zdolność do zatrzymywania cząstek gruntu. ZAKOŃCZENIE Przedstawione materiały, technologie i sposoby analiz z wytycznymi doboru pokazują szerokie możliwości zastosowania geosyntetyków w budownictwie hydrotechnicznym, m.in. przy zabezpieczaniu i regulacji rzek, potoków; przy budowie i zabezpieczaniu wałów przeciwpowodziowych, grobli, zapór, tam, nabrzeży, brzegów bystrotoków, wybrzeży morskich, wysokich skarp nasypów; przy umacnianiu koryt rzecznych i skarp budowli; przy budowie dróg dojazdowych i tymczasowych biegnących po koronie wału lub posadawianych na gruntach organicznych. Pomimo swojej różnorodności materiały geosyntetyczne oraz opisane technologie charakteryzują się kilkoma wspólnymi cechami, do których zaliczyć można: łatwość i szybkość wykonania, trwałość i bezawaryjność eksploatacji konstrukcji hydrotechnicznych, brak konieczności tworzenia wielkich placów budów.