Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 1 KRYTERIA DOBORU GEOSYNTETYKÓW JAKO WARSTW SEPARACYJNYCH I FILTRACYJNYCH Dr inż. Adam F. Bolt, Mgr inż. Angelika Duszyńska - Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Środowiska, Katedra Geotechniki W ostatnich latach obserwuje się coraz większe zainteresowanie materiałami syntetycznymi wykorzystywanymi w różnych gałęziach budownictwa. Stosowanie geosyntetyków obniża koszty inwestycji (w stosunku do tradycyjnych materiałów) poprzez niższe koszty transportu, mniejsze zużycie materiałów, łatwiejszy montaż, a także wydłuża okres użytkowania obiektów. W związku ze wzrostem popytu, na rynku pojawia się dużo nowych materiałów. Istnieje więc konieczność opracowania jednolitych metod klasyfikacji parametrów geosyntetyków oraz norm pozwalających na bezpieczne projektowanie konstrukcji wykorzystujących geosyntetyki. PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA GEOSYNTETYKÓW JAKO WARSTW SEPARACYJNYCH I FILTRACYJNYCH Separatory z geotekstyliów stosuje się jako warstwy rozgraniczające między różnymi warstwami gruntu. Oprócz ochrony przed wymieszaniem się dwóch różnych warstw gruntu separator musi umożliwiać przepływ wody. Jeżeli separujemy materiał ziarnisty od gruntu spoistego w stanie plastycznym to woda uwalniana z porów gruntu spoistego musi mieć możliwość odpływu poprzez geotekstylia. Warstwy separacyjne z geotekstyliów stosowane są szeroko w budownictwie ogólnym. Najpowszechniejsze z nich to drogi dojazdowe (tymczasowe), nawierzchnie trwałe i nasypy ziemne. Zasady stosowania separatorów z geotekstyliów są jednakowe dla trwałych nawierzchni podatnych, nawierzchni sztywnych, i nawierzchni brukowych. W nasypach separatory z geotekstyliów są stosowane jako: pojedyncza warstwa geotekstyliów na podłożu w stanie plastycznym, podwójna warstwa otaczająca warstwę ziarnistą w podstawie nasypu. Filtry z geotekstyliów stosowane są w celu ochrony przed przedostawaniem się cząstek gruntu do drenażu kamiennego. Zapobiega to erozji gruntu w sąsiedztwie drenażu oraz pozwala na sprawne i długotrwałe działanie drenażu. Filtr geotekstylny zabezpiecza kruszywo drenażowe lub inne elementy porowate przed ingresją cząstek gruntu. Schemat filtra geotekstylnego przedstawiono na rysunku 1. Kierunek przepływu wody gruntowej grunt kruszywo drenażowe filtr geotekstylny Rys.1 Rola filtra geotekstylnego. [13]
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 2 Geotekstylia, stosowane jako warstwy filtracyjne, muszą spełniać następujące warunki: odprowadzać ilość wody odpowiednią do przepływu przez filtr i zapewnić odwodnienie przez cały okres funkcjonowania budowli, utrzymywać większość cząstek gruntu na miejscu i zapobiegać ich migracji przez filtr, łatwość i pewność instalacji oraz odporność na mechaniczne i chemiczne oddziaływania, którym poddawane są geotekstylia w całym okresie eksploatacji filtrów. Najczęstsze przykłady zastosowania geosyntetyków jako filtrów drenażowych przedstawione na rysunku 2 to: drenaż korytkowy, stosowany do kontroli poziomu wody gruntowej oraz do jej transportowania na znaczne odległości, warstwowy drenaż poziomy, stosowany do usuwania wody gruntowej z obszarów robót ziemnych, spod nasypów, nawierzchni i boisk sportowych, warstwowy drenaż nachylony, stosowany do usuwania wody gruntowej z istniejących lub wykonywanych zboczy, drenaż pionowy, stosowany do usuwania wody gruntowej w sąsiedztwie konstrukcji betonowych typu: ściany oporowe, przyczółki, ściany budynków. Rys.2 Przykłady zastosowań filtrów geotekstylnych jako drenaży podpowierzchniowych. [13] Zalety wynikające ze stosowania geotekstyliów jako filtrów drenażowych, to przede wszystkim wysoka jakość oraz zmniejszenie kosztów, w stosunku do tradycyjnych drenaży: użycie do drenów mniejszej ilości lub gorszej jakości kruszywa, możliwość użycia mniejszych drenów, zmniejszenie ryzyka zanieczyszczenia i niewłaściwej segregacji kruszywa do drenów w trakcie budowy, zmniejszenie objętości wykopów, mniejsze straty materiałowe.
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 3 KRYTERIA DOBORU PARAMETRÓW MATERIAŁÓW FILTRACYJNYCH I SEPARACYJNYCH W zależności od zastosowania, materiały geotekstylne muszą spełniać odpowiednie kryteria dotyczące właściwości hydraulicznych i mechanicznych. Kryterium dotyczące właściwości hydraulicznych gwarantuje, że geotekstylia są zdolne do pełnienia funkcji drenażowych lub filtracyjnych, w trakcie projektowanego okresu eksploatacji. Można tu wyróżnić kryteria: zatrzymywania cząstek gruntu, przepuszczalności i odporności na kolmatację. Kryterium dotyczące właściwości mechanicznych gwarantuje, że trwałość struktury geotekstyliów jest zachowana zarówno podczas instalacji jak i w całym projektowanym okresie eksploatacji. Kryterium to obejmuje wytrzymałość mechaniczną z uwagi na: rozciąganie i przebicie. Kryterium zatrzymywania cząstek gruntu. Zasada nieprzenikania cząstek gruntu polega na zatrzymywaniu dostatecznej ilości cząstek gruntu, a więc na stworzeniu stałego progu zapobiegającego migracji cząstek. Jednocześnie nie można dopuścić do obniżenia projektowanej sprawności filtra. W 1985 roku Christopher i Holtz [10] przedstawili koncepcję pracy filtra, według której pewna ilość cząstek gruntu możne przenikać przez geotekstylia. W tabeli 1 przedstawiono różne kryteria przyjmowane dla geotekstyliów w przypadku przepływu laminarnego. Tab.1 Kryteria zatrzymywania cząstek gruntu dla geotekstyliów. [11] Źródło Kryterium Uwagi Calhoun (1972) O95/D95<1 O95<0,2 mm tkaniny <50% ziaren przechodzi przez sito 200; tkaniny, grunty spoiste Zitscher (1975) (Rankilor, 1981) O50/D50<1,7-2,7 O50/D50<25-37 tkaniny U<2, D50=0,1 0,2 mm włókniny, grunty spoiste Ogink (1975) O90/D90<1 O90/D90<1,8 tkaniny włókniny Sweetland (1977) O15/D85<1 O15/D15<1 włókniny U=1,5 włókniny U=4 ICI Fibers (1978) (Rankilor, 1981) O50/D85<1 O15/D15>1 włókniny 0,02<D85<0,25 mm włókniny D85>0,25 mm Schober i Teindl (1979) bez współ. O90/D50<2,5-4,5 O90/D50<4,5-7,5 tkaniny, cienkie włókniny, zależne od U grube włókniny, zależnie od U; pył i piasek bezpieczeństwa Millar Ho i Turnbull O50/D85<1 tkaniny i włókniny (1980) Giroud (1982) O95/D50<(9-18)U zależnie od U i zagęszczenia Carroll (1983) O95/D85<2-3 tkaniny i włókniny Christopher i Holtz O95/D85<1-2 (1985) O95/D15<1 lub Francuski Komitet Geowłóknin i Geomembran (1986) Fischer, Christopher i Holtz (1990) O50/D85<0,5 O50/D85<0,38-1,25 O50/D85<0,8 O50/D15<1,8-7,0 O50/D50<0,8-2,0 O 95, D 95 - średnice miarodajne odpowiednio dla geofiltra i gruntu U - wskaźnik różnoziarnistości UWAGA: Bibliografia w [11] zależnie od rodzaju gruntu i U przepływ dynamiczny, pulsacyjny i cykliczny zależnie od rodzaju gruntu,zagęszczenia i warunkówów hydraulicznych oparte na podziale wielkości porów w geotekstyliach, zależne od U
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 4 Podstawową wadą wszystkich proponowanych kryteriów jest to, że odnoszą się do charakterystycznej wielkości porów, a nie do całkowitej ich struktury (np. procent całkowitej liczby porów reprezentowany przez tą wielkość). Mimo, że jest to akceptowane dla zatrzymywania cząstek, kryteria te należy traktować ostrożnie przy braku empirycznego kryterium odporności na kolmatację. Dlatego przyjmowanie przez projektantów kryterium zatrzymywania cząstek razem z kryterium przepuszczalności jako wystarczających wymagań projektowych jest niepoprawne. Użytkownik powinien przed przyjęciem danego sposobu określania zatrzymywania, sprawdzić założenia i podstawy mechanizmu zatrzymywania oraz zgodność ze specyfiką warunków projektowych. Innym aktualnym problemem jest określenie charakterystycznych wielkości porów. Dotychczasowe metody dają głównie wskazówki związane z zatrzymywaniem cząstek uwzględniając tylko rozmiary, a nie strukturę porów. Ponadto pojedyncze duże otwory lub cienkie rozcięcia w geotekstyliach mogą wpływać na pomiary charakterystycznej wielkości porów. Kryterium przepuszczalności. Zestawienie najszerzej stosowanych kryteriów przepuszczalności zawarto w tabeli 2. Przyjmuje się w nich, że geotekstylia muszą mieć odpowiednią przepuszczalność w celu zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia wody w porach i do utrzymania odpowiedniego wydatku przepływu. W niektórych metodach projektowania przyjmuje się, że geotekstylia powinny mieć przepuszczalność dziesięciokrotnie większą od przepuszczalności gruntu, ze względu na stosunkowo małą ich grubość, w porównaniu z filtrowanym gruntem. Podejście takie nie uwzględnia przechodzenia cząstek gruntu przez geotekstylia, które zmniejsza się na skutek ściśnięcia geotekstyliów i wciśnięcie w nie cząstek gruntu jeszcze przed kolmatacją, dlatego dla geotekstyliów wymagana jest większa przepuszczalność niż dla gruntu. Inni zalecają, aby przepuszczalność geotekstyliów była zwiększona przez współczynnik zwiększający, traktowany jako współczynnik bezpieczeństwa dla warunków ekstremalnych (gdy awaria może być spowodowana znacznym uszkodzeniem bądź zniszczeniem, lub gdyby koszty naprawy były większe od kosztów wykonania) oraz dla trudnych warunków gruntowych i hydraulicznych (grunty skłonne do erozji wewnętrznej i wykazujące wysokie gradienty hydrauliczne). Zastosowanie tego współczynnika poparte jest doświadczeniem, które wykazuje, że w geofiltrach używanych w trudnych warunkach gruntowych i hydraulicznych, zatory mogą spowodować zmniejszenie przepuszczalności geotekstyliów(w przybliżeniu o rząd wielkości). Dlatego zwiększona początkowo przepuszczalność ma na celu zapewnienie geotekstyliom odpowiedniej przepuszczalności przez cały czas eksploatacji. Ta wartość jest zwykle zgodna z wymaganą przepuszczalnością filtra gruntowego, większą 10 25 razy, w porównaniu z przepuszczalnością podłoża gruntowego. Tab. 2 Kryteria przepuszczalności dla geotekstyliów. [11] Źródło Kryterium Uwagi k f >k S Calhoun (1972), Schober i Treindl (1979), Wates (1980), Carrol (1983), Haliburton (1982), Christopher i Holtz (1985 przepływ laminarny, dla niekrytycznych zastosowań i nieskomplikowanych warunków gruntowych Carroll (1983), Christopher i Holtz (1985 k f >10k S krytyczne zastosowania i skomplikowane warunki gruntowe Giroud (1982) k f >0,1k S brak współczynników bezpieczeństwa UWAGA: Bibliografia w [11] Kryterium odporności na kolmatację. Kolmatacja ma miejsce, gdy drobne cząstki gruntu penetrują w głąb geotekstyliów powodując spadek ich przepuszczalności. Jest to tak zwane zaślepieniem. Carroll (1983) [8] udowodnił, że nawet gdy kryteria przepuszczalności były spełnione, kolmatacja może spowodować uszkodzenie systemów filtrów. Kolmatacja zależy od relacji między drobinami w gruncie i ich zdolności blokowania większości otworów i porów w geotekstyliach. Dla znacznego zredukowania przepuszczalności i objętości przepływu, większość porów musi być wypełniona cząstkami gruntu. Dzieje się tak, gdyż geotekstylia nawet o małej porowatości zwykle będą bardziej
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 5 przepuszczalne niż grunt, szczególnie drobnoziarnisty, mający tendencję do stwarzania problemów z zatykaniem. Jako przykład Bhatia (1991) [2] pokazał, że przepuszczalność systemu pył - geotekstylia pozostaje nie zmieniona do momentu, gdy 80% porów jest zapchanych. Chociaż relacje między zatykaniem, porowatością, rozkładem wielkości porów zostały wyraźnie rozpoznane, nie zostały jednak w pełni wprowadzone do praktycznych przepisów, pozwalających sprowadzić kolmatację do prostego kryterium. W tabeli 3 przedstawiono obecne zalecenia dotyczące oceny podatności geofiltrów na kolmatację. Tab. 3 Kryteria odporności na kolmatację [9]. A: Wartości krytyczne - dla trudnych warunków zastosowań. Przeprowadzenie badania grunt - geotekstylia (wg Calhoun, 1972; Haliburton i inni, 1982; Giroud 1982; Carrol 1983; Christopher i Holtz 1985; Koerner 1990). B: Mniej krytyczne i łatwiejsze warunki. 1. Badanie filtracji grunt geotekstylia. 2. Zakresy minimalnych wymaganych porów dla gruntów zawierające cząstki drobne : O95>3D15 dla U>3 (Christopher i Holtz 1985, 1989), O15/D15 > (0,8 1,2) ; O50/D50 > (0,2 1,0) (Fischer i inni 1990). 3. Dla U<3, geotekstylia z maksymalnymi wielkościami porów należy określić według kryteriów zatrzymywania. 4. Wartości przestrzeni wolnych. Tkane geotekstylia więcej niż (4 6)% wolnych przestrzeni (Calhoun 1972, Koerner 1990) Nietkane geotekstylia (włókniny) więcej niż (30 40)% wolnych przestrzeni (Christopher i Holtz 1985, Koerner 1990) UWAGA: Bibliografia w [9] Z powodu braku umiejętności przewidywania kolmatacji, obecnie dla zastosowań trudnych warunków gruntowo - wodnych, zaleca się wykonanie badań filtracji na miejscu dla danych gruntów. KLASYFIKACJA GEOTEKSTYLIÓW DLA WARSTW SEPARACYJNYCH I FILTRÓW Klasy wytrzymałości określa się na podstawie wymaganej wytrzymałości na rozciąganie przy określonym odkształceniu materiału (tab. 4). Tab. 4. Klasyfikacja separatorów i filtrów z geotekstyliów ze względu na właściwości mechaniczne. [13] Wymagana wytrzymałość na rozciąganie 1 [kn/m] Klasyfikacja właściwości mechanicznych Przy odkształceniu geotekstyliów 2 30 % Przy odkształceniu geotekstyliów 2 30 % Klasa 1 10 2 Klasa 2 15 4 Klasa 3 20 6 Klasa 4 30 10 Klasa 5 50 15 Klasa 6 N.A. N.A. Klasa 7 70 N.A. Uwaga! 1 Wytrzymałość na rozciąganie jest to minimalna wartość mierzona zgodnie z [5] w kierunku niższej wytrzymałości geotekstyliów 2 Odkształcenie geotekstyliów jest to minimalna wartość mierzona zgodnie z [5] w kierunku mniejszego odkształcenia geotekstyliów N.A. - nie stosuje się
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 6 Inna propozycja przyporządkowania klas wytrzymałości dla geotekstyliów zawarta jest w normie niemieckiej [16]. Klasy wytrzymałości określa się na podstawie rodzaju materiału, masy powierzchniowej oraz maksymalnej siły rozciągającej, dla materiałów o wyższej wytrzymałości na rozciąganie (tkaniny, dzianiny) lub siły ścinającej z badania CBR, dla materiałów o dużej odkształcalności. Klasyfikację tę przedstawiono w tabelach 5 7. Tab. 5. Klasyfikacja właściwości mechanicznych geowłóknin i innych produktów geotekstylnych o dużej odkształcalności.[16] Siła ścinająca z badania CBR Masa powierzchniowa (x * -s) (x * ) [kn] [g/m 2 ] Klasyfikacja właściwości mechanicznych Klasa 1 0,5 80 Klasa 2 1,0 100 Klasa 3 1,5 150 Klasa 4 2,5 250 Klasa 5 3,5 300 UWAGA: Siła ścinająca jest średnią z badań CBR (x * ) pomniejszoną o odchylenie standardowe (s). Masa powierzchniowa jest średnią z badań (x * ). Tab. 6. Klasyfikacja właściwości mechanicznych geotkanin (z polipropylenu lub polietylenu). [16] Klasyfikacja właściwości mechanicznych Maksymalna siła rozciągająca (x * -s) [kn/m] Masa powierzchniowa (x * ) [g/m 2 ] Klasa 1 20 100 Klasa 2 30 160 Klasa 3 35 180 Klasa 4 45 220 Klasa 5 50 250 UWAGA: Maksymalna siła rozciągająca jest średnią z badań na rozciąganie wzdłuż i w poprzek (x * ) pomniejszoną o odchylenie standardowe (s). Masa powierzchniowa jest średnią z badań (x * ). Tab. 7. Klasyfikacja właściwości mechanicznych geotkanin na osnowie wielowłóknowej (najczęściej poliester). [16] Klasyfikacja właściwości mechanicznych Maksymalna siła rozciągająca (x * -s) [kn/m] Masa powierzchniowa (x * ) [g/m 2 ] Klasa 1 60 230 Klasa 2 90 280 Klasa 3 150 320 Klasa 4 180 400 Klasa 5 250 550 UWAGA: Maksymalna siła rozciągająca odnosi się do badania na rozciąganie próbek prostokątnych wzdłuż, przy maksymalnej sile rozciągającej w poprzek o wartości 50 kn/m. Do uporządkowania w klasach, maksymalna siła rozciągająca (x * ) w kierunku wyższej wytrzymałości (wzdłuż lub w poprzek) została zmniejszona o odchylenie standardowe (s). Masa powierzchniowa jest średnią z badań (x * ).
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 7 W przypadku materiałów warstwowych : siatek połączonych z włókniną - (funkcja separacyjna i filtracyjna) klasę wytrzymałości można podwyższyć o jeden, jeżeli maksymalna siła rozciągająca dla materiału o mniejszej wytrzymałości wynosi min 25 kn/m. tkanin lub dzianin połączonych z włókniną - klasę wytrzymałości można podwyższyć o klasę wytrzymałości włókniny o danej masie powierzchniowej. Za podstawę wytrzymałości wzięto wytrzymałość warstwy ochronnej (tkanina lub dzianina). W tabeli 8 określono wymagania stawiane geotekstyliom związane z przynależnością do określonej klasy właściwości hydraulicznych. Wymagania te dotyczą: charakterystycznej wielkości porów i przepływu wody przez geotekstylia. Tab. 8. Klasyfikacja separatorów i filtrów ze względu na właściwości hydrauliczne. [13] Klasyfikacja właściwości Charakterystyczna wielkość porów 1 Prędkość przepływu wody 2 L/(m 2 *s) przy spadzie 100 mm hydraulicznych O 90 [μm] Klasa 0 500 5 Klasa 1 250<O 90 400 100 Klasa 2 150<O 90 250 100 Klasa 3 100<O 90 150 75 Klasa 4 75<O 90 100 50 Klasa 5 75 30 Uwaga! 1 Wartość średnia dla serii mierzona zgodnie z [6] 2 Wartość średnia dla serii mierzona zgodnie z [7] Klasyfikacja zaczyna się od 0, a kończy na 5, przy czym każdą klasę definiuje górny i dolny próg wymagań. Klasy o wyższej numeracji mogą, ale nie muszą spełniać wymagań innych (niższych) klas. Spowodowane jest to tym, że zarówno górne, jak i dolne ograniczenia klas odpowiadają charakterystycznej wielkości porów. ZASTOSOWANIE SCHEMATU KLASYFIKACYJNEGO Przy doborze materiału na warstwy separacyjne, konieczne jest powiązanie klasyfikacji właściwości mechanicznych geotekstyliów z warunkami in situ. Klasy można powiązać z wytrzymałością podłoża (badanie CBR) oraz maksymalną miarodajną średnicą kruszywa układanego na geotekstyliach (tab. 9).
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 8 Tab. 9. Powiązanie klasy materiału z wytrzymałością podłoża (badanie CBR ) i maksymalną miarodajną średnicą kruszywa (d max ). [13] d max klasy 6 [mm] 200 i/lub 7 klasa 5 175 150 klasa 7 klasa 5 125 klasa 4 100 75 klasa 4 klasa 3 50 klasa 3 25 klasa 5 klasa 2 klasa 2 CBR podłoża [%] 10 30 Wytrzymałość na ścinanie bez odpływu τ u [kn/m 2 ] Przy określaniu skuteczności separatorów z geotekstyliów w tabeli 9 numery wyższych klas odzwierciedlają kruszywo o większej średnicy na separatorze z geotekstyliów oraz mniejszą wytrzymałość podłoża. Przyjęto tu, że zawsze przed rozpoczęciem zagęszczania istnieje odpowiednie przykrycie separatora z geotekstyliów kruszywem, dlatego obciążenie ruchem pojazdów nie stanowi dodatkowego parametru eksploatacyjnego. Format struktury klas z tabeli 2.9 jest podobny do stosowanych w: USA [1], Niemczech [12], Skandynawii [15]. Według zaleceń niemieckich, wybór klasy wytrzymałości uzależnia się od warunków zastosowania (między innymi rodzaju gruntu) i obciążeń w trakcie wbudowywania warstw filtracyjnych i separacyjnych. Tab. 10. Określenie klasy wytrzymałości materiału dla danego rodzaju podłoża oraz obciążeń w trakcie instalacji. [16] Warunki Obciążenia podczas wbudowywania materiału* zastosowania* AB1 AB2 AB3 AB4 AS1 Klasa 1 AS2 Klasa 2 Klasa 2 Klasa 3 Klasa 4 AS3 Klasa 3 Klasa 3 Klasa 4 Klasa 5 AS4 Klasa 4 Klasa 4 Klasa 5 (1) AS5 Klasa 5 Klasa 5 (1) (1) Uwaga! (1) W tych przypadkach należy przeprowadzić badania w trakcie instalacji lub zwiększyć grubość warstwy pośredniej (kruszywa). * Oznaczenia objaśniono w tekście
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 9 W przypadku filtrów przy określaniu klasy wytrzymałości materiału, zawsze brane jest pod uwagę podwyższone obciążenie AB3. Warunki zastosowania (AS): AS1 - obciążenie gruntem oraz obciążenia w trakcie instalacji są pomijalne i nie wpływają na wybór materiału; AS2 - geotekstylia między piaskiem drobnoziarnistym i gruboziarnistym lub w podłożu różnoziarnistym; AS3 - geotekstylia między piaskiem drobnoziarnistym, gruboziarnistym lub w podłożu różnoziarnistym z zawartością kamieni do 40%; AS4 - geotekstylia między piaskiem drobnoziarnistym, gruboziarnistym lub w podłożu różnoziarnistym z zawartością kamieni lub tłucznia powyżej 40%; AS5 - geotekstylia między piaskiem drobnoziarnistym, gruboziarnistym lub w podłożu różnoziarnistym z zawartością tłucznia i ostrokrawędzistych bloków skalnych powyżej 40%. Obciążenia podczas instalacji (AB): AB1 - ręczne zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geotekstyliów, bez znacznego obciążenia; AB2 - montaż materiału i zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geotekstyliów przy pomocy maszyn, bez istotnego obciążenia od zagęszczarek (walców); AB3 - instalacja materiału i zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geotekstyliów przy pomocy maszyn; podwyższone obciążenie od zagęszczarek (walców) przy dopuszczalnej głębokości śladów od 5 do 15cm; AB4 - instalacja materiału i zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geotekstyliów przy pomocy maszyn; wyjątkowe obciążenie od zagęszczarek (walców) przy dopuszczalnej głębokości śladów powyżej 15cm. Aby umożliwić korzystanie ze schematów klasyfikacyjnych dla separatorów z geotekstyliów konieczne jest uwzględnienie ich zastosowań. W tabeli 11 przedstawiono schemat, podobny do zaprezentowanego przez Lawsona (1995) [14], w którym właściwości hydrauliczne powiązano z pełnioną funkcją i rodzajem warstw drenażowych. Tab. 11. Powiązanie właściwości hydraulicznych geotekstyliów z pełnioną funkcją oraz rodzajem warstw drenażowych. [13] Funkcje geotekstyliów Klasy geotekstyliów 1. Gdy stosowany jest separator z geotekstyliów i wymagany jest nieznaczny drenaż klasa 0 2. Gdy stosowany jest separator z geotekstyliów i wymagana jest filtracja wody gruntowej: a) gdy warstwą drenażową jest piasek, [4] b) gdy warstwą drenażową jest ił, [4] c) gdy warstwą drenażową jest glina lub grunt organiczny, [4] numer klasy dostosowany do d 15 O 90 d 85 klasy 3 lub 4 klasy 3,4 lub 5 klasa 5 3. Gdy separator z geotekstyliów używany jest przy pompowaniu wody z podłoża Uwaga! d 15 i d 85 odnoszą się do odpowiednich frakcji kruszywa, a O 90 odnosi się do charakterystycznej wielkości porów w separatorze geotekstylnym W celu zagwarantowania w praktyce odpowiedniej sprawności filtrów z geotekstyliów należy powiązać klasy właściwości mechanicznych i hydraulicznych z warunkami in situ. W tabeli 12 przedstawiono schemat, w którym klasy właściwości mechanicznych filtra odniesiono do rodzaju drenażu podpowierzchniowego. Klasy te uwzględniają zarówno naprężenia mechaniczne powstałe w trakcie instalacji, jak i w okresie eksploatacji.
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 10 Tab. 12. Zastosowanie klas materiału w zależności od rodzaju drenażu podpowierzchniowego. [13] Rodzaj zastosowania Numer klasy geotekstyliów 1. Dreny korytkowe o głębokości: a) 1 m klasa 1 b) 2 m klasa 3 c) >2 m klasa 5 2. Poziome warstwy drenażowe klasy wg klasyfikacji separatorów geotekstylnych ze względu na ich właściwości mechaniczne 3. Pochyłe warstwy drenażowe klasa 3 4. Pionowe warstwy drenażowe klasa 3 Klasy właściwości hydraulicznych powiązano z rodzajem drenowanego gruntu w sposób przedstawiony w tabeli 13. Tab.13. Zastosowanie klas właściwości hydraulicznych w zależności od drenowanego gruntu. [13] Rodzaj gruntu Numer klasy geotekstyliów 1. Grunty piaszczyste, [4] numer klasy dostosowany do d 15 O 90 d 85 2. Przeważające grunty drobne [4] numer klasy dostosowany do a) o wskaźniku plastyczności <10 % d 15 O 90 d 85 b) o wskaźniku plastyczności 10% 0,05 O 90 0,20 Uwaga! d 15 i d 85 odnoszą się do odpowiednich frakcji kruszywa drenażowego gruntu Inny sposób projektowania systemów drenażowych i filtrów geotekstylnych stosowany jest w Niemczech [16]. Przy projektowaniu filtrów geotekstylnych należy sklasyfikować podłoże: drobnoziarniste d 60 <0,06 mm; grubo i różnoziarniste d 60 >0,06 mm. W przypadku podłoży trudniejszych : drobnoziarniste wskaźnik plastyczności I P <0,15 i/lub proporcja części ilastych do pyłu <0,5; grubo i różnoziarniste zawartość frakcji pyłowej (średnica ziaren <0,06 mm) U 60/10 =d 60 /d 10 15 i/lub zawartość ziaren frakcji (0,02-0,1) mm >50%. Przy projektowaniu filtrów uwzględnia się takie parametry jak: działanie mechaniczne filtra (zatrzymywanie cząstek gruntu) - grunt drobnoziarnisty O 90 10d 50, - grunty trudniejsze O 90 d 50, - grunt grubo i różnoziarnisty O 90 <5d 50 * U i O 90 d 50. odporność na kolmatację kryterium odporności na kolmatację: O 50 > (0,2-1)*d 50 hydrauliczne działanie filtra (wodoprzepuszczalność). W celu zapewnienia prawidłowej pracy filtra należy przy jego wymiarowaniu uwzględnić współczynnik zmniejszający η, zależny od podłoża i rodzaju filtra. Materiał filtracyjny powinien umożliwić filtrację nie mniejszą niż dla danego podłoża, dlatego: η*k vf >k vp gdzie: - η współczynnik zmniejszający zależny od typu filtra i parametrów podłoża, - k vf współczynnik filtracji dla materiału filtra określony w badaniu pod obciążeniem 2 kpa, - k vp współczynnik filtracji dla podłoża.
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998 11 Dla włóknin o grubości powyżej 2 mm i tkanin w kontakcie z piaskiem i gliną istnieją współczynniki zmniejszające η. Dla innych materiałów i podłoży współczynniki zmniejszające η należy określić na podstawie wyników badań filtracji wykopanych próbek. PODSUMOWANIE Prowadzona obecnie dyskusja nad zasadami projektowania warstw filtracyjnych i separacyjnych znajduje swoje odzwierciedlenie w opracowywanych obecnie normach europejskich, które stopniowo są wdrażane również w naszym kraju. Przedstawione w niniejszej pracy systemy pozwalają na dokonywanie odpowiednich ocen przydatności poszczególnych materiałów w konkretnych sytuacjach projektowych i z tego względu mogą stanowić bardzo dużą pomoc w projektowaniu. Przy projektowaniu warstw filtracyjnych i separacyjnych z materiałów geotekstylnych należy opierać się na schematach klasyfikacyjnych uwzględniających parametry mechaniczne geosyntetyków (wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na przebicie, odkształcalność, masa powierzchniowa) oraz ich właściwości hydrauliczne (wodoprzepuszczalność, charakterystyczna wielkość porów). Klasy właściwości mechanicznych i hydraulicznych geotekstyliów powinny być potwierdzane przez badania kontrolne na próbkach pobranych z obiektów bezpośrednio po wbudowaniu materiału (w celu sprawdzenia czy w czasie instalacji nie uległy zmianie parametry materiału) oraz badania okresowe (ze względu na zmiany reologiczne i procesy starzenia materiału). LITERATURA 1. AASHTO - Standard Specifications for Geotextiles, American Association of State Highway and Transportation Officials, M288-90, Washington DC, 1990. 2. Bhiatia S.K., M³ynarek J., Rollin A.L. i Lafleur J. - Effect of Pore Structure of Nonwoven Geotextiles on Their Clogging Behaviour. Geosynthetic 91. 3. Bolt A., Duszyńska A. - Przepuszczalność geotekstyliów w kierunku prostopadłym do powierzchni obciążenia. XLII Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB, Krynica 96. 4. BS 5930:1981 Code of practice for site investigations. 5. BS 6906:Part 1:1987 Determination of the tensile properties using a wide width strip. 6. BS 6906:Part 2:1989 Determination of the apparent pore size distribution by dry sieving. 7. BS 6906:Part 3:1989 Determination of water flow normal to the plane of the geotextile under a constant head. 8. Carroll R.G. - Geotextile Filter Criteria. Transportation Research Record.1983 9. Christopher B.R., Fisher G.R. - Geotextile Filtration Principles, Practices and Problems. Proceceedings of the GRI Seminar - 1991 10.Christopher B.R., Holtz R.D - Geotextile Engineering Manual, Report No. FHWA-TS-86/203, US Federal Highway Administration, Washington DC, 1985. 11.Fischer G.R., Christopher B.R., Holtz R.D. - Filter criteria based on pore size distribution. Proceedings of the 4th International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related Products - Hauge, 1990. 12.FSGV - Merkblatt für die Anwendung von Geotextilien und Geogittern im Erbau des Straßenbaus, Forschungsgesellschaft für Straßen-und Verkehrswesen, Köln, 1994. 13.Geotextiles and geotextile-related products - classification scheme (draft copy), Document No.95/ BSI STANDARDS, November 1995. 14.Lawson, C.R. - Subgrade Stabilisation With Geotextiles, Geosynthetics International, IFAI, Vol.2, No. 4, 1995. 15.Rathmayer, H. - Geotextiles in Road Construction - Quality Requirements - The VTT-Geo Geotextile Specification, Research Report/1993, Public Road Administraction, Helsinki, 1993. 16.Technische Lieferbedinungen für Geotextilen und Geogitter für den Erdbau im Straßenbau TL Geotex E-StB 95-1995.