Kryteria doboru właściwości filtracyjnych, separacyjnych i

Transkrypt

Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska
Kryteria doboru właściwości filtracyjnych, separacyjnych i
mechanicznych.
Tab. 1. Minimalne wartości w kryteriach doboru geosyntetyków .
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
W zależności od zastosowania – materiały geosyntetyczne muszą spełniać
odpowiednie kryteria dotyczące właściwości
hydraulicznych i mechanicznych- ich
minimalne wartości zestawiono w tablicy 4. Kryterium dotyczące właściwości
hydraulicznych gwarantuje, że geosyntetyki będą pełnić funkcje drenażowe lub filtracyjne w
trakcie projektowanego okresu eksploatacji.
Są to kryteria :
• zatrzymywania cząstek gruntu,
• przepuszczalności i odporności na kolmatację.
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.
1. Kryterium zatrzymywania cząstek gruntu.
Zasada nieprzenikania cząstek gruntu polega na zatrzymywaniu dostatecznej ich ilości , a
więc stworzenia stałego progu zapobiegającego migracji cząstek przy zachowaniu
projektowanej sprawności filtra.
Już w 1985 r. przedstawiono koncepcję pracy filtra, według której pewna ilość cząstek gruntu
może przenikać przez geosyntetyki. Ma to na celu zminimalizowanie zatykania się filtra.
W tablicy 2 przedstawiono różne kryteria przyjmowane dla geosyntetyków w przypadku
przepływu laminarnego. Odrębnym tematem są przepływy burzliwe w kanałach otwartych.
Podstawową wadą wszystkich proponowanych kryteriów jest to, że odnoszą się do
charakterystycznej wielkości porów danego produktu, a nie całkowitej struktury. Zatem za
niepoprawne należy uznać przyjmowanie wyłącznie kryterium zatrzymywania cząstek i
kryterium przepuszczalności jako wystarczających wymagań projektowych. Przed przyjęciem
danego sposobu określania zatrzymywania projektant powinien sprawdzić założenia i
podstawy mechanizmu zatrzymywania oraz zgodność ze specyfikacją warunków późniejszej
pracy. Nadal aktualnym problemem pozostaje określenie charakterystycznej wielkości porów.
W projektowaniu często przyjmuje się, że geosyntetyki powinny mieć przepuszczalność
dziesięciokrotnie większą od przepuszczalności gruntu ze względu na stosunkowo małą ich
grubość w porównaniu z filtrowanym gruntem.
Tab. 2. Kryteria retencyjności-zatrzymywania cząstek gruntu dla geosyntetyków
(jednokierunkowy przepływ ).[3]
2. Kryterium przepuszczalności.
Tab.3. Kryteria przepuszczalności dla geosyntetyków. [3].
Najczęściej stosowane kryteria przepuszczalności przedstawiono w tablicy 3.
Przyjmuje się w nich, że geosyntetyki muszą mieć odpowiednią przepuszczalność w celu
zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia wody w porach i do utrzymania
odpowiedniego przepływu.
3. Kryterium odporności na kolmatację.
Kolmatacja występuje, gdy drobne cząstki gruntu penetrując w głąb geosyntetyków,
powodują spadek ich przepuszczalności. Kolmatacja zależy od relacji między ziarnami i
cząstkami w gruncie i ich zdolności blokowania porów w geosyntetykach. Wypełnienie
większości porów cząstkami gruntu spowoduje znaczną redukcję przepuszczalności i
objętości przepływu, a tym samym możemy uzyskać niejednokrotnie efekt quasi
geomembrany ( folii – materiał nieprzepuszczalny ).
Geosyntetyki nawet o małej porowatości będą bardziej przepuszczalne niż grunt, szczególnie
drobnoziarnisty.
Tab.4. Kryteria odporności na kolmatację. [3]
Rys.1. Kryteria retencyjności według różnych autorów dla materiałów tkanych i igłowanych. [2]
Rys.2. Kryteria retencyjności według różnych autorów dla materiałów tkanych i igłowanych. [2]
W tablicy 4 przedstawiono istniejące zalecenia dotyczące oceny podatności geofiltrów na
kolmatację.
W trudnych warunkach gruntowo-wodnych należy wykonać odpowiednie badania filtracji na
próbkach gruntu pobranych w miejscu wbudowania.
4. Klasyfikacja geosyntetyków dla warstw separacyjnych i filtrów.
W analizowanym systemie klasyfikacji BS 8006 [7], klasy wytrzymałości określa się na
podstawie wymaganej wytrzymałości na rozciąganie przy określonym odkształceniu
materiału ( tab.5 ) .
Tab. 5. Klasyfikacja warstw separacyjnych i filtracyjnych z geosyntetyków ze względu
na ich właściwości mechaniczne. [1]
Tab. 6. Klasyfikacja warstw separacyjnych i filtracyjnych z geosyntetyków ze względu
na ich właściwości hydrauliczne [1]
Inną propozycję przyporządkowania klas wytrzymałości geosyntetyków zawarto w
„Wytycznych ...”[31]. 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 tablicy 7.
t – grubość materiału, mierzona pod naprężeniem ściskającym 2 kN/m2,
O90 – wymiar O90 wielkości porów geowłókniny
Gdy przepuszczalność kg samej włókniny jest mierzona przy działaniu naprężenia
ściskającego, zbliżonego do występującego w konstrukcji, to należy zastosować
współczynnik redukcyjny dla włóknin ηn i wówczas otrzymamy ηn kg > ks
Wartość ηn można wyznaczyć z rys. 12, w zależności od wartości parametru kg2/ n t O90.
W odniesieniu do geowłóknin stosuje się dodatkowe kryterium, stanowiące górne
ograniczenie wartości współczynnika ηn w przypadkach, gdy rozmiar O90 jest mały w
porównaniu do cząstek gruntu. Można je wyrazić następująco:
jeżeli O90 < 0,5 d10 to przyjmuje się ηn = 1.
Rys.12. [4]
Erozja gruntu na ogół nie towarzyszy robotom inżynieryjnym. Jednak jest faktem, że zdjęcie
gruntu rodzimego naturalnego pokrycia, takiego jak humus lub wyższa szata roślinna drzewa,
krzewy może spowodować ogromny wzrost prędkości erozji. Ilustrują to dane w tablicy 16,
dotyczące zbocza z gliny pylastej o spadku 1 : 14
Tab. 16.
Zależność rocznego ubytku gruntu od pokrycia terenu
Okrywa roślinna
Ubytek gruntu [kN/ha]
Las
0,1
Trawa
0,4
Użytki rolne
400
Brak okrycia
2400 ÷ 3600
Głównym czynnikiem wywołującym erozję są deszcze. Uderzenia kropel deszczu w
nieosłonięty grunt powodują odspajanie jego cząstek i spłukiwanie ich przez wodę spływającą
z wyższych połaci terenu. W przypadku dużych prędkości spływu występuje wzmożone
odspajanie i spłukiwanie gruntu. Ubytek gruntu jest funkcją jego podatności na erozję i
Tab.10. Ustalenie klasy wytrzymałości GRK geosyntetyku ze względu na stopień i rodzaj
obciążenia [6]
Klasyfikacja ta jest uproszczona i nie oddaje w pełni różnych zalet wyrobów, zwłaszcza
wyższych klas, lecz jest użyteczna do wstępnego wyboru w typowych przypadkach
zastosowań.
Rys. 3. Względne przemieszczenia gruntu i geosyntetyku w kilku typowych sytuacjach in situ i
odpowiadające im badania laboratoryjne. [5]
Rys.4. Przykładowy rozkład odkształceń w geowłókninie igłowanej
w czasie badania wyciągania pasma w otoczeniu gruntu,
w funkcji przyłożonej siły. [5]
W przypadku kompozytów warstwowych :
• geosiatek lub georusztów połączonych z włókniną (pełniących funkcję rozdzielającą i
filtracyjną ) klasę wytrzymałości można powiększyć o jeden, jeżeli wytrzymałość na
rozciąganie geosiatki lub georusztu wynosi co najmniej 25 kN/m;
• tkanin lub dzianin połączonych z włókniną – klasę wytrzymałości można powiększyć o
jeden, za podstawę przyjmuje się wytrzymałość na rozciąganie tkaniny lub dzianiny po
ułożeniu warstwy ochronnej,
• w przypadku użycia wyrobu kompozytowego jako drenu powierzchniowego miarodajna jest
tylko klasa wytrzymałości samego filtru.
5. 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.
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.
Wielu producentów zaleca swoje własne empiryczne metody projektowe, bazując na
wykresach ( rys. 5 ) uzależniających dobór grubości warstw konstrukcyjnych nawierzchni w
funkcji wytrzymałości na ścinanie podłoża drogowego. Korzystanie z tych wykresów jest
jednak bardzo wątpliwym podejściem z uwagi na brak możliwości oceny ich przydatności do
konkretnych zastosowań.
Rys. 5. Krzywe projektowe dla geotkanin. [4]
Określenie wymaganej klasy wytrzymałości.
Zgodnie z przepisami, wymagana klasa GRK zależy od stopnia obciążenia, wynikającego z
właściwości materiału nasypowego oraz warunków wbudowania i obciążenia
eksploatacyjnego.
Sposób postępowania jest następujący :
- na podstawie tablicy 8 ustala się stopień obciążenia AS,
- na podstawie tablicy 9 ustala się rodzaj obciążenia AB,
- z tablicy 10 wyznacza się potrzebną klasę wytrzymałości wyrobu geosyntetycznego w
funkcji stopnia i rodzaju obciążenia.
6. Zastosowanie schematu klasyfikacyjnego.
Przy doborze materiału na warstwy separacyjne konieczne jest powiązanie klasyfikacji
właściwości mechanicznych geosyntetyków w warunkach „in situ”. Klasy podziału
geosyntetyków można powiązać z wytrzymałością podłoża ( badanie CBR ) oraz maksymalną
miarodajną średnicą kruszywa układanego na geosyntetykach (tab.11) .
Przy określaniu skuteczności warstw separacyjnych z geosyntetyków, przedstawione w
tablicy 19 numery wyższych klas odzwierciedlają kruszywa o większej średnicy na
separatorze z geosyntetyków oraz mniejszą wytrzymałość podłoża. Przyjęto tu, że zawsze
przed rozpoczęciem zagęszczania istnieje odpowiednie przykrycie separatora z
geosyntetyków kruszywem, dlatego obciążenie ruchem pojazdów nie wpływa dodatkowo na
parametry eksploatacyjne. Format struktury klas z tablicy 19 jest podobny do stosowanych
klas w USA, Niemczech i Skandynawii.
Tab.11. Wyznaczanie klasy geosyntetyków w zależności od wytrzymałości
podłoża i maksymalnej miarodajnej średnicy kruszywa pozostającej
na sicie. [1]
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.12. Klasa wytrzymałości geosyntetyku dla danego rodzaju
podłoża oraz obciążeń (wg danych niemieckich).
W przypadku filtrów przy określaniu klasy wytrzymałości materiału zawsze bierze się pod
uwagę podwyższone obciążenia AB3
Warunki zastosowania ( AS ) :
AS1 – obciążenie gruntem oraz obciążenia w trakcie instalacji są pomijane i nie wpływają
na wybór materiału,
AS2 – geosyntetyki między piaskiem drobnoziarnistym i gruboziarnistym lub w podłożu
różnoziarnistym,
AS3 – geosyntetyki między piaskiem drobnoziarnistym, gruboziarnistym lub w podłożu
różnoziarnistym z zawartością kamieni do 40 %,
różnoziarnistym z zawartością kamieni lub tłucznia powyżej 40 %,
różnoziarnistym z zawartością tłucznia i ostrokrawędzistych bloków skalnych
powyżej 40 %,
Obciążenia podczas instalacji ( AB ) :
AB1 – ręczne zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geosyntetyków, bez znacznego
obciążenia,
AB2 – montaż materiału i zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geosyntetyków za
pomocą maszyn, bez istotnego obciążenia od zagęszczarek (walców ),
AB3 – instalacja materiału i zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geosyntetyków za
pomocą maszyn, podwyższone obciążenie od zagęszczarek (walców ) przy
dopuszczalnej głębokości śladów od 5 do 15 cm,
AB4 – instalacja materiału i zagęszczenie gruntu nad powierzchnią geosyntetyków za
pomocą maszyn, wyjątkowe obciążenie od zagęszczarek (walców) przy
dopuszczalnej głębokości śladów powyżej 15 cm.
Przy korzystaniu ze schematów klasyfikacyjnych dla warstw separacyjnych z geosyntetyków
wymagane jest uwzględnienie ich rodzaju zastosowania . W tablicy 21 przedstawiono
schemat, podobny do zaprezentowanego przez Lawsona, w którym właściwości hydrauliczne
powiązano z pełnioną funkcją i rodzajem warstw drenażowych.
Tab.13. Zależność właściwości hydraulicznych geosyntetyków z funkcją
i rodzajem warstw drenażowych. [1]
W celu zagwarantowania odpowiedniej sprawności filtrów z geosyntetyków należy powiązać
klasy właściwości mechanicznych i hydraulicznych z warunkami „ in situ ”. W tablicy 14
przedstawiono schemat, w którym klasy właściwości mechanicznych filtra odniesiono do
rodzaju drenażu wgłębnego. Klasy te uwzględniają zarówno naprężenia mechaniczne
powstałe w trakcie instalacji, jak i w okresie eksploatacji.
Tab.14. Klasy geosyntetyków w zależności od rodzaju drenażu wgłębnego [1]
Rys. 6. Drenaż objętościowy (korytkowy )
Rys.8. Pochyłe warstwy drenażowe.
Rys.7. Poziome warstwy drenażowe.
Rys. 9. Pionowe warstwy drenażowe.
Klasy właściwości hydraulicznych powiązano z rodzajem drenowanego gruntu w sposób
przedstawiony w tablicy 15.
Tab.15. Klasy właściwości hydraulicznych geosyntetyków w zależności od rodzaju
gruntu. [1]
Inny sposób projektowania systemów drenażowych i filtrów geosyntetycznych stosuje się w
Niemczech. Według zaleceń przy projektowaniu filtrów geosyntetycznych należy
sklasyfikować podłoże w następujący sposób :
- drobnoziarniste
d60 < 0,06 mm,
- grubo – i różnoziarniste d60 > 0,06 mm.
W przypadku podłoży wątpliwych :
- drobnoziarniste o wskaźniku plastyczności Ip < 0,15 i/ lub stosunek części ilastych do
pylastych < 0,5,
- grubo – i różnoziarniste o zawartości frakcji pylastej (średnica ziaren < 0,06 mm)
U = d60/d10 ≤15 i/lub zawartość ziaren frakcji (0,02-0,1)mm> 50%.
Przy projektowaniu filtrów zalecane są następujące wartości kryteriów [31]:
• zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu
- grunty drobnoziarniste
O90 ≤ 10 d50,
•
- grunty trudne
O90 ≤ d90.
- grunty grubo-i różnoziarniste
O90 ≤ 5 d10√U
- kolmatacji - dla wybranego wyrobu
O90
=
oraz O90 ≤ d90;
(0,2 ÷ 1) O90 ,
działania hydraulicznego - materiał geotekstylny drenu powinien zapewnić wystarczający
przepływ wody w danym podłożu.
W zależnościach tych oznaczono:
O90
- charakterystyczna wielkość porów geowłóknin,
d10, d5o, d90 - wielkości ziaren gruntu, które wraz z mniejszymi stanowią odpowiednio 10, 50,
90% masy gruntu.
Kryteria dotyczące filtrowania gruntów niespoistych i mało spoistych:
- dla geotkanin tasiemkowych (o równomiernym wymiarze otworów):
O90 / d90 ≤ 2,5
-
dla geowłóknin igłowanych i przeszywanych (o zróżnicowanych wymiarach porów,
zamykających się pod obciążeniem):
O90/ d90 ≤ 5 .
Jest istotne, by stosunki wymiarów porów były jak najbliższe podanym wartościom
granicznym 2,5 i 5, aby zapewnić jak największą przepuszczalność geosyntetyków,
zachowując zarazem ich zdolność do zatrzymywania cząstek gruntu.
Zjawiska mogące wpływać ujemnie na długotrwałą pracę geowłóknin powinny być
wykazywane w trakcie projektowania na podstawie rzetelnie wykonanych badań gruntów
podłoża i nasypów z krzywymi z analiz granulometrycznych ( sitowych i areometrycznych).
W śródlądowych drogach wodnych głównymi przyczynami erozji są prąd przepływu wody i
ruch statków. Jeżeli te zjawiska można wyrazić za pomocą prędkości strugi to ogólną ocenę
podatności na erozję dna i brzegów drogi wodnej można przedstawić w formie rys. 10
Posługując się rys. 10 warto odnotować , że gruntem najłatwiej ulegającym erozji jest piasek
– już przy prędkości przepływu około 20 cm/s (0,2 m/s) następuje transport.
Rys.10.
[4]
W celu maksymalnego ograniczenia erozji, brzegi i dno dróg wodnych muszą być
zabezpieczane narzutem z kamieni o ciężarze i rozmiarach wystarczających, aby oprzeć się
działaniu strumienia wody w ten sposób, że narzut zbudowany jest z dwóch warstw kamieni,
ułożonych na podsypce z drobniejszego kruszywa. Podsypka z kolei leży na filtrze
geosyntetycznym, rozłożonym na odpowiednio przygotowanej powierzchni skarpy brzegu i
dna.
Projektowanie filtrów z geosyntetyków, służących do ochrony przed erozją komplikuje fakt,
że przepływ jest często turbulentny, a ponadto może zmieniać kierunek. Na przykład w
kanale, w którym nie występują przepływy, poziom wody gruntowej w sąsiedztwie kanału
będzie taki, jak poziom wody w kanale. Fala powstająca przy przejściu statku podnosi
lokalnie poziom wody w kanale i wywołuje przepływ wody w gruncie w głąb obwałowania.
Następnie przychodzący spód fali obniża poziom wody w kanale i powoduje odpływ wody z
obwałowania w kierunku kanału. Z powodu zmiennego kierunku wody często nie jest
możliwe powstanie sieci sklepień z ziarn gruntu przylegających do materiału
geosyntetycznego. Wskutek tego nie może powstać w gruncie stabilny układ filtrujący.
Stosowanie tkanin i włóknin na filtry w budowlach dróg wodnych, skarpach przybrzeżnych i
śródlądowych, gdzie podłoże budują piaski i piaski pylaste, które są szczególnie podatne na
erozję, wiąże się z problemem projektowania filtru. Otwartość geosyntetyków jest
wystarczająco mała, aby zapobiec dużym ubytkom ziarn i cząstek gruntu, a jednocześnie
zachowuje dostatecznie dużą przepuszczalność przez cały okres jego użytkowania,
zapobiegając tym samym wzbudzaniu zwiększonego ciśnienia spowodowanego falowaniem.
Kryteria dla filtrów, które powinny zapewniać zatrzymanie drobnych cząstek i ziarn, można
podsumować następująco:
a) grunty niespoiste:
warunki obciążenia statycznego
Jeżeli U* ≥ 5
to O90 < 10 x d50
oraz O90 < d90
Jeżeli U* < 5
to O90 < 2,5 x d50
oraz O90 ≤ d90
gdzie U* oznacza wskaźnik różnoziarnistości definiowany jako d60/d10
warunki obciążenia dynamicznego
O90 < d50
b) grunty spoiste
warunki statyczne/dynamiczne obciążenia
O90 < 10 x d50
oraz O90 ≤ d90
i O90 ≤ 100µm
Za warunki statyczne obciążenia uważa się przepływ laminarny, włączając zmiany kierunku
przepływu. Dynamiczne warunki obciążenia są wytwarzane przez przepływ silnie
turbulentny, działanie falowania oraz zjawisko „pompowania”.
Dla obu wymienionych typów gruntów mogą występować odchylenia od powyższych
kryteriów, w zależności od zawartości pyłów i wartości wskaźnika różnoziarnistości.
Kryterium przepuszczalności wymaga, aby przepuszczalność geosyntetyków była zawsze
większa od współczynnika filtracji ks chronionego gruntu obwałowania. Jeżeli w laboratorium
jest mierzona przepuszczalność kg samego materiału geosyntetycznego, poddanego działaniu
odpowiedniego naprężenia ściskającego, to może się ona wydawać wystarczająca tj. kg > ks.
Jednak gdy geosyntetyki są umieszczane w kontakcie z gruntem, to ich przepuszczalność
maleje.
Wodoprzepuszczalność tkanin w kontakcie z gruntem maleje wskutek „blokowania” tj.
zasłaniania bądź osadzania się ziarn i cząstek w otworach tkaniny. Zmniejszanie się
wodoprzepuszczalności tkaniny może być wyrażone za pomocą współczynnika redukcyjnego
ηw, który jest funkcją przepuszczalności kg materiału oraz średnicy d10 gruntu, który ma być
filtrowany.
Warunek przyjmuje wówczas postać:
ηw kg > ks
Wartość współczynnika ηw można odczytać z rys. 11 w zależności od wartości kg i d10.
Rys.11. [4]
W odróżnieniu od materiałów tkanych, wodoprzepuszczalność włóknin w kontakcie z
gruntem maleje wskutek „zatykania” (kolmatacji), tj. osadzania się cząstek gruntu w
strukturze przestrzennej materiału.
Na zatykanie porów w geowłókninach mają wpływ:
n – porowatość materiału geosyntetycznego (typowo 0,8 do 0,9 dla geowłóknin igłowanych),
t – grubość materiału, mierzona pod naprężeniem ściskającym 2 kN/m2,
O90 – wymiar O90 wielkości porów geowłókniny
Gdy przepuszczalność kg samej włókniny jest mierzona przy działaniu naprężenia
ściskającego, zbliżonego do występującego w konstrukcji, to należy zastosować
współczynnik redukcyjny dla włóknin ηn i wówczas otrzymamy ηn kg > ks
Wartość ηn można wyznaczyć z rys. 12, w zależności od wartości parametru kg2/ n t O90.
W odniesieniu do geowłóknin stosuje się dodatkowe kryterium, stanowiące górne
ograniczenie wartości współczynnika ηn w przypadkach, gdy rozmiar O90 jest mały w
porównaniu do cząstek gruntu. Można je wyrazić następująco:
jeżeli O90 < 0,5 d10 to przyjmuje się ηn = 1.
Rys.12. [4]
Erozja gruntu na ogół nie towarzyszy robotom inżynieryjnym. Jednak jest faktem, że zdjęcie
gruntu rodzimego naturalnego pokrycia, takiego jak humus lub wyższa szata roślinna drzewa,
krzewy może spowodować ogromny wzrost prędkości erozji. Ilustrują to dane w tablicy 16,
dotyczące zbocza z gliny pylastej o spadku 1 : 14
Tab. 16.
Zależność rocznego ubytku gruntu od pokrycia terenu
Okrywa roślinna
Ubytek gruntu [kN/ha]
Las
0,1
Trawa
0,4
Użytki rolne
400
Brak okrycia
2400 ÷ 3600
Głównym czynnikiem wywołującym erozję są deszcze. Uderzenia kropel deszczu w
nieosłonięty grunt powodują odspajanie jego cząstek i spłukiwanie ich przez wodę spływającą
z wyższych połaci terenu. W przypadku dużych prędkości spływu występuje wzmożone
odspajanie i spłukiwanie gruntu. Ubytek gruntu jest funkcją jego podatności na erozję i
erozyjności opadu, jak również długości i pochyleniu stoku. Dla określonego zbioru tych
czynników jedynym sposobem poprawiającym sytuację jest ochrona nieosłoniętego gruntu.
W każdym przypadku odpowiednio zastosowane maty dają trzy korzyści. Po pierwsze
stanowią one czasowe zabezpieczenie przed erozją dzięki pochłanianiu energii kinetycznej
spadających kropel, które w przeciwnym razie odspajałyby cząstki gruntu. Po wtóre,
przeciwdziałają one spływowi powierzchniowemu wody opadu i redukują tym samym
zdolność do spłukiwania odspojonego gruntu. Po trzecie wreszcie, geomaty będą
zatrzymywać ciepło, wytwarzając mikroklimat sprzyjający wegetacji roślinności.
Geomaty i siatki mogą być użyte do zmniejszenia erozji gruntu w małych ciekach, w których
główną przyczyną erozji jest płynąca woda. Brzegi cieków pokryte trawą mogą wytrzymać
znaczne prędkości przepływu rzędu 2 m/s. Poprawę skuteczności zabezpieczenia można
uzyskać przez wzmocnienie systemu korzeniowego matami podobnymi do stosowanych przy
ochronie zboczy przed erozją.
7. Geosyntetyki w konstrukcjach drenaży i odwodnień liniowych .
Podstawowe wymagania dotyczące geosyntetyków stosowanych w systemach drenażowych
(wg PN-EN 13252) przedstawia poniższa tabela :
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) [7]
- drenaż płaski lub powierzchniowy [7]
- drenaż żebrowy z geokompozytów [7]
Przykład zastosowania drenu geokompozytowego przedstawiono na poniższym rysunku: [7]
W układach rowów drogowych zabezpieczenie skarp i uszczelnienia podłoży stosuje się
często różnego rodzaju bariery geosyntetyczne.
Tego typu bariery służą przede wszystkim do ochrony środowiska przed wpływem
zanieczyszczeń. Uszczelniając podłoża nawierzchni, skarp zbiorników retencyjnorozsączających, zbiorników – mogielników i rowów drogowych uzyskuje się dodatkowo efekt
nierozprzestrzeniania zanieczyszczeń w głąb gruntu jak również zabezpiecza wody gruntowe.
WYKOP
NAS YP < 2,0 m
teren istniejący
Płyta ażur owa 60 x40x10 cm
Pospółka
10 cm
Narzut kamie nny 30 ,0 cm
Uszczelnienie geomembraną HDPE “Geostar”
Humus 15 cm, obsianie trawą
+ mata antyerozyjna
Rys.13. Konstrukcja uszczelnionego rowu w wykopie
Rys.14. Konstrukcja zbiornika retencyjno-odparowującego
Dla zapewnienia ochrony przeciwerozyjnej na powierzchniach skarp, rowów odwadniających
coraz częściej znajdują zastosowanie systemy przestrzenne i komórkowe. Stosowane są
również wyroby biodegradowalne wraz z nasionami traw, wspierając obudowę właściwą.
Ze względu na złożoność systemów i specyficzne warunki stosowania i wbudowania tych
materiałów należy kierować się wiodącymi potrzebnymi (obliczonymi) parametrami i
porównać z przedstawionymi parametrami w kartach wyrobów.
7.1. Wymagania dotyczące doboru filtrów – kryteria doboru geosyntetyków.
Kryteria doboru materiałów, filtrujących obejmują sprawdzenie:
• działania mechanicznego filtru (zatrzymywania cząstek),
• odporności na kolmatację (zatykanie porów materiału),
• działania hydraulicznego filtru (wystarczający przepływ).
Należy rozróżniać warunki proste i trudne.
• Warunki proste: występują zwykle w drenażach i odwodnieniach z niedużym
przepływem statycznym wody (z małymi, powolnymi zmianami gradientu), w
gruntach wytwarzających naturalny filtr na styku z geosyntetykiem, a początkowe
wypłukanie drobnych cząstek nie wpływa na działanie filtru.
• Warunki trudne: występują, w obwałowaniach dróg wodnych i narażonych
na działanie falowania oraz w podtorzu kolejowym, poddanych dużym przepływom
dynamicznym wody (z dużymi, szybkimi zmianami gradientu lub kierunku
przepływu), w gruntach niestabilnych hydraulicznie (skłonnych do sufozji), nie
zapewniających wytworzenia naturalnego filtru na styku z geosyntetykiem.
Ogólne wskazówki dotyczące wyboru geosyntetyków filtracyjnych zawiera tablica 17.
Tab. 17. Wskazówki dotyczące wyboru filtrów geosyntetyków
Zalecane parametry hydrauliczne geosyntetykow stosowanych jako filtry
Charakterystyczną wielkość porów geosyntetyków O
można bez szczegółowej analizy
przyjmować następująco:
a) W prostych warunkach hydraulicznych (niewielki jednostronny dopływ wody):
• dla geowłóknin
0,06 mm ≤ O90 gtx ≤ 0,20 mm,
• dla geotkanin 0,06 mm ≤O90 gtx ≤ 0,40 mm.
b) W trudniejszych warunkach hydraulicznych (duży dopływ wody i/lub zmieniający się
kierunek przypływu), w zależności od rodzaju filtrowanego gruntu:
• grunty spoiste
0,06 mm ≤ O90 ≤ 0,20 mm,
• gruby pył do piasku pylastego 0,06 mm ≤ O90 gtx ≤ 0,11 mm,
• piasek drobny
0,06 mm ≤ O90 gtx ≤ 0,13 mm,
• piasek średni
0,08 mm ≤ O90 ≤ 0,30 mm,
• piasek gruby
0,12 mm ≤ O90 gtx ≤ 0,60 mm.
90 gtx
gtx
gtx
Zbyt małe wymiary porów geowłókniny mogą powodować jej kolmatację. Mniej
niebezpieczne jest przyjęcie większych średnic O90 , ponieważ wtedy może się utworzyć filtr
odwrotny w gruncie. Dlatego zwykle zaleca się, by wartość nie była mniejsza od 0,12 mm, a
preferowany jest wymiar 0,15 -0,16 mm.
W gruntach trudnych do spełnienia wymagań filtrowania należy zapewnić, że nie wystąpi ich
erozja ani sufozja. Szczególnie podatne na erozje (wypłukiwanie cząstek gruntu) są grunty
niespoiste: grube pyły, piaski pylaste i drobne oraz równoziarniste piaski
(CU = U =
d60/d10 < 5).
Sufozja (przemieszczanie drobniejszych cząstek w porach gruntu, powodujące niestateczność
struktury jego szkieletu ziarnowego) występuje w gruntach niespoistych o skokowo nieciągłej
krzywej uziarnienia (CU = U > 15) albo w przypadku braku części drobniejszych frakcji
(poniżej d40).
gtx
c) W trudnych warunkach hydraulicznych (rzadko występujących w budowlach
drogowych) należy dokonać szczegółowej analizy stateczności filtracyjnej zwłaszcza
w przypadku gruntów trudnych do spełnienia wymagań filtrowania.
W szczegółowej analizie filtrowania z uwagi na warunki filtracji należy rozróżniać:
• grunty drobnoziarniste d40 < 0,06 mm,
• grunty grubo i różnoziarniste d40 > 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 < 0,06 mm):
wskaźnik jednorodności uziarnienia CU = U= d60/d10 < 15 i/lub
zawartość frakcji od 0,02 do 0,1 mm > 50%.
Zalecane są następujące wartości kryteriów filtrowania:
• zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu
grunty drobnoziarniste
O90 gtx ≤ 10 d50,
grunty trudne
O90 gtx ≤ d90,
grunty grubo- i różnoziarniste O90 gtx ≤ 5 d50 √U oraz O90 gtx ≤ d90 ;
• kolmatacji - dla wybranego wyrobu O90 wybr > (0,2÷1) O90 gtx wynikającego z kryteriów
zatrzymywania cząstek,
• działania hydraulicznego - materiał geosyntetyczny drenu powinien zapewnić
wystarczający przepływ wody w danym podłożu.
W zależnościach tych oznaczono:
O90 gtx - potrzebna charakterystyczna wielkość porów geosyntetyków,
d10, d50, d90 - wielkość ziaren gruntu, które wraz z mniejszymi ziarnami stanowią
odpowiednio 10, 50 i 90 % masy gruntu.
Rys.15. Przykładowe krzywe uziarnienia z analizy sitowej.
Rys. 16. Zmiany współczynnika wodoprzepuszczalności poprzez kolmatację
błędnie dobranej geowłókniny .
Efekt zakolmatowania geosyntetyku ujawnia się z reguły w bardzo drastyczny sposób.
Fot.1. Uszkodzenie rowu na skutek przebicia hydraulicznego i wyporu
wywołanego zakolmatowaniem geowłókniny
Nie można zapominać również, że oprócz kolmatacji mechanicznej istnieje również
niebezpieczeństwo kolmatacji biologicznej i chemicznej. Rozmnażające się bakterie, glony i
grzyby zatykają pory w równym stopniu co krystalizacja związków i substancji chemicznych
zawartych w odciekach i wodach gruntowych.
Jest istotne, by stosunki wymiarów porów były jak najbliższe podanym wartościom
granicznym, aby zapewnić jak największą przepuszczalność geosyntetyków zachowując
zarazem ich zdolność do zatrzymywania cząstek gruntu.
W gruntach spoistych stosunek O90 gtx/ d90 może być znacznie większy, jednak trudno podać
konkretne wartości ze względu na bardzo małe i zróżnicowane wymiary cząstek ilastych
gruntu. Grunty spoiste zwykle nie stwarzają zagrożeń, ich spójność nie pozwala na
wypłukiwanie cząstek, a mała przepuszczalność powoduje niewielkie przepływy. Trudności
mogą występować w strefach dużych gradientów przepływu.
Wodoprzepuszczalność materiału geosyntetycznego stosowanego jako osłony filtrujące w
układach drenażowych wyznacza się na podstawie obliczeń przepływu. Orientacyjne
wskazówki dotyczące przepuszczalności prostopadłej zamieszczono w tablicy 18.
Tab.18. Wymagane właściwości mechaniczne geosyntetyków filtrujących [7]
W celu zapobieżenia uszkodzeniom osłon przez grube frakcje kruszywa filtrów, geosyntetyki
powinny mieć dostateczną wytrzymałość i wydłużenie przy zerwaniu. Zalecane parametry
mechaniczne geosyntetyków filtrujących o dużym wydłużeniu (>30%) podano w tablicy 18.
W przypadku użycia geosyntetyków o wydłużeniu do 30% powinny one mieć zwiększoną
wytrzymałość, tym bardziej, im wydłużenie jest mniejsze.
Tabl. 19. Cechy mechaniczne geosyntetyków filtrujących o dużym wydłużeniu (> 30%)
[SN 640 552:2002] [7]
W warunkach dużych obciążeń dynamicznych i użycia zasypki tłuczniowej zalecane są
materiały o masie powierzchniowej ≥ 150 g/m2, odporności na przebicie statyczne ≥ 1500 N,
grubości co najmniej 10 O90 oraz spełniających wymagania klasy wytrzymałości GRK 3.
W przypadku układania geosyntetyku w nachyleniu należy sprawdzić:
• wartość siły rozciągającej powstającej w geosyntetyku - w stosunku do jego
charakterystycznej długotrwałej wytrzymałości na zerwanie.
• tarcie między geosyntetykiem a gruntem (pod i nad geosyntetykiem), w razie potrzeby
zalecane jest użycie wyrobów o szorstkiej fakturze powierzchni, zwiększającej
współczynnik tarcia.
7.2. Dobór geosyntetyków przeznaczonych na warstwy filtrujące
Warstwy filtrujące można wykonywać z różnych wyrobów, spełniających wymagania
mechaniczne i hydrauliczne, np. z geowłóknin lub geotkanin.
Właściwości hydrauliczne typowych geosyntetyków podano w tablicy 20. Przepuszczalność
geosyntetyków silnie zależy od ich struktury i sposobu łączenia włókien oraz od działającego
obciążenia ściskającego.
Tab. 20. Właściwości hydrauliczne typowych wyrobów geosyntetycznych stosowanych
na warstwy filtrujące [7]
7.3. Odwodnienie podłoża drogowego.
W technicznie uzasadnionym wypadku konieczności odwodnienia podłoża nawierzchni,
należy zastosować warstwę odsączającą wykonaną z materiałów mrozoodpornych o
współczynniku filtracji k ≥ 8 m/dobę (≥ 0,0093 cm/s).
Warstwa odsączająca powinna być wykonana na całej szerokości korpusu drogowego, a jej
grubość nie powinna być mniejsza niż 15 cm.
W przypadku występowania pod warstwą odsączającą gruntów nie ulepszonych spoiwem,
powinien być spełniony warunek szczelności warstw określony z zależności:
Warstwa z kruszywa
D15
Tu sprawdzamy warunek
szczelności
d85
Warstwa odcinająca z piasku
D15
d85
Podłoże gruntowe
Rys. 17. Schemat warstwy odcinającej z piasku.
!"#
%&#
≤ 5
(wg Wiłuna [29])
W której: D15 - wymiar sita, przez które przechodzi 15% ziaren warstwy odcinającej
lub odsączającej,
d85 – 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, spełniającej kryteria:
• retencji,
• kolmatacji,
• wodoprzepuszczalności
W nawierzchniach dróg kategorii ruchu KR5 lub KR6 warstwa odsączająca powinna
występować pod warstwą wzmacniającą.
Literatura :
1. BS 8006:1995 Code of practice for strengthened/reinforced soil and other fills.
2. Bertacchi P., Cazzuffi D.; The suitability of geotextiles as filters. DAMS, Montecarlo
1984
3. Fischer G.R., Christopher B.R., Holtz R.D.: Filter criteria based on pore size
distribution.. Proc. of 4 th Conf. on Geotextiles, Geomembranes and Related Products.
Hauge 1990
4. Lotrak. Poradnik projektanta. 1996,
5. Schlosser F., Magnan J.P., Holtz R.D.: Geotechnical engineered Construction, Proc.
of. 11 th IC SMFE, San Francisco, 1985
6. Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym. IBDiM, Wwa 2002
7. Zalecenia dotyczące stosowania geosyntetyków w odwodnieniach dróg.
GDDKiA/IBDiM, W-wa 2009

Kryteria doboru właściwości filtracyjnych, separacyjnych i

Transkrypt

Podobne dokumenty

Bierne ściany oporowe z gruntu zbrojonego geosyntetykami z

Sposoby zabezpieczeń osuwisk - Piotr Jermołowicz

PROVICAL ST Wapno do stabilizacji i osuszania gruntów