Geosyntetyki-podstawowe zasady i kryteria doboru

18
POD PARAGRAFEM
Ò
OKIEM
EKSPERTA
GEOSYNTETYKI
– PODSTAWOWE ZASADY
I KRYTERIA DOBORU
Kolejna część z cyklu publikacji poświęconych geosyntetykom przedstawia
elementarne zasady ich doboru i stosowania
PIOTR JERMOŁOWICZ
G
eosyntetyki 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.
WWW.RYNEKINWESTYCJI.COM
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:
t budowę geologiczną i właściwości geotechniczne podłoża,
a szczególnie miąższość i rodzaj
warstw słabych oraz poziom
stropu podłoża nośnego;
t niejednorodności budowy podłoża i występowanie lokalnych
gniazd lub soczewek słabych
gruntów;
t rodzaj i uziarnienie gruntów,
parametry geotechniczne, szczególnie słabych warstw wymagających wzmocnienia lub ulepszenia;
t prognozowane zmiany właściwości gruntów w wyniku ich
wzmocnienia;
t warunki hydrologiczne: poziomy
wód gruntowych, nawierconych
i ustabilizowanych, kierunek ich
przepływu, prognoza zmian stanów wód;
t właściwości chemiczne, zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych oraz ich agresywność;
t 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 doty-
czące 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:
t I SG – nośności podłoża i stateczności skarp,
t II SG – użytkowania.
WWW.RYNEKINWESTYCJI.COM
20
OKIEM EKSPERTA
Obecnie na rynku wykonawczym
istnieje szereg metod i technologii
wzmacniania podłoży gruntowych
i nasypów, m.in.:
t osuszanie gruntu,
t wzmacnianie powierzchniowe,
t wymiana gruntu,
t konsolidacja podłoży,
t metody wibracyjne,
t metody dynamiczne,
t 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 hydrau-
licznych 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:
t zatrzymywania cząstek gruntu,
t wodoprzepuszczalności,
t 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
WWW.RYNEKINWESTYCJI.COM
OKIEM EKSPERTA
RYS. 2. PORÓWNANIE EFEKTYWNOŚCI
TECHNOLOGII WZMACNIANIA PODŁOŻY
21
RYS. 4. FUNKCJONALNOŚĆ GEOSYNTETYKÓW
RYS. 5. DZIEDZINA FUNKCJI OBCIĄŻENIE
– WYDŁUŻENIE DLA GEOTKANIN
Pa = 0,5 · Ka ·γ · H2 [kPa]
Ka – 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:
WWW.RYNEKINWESTYCJI.COM
22
OKIEM EKSPERTA
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
RYS. 8. SCHEMAT WARSTWY
ODCINAJĄCEJ Z PIASKU
Warstwa z kruszywa
D15
Tu sprawdzamy warunek szczelności
Ø
d85
Warstwa odcinająca z piasku
Tu sprawdzamy warunek szczelności
Ø
D15
d85
Podłoże gruntowe
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 lub geotkaniny, spełniającej kryteria:
TAB. 1. WŁAŚCIWOŚCI HYDRAULICZNE TYPOWYCH WYROBÓW GEOSYNTETYCZNYCH
STOSOWANYCH NA WARSTWY FILTRUJĄCE
Geowłókniny
Geotkaniny
Rodzaj geosyntetyku
Charakterystyczny
wymiar porów O90 [mm]
Przepuszczalność
pod obciążeniem 20 kPa
[10-3m/s]
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
z mono lub multifilamentów
0,15 – 0,40
0,4 – 1,0
0,30 – 1,50
1,0 – 3,0
z tasiemek
0,10 – 0,30
0,1 – 0,3
0,4 – 1,0
1,0 – 2,0
z kombinacji tasiemek
i mono/multifilamentów
0,15 – 0,40
0,4 – 1,0
0,30 – 1,00
1,0 – 2,0
tkaniny o dużych oczkach (>1mm) mają znacznie większą przepuszczalność (do ponad 10-2m/s)
WWW.RYNEKINWESTYCJI.COM
OKIEM EKSPERTA
t retencji,
t kolmatacji,
t 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:
t drenaż poziomy (zw. objętościowym lub francuskim),
t drenaż płaski lub powierzchniowy,
t drenaż żebrowy z geokompozytów.
W szczegółowej analizie filtrowania
z uwagi na warunki filtracji należy
rozróżniać:
t grunty drobnoziarniste d 40
< 0,06 mm,
t grunty grubo i różnoziarniste
d40 > 0,06 mm.
Ponadto wyróżnia się grunty trudne
do spełnienia wymagań filtrowania:
t drobnoziarniste – wskaźnik
plastyczności Ip < 0,15 i/lub
stosunek zawartości frakcji iłowej do pyłowej < 0,5;
t grunty grubo- i różnoziarniste,
zawierające frakcje pyłową (d40
< 0,06 mm):
– wskaźnik jednorodności uziarnienia CU = U= d60/d10 < 15
i/lub
– zawartość frakcji od 0,02 ÷ 0,1
mm > 50%.
Zalecane są następujące wartości
kryteriów filtrowania:
t zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu
– grunty drobnoziarniste O90 gtx
≤ 10 d50,
– grunty trudne (pylaste) O90 gtx
≤ d90 ,
– grunty grubo- i różnoziarniste
O90 gtx ≤ 5 d50 √U oraz O90 gtx
≤ d90;
23
RYS. 7. PORÓWNANIE GEOTKANIN I GEOSIATEK W FUNKCJI WYTRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE – WYDŁUŻENIE
t
kolmatacji – dla wybranego
wyrobu O90 wybr > (0,2 ÷ O90 gtx)
wynikającego z kryteriów zatrzymywania cząstek;
t działania hydraulicznego – materiał geosyntetyczny drenu
powinien charakteryzować się
wodoprzepuszczalnością min.
dziesięciokrotnie większą niż
otaczający grunt podłoża.
W zależnościach tych oznaczono:
O90 gtx – potrzebna charakterystyczna wielkość porów geosyntetyków,
d10, d50, d90 – 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:
t łatwość i szybkość wykonania,
t trwałość i bezawaryjność eksploatacji konstrukcji hydrotechnicznych,
t brak konieczności tworzenia
wielkich placów budów.
■
WWW.RYNEKINWESTYCJI.COM