Kryteria doboru właściwości filtracyjnych, separacyjnych i
Transkrypt
Kryteria doboru właściwości filtracyjnych, separacyjnych i
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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl Tab. 2. Kryteria retencyjności-zatrzymywania cząstek gruntu dla geosyntetyków (jednokierunkowy przepływ ).[3] Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl Tab.4. Kryteria odporności na kolmatację. [3] Rys.1. Kryteria retencyjności według różnych autorów dla materiałów tkanych i igłowanych. [2] Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 ) . Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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] Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 %, AS4 – geosyntetyki między piaskiem drobnoziarnistym, gruboziarnistym lub w podłożu Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl różnoziarnistym z zawartością kamieni lub tłucznia powyżej 40 %, AS3 – geosyntetyki 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 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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] Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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), Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl Do takich zastosowań należą : - drenaż poziomy ( zw. objętościowym lub francuskim) [7] - drenaż płaski lub powierzchniowy [7] - drenaż żebrowy z geokompozytów [7] Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl Rys.15. Przykładowe krzywe uziarnienia z analizy sitowej. Rys. 16. Zmiany współczynnika wodoprzepuszczalności poprzez kolmatację błędnie dobranej geowłókniny . Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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. Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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, Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl 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 Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Podobne dokumenty
Sposoby zabezpieczeń osuwisk - Piotr Jermołowicz
- filtracyjną – jako filtry chroniące materiał przepuszczalny przed kolmatacją i zmianą właściwości filtracyjnych, - drenującą – jako dreny odprowadzające wodę w płaszczyźnie geosyntetyków. Geosynt...
Bardziej szczegółowo