Geotkaniny czy geosiatki?

STRESZCZENIE

W publikacji zostały przedstawione najważniejsze cechy i obszary zastosowań geotkanin i geosiatek. Wskazano także na główne czynniki decydujące o wyborze geosyntetyków do danej konstrukcji.

ABSTRACT

The publication presents the most important characteristics and fields of application of geotextiles and geonets. The main factors determining the choice of geosynthetics in given structures are presented as well.

Rys. 1. Geotkanina vs. geosiatka – uwarunkowania stosowania

W trakcie wielu moich szkoleń i wystąpień w ramach konferencji i sympozjów pada to fundamentalne pytanie: geotkaniny czy geosiatki i na czym polegają różnice w stosowaniu ich w robotach ziemnych? Prowadzi to niejednokrotnie do bardzo ożywionych dyskusji.

Podobnie jak w przypadku moich innych artykułów pozwolę sobie zachować neutralność bez subiektywnych preferencji, podając jedynie fakty.

Zważywszy na fakt, że Rzymianie zaczęli budować drogi trwałe ponad 1800 lat temu, a asfalt zastosowano po raz pierwszy w Paryżu w 1854 r., to zastosowanie geotkanin i geosiatek jest stosunkowo młodym tematem. Początki zastosowań geosyntetyków w drogownictwie datuje się od wczesnych lat 70. XX w. W Polsce pierwsze zastosowanie geowłóknin miało miejsce na obwodnicy Gietrzwałdu w 1974 r., następnie geotkaniny użyto jako wzmocnienia podtorza kolejowego na linii Szczecin-Poznań w 1990 r. oraz przy wznoszeniu 6-metrowego zbrojonego muru oporowego na węźle Struga k. Warszawy w 1992 r. Geosiatki w warstwach asfaltowych zastosowano w 1989 r. na autostradzie A6, a w konstrukcjach ziemnych pojawiły się w 1994 r. Należy podkreślić fakt, że wiedza na temat geosyntetyków była wówczas znikoma. Problem kształcenia w zakresie zastosowań geosyntetyków pozostaje nadal otwarty, gdyż pomimo upływu 30 lat nie ma wyraźnej tendencji do uruchomienia specjalizacji w zakresie uprawnień do projektowania i wykonawstwa z geosyntetyka- mi. Nieliczne uczelnie podejmują starania z wdrażaniem studentom wiedzy w tym zakresie. Poziom wiedzy inżynierskiej w zakresie geosyntetyków bywa różny i często bardzo odpowiedzialne konstrukcje inżynierskie projektowane są w oparciu o metodę obserwacyjną czy też wiedzę nabytą w ramach różnego rodzaju konferencji i sympozjów lub wręcz o doradztwo dystrybutorów lub ich konsultantów. Powinniśmy zdawać sobie sprawę z faktu, że geosyntetyki stały się jednymi z ważniejszych materiałów w branży budowlanej i pełnią wiele istotnych funkcji. Jakiekolwiek braki w warsztacie pracy projektanta mogą się odbić niepowetowanymi stratami lub co najmniej awariami. A tych ostatnich jest coraz więcej.

Stąd bierze się postulat środowiska inżynierskiego o podnoszenie wiedzy w zakresie geosyntetyków przez wszystkie strony procesu inwestycyjnego, począwszy od inwestora, a skończywszy na ekipach wykonawczych i inspektorach nadzoru.

Pożądane efekty daje dopiero połączenie wiedzy o polimerach, właściwościach fizykomechanicznych geosyntetyków, kryteriach ich doboru do danych warunków gruntowych, pełnionych funkcjach oraz umiejętności dokonywania obliczeń złożonych układów gruntowo-geosyntetycznych z doświadczeniem inżynierskim w tej dziedzinie. Jeżeli do tego dodamy jeszcze kontrowersyjność zapisów niektórych wytycznych i poradników, dojdziemy do wniosku, że stworzenie normatywów i racjonalnych metod obliczeniowych wymaga jeszcze czasu. Dlatego warto zapoznać się z funkcjonalnością geotkanin i geosiatek, ich możliwościami i ograniczeniami, o których tak często zapominamy lub o nich nie wiemy.

Rys. 2. Funkcjonalność geosyntetyków

Geotkaniny

Geotkaniny to materiały wytwarzane techniką tkacką z dwóch lub większej liczby przędz, włókien ciągłych, taśm i układu taśm przeplatanych pod kątem prostym. Geotkaniny są materiałem mogącym pełnić bardzo wiele funkcji jednocześnie. Ich wytrzymałość na zerwanie w zależności od rodzaju splotu, polimeru i włókien zawiera się w granicach 15-4000 kN/m. Ze względu na bardzo wysokie wytrzymałości na rozciąganie są niezastąpione przy wzmacnianiu podłoży gruntowych dróg, linii kolejowych, wysokich nasypów lub wałów przeciwpowodziowych. Są najbardziej optymalnym rozwiązaniem pod względem organizacyjno-kosztowym każdego przedsięwzięcia inwestycyjnego.

Funkcjonalność geosyntetyków można przedstawić w formie schematu (rys. 2). Geotkanina dodana przy wzmacnianiu słabych podłoży pełni funkcję membrany i powoduje przede wszystkim opóźnianie zniszczeń, hamowanie bądź przeciwstawianie się płynięciu plastycznemu gruntu. Zarówno geotkaniny, jak i inne geosyntetyki nie wykazują jednak wytrzymałości na ścinanie, lecz przejmują siły ścinające przez rozciąganie w swojej płaszczyźnie. Siły rozciągające są przejmowane na bokach przez siły tarcia oraz zakotwienie.

Konstrukcje z gruntu zbrojonego geotkaninami to głównie nasypy, strome skarpy i mury oporowe.

Fot. 1. Geotkanina w powiększeniu 30-krotnym

Fot. 2. Geotkaniny

Idea wzmocnienia gruntu jest podobna do idei konstrukcji żelbetowych. W obu przypadkach zastosowanie „zbrojenia” ma na celu usunięcie podobnej wady materiałów, tj. małej (w przypadku gruntów praktycznie zerowej) wytrzymałości na rozciąganie. W przypadku budowli ziemnych zastosowanie zbrojenia pozwala na powstanie w nasypie sił przeciwstawiających się zsuwaniu gruntu wzdłuż linii poślizgu, w wyniku czego następuje zwiększenie wytrzymałości nasypu na ścinanie, decydującej o nośności konstrukcji ziemnych. Powstanie w zbrojeniu sił rozciągających jest wynikiem jego współpracy z gruntem. W odróżnieniu od konstrukcji żelbetowych współpraca gruntu ze zbrojeniem to efekt m.in. sił tarcia między materiałami oraz adhezji.

W konsekwencji zarówno przyczepność zbrojenia do gruntu, jak i wymagana długość zakotwienia zbrojenia w gruncie nie są stałe, lecz zależą od naprężeń ściskających występujących w płaszczyźnie kontaktu, czyli od usytuowania zbrojenia w gruncie. W trakcie projektowania obiektów inżynierskich najistotniejsze są następujące parametry geosyntetyków:

• wytrzymałość na rozciąganie,
• wydłużalność,
• wodoprzepuszczalność,
• otwartość porów.

Podstawowym czynnikiem decydującym o wyborze geosyntetyków do danej konstrukcji jest możliwość jej wzmocnienia i zapewnienia długotrwałej stateczności oraz obniżenia kosztów inwestycji.

Konstrukcja geotkanin w postaci splotów stanowi ciągłą powierzchnię w stu procentach przykrywającą grunt podłoża. Otwory powstałe na kierunkach osnowy i wątku mają charakter izotropowy i posiadają wymiary 60-120 µm, umożliwiając w ten sposób bardziej racjonalne projektowanie przy uwzględnieniu otwartości O₉₀ do zastosowań hydraulicznych. Można powiedzieć, że geotkaniny są całkowicie przewidywalne w odróżnieniu oczywiście od geowłóknin.

Fot. 3. Posadowienie na bagnie wysokich nasypów z wykorzystaniem wysokowytrzymałego zbrojenia geotkaninami na obejściu wsi Ognica

Fot. 4. Pierwsza konstrukcja muru oporowego z gruntu zbrojonego geotkaninami – węzeł Struga k. Warszawy

Wbrew pojawiającym się w niektórych artykułach krytycznym opiniom geotkaniny zdobyły rynek budowlany właśnie przez pełnienie czterech funkcji jednocześnie (rys. 2). Umiejętne wykorzystanie ich właściwości pozwala na w pełni satysfakcjonujące projektowanie nie tylko zbrojenia podstawy nasypów w ekstremalnych warunkach, ale także budowę murów oporowych i stabilizację stromych skarp. Fot. 3-5 ilustrują wybrane przykłady.

We wszystkich zastosowaniach geotkanin występuje zjawisko kotwienia, tarcia i wzbudzonej wytrzymałości na zerwanie. Należy pamiętać, że podstawowa zasada blokowania (tarcia) geotkanin opiera się na wywołaniu tarcia w ośrodku gruntowym poddanym naprężeniom.

Z badań własnych i uzyskanych wyników w aparacie skrzynkowym (skrzynka 1000 cm²) oraz badań LCPC z Paryża wynika, że grubość warstwy „przyściennej” dla gruntów drobno- i średnioziarnistych (piaski, pospółki) wprzęgniętej do współpracy z geotkaniną podczas jej wyciągania jest praktycznie stała i wynosi ok. 20 średnic zastępczych d₆₀ cząstek gruntu zastosowanego do kontaktu. Przykładowo dla piasku będzie to ok. 20 mm. Dodatkowo należy również wspomnieć o sprawności układów gruntowo-geotkaninowych wg tab. 1, w tym zestawieniu wyników rozpatrywanymi gruntami w kontakcie z geotkaninami są piaski.

W dalszej części będzie można to zestawić ze sprawnościami dla geosiatek.

Tab. 1. Wyniki testów bezpośredniego ścinania dla geotkanin [3]

Fot. 5. Zbrojenie wysokich skarp na dojazdach do przeprawy przez rz. Odrę w Szczecinie

Rys. 3. Trajektorie przemieszczeń znaczników umieszczonych w warstwie piasku podczas testu pull-out w aparacie skrzynkowym (1000 cm²)

Geosiatki

Geosiatki to płaski wyrób o otwartej strukturze z trwale połączonych elementów wcześniej naciąganych i łączonych w procesach wytłaczania, spajania lub przeplatania. Ich zastosowanie łączy się z funkcją zbrojenia (wzmocnienia) we wszelkich robotach ziemnych. Ze względu na układ działania sił rozciągających stosuje się siatki jedno- lub dwukierunkowe, przeplatane lub o sztywnych węzłach. Wytrzymałość na zerwanie dla geosiatek zawiera się w granicach 20-110 kN/m.
Pod względem funkcjonalności mogą samodzielnie pełnić tylko funkcję zbrojenia. Geosiatki są zatem materiałem o dużych otworach zwanych oczkami, których rozmiary mieszczą się zazwyczaj w zakresie od 10 do 100 mm. Oczka znajdują się między żebrami wzdłużnymi i poprzecznymi. Same żebra wytwarza się z wielu różnych materiałów, różne mogą być też metody łączenia czy też spajania miejsc, w których żebra krzyżują się ze sobą.

W przypadku geosiatek nie ma więc mowy o całkowicie pokrytej powierzchni gruntu. Powierzchnia otwarta wynosi dla różnych geosiatek od 40 do 95%. Te wielkości wskazują, że przez płaszczyznę geosiatki przedostanie się czy też przebije większość gruntów.

Fot. 6. Geosiatki

Rys. 4. Mechanizmy związane z wytrzymałością geosiatki na wyciąganie

Podobnie jak dla geotkanin wyniki badań porównawczych dla gruntów mineralnych (piaski, pospółki) są porównywalne również dla geosiatek z tzw. efektem przyściennym. W tego typu drobnych gruntach geosiatki mobilizują w trakcie ich wyciągania warstwę gruntu o grubości również ok. 20 d₆₀ (rys. 5).

Do tego, tak jak poprzednio, należy również wspomnieć o sprawności układów gruntowo-geosiatkowych, wg tab. 2 w zestawieniu wyników można zauważyć, że rozpatrywanymi gruntami w kontakcie z geosiatkami jest kruszywo grube łamane o kącie tarcia 44^o.

Tab. 2. Wyniki testów bezpośredniego ścinania dla geosiatek [3]

Wniosek nasuwa się jeden – w gruntach drobnych efekt stabilizujący geosiatką nie występuje taki, jaki wynikałby z oczekiwań. Inaczej sprawa przedstawia się dla kruszywa łamanego stabilizowanego mechanicznie o uziarnieniu np. 31,5/63 mm. Można powiedzieć, że tylko w tych przypadkach, gdy kruszywem będzie tłuczeń lub kliniec, zachodzi mechanizm pracy oparty na klinowaniu ziaren kruszywa w oczkach geosiatek.

Wybrane przykłady zastosowania geosiatek pokazują fot. 7 i 8.

Stąd też bardzo ważne jest zaznaczenie, że geosiatki dobrze pracują tylko z grubym łamanym kruszywem.

Podstawowym mankamentem niewątpliwie doskonałego materiału, jakim jest geosiatka, jest brak możliwości pełnienia funkcji separacji i odwodnienia (filtracji i drenażu).

Czasami można też się spotkać z poglądami, że geosiatki pełnią funkcje separacyjne, drenujące i filtracyjne. Jednak chyba nie o takie funkcje chodzi adwersarzom.

Dla zapewnienia oddzielenia dwóch różnych warstw gruntowych geosiatki muszą być użyte z geowłókninami lub geotkaninami. Dodatkowym mankamentem jest konieczność dokonywania właściwego doboru uziarnienia gruntu dla uzyskania maksymalnego efektu zazębiania żeber siatki i wypełniającego kruszywa. W porównaniu z geotkaninami nie mogą też geosiatki konkurować ceną i wytrzymałością na rozciąganie.

Fot. 7. Wzmocnienie warstwy podtorzowej torowiska kolejowego

Fot. 8. Wzmocnienie podłoża konstrukcji drogowej z dodatkowym pasmem geowłókniny jako separatora pod geosiatką i obsypką z piasku/pospółki

Podsumowanie

Wiele aspektów związanych z zastosowaniem geotkanin i geosiatek związanych jest z niewiedzą o funkcjonalności, zasadach projektowania i doborem materiałów ziarnistych.
Wydaje się czasami, że zasadniczy wpływ na wybór danego geosyntetyku w projekcie może mieć pierwszy kontakt z dystrybutorem, odpowiednio sporządzony prospekt działający na wyobraźnię projektanta podnoszący w specyficzny sposób wyższość jednego materiału nad drugim, uczestnictwo w sympozjach, szkoleniach organizowanych przez producentów lub dystrybutorów oraz odpowiedni marketing na rynku. Zalet geosiatek nie sposób przecenić w zastosowaniach 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.

Bardzo częstym zjawiskiem jest projektowanie geosiatek podścielonych geowłókninami z wypełnieniem piaszczystym/pospółkowym. W takich przypadkach wnioski dotyczące zasadności wyboru nasuwają się same, a projektant niejednokrotnie nie potrafi racjonalnie uzasadnić swojego wyboru i zastosowania akurat np. geosiatek. Potwierdzają to wszelkiego typu narady, rady budowy i nadzory autorskie.

Rys. 5. Trajektorie przemieszczeń znaczników umieszczonych w warstwie piasku podczas testu pull-out w aparacie skrzynkowym (1000 cm²)

Biorąc pod uwagę, że zasadność wzmocnienia/zbrojenia podłoża pojawia się przy wytrzymałości pasma geosyntetyku min. 120-150 kN/m, bez wątpienia mamy tutaj prosty wybór.

Jeżeli przyjmiemy dodatkowo jako kryterium aspekt finansowy i optymalizację kosztowo-organizacyjną przedsięwzięcia, to na przykład dla wzmocnienia podstawy nasypu geosyntetykiem o wytrzymałości na zerwanie min. 120 kN/m, kiedy do wyboru mamy geotkaniny lub geosiatki z dodatkowo zastosowaną geowłókniną separacyjną, otrzymujemy:

geotkanina 120 kN/m 5,0 zł/m²*

                                5,0 zł/m²*

Geosiatka 110 kN/m 18,0 zł/m²*

+ geowłóknina           3,50 zł/m²*

                              21,50 zł/m²*

* ceny orientacyjne

Wobec powyższego zestawienia kosztów materiałów wybór wydaje się prosty.

Przy założeniu racjonalnego podnoszenia wiedzy na temat geosyntetyków w środowisku inżynierskim, eliminowania błędnych wytycznych, prawidłowego interpretowania zasad wynikających z kryteriów wbudowywania, stosowania odpowiednich obliczeń według zweryfikowanych i ogólnie akceptowalnych wzorów otrzymamy w konsekwencji projekt, a następnie obiekt bez wad ukrytych.

Wprowadzane nowe procedury, legislacja, normowanie i aktualne SST dotyczące szczególnie opisywanej branży pozwolą na kolejne eliminowanie błędów projektowych i wykonawczych z korzyścią dla obiektów.

Stosowanie geosyntetyków wymaga bardzo dobrego przygotowania merytorycznego projektantów, wykonawców robót, nadzoru i świadomych celu inwestorów.

Piotr Jermołowicz

Inżynieria Środowiska, Szczecin

Literatura

1. E. Dembicki, PI Jermołowicz, Soil – Geotextile Interaction, „Geotextiles and Geomembranes” nr 10/1991.
2. P. Jermołowicz, Współoddziaływanie grunt – geowłóknina, Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej nr 31, Szczecin 1989.
3. R.M. Koerner, Designing with geosynthetics (fifth edition), Prentice Hall 2005.
4. H. Perrier, Sol bicouche renforce par geotextile, LCPC, Paryż 1983.
5. G. Richardson, Geogrids i/s. geotextiles in roadway applications, Geotechnical Fabrics Report 1997.
6. W. Voskamp, A history of differences, Geotechnical Fabrics Report 1995.