Geowłókniny czy geotkaniny?

Kontynuując cykl poświęcony rozważaniom nad poszczególnymi rodzajami geosyntetyków, przyszedł czas na zadanie kardynalnego pytania – stosować geowłókniny czy też może geotkaniny? Na to pytanie można odpowiedzieć, porównując ich strukturę, sposób produkcji, właściwości mechaniczne oraz funkcje, jakie pełnią w kontakcie z gruntem.

Jest rzeczą oczywistą, że materiały geosyntetyczne stały się jednymi z ważniejszych materiałów w branży budowlanej. Trudno obecnie sobie wyobrazić wiele inwestycji bez ich udziału. Geosyntetyki są doskonałym materiałem inżynierskim w szerokim zakresie zastosowań – w transporcie, geotechnice, inżynierii środowiska, hydrotechnice i budownictwie kubaturowym. Tempo, w jakim się rozwija ten sektor materiałów, jest co najmniej zadziwiające. Nie było jeszcze takiego materiału, który tak szybko by się rozpowszechnił.

Rys. 1. Funkcjonalność geowłóknin i geotkanin

Z drugiej strony pomimo publikowania ogromnej liczby artykułów i organizowania konferencji lub warsztatów tematycznych zauważa się luki w normalizacji podstaw projektowania i konstruowania obiektów z udziałem geosyntetyków.

Wydawać by się mogło, że praktycznie z wyborem między geowłókniną a geotkaniną nie powinno być problemów. Jednak jest to, jak praktyka pokazuje, bardzo ryzykowna teza.

Przyczyn należy doszukiwać się w naszym schematycznym działaniu. Pierwsze na rynku były właśnie geowłókniny, które w latach 70. XX w. stosowano powszechnie, i ten stereotyp, mimo pojawienia się geotkanin, pozostał. Następną kwestią jest brak wiarygodnych doświadczeń i dodatkowo wiedzy w tym zakresie.

Przyzwyczajenia zaczerpnięte z wczesnych artykułów, wytycznych i błędnie przetłumaczonych oraz wielokrotnie kompilowanych fraz z dostępnej literatury zachodniej są przyczyną błędnych doborów opartych na gramaturze, grubości wyrobu, a nie na wytrzymałości czy otwartości porów i filtracji, i to pokutuje do dnia dzisiejszego.

Zgodnie z normą PN-EN ISO 10318:2015 geotekstylia (GTX) są płaskim, przepuszczalnym wyrobem tekstylnym polimerowym, tkanym, nietkanym lub dzianym, stosowanym w kontakcie z gruntem w szeroko pojętej branży budowlanej i hydrotechnicznej.

Natomiast geowłókniną (nonwoven GTX-N) nazywamy nietkany wyrób tekstylny złożony z kierunkowo lub losowo ułożonych włókien ciągłych lub ciętych wzajemnie połączonych mechanicznie, termicznie lub chemicznie.

Przeczytaj też: Geotkaniny czy geosiatki?

Ze względu na swoją strukturę i właściwości geowłókniny przeznaczone są do wszelkiego rodzaju funkcji separujących, drenujących i filtracji. Ich stosunkowo niskie (ok. 30 kN/m) wytrzymałości na rozciąganie i duże wydłużenia (ponad 100%) wykluczają je z wszelkich zastosowań wzmacniających lub zbrojących podłoże.

Rys. 2. Typy splotów geotkanin

Geotkaniną (woven GTX-W) nazywamy wyrób tekstylny powstały przez przeplatanie, zazwyczaj pod kątem prostym dwu – lub większej ilości przędzy, włókien ciągłych lub innych elementów.

W zakresie geosyntetyków jedyną Polską Normą autorską jest ustanowiona w 1997 r. norma PN-B-10290 dotycząca wymagań dla geomembran stosowanych na składowiskach odpadów. Pozostałe obowiązujące normy dotyczące geosyntetyków są to przetłumaczone normy europejskie. Zdecydowanie gorsza sytuacja jest w zakresie samego projektowania, wybierania schematu statycznego i trafności obliczeń złożonych konstrukcji z zakresu mechaniki zbrojonych nasypów gruntowych, hydrauliki czy odwodnień i drenaży.

Do produkcji geowłóknin i geotkanin stosowanych w robotach odwodnieniowych, ziemnych, fundamentowych i w konstrukcjach oporowych stosuje się następujące polimery: polietylen (PE), polipropylen (PP), poliamid (PA), poliester (PTE – PES), aramid (AR), polivinyloalkohol (PVA).

Rys. 3. Wytrzymałość geosyntetyków a ich funkcjonalność

Rys. 4. Wykresy wytrzymałości geotkanin i geowłóknin a ich wydłużenie; HDPE – polietylen o wysokiej gęstości

Dla trwałości poszczególnych polimerów mają znaczenie ich odporności chemiczne i UV.

Zasadnicze znaczenie ma tutaj wartość pH. W warunkach normalnych przy 4 < pH < 9

grunty i wody gruntowe mogą być uznane za nieszkodliwe wobec geosyntetyków.

Poza tymi przedziałami wartości odczyn pH musi być brany pod uwagę przy ocenie trwałości materiałów.

Przyczyną nadmiernego odczynu zasadowego gruntów (pH > 9) mogą być zabiegi stabilizacyjne (cement, wapno) lub bezpośredni kontakt z mieszanką betonową, a przyczyną nadmiernego odczynu kwasowego (pH < 4) – stabilizacja podłoża nieodsiarczonymi popiołami. Sprawdzeniu pH powinny podlegać również grunty antropogeniczne, organiczne lub rodzime skażone.

Tab. Odporność polimerów na działanie ośrodków o różnym pH

Geowłókniny

Domeną geowłóknin jest separacja, filtracja i drenaż. Połączenie właściwości hydraulicznych filtracji i drenażu z separacją stanowi unikalną cechę wszystkich geowłóknin.

Geowłókniny nie mają zastosowania do wzmacniania lub zbrojenia podłoży i nasypów gruntowych.

Rys. 5. Zakresy zastosowań geowłóknin

Główną funkcją geowłóknin jest filtracja, polegająca na zatrzymywaniu cząstek gruntu przy jednoczesnym zapewnieniu przepływu wody między dwoma różnymi warstwami gruntów. Geowłókniny są używane do konstruowania drenaży objętościowych, owijania rur drenarskich jako warstwy ograniczające erozję powierzchniową i wgłębną – sufozję – i jako warstwy podścielające geosiatki, gabiony i systemy geokomórkowe.

Rys. 6. Zasada działania filtru geowłókninowego

Funkcje te wymagają właściwego doboru optymalnych wymiarów porów i odpowiednio dużej wodoprzepuszczalności w kierunku prostopadłym do płaszczyzny. W wielu przypadkach istotna jest również wytrzymałość na zerwanie. Z różnych podziałów geowłóknin warto zwrócić uwagę na następujący:

• geowłókniny filtracyjne,
• geowłókniny filtracyjno-separacyjne,
• geowłókniny filtracyjno-separacyjne dla trudnych warunków,
• geowłókniny ochronno-drenażowe.

Istotne parametry dla odpowiednio zaprojektowanych geowłóknin to:

• wymiar porów O₉₀,
• wodoprzepuszczalność w kierunku prostopadłym do płaszczyzny,
• wytrzymałość na rozciąganie.

Te parametry decydują też o występowaniu kolmatacji (zapychaniu się porów) geowłókniny drobnymi cząstkami gruntu. Projektowanie filtrów z geosyntetyków, służących do ochrony przed erozją, komplikuje fakt, że przepływ wody jest często turbulentny. Kryteria dla filtrów, które powinny zapewniać zatrzymanie drobnych cząstek i ziaren, 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 różnoziar- nistości definiowany jako d₆₀/d₁₀, O₉₀ – otwartość (średnica porów geosyntetyków, których zawartość wraz z mniejszymi porami wynosi 90%), d₅₀ – średnica zastępcza cząstek, które wraz z mniejszymi cząstkami stanowią w gruncie 60% masy

warunki obciążenia dynamicznego

O₉₀ < d₅₀

b) grunty spoiste

warunki statyczne/dynamiczne obciążenia

O₉₀ < 10 X d₅₀

oraz O₉₀  ≤ d₉₀

i O₉₀ ≤ 100 µm

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”.

Z powodu zmiennego kierunku przepływu wody często nie jest możliwe powstanie sieci sklepień z ziaren gruntu przylegających do geowłókniny. Wskutek tego nie może powstać w gruncie stabilny układ filtrujący. Otwartość geosyntetyków jest krytycznym parametrem niejednokrotnie ujawniającym błędy w doborze w sposób bardzo drastyczny.

Przykładem tego może być awaria rowu drogowego odwadniającego podstawę skarpy obwałowania składowiska mokrego popiołów z elektrowni. Geowłóknina mająca pełnić funkcję podścielającą i separującą płyty IOMB oraz drenażu u podstawy skarpy została błędnie dobrana, kryterium doboru była tylko gramatura. Brak sprawdzenia kryteriów filtracji i kolmatacji dla złożonych warunków gruntowo-wodnych objawił się zniszczeniem rowu poprzez gwałtowne przebicie hydrauliczne na odcinku ok. 600 m.b. rowu (fot. 9 i 10). Okazało się, że współczynnik filtracji geowłókniny zmniejszył się po roku 16-krotnie.

Fot. 9, 10. Uszkodzenie rowu na skutek przebicia hydraulicznego i wyporu wywołanego zakolmatowaniem geowłókniny

Przy projektowaniu filtrów zalecane są następujące wartości kryteriów:

• zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu,
• grunty drobnoziarniste O₉₀ ≤ 10 d₅₀,
• grunty trudne O₉₀ ≤ d₉₀,
• grunty grubo- i różnoziarniste
  O₉₀ ≤ 5 d10 √U oraz O₉₀ ≤ d_90,
• kolmatacji – dla wybranego wyrobu
  O_90gtx = (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 geowłókniny, d₁₀, d₅₀, d₉₀ – wielkości ziaren gruntu, które wraz z mniejszymi stanowią odpowiednio odpowiednio 10, 50 i 90% masy gruntu.

Geotkaniny są jedynym materiałem mogącym pełnić wszystkie funkcje jednocześnie. Ze względu na bardzo wysokie wytrzymałości na rozciąganie (w granicach 15-4000 kN/m) i niskie wartości wydłużenia (6-15%) są niezastąpione przy wzmacnianiu podłoży dróg gruntowych i ulepszonych, linii kolejowych, wysokich nasypów, konstrukcji wsporczych lub wałów przeciwpowodziowych. Dlatego też są uważane za najbardziej optymalne rozwiązanie pod względem organizacyjnym i kosztowym każdego przedsięwzięcia inwestycyjnego.

Rys. 7. Podstawowe funkcje geotkanin

W większości przypadków geotkaniny pełnią cztery podstawowe funkcje:

• separacyjną – jako warstwy odcinające lub separujące grunt podłoża od nasypu, hamując tym samym mieszanie się tych gruntów jak również likwidując podciąganie wód kapilarnych i uniemożliwiając przez to powstawanie przełomów wiosennych w nawierzchniach bitumicznych;
• wzmacniającą – jako warstwy poprawiające nośność słabego podłoża pod nasypami lub polepszające wytrzymałość nawierzchni na rozciąganie itd.;
• filtracyjną – jako filtry chroniące materiał przepuszczalny przed kolmatacją i zmianą właściwości filtracyjnych;
• drenującą – jako dreny odprowadzające wodę w swojej płaszczyźnie.

Geotkaniny mogą i najczęściej pełnią jednocześnie więcej niż jedną z wymienionych wyżej funkcji.

Rys. 8. Zakresy zastosowań geotkanin

Konstrukcje z gruntu zbrojonego geotkaninami to głównie nasypy, strome skarpy i mury oporowe, gdzie oprócz materiału nasypowego układa się dodatkowo warstwami zbrojenie, które ma je wzmacniać. 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 z geotkanin 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.

Podczas projektowania obiektów inżynierskich najistotniejsze są następujące parametry geotkanin: wytrzymałość na rozciąganie, wydłużalność, wodoprze- puszczalność, otwartość porów.

Otwory powstałe na kierunkach osnowy i wątku mają charakter izotropowy i mają 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 od geowłóknin.

Umiejętne wykorzystanie ich właściwości pozwala na w pełni satysfakcjonujące projektowanie nie tylko zbrojenia podstawy nasypów w ekstremalnych warunkach, ale także budowę murów oporowych i stabilizacji stromych skarp. Wiele ośrodków naukowych i badawczych zajmuje się wyborem i analizą poszczególnych przypadków wzmacniania podłoży gruntowych, i to tych dotyczących szczególnie nasypów.

Na rys. 9 przedstawiono wyniki badań i obserwacji nasypów posadawianych na gruntach słabych z różnymi schematami wzmocnienia i różnymi geosyntetykami.

Rys. 9. Wyniki badań nośności podłoża z zastosowaniem różnych geosyntetyków i ich układów w nasypie

Analizując wyniki badań i wykonywanych obliczeń, należy stwierdzić, że:

• efekt zamkniętej „poduszki” geotkaninowej jak również zastosowanie kontrbankietów jest najbardziej optymalnym wariantem wzmocnienia podłoży nasypów drogowych, kolejowych, wałów przeciwpowodziowych itd.;
• dużym nieporozumieniem natomiast jest stosowanie geowłók- nin i wszelkiego rodzaju kompozytów drenarskich do wzmacniania podłoży pod nasypami dobranymi jedynie na podstawie gramatury (czyli masy 1 m² w gramach).

Geowłókniny czy geotkaniny? Podsumowanie

Wiele aspektów związanych z zastosowaniem geotkanin i geowłóknin wynika z niewiedzy o ich funkcjonalności, zasadach projektowania i doborze materiałów ziarnistych. Wydaje się czasami, że zasadniczy wpływ na wybór geosyntetyku w danym 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.

Przy założeniu racjonalnego podnoszenia wiedzy na temat ge- osyntetyków w środowisku inżynierskim, eliminowania błędnych wytycznych, prawidłowego interpretowania zasad wynikających z kryteriów wbudowywania, stosowania odpowiednich obliczeń według zweryfikowanych i ogólnie akceptowalnych wzorów powstaną projekty, a następnie obiekty bez wad ukrytych. Wprowadzane nowe procedury, legislacja, normowanie i aktualne szczegółowe specyfikacje techniczne 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.

Uwaga: W znalezieniu odpowiedzi na pytania dotyczące geosyntetyków pomocna może być internetowa encyklopedia prezentowana przez autora artykułu na http://www.inzynieriasrodowiska.com.pl/encyklopedia.

Literatura

1. E. Dembicki, P Jermołowicz, Soil- Geotextile Interaction, „Geotextiles and Geomembranes” 10/1991.
2. PI 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, GFR 1997.
6. W. Voskamp, A history of differences, GFR 1995.

Piotr Jermołowicz
Inżynieria Środowiska, Szczecin
Zdjęcia i rysunki autora

Polecamy też: Stosowanie materiałów geosyntetycznych w ochronie przeciwerozyjnej skarp