Korzyści płynące ze stosowania technologii gruntów zbrojonych geosyntetykami są bardzo duże – począwszy od szybkości realizacji inwestycji, a skończywszy na pozyskaniu oszczędności materiałowych.
Konstrukcje z gruntu zbrojonego są znane od co najmniej czterech tysięcy lat. Stosując zbrojenie, starano się wytworzyć kompozyt, który w przeciwieństwie do samego gruntu będzie posiadał wytrzymałość na rozciąganie. Najstarszymi znanymi budowlami, których fragmenty do dzisiaj przetrwały, są zigguraty wzniesione około 2000 lat p.n.e. w Mezopotamii. W tym przypadku zbrojenie stanowiły maty z trzciny, a jako budulca używano gliny. W czasach antycznych jako wkładki zbrojeniowe używano również gałęzie lub bale drewniane. Na „nowo” odkrył grunt zbrojony Henri Vidal, który w 1963 r. opracował metodę wymiarowania ścian oporowych z gruntu zbrojonego i podał zasady ich wykonawstwa. Grunt w tych ścianach posiadał zbrojenie ze stalowych taśm, a lico stanowiły elementy z blachy stalowej w kształcie poziomo leżącej litery U [1]. W późniejszych konstrukcjach na lico były stosowane płyty żelbetowe w formie zbliżonej do krzyża.
Wraz ze wzrostem produkcji polimerów i obniżką ich ceny nastąpiło szersze zastosowanie geosyntetyków do ulepszania gruntu.Na początku stosowano głównie geotkaniny i geowłókniny. Znalazły one zastosowanie przeważnie w budownictwie wodnym i morskim. Wraz z dalszym rozwojem produktów do ulepszania gruntów wprowadzono na rynek budowlany maty drenażowe, dreny taśmowe, geosiatki, geomembrany i geokompozyty. Rozszerzeniu uległo zastosowanie geosyntetyków na budownictwo drogowe, kolejowe i na budowę składowisk. Nastąpił dalszy znacznie większy zakres wykorzystania w budownictwie i ochrony przed erozją. Ostatnio georury znalazły zastosowanie w hydrotechnice i jako silne opaski kolumn piaskowych w gruncie ultrasłabym.
Fot. 1 Jedna z pierwszych ścian oporowych z gruntu zbrojonego w Polsce (rok budowy 1980), teren byłej kotłowni, Osiedle Strzelecka, Chełmno, stan 2012 (fot. J. Sobolewski)
W zasadzie można obecnie uważać, że okres pionierski w zastosowaniu geosyntetyków, w takich krajach jak: Francja, Wielka Brytania, USA, Japonia, Niemcy, już się zakończył. W krajach tych zostały wydane normy budowlane i nastąpiła samoregulacja rynku. Coraz więcej projektów przygotowywanych jest planowo ze zbrojeniem geosyntetycznym. Chodzi tu już o budowle o większym stopniu trudności lub też o wielkogabarytowe konstrukcje, takie jak nasypy drogowe lub kolejowe, wysokie ściany oporowe i przyczółki mostowe. Na fot. 2 pokazano ścianę oporową z gruntu zbrojonego o wysokości 22 m z „zielonym licem”, a fot. 3 – ścianę oporową o wysokości 20 m z licem z bloczków, które zostały zaprojektowane z uwzględnieniem warunków stateczności i dopuszczalnych odkształceń.
Poza nasypami posadowionymi bezpośrednio na słabym podłożu, ścianami oporowymi i przyczółkami wykonuje się także posadowienia na palach lub kolumnach ze zbrojeniem geosyntetycznym, które układa się powyżej głowic pali lub ich zwieńczeń,co pozwala skrócić czas budowy i zmniejszyć dowóz materiału dla kompensacji osiadań. Coraz częściej także łączy się systemy, tak aby uzyskać możliwie najlepsze efekty inwestycyjne. W tym przypadku chodzi o nasypy z gruntu zbrojonego tworzące rampy dojazdowe do obiektów mostowych i zajmujące stosunkowo mało terenu. Konstrukcje tego typu stosuje się również na poszerzeniach dróg, autostrad czy linii kolejowych, co eliminuje konieczność dodatkowego zakupu terenu pod poszerzenia [8]. Często można w tych konstrukcjach wykorzystać grunt miejscowy, co pozwala obniżyć koszty.
Fot. 2 Ściany oporowe z gruntu zbrojonego geosyntetykami, Niemcy, 2001 (fot. Huesker)
Zastosowanie geosyntetyków w Polsce ma nieco krótszą tradycję niż w krajach zachodnich (fot. 1). Jednym z największych obiektów w Polsce zrealizowanym z gruntu zbrojonego jest nasyp drogowy na DW 933 w Jastrzębiu-Zdroju [2]. Nasyp ten został wykonany na aktywnym górniczo terenie i posiada stosunkowo strome skarpy. Oprócz zbrojeń przyskarpowych układane były zbrojenia o wytrzymałości krótkotrwałej na rozciąganie do 250 kN/m spinające cały nasyp zagrożony rozluźnieniem od deformacji górniczych w podłożu, fot. 4 [2, 4].
Innym przykładem konstrukcji ziemnej z gruntu zbrojonego może być ściana oporowa z licem kamiennym, biernym, które zostało wykonane po zakończeniu deformacji konstrukcji zasadniczej, a więc bloku z gruntu zbrojonego, który jak widać na fot. 5a, znajduje się za licem kamiennym. Do budowy bloku z gruntu zbrojonego użyto tkaninę z poliestru, co obniżyło koszty materiałowe budowli. Na fot. 6 przedstawiono budowę ściany oporowej z licem semi-biernym wykonanym z bloczków betonowych na obwodnicy Kielc w ciągu S7. W tym przypadku lico ściany oporowej było wznoszone tylko z małym opóźnieniem czasowym w stosunku do wysokości bloku z gruntu zbrojonego, a więc nie odczekiwano do zakończenia deformacji i osiadań budowlanych. Bloczki w licu były kotwione do bloku z gruntu zbrojonego za pomocą dodatkowych wkładek geosiatki, które wbudowywano w trakcie wznoszenia bloku. Przestrzeń między licem z bloczków a licem bloku z gruntu zbrojonego wypełniano keramzytem, aby zmniejszyć parcie silosowe od wypełnienia pustki za licem.
W 2007 r. ukazała się w Polsce instrukcja [3] z zaleceniami do projektowania konstrukcji ziemnych z gruntu zbrojonego. Szczegółowych norm budowlanych lub przepisów, które regulowałyby zastosowanie geosyntetyków w polskim budownictwie, praktycznie nadal nie ma, co było i jest barierą w ich szerszym i śmielszym stosowaniu.
Fot. 3 Ściana oporowa z licem z bloczków, system Rockwood, Hiszpania, 2002 (fot. Huesker)
Krótka charakterystyka polimerów i produktów stosowanych do zbrojenia gruntu
Z bardzo szerokiej gamy polimerów, jakie obecnie są produkowane na skalę przemysłową dla geoproduktów na zbrojenia gruntu, stosuje się w zasadzie następujące:
– aramid (AR),
– poliwinyloalkohol (PVA),
– poliester (PES, PET),
– poliamid (PA),
– polipropylen (PP),
– polietylen wysokiej gęstości (PEHD).
Wynika to zarówno z ceny tych polimerów, jak i ich właściwości fizyko-mechanicznych i odporności chemicznej. Wymienione polimery wykazują dostateczną odporność w naturalnym środowisku gruntowo-wodnym o pH w zakresie 4–9, jeżeli bez dłuższej zwłoki pokryte będą po instalacji gruntem lub osłonięte od działania promieniowania słonecznego. Projektant, decydując się na konstrukcję z gruntu zbrojonego, powinien mieć dostateczną wiedzę o geosyntetykach, tak aby móc odpowiedzialnie ją zaprojektować, a później prowadzić nadzór autorski nad budową.Oczywiście, rodzaj gruntu nasypowego, a także rodzimego w posadowieniu, typ budowli i rodzaj technologii budowy będą miały wpływ na wybór najlepszego rozwiązania zbrojenia.
Fot. 4 DW 933 Jastrzębie-Zdrój – budowa nasypu z gruntu zbrojonego na terenie aktywnych szkód górniczych (fot. Inora)
Ważnymi właściwościami zbrojenia są nie tylko liczbowo wyrażona wytrzymałość krótkotrwała na rozciąganie (Fo,k), którą można odczytać z etykiet lub dokumentacji dostawczej producenta, ale również:
– obliczeniowa wytrzymałość długoterminowa (Fd) ustalona przy uwzględnieniu wszystkich wpływów, dla punktu zerwania geosyntetyku lub umownej granicy wydłużenia;
– charakterystyczna wartość wytrzymałości na rozciąganie dla dopuszczalnego całkowitego wydłużenia się zbrojenia (Fe,k), od momentu wbudowania do końca eksploatacji obiektu;
– dla przyczółków mostowych: charakterystyczna wartość wytrzymałości na rozciąganie dla dopuszczalnego wydłużenia przy pełzaniu (FÄe,k), od końca budowy do końca okresu eksploatacji;
– wartość charakterystyczna modułu sztywności na rozciąganie (Jk) przy uwzględnieniu wszystkich wpływów dla założonego czasu obciążenia i temperatury;
– współczynnik zazębienia się zbrojenia z gruntem.
Fot. 5 Ściana oporowa z pasywnym oblicowaniem kamiennym: a) wznoszenie lica kamiennego, b) ściana po oblicowaniu (fot. Inora)
Wyznaczanie wartości charakterystycznych i obliczeniowych zbrojenia geosyntetycznego dla długotrwałych warunków pracy pod obciążeniem
Kraje UE przeszły w zasadzie w projektowaniu geotechnicznym na Eurokod 7. Francja, W. Brytania i Niemcy wydały odpowiednie normy stanowiące załączniki krajowe do EC 7, w których zawarły postanowienia dotyczące konstrukcji ziemnych z gruntu zbrojonego (np. w Niemczech obowiązuje od 2010 r. EBGEO 2010 [5]). W Polsce powstała Instrukcja ITB 429/2007. Należy pamiętać, że grunt zbrojony stanowi kompozyt: zbrojenie-grunt, a zatem nie tylko cechy zbrojenia, ale również cechy gruntu użytego do danej konstrukcji ziemnej mają wpływ na jej zachowanie się pod wpływem obciążeń lub wymuszonych deformacji.Takie dane jak: uziarnienie, wskaźnik zagęszczenia, kąt tarcia wewnętrznego, edometryczny moduł ściśliwości i współczynnik filtracji powinny się znaleźć w specyfikacji. Inaczej przecież nie można byłoby sporządzić obliczeń. Dodatkowo należy ująć te dane, które miałyby wpływ na starzenie się geosyntetyku w danym środowisku gruntowo-wodnym.
Stan graniczny nośności (1. stan graniczny), wyznaczanie obliczeniowej wartości wytrzymałości na rozciąganie
W metodzie stanów granicznych wyznacza się wartość obliczeniową geosyntetyków na rozciąganie dla 1. stanu granicznego [5]:
(1)
gdzie: A1…5 – współczynniki materiałowe uwzględniające poszczególne wpływy: A1 – pełzanie; A2 – uszkodzenia mechaniczne powstałe w procesie wbudowywania; A3 – utrata wytrzymałości na połączeniach; A4 – wpływ środowiska wodno-gruntowego; A5 – wpływ obciążeń cyklicznych lub dynamicznych na zmęczenie materiałowe (współczynniki te stanowią charakterystyki materiałowe, a więc nie zawierają zapasów bezpieczeństwa); Fo,k – wartość charakterystyczna (krótkoterminowa, UTS – ultimate tensile strength) wytrzymałość na rozciąganie według EN ISO PL 10 319 na taśmach o szerokości 20 cm rozciąganych ze standardową prędkością 20%/min. Jest to wartość deklarowana dla poziomu ufności 95%; gM – współczynnik bezpieczeństwa materiałowego.
Instrukcja [3] definiuje wartości współczynników cząstkowych bezpieczeństwa jedynie w odniesieniu do podstawowego stanu obciążenia i pomija stan budowlany i wyjątkowy. W Instrukcji 429/2007 przyjęto gM = 1,30 dla podstawowego stanu obciążenia, a nie jak we Francji i Niemczech 1,40. Zaleca się jednak przyjmować następujące wartości gM dla stanu:
– podstawowego obciążeń 1,40;
– budowlanego 1,30;
– wyjątkowego 1,20.
Współczynniki materiałowe A1….A5 ustalane są na podstawie badań laboratoryjnych, a nawet i polowych (A2) [6, 7], ich wartości powinny być ustalone lub potwierdzone przez laboratoria niezależne.
Fot. 6 Ściana oporowa z semipasywnym licem z bloczków betonowych, S7 obwodnica Kielc, 2012 (fot. Inora)
Stan graniczny użytkowalności (2. stan graniczny), wyznaczanie wartości charakterystycznej wytrzymałości długoterminowej zbrojenia
W odniesieniu do gruntu zbrojonego sprawdza się, oprócz osiadania i innych deformacji, warunek dopuszczalnego wydłużenia się zbrojenia. Ustalone na drodze doświadczeń wartości dopuszczalne wydłużeń zbrojenia mają chronić dany obiekt przed nadmiernymi deformacjami. W zależności od tradycji i stopnia doświadczenia wartości dopuszczalnych wydłużeń nieco inaczej są definiowane w różnych krajach. Instrukcja [3] opiera się głównie na zaleceniach brytyjskich, ponieważ większość postulowanych tam wartości jest zgodna z ówczesną normą BS 8006:2005.
Zgodnie z [3] dla 2. stanu granicznego wyznaczać należy wartość charakterystyczną wytrzymałości na rozciąganie z warunku dopuszczalnego całkowitego wydłużenia:
(2)
gdzie: be – dopuszczalny stopień obciążenia zbrojenia dla danego dopuszczalnego wydłużenia zbrojenia egr i danego okresu użytkowania budowli (t).
Wartość be ustala się w oparciu o izochrony dla danego produktu. W przypadku przyczółków lub podpór mostowych dodatkowo wyznacza się wartość charakterystyczną wytrzymałości zbrojenia dla warunku nieprzekroczenia ?e. Niestety, bardzo rzadko pojawiają się w specyfikacjach technicznych warunki stawiane wydłużeniom, co oznacza, że dany projekt nie został przemyślany do końca i nie zawiera sprawdzenia warunków na wydłużenie zbrojenie.
Sprawdzenie dostatecznego zakotwienia zbrojenia
Ażeby zbrojenie mogło przejąć na siebie przewidywaną siłę rozciągającą, musi być odpowiednio zakotwione w gruncie. W ramach obliczeń konstrukcji z gruntu zbrojonego należy sprawdzić warunek jego zakotwienia lub też wyznaczyć nośność zbrojenia z tytułu zakotwienia, ponieważ nie zawsze nośność zakotwienia jest większa od wytrzymałości na rozciąganie samego zbrojenia. Przeprowadzając obliczenia stateczności, sprawdza się poszczególne możliwe schematy zniszczenia konstrukcji, które definiowane są za pomocą linii lub krzywych poślizgu. Gdy linia lub krzywa poślizgu przecina zbrojenie, zakłada się, że w zbrojeniu może być zmobilizowana siła rozciągająca. Maksymalną wartość siły, jaką może przenieść dana wkładka, ustala się, biorąc pod uwagę: wytrzymałość na rozciąganie; nośność zakotwienia zbrojenia pozostającego na lewo od linii lub krzywej poślizgu, nośność zakotwienia zbrojenia pozostającego na prawo od linii lub krzywej poślizgu.
Wartość minimalna z wyżej wymienionych trzech wartości jest miarodajna i wprowadzana jest do bilansu sił lub momentów w warunkach równowagi. A zatem bez wyznaczenia nośności zakotwień poszczególnych wkładek nie da się przeprowadzić obliczeń stateczności.
Zaleca się dla większych obiektów wykonywanie badań w wielkogabarytowych aparatach skrzynkowych lub na budowie w celu wyznaczenia wskaźnika zazębienia się zbrojenia z gruntem.
Specyfikacje na zbrojenia geosyntetyczne
Finalną operacją projektanta po sporządzeniu obliczeń jest sporządzenie rysunków konstrukcyjnych i przygotowanie specyfikacji. Dla większych obiektów należy wykonać plany instalacji zbrojeń.W specyfikacji projektant powinien ująć wszystkie najważniejsze parametry, które zastosował w obliczeniach, i uwzględnić te aspekty, które wynikają z rozwiązań konstrukcyjnych.
W większości konstrukcji zachodzi potrzeba zbrojenia tylko w przekroju poprzecznymi w większości projektów obliczenia sporządzone są tylko dla przekrojów poprzecznych. Dlatego nie ma potrzeby wymagania dużych wytrzymałości produktów na obu kierunkach. Często jednak w specyfikacjach żąda się produktów dwuosiowych, a więc takich, które w obu kierunkach mają takie same wytrzymałości, chociaż potrzeba taka nie wynika z obliczeń ani nie zachodzi ze względów konstrukcyjnych.
Podsumowanie
Technologia gruntów zbrojonych geosyntetykami otwiera coraz większe możliwości w budownictwie. Korzyści płynące z ich stosowania są bardzo duże – począwszy od szybkości realizacji inwestycji, a skończywszy na pozyskaniu oszczędności materiałowych. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, iż dziedzina ta jest jeszcze stosunkowo młoda i ta sztuka inżynierska nie jest jeszcze powszechnie znana i nauczana. Co prawda, nie ma jeszcze polskich normatywów regulujących sposób stosowania geosyntetyków jako zbrojenia, ale powstają wytyczne, poradniki i instrukcje. Technologia ta jest już na tyle dojrzała, że można ją stosować nie tylko zamiennie. Powinna ona być brana pod uwagę już w fazie przygotowania projektu.
dr inż. Janusz Sobolewski
Huesker Synthetic GmbH, Gescher
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
Literatura
1. C. Jones, Earth reinforcement and soil structures, Thomas Telford Publishing, Revised print, London 1998.
2. J. Ajdukiewicz, Strome nasypy drogowe zbrojone geosyntetykami efektem wyspecjalizowanych prac inżynierskich, „Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej”, 2003.
3. L. Wysokiński, W. Kotlicki, Projektowanie konstrukcji oporowych, stromych skarp i nasypów z gruntu zbrojonego, seria Instrukcje, Wytyczne, Poradniki nr 429/2007, ITB.
4. J. Sobolewski, Uwagi co do zasad projektowania nasypów ze zbrojeniem geosyntetycznym w podstawie, w tym nasypów na terenach szkód górniczych, XXVII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Krynica Górska 2006.
5. Praca zbiorowa, EBGEO – Empfehlungen für Bewehrungen aus Geokunststoffen, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik, 2010.
6. Praca zbiorowa, Merkblatt über die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des Straßenbaues, M Geok E mit Checklisten (M Geok E), Forschungsgesellschaft für Strassen – und Verkehrswesen, Ausgabe 2005.
7. Praca zbiorowa, Technische Lieferbedingungen für Geokunststoffe im Erdbau des Straßenbaues, TL Geok E–StB 05, Forschungsgesellschaft für Strassen – und Verkehrswesen, Ausgabe 2005.
8. J. Sobolewski, M. Pilch, Wymiarowanie konstrukcji odciążających i przyczółków mostowych z gruntu zbrojonego geosyntetykami, teoria i badania, „Inżynieria Morska i Geotechnika” nr 1/2008.
