Dobra droga kołowa lub szynowa w ujęciu popularnym to droga szeroka, prosta, równa i twarda. Takie zalety to obecnie głównie problem kosztów, nie istnieją bowiem obecnie przeszkody technologiczne uniemożliwiające budowę dobrych dróg.
W niektórych przypadkach brak rozpoznania technicznego może powodować znikomą efektywność kosztów ponoszonych na budowę dróg. Od wielu dziesiątek lat w budownictwie poszukuje się intensywnych sposobów wzmacniania gruntów. Zwiększenie nośności poszczególnych warstw gruntowych tworzących budowle ziemne i podłoża gruntowego ma szczególne znaczenie w budownictwie dróg lądowych.
Najpowszechniejszymi sposobami wzmacniania gruntów i zwiększania ich stateczności są metody zbrojenia gruntów.
W ostatnich kilkudziesięciu latach przy zbrojeniu gruntów używano analogiczne zbrojenie jak w żelbecie, stosując siatki i pręty, lecz przeważnie nie metalowe, lecz z tworzyw sztucznych oraz tzw. fibry. Fibrogrunty powstają przez analogie do fibrobetonów i nawiązują o starych i tradycyjnych sposobów „zbrojenia” sieczką słomianą lub trzcinową suszonych cegieł i pustaków wyrabianych z gruntów gliniastych i ilastych. Współczesne „fibry” pochodzą często z recyklingu tworzyw sztucznych, np. z butelek typu PET, krótkie druty z tworzyw syntetycznych (geosyntetyki), np. długość 20–30 mm i średnica 0,05–1 mm, lub w rzadkich przypadkach podobnych wymiarów odpady i wióry z metali niekorodujących.
Rozwój przemysłu tworzyw sztucznych spowodował eksplozję zastosowań pewnych ich form produkcji zwanych geosyntetykami w budowie dróg. Zastosowania tych materiałów w ogólnym budownictwie kubaturowym jest raczej marginalne i dotyczy tylko niektórych robót fundamentowych bądź konstrukcji posadzek.
Kanony aplikacji geosyntetyków
Wprowadzenie układów warstw, także z udziałem geotekstylii, w drogowych budowlach ziemnych i podłożach
nawierzchni drogowych i szynowych (tj. w górnych strefach aktywnych budowli ziemnych) znakomicie poprawia ich stateczność i jest kosztem uzasadnionym.
Powstawanie takich rozwiązań projektowych i wykonawczych wynika z ogólnej tendencji, trwającej kilkaset lat, wzmacniania gruntów podłoży fundamentowych i wzmacniania poszczególnych konstrukcyjnych warstw gruntowych, w tym podłoża nawierzchni drogowych. Prace w tym zakresie przyniosły wiele pozytywnych rezultatów nie tylko w zastosowaniu spoiw hydraulicznych, popiołów i żywic. Geosyntetyki , rozumiane jako geo -siatki, -tekstylia, -tkaniny, -włókniny, -maty, -fibry, -membrany i -żele, stosuje się w budownictwie lądowym od wielu lat i można już nawet mówić o pewnych standardach ich zastosowań.
Podaż tego rodzaju produktów w Europie jest znacznie przewyższająca popyt, ze względu na wzrastające możliwości recyklingu wyrobów z tworzyw sztucznych, a co za tym idzie niskich kosztów produkcji. Można nawet mówić o istnieniu w Polsce „rynku klienta” w tym zakresie. Wobec zapóźnień technologicznych w kraju prowadzi to do różnych nieporozumień i nieprawidłowości ekonomicznych. Bardzo bogata oferta producentów krajowych i zagranicznych geosyntetyków spotyka się z brakiem technicznych kryteriów
zastosowań. Formalne podejście i stosowanie jedynego kryterium ceny, np. według Prawa zamówień publicznych szczególnie często wymaganego w budownictwie komunikacyjnym, prowadzi nie tylko do strat finansowych polegającym na niewłaściwym zakupie geosyntetyku i mizernym efekcie konstrukcyjnym jego zastosowania, ale również jest okolicznością korupcjogenną. Przez kierunek wymiarowania konstrukcji z zastosowaniem geosyntetyku „D” (od ang. dimension) w poz. [4, 6] nie tyle rozumie się konkretną wielkość w jednostkach długości, ile wpływ stosowania danego geosyntetyku na liczbę, kierunek i wymiar wzmocnienia danego ustroju konstrukcyjnego. Maksymalna liczba wymiarów wzmocnienia za pomocą jednego materiału geosyntetycznego to oczywiście trzy, mamy bowiem do czynienia z przestrzenią trójwymiarową. Ponieważ podłoże gruntowe często traktujemy, czy też modelujemy, jako półprzestrzeń sprężystą, można zastosować taki układ ułożenia części tego samego geosyntetyku w ośrodku gruntowym, że otrzymamy wzmocnienia w czterech i więcej kierunkach, a jeżeli budowany jest układ i pewna struktura ułożenia geosyntetyków również wielokierunkowy.
W krajowym budownictwie drogowym można już nawet określić tradycyjny sposób zastosowania geotekstylii,
na ogół jako przekładki separacyjnej pomiędzy gruntem podłoża, pierwszą warstwą gruntową podbudowy. .
Dopracowano się kilku standardowych zastosowań i podstawowych zasad stosowania geosyntetyków, przede wszystkim w zależności od ich rodzajów, przy czym konkretne zastosowanie techniczne musi być poprzedzone co najmniej elementarną analizą funkcjonalno-statyczną. I tak jako główne zasady stosowania można wymienić:
Geomembrany (bezwzmocnieniowe)
należy stosować:
– jako przepona izolacyjna infiltracji wgłębnej wód,
– jako warstwa przepływu powierzchniowego wód z otuliną.
Geotekstylia, geowłókniny (tkane i igłowe)
należy stosować:
– samodzielnie jako przekładki separacyjne między warstwami różnych gruntów,
– samodzielnie jako przekładki zbrojące i wzmacniające między warstwami gruntów o grubości < 25 cm i U >10 oraz „zakłady” zbrojenia skarp stromych, w kombinacji z geosiatkami jako filtry warstwowe i dreny bezprzewodowe,
– w kombinacji z geosiatkami jako element przeponowy „materacy nośnych”
– w kombinacji z geomembranami jako warstwa osłonowa i spływu powierzchniowego.
Geosiatki typu 2D (tzw. typu dwuwymiarowego)
stosowane:
– samodzielnie, nawet dla gruntów mało spoistych i bez ograniczeń uziarnienia dla gruntów sypkich,
– samodzielne jako zbrojenie pionowe struktur gruntowych nasypów lub podłoża wykopów do głębokości 8 m,
-samodzielnie jako zbrojenie warstw bitumicznych konstrukcji nawierzchni dróg,
– w kombinacji z geowłókninami jako elementy kaszycowe „materacy nośnych”,
– w kombinacji z bio- kulturami jako powierzchniowe wzmocnienie skarp.
Geosiatki typu 3D (tzw. typu trójwymiarowego lub przestrzennego)
należy stosować:
– samodzielnie, jako pełne zbrojenie warstw gruntu nasypu lub podłoża wykopu,
Geofibry, zwane też fibrogruntami, przez analogie do fibrobetonu, stanowią typ 3D:
– jako komponent wzmacniający warstwę gruntów sypkich, o grubości warstwy maks. 60 cm,
– jako komponent nawierzchniowych warstw bitumicznych.
Geożele (jedno- lub dwuskładnikowe żywice oparte na bazie rezorcynu)
– samodzielnie jako szybkowiążące mieszanki gruntowe, zabezpieczające stany awaryjne budowli ziemnych.
Należy też zwrócić uwagę, że obowiązujące w Europie i w Polsce systemy certyfikacji i dopuszczenia do obrotu i wydawane aprobaty techniczne licznym firmom zajmującymi się dystrybucją geosyntetyków precyzują przeznaczenie i zakres stosowania poszczególnych typów i rodzajów, w zależności od ich struktury materiałowej i gramatury. W odniesieniu do geowłóknin jako geotekstylii o gramaturze nie większej niż 600 g/m2 ich zastosowanie w przeważających przypadkach aprobat technicznych określa się jako:
– separację słabego podłoża nasypów w celu poprawy jego stateczności oraz przyspieszenia konsolidacji,
-budowę dróg tymczasowych, leśnych, rolniczych, budowę placów postojowych i parkingów w trudnych warunkach gruntowo–wodnych,
– wykonanie warstw odcinających i rozdzielających między gruntem drobnoziarnistym (ilastym, pylastym lub gliniastym) a warstwami konstrukcyjnymi nawierzchni,
– wykonywanie warstw podkładowych utrzymujących grunt pod geosiatki lub georuszty przy budowie wzmocnionych skarp i nasypów,
– osłonę systemów drenarskich w celu zabezpieczenia ich przed zamuleniem gruntem drobnoziarnistym,
– osłonę uszczelnień z geomembran przed uszkodzeniami mechanicznymi.
Obecne technologie tworzyw sztucznych i włóknin syntetycznych pozwalają na uzyskiwanie produktów o pożądanych parametrach wytrzymałości. Najważniejsze z nich to UTS (Ultimate Tensil Strength) wg nowej normy PN-EN ISO 10319, określonej jako Fk – doraźna wytrzymałość na rozciąganie, i LTS (Long Term Strength), określanej jako Fd – długoterminowa wytrzymałość na rozciąganie, wg normy PN-EN ISO 13431. Wymienione normy określają jakość geotekstylii nie zaś sposoby ich aplikacji. Pierwsze zastosowanie geotekstylii trzydzieści lat temu było jednak bardziej uproszczone i polegało jedynie na stosowaniu geowłóknin jako materiału separującego i izolującego poszczególne warstwy gruntu z zawartością różnych frakcji pylastych i ilastych. Ten zakres zastosowania jest kultywowany do dzisiaj ze znakomitym skutkiem.
Po wielu latach obserwacji i doświadczeń zaczęto wykorzystywać szerzej własności filtracyjne geotekstylii. W ostatnich kilku latach spostrzeżono możliwość „interakcji” geotekstylii z ośrodkiem gruntowym, a co za tym idzie zaczęto stosować układy warstwowe różnych materiałów gruntowych oraz warstw typu „materac” z wykorzystaniem geotekstylii lub geosiatek, w systemie „sandwich”. System ten polega na konstruowaniu nośnych podłoży, odpowiednich do kategorii obciążeń, złożonych z odpowiedniej liczby warstw i w odpowiedniej ich kolejności. Obecna praktyka projektowania i wykonywania budowli ziemnych i podłoży nawierzchni drogowych mnoży przypadki zastosowania geotekstylii już jako elementów wzmacniających. Obecnie nie jest jeszcze całkowicie czytelny zarówno mechanizm tego wzmocnienia, jak i zakres ilościowy zwiększenia stateczności oraz zakres rzeczowy przypadków odpowiadających zjawisku wzmocnienia.
W wielu jednak przypadkach zastosowanie geotekstylii jest niewłaściwe lub jest nieefektywne. Wielokrotnie na etapie weryfikacji projektów występują wątpliwości, w jakim zakresie można korygować poszczególne rozwiązania w podłożach nawierzchni dróg lądowych, bez określenia pomiarowego i doświadczalnego następstw korekt, zmieniających konstrukcję podłoża przez dodanie kolejnej warstwy geosyntetyku lub całkowitą redukcję tych warstw.
Dotychczasowa praktyka oraz wyniki eksploatacyjne wskazują, że odpowiednio
konstruowany „materac” podłoża nawierzchni drogowej jest rozwiązaniem bardzo skutecznym
konstrukcyjnie. Zasady obliczania stateczności skarp zbrojonych geosyntetykami, stosowania „zakładów” oraz układu „materaca” są relatywnie skutecznie sformułowane, a istniejące programy stanowią bezpośrednią pomoc dla projektantów.
Zupełnie różne zastosowanie geosyntetyków w sensie mechanicznym i bezpośredniego przenoszenia obciążeń użytkowych, w formie geosiatek, obejmuje ich zastosowanie w nawierzchniach podatnych, nie utwardzonych i bez płyty (lub warstwy) ocharakterze izotropowym. Ustalone zostało, że „mechanizm pracy” geosiatek w układzie warstw nawierzchni podatnych jest absolutnie różny od mechanizmu pracy geotekstylii w podłożach fundamentowych nawierzchni. Przede wszystkim zakres odkształceń nawierzchni podatnych nie utwardzonych jest niewspółmiernie większy niż w nawierzchniach drogowych z warstwami bitumicznymi. Pozwala to na pełną mobilizację „klinowania się” i zagęszczenia grubofrakcyjnego stosu okruchowego, co w efekcie redukuje niezbędną grubość warstwy kruszywa. Jednak ten rodzaj nawierzchni drogowej to na ogół nawierzchnie tymczasowe, które nie są nawierzchniami permanentnymi, to znaczy zbudowanymi na stałe. Poważnym mankamentem takich nawierzchni w stosunku do płytowych, stosowanych obecnie, jest brak możliwości wtórnego odzysku elementów składowych dróg tymczasowych, co przy znacznych cenach kruszyw zmienia argumentację ekonomiczną.
Empiryczne uzasadnienia sposobów aplikacji geosyntetyków
Z zestawień i specyfikacji technicznych przedstawianych wcześniej wynika, że sposób zastosowania konkretnego materiału geosyntetycznego powinien wynikać z jego właściwości technicznych. Przy licznym zbiorze tych samych materiałów geosyntetycznych, grupy od A do F, o różnych, a niekiedy zbliżonych, zestawieniach właściwości technicznych może dojść do rozwiązań chybionych. Dlatego pierwszą rzeczą jest ustalenie funkcji, jaką ma spełniać materiał geosyntetyczny w strukturze budowli ziemnej.
Na ogół są to funkcje filtracji jedno lub dwukierunkowej, separacji warstw różnych gruntów oraz wzmacniające (przez wzmocnienie gruntów rozumie się polepszenie parametrów nośności i odkształcalności gruntów i ich warstw). Pragmatyka zagadnienia stosowania poszczególnych rozwiązań konstrukcyjnych z wbudowaniem geosyntetyków wymaga jednak konkretnych argumentów i wskazań. Źródłem takich wskazań nie mogą być niestety wyniki pochodzące z eksploatacji budowli ziemnych, w których zastosowano odpowiednie geosyntetyki, gdyż okres eksploatacji takich konstrukcji nie przekracza jeszcze 20 lat w Polsce i nieco ponad 30 lat w Holandii lub Niemczech. Pozostają zatem dwie drogi uzasadnienia, analityczne lub semi-analityczne oraz doświadczalne. Najtańsze są oczywiście metody obliczeniowe, które różnią się od siebie liczbą założeń upraszczających. Są najmniej dokładne i mogą się jedynie przyczynić do trafniejszego formułowania programów badań i pomiarów bezpośrednich. Dokumentując zatem poprzednie specyfikacje zastosowań, należy przytoczyć kilka wyników empirycznych w skali laboratoryjnej i technicznej. Samo zbrojenie geosiatkami podłoża nawierzchni drogowej zawiera duży procent wzmocnienia, lecz przeciwstawienie siłom ścinającym w skarpach geosiatek bez zatapiania w zaczynie cementowym byłoby zbyt ryzykowne. W świetle ostatnich doświadczeń okazuje się również, że ten sam geosyntetyk może spełniać różne funkcje i mieć rożną efektywność w zależności od formy, w której jest użyty. Na szczególną uwagę zasługują
wyniki testu laboratoryjnego w aparacie trójosiowego ścinania. Badania gruntów za pomocą tego aparatu są powszechnie uważane za bardzo miarodajne ze względu na zbliżony charakter ich rzeczywistego, trójosiowego obciążenia.
Nawiązując do pierwszej części artykułu, należy skonstatować, że istnieje wiele odmian rodzajowych geosyntetyków określanych jednym mianem. Ich właściwości użytkowe są często skrajnie różne, a zatem wnioskowanie o mechaniźmie wzmocnień nie może być monoargumentacyjne. Z całą pewnością zamiast sił tarcia w przypadku geotekstylii, w przypadku geosiatek mamy do czynienia z siłami „szczepności” zbrojenia jako oporu klinowania się większych ziaren gruntu, a zamiast napięcia powierzchniowego membrany, siły odkształcenia sprężystego siatki.
Zródło:
Inżynier Budownictwa (Lipiec/Sierpień 2007)
dr inż. Krzysztof Gradkowski
IDiM Politechnika Warszawska
