mgr inż. Adam Duda Analiza właściwości mechanicznych przestrzennego systemu geosyntetycznego jako materiału do budowy konstrukcji oporowych Rozprawa doktorska

I INŻYNIERII ŚRODOWISKA INSTYTUT INŻYNIERII LĄDOWEJ

mgr inż. Adam Duda

Analiza właściwości mechanicznych przestrzennego systemu geosyntetycznego jako materiału do budowy konstrukcji

oporowych Rozprawa doktorska

Promotor: prof. dr hab. inż. Antoni Florkiewicz

Promotor pomocniczy: dr inż. Mieczysław Kania

• Promotorom za opiekę merytoryczną, cenne uwagi i sugestie oraz wsparcie i motywowanie mnie do ukończenia tej pracy,

• Firmie Rozenblat Sp. z o.o. za współudział w finansowaniu budowy stanowiska badawczego,

• Firmie AB Eksport-Import za nieodpłatne dostarczenie

geokraty komórkowej do badań.

Spis treści

Podstawowe definicje i symbole stosowane w pracy...4

Streszczenie...7

Summary...9

1. Wstęp...10

1.1. Przedmiot i zakres pracy...11

1.2. Cel pracy...14

1.3. Tezy pracy...15

2. Przegląd literatury...16

3. Geosyntetyki w konstrukcjach oporowych...27

3.1. Produkcja, rodzaje i właściwości geosyntetyków...27

3.1.1. Produkcja geosyntetyków...27

3.1.2. Podział geosyntetyków...30

3.1.3. Podstawowe właściwości geosyntetyków...32

3.2. Konstrukcje oporowe z gruntu zbrojonego...34

3.3. Geokrata komórkowa w konstrukcjach inżynierskich...35

3.4. Podział i projektowanie konstrukcji oporowych z geokraty komórkowej...39

3.4.1. Podział konstrukcji oporowych z geokraty komórkowej...39

3.4.2. Obciążenie konstrukcji parciem i odporem gruntu...41

3.4.3. Projektowanie geokomórkowych konstrukcji oporowych...46

4. Badania tworzywa konstrukcji oporowej z geokraty komórkowej wypełnionej zasypką. .52 4.1. Charakterystyka badanych materiałów...54

4.1.1. Geokrata komórkowa...54

4.1.2. Materiały zasypowe...54

4.1.3. Łączniki warstw konstrukcyjnych...55

4.2. Program badań...55

4.2.1. Program badań cech fizycznych materiałów zasypowych...56

4.2.2. Program badań kątów tarcia wewnętrznego materiałów zasypowych...57

4.2.3. Program badań oporów ścinania w strefie kontaktowej...57

4.2.4. Program badań oporów ścinania w strefie kontaktowej powiązanych łącznikami warstw

konstrukcyjnych...58

4.3. Opis stanowiska badawczego...58

4.4. Opis przeprowadzonych badań...63

4.4.1. Badania podstawowe materiałów zasypowych...63

4.4.2. Badania wytrzymałościowe łączników...64

4.4.3. Badania parametrów wytrzymałościowych materiałów zasypowych...64

4.4.4. Badania oporu ścinania w strefie kontaktowej...68

4.4.5. Badania oporu ścinania w strefie kontaktowej z łącznikami...70

5. Rezultaty badań i ich analiza...72

5.1. Wyniki oporów ścinania materiałów zasypowych...72

5.2. Wyniki oporów ścinania w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych...75

5.3. Mechanizmy wzrostu oporów tarcia na kontakcie warstw...80

5.4. Wykorzystanie wyników badań w praktyce inżynierskiej...85

6. Podsumowanie i wnioski...89

Spis literatury...92

Spis norm i wytycznych...98

Wykaz stron www...100

Spis załączników...101 Załącznik A. Parametry techniczne geokraty komórkowej

Załącznik B. Cechy fizyczne materiałów zasypowych

Zał. B.1. Charakterystyka mineralogiczna naturalnego kruszywa frakcjonowanego Zał. B.2. Krzywe uziarnienia materiałów zasypowych

Zał. B.3. Gęstości objętościowe szkieletu gruntowego oraz wskaźniki porowatości minimalnej i maksymalnej zasypek

Zał. B.4. Parametry zagęszczenia badanych próbek (ze wszystkich ścięć) Załącznik C. Parametry wytrzymałościowe materiałów zasypowych

Zał. C.1. Charakterystyki wytrzymałościowe badanych zasypek Zał. C.2. Wyniki pomiarów grubości strefy ścinanej

Załącznik D. Parametry oporów ścinania geokraty na kontakcie warstw konstrukcyjnych Załącznik E. Charakterystyka przewiązek i parametry oporów ścinania geokraty na kontakcie warstw konstrukcyjnych połączonych przewiązkami

Zał. E.1. Charakterystyka techniczna przewiązek

Zał. E.2. Parametry oporów ścinania geokraty na kontakcie warstw konstrukcyjnych

połączonych przewiązkami

Podstawowe definicje i symbole stosowane w pracy

Geosyntetyk (GSY) – jest to wyrób, którego co najmniej jeden składnik wytworzony został z syntetycznego lub naturalnego polimeru, mający postać arkusza, taśmy lub formy przestrzennej, stosowany w kontakcie z gruntem i/lub innym materiałem w geotechnice i budownictwie.

Grunt zbrojony – grunt wzmocniony stalą, geosyntetykiem lub innym materiałem konstrukcyjnym; MSE (Mechanically Stabilized Earth).

Komórkowy system ograniczający (KSO) – trójwymiarowy system wytworzony z elastycznych taśm polietylenowych, połączonych ze sobą zgrzewami, rozmieszczonymi mijankowo, w co drugim rzędzie. Połączone taśmy tworzą strukturę „plastra miodu”

z komórkami, które wypełnia się materiałem zasypowym. W nomenklaturze angielskiej jest to cellular confinement system CCS.

Geokrata komórkowa (GK) – synonim komórkowego systemu ograniczającego; należy tu podkreślić, że w literaturze system ten często określany jest również jako geosiatka komórkowa.

Geokomórka – pojedyncza komórka/cela sekcji geokraty komórkowej.

Sekcja geokraty komórkowej – geokrata komórkowa o wymiarach fabrycznych ukształtowanych na linii produkcyjnej.

Segment geokraty – fragment geokraty o wymiarach projektowych/wymaganych, wycięty z sekcji; do badań lub do budowy konstrukcji inżynierskiej.

Konstrukcja oporowa z geokraty (KOG) – konstrukcja oporowa zbudowana z leżących na sobie arkuszy geokraty komórkowej zasypanych materiałem wypełniającym.

Warstwa konstrukcyjna (WK) – segment geokraty komórkowej wypełniony gruntem lub kruszywem; w budowlach inżynierskich może to być cała sekcja.

Materiał zasypowy; zasypka – ziarnisty materiał wypełniający geokomórki warstw konstrukcyjnych.

Strefa kontaktowa – powierzchnia styku/kontaktu między ułożonymi jedna na drugiej warstwami konstrukcyjnymi.

Łącznik (przewiązka) – pionowe połączenie dwóch leżących jedna na drugiej warstw

konstrukcyjnych w postaci opaski samozaciskowej.

Oznaczenia danych geometrycznych:

• dla geokraty komórkowej:

h – wysokość geokraty komórkowej lub warstwy konstrukcyjnej, [mm], r – rozstaw zgrzewów taśm geokraty komórkowej, [mm],

l – długość pojedynczej geokomórki, [mm], b – szerokość pojedynczej geokomórki, [mm], L s – długość sekcji geokraty komórkowej, [m], B s – szerokość sekcji geokraty komórkowej, [m],

• dla grawitacyjnej konstrukcji oporowej wykonanej w KSO:

H – wysokość uskoku naziomu przy konstrukcji oporowej, [m], H k – całkowita wysokość konstrukcji oporowej, [m],

D – głębokość posadowienia konstrukcji oporowej, mierzona od niższego poziomu terenu, [m],

B – szerokość podstawy konstrukcji oporowej, [m], b w;i – szerokość i-tej warstwy konstrukcyjnej, [m],

dodatkowe, szczegółowe parametry geometryczne konstrukcji oporowej w pkt. 3.4.3.

Parametry gruntów i kruszyw:

• parametry podstawowe:

γ – ciężar objętościowy gruntu za/przed konstrukcją oporową, [kN/m³], φ – kąt tarcia wewnętrznego gruntu za/przed konstrukcją oporową, [ º], c – spójność gruntu za/przed konstrukcją oporową, [kPa],

γ z – ciężar objętościowy materiału zasypowego, [kN/m³], φ z – kąt tarcia wewnętrznego materiału zasypowego, [ º], c z – spójność materiału zasypowego, [kPa],

τ f – wytrzymałość gruntu (materiału zasypowego) na ścinanie, [kN/m ² ],

• parametry w konstrukcji:

φ k – kąt tarcia w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych, [ º],

c k – spójność pozorna/zastępcza – pseudospójność w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych, [kPa],

φ k;p – kąt tarcia w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych powiązanych

łącznikami, [ º],

c k;p – spójność pozorna/zastępcza – pseudospójność w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych powiązanych łącznikami, [kPa].

τ f;k – opory tarcia w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych, [kN/m ² ],

τ f;k;p – opory tarcia w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych powiązanych łącznikami, [kN/m ² ].

Badania laboratoryjne:

N sch – siła pionowa przykładana do płyty dociskowej (od prasy Schenck), [kN], H – mierzona siła pozioma, [kN],

σ n – naprężenia normalne do płaszczyzny ścinania, [kN/m ² ], τ s – naprężenie styczne na płaszczyźnie ścinania, [kN/m ² ], τ s max – naprężenie ścinające, [kN/m ² ].

Parcie i odpór gruntu:

σ a(z) – parcie graniczne gruntu na głębokości z za konstrukcją oporową, [kN/m ² ], σ p(z) – odpór graniczny gruntu na głębokości z przed konstrukcją oporową, [kN/m ² ], K a – współczynnik poziomego parcia granicznego gruntu, [-],

K p – współczynnik poziomego odporu granicznego gruntu, [-],

δ a – kąt tarcia pomiędzy ścianą a gruntem, dla parcia granicznego, [ º],

δ p – kąt tarcia pomiędzy ścianą a gruntem, dla odporu granicznego, [ º],

β – kąt nachylenia powierzchni gruntu za ścianą (zwrot dodatni do góry), [ º],

θ – kąt nachylenia powierzchni, na którą działa parcie, do pionu, [ º].

Streszczenie

Konstrukcje oporowe budowane z wykorzystaniem komórkowego systemu ograniczającego muszą spełniać warunki stanów granicznych: nośności podłoża, stateczności na obrót i przesuw oraz stateczności globalnej. Ze względu na ich warstwową budowę muszą także zapewniać stateczność wewnętrzną konstrukcji, tj. międzywarstwową. Zależy ona m.in.

od szerokości (głębokości) konstrukcji oraz oporów tarcia pomiędzy leżącymi na sobie warstwami konstrukcyjnymi. Zasadniczym celem pracy jest doskonalenie metod obliczania i projektowania konstrukcji oporowych zbudowanych z geokomórkowego systemu ograniczającego – z uwzględnieniem jego rzeczywistych właściwości. Oprócz standardowej konstrukcji rozważano nowy sposób łączenia warstw konstrukcyjnych, zaproponowany w celu zwiększenia tarcia międzywarstwowego. W szczególności przeprowadzono analizę i badania właściwości oraz zachowanie się układu/bloku warstw konstrukcyjnych, jako materiału do budowy grawitacyjnych konstrukcji oporowych. Tezy badawcze sformułowano następująco: (a) wytrzymałość na ścinanie wzdłuż powierzchni kontaktowych sąsiadujących ze sobą warstw konstrukcyjnych (komórek wypełnionych materiałem zasypowym) jest większa od wytrzymałości na ścinanie samego materiału zasypowego, (b) właściwości wytrzymałościowe systemów geokomórkowych silnie zależą od rodzaju i parametrów materiału zasypowego, zwłaszcza od stosunku wielkości uziarnienia zasypki do wymiaru komórek, (c) wprowadzenie specjalnych elementów łącznikowych, w postaci syntetycznych przewiązek między poziomymi warstwami systemu, nadaje całemu ośrodkowi nowe właściwości. Łączniki modyfikują zachowanie się konstrukcji oporowej pod obciążeniem – ośrodek o więzach jednostronnych nabiera właściwości materiału quasi-monolitycznego.

Przedmiotem badań było tworzywo w postaci geokraty komórkowej wypełnionej sześcioma

rodzajami zasypek (piasek średni, kruszywa frakcjonowane 2 ÷ 8, 8 ÷ 16 i 16 ÷ 32 mm,

kamień łamany oraz keramzyt geotechniczny). W celu realizacji badań zaprojektowano

i zbudowano unikatowe stanowisko badawcze w postaci wielkowymiarowego aparatu

bezpośredniego ścinania o wymiarach komory 100 x 100 x 48 cm. Przeprowadzone badania

wykazały, że wytrzymałość na ścinanie w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych może

być większa od wytrzymałości na ścinanie samego materiału zasypowego. Stwierdzono, że

zależny ona od uziarnienia zasypki tj. stosunku średnicy ziarn do wymiaru komórek.

Wykazano też, że wprowadzenie łączników, pomiędzy leżącymi na sobie warstwami konstrukcyjnymi, w istotny sposób wpłynęło na zwiększenie oporów tarcia w strefie kontaktowej. Wyniki przeprowadzonych badan potwierdziły stawiane w pracy tezy badawcze.

W pracy zamieszczono również przykład obliczania i wymiarowania konstrukcji

z uwzględnieniem uzyskanych wcześniej rezultatów badań.

Summary

Analysis of mechanical properties of a three dimensional geosynthetic system (geocell) as a material for retaining structures construction

As all retaining structures, those using geosynthetic web systems (geoweb; geocell) must satisfy the conditions imposed on the limit states of foundation bearing capacity, rotation and translation stability, and the global stability. Because of their layered arrangement, geoweb-based retaining structures must, in addition, satisfy the internal stability requirements that assure the integrity of the layered system. The latter is dependent on the width of the geoweb layers and the resistance of the individual layers to sliding upon one another. The primary objective of the dissertation is improvement of design methods for retaining structures built of geoweb systems, based on their realistic engineering properties. Besides the standard techniques, a new method for connecting geoweb layers is proposed, which enhances the frictional resistance between the layers. In particular, properties of a geoweb block with structural fill and its behavior were tested, and an analysis of the system was carried out. The following research hypotheses were formulated: (a) shear strength on interfaces between geoweb layers packed with granular fill is larger than that of the granular fill alone, (b) the strength at interfaces of the geoweb layers is strongly dependent on the shear strength of the fill material, and (c) introducing specially designed connectors for sequential layers improves integrity of the structure. Synthetic geoweb layers packed with six types of fill material were tested (medium sand, mineral fill with grains in ranges 2 ÷ 8, 8 ÷ 16, and 16 ÷ 32 mm, crushed rock, and an artificial aggregate LECA - Lightweight Expanded Clay Aggregate). A unique large-size direct shear apparatus was constructed to carry out the tests, with sample size of 100 x 100 x 48 cm. Test results indicated that the shear strength of interfaces between the fill packed layers of geoweb exceeds the shear strength of the fill alone. The magnitude of the shear strength depends on the size of the fill grains relative to the size of the cells of the geoweb. The tests confirmed an increase of the interface shear strength due to the use of custom-designed connectors. The results were consistent with the research hypotheses.

Examples of calculations for design purposes, with account for information from the test

results, are presented in the dissertation.

1. Wstęp

Projektowanie geotechnicznych konstrukcji inżynierskich wymaga znajomości zasad projektowania, właściwego oszacowania obciążeń zewnętrznych i oddziaływań gruntu na konstrukcję, a także przyjęcia odpowiednich parametrów materiału, z którego zbudowana jest konstrukcja i jej podłoże (Biernatowski 1987, 1988; Jarominiak 2000; Siemińska- Lewandowska 2011; Gwizdała 2013). W zagadnieniach geotechnicznych bardzo istotne jest przyjęcie odpowiedniego modelu obliczeniowego i realnych wartości parametrów opisujących podłoże. Konstrukcje z gruntu zbrojonego geosyntetykami, wymagają dodatkowo znajomości parametrów materiałowych geosyntetyku, gruntu zasypowego oraz znajomości interakcyjnych oddziaływań gruntu i geosyntetyku w postaci tarcia i kohezji (Sawicki 1995;

Sawicki i Leśniewska 1993; Jones 1996; Leśniewska i Kulczykowski 2001). W praktyce inżynierskiej niejednokrotnie wartości tych parametrów przyjmuje się w sposób uproszczony.

Prowadzić to może do zawyżania wartości tych parametrów w stosunku do stanu

rzeczywistego, a w konsekwencji do awarii. Niekiedy – odwrotnie, przyjęte wartości

parametrów są mniejsze od faktycznych, co w efekcie końcowym prowadzi do

przewymiarowania konstrukcji. Dla optymalnego zwymiarowania budowli z gruntu

zbrojonego potrzebna jest zarówno znajomość pracy zbrojenia geosyntetycznego, jak i jego

rzeczywistych wartości parametrów wytrzymałościowych. Mimo, że badaniom gruntu

zbrojonego poświęcone są liczne prace, których bogatą literaturę zawiera monografia

(Sawicki 1999), to jednak do tej pory brak jest pełnych, zadowalających wyników

doświadczeń opisujących jego właściwości. Wprowadzanie do praktyki coraz to nowych

materiałów geosyntetycznych, w tym takich produktów jak geokraty, powoduje konieczność

poszerzenia zakresu badań i ukierunkowania ich pod kątem aktualnych potrzeb projektowania

konstrukcji oporowych.

1.1. Przedmiot i zakres pracy

Przedmiotem badań podjętych w pracy jest materiał (tworzywo) oporowych konstrukcji inżynierskich, a w szczególności komórkowy system ograniczający (geokrata komórkowa), wypełniony ziarnistą zasypką. Obiekty te należy zaliczyć do grupy konstrukcji wykonanych w technologii gruntu zbrojonego. (Bathurst, Crowe et al. 1993; Bathurst i Crowe 1992). Komórkowy system ograniczający składa się z elastycznych taśm polimerowych (najczęściej jest to polietylen wysokiej gęstości – HDPE), połączonych ze sobą zgrzewami, rozmieszczonymi mijankowo w co drugim rzędzie, stanowiących sekcję geokraty. Po rozciągnięciu sekcji geokraty, w kierunku prostopadłym do taśm, kształtują się komórki, a całość przypomina strukturę plastra miodu (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Schemat sekcji geokraty komórkowej: a) widok rozciągniętej sekcji, b) powiększony widok dwóch sąsiednich komórek

Produkowane typy geokraty komórkowej różnią się od siebie wymiarami geokomórek

(Pisarczyk 2014). Liczba i wielkość komórek przekłada się na wymiary sekcji w planie, tj. jej

długość (L s ), szerokość (B s ) i h – wysokość (grubość) sekcji, która odpowiada wysokości

komórki. Na wymiary komórki w planie wpływa rozstaw zgrzewów, a o wysokości decyduje

szerokość zgrzewanych taśm. Taśmy najczęściej są teksturowane (zwiększona chropowatość

powierzchni) i występują w dwóch odmianach, tj. lite – nieperforowane (rys. 1.2a) oraz

perforowane. Perforacja ma najczęściej postać okrągłych otworów (rys. 1.2b); zgrzew taśm

pokazano na rys. 1.2c. Perforacja taśm spełnia dwojakie zadanie: z jednej strony zmniejsza

zużycie materiału potrzebnego do produkcji taśm, a z drugiej strony, w wymagających tego aplikacjach, umożliwia filtrację wody przez ścianki komórek. Dostępne są również na rynku geokraty o innym kształcie perforacji albo jedynie z otworami (rys. 1.2d), np. do przewlekania przez nie linek systemu kotwiącego geokratę do skarpy.

Rys. 1.2. Widok rozciągniętej geokraty komórkowej: a) geokrata z taśm bez perforacji, b) geokrata z taśm perforowanych, c) widok zgrzewu taśm teksturowanych, (fot. A. Duda), d) geokrata z otworami

„łuskowymi” (Pokharel, Han et al. 2017)

Obecnie na świecie można znaleźć wielu producentów geokraty komórkowej, sprzedających ją pod różnymi nazwami handlowymi. Większość z nich produkuje geokratę o wymiarach zbliżonych, czy wręcz identycznych z pierwowzorem tj. produktem o zastrzeżonej nazwie GEOWEB. Wymiary geokomórek, w zależności od producenta, definiowane są rozstawem zgrzewów lub wymiarami przestrzennymi komórki uformowanej po rozciągnięciu sekcji.

Ponieważ stopień rozciągnięcia sekcji może być różny – im bardziej rozciągnięta/wydłużona

jest sekcja tym mniejszą ma ona szerokość. Przekłada się to jednoznacznie na wymiary

geokomórek w planie (rys. 1.3a), dlatego bardziej miarodajnym opisem geosiatki komórkowej

wydaje się być rozstaw zgrzewów. Generalnie oferowane są geokraty komórkowe o tzw.

małej, średniej i dużej komórce. Odpowiada to rozstawowi zgrzewów najczęściej odpowiednio około 340 mm, 440 mm i 680 mm. W ostatnich latach pojawiły się także minikomórki; na rynku polskim oferowane przynajmniej przez jedną firmę, pod nazwą MiniTABO (w1, w2) ¹ , o rozstawie zgrzewów 220 mm. Przykłady geokomórek o różnych wielkościach pokazano na rys. 1.3b.

Rys. 1.3. Wymiary w planie geokomórek: a) wpływ rozciągnięcia komórki na jej długość i szerokość, b) wymiary produkowanych geokomórek

Po rozciągnięciu sekcji, geokomórki nabierają docelowego kształtu (rys. 1.3a) i wtedy można określić ich wymiary przestrzenne tj. długość (l), szerokość (b), a wysokość (h) odpowiada oczywiście szerokości zastosowanych taśm i jest grubością sekcji. Dla wymienionych wcześniej rozstawów zgrzewów komórki mają nominalne wymiary (l x b), odpowiednio około 200 mm x 250 mm, 250 mm x 350 mm, 400 mm x 520 mm. Dostępne na rynku geokraty oferowane są w standardowych wysokościach 75, 100, 150 i 200 mm; można także spotkać geokraty o wysokości 30 i 50 mm. Sekcje geokomórek oferowane są w różnych kolorach. Podstawowym i najbardziej rozpowszechnionym jest kolor czarny, dzięki dodatkowi sadzy 1,5÷2,0 %, dla zwiększenia odporności na działanie promieniowania UV.

Można spotkać również np. barwy zielone, brązowe, czy pomarańczowe.

Zakres pracy obejmuje analizę i badania właściwości oraz zachowanie się układu/bloku warstw konstrukcyjnych z geokraty komórkowej, jako materiału do budowy grawitacyjnych konstrukcji oporowych. Widok pojedynczej warstwy konstrukcyjnej pokazano na rys. 1.4a, a bloku warstw (już po badaniu) na rys. 1.4b.

1 Odwołanie bibliograficzne do stron internetowych

Rys. 1.4. Geokrata komórkowa wypełniona materiałem zasypowym: a) pojedyncza warstwa konstrukcyjna, b) blok dwóch warstw konstrukcyjnych (po badaniu)

1.2. Cel pracy

Wymiary przekroju poprzecznego konstrukcji oporowych z geokraty komórkowej muszą zapewniać jej stateczność. Budowla musi spełniać warunki stanu granicznego nośności: nośności podłoża, stateczności na obrót i przesuw oraz stateczności globalnej. Ze względu na jej segmentową budowę musi także zapewniać stateczność wewnętrzną – międzywarstwową (rys. 1.5), która m.in. jest wprost zależna od szerokości konstrukcji b w;i

oraz tarcia pomiędzy leżącymi na sobie warstwami geokomórek wypełnionych materiałem zasypowym (warstwami konstrukcyjnymi). Niejednokrotnie okazuje się, że to właśnie stateczność międzywarstwowa wpływa na ostateczne, projektowane wymiary przekroju konstrukcji oporowych z geokraty komórkowej.

Rys. 1.5. Stateczność wewnętrzna segmentowej konstrukcji oporowej z

geokraty komórkowej: a) – utrata stateczności na przesuw między

warstwami komórek, b) – obrót poszczególnych elementów konstrukcji

(Duda 2012)

Zasadniczym celem pracy jest doskonalenie metod obliczania i projektowania konstrukcji oporowych zbudowanych z geokomórkowego systemu ograniczającego – z uwzględnieniem jego rzeczywistych właściwości, w tym wpływu wprowadzonych elementów łączących warstwy konstrukcyjne.

W pracy opisano badania właściwości ciernych styku warstw konstrukcyjnych oraz pokazano przykładowe obliczenia projektowe ściany oporowej z geokraty komórkowej, z uwzględnieniem wyników tych badań.

1.3. Tezy pracy

1. Wytrzymałość na ścinanie wzdłuż powierzchni kontaktowych sąsiadujących ze sobą warstw konstrukcyjnych (komórek wypełnionych materiałem zasypowym) jest większa od wytrzymałości na ścinanie samego materiału zasypowego.

2. Właściwości wytrzymałościowe systemów geokomórkowych silnie zależą od rodzaju i parametrów materiału zasypowego, a w szczególności od stosunku wielkości uziarnienia zasypki do wymiaru komórek.

3. Wprowadzenie specjalnych elementów łącznikowych, w postaci syntetycznych

przewiązek między poziomymi warstwami systemu, nadaje całemu ośrodkowi nowe

właściwości. Łączniki modyfikują zachowanie się konstrukcji oporowej pod

obciążeniem – ośrodek o więzach jednostronnych nabiera właściwości materiału

quasi-monolitycznego (o więzach dwustronnych).

2. Przegląd literatury

W studiów przeglądu literatury dokonano przeglądu podstawowych pojęć dotyczących gruntu zbrojonego oraz przedstawiono genezę technologii zbrojenia gruntu i współczesny zasięg jego zastosowania. Opisano także historię geosyntetyków, w tym historię geokraty komórkowej oraz przegląd jej zastosowań w konstrukcjach inżynierskich. Dokonano również przeglądu literatury poświęconej dotychczasowym badaniom geokraty komórkowej pod kątem jej zastosowania w inżynierii lądowej, a w szczególności do budowy konstrukcji oporowych.

Historia gruntu zbrojonego i geosyntetyków

Sztukę zbrojenia/wzmacniania gruntu w pierwszej kolejności należy przypisać naturze, gdzie można zaobserwować przykłady tej „technologii”. Wskazać tu można korzenie roślin zielnych i drzewiastych, które mogą zbroić zbocza i skarpy, a także „zbrojone”

konstrukcje gniazd i siedlisk niektórych gatunków ptaków i zwierząt. Znanymi większości ludzi przykładami, mogą być gniazda jaskółek czy tamy i żeremie bobrów. Człowiek najprawdopodobniej zaobserwował te zjawiska, a następnie wykorzystał ich ideę, udoskonalił i dostosował dla swoich potrzeb, a obecnie nadal swoje rozwiązania optymalizuje. Najczęściej opisywanymi przykładami pierwszego zastosowania gruntu zbrojonego są ziggurat ² (wieża) starożytnego miasta Dur-Kurigatzu, obecnie znanego jako Agar-Quf, położonego ok. 30 km na zachód od centrum Bagdadu oraz Wielki Mur Chiński osłaniający północne granice Chin (Jones 1996). Ziggurat datowany jest na ok. 1500 lat p.n.e., natomiast pierwsze fragmenty Muru na III wiek p.n.e. Z innych przykładów wież świątynnych podawane są budowle miasta Ur (ok. 2025 p.ne.) oraz Babilonu (ok. 550 p.n.e.). Zigguraty były budowane z cegieł, z gliny (grubości 130-400 mm), przekładanych co kilka warstw matami tkanymi z trzciny. Mur Chiński także stanowi przykład gruntu zbrojonego; niektóre jego fragmenty zostały

2 Zig(g)urat - charakterystyczna dla architektury sakralnej Mezopotamii wieża świątynna o zmniejszających

się schodkowo kolejnych tarasach (Wojnowski 2001).

zbudowane z warstw mieszaniny gliny i żwiru, przekładanych (zbrojonych) gałęziami i kłodami drzew.

Współczesna koncepcja konstrukcji oporowych z gruntu zbrojonego sięga lat 60-tych ubiegłego wieku, kiedy to we Francji, według pomysłu Henri'ego Vidala, powstała pierwsza tego typu budowla (Biernatowski 1988; Sawicki i Leśniewska 1993; Jarominiak 2000). Była to konstrukcja z piasku, zbrojona metalowymi taśmami o szerokości 40 mm, których zadaniem było przenoszenie sił rozciągających. Czynnikiem przekazującym te siły na zbrojenie jest tarcie między gruntem a zbrojeniem. Ścianka czołowa – lico konstrukcji, wykonane było z blach stalowych o profilu półeliptycznym. Schemat tej konstrukcji pokazano na rys. 2.1, za pracą (Jones 1996). Opublikowane przez Vidala prace „La Terre Armee”

(1966), a następnie „The principle of reinforced earth” (1969), opisują ideę gruntu zbrojonego i jego podstawy teoretyczne.

Rys. 2.1. Grunt zbrojony według koncepcji Vidala

Z czasem, jako elementy zbrojenia gruntu w konstrukcjach oporowych, zaczęto również stosować niektóre tworzywa sztuczne ³ . Produkcja przemysłowa tych tworzyw była możliwa dużo wcześniej, bo już w 1933 r. uzyskano zdolność do wytwarzania polichlorku winylu (PVC). Później np. opracowano technologię produkcji polietylenu małej gęstości (LDPE) i poliamidu (PA) w 1939 r., poliestru (PET) w 1953 r. oraz polietylenu dużej gęstości (HDPE)

3 Tworzywa sztuczne – materiały składające się z wielocząsteczkowych (makromolekularnych) polimerów

organicznych, syntetycznych (wytworzonych sztucznie przez człowieka i niewystępujących w naturze)

względnie modyfikowanych polimerów naturalnych oraz dodatków modyfikujących np. uniepalniacze,

stabilizatory promieniowania UV, barwniki (Saechtling 2007).

i polipropylenu (PP) w 1955 r. (Shukla i Yin 2006). Pierwsze aplikacje tworzyw sztucznych w geotechnice nie dotyczyły jednak konstrukcji oporowych. Narodziny pomysłu i powstanie geosyntetyku, wtedy tak jeszcze nienazywanego, wiązane są z tragicznymi wydarzeniami – powodziami w Holandii w latach 50-tych ubiegłego wieku (Van Santvoort 1994). Po tych dramatycznych wydarzeniach poszukiwano rozwiązań pozwalających na efektywną odbudowę lub budowę nowych obwałowań przeciwpowodziowych (w ramach Planu Delta), możliwie najmniejszym kosztem i w jak najkrótszym czasie. Potrzebne były materiały, których funkcją byłaby ochrona grobli przed erozją wodną; jednocześnie materiał taki musiał charakteryzować się odpowiednimi właściwościami filtracyjnymi. Materiał ten spełniał też funkcję zbrojenia gruntu, co nie było jeszcze wtedy eksponowane. Sam termin „geosyntetyk”

(„geosynthetic”) został użyty po raz pierwszy w roku 1977, na konferencji w Paryżu, która już po fakcie została uznana za pierwszą międzynarodową konferencję geosyntetyczną (Kelsey 2014). Z upływem czasu geosyntetyki rozpowszechniły się coraz bardziej i dzisiaj znajdują wiele różnych zastosowań, niemalże w całym obszarze inżynierii lądowej. Rozwój tej dziedziny spowodował powstanie organizacji i stowarzyszeń, które „stoją na straży”

produktu, jego standaryzacji, zajmują się edukacją, jednocześnie pełniąc funkcję marketingową w rozpowszechnianiu wiedzy o samych geosyntetykach. Należy tu wymienić Międzynarodowe Stowarzyszenie Geosyntetyczne – International Geosynthetics Society,

„IGS” (w3) wraz z jego oddziałami krajowymi; w Polsce jest to Polskie Stowarzyszenie Geosyntetyczne „PSG” (w4), które formalnie zostało powołane do życia we wrześniu 2008 roku (Duszyńska 2010). Dalej można wspomnieć o Geosynthetics Materials Association

„GMA” (w5), Geosynthetic Institute „GSI” (w6) oraz instytucjach normalizacyjnych jak np.

ASTM International (w7), ISO Standards (w8), CEN (w9) oraz PKN (w10), które

wyodrębniły odpowiednie komitety do spraw geosyntetyków. Znormalizowane zostały

terminy dotyczące funkcji, wyrobów, właściwości, a także symbole dla geosyntetyków (PN-

EN ISO 10318). Szerszy przegląd światowych norm/standardów przestawiono np. w pracy

(Suits 2007). Obszary budownictwa, w których stosuje się geosyntetyki to m.in. drogi kołowe

i kolejowe, fundamentowanie, konstrukcje oporowe, systemy drenażowe, ochrona skarp

i zboczy przed erozją, konstrukcje hydrotechniczne, tunele i konstrukcje podziemne, czy też

składowiska odpadów. Wymagania stawiane geosyntetykom w tych aplikacjach regulują

(odpowiednio w kolejności wymienionych zastosowań) normy (PN-EN 13249, PN-EN

13250, PN-EN 13251, PN-EN 13252, PN-EN 13253, PN-EN 13254, PN-EN 13255, PN-EN 13256, PN-EN 13257, PN-EN 13265, PN-EN 15381).

Początkowo geosyntetyki miały formę płaską (geotekstylia, geosiatki), następnie można odnotować ewolucję do form przestrzennych takich jak np. georuszty drenażowe, gdzie grubość (nadal stosunkowo mała) przekłada się na funkcję geosynetyku – zdolności filtracyjne. W końcu osiągnięto formę z wyraźnym, trzecim wymiarem, tj. grubością – geokratę komórkową. Ponadto geosyntetyki płaskie zaczęto wykorzystywać do budowy przestrzennych materacy komórkowych (Jones 1996) stanowiących fundament dla budowli ziemnych. Materace takie mogą stanowić wzmocnienie słabonośnego podłoża gruntowego, chociażby pod nasypami drogowymi (Gilchrist 1988). Współcześnie, rozwiązania takie oferowane są np. pod marką TensarTech ^® Stratum™ Cellular Foundation Mattress System (w11). Poza wspomnianymi, o gruncie zbrojonym traktują chociażby prace (Sawicki i Leśniewska 1993; Sawicki 1995, 1999; Ling, Leshchinsky et al. 2003).

Historia geokraty komórkowej

Koncepcja geokomórkowego systemu ograniczającego (KSO), potocznie nazywanego geokratą komórkową, narodziła się w armii Stanów Zjednoczonych w latach siedemdziesiątych XX wieku. Następnie w wyniku współpracy armii z firmą Presto Products Company, powstała i została wdrożona do produkcji geokrata komórkowa w takiej formie, jaką znamy dzisiaj – „plaster miodu” powstały z połączonych ze sobą taśm z tworzywa sztucznego (Bathurst i Crowe 1992; Presto Products Co. 2009). Do komercyjnego użytku firma Presto wprowadziła ją pod nazwą własną GEOWEB w 1985 r. (Bathurst, Crowe et al.

1993). Pierwsze aplikacje miały charakter militarny; geokrata była stosowana do stabilizacji piasku plażowego w celu przenoszenia obciążeń od ruchu pojazdów kołowych (Martin, Senf et al. 1998). W zastosowaniach cywilnych geokratę wykorzystywano jako sposób wzmocnienia podłoża lub wprost jako konstrukcję/umocnienie dróg gruntowych.

Ciekawostką są „snow roads” – śnieżne drogi, najczęściej tymczasowe, budowane z geokraty

komórkowej wypełnionej śniegiem (Diemand, Alger et al. 1996). Geokrata komórkowa

znalazła również zastosowanie do wzmacniania podstaw nasypów drogowych, ochrony skarp

przed erozją czy umacnianiu dna i brzegów cieków oraz kanałów wodnych.

Początki konstrukcji oporowych z wykorzystaniem zbrojenia w postaci KSO przypadają na koniec lat 80-tych ubiegłego wieku. W pracach (Bathurst i Crowe 1992; Bathurst, Crowe et al. 1993) szczegółowo opisano, zbudowaną w 1988 r., w miejscowości Richmond Hill, Ontario, Kanada, pierwszą w Ameryce Północnej i na Świecie (według tych autorów), konstrukcję oporową z wykorzystaniem gokraty komórkowej GEOWEB. Konstrukcja miała 3,0 m wysokości, 2,4 m szerokości podstawy i 200 m długości. Typowy przekrój poprzeczny konstrukcji, pokazano na rys. 2.2, za oryginałem z pracy (Bathurst i Crowe 1992). Od powstania prototypowej konstrukcji, w ciągu ok. 3 lat, na co wskazuje data publikacji przywołanego artykułu, w Ameryce Północnej powstało kolejnych około 100 konstrukcji oporowych z KSO. Trend ten utrzymał się w kolejnych latach i geokrata komórkowa coraz częściej była stosowana do budowy konstrukcji oporowych.

Rys. 2.2. Typical cross-section (Richmond Hill gravity wall structure) (Bathurst i Crowe 1992)

Literaturę dotyczącą geokraty komórkowej można spróbować podzielić na cztery grupy zastrzegając, że część publikacji może obejmować swoim zakresem tematykę kilku z nich.

Pierwsza grupa dotyczy badań prowadzonych na pojedynczych geokomórkach, opcjonalnie na modelach geokomórek, wypełnionych różnymi materiałami zasypowymi. Przykładem mogą tu być prace (Han, Yang et al. 2008; Pokharel, Han et al. 2010), w których badano zachowanie się zasypki w geokomórce (podłoża zbrojonego) pod obciążeniem pionowym.

W pracy (Hegde A. i Sitharam T. G. 2015) analizowano dodatkowo wytrzymałość na

zrywanie zgrzewów taśm w trakcie wzrostu obciążenia pionowego dystrybuowanego na

zasypkę wewnątrz geokomórki. Prowadzono również badania trójosiowego ściskania

geokomórek (Bathurst i Rajagopal 1993; Mengelt, Edil et al. 2006), a także modeli geokomórek (Rajagopal, Krishnaswamy et al. 1999; Chen, Huang et al. 2013) w celu ustalenia wpływu ograniczenia/uwięzienia materiału zasypowego, ścianami geokomórki, na jego właściwości wytrzymałościowe i odkształcalność. Widok próbek modelowych geokomórek, z ostatniej cytowanej pozycji, o różnym kształcie i sposobie połączeń, pokazano na rys. 2.3.

Rys. 2.3. Comparison of three 6-inch samples reinforced with cells of different shapes. (a) Different configurations. (b) Photos of samples after tests (s3 ¼ 200 kPa) (Chen, Huang et al. 2013)

Druga grupę stanowią prace opisujące badania geokraty komórkowej w postaci warstw konstrukcyjnych wzmacniających podłoże gruntowe. Dotyczą one najczęściej nośności i odkształcalności tak wzmocnionego podłoża. Sposób przekazywania obciążeń i badane parametry zależą od obszaru zastosowania geokraty. Tak więc mamy tu prace związane z analizą wzmocnienia podłoża drogowego, jak i nawierzchni konstrukcji drogowej, np.

(Emersleben i Meyer 2008; Yang, Han et al. 2012; Han, Pokharel et al. 2011; Thakur, Han et al. 2013). Badane są zagadnienia poświęcone wzmocnieniu podłoża słabonośnego, np.

(Bathurst i Jarrett 1989; Mandal i Gupta 1994; Lau, Edil et al. 2013; Hegde i Sitharam 2015a)

w tym pod nasypem (Latha, Rajagopal et al. 2006; Zhang, Zhao et al. 2010). Wyróżnić można

również artykuły dedykowane wzmocnieniu podłoża pod fundamentami, np. (Moghaddas

Tafreshi i Dawson 2010; Kumawat i Tiwari 2017) oraz prace ogólnie opisujące wzmocnienie podłoża gruntowego, np. (Pokharel, Han et al. 2017). Do oryginalnych można zaliczyć badanie nośności i osiadania podłoża, pod modelem fundamentu kołowego, wzmocnionego wielowarstwowym układem: warstw konstrukcyjnych z geokraty układanych na przemian z warstwami mieszanki gumowo-gruntowej (granulat gumowy ze zużytych opon + grunt mineralny) (Moghaddas Tafreshi, Khalaj et al. 2013, 2014). Na rys. 2.4 pokazano przykładowy widok geokraty i stanowiska do badania nieutwardzonej nawierzchni drogowej wzmocnionej geokratą komórkową.

Rys. 2.4. Section construction and testing: (a) geocell partially filled with the infill material, (b) moving wheel load application (Yang, Han et al. 2012)

Tematykę tej grupy zamykają prace związane z analizą teoretyczną stateczności geokraty komórkowej na skłonach skarp, gdzie jest ona stosowana jako zabezpieczenie przeciwerozyjne, są to np. pozycje (Rimoldi i Ricciuti 1994; Xianren 2010).

Kolejną, trzecią grupę stanowią prace związane z badaniami geokraty komórkowej w jej zastosowaniach do budowy konstrukcji oporowych. W pierwszej kolejności należy tu wymienić pracę (Bathurst i Crowe 1992), opisującą pionierskie badania konstrukcji oporowych z geokraty komórkowej, na podstawie wewnętrznych raportów z badań firmy Presto Products Inc. Opisano w niej m.in zakres i wyniki badań: właściwości ciernych w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych, trójosiowego ściskania pojedynczej geokomórki wypełnionej zasypką, jednoosiowego ściskania kolumny zbudowanej z 8 warstw konstrukcyjnych oraz badania na wyciąganie geosiatki spomiędzy warstw konstrukcyjnych ⁴ . Inną pracą analizującą opory tarcia w strefie kontaktowej jest artykuł (Wang, Chen et al.

4 Są to badania analogiczne do wykonywanych przy sprawdzaniu kotwienia geosiatki w spoinie bloczków

licowych konstrukcji oporowej z gruntu zbrojonego z aktywnym licem, opisane np. w pracach (Bathurst i

Simac 1993; Bathurst i Huang 2010; Ali i Bhuiyan 2014)

2008), w którym, podobnie jak w pionierskiej pracy (Bathurst i Crowe 1992), przedstawiono opis badań laboratoryjnych prowadzonych w skali technicznej. W dalszej kolejności, do trzeciej grupy można zaliczyć prace opisujące badania modelowych konstrukcji oporowych zbudowanych z geokraty komórkowej. Konstrukcje te wykonane były w różnych skalach.

W pracach (Leshchinsky, Ling et al. 2009; Leshchinsky 2009; Ling, Leshchinsky et al. 2009) zamieszczono rezultaty badań przeprowadzonych w skali technicznej. Badaniom modelowym w małej skali poświęcono m.in. prace (Racana, Gourves et al. 2002; Chen i Chiu 2008;

Soudé, Chevalier et al. 2013; Caicedo, Gómez et al. 2014).

Istotne dla przedmiotu niniejszej rozprawy są dwie wcześniej już wymienione prace (Bathurst i Crowe 1992; Wang, Chen et al. 2008), opisujące prowadzone w skali technicznej badania oporów tarcia na kontakcie warstw konstrukcyjnych. Szczegółowe rezultaty tych badań zostaną przywołane w dalszej części pracy. Na rys. 2.5 pokazano schemat pierwszego stanowiska badawczego, które pozwalało na badania geokraty o wysokości do 200 mm, ze stałym polem powierzchni strefy ścinanej równym 0,85 m² (0,92 x 0,92 m).

Rys. 2.5. Direct shear apparatus (Bathurst i Crowe 1992)

Stanowisko badawcze z drugiej pracy, pokazane na rys. 2.6, pozwalało na badanie ze

zmiennym polem powierzchni kontaktowej równym na starcie 0,25 m² (0,5 x 0,5 m), również

geokraty o wysokości do 200 mm. W obu przywołanych konstrukcjach aparatów można

zauważyć, że siłownik zadawania przemieszczenia poziomego przyłożony jest w osi górnej

ramy, gdzie też odbywa się pomiar siły poziomej. Jest to sprzeczne z powszechnie przyjmowaną budową aparatów bezpośredniego ścinania, w których siła wymuszająca przesuw przykładana jest w poziomie kontaktu ram skrzyni aparatu, a więc dokładnie w osi płaszczyzny ścinania.

Rys. 2.6. General arrangement of large-scale direct shear test system: (a) Overview of large-scale direct shear test system; (b) General arrangement of test instrumentations (unit: mm) (Wang, Chen et al. 2008)

Czwarta grupa prac to publikacje poświęcone analizom numerycznym zachowania się konstrukcji inżynierskich, zbudowanych z wykorzystaniem KSO. Należy w tym miejscu zwrócić uwagę, że część z tych prac zawiera również opis badań, najczęściej laboratoryjnych, poprzedzających późniejszą budowę modelu numerycznego i służących jego kalibracji.

Zaliczyć możemy tu prace związane z problematyką wzmacniania i nośności podłoża gruntowego budowli drogowych, czy też samej konstrukcji drogi o nawierzchni nieutwardzonej np. (Yang, Han et al. 2013), podłoża budowli kolejowych, np. (Leshchinsky i Ling 2013; Ngo, Indraratna et al. 2016), podłoża fundamentów (Latha, Dash et al. 2009;

Oliaei i Kouzegaran 2017), czy ogólnie poświęcone analizie wzmocnienia podłoża, np. (Yang, Han et al. 2010; Hegde i Sitharam 2015b; c). Ponadto przyporządkować tu można również prace dotyczące modeli numerycznych konstrukcji oporowych z KSO, np. (Chen, Wu et al.

2013; Song, Cao et al. 2013). Występuje tu również nieliczna grupa prac poświęconych

analizie KSO na skłonach skarp w funkcji ich ochrony przed erozją (Wang, Zhang et al. 2013) lub zbrojenia jej korpusu (Mehdipour, Ghazavi et al. 2013, 2017). Na rys. 2.7 pokazano za przykładową pracą (Chen, Wu et al. 2013) porównanie powierzchni zniszczenia z badań modelowych i analiz numerycznych.

Rys. 2.7. Comparison of failure modes between the experimental and analytical results (q = 45 kPa). (a) Experimental results, (b) Analytical results (Chen, Wu et al. 2013)

Wyodrębnić można jeszcze jedną grupę literatury, chociaż niepoświęconą

bezpośrednio geokracie komórkowej, to istotną dla zagadnień projektowania konstrukcji

oporowych, a więc także konstrukcji oporowy zbudowanych w technologii KSO. Grupa ta

obejmuje publikacje opisujące zagadnienia parć i odporów gruntu oraz zasady wyznaczania

(obliczania) ich oddziaływania na konstrukcje oporowe. Spośród wielu, możemy wyróżnić

tutaj chociażby monografie (Dembicki 1979; Jarominiak 2000). Warto też wskazać artykuł

(Wysokiński 2012), w którym podjęto tematykę projektowania konstrukcji oporowych wg

norm europejskich, a dokładniej według Eurokodu 7 (PN-EN 1997). Dodać trzeba w tym

miejscu również literaturę poświęconą projektowaniu konstrukcji z gruntu zbrojonego,

chociaż i tym razem nie jest ona wprost dedykowana geokracie komórkowej, ani nie opisuje

konstrukcji oporowych z niej zbudowanych, to jednak zawiera zasady projektowania

konstrukcji gruntowych z wykorzystaniem geosyntetyków, w tym sposób uwzględniania cech

reologicznych, którymi te geosyntetyki się charakteryzują. Zaliczyć tutaj można chociażby

monografie (Ling, Gottardi et al. 2013; German Geotechnical Society 2012), normę (BS 8006-1-2010) czy też wytyczne (FHWA-NHI-00-043).

Podsumowując przegląd literatury poświęcony publikacjom nt. badań geokraty komórkowej można stwierdzić, że tylko niewielka ich część (w zasadzie tylko dwie) stanowią prace poświęcone zagadnieniu oporów tarcia w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych.

Co więcej, prace poświęcone temu zagadnieniu zawierają, wydaje się, sprzeczne informacje na ten temat. Z pionierskich badań (Bathurst i Crowe 1992), później często cytowanych np.

(Kessler 2000; Xie i Yang 2009; Chen, Wu et al. 2013; Caicedo, Gómez et al. 2014) wynika, że opory tarcia w strefie kontaktowej są identyczne z oporami (wytrzymałością na ścinanie) samego gruntu zasypowego. Z drugiej strony praca (Wang, Chen et al. 2008) sugeruje co innego, pokazując znaczy wzrost oporów tarcia pomiędzy warstwami konstrukcyjnymi w stosunku do wytrzymałości na ścinanie samego materiału zasypowego. Jednocześnie, wiele wcześniej wymienionych prac wskazuje na wzrost nośności i ograniczenie osiadań podłoża wzmocnionego geokratą komórkową, wykazując jej wpływ na ośrodek gruntowy, ograniczony ściankami geokomórek. Idąc tym tropem, można przypuszczać, że ograniczenie/

zamknięcie zasypki ściankami geokomórek, wpływa także na zachowanie się materiału zasypowego w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych. Próbę uściślenia tych zależności stanowią badania i rozważania opisane w niniejszej rozprawie w zakresie sformułowanym w pkt. 1.1.

Na koniec, należy wskazać najbardziej aktualną pozycję, która podsumowuje

dotychczasowy przegląd literatury nt. geokraty komórkowej (Hegde 2017), zawierającą listę

ponad 60 publikacji jej poświęconych, z przedziału lat od 1990 do 2017 r. Przegląd ten

potwierdza nieliczny udział prac poświęconych badaniom oporów tarcia w strefie

kontaktowej warstw konstrukcyjnych oraz dominującą grupę prac poświęconych badaniom

geokraty pod kątem jej pierwotnego przeznaczenia, a więc wzmocnienie podłoża gruntowego,

czy też budowy konstrukcji nawierzchni drogowych.

3. Geosyntetyki w konstrukcjach oporowych

Celem niniejszego rozdziału jest usytuowanie przedmiotu pracy, tj. geokraty komórkowej na tle obecnie dostępnej, bardzo szerokiej gamy geosyntetyków, począwszy od materiałów używanych do ich wytwarzania, po różne rodzaje gotowych produktów geosyntetycznych dostępnych na rynku.

3.1. Produkcja, rodzaje i właściwości geosyntetyków

W niniejszym punkcie opisano podstawowe rodzaje i parametry tworzyw sztucznych wykorzystywanych do produkcji geosyntetyków, podano najważniejsze podziały geosyntetyków oraz podstawowe właściwości geosyntetyków.

3.1.1. Produkcja geosyntetyków

Zgodnie ze znormalizowaną definicją (PN-EN ISO 10318) geosyntetyk (GSY) – „jest to wyrób, którego co najmniej jeden składnik wytworzony został z syntetycznego lub naturalnego polimeru, mający postać arkusza, taśmy lub formy przestrzennej, stosowany w kontakcie z gruntem i/lub innym materiałem w geotechnice i budownictwie.” Zgodnie z tą definicją, w klasyfikacji IGS pojawiły się takie pojęcia, gdzie np. rury z tworzyw (PE, PVC.

itd.) w gruncie stają się „georurami” lub bloki ze spienionego poliuretanu (styropianowe) wbudowane np. w nasyp drogowy, stają się „blokami geopiankowymi”, czego akurat powołana norma nie wyodrębnia. Obecnie do produkcji geosyntetyków wykorzystuje się szeroką paletę polimerów, m.in. polipropylen (PP), poliester (PES), polietylen (PE), polietylen o dużej gęstości (PE-HD), poliamid (PA), aramid (A) czy polichlorek winylu (PVC). W procesie fabrykacji geosyntetyków wykorzystuje się różne technologie produkcji.

Część geosyntetyków powstaje w oparciu o technologie stosowane w przemyśle włókienniczym (tekstylnym), które obejmują m.in. przędzalnictwo, tkactwo, dziewiarstwo, poprzez bezpośrednie ich zaadoptowanie do produkcji geotekstyliów. Produkcja pozostałych geosyntetyków wymaga, bądź to tylko pewnych modyfikacji technologii włókienniczych, np.

dla tkanych, dzianych lub plecionych geokrat, bądź zupełnie odrębnych procesów

technologicznych, np. wytłaczania tworzyw sztucznych ⁵ . Szczegółowe dane nt. rodzajów polimerów najczęściej używanych do produkcji określonych typów geosyntetyków oraz technologii produkcji tych geosyntetyków zamieszczone są m.in. w pracach (Shukla 2002;

Koerner 2005; Shukla i Yin 2006).

Produkcja geokraty komórkowej polega najpierw na wytworzeniu samych taśm, które będą stanowić ścianki KSO, w tzw. procesie wytłaczania. Surowcem do ich produkcji jest najczęściej polietylen wysokiej gęstości (HDPE), niekiedy średniej gęstości (MDPE).

Najnowszym stosowanym surowcem jest „novel polymeric alloy” (NPA), znany także pod nazwą „Neoloy”. Jest to stop nano-kompozytowy, nano-włókien poliestrowo-poliamidowych rozproszonych w matrycy polietylenowej, charakteryzujący się elastycznością w niskich temperaturach podobną do HDPE. Taśmy z NPA mają niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej, większą sztywność i wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu do HDPE (Pokharel, Han et al. 2017). Następnym i zasadniczym etapem produkcji, a więc formowaniem sekcji KSO, jest łączenie taśm na dedykowanej linii produkcyjnej z zastosowaniem zgrzewarek ultradźwiękowych. Stanowisko to umożliwia wykonywanie zgrzewów mijankowo, w co drugiej łączonej parze taśm. Cały proces odbywa się automatycznie, wymaga jedynie ułożenia na stole zasobnika odpowiedniej liczby taśm do zgrzania – wyprodukowania sekcji. Widok takiego stanowiska, na etapie wykonywania zgrzewów, pokazano na rys. 3.1. Warto w tym miejscu dodać, że na rynku występują również nietypowe geokraty komórkowe, jak np. geokrata komórkowa z taśm tkanych (Kopias, Mikołajczyk et al. 2011), czy dość egzotyczna postać geokraty komórkowej ze ściankami plecionymi z bambusa (Hegde i Sitharam 2015a; d).

5 Wytłaczanie tworzyw sztucznych – ciągły proces otrzymania wyrobów lub półwyrobów (w postaci profilów, płyt lub folii) z tworzyw polimerowych, polegający na uplastycznieniu materiału w układzie uplastyczniającym wytłaczarki (topienie w podwyższonej temperaturze), a następnie jego ukształtowaniu poprzez wyciskanie przez odpowiednio ukształtowane dysze z jednoczesnym chłodzeniem. Jako materiał wyjściowy stosuje się surowiec w postaci granulatu, proszku, płatków lub wiórów odpowiedniego polimeru.

(Saechtling 2007)

Rys. 3.1. Widok stanowiska do zgrzewania taśm sekcji geokraty komórkowej: I – aktualnie wykonywane zgrzewy, II – miejsce zgrzewania z kolejną taśmą, 1 – kolejna taśma do połączenia w sekcję, 2 – taśmy już połączone (stanowiące już sekcję geokraty), 3 – generator ultradźwięków (w12)

Jeżeli chodzi o charakterystyki wytrzymałościowe samych surowców (polimerów) stosowanych do produkcji geosyntetyków, to pokazano je (rys. 3.2) na przykładowych wykresach za (Wysokiński i Kotlicki 2007).

Rys. 3.2. Typowe wykresy σ(ε) materiałów bazowych stosowanych do wykonania zbrojenia geosyntetycznego (rozciąganie krótkotrwałe ε=20%/min.) min.) (Wysokiński i Kotlicki 2007)

Z przedstawionych na rysunku 3.2 zależności wynika, że największą wytrzymałością na rozciąganie charakteryzuje się aramid (σ = 1,3 GPa) i polivinyloalkohol (PVA) (σ = 1,0 GPa).

Najmniejsze wytrzymałości charakteryzują polipropylen – PP i polietylen – PE (σ = ok. 0,4

GPa), a pośrednie poliester – PET (σ = 0,8 GPa) i poliamid – PA (σ = 0,7 GPa). Łatwo

również zauważyć, że najmniejszą odkształcalność cechuje aramid (wydłużenie przy zerwaniu ok. ε = 3%) i PVA (ε = 8%), a największą PE i PP (ε = 25% do 30%).

3.1.2. Podział geosyntetyków

Podział geosyntetyków najczęściej dokonywany jest ze względu na technologię ich produkcji (rodzaj) oraz funkcję jaką spełniają w budownictwie. Z formalnego punktu widzenia w Unii Europejskiej podział geosyntetyków według wyżej wymienionych kryteriów reguluje norma (EN ISO 10318). Podobne regulacje obowiązują w innych krajach świata i są to dla przykładu w USA (ASTM Standard D4439), w Indiach (IS 13321-1:1992), a w Australii (AS 3704:2005). Na rys. 3.3 pokazano podział geosyntetyków według technologii ich produkcji zgodny z (EN ISO 10318).

Rys. 3.3. Podział geosyntetyków według technologii ich produkcji zgodny z normą (PN-EN ISO 10318)

W tej klasyfikacji Geokrata komórkowa, która jest przedmiotem pracy, zdefiniowana jest jako

geosyntetyk komórkowy (GCE – Geocell), tj. „polimerowy (syntetyczny lub naturalny)

wyrób o przestrzennej, przepuszczalnej strukturze w formie plastra miodu lub podobnej

strukturze komórkowej, wytworzony z połączonych ze sobą taśm geosyntetyków.” Trzeba

w tym miejscu nadmienić, że termin normowy w zasadzie nie przyjął się w praktyce

inżynierskiej, a także wśród producentów, którzy swoje produkty oferują pod takimi nazwami jak geokrata, geosiatka, geomata komórkowa. Z czego dwa ostatnie terminy wydają się zupełnie nieodpowiednie do faktycznej przestrzennej budowy tego wyrobu.

Drugim kryterium podziału geosyntetyków jest funkcja, jaką pełnią one w konstrukcjach geotechnicznych. Do funkcji tych zalicza się: rozdzielanie (separowanie), zbrojenie, filtrowanie, drenowanie, bariery, ochrona i powierzchniowe zabezpieczenie przeciwerozyjne.

W tab. 3.1 podano podstawowe role jaką mogą pełnić poszczególne rodzaje głównych geosyntetyków, z zastrzeżeniem, że niektóre geosyntetyki mogą pełnić równocześnie kilka funkcji. Ponadto wraz z innymi geosyntetykami głównymi, w tzw. geokompozycie (GCO), zakres funkcjonalności może się zmieniać i poszerzać. W przypadku geokraty komórkowej są to: zbrojenie gruntu, powierzchniowe zabezpieczenie przeciwerozyjne i tworzywo grawitacyjnych konstrukcji oporowych oraz w pewnych aplikacjach – funkcja drenażu.

Tabela 3.1. Podstawowe funkcje głównych geosyntetyków GTX

Geotekstylia GGR

Geosiatki

GNT

Georuszty drenażowe

GCE

Geosyntetyki komórkowe

GST

Geotaśmy (Geodreny)

GMA

Geomaty GSP GBR-P

Geomem- brany

GBR-C, GBR-B Separacja X (+GTX-W,-N)

Zbrojenie X X X

Filtracja X (+GTX-W,-N)

Drenowanie X (+GTX-W,-N) X, ^(+GTX-N) X

X ^(+GTX-N) X

Bariera X

X X

Ochrona X X

P. z. p.

X X X

1

– Powierzchniowe zabezpieczenie przeciwerozyjne, X – może spełniać funkcję samodzielnie, (+GSY) – może spełniać funkcję najczęściej z innym geosyntetykiem.

a – geotekstylia nasączone bitumami, b – lub tworzywo grawitacyjnych konstrukcji oporowych, c – tylko geokrata z taśm perforowanych.

Uwaga, wraz z innymi geosyntetykami głównymi, w tzw. geokompozycie (GCO), zakres funkcjonalności może się zmieniać i poszerzać.

W przypadku funkcji zbrojenia istotne są właściwości cierne styku pomiędzy gruntem

i geosyntetykiem, a niekiedy także między geosyntetykiem i geosyntetykiem. Wyznacza się je

w następujących badaniach: w teście bezpośredniego ścinania (EN ISO 12957-1, ASTM

D5321), w badaniu na równi pochyłej (PN-EN ISO 12957-2) oraz poprzez wyciąganie

geosyntetyku z gruntu (EN 13738, ASTM D6706). Zwykle w praktyce inżynierskiej,

w przypadku braku wyników badań, przyjmuje się współczynnik tarcia pomiędzy

geosyntetykiem a gruntem μ = 0,5tgφ, gdzie φ jest kątem tarcia wewnętrznego gruntu

(Wysokiński i Kotlicki 2007). Jednak z uwagi na szeroką gamę stosowanych geosyntetyków

oraz różne materiały sypkie, które mogą stanowić ich zasypkę, wskazane jest, aby wartość współczynnika μ wyznaczać w badaniach. Podejście takie zaprezentowano np. w normie (BS 8006-1), która wymaga aby współczynnik μ był wyznaczony w badaniu adekwatnym do rozpatrywanego zadania, tj. w teście bezpośredniego ścinania lub w badaniu na wyciąganie geosyntetyku z gruntu.

Podziałom, opisowi i funkcjom, a także przydatności poszczególnych rodzajów geosyntetyków w określonych aplikacjach inżynierskich, poświęcono wiele miejsca w następujących monografiach (Koerner 2005; Shukla i Yin 2006; Shukla 2002, 2012).

3.1.3. Podstawowe właściwości geosyntetyków

Technologia produkcji geosyntetyków oraz rodzaj użytego surowca (polimeru) wpływa na właściwości i funkcje geosyntetyków. Charakterystykę samych polimerów można znaleźć przede wszystkim w publikacjach poświęconych tworzywom sztucznym i ich produkcji np. (Saechtling 2007; Rabek 2009). Podstawowe ich parametry opisane są także w literaturze poświęconej geosyntetykom, która jednak bardziej koncentruje się na informacjach o cechach fizycznych i mechanicznych gotowych już geosyntetyków (np.

pozycje przywołane w pkt. 3.1.2). Do podstawowych cech fizycznych geosyntetyków (Shukla

2012) zalicza się gęstość [g/m³], gramaturę (masę powierzchniową) [g/m²], grubość [mm],

sztywność (związaną z gięciem się geosyntetyku pod własnym ciężarem). Dodatkowe cechy

istotne w przypadku geosiatek (GGR) i georusztów drenażowych (GNT) to: typ struktury, typ

połączenia w węzłach (sztywne lub elastyczne), rozmiar i kształt otworów, wymiary żeber,

czy kąt pomiędzy żebrami schodzącymi się w węzłach. Do właściwości mechanicznych

zalicza się m.in. ściśliwość oraz wytrzymałość na rozciąganie, która jest niezmiernie ważnym

parametrem dla geosyntetyków stosowanych w funkcji zbrojenia. Wytrzymałość na

rozciąganie geosyntetyków, ze względu na szczególną geometrię i nieregularny kształt

przekroju poprzecznego wielu z nich (np. w przeciwieństwie do przekroju gładkiej

geomembrany), którego nie da się łatwo określić, nie może być zdefiniowana w sposób

konwencjonalny jako naprężenie [kN/m²]. Dlatego została określona jako maksymalna siła,

jaką może przenieść geosyntetyk poddany obciążeniom rozciągającym na jednostkę jego

szerokości [kN/m]. Badania wykonuje się na maszynach wytrzymałościowych

rozciągających, pracujących na zasadzie stałego przyrostu wydłużenia, np. metodą szerokich

próbek (PN-EN ISO 10319:2010).

W przypadku geokraty komórkowej poza wytrzymałością na rozciąganie samych taśm, równie istotna jest wytrzymałość zgrzewów je łączących – w przypadku złej ich jakości taśmy mogą się odrywać i nie stworzy się charakterystyczna struktura plastra miodu. Dlatego jakość tych połączeń również podlega kontroli (PN-EN ISO 13426-1) poprzez badanie połączeń w teście: wytrzymałości na ścinanie, wytrzymałości na odrywanie, wytrzymałości na rozszczepienie oraz maksymalnej wytrzymałości na lokalne przeciążenie.

Opisane powyżej wytrzymałości na rozciąganie są tzw. wytrzymałościami krótkoterminowymi. Jednak polimery wykazują cechy lepko-sprężyste, odkształcają się pod wpływem sił zewnętrznych, a ich właściwości zależą od czasu. Przejawia się to np.

zjawiskami pełzania i relaksacji (Van Santvoort 1994). Pełzanie przy rozciąganiu jest to zależny od czasu wzrost długości wyrobu poddanego stałemu obciążeniu rozciągającemu.

Natomiast pełzanie przy ściskaniu to zmniejszanie grubości wyrobu w czasie działania stałego obciążenia ściskającego. Relaksacja definiowana jest jako spadek naprężeń w czasie przy stałym wydłużeniu. Cechy te powinny być uwzględnione w tzw. wytrzymałości długoterminowej geosyntetyku w procesie projektowania konstrukcji z wykorzystaniem zbrojenia geosyntetycznego. Szerszy opis tych zjawisk można znaleźć m.in. w pracach (Sawicki i Kazimierowicz-Frankowska 1998; Krążelewski i Izbicki 2004; Izbicki i Krążelewski 2006; Zou, Wang et al. 2016). Cechę reologiczną w postaci pełzania dla wybranych przykładowo polimerów można prześledzić na rys. 3.4, gdzie pokazano ich wydłużenie w czasie do 1 roku przy stałym obciążeniu rozciągającym równym 20% i 60%

wytrzymałości na zrywanie.

Rys. 3.4. Results of creep tests on various yarns of different polymers: (a) creep at 20% load, (b) creep at 60% load (Shukla i Yin 2006)

Natomiast na rys. 3.5 pokazano wpływ zjawiska relaksacji na wytrzymałość geosyntetyku na

zrywanie.

Rys. 3.5. Time-to-failure in relation to the stress ratio (Van Santvoort 1994)

Jak łatwo zauważyć, wartość wytrzymałości na zrywanie spada kilkadziesiąt procent w okresie krótszym niż 1 rok od przyłożenia obciążenia, podczas gdy konstrukcje z gruntu zbrojonego projektuje się na kilkadziesiąt lat. Stąd też wynika konieczność stosowania w projektowaniu tzw. wytrzymałości długotrwałej, ustalanej jako ułamek wytrzymałości doraźnej (krótkotrwałej).

3.2. Konstrukcje oporowe z gruntu zbrojonego

Konstrukcje oporowe z gruntu zbrojonego składają się z korpusu (nasyp ze zbrojeniem) oraz osłony. Korpus stanowi zasadniczą, masywną część konstrukcji, decydującą o jej właściwościach wytrzymałościowych i użytkowych. Natomiast osłona zabezpiecza lokalną stateczność gruntu na brzegu korpusu, chroni zbrojenie przed promieniowaniem UV oraz m.in. pozwala licu nadać odpowiednią formę estetyczną. Podział tych konstrukcji może przebiegać ze względu na typy stosowanych osłon, np. (Wysokiński i Kotlicki 2007) wyróżniają trzy ich rodzaje: „sztywne”, „odkształcalne” i „miękkie”. Sztywne osłony wykonane są najczęściej z prefabrykatów lub bloczków betonowych. Osłony odkształcalne budowane są z blach lub siatek stalowych, a osłony miękkie z geosyntetyków lub drewna.

Korpus może być zbrojony za pomocą stalowych taśm i siatek lub geosyntetyków (najczęściej geotkanin lub geosiatek). Przeglądowi konstrukcji oporowych z gruntu zbrojonego poświęcone są m.in. monografie (Ingold 1982; Sawicki i Leśniewska 1993; Jones 1996).

Ściany oporowe zbudowane z geokraty komórkowej, stanowią zdecydowaną mniejszość

wśród stosowanych rodzajów konstrukcji oporowych z gruntu zbrojonego. Jeżeli chodzi o ich

budowę, to geokrata komórkowa stanowi zbrojenie korpusu, a jednocześnie jej zewnętrzne

ścianki stanowią lico konstrukcji oporowej.

3.3. Geokrata komórkowa w konstrukcjach inżynierskich

Tworzywem konstrukcji inżynierskiej w rozpatrywanym przypadku jest geokrata komórkowa wypełniona materiałem budowlanym. Wypełnieniem (zasypką) geokraty komórkowej najczęściej jest kruszywo naturalne, kamień łamany lub inne materiały sypkie.

Niekiedy komórki wypełnia się betonem, np. komórki lica konstrukcji oporowej lub komórki na brzegu/obwodzie sekcji stanowiących konstrukcję nawierzchni z kruszywa. W budowlach hydrotechnicznych, gdzie geokrata niejednokrotnie pełni funkcję ochrony przed erozją wodną dna i brzegu, całe sekcje geokraty wypełnia się betonem. Spośród zastosowań geokraty komórkowej w aplikacjach inżynierskich można wymienić następujące obszary:

- budowa dróg (wzmocnienie podłoża lub wprost konstrukcja nawierzchni drogi, umacnianie poboczy dróg asfaltowych), np. (Wojewódzki 2012; Kłosek 2013),

- zabezpieczenie przeciwerozyjne: skarp drogowych, np. (Korzeniowska-Rejmer, Kessler et al. 2007), dna i brzegów cieków i kanałów wodnych, np. (Martin, Senf et al.

1998; Kessler i Szczepaniak 2004; Korzeniowska-Rejmer i Kessler 2006), - wzmacnianie słabego podłoża gruntowego pod nasypami i fundamentami, - wzmacnianie podtorza kolejowego, np. (Rap i Górszczyk 2016),

- podbudowa przepustów i rurociągów, np. (Kessler i Trzpis 2009),

- budowa konstrukcji oporowych, np. (Kessler i Topolewicz 2000; Xie i Yang 2009).

Rys. 3.6. Podbudowa drogi: a) – z wykorzystaniem geokraty

komórkowej, b) – bez geokraty komórkowej

Sposób wykorzystania geokraty komórkowej do stabilizacji mineralnych warstw nośnych

podłoża drogi asfaltowej przedstawiono na rys. 3.6, na przykładzie opisanym w pracy

(Emersleben i Meyer 2012); jak widać zastosowanie geokraty komórkowej pozwala na

zmniejszenie grubości podbudowy z tłucznia. Inny sposób wykorzystania geokraty

komórkowej obrazuje rys. 3.7 na którym pokazano sposób budowy drogi/placu/miejsc