Adam BOLT, A ngelika D U SZY Ń SK A Politechnika G dańska
BADANIA OPORU GEOSYNTETYKÓW NA WYCIĄGANIE
Z GRUNTU W WIELKOWYMIAROWYM STANOWISKU PULLOUT
Streszczenie.
O pisano budow ę wielkowym iarow ego aparatu do badań oporu geosyntetyków na wyciąganie skonstruow anego w Laboratorium Geotechniki Politechniki Gdańskiej. O m ów iono badania w ykonane dla różnych rodzajów geosyntetyków: georusztów, geokompozytu i m ateriału geotekstylnego. Stwierdzono, że na wartość oporu geosyntetyku na wyciąganie wpływ a w iele czynników - głów nie param etry gruntu i w łaściw ości geomateriału.PULLOUT TESTING OF GEOSYNTHETICS EMBEDDED IN SOIL IN LARGE SCALE PULLOUT APPARATUS
Summary.
The pullout test apparatus constructed in the G eotechnical Laboratory o f Gdańsk U niversity o f Technology was described. The tests perform ed for different types o f geotextiles and related products: geogrids, a geocom posite and a geotextile. It was found that the test results are influenced by a lot o f factors, especially by soil and geosynthetic parameters.1. Wprowadzenie
W ostatnich latach gw ałtow nie rośnie liczba konstrukcji wykonyw anych z zastosow aniem różnego rodzaju geosyntetyków. Efekty techniczne i ekonom iczne stosow ania geosyntetyków uzależnione są od w ykorzystania param etrów fizycznych i m echanicznych samego m ateriału, jak również układu grunt - zbrojenie. N iestety, bardzo często inwestorzy i projektanci nie zdają sobie sprawy z tego, ja k bardzo m ateriały te ró żn ią się m iędzy so b ą i ja k i w pływ na pracę konstrukcji m a ją w łaściw ie określone param etry materiału.
Bardzo w ażnym zagadnieniem w przypadku konstrukcji zbrojonych je st właściwe określenie wartości siły niezbędnej do wyciągnięcia geosyntetyku z gruntu oraz
współczynnika przyczepności grunt - zbrojenie odkształcalne. W tym celu niezbędne jest wykonanie badań na w yciąganie geosyntetyku z gruntu o param etrach odpowiadających m ateriałow i na m iejscu w budowania.
W niniejszym artykule przestaw iono wyniki badań wyciągania, tzw. p ullout test, wykonane dla różnych rodzajów geosyntetyków: georusztów , geokom pozytu i materiału geotekstylnego.
2. Stanowisko badawcze
Rys. 1. Aparat do badań geosyntetyków na wyciąganie Fig. 1. Pullout apparatus
W przeprow adzonych badaniach geosyntetyków na wyciąganie z gruntu „pullout”
stosowano aparat w ielkowym iarow y [4], którego główne elem enty stanow ią (rys. 1):
- prostopadłościenna stalow a skrzynia o wym iarach wewnętrznych: długość 160 cm, szerokość 60 cm i w ysokość 36 cm, w której zastosowano m etalow e osłony (noże);
- pneum atyczny system zadaw ania nacisku (maksym alnie 200 kPa), w postaci zbrojonej poduszki gumowej, do której w trakcie badania doprowadzano sprężone powietrze;
- system wyciągający, um ożliw iający zadaw anie siły wyciągającej z maksymalną prędkością przem ieszczenia zacisku 10 m m /m in, złożony z: silnika elektrycznego z falownikiem , system u przekładni ślimakowych, czujnika siły oraz specjalnego urządzenia zaciskowego, um ożliwiającego równom ierny rozkład siły wyciągającej na całej szerokości próbki, poziom e ułożenie próbki podczas obciążania oraz wykluczającego m ożliw ość poślizgu m iędzy p róbką i zaciskiem , a także możliwość zniszczenia geosyntetyku w zaciskach;
- system pom iaru przem ieszczeń geosyntetyku wew nątrz skrzyni wykorzystujący elektroniczne przetw orniki przem ieszczeń typu LVDT;
- system zbierania danych um ożliw iający ciągły kom puterowy zapis siły wyciągającej, przem ieszczeń poziom ych w ybranych punktów pomiarowych.
3. Program badań
Z kilkudziesięciu badań w ykonanych dotąd w aparacie, do celów niniejszego artykułu wybrano badania przeprow adzone dla sześciu różnych m ateriałów geosyntetycznych (tablica 1), dw óch rodzajów gruntu (tablica 2) i dla jednej (porów naw czej) wartości przykładanego nacisku - 50 kPa. Podstaw ow e param etry serii badań zestaw iono w tablicy 3.
Tablica 1
C harakterystyka stosowanych geosyntetyków
Symbol Rodzaj
W ytrzymałość na rozciąganie
[kN/m]
Odkształcenie przy maks.
obciążeniu r%i
Obciążenie przy odkształ. 2%
[kN/mj
Obciążenie przy odkształ. 5%
[kN/mj
A
dw ukierunkow y polipropylenow y georuszt
o sztywnych w ęzłach
4 0 /4 0 8,4/9,8 14/14 28/28
B dw ukierunkow y georuszt
polipropylenow y 30/30 ? 12/12 24/24
C jednokierunkow y georuszt
poliestrow y 80/30 12,5/12,5 ? ?
D jednokierunkow y georuszt
polipropylenow y 90/? 13 26 50
E
geokom pozyt: w łókna poliestrow e i geow łóknina
polipropylenow a
100/14 13/60 14 33
F geotkanina poliestrow a 100/50 25 ? 50
? - brak danych
Tablica 2 C harakterystyka stosowanych gruntów
Param etr Rybaki 2 K rusz 1
Rodzaj gruntu Piasek gruby N iesort drogowy
Średnica m iarodajna d5o [mm] 1,19 10
W skaźnik różnoziam istości U [-] 2,19 38,1
W ilgotność w [%] 0,11 4,3
Najbardziej szczegółow e obserwacje m echanizm u w yciągania przeprow adzono w ramach serii 1, która obejm ow ała blisko 40 badań jednego rodzaju georusztu na próbkach o różnych wymiarach, w gruncie o dw óch stopniach zagęszczenia i przy zróżnicow anych wartościach przykładanego nacisku pionowego. Celem badań było m.in. określenie wpływu, jaki na opór na wyciąganie m ateriału geosyntetycznego mają: naprężenie norm alne, stopień zagęszczenia gruntu, wymiary próbki m ateriału geosyntetycznego i inne [4],
Tablica 3 Parametry wykonanych badań_________ _________________
N r serii
Symbol w yrobu
W ym iary
próbek [m] Rodzaj gruntu C iężar objętościow y y [kN/m3]
Przykładany nacisk [kPa]
1 A 1,5 x 0,4 Rybaki 2 16,38 50
2a 2b 2c 2d
B C D E
1,0 x 0,3 Rybaki 2 16,64 50
3 F 1,2 x 0,4 K rusz 1 23,15 50
Seria 2 obejm ow ała przeprow adzone w ram ach Europejskiego Komitetu Norm alizacyjnego (CEN/TC 189) badania między laboratoryjne tzw. „R ound Robin Pullout Tests”, w których uczestniczyły 4 laboratoria: z Portugalii, W. Brytanii, W łoch i Politechniki Gdańskiej [3j. Ich celem było określenie pow tarzalności badań prowadzonych zgodnie z zaleceniam i przygotow ywanego projektu norm y prEN 13738. Badania prowadzono na próbkach (pobranych zgodnie z kierunkiem produkcji) czterech różnych materiałów geosyntetycznych (B,C, D i E) wyciąganych z gruntu standardowego w danym laboratorium.
N ajkrótsza, trzecia seria badań dotyczyła wyciągania georusztu F ze specjalnie przygotowanej m ieszanki podw ójnie łam anego kruszywa drogowego (tabl. 2) zagęszczonego przy wilgotności optymalnej do Is>0,98.
4. Procedura badawcza
Po um ieszczeniu w dolnej części skrzyni gruntu i zagęszczeniu do określonego stopnia zagęszczenia, na dokładnie wyrównanej pow ierzchni gruntu układano próbkę geomateriału, do której instalowano urządzenia do pom iaru przem ieszczeń w ew nątrz gruntu. W olny koniec próbki wyprowadzono poprzez szczelinę m iędzy nożami ze skrzyni i m ocowano w zaciskach
połączonych z system em wyciągającym. N astępnie wykonywano zasyp górnej części skrzyni, stosując ten sam sposób zasypu i zagęszczania, co dla dolnej w arstwy gruntu. N a koniec instalowano system zadaw ania nacisku i zam ykano aparat.
Po zadaniu nacisku obciążano próbkę wyciągając j ą przy stałej prędkości przem ieszczenia zacisków. W trakcie badania następow ał automatyczny zapis (w odstępach co 1 s) przemieszczeń w ybranych punktów pom iarowych oraz siły wyciągającej. Badanie prowadzano do m om entu w yciągnięcia próbki lub zerw ania się m ateriału. Po wykonaniu badania i dem ontażu urządzenia dokonywano kontroli pow ierzchni kontaktowej grunt - georuszt, sprawdzano rów nom ierność deform acji m ateriału oraz czy noże nie utrudniały wyciągania próbki lub nie w płynęły na jej w cześniejsze zniszczenie.
5. Wyniki doświadczeń
O pór geosyntetyków na wyciąganie obliczano zgodnie z projektem normy prEN 13738 [5], według poniższych wzorów:
• dla geotekstyliów, geow łóknin itp:
p =
—W F(11
y ;8
• dla georusztów , geosiatek i innych wyrobów o podobnej strukturze:
F n g
P =--- - (2)
N g gdzie: P - opór na w yciąganie,
F - siła w yciągająca pom ierzona w badaniu „pullout” , W g - szerokość próbki,
N g - liczba żeber w badanej próbce georusztu w kierunku działania siły wyciągającej, ng - liczba żeber na jednostkę szerokości georusztu w kierunku działania siły.
W tablicy 4 zestaw iono w artości maksymalnego oporu na wyciąganie z ośrodka gruntowego P max-
Tablica 4 Zestawienie wyników_____________________
N r serii Symbol wyrobu M aksymalny opór na w yciąganie P max [kN/m]
1 A 41,91
2a B 31,68
2b C 52,53
2c D 42,38
2d E 24,73
3 F 34,07
przemieszczenie [mm]
Rys. 2. Wykres zależności opór na wyciąganie - przemieszczenie zacisków Fig. 2. Plot of pullout resistance versus clamp displacement
N a rysunku 2 przedstaw iono wykres oporu na w yciąganie w funkcji przemieszczenia zacisków dla w szystkich próbek geosyntetyków. W yraźnie w idać różnice w zachowaniu się poszczególnych m ateriałów w trakcie wyciągania. Najw iększy opór na wyciąganie stawiał georuszt C, a najw iększym i odkształceniam i w początkowej fazie charakteryzowała się geotkanina F.
Przy nacisku 50 kPa w przypadku m ateriałów C, D i F nastąpiło wyciągnięcie materiałów, natom iast w przypadku georusztów A i B koniec badania następow ał w w yniku zerwania na skutek przekroczenia maksymalnej wytrzymałości m ateriału na rozciąganie. Świadczy to o dobrej przyczepności pom iędzy tymi m ateriałam i a zastosow anym gruntem.
Szczególnie istotne znaczenie m a fakt, że w obu materiałach, w przypadku których nastąpiło zniszczenie, uzyskane m aksym alne wartości oporu na wyciąganie (tabl. 4)
przewyższają wytrzym ałości tych m ateriałów na rozciąganie określone zgodnie z norm ą PN- ISO 10319, czyli „w pow ietrzu” . O znacza to, że w rzeczyw istości, po w budow aniu geosyntetyku w konstrukcję, m ateriał ten zachow uje się znacznie lepiej niż uw zględnia się w projektowaniu, przyjm ując m aksym alne obciążenie na poziom ie wytrzymałości geosyntetyku w próbie na rozciąganie.
W tracie badań w yciągania istotne je st m onitorow anie nie tylko przem ieszczeń przedniego końca geosyntetyku, tj. (przem ieszczenia zacisku) w funkcji przykładanej siły, ale również przem ieszczeń w punktach rozm ieszczonych w zdłuż zakotwionej w gruncie części geomateriału.
W ażnym czynnikiem w pływ ającym na sposób w spółpracy elem entu zbrojącego z ośrodkiem gruntow ym je s t odkształcalność georusztu, która w pływ a na tarcie między zbrojeniem a gruntem . W artość tarcia układu zależy zarówno od w łasności m echanicznych otaczającego gruntu, ja k i od odkształcalności zbrojenia.
W przeprow adzonych badaniach stwierdzono, że przem ieszczenia geom ateriału w gruncie zanikają w raz z długością zakotw ienia. Zbrojenie odkształcalne charakteryzuje się progresywnym zniszczeniem podczas w yciągania. Trudności zw iązane z wyborem odpowiednich param etrów gruntu do projektow ania w takich w arunkach często przezw ycięża się stosując zachow awczo w artości stanu granicznego.
W przypadku konstrukcji z gruntu zbrojonego geosyntetykami niezw ykle istotne je st porównanie w w arunkach stanu naprężenie - odkształcenie zachow ania się gruntu i geosyntetyku.
6. Wnioski końcowe
Badania geosyntetyków na wyciąganie, których celem je st określenie zachow ania się materiałów geosyntetycznych w ośrodku gruntowym oraz param etrów w spółpracy układu, wym agają dośw iadczenia i ostrożności zarówno przy ich wykonywaniu, ja k i interpretacji wyników badań, poniew aż w pływ a na nie w iele czynników, m.in.: param etry początkowe i stan naprężenia w gruncie, w łaściw ości m ateriału zbrojenia, a także warunki brzegowe określone param etram i stosow anego stanowiska badawczego oraz używ ana procedura badawcza.
Najbardziej efektyw ne w ykorzystanie geosyntetyku w konstrukcji z gruntu zbrojonego um ożliwić m oże w fazie projektow ania „zasadniczego” w łaściw a ocena w spółczynnika
przyczepności. W tym celu niezbędne je st wykonanie badań na w yciąganie geosyntetyku z gruntu o param etrach odpow iadających m ateriałowi na m iejscu wbudowania.
LITERATURA
1. B olt A. F., D uszyńska A.: Pull-O ut Testing o f G eogrid Reinforcem ents, Proceedings of Second European G eosynthetics Conference Eurogeo 2000, Bologna, Italy, 2000.
2. Bolt A. F., D uszyńska A.: Soil - geogrid interaction in pullout test at 2D - deformation conditions, Proceedings o f Seventh International Conference on Geosynthetics, Nice, France, 2002.
3. Bolt A., D uszyńska A.: „ROUND ROBIN PULLOUT TESTS. Determination of geotextiles and geotextile-related products pullout resistance in soil” , G dańsk 2001.
4. D uszyńska A., B olt A. F.: Badania oporu geosyntetyków na wyciąganie z gruntu, Inżynieria M orska i G eotechnika 2001, z. 4.
5. prEN 13738: G eotextiles and geotextile-related products. D eterm ination o f pullout resistance in soil.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stanisław PISARCZYK
Abstract
This paper presents fundam ental aspects o f pullout testing equipm ent and procedure. The investigations aim ed at analyses o f the conditions determ ined by draft European Standard prEN 13738 “G eotextile and geotextile related products - Determ ination o f pullout resistance in soil” . This w ork is a part o f discussion in CEN/TC 189 W G 3. A large-scale apparatus, designed and constructed in the Geotechnical Laboratory o f Gdańsk University of Technology, was described. The tests were perform ed for a few types o f geotextiles and related products: three different geogrids, a geocom posite, a geotextile and for tw o kinds of soil: coarse sand and crushed grained sandy gravel. The specim en preparation, testing procedure and discussion o f results were presented. Based on detailed analysis o f the pullout tests results the influence o f soil and geosynthetic param eters on the pullout resistance of geogrid is discussed w ith general rem arks and conclusions. Laboratory tests perform ed in large-scale pullout box provided a lot o f inform ation about the m echanical behaviour o f soil- geosynthetic system and the pullout resistance.
