Europejskie podejścia do rozwiązań separacji z wykorzystaniem nietkanych geowłóknin

Niektóre organizacje krajowe podejmują lub już podjęły działania mające na celu uwzględnienie tych wymagań w swoich przepisach lub normach, ewentualnie w ich nowelizacjach. Artykuł koncentruje się na porównaniu wymagań europejskich podejść w zakresie projektowania nietkanych geowłóknin dla funkcji separacji (oddzielania). Oceniane i porównywane są podejścia stosowane w Niemczech, Austrii, krajach skandynawskich, na Słowacji oraz w Republice Czeskiej.

Przedstawione podejścia są następnie konfrontowane z wymaganiami, które obecnie zawarte są w nowelizacji przepisów administracji państwowej Republiki Czeskiej, TP 97 – Geosyntetyki w korpusie ziemnym dróg z 2021 roku, w tym z porównaniem do wcześniejszego stanu tych przepisów wydanych w 2008 roku, które były już przestarzałe w odniesieniu do aktualnych trendów.

Separacja z wykorzystaniem geosyntetyków jest jednym z najczęściej stosowanych zastosowań w budownictwie drogowym. Z geotechnicznego punktu widzenia polega ona ogólnie na umieszczeniu geosyntetyku pomiędzy dwoma gruntami o różnej granulometrii w celu zapobieżenia ich wzajemnemu mieszaniu się w przypadku, gdy mogłoby dojść do degradacji materiału i w konsekwencji do ograniczonego spełniania jego funkcji w konstrukcji. Najczęściej dotyczy to sytuacji, gdy grunt drobnoziarnisty, zazwyczaj podłoże drogi lub nasypu, zanieczyszcza drobnymi cząstkami gruboziarniste kruszywo, typowo warstwę konstrukcyjną lub drenażową.

Zjawisko to pogarsza właściwości fizyczne i mechaniczne tej warstwy, co w konsekwencji może prowadzić do ograniczenia, a nawet utraty jej funkcji w konstrukcji. Najczęściej stosowanym typem geosyntetyku dla funkcji separacji jest geowłóknina. W szczególności zalecane jest stosowanie geowłóknin nietkanych, ponieważ dzięki swojej strukturze są one w stanie zapobiegać przenikaniu ziaren gruntu, a jednocześnie pozostają wystarczająco i długotrwale przepuszczalne dla wody.

Właściwości geowłóknin istotne dla separacji

W przypadku funkcji separacyjnej podczas projektowania geowłóknin kładzie się nacisk przede wszystkim na możliwe uszkodzenia geowłókniny podczas jej instalacji – wyrób nie może przestać spełniać swojej funkcji, zarówno w krótkim, jak i przede wszystkim w długim okresie użytkowania. Z tego powodu przeprowadza się badania oparte na symulacji uszkodzeń geowłókniny. Wyniki tych badań laboratoryjnych stanowią następnie dane wejściowe do projektowania elementu separacyjnego. Wszystkie wymagane badania wynikają z odpowiednich norm. W przypadku dróg są to normy EN 13249, które określają właściwości geosyntetyków stosowanych do separacji.

Właściwości te muszą być podane w dokumentacji towarzyszącej wyrobowi, tj. w deklaracji właściwości użytkowych. W przypadku funkcji separacyjnej są to w szczególności następujące właściwości:

• wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie (EN ISO 10319),
• odporność na przebicie statyczne (CBR) zgodnie z EN ISO 12236,
• odporność na przebicie dynamiczne (badanie spadającym stożkiem) zgodnie z EN ISO 13433,
• charakterystyczna wielkość otworów (wielkość porów) zgodnie z EN ISO 12956,
• przepuszczalność wody prostopadle do płaszczyzny wyrobu (EN ISO 11058).

Dwie ostatnie wymienione właściwości geowłóknin odnoszą się do funkcji filtracyjnej. Wynika to z faktu, że funkcję separacyjną zawsze należy oceniać łącznie z funkcją filtracyjną.

Przedstawienie poszczególnych europejskich podejść

Dokładne określenie wpływu uszkodzeń geowłóknin nie jest możliwe, dlatego poszczególne kraje opracowały różne procedury, za pomocą których reprezentują wymagania dotyczące właściwości geowłóknin. W poniższym tekście przedstawiono podejścia niektórych krajów europejskich, obowiązujące głównie dla dróg, w tym także przepisy techniczne obowiązujące w Republice Czeskiej (TP 97 z 2008 r.), których aktualizacja została przeprowadzona w 2021 r.

Republika Czeska (TP 97, 2008)

Separacja jest jedną z funkcji, które obejmuje ten przepis. Wskazane są tu następujące założenia do określenia odpowiedniej geowłókniny – uziarnienie i ostrokrawędzistość kruszywa, technologia układania oraz stopień konsystencji podłoża. Wymagania podane są ogólnie, jedynie stopień konsystencji podłoża został określony bardziej szczegółowo – jako podłoże miękkie oraz podłoże o konsystencji sztywnej do twardej.

Wymagania dotyczące geowłóknin podzielone są na dwie grupy w zależności od wspomnianej sztywności podłoża i określone są za pomocą odporności na przebicie statyczne (CBR), badania odporności na przebicie dynamiczne (stożek) oraz wydłużenia geowłókniny, które określa typ geowłókniny ze względu na sposób produkcji (tkana/nietkana).

Niemcy

Dla geosyntetyków separacyjnych stosowanych w drogownictwie w Niemczech aktualnie obowiązują przepisy M Geok E (FGSV, 2016) oraz TL Geok E-StB (FGSV, 2019). Dobór geowłókniny jest uzależniony od:

• kruszywa, które charakteryzowane jest kształtem (ziarna ostrokrawędziste/obłe) oraz wielkością ziaren w 4 klasach,
• obciążeń podczas instalacji, rozróżnionych na pięć klas w zależności od głębokości kolein.

Uwzględnienie tych czynników pozwala na wyznaczenie 3 klas odporności geowłóknin (GRK) wraz z wymaganiami dotyczącymi ich parametrów. Dla geowłóknin nietkanych określone są następujące właściwości: minimalna masa powierzchniowa oraz odporność na przebicie statyczne (CBR).

Kraje skandynawskie (NorGeoSpec 2012, rewizja 2016)

W przepisach NorGeoSpec wymagania dotyczące geowłóknin podzielone są na 5 profili specyfikacyjnych. Podstawą do określenia typu geowłókniny są:

• jakość gruntu (dwie klasy rozróżnione na podstawie nieodwodnionej wytrzymałości na ścinanie),
• wpływ mechanizacji (dwie klasy w zależności od rodzaju mechanizacji, zagęszczania oraz wysokości warstwy przykrywającej gruntu),
• intensywność ruchu,
• typ kruszywa (4 klasy według wielkości ziarna).

Wybrane geowłókniny są określane wymaganiami dotyczącymi następujących właściwości: wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, odporność na przebicie dynamiczne (stożek), wskaźnik energii, przepuszczalność, wielkość porów.

Słowacja

Geowłókniny separacyjne projektuje się zgodnie z normą STN 73 3040 (2019). W przepisach tych, w odniesieniu do funkcji separacyjnej, zastosowano podejście podobne jak w przypadku przepisów niemieckich. Wymagania określone są jedynie dla trzech typów klas odporności geowłóknin (nie podaje się dwóch najniższych klas, których nie można stosować w budownictwie), a warunki pozostają takie same jak w przepisach niemieckich.

Austria (RVS 08.15.01, 2010)

W celu określenia odpowiedniej geowłókniny separacyjnej grunt podłoża dzielony jest na trzy klasy według kontrolnego modułu odkształcenia z pierwszego cyklu statycznej próby obciążeniowej, dalej uwzględnia się obciążenie ruchem (pięć klas dla dróg od lekko do silnie obciążonych) oraz wielkość i kształt kruszywa. Na podstawie powyższego przepis wyznacza 7 typów geowłóknin dla dwóch różnych rodzajów kruszywa, określonych za pomocą wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia, odporności na przebicie statyczne (CBR), badania przebicia dynamicznego (stożek) oraz odporności na przebicie ostrosłupem (EN 14574).

Wielka Brytania (BS 8661: 2019)

Dobór geowłókniny zależy od:

• jakości istniejącego gruntu, określanej na podstawie nieodwodnionej wytrzymałości na ścinanie (3 klasy),
• warunków na budowie (określonych z uwzględnieniem liczby przejazdów, rodzaju mechanizacji, zagęszczania oraz wysokości warstwy przykrywającej gruntu),
• typu kruszywa (4 klasy według wielkości ziarna).

Uwzględnienie tych wymagań pozwala na określenie trzech typów profili specyfikacyjnych – geowłóknin – zdefiniowanych za pomocą wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia oraz odporności na przebicie statyczne (CBR).

Porównanie analizowanych podejść

Poszczególne podejścia opierają się na odmiennych założeniach i stawiają różne wymagania dotyczące typów właściwości, które powinny spełniać geowłókniny. Jednocześnie nie wszystkie wartości w powyższych podejściach, zarówno wejściowe, jak i wymagane, są dostępne projektantowi na danym etapie projektu. Problem może pojawić się na przykład przy określaniu głębokości koleiny w podejściu niemieckim i słowackim. Jeśli chodzi o wymagane wartości, wskazane jest uwzględnianie parametrów, które producent musi podawać w dokumentach towarzyszących (deklaracja właściwości użytkowych). Są one poparte badaniami i podlegają ciągłej kontroli przez certyfikowane laboratoria badawcze.

Dla przeprowadzenia porównania konieczne było ujednolicenie tych założeń. Do charakterystyki gruntów podłoża jako parametr wejściowy przyjęto nieodwodnioną wytrzymałość na ścinanie, ponieważ występuje ona w podejściu Wielkiej Brytanii i krajów skandynawskich. Założenia pozostałych krajów dotyczące jakości gruntu zostały przeliczone na ten parametr na podstawie znanych zależności empirycznych lub specjalistycznej oceny geotechnicznej.

Podobnie postąpiono w przypadku wymagań dotyczących geowłóknin. We wszystkich analizowanych przepisach, z wyjątkiem skandynawskiego, występuje wymaganie dotyczące CBR. W przypadku NorGeoSpec, na podstawie korelacji pomiędzy odpornością na przebicie statyczne i dynamiczne, dokonano przeliczenia na CBR.

Na wykresie na rys. 1 przedstawiono porównanie nieodwodnionej wytrzymałości na ścinanie dla kruszywa o wielkości ziarna do 63 mm. Najwyższe wymagania dotyczące odporności na przebicie dla nietkanej geowłókniny separacyjnej stawia przepis austriacki (RVS), a następnie niemiecki GRK. Wymagania czeskiego przepisu plasują się mniej więcej pośrodku rozpatrywanego zakresu. Niższe wymagania mają natomiast przepisy obowiązujące w Wielkiej Brytanii oraz w krajach skandynawskich.

Rys. 1 Porównanie wymagań europejskich przepisów dotyczących odporności geowłóknin na przebicie statyczne (CBR) dla kruszywa o wielkości ziarna do 63 mm

 

Wykres na rys. 2 przedstawia tę samą zależność, lecz dla kruszywa o uziarnieniu większym niż 63 mm. Wykres potwierdza to, co zostało wskazane przy poprzedniej zależności. Jedynie w przypadku podłoża
o wartości nieodwodnionej wytrzymałości na ścinanie do 25 kPa przepis skandynawski stawia nieco wyższe wymagania.

Rys. 2 Porównanie wymagań europejskich przepisów dotyczących odporności geowłóknin na przebicie statyczne (CBR) dla kruszywa o wielkości ziarna powyżej 63 mm

 

Nowelizacja TP 97 (2021)

Z porównania wynika, że w nowelizacji przepisów administracji państwowej Republiki Czeskiej, TP 97 – Geosyntetyki w korpusie ziemnym dróg, konieczne było przede wszystkim doprecyzowanie parametrów wejściowych w taki sposób, aby w każdych okolicznościach było jasne, kiedy należy stosować dane wymaganie, tak aby nie dochodziło do stosowania geowłóknin nieodpowiednich dla danego środowiska. Jeśli chodzi o ustalenie wartości bezwzględnych odporności, okazały się one wystarczające. Zrewidowany przepis koncepcyjnie opiera się głównie na normie brytyjskiej z uwzględnieniem lokalnych zwyczajów i warunków.

Jako parametry wejściowe przyjęto takie, które projektant posiada na etapie projektowania, względnie są one standardowo częścią wykonywanych badań inżyniersko-geologicznych – nieodwodniona wytrzymałość na ścinanie gruntu (trzy grupy) oraz wielkość ziarna kruszywa (dwie klasy). Geowłóknina jest określana wyłącznie właściwościami obowiązkowo deklarowanymi w deklaracji właściwości użytkowych dla funkcji separacji – wytrzymałość na rozciąganie, odporność na przebicie statyczne (CBR), odporność na przebicie dynamiczne (badanie spadającym stożkiem), podobnie jak w dotychczasowej wersji, oraz dla funkcji filtracji – przepuszczalność prostopadła do płaszczyzny wyrobu i wielkość porów.

Wymagania dotyczące geowłóknin nietkanych podzielone są na dwie grupy – S1 i S2 w zależności od parametrów wejściowych, przy czym dla S1 uwzględnia się między innymi wartość odporności na przebicie statyczne (CBR) 2 kN, a dla S2 wartość 3 kN. Wymagania dotyczące geowłóknin filtracyjnych podzielone są według środowiska na trzy konkretnie określone przypadki – filtracja nieistotna, istotna i krytyczna – z wartościami
minimalnej przepuszczalności wody prostopadle do płaszczyzny wyrobu 7 l/m2/s, 27 l/m2/s – oraz indywidualnie określonym wymaganiem wynikającym z procedury podanej w TP 97.

Na etapie opracowywania przepisów sprawdzono również, ile geowłóknin dostępnych na rynku jest w stanie spełnić te kryteria/wymagania i czy wartości te są właściwie ustawione z punktu widzenia możliwości produkcyjnych geowłóknin nietkanych. Uwzględniono kombinację właściwości reprezentujących zarówno separację, jak i filtrację (konkretnie dla uproszczenia właściwości CBR oraz przepuszczalność prostopadłą do płaszczyzny). Funkcje te są zawsze oceniane łącznie, mimo że właściwości, które je reprezentują, są z punktu widzenia wymagań wobec geowłókniny przeciwstawne (im większa odporność na przebicie statyczne (CBR), tym mniejsza przepuszczalność wyrobu).

W ramach tej weryfikacji opracowano dane około 150 wyrobów z piętnastu różnych linii produkcyjnych producentów z całej Europy. Na wykresie na rys. 3 widoczna jest kombinacja wymagań dla geowłókniny separacyjnej S1 (CBR > 2 kN) oraz istotnej filtracji (przepuszczalność > 27 l/m2/s). Geowłókniny są na wykresie przedstawione w postaci punktów. Z całkowitej liczby geowłóknin oba kryteria spełnia nieco poniżej 40% wyrobów – odsłonięta część wykresu na rys. 3.

Rys. 3 Kombinacja kryteriów S1 oraz środowiska z istotną filtracją zgodnie z TP 97 z 2021 roku

 

W przypadku wymagania dla geowłókniny separacyjnej S2 oraz istotnej filtracji (wykres na rys. 4) oba kryteria spełnia jedynie 20% wyrobów. Jeżeli wymaganie dotyczące odporności na przebicie statyczne (CBR) byłoby wyższe niż 3 kN (np. wymaganie GRK lub RVS), doszłoby do sytuacji, w której wybór odpowiedniej geowłókniny zawęziłby się do zaledwie kilku wyrobów w skali całego rynku europejskiego.

Rys. 4 Kombinacja kryteriów S2 oraz środowiska z istotną filtracją zgodnie z TP 97 z 2021 roku

 

Zakończenie

Jak pokazuje powyższe porównanie, w Europie nie istnieje jednolite podejście do określenia odpowiedniego wyrobu do spełniania funkcji separacyjnej (i filtracyjnej), a ponadto, jak wynika z przedstawionego zestawienia, poszczególne europejskie podejścia dość znacznie się od siebie różnią. Przeprowadzenie porównania tych podejść, ich ocena oraz szczegółowa analiza doprowadziły w Republice Czeskiej do opublikowania w ramach TP 97 nowego podejścia do określania odpowiedniej geowłókniny separacyjno-filtracyjnej, które uwzględnia konkretne warunki na budowie, możliwe do ilościowego określenia nawet na niższych etapach dokumentacji. Przepis nie opiera się wyłącznie na teoretycznym określeniu wymaganych wartości, lecz została również zweryfikowana jego praktyczna aplikacja, obejmująca konfrontację wymagań z konkretnymi wyrobami.