Geokomórkowa struktura jako element posadowienia powierzchniowego

Opublikowano 30.04.2021

W nawiązaniu do jakości podłoża oraz wielkości przewidywanych pionowych lub poziomych odkształceń konstrukcji, a także w zależności od zakładanego przebiegu czasowego osiadań, posadowienie nasypów z wykorzystaniem geosyntetyków można zasadniczo rozwiązać na trzy następujące sposoby:

1. poduszka rozkładająca z geomatek stabilizujących: wyrównuje osiadania, lecz w zasadzie nie redukuje ich bezwzględnej wielkości;
2. struktura geokomórkowa: wyrównuje osiadania i redukuje maksymalną wartość deformacji w przybliżeniu do połowy w porównaniu z rozwiązaniem klasycznym;
3. platforma LTP: stanowi kombinację wzmocnionej poduszki rozkładającej z palami, które w pełni kontrolują osiadania; rozwiązanie to znajduje najczęstsze zastosowanie w miejscach zróżnicowanego posadowienia obiektów (strefy przejściowe mostów).

Posadowienie powierzchniowe nasypu z wykorzystaniem struktury geokomórkowej

Coraz częściej spotykamy się z koniecznością realizacji nasypu na bardzo słabym, niejednorodnym podłożu z wysokim poziomem wód gruntowych. Trasa nowo budowanej drogi często przebiega przez tereny dawnych stawów rybnych, składowisk odpadów czy obszarów przemysłowych, gdzie zakłada się znacznie nierównomierne osiadanie konstrukcji. Głównym problemem do rozwiązania jest w tym przypadku zapewnienie równomiernego przebiegu przede wszystkim osiadań pokonstrukcyjnych oraz jednoczesne umożliwienie jak najszybszej realizacji budowy. Rozwiązaniem niezawodnym, lecz często bardzo kosztownym, a niekiedy wręcz niemożliwym do wykonania, jest wymiana gruntów słabej jakości na odpowiedni materiał lub zastosowanie elementów specjalnego posadowienia. Wśród technologii konwencjonalnych są to pale, zarówno wiercone, jak i wbijane, a wśród nowoczesnych technologii – kolumny żwirowe, wgłębne ulepszanie gruntu wapnem lub cementem oraz inne. Alternatywą dla tych technologii jest budowa nasypu na systemie struktury geokomórkowej (matrycy geokomórkowej).

Struktura geokomórkowa

Struktura geokomórkowa tworzy pod nasypem sztywną platformę fundamentową (zwykle o wysokości 1 m), która ogranicza skutki nierównomiernych osiadań, redukuje odkształcenia poziome w podłożu, zwiększa nośność gruntów fundamentowych w celu uzyskania większej stateczności oraz umożliwia szybszą realizację budowy. Do wtórnych korzyści wynikających z zastosowania struktury geokomórkowej należą:

• utworzenie platformy roboczej umożliwiającej dostęp do placu budowy,
• utworzenie drenażu powierzchniowego przerywającego podciąganie kapilarne i oddzielającego nasyp od oddziaływania wód gruntowych,
• zwiększenie stateczności skarp, ponieważ dochodzi do wyprostowania potencjalnej powierzchni poślizgu przechodzącej przez strukturę geokomórkową.

Filozofia metody projektowania

Projekt struktury wykonywany jest zgodnie z brytyjskimi normami BS 8006-1:2010+A1:2016 Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills. Z konstrukcyjnego punktu widzenia struktura geokomórkowa stanowi kompozytową płytę gruntową, utworzoną z pionowo orientowanych pasów wzmacniających geomatek, poziomych geomatek

Raster Chevron i Diamond

Jest to nowoczesna metoda posadowienia nasypów na miękkim podłożu, którego miąższość w relacji do szerokości nasypu u podstawy jest „relatywnie niewielka”. Zastosowanie metody jest ograniczone następującymi czynnikami:

• graniczny stosunek L3/d ≥ 4 zgodnie z BS 8006-1, gdzie L3 oznacza szerokość struktury, a d miąższość warstwy miękkiej,
• pod warstwą miękką musi znajdować się nośne podłoże (zazwyczaj żwiry, piaski).

Po spełnieniu tych warunków przyjmuje się teorię prasowania metali pomiędzy dwiema sztywnymi, chropowatymi i równoległymi powierzchniami, która na początku lat 80. XX wieku została szczegółowo przeanalizowana przez różnych autorów (Prandtl, Johnson, Mellor). Znalezienie analogii pomiędzy ściskaniem metali a warstwy miękkiej dało początek metodyce projektowej.

Analogia z teorią prasowania metali

Graniczna nośność plastyczna podłoża

Podczas projektowania zakłada się, że warstwa miękka stanowi krytyczne miejsce konstrukcji. W trakcie budowy nasypu dochodzi do uplastycznienia warstwy miękkiej, a stopniowo powstające pola naprężeń przemieszczają się w kierunku osi nasypu.

Rozwój pola naprężeń (źródło: BS 8006-1: 2010): 1 – nasyp, 2 – struktura geokomórkowa, 3 – warstwa miękka, 4 – pole naprężeń

Po osiągnięciu krytycznego obciążenia pola naprężeń stykają się, a warstwa miękka ulega pełnemu uplastycznieniu, aż do momentu zniszczenia gruntu. Przy dalszym wzroście obciążenia dochodzi już do wypychania warstwy miękkiej na boki. Struktura geokomórkowa jest w stanie, dzięki swojej sztywnej budowie, w pełni zmobilizować nośność podłoża w strefach plastycznych. Graniczny opór R takiego systemu jest określony przez pole wykresu naprężeń, który składa się z trzech części:

• część stała o wartości 5,71cu z wachlarzowego pola powierzchni plastycznych oraz z nośności podłoża według Terzaghiego dla warunków nieodwodnionych,
• część liniowa ograniczona punktem, w którym krytyczna powierzchnia poślizgu styka się ze strukturą; położenie krytycznej powierzchni poślizgu jest określone stosunkiem L3/d,
• część stała „średniego naprężenia” pod strukturą z przyrostem 1cu.

Porównując opór R oraz obciążenie Q pochodzące od połowy nasypu (zadanie symetryczne), można wyznaczyć minimalną wymaganą wytrzymałość podłoża cu, min, tak aby doszło do wyczerpania nośności. Dla rzeczywistej wytrzymałości podłoża cu musi być spełniony warunek nośności cu ≥ cu, min.

Diagram naprężeń nośności struktury (źródło: BS 8006-1: 2010): 1 – nasyp, 2 – struktura geokomórkowa, 5, 6, 8 – wynikają z geometrii pól poślizgu, 7 – średnie naprężenie pod strukturą geokomórkową

Stan naprężenia w strukturze geokomórkowej

Oprócz wytrzymałości podłoża konieczne jest zaprojektowanie wymiarów struktury geokomórkowej. Ogólnie całkowite wymiary struktury geokomórkowej zależą od właściwości gruntów w podłożu oraz od rodzaju materiału zasypowego. Przy ocenie wymiarów poszczególnych elementów struktury geokomórkowej (ściana, podstawa i przekątna) punktem wyjścia jest zmobilizowana nośność gruntów w podłożu oraz wyznaczenie maksymalnego poziomego naprężenia działającego na modułowy rząd geokomórki, przy czym w projektowaniu przyjmuje się warunek graniczny τ = cu. Na podstawie stanu naprężenia w elemencie zasypu oraz z wykorzystaniem koła Mohra, ze składowej pionowej naprężenia σn wyznacza się poziome naprężenie σh w strukturze jako σh = σn – 2χ. Poziome naprężenie σh, wytrzymałość na ścinanie zasypu ϕ´, układ geomatek w ramach wybranego rastra oraz wysokość struktury stanowią następnie czynniki decydujące o określeniu minimalnej wytrzymałości geomatek wzmacniających.

Obraz Mohra stanu naprężeń w strukturze

Przykłady realizacji

Sanacja nasypu kolejowego w pobliżu Holubic (1997)

Po deszczowym okresie w roku 1997 na odcinku nasypu linii kolejowej Brno–Přerov w pobliżu stacji kolejowej Holubice doszło do wielokrotnego uszkodzenia nasypu, prowadzącego do ostatecznego kolapsu konstrukcji. W związku z tym podjęto decyzję o naprawie w formie całkowitej rekonstrukcji uszkodzonej części. Rozwiązaniem końcowym był nasyp typu sandwich posadowiony na strukturze geokomórkowej. Badania uszkodzonego miejsca potwierdziły, że pod nasypem utworzyła się miękka i nawodniona warstwa, która była wypychana poza obszar nasypu. Nasyp został odkopany wraz z najbardziej problematyczną częścią podłoża. W celu zwiększenia nośności podłoża wykonano z sztywnych geomatek strukturę geokomórkową, która wykraczała poza stopę nasypu, tak aby osiągnąć krawędź nawodnionego obszaru. Do oddzielenia nawodnionego gruntu od wysokiej jakości kruszywa w geokomórkach zastosowano geotekstylia separacyjne.

Sanacja nasypu kolejowego w pobliżu Holubic (1997)

Posadowienie nowo budowanego nasypu przebudowywanej drogi II/405 Příseka – Brtnice (2010)

W ramach przebudowy drogi II/405 trasa projektowanej komunikacji przebiegała przez tereny dawnych stawów rybnych oraz koryt cieków wodnych. Na tych odcinkach zaprojektowano posadowienie nasypu na strukturze geokomórkowej. Przy projektowaniu wymiarów struktury opierano się na doświadczeniach zagranicznych realizacji, gdzie podobne zagadnienia z powodzeniem rozwiązywano poprzez zastosowanie struktury geokomórkowej. Tak utworzona trójwymiarowa, quasi-jednorodna struktura fundamentowa w konstrukcji zapewnia, że zróżnicowane właściwości podłoża nie ujawniają się w nasypie, ponieważ struktura w praktyce eliminuje nierównomierne osiadania oraz poziome przemieszczenia w podłożu. Wyniki pomiarów wykonanych na zrealizowanej konstrukcji pokazują, że struktura geokomórkowa umożliwiła zmniejszenie wielkości przewidywanych deformacji nasypów o 45% oraz pozwoliła na szybką realizację nasypu zgodnie z planowanym harmonogramem budowy.

Posadowienie nowo budowanego nasypu przebudowywanej drogi II/405 Příseka–Brtnice (2010)

Posadowienie nowo budowanego nasypu obwodnicy Nové Veselí (2019)

Projektowana droga stanowi część przebudowy ciągu komunikacyjnego drogi II/353 Jihlava–Žďár nad Sázavou, którego celem jest poprawa połączenia Jihlavy i Žďáru nad Sázavou z autostradą D1. Jest to nowa inwestycja polegająca na budowie drogi dwujezdniowej o podstawowym układzie szerokościowym S 9,5/70, która wyprowadzi ruch tranzytowy poza obszar zabudowany objętych gmin, w zakresie zgodnym z dokumentacją planistyczną. Na niektórych odcinkach nasyp drogi poprowadzony jest przez obszary o ekstremalnie niskiej nośności gruntów w podłożu. Przy projektowaniu konstrukcji struktury geokomórkowej w tych miejscach opieraliśmy się na doświadczeniach zdobytych przy realizacji drogi II/405 Příseka–Brtnice, gdzie panowały podobne warunki.

Posadowienie nowo budowanego nasypu obwodnicy Nové Veselí (2019)

Podsumowanie

Posadowienie nasypu na miękkim, nawodnionym podłożu często stanowi złożony problem geotechniczny, w którym presja harmonogramu realizacji, dopuszczalne wartości osiadań oraz stateczność nasypu prowadzą do stosowania specjalnych metod głębokiego posadowienia lub głębokiego ulepszania gruntów. Struktura geokomórkowa stanowi alternatywę posadowienia powierzchniowego w miejscach, gdzie miąższość miękkiego podłoża w relacji do szerokości nasypu u podstawy jest relatywnie niewielka (do 1/4). Połączenie geomatek wzmacniających i kruszywa tworzy płytę gruntową, która dzięki swojej sztywności jest w stanie znacząco ograniczyć maksymalne wartości osiadań, a jednocześnie prowadzi do redystrybucji sił na szerokości nasypu, wyrównania krzywej misy osiadań i sprawia, że cały nasyp osiada praktycznie równomiernie. Struktura geokomórkowa uniemożliwia rozwój powierzchni poślizgu w miękkim podłożu, a stateczność skarp nasypu zależy wyłącznie od parametrów gruntu zastosowanego do jego budowy.