Historia i struktura geosiatek oraz droga do TriAxu

Opublikowano 06.04.2010

Pierwsze wzmianki o geosiatkach pochodzą z lat pięćdziesiątych XX wieku. Od tego czasu geosiatki przeszły szereg zmian i udoskonaleń rozwojowych. Artykuł omawia stopniowe przejście od geosiatek ekstrudowanych do geosiatek monolitycznych oraz ich właściwości.

Rozwój geosiatek

U początków geosiatek w formie, w jakiej znamy je dzisiaj, stał doktor Brian Mercer, wywodzący się z rodziny związanej z przemysłem tekstylnym. W latach pięćdziesiątych XX wieku opracował on proces technologiczny nazwany Netlon, w którym tworzywo sztuczne było ekstruzowane do postaci siatki w jednym etapie. W 1959 roku założył firmę Netlon Ltd., za pośrednictwem której prezentował nowy produkt.

Proces produkcyjny został licencjonowany w wielu krajach, a pierwotna idea była dalej rozwijana i rozszerzana, o czym świadczy ponad 28 patentów dotyczących ulepszeń. Obecnie wyroby firmy Netlon są stosowane w różnych gałęziach przemysłu – od opakowań, przez ogrodnictwo i rolnictwo, aż po stabilizację gruntu w budownictwie inżynieryjnym.

Pod koniec lat siedemdziesiątych geosiatki zaczęto stosować do celów stabilizacji gruntu. Od tego czasu ekstrudowane, tkane i plecione geosiatki polimerowe były wykorzystywane jako zamiennik geowłóknin, które do wytworzenia mechanizmu nośnego podczas stabilizacji wymagają określonej deformacji oraz obciążenia dynamicznego.

W wyniku wzrostu cen ropy naftowej i produktów ropopochodnych konieczne stało się zwiększenie efektywności przetwarzania surowego materiału polimerowego oraz podniesienie sztywności płaskiej geosiatek. Na podstawie tych przesłanek dr Mercer opracował i opatentował nową metodę produkcji, w której płyty polimerowe były perforowane układem otworów, a następnie rozciągane w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach – patrz kolejny rysunek.

Dzięki temu procesowi powstała sztywna polimerowa geosiatka bez łączenia poszczególnych elementów, jak ma to miejsce w przypadku geosiatek plecionych lub tkanych. Nowe wyroby zostały wprowadzone w 1982 roku i ze względu na jednoznacznie wyższą skuteczność w stabilizacji mechanicznej szybko zastąpiły wcześniejsze typy siatek.

Przez około 25 lat ta forma geosiatek, charakteryzująca się monolityczną strukturą (tj. wytwarzaną z pojedynczych płyt) z integralnymi węzłami oraz molekularnie orientowanymi żebrami, była rozwijana jedynie w niewielkim stopniu. Unikalny proces produkcyjny służył głównie doskonaleniu kształtu geosiatki w oparciu o nowe doświadczenia. Szeroko zakrojone badania wykazały, że na skuteczność geosiatki wpływają inne cechy niż dotychczas podkreślana wytrzymałość na rozciąganie. Są to przede wszystkim sztywność oczka, wytrzymałość węzła, grubość oraz kształt żebra.

Ze względu na kwadratowy kształt oczka sztywność geosiatki była skoncentrowana w dwóch kierunkach – podłużnym i poprzecznym. Polarny diagram sztywności geosiatki dwuosiowej pokazuje, jak silnie jej sztywność jest związana z kierunkiem żeber – patrz kolejny rysunek. Diagram ten rodził pytanie: „Jak bardzo ten kształt diagramu wpływa na skuteczność przy obciążeniach od ruchu drogowego i czy możliwe jest testowanie tego zjawiska?”

Przełom w technologii geosiatek nastąpił w 2007 roku, kiedy światło dzienne ujrzała nowa trójkątna geosiatka Tensar TriAx, która nie tylko dzięki unikalnemu kształtowi, ale również swoim właściwościom, stanowi światową czołówkę w dziedzinie stabilizacji mechanicznej. TriAx jest sztywną polimerową geosiatką z oczkiem w kształcie trójkąta równoramiennego. Ten typ geosiatek wytwarzany jest przy użyciu nowej technologii produkcji. Podstawą jest ponownie perforowana płyta polimerowa, która w specyficzny sposób jest rozciągana aż do uzyskania końcowego kształtu geosiatki. Podczas gdy geosiatki jednoosiowe lub dwuosiowe oferowały maksymalną sztywność w płaszczyźnie jednego lub obu kierunków żeber, trójkątny kształt oczka zapewnia niemal izotropową sztywność we wszystkich kierunkach w płaszczyźnie wyrobu – patrz kolejny rysunek.

Sposób interakcji pomiędzy geosiatką a materiałem zasypowym

Po umieszczeniu sztywnej monolitycznej geosiatki w gruncie jej żebra zapewniają oparcie dla materiału zasypowego, tworząc dla ziaren liczne punkty podparcia. W efekcie naprężenia nie są przenoszone na geosiatkę wyłącznie poprzez tarcie na powierzchni, jak ma to miejsce w przypadku geowłóknin, lecz poprzez bezpośrednią interakcję pomiędzy gruntem a geosiatką – patrz kolejny rysunek.

Geowłókniny, jako tkaniny wytwarzane z włókien polimerowych, charakteryzują się bardzo małymi rozmiarami otworów. Współpracując z gruntem, opierają się na tarciu powierzchniowym, które jest niewystarczające do zapewnienia bocznego zatrzymania cząstek wypełnienia pod obciążeniem dynamicznym, dlatego działają jak membrana rozciągana. Aby zmobilizować wytrzymałość geowłókniny i wytworzyć mechanizm nośny podczas stabilizacji, konieczna jest jej znaczna deformacja. Z kolei geosiatki, czyli geosyntetyki o otwartej strukturze, stosowane w połączeniu z materiałem ziarnistym, wykorzystują mechanizm efektu stabilizującego. Żebra sztywnych monolitycznych geosiatek są w kierunku podłużnym i poprzecznym wykonywane z niemal pionowymi ostrymi krawędziami, które tworzą powierzchnie oporowe dla ziaren gruntu. Przykład takiego żebra przedstawiono na kolejnym rysunku.

Materiał ziarnisty przenika przez otwory geosiatki, tworząc efekt wzajemnego zazębienia pomiędzy cząstkami gruntu a geosiatką. Zazębienie pomiędzy geosiatką a zasypem ziarnistym zapobiega bocznym przemieszczeniom cząstek w obrębie warstwy podłoża. Dzięki temu mechanizmowi geosiatki przenoszą poziome siły ścinające, co prowadzi do znacznego zwiększenia nośności słabego podłoża, a tym samym efektu stabilizującego.

Różnicami w zachowaniu geowłóknin oraz poszczególnych typów geosiatek przy ich zastosowaniu jako elementów stabilizujących w warstwach podłoża zajmuje się artykuł „Zachowanie geowłóknin i geosiatek w warstwach podłoża”.