Niedoskonałości normy STN 73 3040 przy projektowaniu konstrukcji geotechnicznych z wykorzystaniem geosyntetyków

Obecnie w Republice Słowackiej dostępne są dwie normy dotyczące projektowania konstrukcji geotechnicznych z wykorzystaniem geosyntetyków:

• STN 73 3040 Geosyntetyki. Podstawowe postanowienia i wymagania techniczne,
• STN 73 3041 Konstrukcje gruntowe zbrojone geosyntetykami. Wymagania techniczne.

STN 73 3040 dostarcza więcej informacji i obejmuje szersze spektrum zagadnień związanych z projektowaniem konstrukcji geosyntetycznych. Norma STN 73 3041 dotyczy głównie funkcji zbrojenia i w zasadzie odzwierciedla doświadczenia oraz wymagania zgodne z normami brytyjskimi.

W niniejszym artykule będziemy zajmować się wyłącznie pierwszą z tych norm, STN 73 3040. W żadnym wypadku nie chcemy jednak w ten sposób umniejszać zasług autorów normy ani komisji technicznej, ponieważ tworzeniu norm zawsze towarzyszy ogromna liczba kompromisów i ustępstw, co nie zawsze sprzyja jakości przepisów lub norm.

Chcemy jedynie zwrócić uwagę na niektóre trudności, z jakimi spotyka się użytkownik (projektant) normy, a jednocześnie przedstawić przynajmniej ramową propozycję zmiany obecnego stanu. Celem artykułu jest wskazanie niedoskonałości przedmiotowej normy, w szczególności definiowania nadmiarowych wymagań wobec geosyntetyków z punktu widzenia ich funkcji, co prowadzi również do nadmiernie szczegółowej specyfikacji wyrobu w dokumentacji projektowej. Zdaniem autorów niniejszego artykułu w normie należy jaśniej określić wymagania dotyczące zastosowania poprzez kilka definiujących parametrów, które są technicznie uzasadnione dla danej funkcji, oraz w maksymalnym stopniu ograniczyć parametry, które mają jedynie charakter uzupełniający i opisowy. Tego jednak STN 73 3040 nie czyni – jej wymagania dotyczące geosyntetyków są w całym tekście „zdefiniowane” bez jakiegokolwiek technicznego uzasadnienia w odniesieniu do zastosowania i funkcji, jaką geosyntetyk ma pełnić w konstrukcji. Taki stan praktycznie uniemożliwia projektantowi wykonanie adekwatnego, kwalifikowanego doboru geosyntetyku, ponieważ projekt jest związany koniecznością definiowania technicznie nieuzasadnionych wymagań.

Projektant musi być w stanie określić wymagania dotyczące materiałów geosyntetycznych w dokumentacji projektowej bez odwoływania się do konkretnego producenta lub dostawcy, co obecnie jest praktycznie niemożliwe zgodnie z normą, ponieważ zgodnie z jej punktem 5.2.38 „Producent lub dostawca wyrobu geosyntetycznego musi posiadać każdą deklarowaną wartość właściwości potwierdzoną ważnym, aktualnym protokołem z badania wyrobu zgodnie z przywołaną normą. Raport jest na żądanie przedkładany projektantowi i/lub specjaliście, który zaprojektował wyrób geosyntetyczny w konstrukcji budowlanej.” Bez bezpośredniego kontaktu z konkretnym producentem i/lub dostawcą materiału geosyntetycznego projektant w zasadzie nie jest w stanie spełnić w tym punkcie wymagań normy. W tym kontekście zwracamy uwagę, że przygotowywana jest seria norm ISO 18228 dotyczących projektowania geosyntetyków (niektóre z nich zostały już opublikowane, np. ISO/TR 18228-3:2021 dotycząca wymagań filtracyjnych), które zajmują się tą problematyką, i wskazane byłoby uwzględnienie tych faktów w wymaganiach normatywnego dokumentu.

Ogólnie obowiązuje zasada, że producent geosyntetyków jest zobowiązany badać (lub zlecać badania, w zależności od systemu kontroli produkcji) oraz deklarować w deklaracji parametrów wyłącznie te właściwości, które są wymagane dla zamierzonego zastosowania (funkcji) przez zharmonizowaną specyfikację techniczną (STN EN 13249 itp.). Pozostałych właściwości producent na poziomie europejskim nie musi badać ani deklarować, nie są one obowiązkowe i zazwyczaj nie są podawane w deklaracji parametrów. Norma STN 73 3040 nakłada wymagania na właściwości wykraczające poza międzynarodowy europejski konsensus, przez co nieproporcjonalnie zwiększa wymagania wobec producentów lub dostawców geosyntetyków. Stanowi to problem, ponieważ poza ramami legislacyjnymi właściwości geosyntetyków mogą być dokumentowane co najwyżej kartami technicznymi. Wiele z nich może być jednak sporządzonych doraźnie, z dowolną treścią lub na podstawie cząstkowych raportów z badań o zerowej wartości statystycznej.

Problematyczne są również odwołania do norm ASTM w omawianej normie, które nie są zgodne z europejskimi zharmonizowanymi specyfikacjami – nie są one ogólnie stosowalne w warunkach europejskich. Wyjątkiem są metody badań opisane w załączniku B zharmonizowanej specyfikacji technicznej (STN EN 13249 itd.).

Bliżej przyjrzymy się niedoskonałościom normy z punktu widzenia jej struktury według wymagań dla poszczególnych zamierzonych zastosowań (funkcji) geosyntetyków. Norma określa wymagania dla separacji, filtracji, drenażu, zbrojenia, stabilizacji, ochrony oraz ochrony przeciwerozyjnej i izolacji, tj. wszystkich oficjalnie uznawanych funkcji geosyntetyków. Ważne odwołania do tabel z normy są w tekście podane w nawiasach ostrych <odwołanie do STN 73 3040>.

Wymagania dotyczące separacji

Dobór geosyntetyków do separacji jest określany w normie na podstawie klasy odporności według konwencji niemieckiej, gdzie klasy odporności oznaczane są jako GRK 1 do GRK 5, natomiast w STN 73 3040 są one oznaczane jako TRG. Wymagania techniczne dotyczące geowłóknin są – oprócz innych właściwości – określane poprzez masę powierzchniową, niezależnie od technologii produkcji. Masa powierzchniowa jest jednak jedynie wskaźnikiem orientacyjnym i historycznym pozostałością – nie jest podawana w deklaracji parametrów, a więc nie podlega kontroli w ramach legislacyjnych, nie jest również technicznie uzasadniona i przy wyborze innej niż nietkana geowłókniny stanowi z ekonomicznego i technicznego punktu widzenia wymaganie likwidacyjne, którego nie da się spełnić standardowymi geowłókninami (tkanymi, dzianymi).

Zdolność geosyntetyku do separacji określają takie parametry, jak wskaźnik energetyczny wyznaczony na podstawie wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia, odporność na rozerwanie statyczne (określana jako badanie CBR) lub odporność na rozerwanie dynamiczne (badanie spadającym stożkiem), które powinny być wyłącznie specyfikowane przez normę.

W przypadku stosowania geokompozytów do deskowania norma określa wymaganie dotyczące wytrzymałości połączenia na ścinanie oraz wytrzymałości połączenia geokompozytu na odrywanie, przy czym nie jest określone żadne konkretne wymaganie, lecz wymagany jest wynik badania <zob. tabela 6>. Oznacza to, że nie istnieje żaden techniczny wymóg, a jeżeli projektantowi uda się uzyskać wartość, nie ma on z czym jej porównać ani jakościowo jej określić w projekcie.

Wymagania dotyczące filtracji

Wszystkie właściwości niehydrauliczne są w ramach wymagań dotyczących filtracji zbędne. Jeżeli w tym przypadku stawiane są wymagania dotyczące odporności mechanicznej geowłókniny, właściwsze jest ich określenie w ramach separacji oraz wymaganie, aby geowłóknina zawsze jednocześnie spełniała funkcję filtracyjną i separacyjną, co jest powszechną praktyką przy projektowaniu geosyntetyków o tych funkcjach.

Wymagania dotyczące drenażu

Wymagania dotyczące drenażu są zdefiniowane przy użyciu zbyt wielu mało istotnych parametrów. Specyfikacja nie odzwierciedla tego, co dzieje się z geokompozytem w konstrukcji ani jak jest on obciążany w trakcie swojej żywotności. Wytrzymałość na rozciąganie ma kluczowe znaczenie przede wszystkim dla składowisk odpadów, których niniejsza norma nie dotyczy. Producent deklaruje w deklaracji parametrów przepustowość przy określonym nacisku, spadku i twardości podłoża, tj. tzw. krótkoterminową przepustowość. Przepustowość długoterminowa jest następnie określana przez pełzanie pod wpływem nacisku (pełzanie plastyczne) rdzenia oraz inne czynniki redukcyjne (zatykanie bakteriami, osadzanie się kamienia wodnego itp.), które można znaleźć w literaturze (np. GRI-GC8: Determination of the Allowable Flow Rate of a Drainage Geocomposite). Pozostałe parametry, takie jak całkowita krótkoterminowa wytrzymałość na ściskanie, całkowite krótkoterminowe względne ściśnięcie, całkowite pełzanie plastyczne pod ściskaniem, zapis zmian początkowej grubości w czasie, wytrzymałość połączenia na ścinanie oraz wytrzymałość połączenia geokompozytu na odrywanie, są uwzględnione w współczynnikach redukcyjnych oraz w parametrach krótkoterminowej zdolności drenażowej. Same w sobie parametry te są nieużyteczne, nie można ich znaleźć w wykazie parametrów ani przeprowadzić żadnej istotnej kontroli poprawności projektu.

Wymagania dotyczące zbrojenia

Również w przypadku wymagań dla tej funkcji większość z nich jest technicznie nieuzasadniona i/lub stanowi kwestię produkcyjną, a zatem powinna być określana na podstawie wykazu parametrów. Zapewnia to, że w konstrukcjach o trwałości dłuższej niż 5 lat spełnione są z góry wymagania, np. masa cząsteczkowa poliestru itp.

Dla zbrojenia kluczowa jest długoterminowa wytrzymałość geosyntetyku, która jest obliczana na podstawie krótkoterminowej wytrzymałości geosyntetyku oraz współczynników redukcyjnych zgodnie z normą ISO/TR 20432. Dla stabilizacji szczególnie istotne są takie parametry, jak skuteczność wiązania oraz sztywność skrętna.

Wymagania dotyczące stabilizacji

Do stabilizacji warstw sypkich materiałów ziarnistych zgodnie z STN 73 3040 dopuszcza się wyłącznie geosiatki certyfikowane zgodnie z raportem technicznym EOTA nr 41, który odpowiada poziomowi norm EN 13249 do EN 13256 <punkt 5.2.13>. Ponadto norma przewiduje stosowanie do stabilizacji warstw podbudowy nierozciągliwych heksagonalnych geosiatek o funkcji stabilizacyjnej <punkt 5.2.15>, co w praktyce prowadzi do jednego producenta i jednego konkretnego wyrobu. Do stabilizacji warstw podbudowy można jednak, z różną skutecznością, stosować również inne materiały geosyntetyczne.

Wymagania dotyczące ochrony

Zdolność geowłókniny do ochrony określonych konstrukcji (np. geomembran) jest ograniczona do momentu, w którym geowłóknina ulegnie uszkodzeniu i/lub gdy materiał sypki zostanie nadmiernie przepchnięty przez konstrukcję. W praktyce ochrona jest więc najczęściej jednoznacznie charakteryzowana przez odporność na rozerwanie statyczne, średnicę otworu przebitego stożkiem, odporność na przebicie piramidalne oraz skuteczność ochrony.

Wymagania dotyczące ochrony przeciwerozyjnej

Z wielu tych parametrów w praktyce technicznie uzasadnione są jedynie wytrzymałość na rozciąganie oraz trwałość. Pozostałe parametry są kwestią produkcyjną. W przypadku niezakrytych geosyntetyków stosowanych do ochrony przeciwerozyjnej decydujące będzie ich narażenie na promieniowanie UV. Większość tych produktów jest ponadto biodegradowalna, a więc ich rozkład jest z góry przewidywany.

Wymagania dotyczące izolacji

Masa powierzchniowa jest dla tej jednej funkcji (wyłącznie w przypadku barier gliniastych) rzeczywiście uzasadniona. Wystarczyłoby jednak określić ją jedynie za pomocą dwóch odpowiednio dobranych spośród trzech wyżej wymienionych wartości. Jedyną inną decydującą właściwością jest przepływ (przepuszczalność wody).

Podstawowe wspólne wymagania dotyczące trwałości

Są to wspólne wymagania dotyczące trwałości dla wszystkich geosyntetyków oraz dla geosyntetyków wykonanych z poliestru lub zawierających poliester <tabele 20 i 21>. Odporność na uszkodzenia ma znaczenie wyłącznie dla zbrojenia. Zarówno w przypadku separacji, jak i ochrony uszkodzenie jest z założenia wykluczone przez samą konstrukcję. Również w odniesieniu do ochrony antykorozyjnej jest to wymaganie zbędne.

Odporność na promieniowanie UV jest automatycznie uwzględniana w dokumencie towarzyszącym (deklaracji parametrów) poprzez zapis „Musi być przykryte do (czasu) po ułożeniu”, który producent podaje na podstawie badania EN 12224. Wymaganie podawania konkretnych wartości oznacza dublowanie pracy producentów geosyntetyków. Odporność na utlenianie i na hydrolizę wewnętrzną jest automatycznie spełniona w przypadku wyrobów o trwałości 25 lat lub dłuższej, ponieważ są one badane zgodnie z załącznikiem B.4.2 zharmonizowanej specyfikacji technicznej, zgodnie z którym w informacjach o wyrobie musi być podane: „Trwałość (określająca okres użytkowania) w gruntach naturalnych o pH ≤ 4 ≤ pH ≤ 9 oraz przy temperaturach gruntu ≤ 25 °C jest przyjmowana na podstawie wyników metody badawczej (odwołanie do odpowiedniego punktu oraz okresu badania z B.4.2).”. Norma STN 73 3040 podaje jako graniczny okres trwałości 10 lat.

PCM, tj. materiał pochodzący z odzysku, który zasadniczo różni się od pierwotnego polimeru i nie może być już użyty do zamierzonego celu, oraz PIM, tj. materiał odchylony ze strumienia odpadów w trakcie procesu produkcyjnego, który ma inne właściwości niż pierwotny polimer, są zgodnie z załącznikiem B dopuszczalne wyłącznie dla okresu użytkowania krótszego niż 5 lat. Dla jakiegokolwiek dłuższego okresu użytkowania (konkretnie 25, 50 i 100 lat) geosyntetyki nie mogą ich zawierać. Pięcioletni (a nie dziesięcioletni) limit trwałości rozwiązuje więc również tę kwestię w odniesieniu do załącznika B zharmonizowanej specyfikacji technicznej, gdzie problem ten został już rozpatrzony przez Komisję Europejską. Dlatego wprowadzanie nowego limitu trwałości (10 lat) oraz wymaganie wyników wszystkich badań będących częścią deklaracji parametrów, aby w ogóle było możliwe wprowadzenie wyrobu na rynek, jest nie tylko zbędne, ale wręcz kontrproduktywne.

Zakończenie

Przy ocenie, która właściwość geosyntetyku jest kluczowa dla wybranego zamierzonego zastosowania, należy postępować według schematu: stan graniczny -> mechanizm zniszczenia -> funkcja -> właściwość. Jednocześnie należy respektować fakt, że producenci są zobowiązani do dostarczania jedynie wybranego zakresu właściwości dla danego zamierzonego zastosowania (funkcji). Ponadto proponujemy, aby w wymaganiach dotyczących właściwości wybierać wyłącznie te, które są technicznie uzasadnione, a pomijać te, które są z założenia spełnione w deklaracji parametrów.

Ponadto norma STN 73 3040 nakłada na geosyntetyki oraz ich producentów i dystrybutorów nadmierne wymagania jakościowe, które są bardzo trudne do udokumentowania i skontrolowania. Znacznie wykracza to poza ramy międzynarodowego europejskiego konsensusu, o którym można zakładać, że opiera się na technicznie uzasadnionych charakterystykach w wystarczającym zakresie.

Zdaniem autorów artykułu norma STN 73 3040 jest dla przeciętnego użytkownika nieprzejrzysta, właściwości geosyntetyków są niemal bez wyjątku zawyżone i bardzo często uzależnione od dodatkowych czynników lub odwołań, wszystko to kosztem czytelności i skuteczności normy. W najbliższej przyszłości więcej niż wskazane byłoby zrewidowanie normy w celu jej uproszczenia i zwiększenia przejrzystości dla potrzeb praktyki projektowej.

Autorzy tekstu: Ing. Ján Lajčák, Ing. Ondřej Vodáček, Ing. Martin Kašpar