Zachowanie geotekstyliów i geosiatek w warstwach podbudowy

Opublikowano 15.09.2011

Jakie są różnice w funkcjonalności geotekstyliów i geosiatek?

Różnice w zachowaniu geosiatek i geotekstyliów instalowanych na styku podłoża oraz ziarnistej warstwy nawierzchniowej lub podbudowy dróg i powierzchni komunikacyjnych nie zawsze są właściwie rozumiane. Aby możliwe było opracowanie odpowiedniego projektu i osiągnięcie zadowalającego efektu, konieczne jest przeanalizowanie właściwych zadań konstrukcyjnych, które poszczególne typy geosyntetyków mają spełniać.

Typy geosiatek i geotekstyliów

Geosiatki są otwartą, polimerową strukturą kratową. Mogą być wytwarzane przy użyciu kilku technologii. W zależności od zastosowanej technologii powstają geosiatki klejone, zgrzewane, tkane, ekstrudowane lub monolityczne:

• klejone, zgrzewane oraz tkane geosiatki są wykonane z dwóch układów włókien połączonych ze sobą w dwóch prostopadłych kierunkach
• ekstrudowane geosiatki są wytwarzane poprzez wtryskiwanie gorącej masy na walec chłodzący za pomocą dysz z tworzywem polimerowym. W zależności od rozstawu poszczególnych dysz powstają różne wielkości i kształty oczek geosiatki
• monolityczne geosiatki są produkowane z folii perforowanych i rozciąganych w taki sposób, aby powstały oczka o kształcie trójkąta, kwadratu lub prostokąta, z żebrami o przekroju prostokątnym połączonymi integralnymi węzłami.

• tkane geotekstylia składają się z dwóch rzędów równoległych włókien przeplecionych pod kątem prostym w celu utworzenia dwuwymiarowej powierzchni
• nietkane geotekstylia składają się z włókien ułożonych w nieregularną strukturę. Mogą być dalej klasyfikowane według metod łączenia, tj. termicznie, mechanicznie lub chemicznie

Funkcje geosiatek Tensar

Geosiatki Tensar TriAx TX oraz SS stabilizują warstwy niezwiązane, tzn. tworzą konstrukcję nośną. Na podłożu o niskiej nośności ich zastosowanie umożliwia redukcję grubości warstw niezwiązanych lub wydłużenie trwałości konstrukcji. Na podłożu niejednorodnym geosiatki zmniejszają wartości nierównomiernych osiadań.

Po zagęszczeniu materiału ziarnistego ułożonego na stabilizujących geosiatkach ziarna częściowo wnikają w otwory, tworząc zjawisko określane jako „klinowanie” pomiędzy cząstkami a geosiatką. W wyniku klinowania geosiatka stawia opór siłom poziomym, co prowadzi do lepszego rozkładu obciążeń na słabe podłoże.

Zastosowanie stabilizującej geosiatki w warstwach podbudowy pozwala osiągnąć oszczędność grubości materiału zasypowego nawet do 40%, co zostało potwierdzone licznymi doświadczeniami oraz testami badawczymi. Istnieją wykresy projektowe określające grubości warstw oraz uzyskiwane oszczędności (1).

Raport opublikowany w 1992 roku przez US Corps of Engineers (2) opisuje kompleksowe badania nawierzchni prowadzone w okresie dwóch lat. To wiodące, niezależne badanie zostało zrealizowane jako zobowiązanie kontraktowe dla „Federal Aviation Authority”. Raport potwierdza redukcję grubości materiału zasypowego uzyskiwaną dzięki zastosowaniu geosiatek Tensar. Wskazano w nim również właściwości geosiatek, które przyczyniają się do ich prawidłowego funkcjonowania w konstrukcji. Są to kształt, grubość i sztywność żeber, a także kształt, sztywność i stabilność otworów. Przeprowadzone badania nie wykazały, aby krótkoterminowa wytrzymałość (tj. rzeczywista wytrzymałość przy relatywnie dużych odkształceniach) miała bezpośredni związek z efektywnością geosiatek. Czynnik ten nie jest również uwzględniany w metodach projektowych opracowanych przez firmę Tensar.

Jako funkcję wtórną geosiatek Tensar, w przypadku gdy są one przykryte dobrze uziarnionym materiałem zasypowym, uznaje się zdolność do zapewnienia separacji. Klinowanie pomiędzy geosiatką a materiałem ziarnistym zapobiega poprzecznemu przemieszczaniu się cząstek w dolnej warstwie mechanicznie stabilizowanej, ograniczając tym samym migrację drobnych cząstek warstwy podłoża ku górze podczas tzw. pompowania.

Funkcje geotekstyliów w nawierzchniach drogowych i powierzchniach komunikacyjnych

Zarówno geotekstylia tkane, jak i nietkane, o ile posiadają wystarczającą wytrzymałość na uszkodzenia, zapewniają separację, tj. zapobiegają zanieczyszczeniu ziarnistego materiału zasypowego poprzez jego mieszanie się z materiałem podłoża. W porównaniu z geosiatkami stabilizującymi Tensar TriAx TX oraz SS nie są znane żadne opublikowane dane potwierdzające, aby geotekstylia, stosowane pod nawierzchnie utwardzone lub nieutwardzone oraz powierzchnie komunikacyjne, w jakikolwiek sposób uczestniczyły w rozkładzie obciążeń od ruchu. Istnieją również jednoznaczne dowody potwierdzające, że geotekstylia nie pełnią funkcji stabilizującej. Informacyjnie przytaczamy fragmenty niektórych z nich:

• Publikacja Department of Transport HA 35/87 (3) stwierdza: „Nie wykazano, aby geotekstylia stosowane w warstwach niezwiązanych nawierzchni miały jakikolwiek istotny wkład konstrukcyjny w końcową postać nawierzchni.”
• CIRIA Technical Note 126 (4) podsumowuje: „Z przeprowadzonych badań z zastosowaniem geotekstyliów jednoznacznie nie wynika, aby prowadziły one do redukcji grubości ziarnistej warstwy zasypowej.”
• US Corps of Engineers (5), po szeroko zakrojonej światowej analizie 104 źródeł obejmujących szczegółowe badania doświadczalne, podsumował: „Jeżeli geotekstylia są elementem konstrukcji, nie należy przypisywać im jakiejkolwiek funkcji konstrukcyjnej.”

Wyniki kompleksowych badań porównujących geosiatki Tensar SS z czterema różnymi typami geotekstyliów zostały przedstawione we wspomnianym raporcie US Corps of Engineers (5).

Dlaczego więc geosiatki Tensar wzmacniają warstwy niezwiązane, a geotekstylia nie posiadają tej zdolności?

Efekt „klinowania”

Geosiatki uzyskują korzystne mechaniczne klinowanie z gruntem, co jest możliwe dzięki kształtowi oczek, żeber i połączeń – zob. poniższy rysunek. Geotekstylia opierają się wyłącznie na tarciu powierzchniowym, które jest niewystarczające do zapewnienia bocznego ograniczenia cząstek ziarnistego materiału zasypowego pod dynamicznym obciążeniem ruchem drogowym.

Deformacje powierzchni

Geotekstylia pod obciążeniem działają jako membrany rozciągane. Aby zatem możliwe było zmobilizowanie ich wytrzymałości, musi dojść do znacznych pionowych deformacji warstw konstrukcyjnych. Powoduje to jednak powstawanie niedopuszczalnie głębokich kolein w miejscach przejazdu pojazdów – zob. dolny rysunek.

Ten mechanizm pracy geotekstyliów został potwierdzony w publikacji Terram Ground Stabilisation (6), opracowanej przez jednego z czołowych światowych producentów geotekstyliów: „Efektywność elementu separacyjnego zależy od naprężeń rozciągających, które mogą zostać wywołane w geotekstyliach. Naprężenia rozciągające powstają wówczas, gdy powierzchnia konstrukcji ulega deformacji przy każdym przejeździe pojazdu. Zjawisko to jest szczególnie widoczne przy projektowaniu dróg tymczasowych na placach budowy, ponieważ w przypadku dróg trwałych nie można dopuścić takich deformacji (powstawania kolein), jakie są niezbędne do wywołania naprężeń w geotekstyliach.”

Nawet jeśli koleiny powstające w warstwie niezwiązanej są regularnie wyrównywane, odpowiadająca im koleina odwzorowana w podłożu gruntowym pozostaje. Podłoże gruntowe jest osłabione przez deformacje i będzie dalej degradować, zachowując się jak zbiornik drenażowy dla wody, która dociera do podłoża. Gromadzenie się wody w koleinach działa jak czynnik zmiękczający podłoże, co może prowadzić aż do przedwczesnego uszkodzenia konstrukcji.