Zastosowanie, projektowanie i wymiarowanie płaskich geokompozytowych drenaży do odwodnienia obiektów drogowych

Wody opadowe znacząco obniżają właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni dróg, a przy niewystarczającym odwodnieniu mogą powodować aquaplaning, a w okresie zimowym także gołoledź. Z punktu widzenia odwodnienia podpowierzchniowego wody opadowe mają znacznie istotniejszy wpływ na obiekty kolejowe, gdzie przenikają przez warstwy konstrukcyjne nawierzchni kolejowej, a część z nich infiltruje do podłoża gruntowego. Następnie powodują tam zmiany granic konsystencji, charakterystyk odkształceniowo-deformacyjnych oraz innych parametrów. Taki sam negatywny wpływ mają wody przesączające się w strefie aktywnej nawierzchni drogowych lub podłoża gruntowego linii kolejowych, przy czym w okresach zimowych dodatkowo występuje ryzyko wysadzin mrozowych.

Z wyżej opisanych powodów konieczne jest odwadnianie zarówno warstw konstrukcyjnych, jak i podłoża gruntowego, strefy aktywnej oraz podtorza. Dotyczy to w szczególności obiektów realizowanych w wykopach lub niskich nasypach, ale także innych powierzchni komunikacyjnych, np. parkingów. W przypadku nasypów ziemnych posadowionych na miękkim, nawodnionym podłożu dochodzi do wyciskania wody z gruntu na skutek konsolidacji pierwotnej. To, czy i jak szybko przebiega konsolidacja, zależy od szybkości obciążania oraz od przewodności hydraulicznej danego gruntu. Jeżeli przewodność hydrauliczna gruntu jest niska, co jest typowe dla iłów, woda porowa znajdująca się w porach gruntu naturalnie przemieszcza się ku powierzchni, w kierunku nasypu. Powoduje to jego nasycenie oraz pogorszenie odporności na potencjalnych powierzchniach poślizgu, co w skrajnym przypadku może prowadzić nawet do utraty stateczności.

Podstawa nasypu jest więc standardowo drenowana, aby zapobiec przenikaniu wody z podłoża do nasypu. Tył ścian oporowych i obudów wykopów jest typowo odwodniony, przede wszystkim ze względu na wymiary konstrukcji, ponieważ grunt nasycony wodą powoduje około 100% większe obciążenie poziome w porównaniu z gruntem odwodnionym, na skutek działania hydrostatycznego (a niekiedy także hydrodynamicznego) ciśnienia wody. W analogiczny sposób odwadnia się obudowy płytkich tuneli. Odwodnienie obiektów infrastruktury transportowej jest zatem nierozerwalnie związane z ich bezproblemową funkcjonalnością oraz długą trwałością. Oprócz konwencjonalnych systemów, takich jak warstwy drenażowe wykonane z niespoistych materiałów przepuszczalnych, na budowach coraz częściej spotyka się geokompozyty.

Wybrane obszary zastosowania drenażowych geokompozytów w infrastrukturze transportowej (źródło: Intermas Nets S. A.)

Zastosowanie w infrastrukturze transportowej

W obiektach infrastruktury transportowej przy zbieraniu i odprowadzaniu wód opadowych oraz przesączających się celowo łączy się odwodnienie powierzchniowe i podłużne, przede wszystkim dlatego, że konstrukcje mają zazwyczaj charakter liniowy (wykop, nasyp, droga, linia kolejowa, tunel, ściana oporowa/obudowa wykopu itp.). Przykładem odwodnienia powierzchniowego jest również odwodnienie podłoża gruntowego od osi jezdni w kierunku pobocza lub odwodnienie tyłu ścian od ich korony w kierunku podstawy. Do odwodnienia powierzchniowego stosuje się właśnie drenażowe geokompozyty. Jeżeli odwodnienie powierzchniowe nie jest odprowadzane bezpośrednio do retencji lub na powierzchnię korpusu ziemnego, przechodzi ono w odwodnienie podłużne, które ma charakter liniowy i pełni funkcję kolektora. Zazwyczaj są to tradycyjne rury drenażowe przeciągnięte przez rękaw z geowłókniny na krawędzi geokompozytu, tworzące jeden zintegrowany system.

Budowa geokompozytu

Geokompozyt w rozumieniu normy ČSN EN ISO 10318-1 jest wyrobem składającym się z co najmniej dwóch elementów połączonych w całość, z których przynajmniej jeden wykonany jest z geosyntetyku dowolnego rodzaju. Drenażowy geokompozyt pełni w rozumieniu ČSN EN ISO 10318-1 funkcję odwodnienia – zbiera i odprowadza ciecze z różnych źródeł (opady, przesąki itp.) w swojej płaszczyźnie. Drenażowy geokompozyt składa się z elementów geosyntetycznych, tj. z rdzenia drenażowego, ochrony rdzenia drenażowego oraz ewentualnie z folii.

Po lewej geokompozyt do odwodnienia powierzchniowego, po prawej geokompozyt z rurą drenażową do odwodnienia powierzchniowego i podłużnego

Rdzeń drenażowy jest nośnikiem funkcji odwodnienia i jest wytwarzany różnymi technologiami, co nadaje mu unikalne właściwości. Ochrona rdzenia drenażowego zapobiega jego zamulaniu drobnymi cząstkami gruntu, jeżeli migrują one wraz z cieczą, i/lub chroni daną część odwadnianej konstrukcji przed bezpośrednim kontaktem z cieczą przepływającą w płaszczyźnie drenażowego geokompozytu. Przez drenażowy geokompozyt (dalej wspominany) rozumie się taki wyrób, który spełnia funkcję odwodnienia niezależnie od sposobu jego ułożenia w swojej płaszczyźnie, tj. struktura wyrobu nie jest czynnikiem ograniczającym funkcję odwodnienia.

Materiał rdzenia drenażu geokompozytowego

Surowcem produkcyjnym rdzenia drenażowego jest zazwyczaj polietylen o wysokiej gęstości (HDPE) lub polipropylen (PP), ze względu na ich relatywnie wysoką odporność na działanie kwasów, zasad oraz mikroorganizmów w porównaniu z innymi polimerami. Do struktury polimeru najczęściej dodaje się dodatki na bazie węgla w ilości rzędu kilku pierwszych procent objętości, dzięki czemu polimer staje się stabilny na promieniowanie UV. Geokompozyt może być zatem wystawiony na działanie promieniowania UV bez pogorszenia jego właściwości mechanicznych i fizycznych przez okres deklarowany przez producenta – typowo w czasie instalacji.

Elastyczne rdzenie drenażowe są tworzone z nieuporządkowanego systemu ekstrudowanych włókien polimerowych. Grubość elastycznego rdzenia pod działaniem nacisku szybko się zmniejsza, a wraz z nią zmniejsza się również zdolność drenażowa. Z tego powodu osiągają one nominalne grubości rzędu nawet kilku centymetrów. Elastyczne rdzenie drenażowe są generalnie wrażliwe na działający nacisk. Półsztywne rdzenie drenażowe są wytwarzane z wytłaczanej, ekstrudowanej folii. Struktura rdzenia jest wystarczająco sztywna, aby wytrzymywać również wyższe naciski, jednak po przekroczeniu krytycznego nacisku może dojść do nagłego załamania struktury rdzenia i do gwałtownego obniżenia zdolności drenażowej. Nominalna grubość rdzenia oscyluje zazwyczaj wokół 1 cm. Odporność półsztywnego rdzenia na działający nacisk jest bezpośrednio uzależniona od grubości produkcyjnej folii oraz od jej gęstości i stopnia wytłoczenia. Sztywne rdzenie drenażowe składają się z dwóch do trzech warstw równolegle układanych ekstrudowanych włókien polimerowych, tworzących regularną siatkę. Nominalna grubość sztywnego rdzenia jest stosunkowo niewielka, zazwyczaj mniejsza niż 1 cm, jednak pod działaniem nacisku ulega on ściśnięciu w stosunku do swojej grubości w niewielkim stopniu – wrażliwość sztywnych rdzeni na działający nacisk jest generalnie bardzo niska.

Po lewej przykład elastycznego rdzenia, pośrodku przykład półsztywnego rdzenia, po prawej przykład sztywnego rdzenia

Względne zachowanie rdzeni drenażowych w zależności od typu, rysunek poglądowy

Materiał do ochrony rdzenia drenażu geokompozytowego

Rdzeń drenażowego geokompozytu musi być chroniony przed mechanicznym zamuleniem cząstkami gruntu, z którego migruje ciecz. Ochrona musi niezawodnie zatrzymywać cząstki gruntu, a jednocześnie umożliwiać długotrwałe przenikanie cieczy do płaszczyzny rdzenia drenażowego. Zazwyczaj stosuje się geowłókniny nietkane o funkcji separacji i filtracji (zgodnie z ČSN EN ISO 10318-1). Geowłóknina jest trwale połączona z rdzeniem drenażowym, obustronnie lub jednostronnie, w zależności od zastosowania. Geowłóknina musi spełniać następujące kryteria filtracyjne:

• zatrzymywanie – musi zatrzymywać stabilne cząstki gruntu w celu utworzenia naturalnego filtra,
• przepuszczalność – musi przepuszczać niestabilne cząstki gruntu, aby nie dochodziło do jej zamulenia,
• porowatość – musi zachować dwa powyższe kryteria przez cały okres użytkowania.

Projektowanie filtra geowłókninowego polega na ocenie powyższych kryteriów, na podstawie których dobiera się odpowiednią geowłókninę. Ochronę obustronną należy stosować w przypadku, gdy drenażowy geokompozyt jest ułożony pomiędzy dwoma środowiskami, które mają potencjał mechanicznego zamulenia rdzenia drenażowego. Typowo są to geokompozyty pomiędzy dwoma gruntami, np. w podłożu nasypów, na podłożu gruntowym, w rowie podłużnym itp. Ochrona jednostronna jest stosowana w przypadkach, gdy drenażowy geokompozyt jedną ze swoich stron styka się ze środowiskiem, z którego nie grozi mechaniczne zamulenie rdzenia. Typowymi przykładami są tyły ścian oporowych i obudów wykopów, przyczółki mostowe lub zewnętrzna powierzchnia obudowy tuneli itp.

W przypadkach, gdy konieczne jest zapobieżenie bezpośredniemu kontaktowi przepływającej cieczy z powierzchnią odwadnianej konstrukcji, niechronioną stronę rdzenia drenażowego wyposaża się w folię, po której ciecz spływa. W ten sposób najczęściej chroni się powierzchnie betonowe. Sporadycznie jednostronna ochrona rdzenia drenażowego w połączeniu z folią jest stosowana także w przypadku konieczności ścisłego przekierowania naturalnego przepływu cieczy do płaszczyzny drenażowego geokompozytu. Może to dotyczyć np. ochrony podłoża gruntowego przed wodą opadową przesączającą się przez podsypkę torową lub przerwania kapilarnego podciągania u podstawy nasypu.

Uwaga: Podstawową funkcją drenażowego geokompozytu jest odwodnienie, a nie ochrona. Do tego celu stosuje się geowłókniny nietkane o odpowiednich parametrach (grubość, odporność, CBR itp.). Nie pełni on również funkcji izolacyjnej (wariant geokompozytu z ochroną jednostronną w połączeniu z folią) – do tego celu stosuje się polimerowe i ilaste izolacje geosyntetyczne (tj. geomembrany, wkładki ilaste).

Projektowanie drenażowego geokompozytu

Projektowanie drenażowego geokompozytu dla konkretnej konstrukcji przebiega w kilku etapach, w zależności od charakteru i projektowanej trwałości konstrukcji, a także od tego, czy jest to projekt pierwotny, czy alternatywa dla konwencjonalnego systemu drenażowego. W tab. 1 przedstawiono zestawienie parametrów wejściowych niezbędnych do obliczenia zdolności drenażowej w różnych fazach projektowania.

Parametr	Symbol
krótkoterminowa (deklarowana) zdolność drenażowa	qk,st
Parametry niezbędne do przeliczenia deklarowanej zdolności drenażowej dla warunków konkretnego zadania
działający nacisk	σ
gradient hydrauliczny	i
sztywność powierzchni	–
lepkość kinematyczna (temperatura otoczenia)	ν
Parametry niezbędne do obliczenia długoterminowej zdolności drenażowej
współczynnik redukcyjny dla wtłaczania ochrony w rdzeń	RFIN
współczynnik redukcyjny dla pełzania pod obciążeniem	RFCR
współczynnik redukcyjny dla zarastania chemicznego	RFCC
współczynnik redukcyjny dla zarastania biologicznego	RFBC
Parametry niezbędne do oceny projektu alternatywnego
projektowa intensywność przepływu	qe,rqd
równoważna zdolność drenażowa	qd,eq
wymagany współczynnik bezpieczeństwa	FS

Etapy projektowania

Określenie krótkoterminowej zdolności drenażowej

Krótkoterminowa zdolność drenażowa qk,st jest deklarowana przez producenta drenażowego geokompozytu, zawsze dla określonych krótkoterminowych oddziaływań. Zazwyczaj jest to wielkość dyskretna podzielona na serie danych w zależności od sztywności powierzchni i gradientu hydraulicznego. Krótkoterminowa zdolność drenażowa geokompozytu jest uzależniona od takich czynników, jak nacisk działający na geokompozyt, gradient hydrauliczny, sztywność powierzchni oraz temperatura otoczenia.

Obliczenie długoterminowej zdolności drenażowej

Długoterminowa zdolność drenażowa jest obliczana jako zdolność krótkoterminowa pomniejszona o współczynniki redukcyjne. Są to: współczynnik redukcyjny wtłaczania ochrony w rdzeń, współczynnik redukcyjny pełzania pod obciążeniem, współczynnik redukcyjny zarastania chemicznego oraz współczynnik redukcyjny zarastania biologicznego. Wartość minimalnego współczynnika bezpieczeństwa zależy od wielu czynników – rolę odgrywa statystyczne prawdopodobieństwo poprawności danych wejściowych, doświadczenie projektanta, klasa ryzyka/znaczenie obiektu, wymagania stron zaangażowanych oraz inne.

Pobranie metodyki jest możliwe na stronie https://www.shopcdv.cz/cs/metodika-geokompozitni-drenaz.

Autorzy tekstu Ondřej Vodáček i Veronika Libosvárová pracują w spółce GEOMAT, s. r. o., Tomáš Macan pracuje w spółce CDV, v. v. i.