Geosyntetyki w inżynierii lądowej

Wyroby geosyntetyczne pojawiły się w latach 50. XX w., wkrótce po wynalezieniu polimerowych tworzyw sztucznych, które stały się surowcem do ich wytwarzania. Zalety nowych materiałów szybko sprawdziły się w warunkach środowiskowych, a dzięki wysokiej wytrzymałości mechanicznej, elastyczności, nieuleganiu korozji biologicznej, wodoodporności, łatwości montażu, odporności na czynniki starzeniowe i wielu innym cechom stały się wręcz niezastąpione w przedsięwzięciach geotechnicznych.

Jedną z pierwszych udokumentowanych realizacji geoinżynierskich z udziałem geosyntetyków stały się przeprowadzone w 1958 r. prace przy wzmacnianiu geotekstyliami nabrzeży na Florydzie. W 1968 r. francuski koncern Rhône-Poulenc wyprodukował pierwsze poliestrowe geowłókniny igłowane, które w 1970 r. z powodzeniem m.in. zastosowano w pracach hydroinżynierskich.

Postęp technologiczny i konkurencja na rynku przyniosły daleko idącą specjalizację w wytwarzaniu takich wyrobów. Współczesne geosyntetyki to zarówno jednowarstwowe płaty, wśród których znajdują się nieprzepuszczalne geomembrany oraz przepuszczalne geosiatki i geotekstylia (geowłókniny, geodzianiny oraz geotkaniny), jak i wielowarstwowe geomaty (w tym geokompozyty – geomaty łączone lub przedzielone z warstwami gruntów mineralnych, np. maty bentonitowe, piaskowe).

W ich zakres wchodzą również geosyntetyki komórkowe, geopiany, gabiony, geofibry, geożele, geosystemy kształtujące krajobraz i inne. Dobierane tworzywa sztuczne oraz struktura pozwalają produkować wyroby o różnym stopniu podatności na odkształcenia użytkowe.

W każdej z grup obecne są podgrupy produktów o właściwych sobie parametrach, które nadają im specjalistyczne funkcje użytkowe. W większości są to gotowe wyroby układane w określonych realizacjach, ale wśród nich są i takie, które wytwarza się in situ (geożele i geopiany, jedno- lub dwuskładnikowe żywice oparte np. na bazie rezorcynu, występujące samodzielnie jako szybkowiążące mieszanki gruntowe zabezpieczające stany awaryjne budowli ziemnych).

Rozwój badań geotechnicznych prowadzących do trafniejszego rozpoznawania gruntów i sposobów poprawy ich własności zaowocował wyodrębnieniem się geosyntetyków jedno-, dwu- i trójkierunkowych przeznaczonych do stabilizacji i wzmocnień ustrojów konstrukcyjnych: 1×D (liniowych), 2×D (na płaszczyźnie) i 3×D (w przestrzeni).

Funkcje geosyntetyków

Optymalny dobór materiałów geosyntetycznych uzależniony jest od lokalnych warunków gruntowych i zamierzonych efektów.

Funkcje, które mogą spełniać te produkty, są następujące:

• separacja – polega na oddzielaniu podłoża gruntowego od warstwy konstrukcyjnej lub oddzielaniu poszczególnych warstw konstrukcyjnych z kruszyw o różnych parametrach;
• filtracja – zapewnia swobodny przepływ wody na granicy warstw gruntu przy zachowaniu nienaruszonej struktury szkieletu gruntowego;
• drenaż – właściwość odprowadzania płynów w płaszczyźnie materiału; wzmocnienie gruntu przez poprawę własności mechanicznych gruntu podłoża, warstw konstrukcyjnych, także stateczności skarp (fot. 1);
• ochrona systemu geotechnicznego – zabezpieczanie innych geosyntetyków przed uszkodzeniem mechanicznym, dodatkowe mocowanie innych geosyntetyków, ale także ochrona przed spadającym rumoszem skalnym czy działaniem fal morskich;
• przeciwerozja – zabezpieczanie gruntów przed powierzchniową erozją wodną (deszczową) i wiatrową, a także przed erozją od wód powierzchniowych i gruntowych;
• uszczelnienie systemu geotechnicznego dzięki stworzeniu bariery nieprzepuszczalnej dla płynów/gazów;
• wzmocnienie nawierzchni drogowych dokonywane przez zbrojenie mas bitumicznych geosyntetykami, ale i przez wzmacnianie podłoża nawierzchni dróg gruntowych;
• zazielenienie – oddziaływanie na rozwój roślinności poprzez stabilizację humusu, wilgoci, nasion lub sadzonek oraz mulczowania (nawożenia) przez rozkład materiałów biodegradowalnych;
• kształtowanie przestrzeni w aranżacjach krajobrazowych przy zastosowaniu geosyntetyków w formie brył przestrzennych.

Przegląd grup geosyntetyków

Do wytwarzania geosyntetyków służą różne tworzywa sztuczne, ale z racji zalet surowcowych najczęściej sięga się po: aramidy, poliamidy, poliestry, polietylen, polipropylen, polistyren, polichlorki winylu, kauczuki syntetyczne epdm. Pozyskiwane do produkcji surowce często pochodzą z recyklingu, co znacząco obniża koszty produkcji.

Geosyntetyki obejmują kilka grup produktów, które umownie klasyfikowane są jako: geowłókniny (geotekstylia), geotkaniny, geosiatki, geokompozyty, geomembrany, systemy komórkowe, pokrycia przeciwerozyjne.

Geowłókniny (geotekstylia)

Są to płaskie geosyntetyki wykonane najczęściej z włókien polipropylenowych lub poliestrowych (ciągłych lub ciętych) o nieuporządkowanej strukturze, łączonych mechanicznie (igłowanych, przeszywanych) lub termicznie (zgrzewanych).

Mogą występować w odmianach filtracyjnych (funkcje filtracji, separacji, przeciwerozyjne) zwiększających wydajność i żywotność systemów drenażowych – chronią je przed zamulaniem oraz grunt przed wypłukiwaniem powodowanym wypływem wód gruntowych.

Są również produkowane w odmianach separacyjno-filtracyjnych (separacja, filtracja, ochrona, drenaż, przeciwerozja, wzmocnienie gruntu), skracających czas konsolidacji i stabilizacji podłoża gruntowego, redukujących lub eliminujących konieczność wymiany gruntu, wzmacniających podłoże gruntowe, przeciwdziałających erodującemu oddziaływaniu wód gruntowych.

Inne odmiany geowłóknin to: dwuwarstwowe (separacja, filtracja, drenaż, ochrona), chroniące podłoża gruntowe obiektów hydrotechnicznych przed erozją spowodowaną wymywaniem gruntu (fot. 2); ochronne (ochrona, separacja, drenaż), chroniące geomembrany przed uszkodzeniami mechanicznymi, separujące warstwy konstrukcji chroniących lub uszczelniających grunt, odprowadzające wody lub odcieki w płaszczyźnie materiału; a także drogowe do nawierzchni bitumicznych (uszczelnienie, wzmocnienie nawierzchni drogowych), gdzie rozpraszają naprężenia występujące pomiędzy warstwami konstrukcyjnymi nawierzchni oraz uszczelniają połączenia między warstwami konstrukcyjnymi przeciw przenikaniu wody i powietrza, a dzięki temu przedłużają żywotność nawierzchni bitumicznych.

Geotkaniny

To płaskie geosyntetyki wykonane najczęściej z włókien albo tasiemek polipropylenowych lub poliestrowych, którym nadaje się na krosnach tkackich uporządkowaną, zwartą strukturę „wątek-osnowa”. W zależności od rodzaju konstrukcji, w której grunt wymaga wzmocnienia, stosowane są geotkaniny o dominującej wytrzymałości w jednym kierunku (np. „jednokierunkowe” do wzmocnienia zbrojenia skarp), ewentualnie o zbliżonych wytrzymałościach dla kierunków wątku i osnowy (np. „dwukierunkowe” do wzmocnienia podłoża gruntowego w drogownictwie).

Zwykle spotykane są w odmianach: separacyjno-wzmacniających (separacja, wzmocnienie), skracających czas konsolidacji i stabilizacji podłoża gruntowego, wzmacniającego grunt, minimalizującego lub eliminującego konieczność wymiany gruntu, a także wzmacniających (separacja, wzmocnienie gruntu), zwiększających stateczność skarp – geotkaniny jednokierunkowe – czy wzmacniających podłoże gruntowe – geotkaniny dwukierunkowe.

Geosiatki

Są to płaskie geosyntetyki o prostopadłym układzie pasm tworzących oczka umożliwiające współpracę siatki z gruboziarnistym kruszywem kamiennym na zasadzie „zazębienia”. Wytwarzane są zwykle z polipropylenu, polietylenu, poliestru, włókna szklanego, bazaltowego lub węglowego i mogą mieć postać przeplatanych włókien/pasm (o elastycznych węzłach), zgrzewanych na węzłach (sztywne węzły) lub mieć strukturę jednorodnego rusztu powstałego wskutek ekstruzji odpowiednio wyciętej folii (sztywne węzły – georuszty). Najczęściej obecne są jako geosiatki: jednokierunkowe (wzmacniające podłoża gruntowe bądź zwiększające stateczność skarp), dwukierunkowe (wzmacniające grunt podłoża), a także służące do wzmacniania nawierzchni bitumicznych (rozpraszające naprężenia występujące pomiędzy warstwami konstrukcyjnymi nawierzchni oraz zwiększające żywotność i trwałość nawierzchni bitumicznych).

Geokompozyty

Ten rodzaj produktów to geosyntetyki konstruowane jako połączenie dwóch lub więcej materiałów o cechach dostosowanych do spełnienia określonych wymogów w celu uzyskania maksymalnego efektu w zakresie funkcjonalnym kompozytu. W zależności od dominujących funkcji geokompozyty mogą być kombinacją geosiatek, geomat, geotkanin lub geomembran z geowłókninami (ewentualnie innymi geosyntetykami). Do tej grupy należą również geowłókniny wzmacniane przez przeszycie ich włóknami z innego materiału niż surowiec, z którego wykonana jest geowłóknina. Ich odmianami są: geokompozyty wzmacniające, w tym geowłókniny wzmacniane (filtrujące, drenujące i separujące) do wzmocnień podłoża gruntowego i zwiększania stateczności skarp (fot. 1), drenażowe (filtrujące, drenujące i separujące) do ochrony podziemnych części budowli przed napływem wód gruntowych, odprowadzania nadmiaru wody lub/i gazów w płaszczyźnie geokompozytu oraz zastępujące filtry z kruszyw, drenażowo-uszczelniające (filtrujące, drenujące, separujące i uszczelniające), oprócz wspomnianych wyżej funkcji hydroizolujące również drenowane powierzchnie (fot. 4), a także do wzmacniania nawierzchni bitumicznych (uszczelnianie i wzmacnianie nawierzchni drogowych) i rozpraszania przy tym naprężeń występujących pomiędzy warstwami konstrukcyjnymi nawierzchni oraz zwiększania żywotności i trwałości nawierzchni bitumicznych. W tej grupie są również ujęte maty bentonitowe (uszczelniająco-separujące), stanowiące bariery nieprzepuszczalne dla płynów/gazów oraz zabezpieczające przed napływem/odpływem płynów/gazów do/z powierzchni uszczelnianych (w takich matach rdzeń z bentonitu sodowego ujęty jest od spodu warstwą geowłókniny, a od góry – geotkaniny) oraz maty przestrzenne z włókien syntetycznych wzmacniane siatką, pełniące funkcje przeciwerozyjne i poprawiające warunki wegetacji roślin (zazielenienia), stosowane np. jako ochrona przeciwerozyjna na skarpach o nachyleniu powodującym zwiększoną prędkość spływu wody, gdzie oddziaływanie samej roślinności mogłoby być niewystarczające.

Geomembrany

Są to syntetyczne powłoki, przesłony (folie) o bardzo niskiej przepuszczalności, wytwarzane z polimerów, polimerów wzmacnianych warstwą tkaniny lub powłok służących do wykonywania przesłon hydroizolacyjnych i gazoszczelnych w środowisku gruntowym (fot. 3 i 6). Ich powierzchnie mogą być gładkie, jedno- lub dwustronnie bieżnikowane, wytłaczane, zbrojone (elementy kotwiące do gruntu, jak kolce, stożki, widełki, wykonane z tego samego materiału co geomembrany). Klasyfikowane są ze względu na materiał, z którego zostały wykonane, i strukturę powierzchni. Wskazuje się więc m.in. geomembrany tworzące nieprzepuszczalne bariery dla płynów i gazów oraz zabezpieczające przed napływem/odpływem płynów/gazów do/z powierzchni uszczelnianej: płaskie PEHD (uszczelniająco-separujące), wytłaczane PEHD (uszczelniająco-separująco- drenujące), dodatkowo tworzące warstwę drenującą (kompozyty z włókniną), płaskie PVC (uszczelniająco-separujące – fot. 5), a także płaskie EPDM (uszczelniająco-separujące).

Systemy komórkowe

Przestrzenne geosyntetyki o strukturze komórkowej wykonane są najczęściej z HDPE stabilizowanego przeciwko promieniom UV. Zwykle występują w postaci paneli modułowych w formie sztywnych krat łączonych ze sobą za pomocą zamków o właściwościach przeciwerozyjnych, wzmacniających skarpy rowów, poboczy dróg i nawierzchni drogowych, chroniących także nawierzchnie trawiastych parkingów i podjazdów. Mogą również występować w postaci geokrat – taśm łączonych punktowo poprzez zgrzewanie, które po rozciągnięciu i ułożeniu w miejscu wbudowania przypominają wyglądem plaster miodu. Główne cele ich zastosowania to stabilizacja i wzmacnianie gruntów, wzmacnianie nawierzchni drogowych, przeciwerozja.

Pokrycia przeciwerozyjne

Jest to grupa przestrzennych geosyntetyków o strukturze komórkowej, wykonanych najczęściej z HDPE stabilizowanego przeciwko promieniom UV. Zwykle występują w postaci mat przestrzennych z włókien syntetycznych produkowanych w formie sztywnych krat łączonych ze sobą za pomocą zamków o właściwościach przeciwerozyjnych, a ich zadaniem jest wzmacnianie skarp rowów, poboczy dróg i nawierzchni drogowych oraz ochrona nawierzchni trawiastych parkingów i podjazdów. Są także dostępne w postaci geokrat (fot. 1 i 2) – łączonych punktowo przez zgrzewanie taśm, które po rozciągnięciu i ułożeniu w miejscu wbudowania przypominają plaster miodu. Głównym celem ich zastosowania jest stabilizacja i wzmacnianie gruntów, wzmacnianie nawierzchni drogowych, przeciwerozja. Obecna jest tu także grupa pokryć przeciwerozyjnych o ograniczonej żywotności (ulegających biodegradacji), stanowiących kompozycje z mat/siatek syntetycznych i naturalnych, biowłóknin, mat z rozwiniętą roślinnością, nasionami itp., walców gabionowych z siatki polipropylenowej, bioinżynieryjnych systemów przeciwerozyjnych (w tym faszyn).

Zakres zastosowań

Stosowanie geosyntetyków w budownictwie ziemnym upraszcza technologie robót, a jednocześnie skraca czas realizacji inwestycji. Najistotniejszą zaletą ich zastosowania jest zwiększenie trwałości konstrukcji inżynierskich (np. dróg, parkingów, skarp nasypów i wykopów, brzegów rzek i potoków) oraz skuteczność funkcji, w których zostały użyte (np. separacji i drenaży). Dociekliwi obserwatorzy doliczyli się blisko dwustu zastosowań geosyntetyków, przede wszystkim w inżynierii lądowej, wodnej, drogowej oraz ochrony środowiska (chociaż niektóre produkty geosyntetyczne znajdują różnorodne zastosowanie także np. w rolnictwie). Służą np. w drogownictwie jako elementy wzmacniające podbudowy konstrukcji autostrad, lotnisk, parkingów, ich bitumicznych nawierzchni, w systemach umocnień skarp, nasypów, torowisk kolejowych, przy umocnieniach brzegów akwenów wodnych naturalnych i sztucznych, przyczółków mostów i wiaduktów. Wykorzystuje się je także w budowie sztucznych kanałów wodnych, do wzmacniania wysokich i stromych ścian ziemnych w celu ochrony przed ich obsuwaniem się, przy budowie wysypisk śmieci i składowisk substancji toksycznych itp. W krajach wysoko rozwiniętych geosyntetyki w praktykach inżynierskich mają już ponad 30-letnią tradycję. W Polsce geosyntetyki wciąż stanowią nowość, niemniej jednak powoli zdobywają popularność. Trudność w ich rozpowszechnianiu wynika po części z braku odpowiedniego przygotowania projektantów i wykonawców, ale i tutaj widoczny jest postęp. Za szerszym wprowadzeniem geosyntetyków w inżynierii i ochronie środowiska przemawiają także korzyści ekonomiczne i aspekty ekologiczne. Te ostatnie wynikają ze zmniejszenia zakresu stosowania sypkich materiałów mineralnych, jakimi są piaski i żwiry, oraz z ograniczenia wydobywania tych już deficytowych nieodnawialnych zasobów naturalnych do celów, które można osiągnąć dzięki zastosowaniu np. geotekstyliów. Istotną cechą geosyntetyków jest ich nietoksyczność oraz w zależności od rodzaju materiału biodegradowalność lub niebiodegradowalność w środowisku gruntowo-wodnym.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!