Awarie i uszkodzenia konstrukcji z wbudowanymi geosyntetykami w aspekcie błędów projektowych i wykonawczych

Pomimo upływu ponad 20 lat od pierwszych zastosowań geosyntetyków w Polsce narzędzia, które używane są do projektowania, nie zostały jeszcze dobrze wykalibrowane. Jest to spowodowane m.in. tym, że w przypadku geotechniki sytuacja jest trudniejsza niż w innych specjalnościach, takich jak konstrukcje stalowe czy żelbetowe.

Ukazujące się publikacje w formie artykułów w czasopismach fachowych, książkach i instrukcjach z prezentowanymi gotowymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi oraz upowszechnianie się komputerowego wspomagania projektowania przyniosło wiele korzyści, jednak sprowadziło również pewne realne zagrożenia. Częste dążenie do przyspieszania pracy wymusza bezkrytyczne przyjmowanie wyników, schematów lub procedur, bez ich weryfikacji i kontroli.

W obecnej sytuacji rynkowej wszyscy uczestnicy procesu budowlanego zmuszeni są do szukania oszczędności. W związku z tym już na etapie wstępnej oceny właściwości fizykomechanicznych gruntów podłoża wymaga się od projektanta przyjęcia schematu wzmocnienia konstrukcji.

Niekiedy można też zaobserwować, że projektanci „dopasowują” zapamiętany schemat lub rozwiązanie z jakiejś publikacji do aktualnie realizowanego projektu, bez analizy różnic konstrukcyjnych lub kryteriów zastosowań.

Odrębnym tematem są nagminne praktyki zamiany materiałów na etapie wykonawstwa, gdzie duży wpływ na decyzje mają kolejno zgłaszający się dostawcy geosyntetyków.

Problem normalizacji

Większość technologii z zastosowaniem geosyntetyków stale się rozwija. Co roku pojawia się kilka nowych wyrobów, niejednokrotnie o bardzo specyficznych zastosowaniach i właściwościach. Wymaga to opracowania niekonwencjonalnych metod badań, projektowania i wykonawstwa robót.

Normalizacja i inne przepisy nie nadążają za praktyką. Powstające zalecenia, wytyczne i normy oparte były i są na metodzie prób i błędów. Wiele z tych opracowań miało swoje źródło w wynikach chaotycznych badań albo było efektem niezrozumienia i błędnych tłumaczeń literatury światowej, co do dzisiaj skutkuje błędami w poprawnym opisywaniu rozpatrywanego przypadku lub schematu statycznego.

Na podstawie analizy treści i postulatów zawartych w referatach prezentowanych na sympozjach lub konferencjach dotyczących geosyntetyków można odnieść wrażenie, że nie wszyscy pragną, aby okres pionierski w stosowaniu geosyntetyków w Polsce się zakończył.

A przecież w przypadku wystąpienia awarii i uszkodzeń konstrukcji dochodzi do wymiernych strat materialnych ponoszonych przez inwestorów i wykonawców robót gwarantujących odpowiednią jakość oraz projektantów uczestniczących w procesie inwestycyjnym.

Wzorem krajów, w których konstruowanie obiektów z geosyntetykami jest bogato skodyfikowane, wprowadzono w Polsce normę PN-EN 14475:2006 [1]. Podano w niej ogólne zasady wykonywania nasypów budowlanych, uzbrojonych elementami poziomymi lub pochyłymi, układanymi pomiędzy warstwami nasypu podczas jego budowy.

Norma dotyczy następujących zastosowań gruntów zbrojonych:

• konstrukcji oporowych (ścian pionowych lub pochylonych, przyczółków mostowych, budowli do masowego składowania),
• zbrojonych stromych skarp z osłoną powierzchniową,
• zbrojonych skarp łagodnych bez osłony, z powierzchniowym zabezpieczeniem przeciwerozyjnym,
• stabilizacji skarp osuwiskowych,
• nasypów ze zbrojeniem w podstawie oraz nasypów ze zbrojeniem w górnej części przeciw wysadzinom mrozowym.

Norma nie obejmuje natomiast wykonywania innych specjalnych robót geotechnicznych z zastosowaniem gwoździ, pali, mikropali, ścianek szczelnych, ścian szczelinowych, zastrzyków i iniekcji strumieniowej.

Nawiasem mówiąc, obszerny Eurokod 7-1 [2] poświęca tym zagadnieniom p. 5.5 liczący 18 wierszy, a „Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym” [3] z 2002 r. jedynie 16 s. ze 124, i to w sposób ogólny.

Trwałość geosyntetyków

Główną wątpliwością przy stosowaniu geosyntetyków jest ich trwałość. Dotychczasowe doświadczenia praktyczne pochodzą z okresu 30–40 lat, a czas pracy tych materiałów, szczególnie w konstrukcjach związanych z ochroną środowiska (wysypiskach, składowiskach i mogielnikach), wynosi setki lat.

Na RYS. 1 i 2 widać, że materiały aramidowe są spośród nich najlepsze – nie podlegają pełzaniu w takim zakresie, jak inne. Mają jednak wady: charakteryzują się małą sprężystością oraz niską odpornością na wysoką temperaturę i promieniowanie UV.

Zasadnicze znaczenie ma trwałość w przypadku zastosowań długoterminowych w odniesieniu do:

• wytrzymałości i odkształcalności – zbrojenia masywów gruntowych (konstrukcji oporowych, stromych skarp), których bezpieczeństwo musi zostać zapewnione przez wytrzymałość geosyntetyków, a także wzmacnianie podłoża nawierzchni,
• wodoprzepuszczalności filtrów w systemach odwadniających.

W takich zastosowaniach wymagane są specjalne badania i przyjmowanie odpowiednio zredukowanych parametrów, z uwzględnieniem zmian właściwości wyrobów w czasie eksploatacji.

Sposób oceny trwałości został ujęty w normie PN-EN 13249:2002 [5]. Poniżej przedstawiono dwa uproszczone kryteria oceny trwałości.

1. Geotekstylia zastosowane w gruntach naturalnych o pH między 4 a 9, temperaturze < 25°C i niepełniące funkcji zbrojenia oraz wykonane z poliestru, polietylenu, polipropylenu, poliamidu 6 lub poliamidu 6.6 i niezawierające surowców wtórnych mogą być uważane za zachowujące dostateczną trwałość co najmniej przez pięć lat.

2. Geosyntetyki zastosowane w gruntach naturalnych o pH między 4 a 9, temperaturze < 25°C i wykonane z poliestru, polietylenu, polipropylenu, poliamidu 6 lub poliamidu 6.6 i niezawierające surowców wtórnych mogą być uważane za zachowujące dostateczną trwałość co najmniej przez dwadzieścia pięć lat, pod warunkiem że pomyślnie przeszły badania: odporności na hydrolizę (poliester, poliamid 6, poliamid 6.6.) i odporności na utlenianie (polipropylen, polietylen, poliamid 6, poliamid 6.6.).

Na podstawie analizy właściwości fizykomechanicznych polimerów można wskazać następujące zagadnienia ich użytkowania:

• rozszerzalność termiczną i skurcz (współczynnik rozszerzalności termicznej geosyntetyków jest o 2–3 rzędy wielkości większy niż betonu),
• ogień – temperatura topnienia do: HDPE – 130°, PP – 165°, PET – 260°, PA – 250°,
• zagrożenie przy łączeniu – przepalanie spoin, rozdzieranie, nadmierne dziurawienie itp.,
• promieniowanie słoneczne (UV).

Wyboru rodzaju i gatunku materiału należy dokonywać w zależności od jego przeznaczenia (rodzaju zastosowania) oraz wymaganych właściwości mechanicznych, parametrów hydraulicznych, odporności na uszkodzenia podczas wbudowania, odporności na czynniki klimatyczne (atmosferyczne), chemiczne itp.

Właściwy wybór jest sprawą skomplikowaną. W wielu krajach dąży się do uproszczenia zasad doboru wyrobów do zastosowań w budowlach drogowych, przynajmniej w prostych, typowych sytuacjach. Taka klasyfikacja jest uproszczona i nie oddaje w pełni różnych zalet wyrobów, zwłaszcza wyższych klas, lecz jest użyteczna we wstępnym wyborze typowych, prostych zastosowań.

W specjalnych wypadkach konieczne jest wymiarowanie materiału na podstawie szczegółowych obliczeń i wzorów z określeniem stanów granicznych nośności i użytkowania.

Interesującą nowością w przepisach jest kryterium energii zniszczenia wyrobu przy zerwaniu. Energia zniszczenia jest równa połowie iloczynu siły zrywającej (wytrzymałości) i wydłużenia przy zerwaniu. Miarodajna jest mniejsza z wartości w kierunku podłużnym i poprzecznym. Kryterium to uwzględnia łącznie dwie cechy materiału i uważa się, że lepiej pozwala porównać różne rodzaje wyrobów, np. włókninę i tkaninę.

Wymagania dotyczące energii zniszczenia wprowadzono już do różnych dokumentów, m.in. do normy szwajcarskiej, normy norweskiej lub projektu normy francuskiej. 

O ile wpływ czynników chemicznych i fizycznych w dużym stopniu zależy od sposobu wytwarzania polimerów, o tyle wpływ czynników mechanicznych zależy od producentów włókien, fabryk włókienniczych produkujących materiały geosyntetyczne oraz projektantów i wykonawców konstrukcji geotechnicznych. Sposób wytwarzania materiału geosyntetycznego ma duży wpływ na procesy pełzania i relaksacji w tych materiałach.

Główne czynniki wpływające na trwałość geosyntetyków poniżej poziomu terenu to:

• uziarnienie i ostrokrawędzistość gruntów,
• pH środowiska,
• występujące jony metali,
• obecność tlenu,
• wilgotność,
• zawartość związków organicznych i kwasów humusowych,
• temperatura.

Trwałość konstrukcji

Trwałość konstrukcji wykonywanych z zastosowaniem materiałów geosyntetycznych zależy w dużym stopniu od jakości wykonania. Również źle wykonany projekt konstrukcji, bez rysunków szczegółowych, może przyczynić się do pogorszenia jakości wykonawstwa.

Niestety, w chwili obecnej w zasadzie wszystkie strony procesu ­inwestycyjnego (projektanci, wykonawcy i nadzór inwestycyjny) nie są odpowiednio przygotowane do zapewnienia wysokiej jakości.

Najczęstsze uszkodzenia występują z powodu niedbałego przemieszczania materiału, przy użyciu nieodpowiedniego sprzętu, wadliwego łączenia poszczególnych pasm i nieodpowiedniego przygotowania podłoża, które na skutek osiadań powoduje w materiale geosyntetycznym naprężenia znacznie przekraczające naprężenia przyjęte w projekcie jako dopuszczalne.

Jeżeli uwzględniłoby się poziom naszego wykonawstwa, należałoby w obliczeniach wytrzymałościowych przyjmować całkowite współczynniki bezpieczeństwa od 3 do 5.

Bardzo istotne do zapewnienia trwałości konstrukcji jest stworzenie na wszystkich większych obiektach systemu obserwacji, który pozwalałby ocenić zachowanie się konstrukcji w miarę upływu czasu. Badania te powinny być realizowane przez odpowiednio przygotowane do tego laboratoria.

Wzmacnianie gruntów

Konieczność wzmacniania gruntów w przeważającej mierze zależy od rodzaju zadania inwestycyjnego i zalegających warstw gruntowych oraz ich nośności. Jego celem może być:

• zwiększenie nośności,
• zmniejszenie osiadania,
• zapobieganie utracie stateczności,
• zabezpieczanie skarp wykopów i nasypów oraz zboczy naturalnych,
• zabezpieczanie uplastycznienia się podłoża,
• stabilizacja podłoża.

Rozpatrywane konstrukcje z gruntu zbrojonego to ogólnie rzecz biorąc nasypy, gdzie oprócz materiału nasypowego układa się dodatkowo w nasypie warstwami zbrojenie, które ma je wzmacniać.

Idea wzmocnienia gruntu zbrojeniem jest podobna do idei konstrukcji żelbetowych. W obu wypadkach zastosowanie zbrojenia ma na celu usunięcie podobnej wady materiałów, tj. małej (w przypadku gruntów – praktycznie zerowej) wytrzymałości na rozciąganie.

W przypadku budowli ziemnych zastosowanie zbrojenia pozwala na powstanie w nasypie sił przeciwstawiających się zsuwaniu gruntu wzdłuż linii poślizgu. W efekcie następuje zwiększenie wytrzymałości nasypu na ścinanie, decydującej o nośności konstrukcji ziemnych.

Powstanie w zbrojeniu sił rozciągających jest wynikiem jego współpracy z gruntem. W odróżnieniu od konstrukcji żelbetowych współpraca gruntu ze zbrojeniem to efekt m.in. sił tarcia między materiałami oraz adhezji.

W konsekwencji przyczepność zbrojenia do gruntu, a także wymagana długość zakotwienia zbrojenia w gruncie nie jest stała, lecz zależy od naprężeń ściskających występujących w płaszczyźnie kontaktu, czyli od usytuowania zbrojenia w nasypie.

Stateczność nasypów, skarp i zboczy – metody obliczeń

Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych, następuje w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż dowolnej powierzchni poślizgu.

Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie:

• sił grawitacyjnych pochodzących od ciężaru gruntu i ewentualnej zabudowy,
• sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt, podniesieniem się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernym zawilgoceniem zbocza.

Przyczyny powstawania osuwisk to:

• układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza,
• rozmycie lub podkopanie zbocza,
• niekontrolowane dociążenie naziomu,
• nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych,
• wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu,
• napór wody od dołu na górne warstwy gruntu, z reguły mało przepuszczalne, powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie,
• nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych, co powoduje pęcznienie gruntu, a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie,
• zniszczenie struktury gruntu przez rozluźnienie,
• istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu, np. w iłach,
• drgania wywołane np. ruchem drogowym,
• sufozja, tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez infiltrującą wodę, powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów,
• przebicie hydrauliczne, z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy, spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy,
• cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji wody gruntowej, co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie,
• wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu,
• niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu.

Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wyżej wymienionych przyczyn.

Na zboczach i skarpach mogą występować następujące rodzaje przemieszczeń mas gruntowych:

• spełzywanie,
• spływy,
• obrywanie,
• zsuwy i osuwiska.

Ze względu na aktywność osuwiska dzieli się na:

• aktywne – wiele przemieszczeń gruntu zarejestrowanych w ciągu jednego roku,
• mało aktywne – występują co kilka lat,
• nieaktywne – formy ustabilizowane sztucznie.

Ze względu na wielkość osuwiska dzieli się na:

• duże – powierzchnie powyżej 3 tys. m²,
• średnie – powierzchnia od 1 tys. do 3 tys. m²,
• małe – powierzchnia mniejsza niż 1 tys. m².

Poza osuwiskami naturalnymi występują również osuwiska wywołane zmianami lokalnych warunków gruntowo-wodnych, a także błędami technicznymi:

• zbyt stromym pochyleniem skarp,
• zbyt dużym podcięciem zboczy,
• zastosowaniem niewłaściwych gruntów do budowy nasypów,
• niewłaściwym zagęszczeniem nasypów,
• nieodpowiednią technologią wykonywania robót,
• niewłaściwym odwodnieniem.

Do najczęstszych przyczyn osuwiskowych w wykopach można zaliczyć:

• zwiększenie kąta nachylenia skarpy w stosunku do kąta nachylenia zbocza naturalnego i kąta stoku naturalnego, jakim charakteryzuje się dany grunt w podłożu,
• zmniejszenie spójności gruntu na skutek odciążenia, zdjęcia części nadkładu lub dopuszczenia do nadmiernego zawilgocenia,
• zwiększenie erozji gruntów przez ich odsłonięcie i niezabezpieczenie przed spływającą wodą,
• zmianę warunków wodno-gruntowych.

Tendencje osuwiskowe w nasypach występują przede wszystkim na skutek niewłaściwego ich wykonania, tj.:

• minimalizacji robót ziemnych i zajętości terenu – zbyt dużego pochylenia skarp,
• zbyt grubych warstw przeznaczonych do zagęszczania, które uniemożliwiają osiągnięcie właściwego stopnia lub wskaźnika zagęszczenia,
• użycia niewłaściwego gruntu, z którego nasyp jest wykonany (U < 5),
• niezabezpieczenia skarp przed erozją powierzchniową,
• nadmiernego obciążenia naziomu taborem samochodowym lub kolejowym.

W zależności od wartości współczynnika F wystąpienie osuwiska można uznać za:

• bardzo mało prawdopodobne – F > 1,5,
• mało prawdopodobne – 1,3 F ≤ 1,5,
• prawdopodobne – 1,0 F ≤ 1,3,
• bardzo prawdopodobne – F < 1,0.

Należy w tym miejscu zaznaczyć, że obliczenia wartości współczynnika F są obarczone licznymi błędami, począwszy od złego rozpoznania gruntów podłoża, ich właściwości fizykomechanicznych, zastosowanych współczynników redukcyjnych i materiałowych, po przyjętą metodę obliczeń.Wartości współczynników stateczności zboczy i skarp powinny być większe niż 1,5.

Dla takiej wartości F określa się na etapie projektowania zasięg potencjalnej powierzchni poślizgu na koronie drogi. W zależności od posiadanego oprogramowania i od rodzaju uwzględnianych sił oraz sprawdzanych warunków równowagi stosuje się następujące metody:

• Feleniusa – nie uwzględnia sił między paskami; wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów; przyjmuje powierzchnię poślizgu kołowo-cylindryczną;
• Bishopa – uwzględnia pionowe i poziome oddziaływanie sąsiednich pasków; również wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów; powierzchnia poślizgu kołowo-cylindryczna;
• Nonveillera – uwzględnia oddziaływania międzypasmowe; korzysta z warunków równowagi momentów; umożliwia obliczenia przy dowolnej powierzchni poślizgu;
• Janbu – uwzględnia oddziaływania międzypasmowe; warunek równowagi opiera się na sumie rzutów sił na oś poziomą; umożliwia obliczenia dla dowolnego kształtu powierzchni poślizgu;
• Morgensterna-Price’a – w równowadze pojedynczych pasków uwzględnia siły poziome i pionowe; korzysta z warunków na sumę momentów i sił poziomych, umożliwia obliczenie dla dowolnej powierzchni poślizgu;
• Barera-Garbera, Spencera – korzysta z trzech warunków równowagi, dlatego jest pierwszą do końca poprawną pod względem statyki metodą analizy stateczności zboczy; umożliwia obliczenia dowolnej powierzchni poślizgu.

Pomijając metodę Felleniusa, stosowanie pozostałych metod powinno być co najmniej dublowane w celu wyeliminowania nałożenia się różnych błędów i stwierdzenia zbieżności wyników obliczeń.

Zastosowanie zbrojenia w nasypach, skarpach i ścianach oporowych

Istniejący podział konstrukcji z gruntu zbrojonego opiera się na kryterium nachylenia powierzchni całkowitej do poziomu. Jest to podział na:

• zbocza naturalne (strome skarpy nasypów i wykopów) z nachyleniem b ≤ 70°,
• ściany oporowe, przyczółki oraz stożki mostów i wiaduktów z nachyleniem b ≥ 70°.

Na rys. 3–6 przedstawiono typowe schematy zastosowania zbrojenia skarp:

• w nowych konstrukcjach, z możliwością ograniczenia powierzchni potrzebnej do budowy nasypu,
• jako konstrukcje alternatywne dla tradycyjnych żelbetowych ścian pionowych,
• w trakcie poszerzania nasypów, dróg kołowych i kolei,
• przy odtwarzaniu oryginalnego kształtu skarpy uszkodzonej w wyniku zsuwu lub poślizgu.

Zarówno do budowy ścian oporowych, jak i stabilizacji stromych skarp stosuje się geotkaniny i geokraty jedno- i dwukierunkowe.

Każdorazowy wybór materiału geosyntetycznego na etapie projektu powinien być poparty:

• określeniem współczynnika bezpieczeństwa stateczności konstrukcji,
• obliczeniem potrzebnej długości pasm geosyntetyków poza potencjalną powierzchnią poślizgu lub klinami odłamu,
• obliczeniem maksymalnej wytrzymałości pasma ze względu na zerwanie,
• optymalizacją kosztową inwestycji.

Literatura

1. PN-EN 14475:2006, „Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych. Grunt zbrojony”.
2. PN-EN 1997-1:2008, „Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne”.
3. „Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym”, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa 2002.
4. R. Floss, „Geotextiles in soil mechanics and foundation engineering: A report on the first German symposium of geotextiles”, „Geotextiles and Geomembranes”, Vol. 2, Issue 4, 1985, pp. 337–355.
5. PN-EN 13249:2002, „Geotekstylia i wyroby pokrewne. Właściwości wymagane w odniesieniu do wyrobów stosowanych do budowy dróg i innych powierzchni obciążonych ruchem (z wyłączeniem dróg kolejowych i nawierzchni asfaltowych)”.
6. V. Elias [et al.], „Mechanically stabilized earth walls and reinforced soil slopes. Design & construction guidelines”, Report No. FHWA-NHI-00-043, U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, National Highway Institute, Washington 2001.
7. R.M. Koerner, „Designing with geosynthetics”, fifth edition, Pearson Education, Prentice Hall, New Jersey 2005.
8. Podręczniki do projektowania dla programów Sigma W, ReSSa, Plaxis v.7,0, Slope W, MSEW, Slide v.5.0.
9. J. Sobolewski, „Uwagi do zasad projektowania nasypów ze zbrojeniem geosyntetycznym w podstawie, w tym nasypów na terenach szkód górniczych”, „Inżynieria i Budownictwo”, nr 10/2006, s. 548–552.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!