Awarie i uszkodzenia konstrukcji z wbudowanymi geosyntetykami - błędy projektowe i wykonawcze

W artykule zostaną opisane najczęstsze awarie i uszkodzenia konstrukcji z zastosowanymi geosyntetykami oraz skuteczność poprawnie zastosowanych tego typu materiałów.

Składowiska odpadów

Jest to szczególna grupa obiektów, w których zastosowane geosyntetyki powinny podlegać szczególnemu reżimowi technologicznemu. W każdym składowisku tworzona jest szczelna kapsuła z kilku warstw geosyntetycznych pełniących różne funkcje.

Rozmieszczenie poszczególnych warstw uszczelniająco-separacyjnych, szczególnie na skarpach składowiska, powinno być poparte odpowiednimi obliczeniami w fazie projektowej. Obliczeniom powinny być poddane:

• grubość geomembrany ze względu na warunki geometryczne składowiska oraz wysokość składowania odpadów wraz z możliwością osiadania podłoża (dopuszczalne odkształcenie geomembrany powinno być ok. 50 razy mniejsze niż mierzone podczas rozciągania jednoosiowego w laboratorium),
• sposób zakotwienia na koronie skarpy,
• stateczność warstw geosyntetycznych na skarpach,
• stateczność obsypki filtracyjnej.

Należy podkreślić, że dotychczasowa praktyka projektowa opiera się na quasi-metodzie obserwacyjnej - projektant przyjmuje rozwiązanie na podstawie dostępnej literatury lub własnych doświadczeń, bez jakichkolwiek obliczeń. Jest to przyczyna największej liczby awarii różnego rodzaju przesłon izolacyjnych związanych z geomembranami.

Od ponad 8 lat w obiektach objętych szczególnym dozorem i monitoringiem montowane są systemy do wykrywania nieszczelności w geomembranach. Dzięki tym urządzeniom stwierdzono, że praktycznie na każdym składowisku występują nieszczelności i uszkodzenia, przez które może przechodzić do 100% odcieku.

W takich przypadkach należy mówić o katastrofie, a nie o awarii, tym bardziej, że nie ma możliwości zatrzymania tego procesu. Odpowiedzialność za taki stan rzeczy spoczywa na wszystkich uczestnikach procesu inwestycyjnego.

Przyczyną uszkodzenia geomembran mogą być:

• koncentracja naprężeń (geomembrana napięta),
• nadmierne lub nierównomierne osiadanie gruntu,
• miejscowy brak kontaktu między płaszczyzną geomembrany a podłożem (kawerny),
• składowanie odpadów bezpośrednio na geomembranie,
• najechanie lub wbicie lemiesza spycharki lub kompaktora w skarpę,
• samozapłony odpadów lub nieświadome skutków podpalanie, szczególnie przy skarpach składowiska,
• dewastacja uszczelnienia przez wycięcie określonej płaszczyzny do dalszego wykorzystania gospodarczego przez osoby trzecie,
• nadmierne ilościowo rozwijanie i układanie pasm geomembrany na zakład przy wysokich temperaturach powietrza, pełnym nasłonecznieniu i bez sukcesywnego zgrzewania,
• zgrzewanie geomembran w niskich temperaturach otoczenia (poniżej 5°C), bez utrzymywania temperatury zgrzewania na stałym poziomie w maszynach samojezdnych,
• dopuszczanie do okresowych schłodzeń elementów grzewczych przez np. gwałtowne podmuchy zimnego wiatru,
• zgrzewanie pasm geomembrany nieoczyszczonych z błota, piasku oraz podczas deszczu lub mżawki.

Pomimo przedstawionych mankamentów uszczelnień geomembranowych trudno nie docenić ich zalet. Dlatego by uzyskać zamierzony efekt, jakim jest ochrona gruntów i wód gruntowych przed przedostaniem się substancji toksycznych, należy zapewnić właściwy system projektowania oraz kontrolę wykonawstwa z utrzymaniem pełnego reżimu technologicznego.

Odrębną sprawą jest stosowanie geomembran jako uszczelnienie wałów przeciwpowodziowych. Obecnie obowiązujące przepisy pozwalają na wbudowanie różnych systemów, od pionowych przesłon po płaszczyznowe ułożenie na skarpach odwodnych. Mniejszym niebezpieczeństwem jest zastosowanie geomembran teksturowanych obustronnie z grubszymi warstwami obsypki.

Z doświadczeń wynika, że przy warstwach okrywowych mniejszych niż 0,80 m, szczególnie przy dłuższych okresach suchych, obumiera cała szata roślinna porastająca skarpy, co przy dużej powodzi może doprowadzić do kilku różnych mechanizmów zniszczenia.

Jednocześnie okazuje się, że geomembrany przeciwdziałają tworzeniu korytarzy i nor przez piżmaki i inne gryzonie. Można sądzić, że materiał, jego zapach lub właściwości wiskoleptyczne nie odpowiadają gryzoniom.

Nasypy i obwałowania

Geowłókniny, geotkaniny i geosiatki są materiałami o dużej funkcjonalności. Geowłókniny o różnej grubości i otwartości charakteryzują się stosunkowo niską wytrzymałością na rozciąganie i dużą wydłużalnością. Ich zakres zastosowań powinien obejmować separację, filtrację i drenaż.Szczególnego znaczenia nabierają w tych przypadkach kryteria retencyjności, filtracji i zakolmatowania.

Zalecane są następujące wartości kryteriów [2]:

• zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu:
  – grunty drobnoziarniste - O₉₀ ≤ 10 d₅₀,
  – grunty trudne - O₉₀ ≤ d₉₀,
  – grunty grubo- i różnoziarniste - O90 ≤ 5 d₁₀√U oraz O₉₀ ≤ d₉₀,
  – kolmatacji - dla wybranego wyrobu - O₉₀ = (0,2–1) O₉₀;
• działania hydraulicznego - materiał geotekstylny drenu powinien zapewnić wystarczający przepływ wody w danym podłożu.

W zależnościach tych oznaczono:

• O₉₀ - charakterystyczna wielkość porów geowłóknin,
• d₁₀, d₅₀, d₉₀ - wielkości ziaren gruntu, które wraz z mniejszymi stanowią odpowiednio 10, 50, 90% masy gruntu.
  Kryteria dotyczące filtrowania gruntów niespoistych i mało spoistych:
• w odniesieniu do geotkanin tasiemkowych (o równomiernym wymiarze otworów): O₉₀/d₉₀ ≤ 2,5,
• w odniesieniu do geowłóknin igłowanych i przeszywanych (o zróżnicowanych wymiarach porów, zamykających się pod obciążeniem): O90/d90 ≤ 5.

Istotne jest, by stosunek wymiarów porów był jak najbliższy podanym wartościom granicznym 2,5 i 5, aby zapewnić jak najwyższą przepuszczalność geosyntetyków, a zarazem zachować ich zdolność do zatrzymywania cząstek gruntu.

Zjawiska, które mogą wpływać ujemnie na długotrwałą pracę geowłóknin, powinny być wykazywane w trakcie projektowania na podstawie rzetelnie wykonanych badań gruntów podłoża i nasypów z krzywymi z analiz granulometrycznych (sitowych i areometrycznych).

Nie można zapominać, że oprócz kolmatacji mechanicznej istnieje również niebezpieczeństwo kolmatacji biologicznej i chemicznej. Rozmnażające się bakterie, glony i grzyby zatykają pory w równym stopniu, co krystalizacja związków i substancji chemicznych zawartych w odciekach i wodach gruntowych.

Posadawianie nasypów drogowych, kolejowych i wszelkiego rodzaju obwałowań na gruntach ściśliwych lub terenach objętych szkodami górniczymi wiąże się z długotrwałym osiadaniem lub gwałtownymi tąpnięciami terenu.

Dlatego projektowanie tego typu posadowień zawsze powinno być poparte rzetelnymi badaniami podłoża, obliczeniem I i II stanu granicznego, obliczeniem wytrzymałości długotrwałej geosyntetyków oraz odpowiednim ich rozmieszczeniem w przekroju poprzecznym.

Brak takiego podejścia do tematu był przyczyną awarii i uszkodzenia nasypów na drodze nr 6 w rejonie Lęborka, wysokiego nasypu autostrady A-4 pomiędzy węzłami Wirek i Batorego, wypłukania 100‑metrowego odcinka nasypu kolejowego na trasie Krzyż–Poznań.Konstrukcje z zastosowaniem geotkanin i geosiatek nie były zaprojektowane na podstawie obliczeń.

Mury oporowe i strome skarpy

Są to konstrukcje szczególnie wrażliwe na błędy popełnione na etapie projektu czy wykonawstwa. Konstruowanie wzmocnienia tego typu obiektów powinno się odbywać etapami, zgodnie z zasadami sztuki inżynierskiej. Jak łatwo o pomyłkę na etapie projektu, można się przekonać w trakcie lektury kilku pozycji książkowych.

W publikacji „Geotekstylia. Poradnik projektanta” firmy Lotrak z 1996 r. [5] zamieszczono wiele przykładów obliczeniowych, które w tej formie nie powinny się znaleźć w tego typu opracowaniach. Pierwszy przykład obliczeniowy dotyczy nasypu na ile.

Z obliczeń autorów poradnika [5] wynika, że potrzebna wytrzymałość zbrojenia to 43 kN/m (sic!). Drugi przykład odnosi się ściany pionowej o wysokości 5,0 m ze zbrojeniem pasmami geotkaniny o wytrzymałości 20,5 kN/m (sic!). Trzeci natomiast dotyczy stromej skarpy, gdzie podaje się wytrzymałość pasm geosyntetyków na poziomie 9 kN/m (sic!).

Relacje wynikowe otrzymane w tych trzech przypadkach po analizie z zastosowaniem odpowiednich programów komputerowych i z wykorzystaniem danych wyjściowych są odwrotnie proporcjonalne. I tak dla nasypu na ile potrzebnym zbrojeniem jest geosyntetyk o wytrzymałości 120 kN/m, dla ściany pionowej wytrzymałość pasma zbrojonego wynosi 120 kN/m, a dla stromej skarpy - 80 kN/m. Łatwo wyobrazić sobie skutki bezkrytycznego przyjęcia przez projektanta takiego zbrojenia według „Poradnika...” [5], szczególnie w przypadku ściany pionowej o wysokości 5,0 m.

W książce „Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich” [6] autorzy również dopuścili się błędu. W odniesieniu do stromej skarpy (b = 45°, H = 12 m, q = 12 kPa) obliczono całkowitą reakcję georusztu T = 165,9 kN/m, a następnie podzielono ją przez liczbę założonych pasm w przekroju poprzecznym (co 0,60 m - 21 warstw).

Otrzymano wymaganą projektowaną wytrzymałość georusztu na rozciąganie dla pojedynczej warstwy Tr = 7,90 kN/m (sic!). Z kolei z obliczeń porównawczych według BS 8006:1995 [7] wynika, że wymagana wytrzymałość pasma pojedynczego Tr to 80 kN/m.

Nie są to odosobnione przykłady. Posługiwanie się przez projektantów tego typu opracowaniami jest niebezpieczne, jednak zrozumiałe z uwagi na niewielką liczbę powstających w Polsce tego typu obiektów oraz znikomą bibliografię tematu. Korzystanie z tego typu poradników powinno być poparte głębszą analizą.

Podobnie jest z programami komputerowymi powstałymi z inicjatywy producentów i dystrybutorów geosyntetyków. Są one często opracowywane przez osoby niemające na ten temat odpowiedniej wiedzy i doświadczenia. Dlatego przy posługiwaniu się nimi należy przeanalizować założenia i metodę, którą przyjęto do ich opracowania.

Drenaże i filtracja

Błędnie zaprojektowana geowłóknina mająca pełnić funkcję drenażu opaskowego u podstawy skarpy była przyczyną awarii i uszkodzenia skarp obwałowania wylewiska popiołów przy elektrowni Połaniec. Rodzaj geowłókniny służącej do owinięcia drenaży objętościowych i rur perforowanych został przyjęty jedynie na podstawie gramatury i nie spełniał żadnego kryterium filtracji i kolmatacji. Geowłóknina po ponadjednorocznej eksploatacji wykazywała szczątkową filtrację na poziomie 15% wartości deklarowanej przez producenta. Oprócz kolmatacji mechanicznej nastąpiła również krystalizacja siarczanów wypłukiwanych z popiołów.

Geotkaniny czy geosiatki

Wśród projektantów zdania są podzielone na temat tego, czy stosować geotkaniny, czy raczej geosiatki. Zasadniczy wpływ na to ma pierwszy kontakt z dystrybutorem, odpowiednio sporządzony prospekt pokazujący w sposób czytelny rozwiązanie techniczne problemu, uczestnictwo w sympozjach lub seminariach organizowanych przez producentów lub dystrybutorów oraz dostępność materiału i bogaty asortyment producenta.

Zalet geosiatek nie sposób przecenić w zastosowaniach przy wzmacnianiu podtorzy tramwajowych i kolejowych, gdy kolejną warstwą gruntu jest kruszywo grube (tłuczeń, kliniec). Natomiast we wszystkich innych zastosowaniach przewagę mają geotkaniny. W odróżnieniu od siatek, które samodzielnie nie odgrywają roli separacyjno-filtracyjnej, geotkaniny pełnią wszystkie funkcje. Poza tym geotkaniny charakteryzują się znacznie wyższymi parametrami wytrzymałościowymi i niższą ceną.

Budowle hydrotechniczne

Zastosowania geosyntetyków w budownictwie hydrotechnicznym, m.in. przy budowie i zabezpieczaniu wałów przeciwpowodziowych, grobli zapór, tam, nabrzeży, brzegów rzek, wybrzeży morskich, wysokich skarp, nasypów, przy umacnianiu koryt rzecznych i skarp budowli hydrotechnicznych, przy budowie dróg dojazdowych i tymczasowych biegnących po koronie wału lub posadawianych na gruntach organicznych, musi być poparte rzetelną analizą.

Przy wyborze odpowiednich materiałów i technologii w fazie projektowania obiektów hydrotechnicznych należy obliczyć i zapewnić:

• stateczność ogólną i lokalną korpusu wału,
• stabilność niwelety ze względu na osiadanie,
• bezpieczeństwo ze względu na przebicie hydrauliczne przez ustalenie krzywej filtracji odnośnie warunków przepływu w czasie wezbrania (filtrację odwrotną),
• separację podłoża od warstwy nasypowej,
• minimalne dopuszczalne wymiary korpusu dla wody obliczeniowej (miarodajnej i kontrolnej),
• przejazdy pojazdów i przejścia ludzi i zwierząt,
• spełnienie wymagań ochrony środowiska.

Niespełnienie któregokolwiek warunku skutkuje niepowetowanymi stratami, nie tylko materialnymi.

Literatura

1. J.P. Martin, R.M. Koerner, „Geotechnical design Considerations for geomembrane lined slopes: slope stability”, „Geotextiles and Geomembranes”, vol. 2/1985, pp. 299–321.
2. „Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym”, IBDiM, Warszawa 2002.
3. Materiały z XXII Konferencji Naukowo-Technicznej „Awarie budowlane”, Szczecin 2005.
4. J. Sobolewski, „Uwagi do zasad projektowania nasypów ze zbrojeniem geosyntetycznym w podstawie, w tym nasypów na terenach szkód górniczych”, „Inżynieria i Budownictwo”, nr 10/06, s. 548–552.
5. „Geotekstylia. Poradnik projektanta”, Lotrak 1996.
6. A. Wesolowski [i in.], „Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich”, Wyd. SGGW, Warszawa 2000.
7. BS 8006:1995, „Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!