Awarie i uszkodzenia konstrukcji z geosyntetykami - błędy projektowe i wykonawcze

W poprzedniej części artykułu omówiono najczęściej występujące awarie i uszkodzenia nasypów drogowych, skarp i wykopów oraz zboczy naturalnych z wbudowanymi geosyntetykami.

Zwrócono uwagę na najczęstszą przyczynę błędów, jaką jest bezkrytyczne przyjmowanie przez projektanta rozwiązań na podstawie dostępnej literatury, bez wykonywania obliczeń. W tej części artykułu zaprezentowane zostaną przykładowe metody obliczeń.

Mechanizmy zniszczenia konstrukcji z gruntu zbrojonego

Typowe mechanizmy zniszczenia konstrukcji oporowych z gruntu zbrojonego geosyntetykami przedstawiono na rys. 1–4.

Każdorazowe projektowanie tego typu posadowień powinno być poparte rzetelnymi badaniami podłoża.

W każdym przypadku należy zwrócić uwagę na:

• budowę geologiczną i właściwości geotechniczne podłoża, a szczególnie miąższość i rodzaj warstw słabych oraz poziom stropu podłoża nośnego,
• niejednorodności budowy podłoża i występowanie lokalnych gniazd lub soczewek słabych gruntów,
• rodzaj i uziarnienie gruntów, parametry geotechniczne, szczególnie słabych warstw wymagających wzmocnienia lub ulepszenia,
• prognozowane zmiany właściwości gruntów w wyniku ich wzmocnienia,
• warunki hydrologiczne: poziomy wód gruntowych, nawierconych i ustabilizowanych, kierunek ich przepływu, prognoza zmian stanów wód,
• właściwości chemiczne, zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych oraz ich agresywność,
• przeszkody w podłożu mogące utrudnić roboty.

• brak zgodności przemieszczeń materiału geosyntetycznego z gruntem w konstrukcjach zbrojonych,
• przerwanie ciągłości pokrycia przy zbyt cienkiej warstwie nasypowej lub manewrowaniu sprzętu budowlanego,
• zniszczenie warstwy przez dopuszczenie ruchu pojazdów bezpośrednio po niej,
• przerwanie warstwy poprzez niewyrównane podłoże, wystające ostre krawędzie gruzu, korzeni, karpin itp.,
• ułożenie zakładów pasm geosyntetyków niezgodnie z kierunkiem robót ziemnych lub kierunkiem spadku skarpy,
• nieuwzględnienie w opracowaniach projektowych abrazji,
• dobieranie materiałów geotekstylnych na podstawie tylko gramatury,
• projektowanie wzmocnienia nasypów z zastosowaniem geowłóknin,
• nieprzestrzeganie zasad i kryteriów doboru z uwzględnieniem chemizmu ośrodków współdziałających,
• bezkrytyczne przyjmowanie sugestii lub gotowych rozwiązań od dystrybutorów geosyntetyków,
• brak systemowej kontroli jakości geosyntetyków.

Metody obliczeń murów oporowych i skarp

Grunt zbrojony geosyntetykami charakteryzuje się specyficznym układem konstrukcji gruntowej, w której naprężenia rozciągające przejmowane są przez odpowiednio zaprojektowane i rozmieszczone wkładki polimerowe.

Oblicowanie przeważnie pełni funkcję estetyczną.

W związku z brakiem jakichkolwiek polskich wytycznych i norm pozwalających na swobodne i proste projektowanie tego typu konstrukcji przedstawiam parę przykładów obliczeniowych opartych na normie BS8006 [1] i literaturze tematu, szczególnie [2] i [3].

Najbardziej rozpowszechniona norma PN-83/B-03010 "Ściany oporowe..." [4] nie uwzględnia możliwości zastosowań geosyntetyków. Wprowadzone w zał. 5 tej normy pojęcie ściany z gruntu zbrojonego w praktyce odnosi się do zastosowania zbrojenia wkładkami stalowymi.

Podobnie jak w przypadku nośności podłoży wzmocnionych pod nasypami, tak i w tym przypadku projektanci nie znajdują kompletu wartości ani wzorów będących podstawą ich obliczeń.

Taka sytuacja trwa od 25 lat, to jest od pierwszych zastosowań geosyntetyków w Polsce. Cały czas tłumaczona jest gwałtownym rozwojem rynku geosyntetycznego. Brak krajowych wytycznych projektowania lub norm zmusza projektantów do wykorzystywania już istniejących metod:

• brytyjską według BS 8006 [1],
• metodę niemiecką według DIN 1054 i DIN 4017,
• US Forest Service.

Dla ustalenia rozstawu geosyntetyków przyjmuje się, że parcie gruntu rozchodzi się liniowo i mają zastosowanie warunki parcia czynnego według Rankina.

W trakcie wielu konferencji tematycznych wykazano, że tego typu podejście do problemu jest dość zachowawcze. Dlatego też zaproponowano i przyjęto stosować warunki parcia czynnego K_a.

Wiele programów komputerowych opiera się na zastosowaniu analizy Coulomba do wartości parcia czynnego.

W przygotowanym przykładzie obliczeniowym wykorzystana została teoria sprężystości Boussinesqa dla obciążeń ruchomych na naziomie.W przypadku ścian oporowych pionowych lub zbliżonych do pionowych zbrojonych poziomymi warstwami geosyntetyków projekt powinien obejmować następujące etapy:

• obliczenia stateczności wewnętrznej dla ustalenia rozmieszczenia geosyntetyków ich długości i szczelności zakładek,
• obliczenia stateczności zewnętrznej,
• sprawdzenie równowagi klinów odłamu,
• licowanie ściany i drenaż zewnętrzny.

1. przykład obliczeniowy według [2], (rys. 7)

σ_hs = K_a · γ · z
σ_hs = K_a · q
L = LE + LR

F_K = σ_h · S_v · F_S
σ_h = K_a · γ · z + K_a · q

gdzie:
K_a - współczynnik parcia czynnego,
σ_h - całkowite parcie gruntu na ścianę,
c_a - adhezja gruntu (dla gruntu niespoistego = 0).
Współczynniki redukcyjne = 4,0

F_o = F_K · 4

Obliczanie σ_hs i σ_hq jest stosunkowo proste, natomiast σ_hL stwarza problemy, szczególnie w przypadku wielokołowych pojazdów mechanicznych, dla których należy zastosować metodę superpozycji każdego koła. Dla ułatwienia obliczeń wiele publikacji przedstawia nomogramy dla doboru odpowiedniej wartości.

W trakcie określania stateczności konstrukcji pionowych zbrojonych geosyntetykami zaleca się, aby dla wywrócenia i utraty nośności podłoża przyjmować współczynnik bezpieczeństwa f_s ≥ 2,0, a dla warunku poślizgu f_s ≥ 1,5.

2. przykład obliczeniowy według [1], [2]

Przykład obejmuje zaprojektowanie pionowej ściany muru oporowego o H = 6 m zbrojonej geosyntetykami, która podtrzymuje plac składowy o obciążeniu równomiernie rozłożonym q = 10 kPa.

Zasypkę ściany należy zrealizować z gruntów gruboziarnistych (Ż/Po) o parametrach: γ = 18 kN/m³, Ø = 36° i c = 0.

W konstrukcji powinna być zastosowana geotkanina z włókien taśmowych o wytrzymałości F = 50 kN/m.

Kąt tarcia pomiędzy geotkaniną i gruntem wynosi δ = 24°.

Układ pasm geotkaniny jest prostopadły do lica. Dopuszcza się luźne zakłady lub zszycie.

Współczynnik bezpieczeństwa f_s = 1,4 oraz odpowiednie do warunków współczynniki redukcyjne.

Rozwiązanie:
1. Ustalenie wartości składowej poziomej parcia w funkcji zagłębienia z dla obliczenia odstępów Sv pomiędzy poszczególnymi warstwami zbrojenia geosyntetycznego:

σ_h = σ_hs + σ_hq = K_a · γ · z + K_a · q = 0,26 · 18 · z + 0,26 · 10 = 4,68 · z + 2,60

2. Określenie dopuszczalnej wytrzymałości geosyntetyku:

3. Obliczanie rozstawu pionowego warstw geosyntetyków na głębokości z = 6 m:

4. Metodą prób i błędów zwiększamy rozstaw do 0,5 m i sprawdzamy, np. z = 3,3 m:

5. Metodą prób i błędów zwiększamy rozstaw do 0,65 m i sprawdzamy, np. z = 1,3 m:

Warstwy i ich rozstaw przedstawiono na rys. 8.

6. Obliczenie długości pasm geosyntetyków w zależności od głębokości z:

W praktyce L_e jest wartością małą i zaokrągla się ją do 1 m.

Po zsumowaniu L_e + L_R wynik również zaokrąglamy do pełnych metrów.

Warstwy i ich długości przedstawiono na rys. 9.

7. Poprzez wykonanie powyższych obliczeń otrzymujemy potwierdzenie zapewnienia stateczności wewnętrznej.

8. Wykorzystując standardowe procedury obliczeniowe, określamy stateczność zewnętrzną ze względu na:

• wywrócenie
• poślizg
• nośność.

8.1. Sprawdzenie warunku na wywrócenie:

P_a = 0,5 · γ · H2 · Ka = 90,7 kN/m
P_a · cos34 = 75,2 kN/m
P_a · sin34 = 50,7 kN/m

Warunek spełniony.

Wysoka wartość obliczonego współczynnika bezpieczeństwa wynika z faktu, że w rzeczywistości jest to bardzo elastyczna konstrukcja ustabilizowana mechanicznie. Trudno tu o naprężenia zginające.

8.2. Sprawdzenie warunku na poślizg:

Warunek spełniony.

8.3. Sprawdzenie warunku nośności podłoża:

Warunek spełniony.

W przypadku oblicowania ściany czołowej bloczkami betonowymi obliczeniu podlegają wkładki geosyntetyczne jako cięgna utrzymujące pionową konstrukcję ściany.

Rozmieszczenie pionowe wkładek zbrojących powinno uwzględnić moduł wysokości bloczka oraz możliwości zagęszczenia grubości warstw gruntu. Ilość wkładek w przekroju poprzecznym wynika z przyjętej wytrzymałości na zerwanie poszczególnych geosyntetyków.

W ramach I stanu granicznego należy sprawdzić stateczność dla wielu potencjalnych mechanizmów zniszczenia:

• stateczność zewnętrzną,
• stateczność wewnętrzną,
• oraz utratę stateczności.

W ramach II stanu granicznego obliczeniu powinny podlegać następujące przypadki:

• osiadanie podstawy,
• przemieszczenia z tytułu pełzania zbrojenia,
• przemieszczenia z tytułu nawodnionych drobnoziarnistych zasypek.

Konstruowanie stromych skarp - przykłady obliczeń

Stabilizacja stromych skarp (β ≤ 70°) odbywa się bardzo często z udziałem geotkanin i geokrat dwukierunkowych lub jednokierunkowych. Wybór materiału geosyntetycznego na etapie projektu powinien uwzględniać optymalizację kosztową inwestycji.

Zadaniem projektanta powinno być określenie:

• współczynnika bezpieczeństwa stateczności,
• określenie potrzebnej długości pasma geosyntetyku poza potencjalną powierzchnią poślizgu,
• maksymalnej wytrzymałości pasma ze względu na zerwanie.

Przykład liczbowy (rys. 11):
c = 0 - grunt niespoisty
u = 0 - ciśnienie wody porowej

Współczynnik oporu gruntu (rys. 12):
K → f(Ø = 23° i β = 45°)
K = 0,17

Całkowita siła reakcji T0 w geosyntetyku:
T₀ = 0,5 · γ · (H')² = 208 kN/m

Rozstaw zbrojenia w pionie można przyjmować min. 0,5÷1,0 m.

Długość pasm geosyntetyków można obliczyć lub określić, korzystając z nomogramów (rys. 13–14).

Podsumowanie

Przedstawione opisy awarii i uszkodzeń konstrukcji z oczywistych względów nie wyczerpują tematu. Wprowadzone normy oraz opracowywane i aktualizowane szczegółowe specyfikacje techniczne dotyczące geosyntetyków pozwolą na kolejne eliminowanie błędów projektowych i wykonawczych, w tym najpopularniejszą metodę projektową: "uda się lub się nie uda".

Cieszy fakt, że zapotrzebowanie na specjalistyczne programy komputerowe, normy oraz wszelkiego rodzaju instrukcje i poradniki stale rośnie. Stosowanie materiałów geosyntetycznych wymaga przecież bardzo dobrego przygotowania merytorycznego projektantów i wykonawców robót.

Literatura

1. BS 8006:1995, „Code of practise for strengthned/reinforced soil and other fills”.
2. R.M. Koerner, „Designing with geosynthetics”, (Fifth edition) Prentice Hall 2005.
3. Podręczniki do projektowania dla programów Sigma W, ReSSa, Plaxis v. 7,0, Slope W, MSEW, Slide v. 5.0.
4. PN-83/B-03010, „Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie”.
5. S. Pisarczyk, „Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża gruntowego”, P.W. 2005.
6. ITB. Instrukcje, wytyczne, poradniki Nr 429/2007.
7. Wesolowski A. [i in.]: „Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich”, Wyd. SGGW, Warszawa 2000.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!