Geomembrany HDPE i geosyntetyki towarzyszące - prawidłowe projektowanie

Materiały geosyntetyczne stały się jednymi z ważniejszych materiałów w branży budowlanej. Obecnie trudno sobie wyobrazić wiele inwestycji bez ich udziału. Geosyntetyki stały się doskonałym materiałem inżynierskim w wielu zastosowaniach - w transporcie, geotechnice, inżynierii środowiska, hydrotechnice oraz budownictwie kubaturowym.

Tempo, w jakim rozwija się ten sektor, jest co najmniej zadziwiające. Stale rozwija się również większość technologii z zastosowaniem tych materiałów.

Co roku pojawia się kilka nowych wyrobów, niejednokrotnie o bardzo specyficznych zastosowaniach i właściwościach. Wymaga to opracowywania niekonwencjonalnych metod badań, projektowania i wykonawstwa robót.

Ryzyko błędów projektowych

Pomimo upływu ponad 25 lat od pierwszych zastosowań geosyntetyków w Polsce, narzędzia używane do projektowania nie zostały jeszcze dobrze skodyfikowane.

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, kryteriów zastosowań i obliczeń statycznych.

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

Stan techniczny i trwałość konstrukcji budowlanej z wbudowaną geomembraną odnoszą się zawsze do niezawodności obiektu w czasie jego realizacji i użytkowania. Składowiska, wylewiska i różnego rodzaju zbiorniki są budowlami inżynierskimi szczególnego znaczenia ze względu na koncentrację szkodliwych substancji i odpadów na stosunkowo niewielkiej powierzchni. W związku z tym muszą być projektowane, wykonywane i odbierane według najnowszych zasad sztuki inżynierskiej i zgodnie z obowiązującymi przepisami.

Szczególnie istotna jest ochrona gruntów i wód gruntowych pod składowiskami, wylewiskami i zbiornikami oraz w rejonie ich lokalizacji przed migracją szkodliwych zanieczyszczeń i odcieków. Należy pamiętać, że zawsze należy zapobiegać migracji odcieków do gruntów i wód gruntowych, a nie tylko ją ograniczać.

Wiele awarii i błędnych rozwiązań nastąpiło wskutek nieprzestrzegania podstawowej zasady, że materiały geosyntetyczne nigdy nie są samodzielną konstrukcją, a dobrze pracują tylko wówczas, gdy są prawidłowo zaprojektowane i wbudowane w gruncie.

Na podstawie Rejestru Katastrof Budowlanych (GUNB) można dokonać podziału awarii i katastrof w następujący sposób:

• przyczyny złego projektowania wywołujące awarie i katastrofy w ostatnich 50 latach (RYS. 1),
• awarie i katastrofy w ostatnich 50 latach, powstałe z powodu złego wykonawstwa (RYS. 2).

Obliczenia i analizy w fazie projektowej

W trakcie budowy składowisk, wylewisk i różnego rodzaju zbiorników oprócz geomembran stosowane są różnego rodzaju geosyntetyki towarzyszące.

Są to przeważnie geowłókniny, geotkaniny, geosiatki i georuszty drenażowe pełniące funkcje ochronne lub odwadniające.

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

• grubość geomembrany ze względu na warunki geometryczne,
• dopuszczalne odkształcenie geomembrany - powinno być około 50 razy mniejsze niż mierzone podczas rozciągania jednoosiowego w laboratorium (~14%),
• sposób zakotwienia na koronie skarpy,
• stateczność warstw geosyntetycznych na skarpach i stateczność obsypki filtracyjnej.

Na RYS. 3, RYS. 4, RYS. 5, RYS. 6, RYS. 7, RYS. 8, RYS. 9 i RYS. 10 przedstawiono typowe przekroje poprzeczne poszczególnych rodzajów izolacji.

Składowiska odpadów są szczególną grupą obiektów, w których zastosowane geosyntetyki powinny podlegać szczególnemu reżimowi technologicznemu. W każdym składowisku tworzona jest szczelna kapsuła z kilku warstw geosyntetycznych pełniących różne funkcje (RYS. 11).

Grubość materiału

Istnieje wiele związków doświadczalnych między grubością geomembrany a głębokością izolowanego zbiornika. Chociaż grubość geomembrany jest faktycznie związana z działającymi na nią ciśnieniami, to takie wytyczne doświadczalne są zupełnie bezzasadne i zupełnie niezgodne z zasadami projektowania w oparciu o dane techniczne.

Projekt powinien uwzględniać odkształcenie podpowierzchniowe pod uszczelnieniem, które może nastąpić podczas eksploatacji. Takie odkształcenia mogą powstać wskutek działania wielu czynników, np.:

• nierównomiernego osiadania podłoża,
• osiadania zasypki pod geomembraną (np. w przypadku wykopów pod rury),
• miejscowego osiadania wokół podatnych obszarów znajdujących się pod geomembraną (grunty organiczne), które mogą doprowadzić do zmiany warunków podłoża oraz wszelkich innych anomalii powodujących odkształcenie i naprężenie geomembrany.

Sposób zakotwienia na koronie skarpy

Na RYS. 12, RYS. 13, RYS. 14, RYS. 15 i RYS. 16 przedstawiono główne problemy stateczności systemów uszczelnień geosyntetycznych na skarpach składowisk odpadów.

Zachowanie geosyntetyków zakotwionych u naziomie skarpy jest decydującym czynnikiem przy ustalaniu wymiarów systemów uszczelnień geosyntetycznych na skarpach.

Aby zoptymalizować kształt budowli (ograniczyć obszar zajmowany przez zakotwienie w naziomie skarpy), czasem korzysta się z rozwiązań w postaci różnych form rowów kotwiących. Problemem pozostaje obliczenie wymaganych wymiarów takiego elementu.

Rolą zakotwienia jest przeciwstawianie się sile rozciągającej wywoływanej przez tarcie wzdłuż skarpy. Do tego może służyć zwykły (prosty) odcinek kotwiący.

Geosyntetyki często są jednak instalowane w rowach kotwiących z odcinkiem kotwiącym ułożonym w kształt litery "L" i, "V", co umożliwia optymalizację wymiarów strefy zakotwienia (zajęcie jak najmniej miejsca w poziomie) oraz zapewnienia skuteczne zakotwienie.

Aby ustalić wymiary układu, konieczne jest oszacowanie rozciągania, jakie może zostać wzbudzone w elemencie kotwiącym w zależności od jego kształtu.

Na RYS. 17-18 przedstawiono typowe rodzaje zniszczenia zakotwienia geomembrany.

Stateczność warstw geosyntetyków na skarpach

Niezbędnym elementem obliczeń jest sprawdzenie stateczności obsypki na geomembranie przykrywającej skarpę.

Zaprojektowanie obsypki na skarpie jest podyktowane wieloma względami, jak:

• ochrona przed utlenianiem,
• ochrona przed degradacją promieniami UV,
• ochrona przed przebiciem lub rozdarciem,
• zabezpieczenie przed podnoszeniem geomembrany przez wiatr (strona nawietrzna i zawietrzna),
• ochrona przed wandalizmem.

Obsypkę stanowi zazwyczaj cienka warstwa gruntu (0,3-0,5 m), która ma tendencję do grawitacyjnego obsuwania się w dół po geomembranie. Metoda projektowania w tym zakresie jest prosta i opiera się na warunkach równowagi granicznej:

gdzie:

β = kąt nachylenia skarpy,

δ = kąt tarcia między geomembraną a obsypką.

Skarpy obiektów inżynierskich wyłożonych geomembraną projektuje się na długości do 30 m.

Przy dłuższych skarpach powinny być przewidziane ławy poziome.

Na RYS. 19 i RYS. 20 przedstawiono schemat sił działających na różnej grubości obsypki na skarpach uszczelnionych geomembraną.

Stateczność skarpy

Podczas rozpatrywania ogólnej stateczności masywu skarpy pod geomembraną zakłada się zniszczenie po kołowo-walcowych płaszczyznach poślizgu. W analizach powinny być sprawdzone następujące schematy zniszczenia (RYS. 21):

• podłoża,
• podnóżna,
• podpróża,
• skarpy.

Dla linii poślizgu oznaczonych na RYS. 21 literami c i d należy wprowadzić zmianę. W tym przypadku znaczenia nabiera istnienie uszczelnienia, które dodatkowo jest pokryte warstwą obsypki i tworzy napiętą membranę wzdłuż skarpy aż do rowu kotwiącego znajdującego się w koronie masywu.

W podobny sposób powinny być uwzględnione inne warstwy geosyntetyczne współpracujące z geomembraną, o ile zostaną zaprojektowane. Pominięcie tych warstw w obliczeniach spowoduje, że wynik będzie miał charakter zachowawczy.

Do sprawdzania tego typu schematów służą liczne programy inżynierskie oparte na metodzie np. Bishopa, Spencera, Janbu lub Price’a.

Na przestrzeni ostatnich lat i na podstawie licznych doświadczeń wykonawczych opracowano wiele wykresów projektowych, z których można także uzyskać przybliżone rozwiązania.

Wnioski z obliczeń

Dopiero po tak przeprowadzonych obliczeniach i analizach statycznych projektowanych układów powinny być dobierane parametry potrzebne z tabel lub zestawień producenta.

Niestety, w dużej ilości projektów można zauważyć, że projektant przyjmuje rozwiązania i parametry geomembrany bez wcześniejszych obliczeń i analiz. Poza tym w każdym projekcie powinny być rozrysowane wszystkie szczegóły konstrukcyjne, które projektant zakłada w swoim opracowaniu, a mianowicie:

• uszczelnienie wszelkich przejść rurowych (RYS. 22),
• łączenie z elementami stalowymi, żelbetowymi i betonowymi (RYS. 23),
• sposoby układania na załamaniach (RYS. 24),
• przechodzenie płaszczyzną geomembrany po systemach rowów w dnie (RYS. 25 i RYS. 26) - szczególnie gdy kierunki nie są prostopadłe.

Podsumowanie

Zarówno projektanci, jak i wykonawcy robót w obiektach z udziałem geosyntetyków muszą mieć doświadczenie, znać parametry wybranego typu geosyntetyku w konstrukcji, zakres jego przydatności w określonych specyficznych warunkach wbudowania, a także zachowywać ostrożność.

Jeżeli dodać do tego problem właściwego rozpoznania i interpretacji wyników badań podłoża, odwodnienia wykopów, zabezpieczenia wznoszonych elementów konstrukcji i rusztowań, przestrzegania procedur i receptur, wpływu czynników atmosferycznych, rozpoznania uzbrojenia podziemnego oraz właściwych warunków eksploatacji, otrzymuje się układ, w którym wszystkie strony procesu inwestycyjnego powinny być świadome potencjalnych zagrożeń.

Zwłaszcza że 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.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!