Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
1
KRYTERIA DOBORU GEOSYNTETYKÓW
JAKO WARSTW SEPARACYJNYCH I FILTRACYJNYCH
Dr inż. Adam F. Bolt , Mgr inż. Angelika Duszyńska
- Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Środowiska, Katedra Geotechniki
W ostatnich latach obserwuje się coraz większe zainteresowanie materiałami syntetycznymi
wykorzystywanymi w różnych gałęziach budownictwa. Stosowanie geosyntetyków obniża koszty
inwestycji (w stosunku do tradycyjnych materiałów) poprzez niższe koszty transportu, mniejsze
zużycie materiałów, łatwiejszy montaż, a także wydłuża okres użytkowania obiektów.
W
związku ze wzrostem popytu, na rynku pojawia się dużo nowych materiałów. Istnieje więc
konieczność opracowania jednolitych metod klasyfikacji parametrów geosyntetyków oraz norm
pozwalających na bezpieczne projektowanie konstrukcji wykorzystujących geosyntetyki.
PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA GEOSYNTETYKÓW JAKO WARSTW
SEPARACYJNYCH I FILTRACYJNYCH
Separatory z geotekstyliów stosuje się jako warstwy rozgraniczające między różnymi warstwami
gruntu.
Oprócz ochrony przed wymieszaniem się dwóch różnych warstw gruntu separator musi
umożliwiać przepływ wody. Jeżeli separujemy materiał ziarnisty od gruntu spoistego w stanie
plastycznym to woda uwalniana z porów gruntu spoistego musi mieć możliwość odpływu poprzez
geotekstylia.
Warstwy separacyjne z geotekstyliów stosowane są szeroko w budownictwie ogólnym.
Najpowszechniejsze z nich to drogi dojazdowe (tymczasowe), nawierzchnie trwałe i nasypy ziemne.
Zasady stosowania separatorów z geotekstyliów są jednakowe dla trwałych nawierzchni podatnych,
nawierzchni sztywnych, i nawierzchni brukowych.
W nasypach separatory z geotekstyliów są stosowane jako:
• pojedyncza warstwa geotekstyliów na podłożu w stanie plastycznym,
• podwójna warstwa otaczająca warstwę ziarnistą w podstawie nasypu.
Filtry z geotekstyliów stosowane są w celu ochrony przed przedostawaniem się cząstek gruntu
do drenażu kamiennego. Zapobiega to erozji gruntu w sąsiedztwie drenażu oraz pozwala na sprawne i
długotrwałe działanie drenażu. Filtr geotekstylny zabezpiecza kruszywo drenażowe lub inne elementy
porowate przed ingresją cząstek gruntu.
Schemat filtra geotekstylnego przedstawiono na rysunku 1.
Rys.1 Rola filtra geotekstylnego. [13]
grunt
kruszywo
drenażowe
filtr geotekstylny
Kierunek przepływu wody gruntowej
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
2
Geotekstylia, stosowane jako warstwy filtracyjne, muszą spełniać następujące warunki:
• odprowadzać ilość wody odpowiednią do przepływu przez filtr i zapewnić odwodnienie przez cały
okres funkcjonowania budowli,
• utrzymywać większość cząstek gruntu na miejscu i zapobiegać ich migracji przez filtr,
• łatwość i pewność instalacji oraz odporność na mechaniczne i chemiczne oddziaływania, którym
poddawane są geotekstylia w całym okresie eksploatacji filtrów.
Najczęstsze przykłady zastosowania geosyntetyków jako filtrów drenażowych przedstawione na
rysunku 2 to:
• drenaż korytkowy, stosowany do kontroli poziomu wody gruntowej oraz do jej transportowania na
znaczne odległości,
• warstwowy drenaż poziomy, stosowany do usuwania wody gruntowej z obszarów robót ziemnych,
spod nasypów, nawierzchni i boisk sportowych,
• warstwowy drenaż nachylony, stosowany do usuwania wody gruntowej z istniejących lub
wykonywanych zboczy,
• drenaż pionowy, stosowany do usuwania wody gruntowej w sąsiedztwie konstrukcji betonowych
typu: ściany oporowe, przyczółki, ściany budynków.
Rys.2 Przykłady zastosowań filtrów geotekstylnych jako drenaży
podpowierzchniowych. [13]
Zalety wynikające ze stosowania geotekstyliów jako filtrów drenażowych, to przede wszystkim
wysoka jakość oraz zmniejszenie kosztów, w stosunku do tradycyjnych drenaży:
• użycie do drenów mniejszej ilości lub gorszej jakości kruszywa,
• możliwość użycia mniejszych drenów,
• zmniejszenie ryzyka zanieczyszczenia i niewłaściwej segregacji kruszywa do drenów w trakcie
budowy,
• zmniejszenie objętości wykopów,
• mniejsze straty materiałowe.
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
3
KRYTERIA DOBORU PARAMETRÓW MATERIAŁÓW
FILTRACYJNYCH I SEPARACYJNYCH
W zależności od zastosowania, materiały geotekstylne muszą spełniać odpowiednie kryteria dotyczące
właściwości hydraulicznych i mechanicznych.
Kryterium dotyczące właściwości hydraulicznych gwarantuje, że geotekstylia są zdolne do pełnienia
funkcji drenażowych lub filtracyjnych, w trakcie projektowanego okresu eksploatacji. Można tu
wyróżnić kryteria: zatrzymywania cząstek gruntu, przepuszczalności i odporności na kolmatację.
Kryterium dotyczące właściwości mechanicznych gwarantuje, że trwałość struktury geotekstyliów jest
zachowana zarówno podczas instalacji jak i w całym projektowanym okresie eksploatacji. Kryterium
to obejmuje wytrzymałość mechaniczną z uwagi na: rozciąganie i przebicie.
Kryterium zatrzymywania cząstek gruntu. Zasada nieprzenikania cząstek gruntu polega na
zatrzymywaniu dostatecznej ilości cząstek gruntu, a więc na stworzeniu stałego progu
zapobiegającego migracji cząstek. Jednocześnie nie można dopuścić do obniżenia projektowanej
sprawności filtra.
W 1985 roku Christopher i Holtz [10] przedstawili koncepcję pracy filtra, według której pewna
ilość cząstek gruntu możne przenikać przez geotekstylia.
W tabeli 1 przedstawiono różne kryteria przyjmowane dla geotekstyliów w przypadku
przepływu laminarnego.
Tab.1 Kryteria zatrzymywania cząstek gruntu dla geotekstyliów. [11]
Źródło Kryterium
Uwagi
Calhoun (1972)
O95/D95<1
O95<0,2 mm
tkaniny <50% ziaren przechodzi przez sito 200;
tkaniny, grunty spoiste
Zitscher (1975)
(Rankilor, 1981)
O50/D50<1,7-2,7
O50/D50<25-37
tkaniny U<2, D50=0,1
÷0,2 mm
włókniny, grunty spoiste
Ogink (1975)
O90/D90<1
O90/D90<1,8
tkaniny
włókniny
Sweetland (1977)
O15/D85<1
O15/D15<1
włókniny U=1,5
włókniny U=4
ICI Fibers (1978)
(Rankilor, 1981)
O50/D85<1
O15/D15>1
włókniny 0,02<D85<0,25 mm
włókniny D85>0,25 mm
Schober i Teindl
(1979) bez współ.
bezpieczeństwa
O90/D50<2,5-4,5
O90/D50<4,5-7,5
tkaniny, cienkie włókniny, zależne od U
grube włókniny, zależnie od U; pył i piasek
Millar Ho i Turnbull
(1980)
O50/D85<1
tkaniny i włókniny
Giroud (1982)
O95/D50<(9-18)U
zależnie od U i zagęszczenia
Carroll (1983)
O95/D85<2-3
tkaniny i włókniny
Christopher i Holtz
(1985)
O95/D85<1-2
O95/D15<1 lub
O50/D85<0,5
zależnie od rodzaju gruntu i U
przepływ dynamiczny, pulsacyjny i cykliczny
Francuski Komitet
Geowłóknin i
Geomembran (1986)
O50/D85<0,38-1,25 zależnie od rodzaju gruntu ,zagęszczenia i
warunkówów hydraulicznych
Fischer, Christopher i
Holtz (1990)
O50/D85<0,8
O50/D15<1,8-7,0
O50/D50<0,8-2,0
oparte na podziale wielkości porów w
geotekstyliach, zależne od U
O
95
, D
95
- średnice miarodajne odpowiednio dla geofiltra i gruntu
U - wskaźnik różnoziarnistości
UWAGA: Bibliografia w [11]
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
4
Podstawową wadą wszystkich proponowanych kryteriów jest to, że odnoszą się do charakterystycznej
wielkości porów, a nie do całkowitej ich struktury (np. procent całkowitej liczby porów
reprezentowany przez tą wielkość). Mimo, że jest to akceptowane dla zatrzymywania cząstek, kryteria
te należy traktować ostrożnie przy braku empirycznego kryterium odporności na kolmatację. Dlatego
przyjmowanie przez projektantów kryterium zatrzymywania cząstek razem z kryterium
przepuszczalności jako wystarczających wymagań projektowych jest niepoprawne. Użytkownik
powinien przed przyjęciem danego sposobu określania zatrzymywania, sprawdzić założenia i
podstawy mechanizmu zatrzymywania oraz zgodność ze specyfiką warunków projektowych. Innym
aktualnym problemem jest określenie charakterystycznych wielkości porów.
Dotychczasowe metody dają głównie wskazówki związane z zatrzymywaniem cząstek
uwzględniając tylko rozmiary, a nie strukturę porów. Ponadto pojedyncze duże otwory lub cienkie
rozcięcia w geotekstyliach mogą wpływać na pomiary charakterystycznej wielkości porów.
Kryterium przepuszczalności. Zestawienie najszerzej stosowanych kryteriów przepuszczalności
zawarto w tabeli 2. Przyjmuje się w nich, że geotekstylia muszą mieć odpowiednią przepuszczalność
w celu zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia wody w porach i do utrzymania
odpowiedniego wydatku przepływu.
W niektórych metodach projektowania przyjmuje się, że geotekstylia powinny mieć
przepuszczalność dziesięciokrotnie większą od przepuszczalności gruntu, ze względu na stosunkowo
małą ich grubość, w porównaniu z filtrowanym gruntem. Podejście takie nie uwzględnia
przechodzenia cząstek gruntu przez geotekstylia, które zmniejsza się na skutek ściśnięcia
geotekstyliów i wciśnięcie w nie cząstek gruntu jeszcze przed kolmatacją, dlatego dla geotekstyliów
wymagana jest większa przepuszczalność niż dla gruntu.
Inni
zalecają, aby przepuszczalność geotekstyliów była zwiększona przez współczynnik
zwiększający, traktowany jako współczynnik bezpieczeństwa dla warunków ekstremalnych (gdy
awaria może być spowodowana znacznym uszkodzeniem bądź zniszczeniem, lub gdyby koszty
naprawy były większe od kosztów wykonania) oraz dla trudnych warunków gruntowych i
hydraulicznych (grunty skłonne do erozji wewnętrznej i wykazujące wysokie gradienty hydrauliczne).
Zastosowanie tego współczynnika poparte jest doświadczeniem, które wykazuje, że w geofiltrach
używanych w trudnych warunkach gruntowych i hydraulicznych, zatory mogą spowodować
zmniejszenie przepuszczalności geotekstyliów(w przybliżeniu o rząd wielkości). Dlatego zwiększona
początkowo przepuszczalność ma na celu zapewnienie geotekstyliom odpowiedniej przepuszczalności
przez cały czas eksploatacji. Ta wartość jest zwykle zgodna z wymaganą przepuszczalnością filtra
gruntowego, większą 10
÷ 25 razy, w porównaniu z przepuszczalnością podłoża gruntowego.
Tab. 2 Kryteria przepuszczalności dla geotekstyliów. [11]
Źródło Kryterium Uwagi
Calhoun (1972), Schober i Treindl (1979),
Wates (1980), Carrol (1983), Haliburton
(1982), Christopher i Holtz (1985
k
f
>k
S
przepływ laminarny, dla niekrytycznych
zastosowań i nieskomplikowanych
warunków gruntowych
Carroll (1983), Christopher i Holtz (1985
k
f
>10k
S
krytyczne zastosowania i
skomplikowane warunki gruntowe
Giroud (1982)
k
f
>0,1k
S
brak
współczynników bezpieczeństwa
UWAGA: Bibliografia w [11]
Kryterium odporności na kolmatację. Kolmatacja ma miejsce, gdy drobne cząstki gruntu penetrują
w głąb geotekstyliów powodując spadek ich przepuszczalności. Jest to tak zwane zaślepieniem.
Carroll (1983) [8] udowodnił, że nawet gdy kryteria przepuszczalności były spełnione, kolmatacja
może spowodować uszkodzenie systemów filtrów. Kolmatacja zależy od relacji między drobinami w
gruncie i ich zdolności blokowania większości otworów i porów w geotekstyliach. Dla znacznego
zredukowania przepuszczalności i objętości przepływu, większość porów musi być wypełniona
cząstkami gruntu. Dzieje się tak, gdyż geotekstylia nawet o małej porowatości zwykle będą bardziej
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
5
przepuszczalne niż grunt, szczególnie drobnoziarnisty, mający tendencję do stwarzania problemów z
zatykaniem. Jako przykład Bhatia (1991) [2] pokazał, że przepuszczalność systemu pył - geotekstylia
pozostaje nie zmieniona do momentu, gdy 80% porów jest zapchanych.
Chociaż relacje między zatykaniem, porowatością, rozkładem wielkości porów zostały wyraźnie
rozpoznane, nie zostały jednak w pełni wprowadzone do praktycznych przepisów, pozwalających
sprowadzić kolmatację do prostego kryterium. W tabeli 3 przedstawiono obecne zalecenia dotyczące
oceny podatności geofiltrów na kolmatację.
Tab. 3 Kryteria odporności na kolmatację [9].
A: Wartości krytyczne - dla trudnych warunków zastosowań.
Przeprowadzenie badania grunt - geotekstylia (wg Calhoun, 1972; Haliburton i inni, 1982;
Giroud 1982; Carrol 1983; Christopher i Holtz 1985; Koerner 1990).
B: Mniej krytyczne i łatwiejsze warunki.
1. Badanie filtracji grunt geotekstylia.
2. Zakresy minimalnych wymaganych porów dla gruntów zawierające cząstki drobne :
• O95>3D15 dla U>3 (Christopher i Holtz 1985, 1989),
• O15/D15 > (0,8÷1,2) ; O50/D50 > (0,2÷1,0) (Fischer i inni 1990).
3. Dla U<3, geotekstylia z maksymalnymi wielkościami porów należy określić według kryteriów
zatrzymywania.
4. Wartości przestrzeni wolnych.
Tkane geotekstylia więcej niż (4
÷6)% wolnych przestrzeni (Calhoun 1972, Koerner 1990)
Nietkane geotekstylia (włókniny) więcej niż (30
÷40)% wolnych przestrzeni (Christopher i
Holtz 1985, Koerner 1990)
UWAGA: Bibliografia w [9]
Z powodu braku umiejętności przewidywania kolmatacji, obecnie dla zastosowań trudnych warunków
gruntowo - wodnych, zaleca się wykonanie badań filtracji na miejscu dla danych gruntów.
KLASYFIKACJA GEOTEKSTYLIÓW
DLA WARSTW SEPARACYJNYCH I FILTRÓW
Klasy wytrzymałości określa się na podstawie wymaganej wytrzymałości na rozciąganie przy
określonym odkształceniu materiału (tab. 4).
Tab. 4. Klasyfikacja separatorów i filtrów z geotekstyliów ze względu na właściwości mechaniczne.
[13]
Wymagana
wytrzymałość na rozciąganie
1
[kN/m]
Klasyfikacja właściwości
mechanicznych
Przy odkształceniu
geotekstyliów
2
≤30 %
Przy odkształceniu
geotekstyliów
2
≥30 %
Klasa 1
≥10
≥2
Klasa 2
≥15
≥4
Klasa 3
≥20
≥6
Klasa 4
≥30
≥10
Klasa 5
≥50
≥15
Klasa 6
N.A.
N.A.
Klasa 7
≥70 N.A.
Uwaga !
1
Wytrzymałość na rozciąganie jest to minimalna wartość mierzona zgodnie z [5] w kierunku
niższej wytrzymałości geotekstyliów
2
Odkształcenie geotekstyliów jest to minimalna wartość mierzona zgodnie z [5] w kierunku
mniejszego odkształcenia geotekstyliów
N.A. - nie stosuje się
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
6
Inna propozycja przyporządkowania klas wytrzymałości dla geotekstyliów zawarta jest w normie
niemieckiej [16]. Klasy wytrzymałości określa się na podstawie rodzaju materiału, masy
powierzchniowej oraz maksymalnej siły rozciągającej, dla materiałów o wyższej wytrzymałości na
rozciąganie (tkaniny, dzianiny) lub siły ścinającej z badania CBR, dla materiałów o dużej
odkształcalności. Klasyfikację tę przedstawiono w tabelach 5
÷ 7.
Tab. 5. Klasyfikacja właściwości mechanicznych geowłóknin i innych produktów
geotekstylnych o dużej odkształcalności.[16]
Klasyfikacja właściwości
mechanicznych
Siła ścinająca z badania CBR
(x
*
-s)
[kN]
Masa powierzchniowa
(x
*
)
[g/m
2
]
Klasa 1
≥0,5
≥80
Klasa 2
≥1,0
≥100
Klasa 3
≥1,5
≥150
Klasa 4
≥2,5
≥250
Klasa 5
≥3,5
≥300
UWAGA: Siła ścinająca jest średnią z badań CBR (x
*
) pomniejszoną o odchylenie standardowe (s).
Masa powierzchniowa jest średnią z badań (x
*
).
Tab. 6 . Klasyfikacja właściwości mechanicznych geotkanin (z polipropylenu lub polietylenu). [16]
Klasyfikacja właściwości
mechanicznych
Maksymalna siła
rozciągająca
(x
*
-s)
[kN/m]
Masa powierzchniowa
(x
*
)
[g/m
2
]
Klasa 1
≥20
≥100
Klasa 2
≥30
≥160
Klasa 3
≥35
≥180
Klasa 4
≥45
≥220
Klasa 5
≥50
≥250
UWAGA: Maksymalna siła rozciągająca jest średnią z badań na rozciąganie wzdłuż i w poprzek (x
*
)
pomniejszoną o odchylenie standardowe (s).
Masa powierzchniowa jest średnią z badań (x
*
).
Tab. 7. Klasyfikacja właściwości mechanicznych geotkanin na osnowie wielowłóknowej
(najczęściej poliester). [16]
Klasyfikacja właściwości
mechanicznych
Maksymalna siła
rozciągająca
(x
*
-s)
[kN/m]
Masa powierzchniowa
(x
*
)
[g/m
2
]
Klasa 1
≥60
≥230
Klasa 2
≥90
≥280
Klasa 3
≥150
≥320
Klasa 4
≥180
≥400
Klasa 5
≥250
≥550
UWAGA: Maksymalna siła rozciągająca odnosi się do badania na rozciąganie próbek prostokątnych
wzdłuż, przy maksymalnej sile rozciągającej w poprzek o wartości 50 kN/m. Do uporządkowania w
klasach, maksymalna siła rozciągająca (x
*
) w kierunku wyższej wytrzymałości (wzdłuż lub w
poprzek) została zmniejszona o odchylenie standardowe (s).
Masa powierzchniowa jest średnią z badań (x
*
).
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
7
W przypadku materiałów warstwowych :
• siatek połączonych z włókniną - (funkcja separacyjna i filtracyjna) klasę wytrzymałości można
podwyższyć o jeden, jeżeli maksymalna siła rozciągająca dla materiału o mniejszej wytrzymałości
wynosi min 25 kN/m.
• tkanin lub dzianin połączonych z włókniną - klasę wytrzymałości można podwyższyć o klasę
wytrzymałości włókniny o danej masie powierzchniowej. Za podstawę wytrzymałości wzięto
wytrzymałość warstwy ochronnej (tkanina lub dzianina).
W tabeli 8 określono wymagania stawiane geotekstyliom związane z przynależnością do określonej
klasy właściwości hydraulicznych. Wymagania te dotyczą: charakterystycznej wielkości porów i
przepływu wody przez geotekstylia.
Tab. 8. Klasyfikacja separatorów i filtrów ze względu na właściwości hydrauliczne. [13]
Klasyfikacja
właściwości
hydraulicznych
Charakterystyczna
wielkość porów
1
O
90
[
μm]
Prędkość przepływu wody
2
L/(m
2
*s) przy spadzie 100 mm
Klasa 0
≤500
≥5
Klasa 1
250<O
90
≤400
≥100
Klasa 2
150<O
90
≤250
≥100
Klasa 3
100<O
90
≤150
≥75
Klasa 4
75<O
90
≤100
≥50
Klasa 5
≤75
≥30
Uwaga!
1
Wartość średnia dla serii mierzona zgodnie z [6]
2
Wartość średnia dla serii mierzona zgodnie z [7]
Klasyfikacja zaczyna się od 0, a kończy na 5, przy czym każdą klasę definiuje górny i dolny próg
wymagań. Klasy o wyższej numeracji mogą, ale nie muszą spełniać wymagań innych (niższych) klas.
Spowodowane jest to tym, że zarówno górne, jak i dolne ograniczenia klas odpowiadają
charakterystycznej wielkości porów.
ZASTOSOWANIE SCHEMATU KLASYFIKACYJNEGO
Przy doborze materiału na warstwy separacyjne, konieczne jest powiązanie klasyfikacji właściwości
mechanicznych geotekstyliów z warunkami „in situ”.
Klasy można powiązać z wytrzymałością podłoża (badanie CBR) oraz maksymalną miarodajną
średnicą kruszywa układanego na geotekstyliach (tab. 9).
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
8
Tab. 9. Powiązanie klasy materiału z wytrzymałością podłoża (badanie CBR )
i maksymalną miarodajną średnicą kruszywa (d
max
). [13]
Przy określaniu skuteczności separatorów z geotekstyliów w tabeli 9 numery wyższych klas
odzwierciedlają kruszywo o większej średnicy na separatorze z geotekstyliów oraz mniejszą
wytrzymałość podłoża. Przyjęto tu, że zawsze przed rozpoczęciem zagęszczania istnieje odpowiednie
przykrycie separatora z geotekstyliów kruszywem, dlatego obciążenie ruchem pojazdów nie stanowi
dodatkowego parametru eksploatacyjnego.
Format struktury klas z tabeli 2.9 jest podobny do stosowanych w: USA [1], Niemczech [12],
Skandynawii [15].
Według zaleceń niemieckich, wybór klasy wytrzymałości uzależnia się od warunków
zastosowania (między innymi rodzaju gruntu) i obciążeń w trakcie wbudowywania warstw
filtracyjnych i separacyjnych.
Tab. 10. Określenie klasy wytrzymałości materiału dla danego rodzaju podłoża
oraz obciążeń w trakcie instalacji. [16]
Warunki Obciążenia podczas wbudowywania materiału*
zastosowania*
AB1 AB2 AB3 AB4
AS1
Klasa
1
AS2
Klasa 2
Klasa 2
Klasa 3
Klasa 4
AS3
Klasa 3
Klasa 3
Klasa 4
Klasa 5
AS4
Klasa 4
Klasa 4
Klasa 5
(1)
AS5
Klasa 5
Klasa 5
(1)
(1)
Uwaga!
(1) W tych przypadkach należy przeprowadzić badania w trakcie
instalacji lub zwiększyć grubość warstwy pośredniej (kruszywa).
* Oznaczenia objaśniono w tekście
d
max
klasy 6
[mm]
200
i/lub 7
klasa 5
175
150
klasa 7
klasa 5
125
klasa
4
100
75
klasa 4
klasa 3
50
klasa
3
25
klasa 5
klasa 2
klasa 2
CBR
podłoża [%]
10 30
Wytrzymałość na ścinanie bez odpływu
τ
u
[kN/m
2
]
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
9
W przypadku filtrów przy określaniu klasy wytrzymałości materiału, zawsze brane jest pod uwagę
podwyższone obciążenie AB3.
Warunki zastosowania (AS):
AS1 - obciążenie gruntem oraz obciążenia w trakcie instalacji są pomijalne i nie wpływają na wybór
materiału;
AS2 - geotekstylia między piaskiem drobnoziarnistym i gruboziarnistym lub w podłożu
różnoziarnistym;
AS3 - geotekstylia między piaskiem drobnoziarnistym, gruboziarnistym lub w podłożu
różnoziarnistym z zawartością kamieni do 40%;
AS4 - geotekstylia między piaskiem drobnoziarnistym, gruboziarnistym lub w podłożu
różnoziarnistym z zawartością kamieni lub tłucznia powyżej 40%;
AS5 - geotekstylia między piaskiem drobnoziarnistym, gruboziarnistym lub w podłożu
różnoziarnistym z zawartością tłucznia i ostrokrawędzistych bloków skalnych powyżej 40%.
Obciążenia podczas instalacji (AB):
AB1 - ręczne zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geotekstyliów, bez znacznego obciążenia;
AB2 - montaż materiału i zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geotekstyliów przy pomocy maszyn,
bez istotnego obciążenia od zagęszczarek (walców);
AB3 - instalacja materiału i zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geotekstyliów przy pomocy
maszyn; podwyższone obciążenie od zagęszczarek (walców) przy dopuszczalnej głębokości
śladów od 5 do 15cm;
AB4 - instalacja materiału i zagęszczanie gruntu nad powierzchnią geotekstyliów przy pomocy
maszyn; wyjątkowe obciążenie od zagęszczarek (walców) przy dopuszczalnej głębokości
śladów powyżej 15cm.
Aby umożliwić korzystanie ze schematów klasyfikacyjnych dla separatorów z geotekstyliów
konieczne jest uwzględnienie ich zastosowań. W tabeli 11 przedstawiono schemat, podobny do
zaprezentowanego przez Lawsona (1995) [14], w którym właściwości hydrauliczne powiązano z
pełnioną funkcją i rodzajem warstw drenażowych.
Tab. 11. Powiązanie właściwości hydraulicznych geotekstyliów z pełnioną funkcją
oraz rodzajem warstw drenażowych. [13]
Funkcje geotekstyliów
Klasy geotekstyliów
1. Gdy stosowany jest separator z geotekstyliów
i wymagany jest nieznaczny drenaż
klasa 0
2. Gdy stosowany jest separator z geotekstyliów
i wymagana jest filtracja wody gruntowej:
a) gdy warstwą drenażową jest piasek, [4]
b) gdy warstwą drenażową jest ił, [4]
c) gdy warstwą drenażową jest glina lub grunt
organiczny, [4]
numer klasy dostosowany do
d
15
≤O
90
≤ d
85
klasy 3 lub 4
klasy 3,4 lub 5
3. Gdy separator z geotekstyliów używany jest
przy pompowaniu wody z podłoża
klasa 5
Uwaga!
d
15
i d
85
odnoszą się do odpowiednich frakcji kruszywa, a O
90
odnosi się do
charakterystycznej wielkości porów w separatorze geotekstylnym
W celu zagwarantowania w praktyce odpowiedniej sprawności filtrów z geotekstyliów należy
powiązać klasy właściwości mechanicznych i hydraulicznych z warunkami „in situ” . W tabeli 12
przedstawiono schemat, w którym klasy właściwości mechanicznych filtra odniesiono do rodzaju
drenażu podpowierzchniowego. Klasy te uwzględniają zarówno naprężenia mechaniczne powstałe w
trakcie instalacji, jak i w okresie eksploatacji.
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
10
Tab. 12. Zastosowanie klas materiału w zależności od rodzaju drenażu podpowierzchniowego. [13]
Rodzaj zastosowania
Numer klasy geotekstyliów
1. Dreny korytkowe o głębokości:
a)
≤
1 m
b)
≤
2 m
c) >2 m
klasa 1
klasa 3
klasa 5
2. Poziome warstwy drenażowe
klasy wg klasyfikacji separatorów geotekstylnych ze
względu na ich właściwości mechaniczne
3. Pochyłe warstwy drenażowe klasa
3
4. Pionowe warstwy drenażowe klasa
3
Klasy właściwości hydraulicznych powiązano z rodzajem drenowanego gruntu w sposób
przedstawiony w tabeli 13.
Tab.13. Zastosowanie klas właściwości hydraulicznych w zależności od drenowanego gruntu. [13]
Rodzaj gruntu
Numer klasy geotekstyliów
1. Grunty piaszczyste, [4]
numer klasy dostosowany do
d
15
≤
O
90
≤
d
85
2. Przeważające grunty drobne [4]
a) o wskaźniku plastyczności <10 %
b) o wskaźniku plastyczności
≥
10%
numer klasy dostosowany do
d
15
≤
O
90
≤
d
85
0,05
≤
O
90
≤
0,20
Uwaga!
d
15
i d
85
odnoszą się do odpowiednich frakcji kruszywa drenażowego gruntu
Inny sposób projektowania systemów drenażowych i filtrów geotekstylnych stosowany jest w
Niemczech [16]. Przy projektowaniu filtrów geotekstylnych należy sklasyfikować podłoże:
• drobnoziarniste
d
60
<0,06 mm;
• grubo i różnoziarniste d
60
>0,06 mm.
W przypadku podłoży trudniejszych :
• drobnoziarniste
wskaźnik plastyczności I
P
<0,15 i/lub
proporcja
części ilastych do pyłu <0,5;
• grubo i różnoziarniste zawartość frakcji pyłowej (średnica ziaren <0,06 mm)
U
60/10
=d
60
/d
10
≤
15 i/lub
zawartość ziaren frakcji (0,02-0,1) mm >50%.
Przy projektowaniu filtrów uwzględnia się takie parametry jak:
• działanie mechaniczne filtra (zatrzymywanie cząstek gruntu)
- grunt drobnoziarnisty
O
90
≤
10d
50
,
- grunty trudniejsze
O
90
≤
d
50
,
- grunt grubo i różnoziarnisty
O
90
<5d
50
* U i O
90
≤
d
50
.
• odporność na kolmatację
kryterium odporności na kolmatację: O
50
> (0,2-1)*d
50
• hydrauliczne działanie filtra (wodoprzepuszczalność).
W celu zapewnienia prawidłowej pracy filtra należy przy jego wymiarowaniu uwzględnić
współczynnik zmniejszający
η, zależny od podłoża i rodzaju filtra.
Materiał filtracyjny powinien umożliwić filtrację nie mniejszą niż dla danego podłoża, dlatego:
η*k
vf
>k
vp
gdzie:
-
η współczynnik zmniejszający zależny od typu filtra i parametrów podłoża,
- k
vf
współczynnik filtracji dla materiału filtra określony w badaniu pod obciążeniem 2 kPa,
- k
vp
współczynnik filtracji dla podłoża.
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 1/1998
11
Dla włóknin o grubości powyżej 2 mm i tkanin w kontakcie z piaskiem i gliną istnieją współczynniki
zmniejszające
η. Dla innych materiałów i podłoży współczynniki zmniejszające η należy określić na
podstawie wyników badań filtracji wykopanych próbek.
PODSUMOWANIE
Prowadzona obecnie dyskusja nad zasadami projektowania warstw filtracyjnych i separacyjnych
znajduje swoje odzwierciedlenie w opracowywanych obecnie normach europejskich, które stopniowo
są wdrażane również w naszym kraju. Przedstawione w niniejszej pracy systemy pozwalają na
dokonywanie odpowiednich ocen przydatności poszczególnych materiałów w konkretnych sytuacjach
projektowych i z tego względu mogą stanowić bardzo dużą pomoc w projektowaniu.
Przy projektowaniu warstw filtracyjnych i separacyjnych z materiałów geotekstylnych należy
opierać się na schematach klasyfikacyjnych uwzględniających parametry mechaniczne geosyntetyków
(wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na przebicie, odkształcalność, masa powierzchniowa)
oraz ich właściwości hydrauliczne (wodoprzepuszczalność, charakterystyczna wielkość porów).
Klasy
właściwości mechanicznych i hydraulicznych geotekstyliów powinny być potwierdzane
przez badania kontrolne na próbkach pobranych z obiektów bezpośrednio po wbudowaniu materiału
(w celu sprawdzenia czy w czasie instalacji nie uległy zmianie parametry materiału) oraz badania
okresowe (ze względu na zmiany reologiczne i procesy starzenia materiału).
LITERATURA
1. AASHTO - Standard Specifications for Geotextiles, American Association of State Highway and
Transportation Officials, M288-90, Washington DC, 1990.
2. Bhiatia S.K., M³ynarek J., Rollin A.L. i Lafleur J. - Effect of Pore Structure of Nonwoven
Geotextiles on Their Clogging Behaviour. Geosynthetic’91.
3. Bolt A., Duszyńska A. - Przepuszczalność geotekstyliów w kierunku prostopadłym do powierzchni
obciążenia. XLII Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu
Nauki PZITB, Krynica 96.
4. BS 5930:1981 Code of practice for site investigations.
5. BS 6906:Part 1:1987 Determination of the tensile properties using a wide width strip.
6. BS 6906:Part 2:1989 Determination of the apparent pore size distribution by dry sieving.
7. BS 6906:Part 3:1989 Determination of water flow normal to the plane of the geotextile under a
constant head.
8. Carroll R.G. - Geotextile Filter Criteria. Transportation Research Record.1983
9. Christopher B.R., Fisher G.R. - Geotextile Filtration Principles, Practices and Problems.
Proceceedings of the GRI Seminar - 1991
10.Christopher B.R., Holtz R.D - Geotextile Engineering Manual, Report No. FHWA-TS-86/203, US
Federal Highway Administration, Washington DC, 1985.
11.Fischer G.R., Christopher B.R., Holtz R.D. - Filter criteria based on pore size distribution.
Proceedings of the 4th International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related
Products - Hauge, 1990.
12.FSGV - Merkblatt für die Anwendung von Geotextilien und Geogittern im Erbau des Straßenbaus,
Forschungsgesellschaft für Straßen-und Verkehrswesen, Köln, 1994.
13.Geotextiles and geotextile-related products - classification scheme (draft copy), Document No.95/
BSI STANDARDS, November 1995.
14.Lawson, C.R. - Subgrade Stabilisation With Geotextiles, Geosynthetics International, IFAI, Vol.2,
No. 4, 1995.
15.Rathmayer, H. - Geotextiles in Road Construction - Quality Requirements - The VTT-Geo
Geotextile Specification, Research Report/1993, Public Road Administraction, Helsinki, 1993.
16.Technische Lieferbedinungen für Geotextilen und Geogitter für den Erdbau im Straßenbau TL
Geotex E-StB 95 -1995.