Modelowanie pracy geodrenu zabudowanego w płaszczyźnie poziomej

Zapoczątkowane w latach 50. XX wieku zastosowanie tworzyw sztucznych spowodowane jest ich korzystnymi właściwościami fizykomechanicznymi oraz chemicznymi [2, 3]. W pewnych sytuacjach istotny jest także ich niewielki ciężar objętościowy [4].

Należy również podkreślić, iż obecnie produkowane geosyntetyki wykazują znacznie korzystniejsze cechy w zakresie odporności na starzenie i na procesy biologiczne niż wcześniej produkowane materiały. Uzyskuje się to między innymi dzięki dodawaniu w trakcie procesów produkcyjnych specjalnych dodatków hamujących w pewnym stopniu procesy degradacji.

Popularność polimerów ma wpływ zarówno na konstrukcję i sposoby rozwiązań budowli ziemnych, jak i na technologię ich wykonywania.

Właściwości tworzyw sztucznych uzależnione są od ich budowy fizykochemicznej. Budowa ta może być modyfikowana, gdyż przy produkcji większości geosyntetyków stosuje się różne dodatki, wypełniacze i zmiękczacze, które poprawiają cechy użytkowe tych materiałów.

Niedostępną dla materiału gruntowego cechą geosyntetyków jest połączenie w jednym materiale wodoprzepuszczalności i dużej wytrzymałości na zrywanie.

Bardzo szerokie zapotrzebowanie w budownictwie hydrotechnicznym na różnego rodzaju mineralne materiały filtracyjne i związane z tym znaczne zaangażowanie środków transportowych zmusiło do szukania bardziej nowoczesnych rozwiązań.

Szczególną uwagę zwrócono na tzw. geokompozyty drenażowe wykonywane jako struktura przestrzenna z tworzyw sztucznych (FOT. 1 patrz: zdjęcie główne).

Według danych literaturowych zastosowanie tworzyw sztucznych w budownictwie ziemnym przyniosło znaczne korzyści zarówno technologiczne, jak i ekonomiczne. Konsumpcja geosyntetyków w samej tylko Europie w 2014 r. wyniosła:

• geowłókniny: 180 mln m²,
• geotkaniny: 75 mln m²,
• geosiatki: 35 mln m²,
• geokompozyty (w tym geodreny): 15 mln m²,
• geomembrany: 45 mln m²,
• geosyntetyczne bariery iłowe: 20 mln m².

Wartości parametrów hydraulicznych geotekstyliów zależą od takich czynników, jak:

• struktura wyrobu geotekstylnego,
• rodzaj gruntu współpracującego z geotekstyliami w konkretnej konstrukcji,
• gradient hydrauliczny,
• kolmatacja mechaniczna, chemiczna i biologiczna.

Na strukturę wyrobu geotekstylnego podstawowy wpływ ma technologia produkcji (włókna cięte, włókna ciągłe, igłowanie, tkanie, dzianie itp.) Wpływ sposobu produkcji na anizotropię parametrów hydraulicznych jest niewielki. Wynika to z rozkładu prawdopodobieństwa występowania porów geowłókniny.

Kształt ziaren (ostrokrawędziste lub otoczakowe) i granulometria gruntu współpracującego z geosyntetykiem odgrywają olbrzymią rolę przy wyznaczaniu parametrów hydraulicznych i mechanicznych. Szczególnie istotny jest wpływ gruntu na charakterystyczną wielkość porów wyrobu geotekstylnego, współczynnik tarcia pomiędzy gruntem a geosyntetykiem oraz powstawanie ewentualnych uszkodzeń. Parametry takie można określić w badaniach laboratoryjnych [5].

Gradient hydrauliczny jest istotnym czynnikiem wpływającym na przepływ wody w geotekstyliach i geokompozytach. W mechanice gruntów definicję wodoprzepuszczalności opiera się na prawie Darcy’ego. Według norm europejskich zrezygnowano w przypadku geosyntetyków z tradycyjnego pojęcia współczynnika wodoprzepuszczalności związanego z gradientem hydraulicznym równym jedności. Zakłada się przepływ laminarno-burzliwy i niekoniecznie równy jedności gradient przepływu.

W przypadku kolmatacji mechanicznej decydującą rolę odgrywa skład granulometryczny gruntu przylegającego do geosyntetyku, gdyż mogą powstawać przesklepienia na styku z wyrobem lub drobniejsze cząstki gruntu mogą penetrować w głąb struktury wyrobu i ograniczać przepływ wody. W przypadku kolmatacji chemicznej i biologicznej chodzi o dużą zawartość soli lub mikroflory w wodzie.

Materiały i metody badań

W badaniach wykorzystano geokompozyt drenażowy Pozidrain 7S250D/NW8.

Geodreny formowane są najczęściej z warstw geowłókniny i struktury przestrzennej umożliwiającej przejecie dużej ilości wody i szybkie jej odprowadzenie [6].

Zewnętrzna poszycie przynajmniej z jednej strony wykonane jest z geowłókniny. Przepuszcza wodę i zapobiega przejmowaniu drobnych cząstek gruntu przez strukturę wewnętrzną geodrenu. Obie zewnętrzne warstwy połączone są na stałe techniką klejenia lub zgrzewania, która powoduje ustabilizowanie konstrukcji wyrobu [4, 7].

Geokompozyty drenażowe muszą w pewnym zakresie być odporne na działanie czynników agresywnych chemicznie i wykazywać dużą odporność mechaniczną. Zaletą jest łatwość montażu, rozkładania poszczególnych pasm na zakład bez konieczności trwałego łączenia.

Również zakres prac przygotowawczych podłoża jest ograniczony, dotyczy wyrównania i zagęszczenia oraz usunięcia elementów mogących uszkodzić geosyntetyk w przypadku przejęcia obciążenia.

Występują również geokompozyty drenażowe, których jedną warstwę zewnętrzną stanowi geosyntetyk nieprzepuszczalny, natomiast elementem obligatoryjnym jest zawsze wewnętrzna struktura przestrzenna.

Wykorzystany w badaniach geokompozyt drenażowy ma grubość 8,5 mm. Składała się z 3 warstw:

• geowłókniny igłowanej z włókien ciętych grubości 1,2 mm,
• wytłaczanego z arkusza HDPE rdzenia drenażowego,
• oraz ponownie geowłókniny igłowanej grubości 1,2 mm.

Materiały połączone są poprzez klejenie i zgrzewanie. Charakterystykę geokompozytu przedstawiono w TAB. 1.

Modelowe badanie wielkości objętościowego natężenia przepływu wykonano na specjalnym stanowisku badawczym, o wymiarach wewnętrznych (dł. x szer. x wys.): 600×100×120 cm. Odpowiedni system przewodów i przelewów umożliwiał regulację dopływającej wody i pomiar wydatku filtracyjnego [8, 9].

Próbkę geodrenu o wymiarach 100×110 cm zabudowano w gruncie mineralnym o parametrach przedstawionych w TAB. 2. W badaniach założono, że współczynnik filtracji gruntu nasypu jest mały i nie ma wpływu na uzyskiwane wartości wydatku filtracyjnego geodrenu. Potwierdzono to wcześniejszymi badaniami prowadzonymi w Katedrze Inżynierii Wodnej i Geotechniki Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie.

Grunt uformowano w kształcie nasypu zagęszczonego mechanicznie do I_S = 0,95. Pod geodrenem miąższość gruntu wynosiła 0,4 m nad 0,2 m (RYS. 1).

Wymiary geometryczne przekroju modelu przedstawiono na RYS. 1.
Model wykonano na podłożu iłowym grubości 4 cm, które zastępowało warstwę nieprzepuszczalną, jednocześnie eliminując filtrację przydenną.
Pionowe pasy iłowe zabezpieczały przed filtracją przyścienną.

FOT. 2-3 przedstawiają widok na skarpy nasypu bezpośrednio po uformowaniu.

Wyniki i analiza

RYS. 2 obrazuje wartości objętościowego natężenia przepływu przy dwóch różnych wysokościach słupa wody nad górną płaszczyzna wbudowanego w nasyp geodrenu. Uśrednione wartości uzyskano z kilkunastu pomiarów przeprowadzonych dla hektolitrowych objętości przepływającej wody o temperaturze 10°C.

• Dla słupa wody o wysokości 0,11 m i wymienionych powyżej parametrów badania wartość natężenia przepływu wyniosła 32,3 l · min^–1. Takie parametry hydrauliczne pozwalają odprowadzić ilości wody pochodzące nawet z nawalnych opadów.
• Dla słupa wody o wysokości 0,2 m zaobserwowano zwiększenia natężenia przepływu. Wartość 39,3 jest o 22% większa od pomiaru dla mniejszej wysokości słupa wody. Drenaże pracują "na bieżąco", więc rzadko dochodzi do spiętrzenia wody.

RYS. 3 przedstawia pomiary wartości prędkości wody na wlocie do geodrenu przez jego boczną płaszczyznę. Pomiary wykonano specjalistycznym młynkiem hydrometrycznym umożliwiającym uzyskanie dokładnych odczytów.]

Przy wysokości napełnienia 0,11 m ponad płaszczyznę geodrenu wykonano kilkukrotnie badania w trzech różnych miejscach (linie oznaczone jako P, S, i L). Wartości uśrednione przedstawiono na RYS. 3.

Największe skupienie wartości prędkości występuje w przedziale 0,01-0,05 m · s^–1.

Wartości średnie w poszczególnych punktach pomiarowych wynoszą odpowiednio:

• P = 0,0323 m · s^–1,
• S = 0,0338 m · s^–1,
• L = 0,0297 m · s^–1.

Globalna wartość średnia 0,032 m · s^–1.

Podsumowanie

Materiały drenażowe pełnią w konstrukcjach budowlanych ważną funkcję. Są odpowiedzialne za skuteczne i szybkie odprowadzenie wód opadowych, infiltrujących, napływowych.

Zadanie takich funkcji geokompozytom drenażowym powinno być poparte właściwymi testami. Niepożądany nadmiar wody, jej długotrwałe oddziaływanie, prowadzą często do niekorzystnych zjawisk.

Należy zwrócić szczególną uwagę na metodykę badań przepływu cieczy w płaszczyźnie geokompozytu dostępnych na rynku.

Większość podanych w kartach technicznych parametrów uzyskiwana jest pod obciążeniem przy kontakcie "twarde/twarde", czyli przy użyciu np. stalowych płyt po obu stronach geokompozytu. Nie odzwierciedla to rzeczywistej pracy materiału w gruncie, który zachowuje się jak materiał plastyczny.

Tylko testy wykonane przy kontakcie "miękkie/miękkie", czyli przy użyciu normowych gąbek (PN-EN ISO 9863) będą pokazywały rzeczywistą wartość przepływu cieczy w geokompozycie pod naciskiem gruntu. Przeprowadzanie testów w taki sposób jest zgodne z normą PN-EN ISO 12958.

Badania modelowe w skali półtechnicznej mogą stanowić poparcie właściwych koncepcji badawczych. Test, w którym geosyntetyk jest w bezpośrednim kontakcie z gruntem, powinien dać wyniki bliskie warunkom rzeczywistym.

Literatura

1. PN-EN 13251+A1:2015-04, "Geotekstylia i wyroby pokrewne. Właściwości wymagane w odniesieniu do wyrobów stosowanych w robotach ziemnych, fundamentowaniu i konstrukcjach oporowych".
2. A. Wesolowski, Z. Krzywosz, T. Brandyk, "Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich", Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2000.
3. R.M. Koerner, "Designing with Geosynthetics", Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River 2005.
4. F. Tatsuoka, "Geosynthetics Engineering, Combining Two Engineering Disciplines", Special Lecture, 4th GeoSynthetics Asia, Shanghai 2008.
5. A.F. Bolt, A. Duszyńska, "Wykorzystanie badań geosyntetyków w projektowaniu budowli hydrotechnicznych", Sympozjum "Hydrotechnika VI ‘2004: powodzie, przyczyny, skutki, zapobieganie", Ustroń, 25-27 maja 2004 r.
6. PN-EN ISO 10318:2007, "Geosyntetyki. Terminy i definicje".
7. C. Venkataramaia, "Geotechnical Engineering", New Age International Publishers, Daryaganj, Delhi 2006.
8. M. Cholewa, "Modelowe badania filtracji przez nasypy hydrotechniczne wykonane z gruntów antropogenicznych", "Przegląd Górniczy" 11-12/2008, s. 49-55.
9. M. Cholewa, P. Baran, "Modeling of permeability flow in embankments formed from ash-slag mixture", "Rocznik Ochrona Środowiska" 2013, s. 479-491.
10. A. Allen, "Attenuation Landfills - the Future in Landfilling", "Rocznik Ochrona Środowiska" t. 2, 2000.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!