Historia budownictwa łączy się nierozerwalnie z konstruowaniem różnych obiektów posadawianych często na podłożach słabonośnych, które należało wzmocnić i aby poprawić ich właściwości wykorzystywano i łączono różne materiały w swoisty konglomerat.

Wzmacnianie podłoża znane jest od dawna. Już Persowie ponad 4000 lat temu używali    w tym celu liści palmowych, starannie tkanych i układanych warstwowo, Rzymianie zaś układali dębowe bale w formie siatki w korycie drogi. W poszukiwaniu coraz skuteczniejszych i ekonomiczniejszych metod posadawiania obiektów inżynierskich rozwinięto wiele technik polepszających podłoże: od klasycznej wymiany gruntu i wstępnego obciążenia począwszy do rozwiązań nowoczesnych, jak zagęszczanie za pomocą wybuchów, wibroflotacji, konsolidacji dynamicznej czy silikatyzacji. Potrzeba coraz większego uprzemysławiania procesów budowlanych wymusiła stosowanie pewnych materiałów do celów zupełnie różnych od znanych z życia codziennego oraz współpracy z nowymi gałęziami przemysłu, które nie były wcześniej związane z budownictwem.

Od ponad 30 lat coraz większe zastosowanie w robotach ziemnych  i hydrotechnicznych znajdują specjalnie zaprojektowane, a następnie produkowane przez przemysł włókienniczy i chemiczny wyroby zwane geosyntetykami.

Jest rzeczą oczywistą, że 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 szerokim spektrum zastosowań – w transporcie, geotechnice, inżynierii środowiska, hydrotechnice oraz budownictwie kubaturowym. Tempo, w jakim rozwija się ten sektor jest co najmniej zadziwiające. Do tej pory nie było jeszcze takiego materiału, który  tak szybko by się  przyjął.
Z drugiej strony, pomimo publikowania ogromnej ilości artykułów i organizowania konferencji lub warsztatów tematycznych zauważa się luki  w podstawach projektowania i konstruowania obiektów z udziałem geosyntetyków.

 

1. Normalizacja w zakresie geosyntetyków.

W zakresie geosyntetyków jedyną polską normą autorską jest ustanowiona w 1997 roku norma PN-B-10290 dotycząca wymagań dla geomembran stosowanych na składowiskach odpadów. Pozostałe obowiązujące normy dotyczące geosyntetyków są to przetłumaczone normy europejskie. Zdecydowanie gorsza sytuacja jest w zakresie samego projektowania, wybierania schematu statycznego i trafności obliczeń złożonych konstrukcji z zakresu mechaniki zbrojonych nasypów gruntowych. Rozpatrywane konstrukcje z gruntu zbrojonego to ogólnie rzecz biorąc nasypy, mury oporowe i skarpy gdzie oprócz materiału nasypowego układa się dodatkowo warstwami zbrojenie, które ma je wzmacniać.
Idea wzmocnienia gruntu jest podobna do idei konstrukcji żelbetowych. W obu przypadkach zastosowanie „zbrojenia” ma na celu usunięcie podobnej wady materiałów, tj. małej ( w przypadku gruntow praktycznie zerowej) wytrzymałości na rozciąganie. W przypadku budowli ziemnych zastosowanie zbrojenia pozwala na powstanie w nasypie sił przeciwstawiających się zsuwaniu gruntu wzdłuż linii poślizgu w efekcie czego następuje zwiększenie wytrzymałości nasypu na ścinanie, decydującej o nośności konstrukcji ziemnych. Powstanie w zbrojeniu sił rozciągających jest wynikiem jego współpracy z gruntem.              W odróżnieniu od konstrukcji żelbetowych, współpraca gruntu ze zbrojeniem to efekt m.in. sił tarcia między materiałami oraz adhezji. W konsekwencji przyczepność zbrojenia do gruntu jak i wymagana długość zakotwienia zbrojenia w gruncie nie jest stała lecz zależy od naprężeń ściskających występujących w płaszczyźnie kontaktu, czyli od usytuowania zbrojenia w gruncie. W trakcie projektowania obiektów inżynierskich najistotniejsze są następujące parametry geosyntetyków: wytrzymałość na rozciąganie,

  • wydłużalność,
  • wodoprzepuszczalność,
  • otwartość porów.

Podstawowym czynnikiem decydującym o wyborze geosyntetyków do danej konstrukcji  jest możliwość jej wzmocnienia i zapewnienia długotrwałej stateczności oraz obniżenia kosztów inwestycji. Połączenie wiedzy o właściwościach fizyko-mechanicznych geosyntetyków, kryteriach ich doboru do danych warunków gruntowo-wodnych jak i pełnionych funkcjach oraz umiejętność dokonywania obliczeń złożonych układów gruntowo-geosyntetycznych z doświadczeniem inżynierskim w tej dziedzinie daje dopiero pożądane efekty. Jeżeli do tego wszystkiego dodamy jeszcze kontrowersyjność zapisów niektórych wytycznych i poradników dojdziemy do wniosku, że potrzeba jeszcze czasu do stworzenia normatywów i racjonalnych metod obliczeniowych. Dlatego warto zapoznać się z funkcjonalnością geosyntetyków ich możliwościami i ograniczeniami, o których tak często zapominamy lub nie wiemy.

 

2. Geosyntetyki i ich funkcje w konstrukcjach inżynierskich.

Do wykonania zbrojenia, stosowanego w robotach ziemnych, fundamentowych i w konstrukcjach oporowych stosuje się geosyntetyki na bazie następujących polimerów: polietylen(PE ), polipropylen (PP), poliamid (PA), poliester (PTE → PES), aramid (AR), polivinyloalkohol (PVA).
Jako warstwy ochronne włókien lub taśm stosuje się również polichlorek winylu (PCV).
W celu zapewnienia odpowiednich właściwości wyrobom dodaje się również do ich wykonania rozmaite stabilizatory.

Rys. 1 Wykres wytrzymałości poszczególnych rodzajów włókien polimerowych w układzie ich wydłużenia.

 

Tab.1. Właściwości fizyczne polimerów

 

Tab.2. Odporność polimerów na działanie różnych ośrodków gruntowych:

 

Geosyntetyki stosowane w konstrukcjach inżynierskich można podzielić na :

  • przepuszczalne: geotkaniny, geowłókniny, geosiatki, geomaty, georuszty, geokomórki i geokompozyty,
  • nieprzepuszczalne: geomembrany, bentomaty i geomembrany bentonitowe.

 

W większości przypadków spełniają one cztery podstawowe funkcje:

  • separacyjną – jako warstwy odcinające lub separujące  grunt podłoża od nasypu hamując  tym samym mieszanie się tych gruntów jak również likwidując podciąganie wód kapilarnych  i uniemożliwianie poprzez  to  powstawania   przełomów  wiosennych w nawierzchniach bitumicznych,
  • wzmacniającą – jako warstwy poprawiające nośność słabego podłoża pod nasypami lub polepszające wytrzymałość nawierzchni na rozciąganie,
  • filtracyjną – jako filtry chroniące materiał przepuszczalny przed kolmatacją i zmianą właściwości filtracyjnych,
  • drenującą – jako dreny odprowadzające wodę w płaszczyźnie geosyntetyków.

Geosyntetyki mogą i najczęściej pełnią jednocześnie więcej niż jedną z wymienionych wyżej funkcji.

Rys. 2. Podstawowe funkcje geosyntetyków.

 

Funkcjonalność geosyntetyków można przedstawić również w formie schematu (rys.3).

Rys. 3. Funkcjonalność geosyntetyków

 

3. Rodzaje geosyntetyków.

Bazując na obowiązującej w Polsce normie PN-EN ISO 10318:2007 podział geosyntetyków można przedstawić według poniższego schematu.

Rys.4. Schemat podziału geosyntetyków

Najbardziej rozpowszechnioną pod względem funkcjonalności jest grupa wyrobów zwanych geotekstyliami.

  • Geotekstylia – płaskie i przepuszczalne polimerowe wyroby tekstylne stosowane w kontakcie z gruntem w szeroko pojętej branży budowlanej w tym materiały nietkane, tkane lub dziane.
  • Geowłókniny – są to nietkane wyroby tekstylne otrzymywane z bezładnie, przypadkowo ułożonych włókien ciągłych lub ciętych połączonych mechanicznie, chemicznie lub termicznie. Ze względu na swoją strukturę i właściwości mechaniczne przeznaczone są do wszelkiego rodzaju funkcji separujących, drenujących i filtracji. Ich stosunkowo niskie wytrzymałości na rozciąganie i duża wydłużalność wykluczają z wszelkich zastosowań wzmacniających podłoże.

Geowłóknina w powiększeniu 100x

 

Geowłókniny   

  • Geotkaniny – materiały wytwarzane techniką tkacką z dwóch lub większej ilości przędz, włókien ciągłych, taśm i układu taśm przeplatanych pod kątem prostym. Geotkaniny sa jedynym materiałem mogącym pełnić wszystkie funkcje jednocześnie. Ze względu na bardzo wysokie wytrzymałości na rozciąganie są nie zastąpione przy wzmacnianiu podłoży gruntowych dróg, linii kolejowych, wysokich nasypów lub wałów ppow. Są najbardziej optymalnym rozwiązaniem pod względem organizacyjno-kosztowym każdego przedsięwzięcia inwestycyjnego.

Geotkanina w powiększeniu 30x

 

Geotkaniny

Drugą najbardziej znaną grupą geosyntetyków są geotekstylne wyroby pokrewne. Również w tym przypadku są to płaskie wyroby do których zalicza się :

  • Geosiatki – płaski wyrób o otwartej strukturze z trwale połączonych  elementów wcześniej naciąganych i łączonych w procesach wytłaczania, spajania lub przeplatania. Ich zastosowanie łączy się z funkcją zbrojenia (wzmocnienia) we wszelkich robotach ziemnych. Ze względu na układ działania sił rozciągających stosuje się siatki jedno- lub dwukierunkowe , przeplatane lub o sztywnych węzłach. Pod względem funkcjonalności mogą samodzielnie pełnić tylko funkcję zbrojenia. Dla zapewnienia oddzielenia dwóch różnych warstw gruntowych geosiatki muszą być użyte z geowłókninami lub geotkaninami. Dodatkowym mankamentem jest konieczność dokonywania właściwego doboru uziarnienia gruntu dla uzyskania maksymalnego efektu zazębiania  żeber siatki i wypełniającego kruszywa. W porównaniu z geotkaninami nie mogą konkurować ceną i wytrzymałością na rozciąganie

Geosiatki

  • Georuszty drenażowe – geosyntetyki tworzone najczęściej z dwóch ukladów równoległych żeber przecinających się pod dowolnym kątem i trwale zespojonych. Dzięki swojej przestrzennej strukturze umożliwiają doskonałe drenowanie i odprowadzanie wody i gazów. W praktyce inżynierskiej stosowanie georusztow odbywa się w połączeniu jedno- lub dwuwarstwowym z geowłókninami. Przez to nazywane są często geokompozytami drenażowymi.

Georuszty drenażowe

 

  • Geomaty – to materiały przestrzenne o bezładnej konstrukcji z polimerowych jednolitych włókien ciągłych. Struktura włókien geomaty jest łączona mechanicznie, termicznie lub chemicznie w zależności od wyrobu. Stosuje się je przeważnie do stabilizacji powierzchni skarp poprzez ułatwianie ukorzenianiu się roślinności oraz w celu zahamowania erozji powierzchniowej. Mogą pełnić również rolę kompozytów drenażowych w kombinacjach jedno- lub dwu warstwowych z geowłókniną.

Geomaty

 

  • Geosyntetyki geokomórkowe – bardzo często porównywane są  do „plastra miodu”. Strukturę  komórkową uzyskuje się poprzez połączenie naprzemienne taśm geosyntetyków. Są to bardzo uniwersalne geosyntetyki stosowane do wszelkiego rodzaju umocnień przeciwerozyjnych stromych skarp i zboczy, wałów i zbiorników, wzmacniania słabych podłoży dla nasypów drogowych, kolejowych, dróg leśnych oraz przy konstruowaniu konstrukcji oporowych (optymalnie do wysokości 3,0 m).

Geokomórki

 

Bariery geosyntetyczne - to geosyntetyki nieprzepuszczalne uniemożliwiające swobodny   przepływ płynów lub gazów pod konstrukcją.

Geosyntetyczna bariera polimerowa – to nic innego jak geomembrana najczęściej stosowana jest  konstrukcjach składowisk odpadów i wylewisk oraz w budownictwie hydrotechnicznym . Możliwości dopasowania jej do różnych kształtów uszczelnianych konstrukcji oraz łatwość montażu stwarza nieograniczony zakres zastosowań.

Geomembrany

  • Geosyntetyczna bariera iłowa zwana również jako mata bentonitowa lub bentomata to swojego rodzaju geokompozyt o znikomej przepuszczalności. Trzonem tego materiału jest zmielony bentonit sodowy umieszczony pomiędzy geotekstyliami (mogą być to zarówno geowłókniny jak i geotkaniny). Zastosowanie tych barier łączy się  najczęściej ze zdolnością do samouszczelniania w składowiskach odpadów i ich rekultywacji.

Maty bentonitowe

Czwartą i ostatnią grupę wyrobów geosyntetycznych o bardzo różnych właściwościach, zastosowaniach i pełnionych funkcjach tworzą geokompozyty. Zgodnie z zapisem w normie PN EN ISO 10318:2005 jest to materiał w skład, którego wchodzi co najmniej jeden z przedstawionych wcześniej geosyntetyków.

Łączenie poszczególnych „komponentów” odbywa się poprzez wzajemne wiązanie, sklejanie, zszywanie, zgrzewanie lub tkanie. Stosowanie geokompozytów wymaga solidnego przygotowania merytorycznego od projektanta i wykonawcy robót

Geokompozyty

Geosyntetyki – to materiały wiotkie i cienkie, tak że można je rozpatrywać jako dwuwymiarowe. Są to jedyne materiały konstrukcyjne o takich właściwościach i to w znacznej mierze tłumaczy ich dynamiczny rozwój. Ponadto właściwości samych włókien polimerowych oraz funkcje jakie spełniają geosyntetyki sprawiają, że otworzyły się przed nimi szerokie możliwości zastosowania jako materiałów konstrukcyjnych przy budowie dróg, podtorzy, pasów startowych, placów składowych, ochrony skarp, zbrojenia korpusów zapór ziemnych oraz jako materiału filtracyjnego, drenarskiego i izolacyjnego. 

Schematy głównych zakresów zastosowań geosyntetyków przedstawiono na rys. 5.

Rys.5. Schematy zastosowań geosyntetyków.

 

4. Podsumowanie.

Wprowadzenie norm, wytycznych oraz nowych metod badawczych i projektowych dotyczących zastosowań geosyntetyków wymusza zrewidowanie wielu pojęć i procedur dotychczas obowiązujących w kontekście funkcjonalności i rodzajów występujących na rynku wyrobów zwanych geosyntetykami. Z kolei znajomość funkcji i umiejętność przypisywania im odpowiedniego rodzaju geosyntetyku doprowadzić może w drodze obliczeń do optymalizacji naszych działań inwestycyjnych. To w dłuższym okresie czasu na pewno przełoży się na wymierne korzyści dla każdej Strony uczestniczącej w procesie inwestycyjnym.
Pamiętajmy o tym, że znajomość struktury materiałów i ich właściwości jest podstawą bezpiecznej eksploatacji zaprojektowanych obiektów.