Konstrukcje oporowe stanowią niezbędny element każdego projektu w dziedzinie drogownictwa. Stosowane są nie tylko w przyczółkach mostów i skrzydłach przyczółków, ale również do stabilizacji skarp oraz w celu ograniczania zajęcia pasa drogowego przez nasypy. Przez wiele lat konstrukcje oporowe wykonywano właściwie wyłącznie z betonu zbrojonego, w postaci ścian masywnych lub wspornikowych, które są w zasadzie sztywnymi konstrukcjami i nie są w stanie wytrzymać bardzo nierównomiernego osiadania, chyba że zostaną posadowione na głębokich fundamentach. Wraz ze wzrostem wysokości masywu gruntowego, który ma zostać utrzymany przez ścianę oraz w trudnych warunkach gruntowych gwałtownie rośnie koszt budowy ścian oporowych z betonu zbrojonego.
Ściany oporowe z gruntem zbrojonym oraz skarpy z gruntu zbrojonego to niedrogie konstrukcje oporowe, które znoszą osiadanie o wiele lepiej niż ściany z betonu zbrojonego. Kładąc w gruncie rozciągliwe elementy zbrojeniowe (materiały wzmacniające), możemy znacznie zwiększyć wytrzymałość gruntu, dzięki czemu pionowe lico układu grunt/zbrojenie jest zasadniczo samonośne. Zastosowanie oblicowania, aby zapobiec wydostawaniu się gruntu spomiędzy elementów zbrojeniowych umożliwia bezpieczną budowę bardzo stromych skarp i pionowych ścian. W pewnych przypadkach materiały wzmacniające mogą również wytrzymać zginanie wskutek działania naprężeń ścinających, zwiększając dodatkowo stateczność systemu.
Fot. 1. Konstrukcja muru oporowego z geokomórek i schemat obliczeniowy
Pionierem współczesnych metod zbrojenia gruntów do budowy ścian oporowych był francuski architekt i inżynier Henri Vidal na początku lat 60. XX w. Jego badania doprowadziły do wynalazku i rozwoju systemu Reinforced Earth®, w którym do zbrojenia stosuje się taśmy stalowe.
Fot. 2, 3. Konstrukcja wsporcza stożków z płyt krzyżowych
Obecnie większość patentów dotyczących budowli lub elementów systemów z gruntem zbrojonym już wygasła, dzięki czemu dostępnych jest wiele systemów lub elementów, które wykonawca może zakupić i wybudować samodzielnie. Niewygasłe patenty dotyczą głównie metod łączenia zbrojenia z licem konstrukcji.
Konstrukcje oporowe z gruntu zbrojonego geosyntetykami to konstrukcje, w których naprężenia rozciągające przejmowane są przez odpowiednio zaprojektowane, dobrane i rozmieszczone wkładki polimerowe.
Fot.4. Konstrukcja oporowa z gruntu zbrojonego i schemat obliczeniowy
Oblicowanie w konstrukcjach ścian oporowych w zależności od charakteru pracy dzieli się na systemy :
- aktywne, tj. gdy lico ściany oporowej jest elementem bloku z gruntu zbrojonego,
- bierne, tj. gdy lico pełni funkcję estetyczną i jest traktowane jako element wykończeniowy zamkniętych konstrukcji gruntu zbrojonego.
Rys.1. Konstrukcja oporowa z oblicowaniem (segmentowy mur oporowy)
a) system aktywny, b) system bierny
Pomimo upływu ponad 30 lat od pierwszych zastosowań gruntu zbrojonego brak jest jakichkolwiek polskich wytycznych pozwalających projektantowi na swobodne projektowanie konstrukcji z gruntu zbrojonego geosyntetykami. Norma PN-83/B-03010 „Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie", będąca najbardziej rozpowszechnionym dokumentem odniesienia, właściwie nie uwzględnia możliwości zastosowań geosyntetyków. Załącznik 5 wspomnianej normy wprowadza wprawdzie pojęcie ścian oporowych z gruntu zbrojonego, w praktyce jednak zawęża obszar zastosowań do zbrojenia stalą. W efekcie projektant chcący dokonać obliczeń zgodnie z ww. normą dla zbrojenia geosyntetykami nie znajduje kompletu wartości będących podstawą obliczeń.
Sytuacja opisana powyżej wynika przede wszystkim z faktu gwałtownego rozwoju tej dziedziny, lecz, co trzeba podkreślić, Polska nie jest tu przypadkiem odosobnionym. W większości krajów europejskich nie opracowano lokalnych, krajowych wytycznych projektowania. Większość konstrukcji jest projektowana w oparciu o jedną z dwóch odmiennych w założeniach metod, mających jednak wiele cech wspólnych. Praktycznie w Europie wykorzystuje się dwie metody projektowe:
- metodę brytyjską w oparciu o BS 8006,
- metodę niemiecką opracowaną przez Niemiecki Instytut Techniki Budowlanej (Deutsches Insitut fur Bautechnik), uwzględniającą normy DIN 1054 i DIN 4017.
Obie metody projektowania rozgraniczają analizę stateczności układu na dwie części, tj. analizę stateczności zewnętrznej oraz analizę stateczności wewnętrznej. W ramach analizy stateczności zewnętrznej należy sprawdzić 4 podstawowe warunki :
- stateczność na przesunięcie,
- stateczność na zawalenie,
- nośność podłoża pod konstrukcją,
- stateczność ogólną.
Rys. 2. Podstawowe mechanizmy zniszczenia zbrojonych konstrukcji oporowych
a) poślizg bryły odłamu, b) poślizg zbrojenia, c) wyparcie gruntu,
d) utrata stateczności zbocza.
Wynikiem analizy stateczności zewnętrznej jest określenie wymaganej minimalnej długości zbrojenia konstrukcji. Ostatnie z wymienionych, sprawdzenie stateczności ogólnej, jest wymagane szczególnie w przypadku występowania niekorzystnego układu geologicznego. Dla analizy stateczności ogólnej należy zastosować jedną z tradycyjnych metod, uwzględniając potencjalne powierzchnie poślizgu o kształcie cylindrycznym lub łamanym. Sprawdzenie stateczności zewnętrznej prowadzone jest więc w analogiczny sposób jak w przypadku projektowania tradycyjnych konstrukcji oporowych.
Rys. 3. Warunki sprawdzane w analizie stateczności „wewnętrznej”.
Przy analizowaniu stateczności wewnętrznej należy sprawdzić, czy w trakcie całego projektowanego czasu eksploatacji konstrukcji nie dojdzie do:
- wyciągnięcia zbrojenia z konstrukcji (ang. pull-out).
- zerwania zbrojenia w wyniku wystąpienia siły niszczącej T większej od jego wytrzymałości.
Rys.4. Stan graniczny stateczności klina odłamu.
Analizę układu sił niszczących i utrzymujących przeprowadza się dla poszczególnych klinów odłamu. Wytrzymałość zbrojenia w każdym przypadku i w każdej warstwie musi być większa od najbardziej niekorzystnego układu sil rozciągających pochodzących od obciążeń stałych i zmiennych. Co istotne, warunek ten powinien być również spełniony w całym okresie eksploatacji konstrukcji oporowej i przy uwzględnieniu wpływu wszystkich czynników zmniejszających parametry wytrzymałościowe zbrojenia w czasie.
Wynikiem końcowym obliczeń stateczności wewnętrznej jest ilości warstw zbrojenia, jego rozstawu oraz. określenie jego minimalnej wytrzymałości projektowej.