Projektowanie konstrukcji budowlanych, nasypów, murów oporowych oraz stromych skarp posadawianych  na słabonośnych podłożach wiąże się z modyfikacją właściwości tych gruntów. W dzisiejszych warunkach intensywnej urbanizacji i z tym związanej ograniczonej lokalizacji, często projektanci stają przed trudnym zadaniem posadowienia obiektu inżynierskiego na podłożu zbudowanym z utworów czwartorzędowych wieku holoceńskiego reprezentowanych w stropowych partiach przez torfy, pod którymi mogą występować dodatkowo jeszcze namuły, kredy i gytie. Szczególnie wyraźnie występuje to zjawisko przy budowie tras komunikacyjnych, które z racji swego optymalnego zarysu często prowadzą przez organogeniczne tereny. Grunty organiczne charakteryzują się stosunkowo niską nośnością i dużą odkształcalnością. Posiadają dużą wilgotność 200 ÷ 1200 %, małą wytrzymałość na ścinanie (ф = 2 ÷l0° i c = 4 ÷ 25kPa ) oraz niskie wartości modułów (Mo = 200  ÷ 2000 kPa ). Z punktu widzenia praktyki budowlanej, szczególnie mając już dość duże doświadczenia poszczególnych środowisk projektantów i wykonawców, określanie nośności podłoża gruntowego w danych warunkach obciążenia ułatwiają obecnie dostępne na rynku specjalistyczne programy komputerowe. Znalazły one szerokie zastosowanie w budownictwie między innymi w drogownictwie i kolejnictwie. Umożliwiają projektowanie prostych i złożonych nasypów posadawianych np. na gruntach słabonośnych, wysokich skarp, zabezpieczeń skarp „płynących" o małej stateczności oraz zagospodarowanie osuwisk. W sposób istotny pomagają rozwiązać problemy związane między innymi z określaniem poszczególnych stanów granicznych nośności i użytkowania, określaniem wielkości deformacji w fazie sprężystej wraz z osiadaniem i konsolidacją podłoża, określaniem stateczności lokalnej i ogólnej konstrukcji nasypu lub skarpy i przede wszystkim sposobu wzmocnienia podłoża o złożonych warunkach gruntowo - wodnych.

 

1. Sposoby modelowania układów i ich współoddziaływanie: konstrukcja  –  ośrodek gruntowy.

W większości przypadków mamy do czynienia z procedurami opartymi na MES z elementami membranowymi ( geotkaniny, geosiatki i geomembrany ) oraz modelami sztywno -plastycznymi i sprężysto - plastycznymi ośrodków gruntowych. Przy określaniu nośności granicznej zgodnie z normą posadowień bezpośrednich, używa się modelu sztywno - plastycznego z powierzchnią C - M → f ( c, Ø ) lub sprężysto - plastycznego z powierzchnią D-P→ f(E,ν). Przedstawione w nawiasach właściwości fizyko -mechaniczne gruntów są przedmiotem normalizacji. Przy określaniu deformacji podłoża gruntowego zbudowanego szczególnie z gruntów słabonośnych, stosuje się modele ze wzmocnieniem. W każdym przypadku, podejmując decyzję o wykorzystaniu programów komputerowych projektant jest zobligowany do zapoznania się z algorytmem modelowania numerycznego i poprawności doboru stosowanych modeli do rozpatrywanego problemu geotechnicznego. W większości przypadków, analizując dotychczasowe znane zaprojektowane i zrealizowane obiekty liniowe na gruntach organicznych ze wzmocnieniem geosyntetykami i drenażem pionowym, należy się liczyć z koniecznością przeprowadzania dodatkowych badań polowych i laboratoryjnych. Dokładne określenie parametrów fizyko - mechanicznych gruntów podłoża, szczególnie na próbkach NNS, wykonanych z pełną świadomością celu okazuje się nieodzowne w momencie przystępowania do modelowania i określania poszczególnych stanów granicznych nośności i użytkowania (osiadania, konsolidacji ). Dla gruntów organicznych, gdy dochodzi dodatkowo reologia i konsolidacja ( przyspieszenie drenażem pionowym ), należy wykonać badania:

kąta tarcia wewnętrznego i kohezji, wilgotności naturalnej,  modułów odkształcenia, współczynników konsolidacji Cv i Ch, parametrów ciśnienia wody porowej i współczynników Ψ, ν.

 

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) neoloy

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.[17]

 

 Geosyntetyki stosowane w konstrukcjach inżynierskich można podzielić na :

przepuszczalne: geotkaniny, geowłókniny, geosiatki, geokraty, 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 ikwidując 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

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.

 

3. Współoddziaływanie grunt - geosyntetyk

Dodanie geosyntetyków przy wzmacnianiu słabych podłoży odgrywa rolę membrany i powoduje przede wszystkim opóźnianie zniszczeń, hamowanie względnie przeciwstawianie się płynięciu plastycznemu. Geosyntetyki nie wykazują jednak wytrzymałości na ścinanie, lecz przejmują te siły poprzez rozciąganie w swojej płaszczyźnie. Siły rozciągające są przejmowane na bokach przez siły tarcia oraz zakotwienie geosyntetyków. Schemat działania geosyntetyków przedstawia rysunek 3. Ze schematu tego można wyznaczyć dwa rodzaje pracy geosyntetyków :

1. geosyntetyk pracuje jako napięta membrana

wzdłuż AB zachodzi płynięcie plastyczne gruntu górnego ( przykrycia ) pod obciążeniem, wzdłuż BC ( AD ) zachodzi płynięcie plastyczne gruntu dolnego ( podłoża ) wywołane zagłębianiem powierzchni obciążonej;

 

2. geosyntetyk pracuje jako zakotwienie wzdłuż DE ( CF ).

 

Rys. 3.  Schemat działania geosyntetyku [18]

Badania dotyczące stateczności naturalnego podłoża ze wzmocnieniem obciążonego w warunkach płaskiego stanu odkształcenia wykazały znaczącą rolę m.in. długości odcinków traktowanych jako zakotwienie.

Rys 4.  Trajektorie przemieszczeń w fazie plastycznego płynięcia dla różnych długości pasma geosyntetyku [19]

Z zarysu stref dużych przemieszczeń oraz trajektorii przemieszczeń punktów charakterystycznych podłoża gruntowego pokazanych na rysunku 4a) wynika , że przy zbyt małej długości pasma geosyntetyku w przekroju poprzecznym występuje poślizg na jego końcach – geosyntetyk wciągany jest do środka. Efektu tego nie zauważa się w przypadku dłuższego pasma – rys.4b)

Z porównania stref plastycznych na rys. 4a) i  b) wynika wyraźna różnica pracy podłoża gruntowego :

na rys. 4a) strefa uplastycznienia gruntu jest zwężona na skutek istnienia poślizgu w zakotwieniu geosyntetyku, na rys. 4b) ze względu na zakotwienie geosyntetyku zasięg strefy uplastycznienia jest znacznie rozszerzony i obejmuje do współpracy większą strefę gruntu wynikającą z jego oddziaływania.

Z tego wynika, że bardzo ważną czynnością jest obliczenie bezpiecznej długości zakotwienia. Zakotwienie to jest w konsekwencji zakotwieniem grawitacyjnym dla którego rozciąganie jest przejmowane przez tarcie dla gruntów niespoistych oraz przez przyczepność ( adhezję ) dla gruntów spoistych. Na poniższym rysunku przedstawiono schemat działania sił w zakotwionym elemencie ds. geosyntetyku. 

Równowaga tego elementu pozwala napisać :

dT = ( σz ⋅ tgφ + ψ ) ds

gdzie:

σz = γ⋅H Pozostało jeszcze 90% tekstu