MIESI~CZNIK NAUKOWO-TECHNICZNYSTOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW KOMUNIKACJI RPROK LXIX ISSN 0012-6357 WRZESIEŃ 2014

Planarne zbrojenia podłoży nawierzchni drogowych

Ogólne zastosowanie geosyntety-ków w budowie dróg lądowych, odponad trzydziestu lat polega główniena wykorzystaniu ich własności jakoprzegród separacyjnych i filtracyj-nych. Właściwości geosyntetykówjako zbrojenia gruntu są wykorzysty-wane najczęściej w zakresie umac-

niania skarp budowli ziemnych. Jeżeli przez bezpieczne kon-strukcje budowlane należy rozumieć tworzenie odpowiedniowytrzymałych struktur materiałowych zachowujących stanygraniczne nośności i stateczności, to tym samym wymaga-niom podlegają wielowarstwowe struktury podłoża i na-wierzchni dróg lądowych. Pewne rezerwy konstrukcyjnetkwią w sposobie wzmacniania warstw gruntowych, składają-cych się na układ nośny danej budowli ziemnej, poprzez

KRZYSZTOFGRADKOWSKI

Politechnika Warszawskak.gradkowskl@ll.pw.edu.pl

306

zbrojenie geosyntetykami tych warstw. Celem niniejszegoopracowania jest ekspozycja sposobów uzyskiwania wyższejjakości nośności i wzmocnienia warstw gruntowych zbrojo-nych geosyntetykami. Artykuł został opracowany na podsta-wie selektywnego przeglądu badań i doświadczeń prowa-dzonych w różnych ośrodkach badawczych wymienionychw bibliografii [3] i dotyczących wyłącznie tej funkcji użytko-wej samych geosyntetyków. Problem nośności podłoża na-wierzchni dotyczy w równym stopniu dróg samochodowych,jak i dróg szynowych. W znaczeniu technologicznym, dotyczy bezpośredniej stateczności warstwy gruntu o przybliżo-nej grubości około 0,5 m, umiejscowionej bezpośrednio podwarstwami podbudowy nawierzchni drogi samochodowej.Zredukowana do minimum odkształcalność i podatność naodkształcenia podłoża gruntowego nawierzchni stanowipodstawowe wymaganie jakości tego podłoża.

.Drogownictwo ,. 9/20/4

Efekty wzmocnienia przez planarny układuzbrojenia warstw gruntowych

Planarne formy zbrojenia gruntów polegają na rozmiesz-czeniu w warstwie gruntu płaszczyzny zbrojenia geosynte-tycznego prostopadle do ciągłego i rozłożonego obciążeniaużytkowego. Badania i doświadczenia pomiarów laboratoryj-nych prowadzone w ostatnim dziesięcioleciu wykazują, żew istocie efekt zbrojenia, czyli wzmocnienia danej warstwyw popularnej formie geowłóknin i geosiatek o gramaturze200 do 350 m2 obejmuje warstwy gruntów piaszczystycho grubości od 6 do 9 cm [3]. Ograniczona grubość warstwywpływu zbrojenia wynika z zanikającej podatności na od-kształcenia pod wpływem obciążeń wraz ze wzrostem gru-bości. Podstawową funkcją zbrojenia w formie planarnegoukładu geosyntetyków w warstwach gruntu jest wzmocnieniegruntu z całkowitym pominięciem funkcji separacji warstwróżnych gruntów i kruszyw oraz funkcji filtracji i spływu wódzawilgocenia podłoża. Skutek wzmocnienia warstwy gruntu,jako elementu zbrojonego sytemu wielowarstwowego na-wierzchni drogi, jest następstwem kilku zjawisk i mechani-zmów występujących jednocześnie. Następuje pewna inter-ferencja poszczególnych efektów zbrojenia co w rezultacieskłada się na ewidentne wzmocnienie i mniejszą odkształcal-ność, zarówno warstwy zbrojonej gruntu, jak i całego, nośne-go układu wielowarstwowego. Mechanizmy występowaniaposzczególnych efektów wzmocnienia były analizowane do-tychczas w wielu publikacjach. Najnowsze specyfikacjew tym zakresie zawarte są w [2], [1]. W pierwszej kolejnościwymienia się tam opór wypierania warstw oraz siły tarcia po-wstające na styku powierzchni geosyntetyku z gruntem, któ-re zależą od składowych poziomych reakcji odporu gruntu.W ten sposób następuje pewien rodzaj mobilizacji sił spójno-ści i tarcia, schematycznie przedstawiony na rys.1.

Opór tarcia w mniejszym stopniu zależy od siły rozciągają-cej lub ..wyciągającej" geosyntetyk w zakresie minimalnychprzesunięć, a w większym stopniu od stanu zawilgocenia po-wierzchni geosyntetyku i uziarnienia zbrojonej warstwy grun-tu podłoża. Można przyjąć, że dla tej samej grubości warstwgruntowych i wyłącznie pionowych obciążeń zakres oporutarcia jest znacznie mniejszy w podłożach nawierzchni niżw geosyntetycznych zbrojeniach skarp budowli ziemnych.Innym mechanizmem efektu wzmocnienia poprzez zbrojeniegeosyntetykiem jest wzrost nośności gruntu wynikający ze

lfi!e!~GeosyntetYk

Opór tarcia powierzchniowego

Rys. 1. Schemat wywolania efektu oporu wypierania

..Drogownictwo" 9/20/4

Potencjalna powierzchniaścinania podłoża

uzbrojonego geosyntetykiem

Potencjalna powierzchnia ścinania podłożanieuzbrojonego geosyntetykiem

Rys. 2. Schemat powstawania efektu oporu ścinania ośrodka grunto-wego

zwiększenia obciążeń granicznych wobec ..zawartości" ma-teriału paraizotropowego w strefie granicznego wyporu grun-tu. Mechanizm tego efektu przedstawia rys. 2.

Pełny zakres oddziaływania mechanicznego geosyntetykuzbrojącego warstwę gruntu zawiera się również w jakościi sprężystości struktury samego produktu geosyntetycznego.Największymi zaletami odznaczają się geotekstylia. Pewienniewielki zakres sił wewnętrznego wzmocnienia warstwypodłoża podlega redystrybucji w postaci napięcia powierzch-niowego. W kilkunastu pracach, w tym w [1] określany jestjako ..efekt membranowy" schematycznie przedstawiony narys. 3.

Składowa poziomych sił reakcji płaszczyzny samego zbro-jenia geosyntetycznego powoduje zwiększenie siły oporutarcia. Efekt mechanizmu wzmocnienia gruntu jest bardziejwidoczny w podłożach nawierzchni dróg nieutwardzonych.Funkcja zbrojenia geosyntetycznego i zakres wzmocnieniapoprzez ..efekt membranowy" przy większych deformacjachwarstwy nawierzchniowej z kruszywa stają się wówczas wy-rażniejsze.

W miarę rozwoju laboratoryjnych prac doświadczalnychi pomiarowych nad wzmacniającą funkcją geosyntetykóww warstwach gruntowych podjęto szereg obliczeń numerycz-nych różnych struktur modelowych. Od wielu lat wyniki obli-czeń cyfrowych modeli analitycznych przedstawione sąw publikacjach wymienianych w bibliografii [3]. Niezależnieod trudności w formalnym opisie rozdrobnionego ośrodkagruntowego, za skuteczne próby tworzenia adekwatnychmodeli analitycznych odpowiadających układowi warstwygruntu z planarną warstwą geosyntetyku, uważane są mody-

Rys. 3. Schemat występowania efektu membrany

307

fikacje złożeń modeli Kerra i Reissnera. przy wszystkichuproszczeniach obliczeń odkształcenia powierzchni, ozna-czanych jako w według schematu rys. 4 przedstawionychw [4], relatywnie miarodajne wyniki zostały uzyskane dla za-łożeń przedstawionych niżej.

przemfes fe wzezen pow. =1"1 I p I-I

Tgórna warstwa spr.- II.l

T

dolna warstwa $pr.-~

/ / / /podłoże sztywne

Rys. 4. Schemat zmodyfikowanego modelu Kerra Reissnera wed/ug [4]

k = 4E (1 )/I H

k = 4E (2)I 3H

w którym:ku - współczynnik sprężystości warstwy gruntu, kN/m3,

ki - współczynnik sprężystości dolnej warstwy gruntu, kN/m3,

E - moduł Younga dla gruntu, (90500 kN/m2 przy v = 0,3),H - grubość warstwy gruntu, m,T - stałe napięcie membrany geotekstylnej, kN/m.

Założenia takie wskazują na oczywisty wzrost sztywnościgruntowej warstwy dolnej, położonej pod zastosowaną war-stwą geosyntetyku. Za dyskusyjny jednak należy uznać wynik,w którym wzrost sztywności dolnej warstwy gruntu może byćaż trzykrotny, wynikający z porównań wzorów (1) i (2). Weryfi-kacja pomiarowa tego założenia może być trudna, lecz jestmożliwa za pomocą przybliżeń statystycznych w kontekściewielu pomiarów laboratoryjnych. W pracy [2] wzrost sztywno-ści dolnej części gruntu warstwy zbrojonej szacowany jestjako około dwukrotny. Stan ten i taka kategoria założeń wyni-kających z fizycznego modelu "przewarstwienia" geosyntety-kiem relatywnie cienkiej warstwy gruntu, bo około 20-30 cm,jest ważnym argumentem dla występującego wzmocnieniagruntów poprzez planarne ułożenie warstwy geosyntetyku(geotekstyliów), niezależnie od precyzyjnie ustalonego zakre-su ilościowego wzrostu sztywności warstwy zbrojonej.

Rekomendacje sposobu zbrojenia warstwpodłoży nawierzchni dróg samochodowych

Techniczne sposoby zastosowania zbrojenia podłoża na-wierzchni geosyntetykami, zwłaszcza geotekstyliami, powin-ny uwzględniać regulacje zawarte w [5]. Konkretne rozwiąza-nia techniczne, za które odpowiada każdorazowo projektantdrogi, powinny być pewne i bezpieczne. Warunki techniczne[5] wskazują na cztery grupy podłoża nawierzchni drogowej,a po wykonaniu różnych zabiegów technologicznych pożą-daną grupą podłoża jest G1. Cel taki można osiągnąć używa-jąc odpowiednich ilości cementu do ulepszenia podłożagruntowego. Podane w rozdziałach poprzednich mechani-zmy wywołujące efekty wzmocnienia warstw podłoży grunto-wych geotekstyliami przemawiają za słusznością zastosowa-nia rozwiązań według schematu rys. 5.

308

G2 + 2[3)*x ~ G1gtx

Rys. 5. Ide0f!ram technicznego zastosowania planarnego zbrojeniapod/oza nawierzchni drogi (*/ w zależności od właściwości gruntu; gtx- warstwa geotekstyli6w)

Zastosowanie geotekstyliów do zbrojenia podłoży grunto-wych nawierzchni może zatem być substytutem zastosowa-nia cementu do ulepszenia i wzmocnienia warstw gruntuoraz warstw kruszyw. W przypadku kruszyw, skuteczniejszymelementem zbrojącym są oczywiście geosiatki.

Wnioski

Postulowana konstrukcja podłoża nawierzchni zbrojonageosyntetykami jest uzasadniona zarówno wynikami pomia-rów laboratoryjnych, jak i obliczeniami wielu modyfikowa-nych modeli analitycznych. Stosowanie geosyntetyków jakoelementu zbrojącego warstwy gruntu lub kruszywa (sortowa-nego lub niesortowanego), nie eliminuje ich filtrujących i se-paracyjnych własności. Układ podłoża gruntowego złożonyz wielu warstw zbrojenia bądź złożony z kilku warstw zbrojo-nych geosyntetykiem będzie z całą pewnością stateczniej-szy, a w skrajnych przypadkach .przesztywniony", Cały, wie-lowarstwowy układ nawierzchni drogi samochodowej, po-przez zastosowanie geosyntetyków jako zbrojenia staje sięmocniejszy i stabilniejszy. Przydatność takiej technologii bu-dowy gruntowych podłoży nawierzchni dróg zbrojonych pla-narnie może prowadzić również do redukcji kosztów realiza-cji górnych warstw budowli ziemnej. Porównawczy poziomredukcji kosztów będzie zależny od skali ilościowej użytychmateriałów geotekstylnych i gruntowych, przewidywanej ilo-ści cementu, który mógłby być zużyty.

Bibliografia

[1) B. R. Christofer: Geogrids in roadway and pavement systems.Geosynthetics Engineering, August 2008

[2) A. Dewangana, D.P.Gupta, R. K. Bakshia and R. K. Manchiryala:The signiticance ot geotextile in unpaved roads with special re-terence to stress analysis. International Journal of Current Engi-neering and Technology, Vol.3, NO.1, March 2013, s.168-178

[3) K. Gradkowski: Badania gruntowych pod/oży nawierzchni zbrojo-nych geosyntetykami. Oficyna Wydawnicza Politechniki War-szawskiej, z.156, Warszawa 2013

[4) J. S. Horvath, R. J. Colasanti: New hybrid subgrade model torsoif-structure interaction analysis:toundation and geosyntheticsapplications. ASCE Geo-Institute/IFAI/GMNNAGS Geo-Frontiers2011 Dallas, Texas, U.SA, March 2011

[5) Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia2 marca 1999 w sprawie warunków technicznych, jakim powinnyodpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 43, poz.430).

.,Drogownictwo" 9/20/4