Konstrukcje z gruntu zbrojonego są znane i wykonywane od czasów antycznych. Stosując zbrojenie wytwarza się kompozyt, który w przeciwieństwie do samego gruntu będzie posiadał wytrzymałość na rozciąganie, której sam grunt praktycznie nie wykazuje. Na „nowo” odkrył grunt zbrojony Henri Vidal, który w 1963 roku opracował metodę wymiarowania ścian oporowych z gruntu zbrojonego i podał zasady ich wykonawstwa. Grunt w tych ścianach posiadał zbrojenie ze stalowych taśm, a lico stanowiły elementy z blachy stalowej w formie poziomo leżącej litery U (Jones, 1998). Dalszym postępem było zastosowanie geosyntetyków dla potrzeb ulepszania i zbrojenia gruntu, które zapoczątkowano pod koniec lat 70. ubiegłego wieku.

W zasadzie można obecnie uważać, że okres pionierski w zastosowaniu geosyntetyków już się zakończył. W wielu krajach zostały wydane normy budowlane i nastąpiła samoregulacja rynku. Coraz więcej projektów przygotowywanych jest planowo ze zbrojeniem geosyntetycznym. Na fot. 1 jako przykład pokazano ścianę oporową z gruntu zbrojonego o wysokości ok. 22 m z „zielonym licem”, natomiast na fot. 2 ścianę oporową o wysokości ok. 20 m z licem z bloczków, które zostały zaprojektowane w sposób inżynierski, tzn. z dowodem wystarczającej stateczności i z dowodem dotrzymania warunków użytkowalności. Poza ścianami oporowymi i przyczółkami wykonuje się również nasypy na słabym podłożu, ze zbrojeniem geosyntetycznym w podstawie.

Zastosowanie geosyntetyków w Polsce ma nieco krótszą tradycję niż w krajach zachodnich, niemniej już w ostatniej dekadzie zaczęto stosować materiały geosyntetyczne na większych obiektach. Jednym z największych obiektów w Polsce zrealizowanym z gruntu zbrojonego jest nasyp drogowy na drodze wojewódzkiej nr 933 w Jastrzębiu Zdroju (Ajdukiewicz, 2003). Geosyntetyki okazały się także niezbędne podczas budowy największego w Polsce węzła autostradowego Sośnica, łączącego autostradę A4 z autostradą A1 w Gliwicach, oraz na innych obiektach komunikacyjnych na Śląsku, gdzie występują zagrożenia szkodami górniczymi.

Oprócz geosiatek szeroko w Polsce stosowane są też konstrukcje z gruntu zbrojonego geotkaninami. Głównie chodzi tu o nasypy na słabych gruntach ze zbrojeniem w podstawie. Pomimo niewątpliwego postępu jednak widocznym brakiem nadal jest zbyt duża dowolność w wyborze norm i metod wymiarowania, doborze współczynników bezpieczeństwa i różnic w programach obliczeniowych. Powoduje to dużą rozbieżność, co do potrzebnej wytrzymałości zbrojeń i prowadzi do drastycznych różnic w specyfikacjach technicznych (Sobolewski, 2006) oraz budzi nieufność zarówno u inwestorów, jak i projektantów. Dlatego autor bazując na EC 7 i niektórych publikacjach lub normach związanych z tą tematyką, przedstawia najważniejsze zasady dotyczące wymiarowania zbrojeń w konstrukcjach ziemnych.

Krótka charakterystyka polimerów i produktów stosowanych na zbrojenia

Z szerokiej gamy polimerów, jakie obecnie są produkowane na skalę przemysłową dla geoproduktów do zbrojenia gruntu stosuje się w zasadzie następujące z nich: aramid (AR), poliwinyloalkohol (PVA), poliester (PES, PET), poliamid (PA), polipropylen (PP), polietylen wysokiej gęstości (PEHD). Wymienione polimery wykazują dostateczną odporność w naturalnym środowisku gruntowo-wodnym o pH w zakresie 4-9, o ile bez dłuższej zwłoki pokryte będą po instalacji gruntem lub osłonięte od działania promieniowania słonecznego.

Projektant decydując się na konstrukcje z gruntu zbrojonego powinien mieć dostateczną wiedzę o geosyntetykach, tak ażeby mógł później opiniować propozycje oferentów i prowadzić nadzór autorski nad budową. Oczywiście, że rodzaj gruntu nasypowego, a także rodzimego, typ budowli i technologii budowy będzie miał wpływ na wybór odpowiedniego zbrojenia. W przypadku zbrojenia ważnymi właściwościami są nie tylko liczbowo wyrażona wytrzymałość krótkotrwała na rozciąganie (F_o,k), którą można odczytać z etykiet lub dokumentacji dostawczej przez producenta, ale również:

• obliczeniowa wytrzymałość długoterminowa (F_d) ustalona przy uwzględnieniu wszystkich wpływów dla punktu zerwania geosyntetyku, wytrzymałość ta odnosi się do 1. stanu granicznego,
• charakterystyczna wartość wytrzymałości na rozciąganie (F_k,ε) dla dopuszczalnego całkowitego wydłużenia się zbrojenia (ε_gr) (od momentu wbudowania do końca eksploatacji obiektu),
• dla przyczółków mostowych charakterystyczną wartość wytrzymałości na rozciąganie (F_k,Δε) dla dopuszczalnego wydłużenia przy pełzaniu (od końca budowy do końca okresu eksploatacji),
• wartość charakterystyczna modułu sztywności na rozciąganie (J_k) przy uwzględnieniu wszystkich wpływów dla założonego czasu obciążenia i temperatury.

Systemy normowe w krajach UE

W zasadzie kraje Unii Europejskiej znajdują się w okresie koegzystencji dwóch systemów normowych, który ma się zakończyć w styczniu 2011 r. ostatecznym wprowadzeniem Eurokodu 7 i tzw. Załączników Krajowych. System “stary” oparty na metodzie globalnego współczynnika bezpieczeństwa można zatem stosować do grudnia 2010 r. Przykładem „starych” norm są tutaj normy niemieckie: DIN 1054 z roku 1976 w odniesieniu do posadowień i DIN 4084 z 1981 roku w odniesieniu do zboczy. “Nowy” system normowy oparty na metodzie stanów granicznych, którego generalne zasady będą zawarte w EC 7 obowiązywać będzie zatem od stycznia 2011 r. Każdy z krajów Unii jest zobligowany do tego czasu wydać załącznik do EC 7, tzw. Załącznik Krajowy, w którym będzie uściślony dobór metod wymiarowania i ustalone wielkości cząstkowych współczynników bezpieczeństwa.

Na przykład w Niemczech obowiązują i są już testowane normy DIN 1054:2005 i DIN 4084:2009-01, które to będą stanowić między innymi załącznik do EC 7. Aktualnie zakończono opracowywanie nowej edycji EBGEO (obecna wersja wydana została w 1997 r. - EBGEO, 1997), tak ażeby wraz z wprowadzeniem EC 7 i DIN 1054 powstał spójny system normowy dotyczący projektowania z geosyntetykami. W Wielkiej Brytanii pracuje się nad nowelizacją BS 8006:1995, która ma stanowić Załącznik Krajowy do EC 7 w odniesieniu do gruntów zbrojonych, a we Francji wydana została odpowiednia norma, która nosi numer NF 94-270.

W fazie koegzystencji systemów normowych, obliczenia statyczne można wykonywać jednym z wymienionych systemów normowych, ale oczywiście konsekwentnie, tzn. począwszy od przyjmowania wielkości obciążeń, metod obliczeniowych, a skończywszy na doborze współczynników bezpieczeństwa, należy opierać się na jednym i tym samym systemie norm. W istniejącej „dziurze normowej“ w zakresie gruntu zbrojonego w Polsce autor zaleca oparcie się na Instrukcji ITB 429/2007 ITB (Wysokiński i Kotlicki, 2007), aż do czasu normalizacji zastosowania geosyntetyków w Polsce. Ważnym jest, aby w każdym projekcie widniała deklaracja, co do systemu normowego, w jakim została zaprojektowana dana konstrukcja z gruntu zbrojonego. Zapis ten powinien też znaleźć się w specyfikacjach, tak aby uczestnicy przetargu mogli oferować, uwzględniając w analizach stateczności, ten sam system normowy.

Janusz Sobolewski
Huesker Synthetic GmbH, Niemcy