Uporządkowanie gospodarki wodnej jest jedną z zasadniczych metod w zabezpieczaniu osuwisk. Dla tego celu projektuje się systemy drenażowe, buduje się nowe lub odbudowuje i modernizuje uszkodzone rowy i przepusty.

Podstawowe zastosowania geokomórek do konstrukcji systemów drenażowych

Rowy drenażowe. muldy stokowe i przepusty
Systemy geokomórkowe umożliwiają równoczesne użycie betonu, kruszyw, żwirów i pokryć roślinnych jako elementów konstrukcyjnych. Geokomórki w budowie kanałów i rowów pozwalają na eliminację dodatkowych podsypek z piasków lub kruszyw, a w przypadku przepustów i rowów krytych mogą być stosowane do fundamentowania i osłon rur lub kształtek przepustu, zapobiegając podmyciu i nierównomiernemu osiadaniu (rys. 6).

Najczęściej stosowane w konstrukcjach rowów i muld stokowych są geosiatki komórkowe teksturowane i perforowane o wysokości 75 i 100 mm. Wyższe komórki stosuje się przy konstrukcji rowów o bardzo stromych brzegach, dla trudnych warunków hydraulicznych (duże prędkości przepływu, erozja), do budowy bystrzy i rowów kaskadowych.

Duże prędkości przepływu wymagają wypełnień betonowych. Komórki działają jak szalunek i zbędne są połączenia dylatacyjne. Cała konstrukcja dostosowuje się do niewielkich ruchów podłoża redukując wypieranie gruntu i podmywanie. Ciśnienie hydrostatyczne jest redukowane przez odpowiednie geotekstylia podścielające i/lub otwory umożliwiające filtrację. Beton może być zastosowany tylko do wypełnienia dna rowu, a brzegi mogą być pokryte roślinnością tworząc konstrukcję odporną na krótkotrwałe ciężkie warunki hydrauliczne.

Geokomórkowe konstrukcje oporowe i ogólne zasady ich projektowania

Zastosowanie i wybór typu geokomórkowych konstrukcji oporowych
Zastosowanie geokomórkowych konstrukcji oporowych jest metodą łączącą w sobie wzmocnienie konstrukcyjne wraz z przebudową skarpy lub zbocza. Przy zabezpieczaniu osuwisk okazały się bardzo praktycznym rozwiązaniem ze względu na ich dostosowanie do nieregularnego ukształtowanie terenu ułatwiające jego zestopniowanie.

Konstrukcje oporowe oparte na systemach geokomórkowych jako samodzielne konstrukcje mają zastosowanie przy stabilizacji osuwisk tam, gdzie powierzchnia poślizgu występuje stosunkowo płytko. W innych przypadkach takie konstrukcje oporowe z gruntu oraz ubezpieczenia przeciwerozyjne wchodzą w skład konstrukcji geoinżynierskich obejmujących również palowanie, gwoździowania, czy też kombinację tych metod (np. „mur messyński”) [5].

Przy zabezpieczaniu osuwisk zasadniczo stosowano trzy podstawowe typy konstrukcji oporowych wykonywanych w technologii komórkowego systemu ograniczającego [1]:
1) Konstrukcje grawitacyjne.
2) Konstrukcje grawitacyjne strefowe.
3) Konstrukcje kompozytowe.
Należy pamiętać, że globalna stateczność gruntowych konstrukcji oporowych zależy od lokalnych warunków geotechnicznych, natomiast jest niezależna od wybranego typu konstrukcji oporowej.

Ad 1 ) Konstrukcje grawitacyjne i niekotwione elewacje
Konstrukcje grawitacyjne i niekotwione elewacje mają przekrój trapezowy, składają się z wielu warstw geokomórek standardowych o jednakowej wysokości (najczęściej 0,2 m) w pełni zamykając i ograniczając materiał wewnątrz komórek. Do konstrukcji oporowych stosujemy geokomórki teksturowane lub sekcje perforowane o licu z taśm teksturowanych. Podobnie jak w przypadku wszystkich gruntowych konstrukcji oporowych, również i w tej technologii w strefie zasypu gruntem z tyłu konstrukcji wymagany jest odpowiedni drenaż (rys. 7).

Zasadniczą zaletą komórkowych konstrukcji grawitacyjnych jest ich smukłość (niski stosunek szerokości podstawy do wysokości), prosta instalacja o powtarzalnych czynnościach. Ze względu na fakt, że objętość i koszt geosyntetyków rośnie znacząco ze wzrostem wysokości w przypadku grawitacyjnych konstrukcji oporowych, za najbardziej ekonomiczne uznaje się konstrukcje o wysokości do 3 m [8].

Ad.2) Konstrukcje grawitacyjne strefowe
Tego typu konstrukcje są odpowiednie z techniczno-ekonomicznego punktu widzenia, gdy wymagana wysokość konstrukcji przekracza 3,5 m. Dzięki takiej konstrukcji możemy zredukować znacznie konieczną ilość geosiatek komórkowych. Zasadniczo konstrukcja składa się z pełni ograniczonej strefy licowej i ograniczonych warstw pośrednich rozciągniętych ku tyłowi konstrukcji. Do wypełniania komórek zaleca się stosowanie materiałów wypełniających dobrej jakości.

Ad.3) Konstrukcje kompozytowe
Konstrukcje kompozytowe wykonywane w technologii komórkowych systemów ograniczających składają się z geokomórkowych sekcji tworzących lico oraz z różnych geosyntetycznych wzmocnień rozłożonych poziomo w kierunku tyłu konstrukcji (rys. 8).

Zamiast geosyntetycznych wzmocnień w określonych warunkach stosuje się kotwy, gwoździowanie i inne elementy łączące. Konstrukcje kompozytowe są dostosowane praktycznie do każdej wysokości i pozwalają na stosowanie różnego typu materiałów wypełniających. Jedynym ograniczeniem dla konstrukcji kompozytowych wykonywanych na nasypach jest konieczność wykonywania podstawy o większej szerokości w porównaniu do klasycznych konstrukcji grawitacyjnych. Wynika to częściowo z potrzeby wysunięcia geosyntetycznych wzmocnień poza strefę krytyczną wystąpienia potencjalnych zniszczeń.

Ogólne zasady projektowania
Do analizy konstrukcji i obliczeń konstrukcji grawitacyjnych stosuje się klasyczną teorię wyznaczania czynnego parcia gruntu. Stabilność konstrukcji jest określana przez odporność na przesuwanie i obrót, jest obliczana dla każdej warstwy konstrukcji oddzielnie z uwzględnieniem poziomego parcia gruntu wyznaczonego zgodnie z teorią Coulomba. Przy obliczeniach odporności na przesuwanie się warstw względem siebie uwzględnia się kąt tarcia wewnętrznego gruntu wypełniającego, a odporność na obrót oblicza się względem podnóża każdej warstwy. Współczynnik bezpieczeństwa na utratę nośności przez podbudowę konstrukcji oblicza się także na podstawie klasycznej teorii nośności gruntu posługując się równaniami Terzaghiego i Meyerhofa. Doświadczenia wykazały, że odporność na ścinanie pomiędzy warstwami geokomórek jest równa odporności na ścinanie materiału wypełniającego poddanego takim samym obciążeniom, co daje racjonalną podstawę do projektowania dużych konstrukcji oporowych w tej technologii.

Projektując grawitacyjną konstrukcję oporową typu strefowego analizujemy wybrane elementy w celu znalezienia krytycznej, potencjalnej płaszczyzny zniszczenia w zabudowanej geokomórkami strefie i następnie projektujemy jej dodatkowe wzmocnienie. W celu właściwego rozmieszczenia warstw konstrukcyjnych wymagane jest doświadczenie i odpowiednie wykorzystanie programów komputerowych [2].

Do analizy stabilności konstrukcji kompozytowych zastosowano teorię parcia gruntu Rankine'a. Przy projektowaniu tego typu konstrukcji oparto się m.in. na badaniach połączeń geosyntetycznych wzmocnień z konstrukcją komórkową, które wykazały, że wytrzymałość połączeń jest co najmniej równa obliczonej dłogookresowej wytrzymałości na rozciąganie użytego materiału wzmacniającego. Pomoc stanowią tu również programy komputerowe dostarczane przez producentów materiałów geosyntetycznych.

Zastosowanie geokomórek do naprawy i odbudowy korpusów i podbudów nawierzchni drogowych w procesie zabezpieczania osuwisk

Zastosowanie i dobór typu geokomórek
Stosowanie systemu pozwala zredukować do minimum trudności, jakie zwykle towarzyszą budowie konstrukcji geotechnicznych na słabonośnym podłożu, a zwłaszcza naprawy, odbudowy korpusu i pod budowy drogowej, zabezpieczając je przed rozgęszczeniem i rozmywaniem oraz nierównomiernym osiadaniem.

Przy budowie stromych nasypów z gruntu zbrojonego w technologii Geoweb® najczęściej wykorzystuje się konstrukcje warstwowe w formie ścian oporowych dobudowanych do istniejących skarp lub wolnostojące. Wprowadzenie geokomórek w konstrukcje podbudów drogowych wydatnie poprawia funkcje drenażowe, a spowodowany przez system wzrost odporności na obciążenia dynamiczne zapewnia długotrwałe funkcjonowanie eliminując zjawiska koleinowania, osiadania i wypłukiwania. System geokomórkowy może pełnić równocześnie funkcje warstwy filtracyjnej, separacyjnej i odcinającej. Do odbudowy i modernizacji odcinków drogowych na zabezpieczanych osuwiskach stosuje się geosiatki komórkowe o wysokościach 100, 150 i 200 mm, głównie perforowane. Zasadą powinno być, aby system geokomórkowy sięgał w konstrukcji drogowej na zabezpieczanym osuwisku przynajmniej na odległość 25% poza odbudowywaną/zabezpieczaną strefę odcinka drogi w obu kierunkach, a przypadku niewielkich interwałów (25-50 m) na odległość 50% długości zabezpieczanego odcinka.

System dodatkowo pełni funkcje ochronne ze względu na odporność na oddziaływanie słonej wody, gruntów o wysokim pH, zwłaszcza w konstrukcjach drogowych posypywanych solą i chemikaliami.

Wymagania dotyczące geotekstyliów
W przypadku zastosowania systemów komórkowych dobór geotekstyliów nie odbiega od ogólnych zasad uwzględniających oczekiwane własności konstrukcyjne i rzeczywiste warunki terenowe. W przypadku geowłóknin niektóre wymagania mogą być złagodzone w stosunku do wymagań dla konstrukcji opierających się wyłącznie na geowłókninach lub geosiatkach płaskich.

Kryterium doboru będzie tu raczej ich zdolność separacyjna i drenażowa, a w mniejszym stopniu wymagania wytrzymałościowe, jednakże zaleca się, aby stosowane geowłókniny miały zdolność przenoszenia w kierunku poprzecznym i wzdłużnym sił rozciągających przynajmniej 10 kN/m.

Zadaniem geowłókniny w systemie geokomórkowym jest również funkcja filtracji. Geowłóknina ma za zadanie zapobieganie „wpompowywaniu” drobnych cząstek podłoża w zagęszczony materiał ziarnisty wypełniający komórki geosiatki i często w ulepszoną warstwę konstrukcyjną o określonej miąższości pod geosiatką. Zjawisko to występuje pod działaniem sił ssących od cyklicznych obciążeń przy obecności wody w porach gruntu. Geowłóknina powinna skutecznie zapobiegać powstającej w wyniku tego zjawiska erozji wewnętrznej gruntu oraz rozgęszczeniu nadległych warstw konstrukcyjnych.

Bożena Trzpis
Instytut Geotechniki, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Krakowska
Adam Kessler
WODEKO Zakład Usług Wiertniczych, Gaotechnicznych i Inżynierii Środowiska, Kraków

Referat był prezentowany podczas Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej „Problematyka osuwisk w budownictwie komunikacyjnym”, która odbyła się w Zakopanem w dniach 27–29 maja 2009 r. i był publikowany w Zeszytach Naukowo-Technicznych SITK Oddział Kraków, Problematyka osuwisk w budownictwie komunikacyjnym, seria Materiały Konferencyjne, Nr 88, Zeszyt 144, Kraków 2009.

Spis literatury zawiera część III.