Posadowienie obiektów infrastruktury drogowej w złożonych warunkach geotechnicznych

Coraz częściej projektowanie geotechniczne związane jest z posadowieniem obiektów na obszarach występowania złożonych a nawet skomplikowanych warunków geotechnicznych. Wyzwania jakim musi sprostać projektant to zarówno wymagania odnośnie bezpieczeństwa i trwałości wznoszonej konstrukcji, ale równie istotne staje się ograniczanie kosztów, czasu realizacji oraz śladu węglowego. Pośród technologii które wykorzystane są w takich projektach znajdują się gównie fundamenty pośrednie, dla których interesującą alternatywą jest wykorzystanie materacy geokomórkowych Stratum.
 

Materace geokomórkowe TensarTech Stratum

System materacy geokomórkowych Stratum jest ciągłą otwartą strukturą komórkową zazwyczaj o wysokości równej jeden metr. Dolna warstwa ułożona bezpośrednio na gruncie wykonana jest z georusztów wielokierunkowych lub wielokształtnych. Struktura pionowych przepon tworzących układ przestrzennych trójkątnych komórek wykonywana jest z georusztów jednokierunkowych. Do wypełnienia komórek można wykorzystać zarówno kruszywo naturalne jak i antropogeniczne w postaci przekruszu betonowego (rys. 1).


Rys. 1. Materace geokomórkowe TensarTech Stratum

Materace geokomórkowe Stratum wykorzystywane są przede wszystkim w podstawie nasypów na słabych i odkształcalnych podłożach, jak również do konstrukcji tymczasowych platform roboczych. Najczęstszym celem zastosowania materacy w podstawie nasypu wznoszonego na gruntach słabonośnych, często przy wysokim poziomie wód gruntowych (rys. 2), jest zmniejszenie i ujednolicenie nierównomiernych osiadań nasypu. W przypadku projektowania platform roboczych celem jest uzyskanie równomiernego rozkładu obciążenia od maszyn i pojazdów poruszających się po platformie poprzez rozkład naprężenia na większą powierzchnię. Wypełnione kruszywem materace geokomórkowe poprzez mechanizm stabilizacji mechanicznej, dzięki której ziarna kruszywa zazębiają się w oczkach georusztów, co powoduje ich unieruchomienie, tworzą z kruszywem element kompozytowy.

Rys. 2. Materace Stratum zagadnienie nośności gruntu

Analityczna metoda projektowania zamieszczona w normie [1] wykorzystuje mechanizm uplastycznienia i „wyciskania” gruntu spod nasypu zapożyczony z inżynierii metalurgicznej – nie jest to nowość w mechanice gruntu, ponieważ wcześniejsze analizy, teorie projektowania fundamentów czy tak zwane obszary Prandtla również mają podobne pochodzenie. Metoda ta umożliwia analizę tradycyjnych mechanizmów zniszczenia w nasypie (stateczność globalna, lokalna, poślizg na zbrojeniu, nośność podłoża), ale nie dotyczy geosyntetyków geokomórkowych o mniejszych wymiarach (tzw. geokomórek o wysokości 0,15 m do 0,3 m). Metoda pozwala na oszacowanie nośności materaca, a także na dobór odpowiedniej odmiany georusztu jednoosiowego, z którego skonstruowany zostanie materac, na podstawie oszacowanych naprężeń rozciągających w geosyntetykach. Metoda projektowania szczegółowo opisana została przez Jennera i in. [2]. Istotnym zagadnieniem w projektowaniu Stratum jest sprawdzenie odkształceń i osiadań nasypu zbudowanego na materacach. W tym zakresie najbardziej dokładną metodą jest analiza numeryczna MES.

O możliwym zakresie wykorzystania tej technologii najlepiej świadczą przykłady zrealizowanych inwestycji. W dalszej części przedstawiono kilka wybranych projektów.

Nasyp drogowy Dartford, Wielka Brytania 1992

 

Konstrukcja nasypu drogowego w Dartford, (Wielka Brytania, 1992) opisana przez Payne [3] została zrealizowana po analizie pierwotnie planowanych rozwiązań, które odrzucono z uwagi na wysokie koszty budowy. W śladzie planowanej inwestycji drogowej, na odcinku o długości ok. 350 m, podłoże gruntowe zbudowane z osadów aluwialnych z Tamizy (rys. 3), charakteryzowało się wartościami cu w zakresie 4,5 – 8 kPa. Nasyp o wysokości 4,3 m, szerokości w koronie 27 m wykonano z użyciem technologii materacy geokomórkowych Stratum, dodatkowo z użyciem prefabrykowanych drenów pionowych w siatce trójkątnej co 1,5 m. W celu przyspieszenia procesu konsolidacji i wygenerowania osiadań na skutek pełzania podłoża, zastosowano dodatkowe przeciążenie nad nasypem o wysokości 1,5 m. Obie jezdnie drogi posadowiono na wspólnym materacu. Budowa nasypu postępowała etapami ze względu na konieczność dyssypacji ciśnienia porowego. Pomimo, że przyrost ciśnienia wody w porach przekroczył chwilowo 40 kPa, co skutkowało przyrostem współczynnika ru do 0,59, przekraczając wartość 0,5 uznawaną za bezpieczną wartość graniczną, stateczność skarp nasypu została zachowana. Odkształcenia nasypu były monitorowane w poziomie posadowienia. Uzyskane wyniki (rys. 4) wskazywały na równomierność osiadań na całej szerokości geomateraca Stratum. Monitoring potwierdzał założenia technologii, które zakładają stworzeniu struktury stosunkowo sztywnej warstwy kompozytowej.

Innym ciekawym elementem projektu są obserwacje przemieszczeń poziomych w podłożu przy użyciu inklinometrów. Monitoring inklinometryczny potwierdził, że założenia przyjęte na etapie projektowania odnośnie wzrostu nośności gruntu w miarę postępującej konsolidacji były prawidłowe. Zjawisko „wyciskania” słabej warstwy gruntu spod nasypu również zostało potwierdzone wynikami z monitoringu.


Rys. 3. Dartford - schemat geometrii nasypu i budowy geologicznej

Rys. 4. Dartford - wartości pomierzonych osiadań

Nasyp kolejowy Senkvice, Słowacja 2004-2005 [4]

Modernizacja linii kolejowej między Bratysławą a Trnavą była częścią projektu modernizacji jednego z głównych europejskich korytarzy komunikacyjnych TEN-T, zlokalizowanych na terenie Słowacji. W okolicach miejscowości Senkvice konieczna była zmiana przebiegu odcinka linii na długości około 3 km w celu dostosowania jej do prędkości 160 km/h. W ramach budowy odcinka konieczne było również posadowienie przyczółków i nasypów na dojazdach do obiektu mostowego. Na odcinku biegnącym w nowym śladzie warunki gruntowe w podłożu były bardzo niekorzystne. Do głębokości 8-11 m zalegały miękkoplastyczne gliny z częściami organicznymi, zwierciadło wody gruntowej znajdowało się 0,5 – 1,5 m p.p.t. Wysokość projektowanego nasypu wynosiła do 8,0 m a szerokość w podstawie do 50 m.

Posadowieniu nasypu na materacu Stratum było jedną z kilku analizowanych technologii budowy. Technologia ta okazała się najbardziej ekonomiczna, a jednocześnie spełniała wyśrubowane wymagania dotyczące czasu realizacji. Na rys. 5 przedstawiono instalację materaca Stratum pod dwoma przyczółkami mostowymi.

Rys. 5. Budowa materaca i nasypu w Senkvicach - przyczółki, najazd na most

W celu kontroli osiadań i deformacji, w nasypie i w jego podstawie zainstalowano szereg urządzeń monitorujących (rys. 6). Zestaw czujników składał się m.in. z piezometrów do pomiaru ciśnienia porowego w gruncie. Pod każdym geomateracem zostały zainstalowane profilometry do monitorowania odkształceń pionowych. Inklinometry wykorzystywano do monitorowania odkształceń poziomych.



Rys. 6. Instrumenty monitorujące zainstalowane w nasypie kolejowym w Senkvicach

Wielkości osiadań wyznaczone w analizach numerycznych MES nie odzwierciedlały rzeczywistego wpływu sztywnego geomateraca Stratum na ich rozkład w podłożu. Analiza danych pomiarowych potwierdziła jednak przyjęte założenia projektowe w tym zakresie. Osiadania na całej szerokości nasypu były równomierne. Przyrost osiadań w trakcie budowy i po oddaniu obiektu do eksploatacji był równomierny i nie przekraczał wielkości wyznaczonych na etapie projektowania (rys. 7).

Rys. 7. Osiadania nasypu, podczas budowy i rok po oddaniu nasypu kolejowego do użytku [4]

Materace geokomórkowe TensarTech Stratum stanowią doskonałą alternatywę dla innych technologii wzmacniania podłoża z uwagi na:

1. Redukcję kosztów wykonania w porównaniu do takich rozwiązań jak wymiana gruntu czy posadowienie pośrednie;

2. Możliwość instalacji na większości rodzajów słabych i niejednorodnych gruntów, jak również na składowiskach odpadów komunalnych;

3. Wyeliminowanie lub ograniczenie potrzeby wykonania wykopów - jest to rozwiązanie bezwykopowe, wykonywane bezpośrednio na istniejącym podłożu. Pozwala to na wykonanie prac bez niszczenia naturalnej struktury podłoża.

4.Czas wykonania i realizacji - odpowiednie ułożenie georusztów i wypełnienie komór nie jest zajęciem czasochłonnym, dodatkowym atutem jest fakt, że materace geokomórkowe stanowią część nasypu. Konstrukcja geomateracy jest zatem fazą konstrukcji nasypu, co skraca czas realizacji całej konstrukcji;

5. Brak potrzeby użycia wyspecjalizowanej siły roboczej i specjalistycznego sprzętu.
 

Piśmiennictwo

[1] BS 8006-1:2010 Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills (+A1:2016)

[2] JENNER, CG, BUSH, DI, BASSET RH, 1988. The use of slip line fields to assess the improvement in bearing capacity of soft ground given by a cellular foundation mattress installed at the base of an embankment.International Geotechnical Symposium on Theory and Practice of Earth Reinforcement, Fukoka, 5-7 October 1988, Japonia

[3] PAYNE, I.R. Building a Dartford road embankment on jelly. Highways and Transportation, December 1993

[4] JENNER C.G., TURINIC L, BASLIK R, 2008. Use of Cellural Geocell Mattresses As Embankment Foundations. Foundations: Proceedings of the Second BGA International Conference on Foundations, ICOF2008. Brown M. J., Bransby M. F