PIOTR URBAC
SKI
Zastosowanie gruntu zbrojonego
DROTEST Sp. z o.o.
geosiatkami do konstrukcji oporowych
ZDZISA
AW ARTUR STOIC
SKI
HERMANN KIRCHNER POLSKA Sp. z o.o.
na terenach górniczych
Zarówno obiekty liniowe (autostrady), jak i obiekty inżynier- przyczółka. Koncepcja przeszła pozytywną akceptację nad-
skie (mosty, wiadukty drogowe i kolejowe) budowane na ob- zoru inwestorskiego  firmy Jacobs GIBB oraz głównego
szarze Górnego Śląska poddawane są bardzo specyficznym dla projektanta  Transprojektu Gdańskiego, głównie ze względu
tego regionu oddziaływaniom, czyli deformacjom powierzchni na łatwość i krótki czas wykonania. Bilans kosztów również
terenu pod wpływem eksploatacji górniczej. Niekorzystnym efe- wypadł na korzyść rozwiązania z geosiatkami. Następnie po-
ktem eksploatacji górniczej są zarówno poziome, jak i pionowe wstał projekt wykonawczy zbrojenia gruntu dla siedmiu obiek-
odkształcenia terenu (niecki obniżeniowe) [2]. O ile projektując tów mostowych (14 przyczółków). W tabeli 1 przedstawiono
obiekty na terenach górniczych zakłada się zazwyczaj, że wysokości oraz szerokości poszczególnych przyczółków przy-
deformacje powierzchni wystąpią po ich wybudowaniu (w prak- jęte do obliczeń [8].
tyce od kilku miesiecy do kilku lat po zakónczeniu eksploatacji Główny Projektant określił też procent redukcji podwojonego
Û
górniczej), a obiekty będą poddane wpływom deformacji ustalo- parcia, w przypadku poszczególnych obiektów (tab. 2). Zbroje-
nych, o tyle w przypadku budowy odcinka autostrady A-4 nie zaprojektowano na 120-letni okres eksploatacji.
pomiędzy Katowicami a Gliwicami, deformacje powierzchni
Tabel a 1. Wymiary ścian przyczółków do wykonania w techno-
pojawiają sie także w trakcie realizacji inwestycji, (tzw. deforma-
Û
logii gruntu zbrojonego
cje nieustalone) [6]. Uwzględnienie tego problemu w pracach
projektowych oraz uwzględnienie zagadnienia częściowej redu-
Wysokość ściany Szerokość ścian*
Obiekt
kcji parcia (50 lub 65%) lub całkowitego przejęcia parcia czyn-
[m] [m] [m] [m]
nego, przekazywanego na ścianę i skrzydła przyczółków obiek-
M/MA/01 3,35 (Wr) 6,75 (Kr) 54,60 (Wr) 70,20 (Kr)
tów mostowych, zostało rozwiązane przez zbrojenie zasypki
M/WA/01A 6,63 (Wr) 6,63 (Kr) 62,40 (Wr) 62,40 (Kr)
gruntowej w obrębie ścian i skrzydeł przyczółków geosiatkami
jednokierunkowymi o dużej sztywności. M/WD/03 7,20 (Kr) 8,00 (Zab) 24,70 (Kr) 26,00 (Zab)
M/MA/04 10,50 (Wr) 9,30 (Kr) 61,10 (Wr) 63,70 (Kr)
M/WD/05 10,45 (pd) 11,00 (pn) 40,04 (pd) 40,03 (pn)
Opis problemu i założenia projektowe
M/WD/05A 11,40 (pd) 11,50 (pn) 48,10 (pd) 46,80 (pn)
M/WK/07 5,80 (pd) 5,80 (pn) 11,70 (pd) 11,70 (pn)
Zgodnie z wytycznymi do projektowania na terenach gór-
niczych [5] współczynnik parcia na ścianę przyczółka należy
* powierzchnia ścian do zazbrojenia  przyczółek + skrzydełka
podwoić. Nowsze publikacje uzależniają współczynnik zwięk-
(Wr)  przyczółek od strony Wrocławia; (Kr)  przyczółek od strony
szenia parcia w zależności od kategorii szkód górniczych, Krakowa; (pn)  przyczółek północny; (pd)  przyczółek południowy
jednak Główny Projektant opierał się na wytycznych [5]. Prob-
Tabel a 2. Procent redukcji podwojonego
lem przejęcia podwojonego parcia przez przyczółek można
parcia na ściany przyczółków
rozwiązać na dwa sposoby. Po pierwsze, zwiększone parcie
może zostać przeniesione przez odpowiednio zaprojektowany
Ilość podwojonego
monolityczny przyczółek. Ze względu na znaczne koszty nie
parcia przejętego
Lp. Obiekt
przez grunt zbrojony
jest to rozwiązanie korzystne. Po drugie, można zredukować
[%]
parcie gruntu przez wprowadzenie w nim zbrojenia, które
Legenda:
1 M/MA/01 100 MA  most w ciÄ…-
przejmując naprężenia rozciągające w ośrodku gruntowym
gu autostrady
redukuje parcie na ścianę przyczółka. Jest to rozwiązanie
2 M/WA/01A 50
WA  wiadukt w
znacznie tańsze od poprzedniego.
3 M/WD/03 100
ciÄ…gu autostrady
W omawianym przypadku rozwiÄ…zanie pierwotne zapropo-
WD  wiadukt w
4 M/MA/04 65
nowane przez Głównego Projektanta  Transprojekt Gdański, ciągu drogi krzy-
5 M/WD/05 65
żującej się z au-
oparte było na drugim wariancie, czyli na przejęciu parcia
tostradÄ…
6 M/WD/05A 65
przez grunt zbrojony. Rozwiązanie to polegało na tym, że
WK  wiadukt
warstwy zasypki stabilizuje siÄ™ cementem i dodatkowo wpro- 7 M/WK/07 65
nad liniÄ… kolejowÄ…
wadza się w stabilizację pręty stalowe [7]. Podstawową wadą
tego rozwiązania był długi czas wykonania oraz wysokie
koszty. Generalny Wykonawca  konsorcjum JV Strabag  Kir-
chner  zwrócił się do firmy Drotest Sp. z o.o. z prośbą Grunt zbrojony geosiatkami Tensar
o przedstawienie rozwiÄ…zania alternatywnego, opartego na
zasadzie zbrojenia gruntu zasypki geosiatkami Tensar. Ogólna zasada gruntu zbrojonego, która została wykorzys-
Dział projektowy firmy Drotest sporządził koncepcję wykona- tana także do rozwiązania niniejszego zagadnienia, polega na
nia gruntu zbrojonego geosiatkami Tensar, w sposób zapew- wprowadzeniu do ośrodka gruntowego, płaskich przekładek
niający wymagane zredukowanie parcia na ściany i skrzydełka polimerowych, tzw. geosyntetyków, których zadaniem jest
 Drogownictwo 7-8/2005 229
przejęcie naprężeń rozciągających powstających w gruncie.
Ze względu na to, że blok gruntu zbrojonego poddany jest
działaniu różnorodnych sił zewnętrznych w długim okresie
czasu, wymaga siÄ™ od geosyntetyku, jako elementu zbrojÄ…ce-
go, dużej efektywności w całym okresie pracy konstrukcji. Do
wykonania zbrojenia gruntu zostały wybrane geosiatki angiels-
kiej firmy Tensar International, wykonane z polietylenu o dużej
gęstości (HDPE), tzw. geosiatki Tensar typu RE. Geosiatki te
są produkowane w procesie wytłaczania i perforacji układu
otworów w arkuszu HDPE, które to pasmo zostaje następnie
poddane kontrolowanemu procesowi rozciÄ…gania w odpowied-
Rys. 2. Schemat ob-
niej temperaturze, tylko w kierunku podłużnym. Powstała w ten
liczeń stateczności
sposób geosiatka (lub georuszt, ang. geogrid) jednokierun-
wewnętrznej
kowa cechuje się bardzo dobrymi parametrami wytrzymałoś-
ciowymi w długim okresie czasu (z uwzględnieniem procesu
pełzania), bardzo dobrą odpornością na czynniki chemiczne
" Poślizg  przesunięcie całego bloku gruntu zbrojonego na
i warunki otoczenia, a przede wszystkim dużą sztywnością. To
skutek niewystarczającej wartości współczynnika tarcia mię-
właśnie bardzo duża sztywność i wytrzymałość żeber poprze- dzy blokiem a gruntem w podstawie.
cznych oraz ich połączeń z żebrami podłużnymi (tzw. węzłów),
" Wywrócenie  zniszczenie polegające na wywróceniu kon-
niespotykana w przypadku innych dostępnych na rynku geo- strukcji na skutek niewystarczającego ciężaru konstrukcji
syntetyków, stanowi o unikalnej pracy tych geosiatek w kon- w stosunku do wartości sił parcia gruntu rodzimego.
strukcji gruntowej [4]. Wytrzymałość węzłów jest określana
" Nośność podłoża  zapadanie się konstrukcji na skutek
jako procent wytrzymałości na rozciąganie pojedynczego żeb- niewystarczającej nośności podłoża w stosunku do ciężaru
ra i sztywność ta w przypadku geosiatek Tensar wynosi nie
obiektu.
mniej niż 95 % [1], [3]. Układ sztywnych żeber poprzecznych
" Stateczność ogólna  określenie krytycznej kołowej powie-
pozwala na skuteczne klinowanie siÄ™ ziaren gruntu (analogia
rzchni poślizgu.
do układu kotew) i przejęcie sił rozciągających przekazywa-
Prawidłowo zaprojektowana ściana oznacza spełnienie na-
nych na ścianę przyczółka.
stępujących warunków:
" współczynnik bezpieczeństwa na przesuw bloku gruntu
zbrojonego  min 1,5
Metoda obliczeń gruntu zbrojonego
" współczynnik bezpieczeństwa na nośność podłoża pod blo-
kiem gruntu zbrojonego  min 2,0
W obliczeniach posłużono się metodą opracowaną przez
" wewnętrzny współczynnik bezpieczeństwa  min 1,75
niemiecki Institut für Bautechnik [9]. Jest to (obok metody
" wypadkowa wszystkich sił powinna znajdować sie w środku
Û
British Standard) metoda projektowania gruntu zbrojonego
jednej trzeciej szerokości podstawy bloku
powszechnie wykorzystywana na świecie. W metodzie tej
obliczenia są prowadzone w dwóch etapach. W pierwszym
W drugim etapie sprawdzana jest stateczność wewnętrzna
etapie jest sprawdzana stateczność zewnętrzna  traktuje się  wyprowadza się z narożnika bloku co 3o półprostą i analizuje
blok gruntu zbrojonego jak monolityczną ścianę i sprawdzana
się stosunek sił utrzymujących do sił niszczących w każdym
jest jej stateczność podobnie, jak w obliczeniach tradycyjnych
klinie odłamu (rys. 2). Geosiatki analizuje się pod względem
ścian oporowych, czyli cztery warunki pracy (rys. 1):
wyciągnięcia z gruntu (tzw. pull-out test) oraz ich wytrzymało-
ści, czyli analizuje się, czy w pierwszej kolejności geosiatka
zostanie wyciągnięta z gruntu czy zerwana.
Do obliczeń w drugim etapie przyjmuje się wytrzymałości
projektowe geosiatek. Wytrzymałości projektowe są określane
indywidualnie dla każdego rodzaju geosiatek. Każdy producent
zobowiązany jest do przeprowadzenia testów w pełnej skali
i wyznaczenia współczynników cząstkowych dla każdego ro-
dzaju geosiatki. Dlatego tak ważne jest, aby materiał, który
mamy zamiar zastosować do konstrukcji z gruntu zbrojonego
miał określone wartości współczynników cząstkowych wyzna-
czone przez niezależna jednostkę badawczą np. British Board
of Agreement.
Wytrzymałość projektową TD wylicza się, dzieląc wytrzyma-
łość z uwzględnieniem pełzania (długoterminową) TCR, przez
wymnożone przez siebie współczynniki cząstkowe fm. Cer-
tyfikat [10] BBA określa dla geosiatek Tensar następujące
współczynniki cząstkowe:
" fm11  współczynnik ze względu na jednorodność produkcji,
" fm121  współczynnik ze względu na dostępność danych,
Rys. 1. Schemat obliczeń stateczności zewnętrznej
z dotychczasowej eksploatacji i badań,
230  Drogownictwo 7-8/2005
" fm122  współczynnik ze względu na ekstrapolację do 120- Tabel a 3. Sprawdzenie różnicy sił niszczących do sił utrzymują-
cych dla obiektu WK 07 od strony południowej na poziomie
letniego okresu eksploatacji,
pierwszej geosiatki*
" fm211  współczynnik ze względu na krótkotrwały efekt
zniszczenia podczas wbudowywania,
Klin KÄ…t ZRg Rg  Z
" fm212  współczynnik ze względu na długotrwały efekt znisz-
Nr [o] kN/m kN/m kN/m
czenia podczas wbudowywania,
1 9  67,75 20,40 88,15
" fm22  współczynnik ze względu na degradację od wpływu
2 21 16,63 64,80 48,17
środowiska.
3 30 63,98 85,00 21,02
Dodatkowo we wzorze na wytrzymałość projektową należy
4 39 99,75 110,30 10,55
uwzględnić U
ownież globalny współczynnik bezpieczeństwa
5 45 116,93 128,10 11,17
ł = 1,75. Metoda podaje globalny współczynnik bezpieczeń-
6 51 127,88 149,10 21,22
stwa dla wytrzymałości geosiatki i dzięki temu przyjmujemy
7 60 133,94 175,20 41,26
wartości charakterystyczne obciążeń zewnętrznych.
Wzór na wytrzymałość projektową wygląda wówczas w spo- 8 69 124,91 183,60 58,69
sób następujący:
9 81 78,59 183,60 105,01
TCR
* Wartości dla poszczególnych klinów odłamu z programu WinWal
TD =
fm × Å‚
Założenia przyjęte do obliczeń są następujące:
Å„' okres obliczeniowy: 120 lat;
Metodyka obliczeń
ń' obciążenia zmienne  od ruchu: 25 kPa;
ń' obciążenie od naziomu  zależne od grubości warstwy
Do obliczeń wykorzystano program komputerowy WinWall
niepodlegającej zbrojeniu: od spodu płyty przejściowej do
firmy Tensar International. W przypadku standardowych
rzędnej niwelety;
obliczeń (brak podwojonego parcia) wyniki otrzymuje się
ń' parametry gruntu użytego do zasypki gruntu zbrojonego
bezpośrednio z programu. Program analizuje wszystkie wa-
oraz bezpośrednio za blokiem gruntu zbrojonego: kąt tarcia
runki pracy i podaje najbardziej optymalnÄ… konfiguracje zbro-
wewnÄ™trznego Õ = 30o, spójność c = 0;
jenia.
ń' parametry gruntu podłoża (przy założeniu doprowadzenia
W tym jednak przypadku program nie dawał możliwości
go do odpowiedniej nośności za pomocą materaca z kru-
bezpośredniego projektowania zbrojenia dla podwojonego par-
szywa zbrojonego dwukierunkowymi geosiatkami typu Ten-
cia gruntu oraz zdejmowania tylko części podwojonego parcia.
sar SS): kÄ…t tarcia wewnÄ™trznego Õ = 40o, spójność c = 0.
W związku z tym część obliczeń przeprowadzono ręcznie,
a w zasadzie posłużono się arkuszem kalkulacyjnym, w którym
określono siły niszczące (Z), występujące w gruncie pod
wpływem podwojonego parcia (rys. 3). Siły niszczące (Z)
obliczono dla każdego klina odłamu.
Następnie program WinWall wykorzystano do wyznaczenia
sił utrzymujących (Rg), uwzględniających parametry zbrojenia
(geosiatki) i rodzaj gruntu zasypki, które powinny być większe
od sił niszczących (Z). Równowagę tych sił sprawdzono dla
9 klinów odłamu (tab. 3). Sprawdzenie takie należało wykonać
w podstawie ściany, na poziomie pierwszej siatki oraz w miej-
scach zmiany rozstawy lub rodzaju zbrojenia. Dopiero w przy-
padku, gdy dla każdego poziomu oraz dla każdego klina
odłamu różnica sił utrzymujących oraz niszczących (Rg  Z)
była większa od zera można było uznać wymiarowanie kon-
strukcji za zakończone.
Rys. 4a. Przekrój konstrukcyjny zbrojonego przyczółka
Na rysunku 4a przedstawiono rzeczywisty przekrój konstruk-
cyjny zbrojonego przyczółka, na rysunku 4b przedstawiono
schemat przyjmowany do obliczeń. Wysokość ściany przyj-
mowana do obliczeń jest wysokością od góry ławy fundamen-
towej do płyty przejściowej, grunt znajdujący się powyżej
ściany do obliczeń przyjmowany jest jako obciążenie stałe,
dodatkowo wprowadza się obciążenie od ruchu jako obciąże-
Rys. 3. Układ sił w gruncie
nie zmienne.
 Drogownictwo 7-8/2005 231
Rys. 6. Warstwa geosiatek przed wbudowaniem zasypki
Rys. 4b. Schemat przyjmowany do obliczeń
skrzydełka grunt zasypki nie był zagęszczany, ze względu na
kompensowanie odkształceń zbrojonego bloku gruntu. W jed-
Wyniki obliczeń i przyjęte rozwiązanie
nym przypadku zaprojektowano wywijanie geosiatek przy licu
ściany (tzw. wraparound system), ze względu na konieczność
Wynikiem obliczeń było przyjęcie bloku gruntu zbrojonego
całkowitego przejęcia podwojonego parcia, przy wysokości
jednokierunkowymi geosiatkami o odpowiedniej wytrzymało-
obiektu ponad 7 metrów. W pozostałych przypadkach pasma
ści, odpowiedniej długości zakotwienia (L) i właściwym roz-
geosiatek były układane bez wywijania. Warstwę wykonanego
stawie pionowym (V) (rys. 4b), zaprojektowane dla każdego
zbrojenia przed jego zasypaniem i zagęszczeniem kolejnej
przyczółka indywidualnie. Dzięki temu zarówno rozstaw, jak
warstwy zasypki przedstawiono na rysunku 6.
i długości zakotwienia geosiatek zaprojektowano optymalnie
dla każdego z przypadków. Przykładowy układ zbrojenia
przedstawiono na rysunku 5.
Zalety przyjętego rozwiązania
Grunt zasypowy został zazbrojony jednokierunkowymi geo-
siatkami typu Tensar RE. Sąsiadujące pasma układane były
Zalety zastosowanego rozwiÄ…zania:
na styk, prostopadle do ściany lub skrzydełka (pasma zbrojące
Q' możliwość wykonania w trudnych warunkach atmosferycz-
skrzydełko). Na odległości 30 cm od ścian przyczółka lub
nych,
Q' krótki czas wykonania,
Q' prosta technologia wykonania,
Q' zmniejszona ilość zasypki w stosunku do rozwiązania pier-
wotnego (mniejsza długość geosiatek niż prętów stalo-
wych),
Q' zoptymalizowana ilość zbrojenia dla każdego przypadku.
Rys. 5. Układ zbrojenia gruntu geosiatkami typu Tensar RE na
przykładzie obiektu M/WD/03 Rys. 7. Budowa obiektu MA/04 (zdjęcie wykonane z hałdy odpadów)
232  Drogownictwo 7-8/2005
DodatkowÄ… zaletÄ… projektowania indywidualnego okazaÅ‚a siÄ™ [2] Bzówka J., Chmielniak S., Sternik K.: WpÅ‚yw oddziaÅ‚ywaÅ„ õ
or-
niczych na deformacje nasypu drogowego na podstawie analiz
możliwość dobrania zbrojenia tak, aby ominąć realne problemy
numerycznych, VI Międzynarodowa Konferencja  Trwałe i bez-
powstałe na budowie. Przykładowo dla obiektu MA/04 (rys. 7)
pieczne nawierzchnie drogowe , Kielce, maj 2000.
ze względu na przyleganie hałdy bezpośrednio do przyczółka,
[3] Geogrid junction strength, Drexel University, USA, Geosynthetic
rozwiązanie pierwotne wymagałoby wykonania znacznych robót
Research Institute Test Method GG2-87, 1988.
ziemnych tak, aby powstało miejsce na zasypkę za przyczół- [4] Gołos M.: Zastosowanie geosiatek o sztywnych węzłach w budo-
wnictwie drogowym,  Drogownictwo nr 3/2003.
kiem. Natomiast zbrojenie z użyciem geosiatek Tensar zostało
[5] Rosikoń A.: Budownictwo komunikacyjne na terenach objętych
tak zaprojektowane, że dopuszczono parcie hałdy w zakresie,
szkodami górniczymi, WKiA
, Warszawa, 1979
wktórym mogło być przejęte przez przyczółek. Pozostała część
[6] Jędrzejec E., Kowalski A., Zawora J.: Problemy budowy autostrad
przyczółka była zbrojona w taki sposób, aby geosiatki przejęły na czynnych terenach górniczych, Prace naukowe GIG nr
25/1998.
całość podwojonego parcia. Dzięki temu uniknięto dużych robót
[7] Projekt wykonawczy  budowa autostrady A-4 odcinek węzeł
ziemnych związanych z rozbieraniem istniejącej hałdy odpadów
 Sośnica  węzeł  Wirek  od km 315+700,0 do km 325+232,8,
powęglowych. Przy kilku obiektach wygodniej było rozpocząć
Transprojekt Gdański, 2003.
wykonywanie zbrojenia gruntu na pewnej wysokości, ze wzglę- [8] Projekt zamienny  grunt zbrojony geosiatkami Tensar za przy-
czółkami obiektów mostowych. Autostrada A-4 odcinek węzeł
du na materac występujący w podstawie nasypu, co też zostało
Sośnica  węzeł Wirek, Drotest Sp. z o.o., 2003.
uwzględnione w obliczeniach.
[9] The design of reinforced soil structures using Tensar geogrids,
Netlon Limited, March, 1996
Bi bl i ograf i a [10] Tensar RE Geogrids for Reinforcement Soil Retaining Wall
and Bridge Abutment Systems, Roads and Bridges Agrement
[1] Aprobata Techniczna IBDiM na geosiatki TENSAR Nr AT/2002-04- Certificate No 99/R109, British Board of Agrement, 26 March
0171. 1999.
 Drogownictwo 7-8/2005 233