FUNKCJA SEPARACYJNA

Warstwę separacyjną w konstrukcji nawierzchni drogowej stosuje się w spodzie konstrukcji, dla rozdzielenia spoistych gruntów podłoża od wyżej położonej warstwy kruszywa, w przypadku, gdy zachodzi obawa wymieszania się tych materiałów.

Celem warstwy separacyjnej jest więc utrzymanie warstwy kruszywa w stanie możliwie niezdeformowanym i zapobieganie wciskaniu grubych ziarn w słabe podłoże.

Funkcję separacji rozpatrujemy dla dwóch przypadków obciążenia gruntu:

• obciążenie statyczne - cząstki gruntu są w roztworze wodnym wyciskanym z gruntu pod wpływem konsolidacji podłoża; w tym przypadku działają prawa takie same jak przy filtracji,

• obciążenie dynamiczne - jak w przypadku nawierzchni drogowej, grunt podłoża jest szybciej uplastyczniany i cząstki gruntu łatwiej przenikają przez geotekstylia. Proponuje się tutaj następujące, zaostrzone kryteria :

- O₉₅<d₅₀; jeśli U≤18

- O₉₅<18d₅₀/U; jeśli U>18, gdzie O₉₅ oznacza średnicę efektywną geotekstyliów, d₅₀ średnicę gruntu podłoża, U jest wskaźnikiem różnoziarnistości gruntu.

Zatrzymywanie cząstek gruntu na granicy warstwy separacyjnej jest związane z takimi parametrami mechanicznymi jak:

• siły hydrauliczne, które powodują przemieszczanie się cząstek gruntu;

• wytrzymałość gruntu na ścinanie (zwłaszcza jego spójność);

• siły ciążenia,

oraz parametrami geometrycznymi w postaci:

• wymiarów porów geotekstyliów (geowłóknin i geotkanin) lub wymiarami oczek geosiatek,

• wymiarów cząstek gruntu,

• gęstości gruntu.

Wymagania wg poradnika szwajcarskiego dla geotekstyliów do warstwy separacyjnej poniżej nasypu ziemnego dla podłoża słabonośnego:

geowłókniny geotkaniny

• masa powierzchniowa ≥200 g/m² ≥200 g/m²;

• wytrzymałość na rozerwanie ≥15 kN/m. ≥40 kN/m.;

• wydłużenie przy rozciąganiu ≤40% ≤25%;

• siła przebijająca x_śr-s ≥2.5 kN ≥2.5 kN;

• średnica efektywna O <2.5xd₅₀ <2.5xd₅₀;

d₅₀<O_w<d₉₀ d₅₀<O_w<d_90;

• wsp. k przy ciśnieniu 2kN/m² >10^-3 m/s >10^-3 m/s;

• wsp. k przy ciśnieniu 20kN/m² >10^-4 m/s >10^-4 m/s;

Dla ochrony geowłókniny przed uszkodzeniem ostrymi krawędziami kruszywa łamanego w czasie zagęszczania kolejnych warstw podbudowy, często na włókninie układa się dodatkową warstwę ochronną z piasku.

FUNKCJA FILTRACYJNA

Funkcja filtracji w stosunku do funkcji separacji jest poszerzona o zapobieganie zjawisku „wpompowywania” drobnych cząstek podłoża w materiał ziarnisty ulepszonego podłoża lub podbudowy pod działaniem sił ssących od powtarzalnych obciążeń, przy obecności wody w porach gruntu (grawitacyjnej lub przesączającej się). Efektywność działania filtru jest oceniana skutecznością w zapobieganiu erozji wewnętrznej, przy czym rozmiary porów w warstwie filtrującej nie powinny być zbyt małe aby nie ulegały zatykaniu i nie zmniejszała się ich przepuszczalność.

Wymaga to więc dobrania geosyntetyków o odpowiednich wielkościach porów strukturalnych, co możliwe jest tylko przy stosowaniu do tych celów geowłóknin lub geotkanin.

Dla funkcji filtracyjnej geotekstyliów rozpatruje się następujące parametry gruntu:

• krzywą uziarnienia gruntu, z którego rozpoczyna się przepływ hydrauliczny. Krzywa przesiewu gruntu reprezentowana przez średnicę d₈₅ dla gruntów dobrze lub równomiernie uziarnionych względnie przez średnicę d₈₅ frakcji drobnych, kiedy grunty są o uziarnieniu nieciągłym, jest porównywana z rozmiarem oczka geotekstyliów; zwiększona zawartość frakcji najdrobniejszych wskazuje na podatność gruntu na wewnętrzną erozję,

• plastyczność gruntu określoną za pomocą wskaźnika plastyczności I _P przy czym :

I _P <10 oznacza grunty o małej kohezji

I _P (10-30) odnosi się do gruntów o dość dużej kohezji

I _P >30 odpowiada gruntom o wysokiej kohezji i o dużym pęcznieniu

• gęstość objętościową szkieletu gruntowego, która w stopniu wyższym niż uziarnienie wpływa na stabilność gruntu. Uzyskanie gęstości objętościowej równej maksymalnej gęstości wg Proctora normalnego istotnie zmniejsza podatność gruntu na erozję wewnętrzną. Wskaźnik zagęszczenia niższy od 95% wskazuje na większą wrażliwość gruntu i podwyższone ryzyko zatykania porów w geotekstyliach,

• wodoprzepuszczalność gruntu; obecność geotekstyliów nie powinna powodować wzrostu ciśnienia porowego na obszarze drenowanym. Aby to spełnić dobór geotekstyliów powinien być dokonany w zależności od przepuszczalności gruntu oraz prędkości przepływu przez geotekstylia.

Nie wolno wtedy dopuścić do efektu „pompowania” drobnych cząstek gruntu do podbudowy, co pogarsza jej przepuszczalność, redukuje moduł sprężystości a także zwiększa odkształcenia trwałe.

Obecnie uważa się że najwyższy możliwy stopień ochrony przed pompowaniem jest zapewniony przez zastosowanie geotekstyliów o grubości co najmniej 4 mm, minimalnej masie powierzchniowej 600 g/m² oraz wartości 0₉₀ <60 μm.

Zjawisko blokowania przepływu

Zjawisko to występuje w przypadkach gdy większe ziarna gruntu podłoża częściowo lub całkowicie przykrywają od spodu pory w warstwie geotekstyliów. Badania wykazały że przy równomiernym uziarnieniu gruntu i wymiarach ziarn wielokrotnie większych od efektywnej średnicy porów w geotekstyliach O₉₀, przepuszczalność tych materiałów ulega znacznej redukcji. Ogólnie można stwierdzić, że geotekstylia z regularną strukturą (głównie cienkie włókniny z regularnymi otworkami), są bardziej od innych narażone na blokowanie. Trzeba tutaj również uwzględnić naturę przepływu: przy przepływie stacjonarnym blokowanie wystąpi szybciej niż przy przepływie cyklicznym. Jeśli przy przepływie stacjonarnym, w wyniku wypłukania drobnych cząstek, nad porami geotekstyliów utworzą się mostki, to zjawisko blokowania nie wystąpi w ogóle.

Zamulanie (kontaminacja)

W odróżnieniu od blokowania jest to proces zależny od czasu. Zamulenie jest uzależnione od dużej liczby czynników takich jak : skład gruntu, typ obciążenia, zawartość zanieczyszczeń w wodzie, zawartość zanieczyszczeń lub drobnego materiału, skład samych geotekstyliów, długość czasu budowy. Jeśli geotekstylia są położone na gruntach zanieczyszczonych lub istnieje możliwość odkładania się żelaza w materiale, wówczas występuje niebezpieczeństwo dodatkowego naporu na geotekstylia.

Zamulanie jest często zjawiskiem mechanicznym i w tym przypadku jest ono o wiele wolniejsze przy cyklicznych przepływach wody. Chociaż zamulanie jest procesem trwającym w czasie, to jednak po pewnym okresie ulega on stabilizacji, ponieważ w wielu przypadkach nie ma już możliwości dopływu świeżych zanieczyszczeń.

Kryteria filtru w świetle wymagań zagranicznych

Kryterium:	Obciążenie statyczne		Obciążenie dynamiczne
	Grunty drobnoziarniste	Grunty gruboziarniste	Grunty drobnoziarniste	Grunty gruboziarniste
angielskie	O90≤d90 i O90≤10d50		-	-
francuskie	4xd15≤Of≤Cxd85		-	-
niemieckie -tkaniny -włókniny	O90≤d90; O90≤10xd50 0.06≤O90≤0.2 mm 0.06≤O90≤0.4 mm	O90<5xd10xU^0.5	-	-
szwajcarskie	Ow≤6xd60-niespoiste Ow≤d85	Ow≤5xd10xU^0.5 Ow≤d85	wg badań	Ow≤1.5xd10xU^0.5 Ow≤d60
amerykańskie	0.074≤d85	O95≤d85	-	-
-tkaniny	O90< d90		-	-
-włókniny	O90<1.8xd90		-	-

O₉₀ , O₉₅, O_f , O_w - odpowiednie średnice efektywne porów w geotekstyliach

d₅₀, d₈₅ , d_{60 ,} itd.- charakterystyczne średnice cząstek gruntu podłoża.

U - wskaźnik różnoziarnistości gruntu.

Ponadto, wg przepisów francuskich [3], średnica porów geotekstyliów pełniących funkcje filtru powinna spełnić warunek:

O_f ≤ C d₈₅ , gdzie C = C₁ xC₂ xC₃ xC₄ , przy czym:

• C₁ jest współczynnikiem rozmieszczenia porów,

• C₂ oznacza gęstość gruntu,

• C₃ typ przepływu hydraulicznego,

• C₄ współczynnik funkcji geotekstyliów;

Wartości współczynników są podane w odpowiedniej tablicy. Dla gruntów, których cząstki łatwo tworzą zawiesiny (drobne piaski, piaski pylaste) geotekstylia powinny zatrzymywać grubsze cząstki i przepuszczać drobniejsze, dlatego powinno być spełnione kryterium dwustronne 4xd₁₅<O_f<Cxd₈₅

Poradnik francuski podaje również dodatkowe wymagania przy stosowaniu geotekstyliów na miękkich gruntach:

• dla gruntów o CBR>2 O_{95 max} <0.2 mm

• dla gruntów o CBR<2 O_{95 max} <0.15 mm

Przepisy zagraniczne stawiają również wymagania innym parametrom geosyntetyków do warstw filtracyjnych, łącząc je niejednokrotnie z wymaganiami dla warstw separacyjnych.

Przykładem tutaj mogą być wymagania niemieckie [12], które przedstawiają się następująco:

• masa powierzchniowa ≥250 g/m²;

• siła przebijająca >2500 N;

• wsp. k wzdłuż włókien przy ciśnieniu 2 kPa ≥10^-3 m/s;

• wsp. k wzdłuż włókien przy ciśnieniu 20 kPa ≥5x10^-4 m/s;

• wsp. k pionowo do włókien przy ciśnieniu 2 kPa ≥10^-3 m/s;

• wsp. k pionowo do włókien przy ciśnieniu 20 kPa ≥5x10^-4 m/s;

• dopuszczalny rozmiar porów O₉₀ w granicach 0.06 do 0.20 mm;

• grubość przy ciśnieniu 2 kPa ≥25xO₉₀ .