POUŽITÍ GEOSYNTETICKÝCH MATERIÁLŮ VE STAVEBNICTVÍ
Lumír Miča, VUT FAST Brno, Ústav geotechniky
[email protected] 1
Předpisy • ČR – TP 97: Geotextilie a další geosyntetické materiály v zemním tělese pozemních komunikací – Předpis pro ČD – ČSN 73 6133: Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací
2
Lumír Miča
[email protected]
Předpisy • Mimo ČR – STN 73 3041: Horninové konstrukce vystužené geosyntetikou – Technické požadavky – BS 8006: Code of practise for strengthen/reinforced soils and other fills – FHWA: Geosynthetic design and construction guidelines – apod. 3
Lumír Miča
[email protected]
Oblast použití • Dopravní a železniční konstrukce • Skládkové hospodářství • Vodohospodářské konstrukce • Konstrukce pozemních staveb • Podzemní konstrukce
4
Lumír Miča
[email protected]
Oblast použití Podkladní vrstvy
(separační, filtrační, výztužná)
Opěrná kce (výztužná)
Svahy
(výztužná)
Drény
(drenážní)
LTP
(výztužná, separační, filtrační)
5
Lumír Miča
[email protected]
Oblast použití Překrytí skládky Strmé svahy
(výztužná)
(těsnící, ochranná, protierozní)
Oddělení materiálů (separační, filtrační)
Odvod kapalin, plynů (drenážní)
Těsnění (těsnící)
Mechanická ochrana (ochranná)
6
Lumír Miča
[email protected]
Oblast použití Protipovodňová opatření (výztužná, protierozní)
Přístaviště Opěrná kce (výztužná)
Ochrana břehů (protierozní)
7
Lumír Miča
[email protected]
Oblast použití
Ochrana izolace
Ochrana izolace
Izolace
Izolace
(ochranná)
(těsnící)
Zemní pláň
(separační, filtrační)
(ochranná)
(těsnící)
LTP
(výztužná, separační, filtrační)
8
Lumír Miča
[email protected]
Oblast použití
Izolace
Ochrana izolace
(ochranná)
(těsnící)
9
Lumír Miča
[email protected]
Rozdělení geosyntetik • Materiál • Technologie výroby • Oblast použití • Funkce 10
Lumír Miča
[email protected]
Rozdělení geosyntetik • Materiál • • • • •
Polypropylen (PP) Polyetylen (PE, HDPE) Polyester (PES, PET) Polyamid (PAD) Polyvinylchlorid (PVC)
11
Lumír Miča
[email protected]
Rozdělení geosyntetik materiál hustota g/cm3
Polyolefiny PE,PP
Polyester
.90..95 1.38
tavení o
creep
C
110..170
>240
high
low
PET
12 ©JMR
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby Geosyntetikum propustné geotextile
geomříže
• Tkané • Netkané • Pletené
geokompozity
nepropustné geomembrány
GCL
kombinace předchozích typů • Tkané • Pletené • Svařované • Extrudované
Lumír Miča
13
[email protected]
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geotextilie netkaná
14
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geotextilie netkaná - tepelně
15
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geotextilie netkaná - propichování
16
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geotextilie tkaná PET
17
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geotextilie tkaná PP
18
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geotextilie pletená
19
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geomříž - pletená
20
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geomříž - extrudovaná
21
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • Geomříž - svařovaná
22
Rozdělení geosyntetik Technologie výroby • GCL
23
Vlastnosti • Plošná hmotnost (g.m-2)
24
Vlastnosti • Plošná hmotnost (g/m2) - základní parametr pro odlišení jednoltivých typů geosyntetik (především pro netkané geotextilie). • Plošná hmotnost netkaných geotextilií je cca od 150 do 1 200 g/m2 • Ukazatel možné použitelnosti pro separaci (lehčí netkané geotex.), filtraci (střední) a ochrannou funkci (těžší geotextilie) 25
Vlastnosti • Tloušťka – tg - (mm)
26
Vlastnosti • Je důležitým parametrem pro zajištění drenážní funkce - je nutné definovat změnu tloušťky vlivem zatížení působící na geosyntetikum.
27
Vlastnosti • Velikost průliny – Ox - (µm) Ox - velikost otvoru (filtrační průliny), kterým prošlo „x“ % prosévané frakce dané velikosti Vyhodnocení zkoušky je na následujícím obrázku. 28
Celkové procento prošlého materiálu (%)
Vlastnosti
Velikost otvorů síta (µm)
29
Vlastnosti • Rovnoměrné rozložení pórů (filtrační průliny) stejné velikosti mají: - tkané, pletené geotextilie, - geomříže, geosítě • Nerovnoměrné rozložení pórů (vliv průměru, hustoty vlákna, tloušťky a technologie výroby) mají: - netkané geotextilie
30
Vlastnosti • Hydraulické vlastnosti o Propustnost kolmo na rovinu výrobku – kgn (m.s-1) o Propustnost v rovině výrobku – kgp (m.s-1) o Permitivita - ψ (s-1) o Transmitivita - θ (m2.s-1)
31
Vlastnosti • Darcyho filtračního zákona: • v = kg · i • kde v (m/s) je rychlost proudění vody • kg (m/s) je filtrační součinitel geosyntetika • i (-) je hydraulický gradient • Stanovení - upravený propustoměr známý z mechaniky zemin (ČSN 72 1020) 32
Vlastnosti • Filtrační součinitel geosyntetika kolmo na rovinu výrobku bez zatížení - kgn (m/s) – ČSN EN ISO 11058 1. 2. 3. 4.
geosyntetikum
Přívod vody Zachycovaný odtok Vzorek Pokles hydrostatické hladiny
33
Vlastnosti • Filtrační součinitel geosyntetika v rovině výrobku - kgp (m/s) – ČSN EN ISO 12958
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Přívod vody Shromažďování vody manometr Zkušební vzorek Membrána Tlakový článek Pěna Zatížení Zatěžovací deska Přepad pro hydraulický gradient 0.1 a 1.0
geosyntetikum 34
Vlastnosti
Zařízení pro stanovení kgp • Permitivita: ψ = kgn/tg • Transmisivita: θ = kgp.tg 35
Vlastnosti • Hydraulické vlastnosti jsou odvislé působícího zatížení ⇒ změna tloušťky. Dochází až k řádovému snížení. Stále však zůstává v rozsahu platném pro propustné zeminy (štěrky, písky). θ (m .s-1) 2
Napětí (kPa) Příklad prů průtoč točnosti v rovině rovině výrobku (Muller (Muller – Rochholz) Rochholz)
36
Vlastnosti • Mechanická odolnost o Průměr proražení otvoru – dp (mm) o Porušující síla při protlačování válcového razníku (CBR) – Fp (kN) o Porušující síla při protlačování plunžru Fk (kN) o Index poškození (%) o Zkouška oděru 37
Vlastnosti • Průměr proraženého otvoru – dP (mm) – EN 918 – stanovuje se velikost otvoru, která vznikne při pádu ostrého předmětu.
•Hmotnost kužele: 500g •Výška pádu: 500 mm geosyntetikum
38
Vlastnosti •
Porušující síla při protláčování válcového razníku (zkouška CBR) – FP (kN) – EN ISO 12236 - maximální tlaková síla stanovená při zkoušce válcovým razníkem.
•průměru vzorku:150 mm •zatěžován píste Ø 50 mm •rychlost 50 mm/min
39
Vlastnosti 7,0
6,0
Síla (kN)
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0 PP - tape Fabric 0,0 0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0 30,0 displacement mm
35,0
40,0
45,0
50,0
posun (mm)
Typický průběh zkoušky (PP geotextilie) /Muller-Rochholz/
40
Vlastnosti • Porušující síla při protláčování plunžru – Fk (kN)
ČSN 80 6111 –
stanovuje se odolnost vůči protlačování speciálně tvarovaného plunžru. Měří se tlaková síla potřebná pro rozšíření otvoru z 10 mm na 45 mm v geosyntetiku. Nemá evropský ekvivalent. –
41
Vlastnosti • Zkouška v oděru – prEN ISO 13427
před
zkoušce
po 42
Vlastnosti
Síla (kN)
Síla (kN)
• Zkouška v oděru – prEN ISO 13427
Přetvoření (%) PP tkaná geotextilie
osnova
Přetvoření (%) útek
Nižší křivky charakterizují materiál po zkoušce v oděru, horní křivka platí pro původní vzorek
Vliv oděru na pevnost výrobku (Muller-Rochholz)
43
Vlastnosti • Mechanická vlastnosti o Tahová pevnost – T (kN.m-1) o Dlouhodobá tahová pevnost - Tcr (kN.m-1)
44
Vlastnosti • Krátkodobá tahová pevnost – T (kN.m-1) – EN ISO 10319 – zkouší se vzorek 200x200 mm, rychlost nanášení přetvoření je 20%/min. Existují i další postupy pro její stanovení.
45
Vlastnosti Standard EN ISO 10319 : 1996 ISO 5081 ASTM D 4 595 1)
specimen 1) 200 x 200 50 x 300 200 x 200
strainrate/X-head 20 %/min variable f (εu) 10 %/min
in mm
ε
46
Rozdělení geosyntetik
Tahová pevnost (MPa)
Polyaramidová vlákna
Předpínací ocel
Polyesterová vlákna Polypropylenová vlákna
zk. vzorek
HDPE geomříže
Přetvoření (%)
Síla vs přetvoření
ε [%]
Příklad vyhodnocení 47
Lumír Miča
[email protected]
Vlastnosti Tahová pevnost – T - [kN/m]: Krátkodobá pevnost -
PET
pracovní diagram je závislý na druhu polymeru
HDPE
PET
Aramid+PET (TRC) PP (MAX) 48 PET (PRO)
Rozdělení geosyntetik Teplota:
Zatížení (kN/m)
Zatížení (kN/m)
Rychlost deformace (%/min)
Teplota:
Přetvoření (%)
VLIV RYCHLOSTI ZATĚŽOVÁNÍ (materiál:PP)
Rychlost deformace:
Přetvoření (%)
VLIV TEPLOTY (materiál PP) 49
Lumír Miča
[email protected]
Vlastnosti
Dlouhodobá tahová pevnost při porušení – TCR - [kN/m] – EN ISO 13431
-Je rozhodující tahovou pevností při návrhu konstrukce - Má být stanovena zkouškami (BS 8006). Pro delší časové úseky (30, 60, 120 let) se provádí extrapolace této hodnoty na základě již naměřených hodnot. Nutná délka trvání testu je 10 000 hodin.
Creepové křivky 50
Vlastnosti
51
Creep rupture (přetržení)
Vlastnosti
52
Creep rupture (přetržení)
Vlastnosti • Zkoušky trvanlivosti – Odolnost vůči povětrnostním vlivům a UV záření – Odolnost vůči mikrobiologickým vlivům – Odolnost vůči chemickým látkám • Odolnost vůči hydrolýze • Odolnost vůči oxidaci
53
Vlastnosti • Hydrolýza – prEN12447 Polyestery ! PET PP
PP PET
Srovnání degradace polymeru vlivem expozice v prostředí s pH 1254
Vlastnosti • Oxidace – EN ISO 13430 Polyetylen, polypropylen!
55
Rozdělení geosyntetik Oblast použití
Nádrže, přehrady
Komunikace
Skládky
Železnice Tunely
Skládky
Opěrné konstrukce
Koryta řek, kanálů
Eroze Drenážní systém 56
Rozdělení geosyntetik Funkce
Separační
Drenážní
Filtrační
Protierozní
Ochranná
Těsnící
57
Výztužná
Rozdělení geosyntetik Funkce •
Separační – oddělení dvou materiálů
•
Filtrační – propouští vodu kolmo k rovině výrobku a brání částicím zeminy
•
Ochranná – ochrana jednoho materiálu před druhým
•
Drenážní – odvádí vodu v rovině výrobku
• • •
Protierozní – ochrana povrchu zem. kce před vnějšími vlivy
•
Výztužná – dodání přídavné pevnosti zemině
Těsnící – zabránění uplnému proniknutí materiálu
58
Separační funkce Separační geosyntetikum
• Separační –
používají se netkané a tkané geotextilie 59
Separační funkce Při návrhu je nutné zohlednit (dle TP 97): délku trvání funkce, možnost protlačení oky či póry geosyntetika zrnem d30 chráněné zeminy Z hlediska vlastností má rozhodující vliv na její návrh plošná hmotnost (cca 150 – 300 g.m-2) a minimální pevnost v tahu by měla být 5 kN/m. Dle STN 73 3040 by měla být splněna podmínka, že O90 < d50, kde O90 (mm) je velikost průlinového kanálku, kterým projde 90 % částic frakce této velikosti 60
Separační funkce • Typické použití: – – – – –
Dočasné oddělení dvou hmot Skládky Účelové komunikace Zemní pláň železničního spodku Základová spára různých staveb
61
Filtrační funkce Filtrační geosyntetikum
• Filtrační – používají se převážně netkané a tkané geotextilie 62
Filtrační funkce Filtrační: Vložením filtračního geosyntetika do zemního prostředí, kde proudí voda, má být dosaženo dlouhodobé rovnováhy celého systému (= voda nesmí vyplavovat jemné částice /sufoze/). Proto musí výrobek zůstat trvale propustný = nesmí dojít k ucpání /zanesení/ jemn.částicemi). Proto musí geovýrobek splňovat následující požadavky: 63
Filtrační funkce Požadavky (TP 97): • filtry musí umožňovat průchod vody, aniž dojde k přílišnému zvýšení tlaku vody v pórech před filtrem
kritérium propustnosti
=
• filtry musí zabraňovat pohybu částic chráněné zeminy, s vyjímkou malého množství jemných částic zeminy přilehlých k filtru v době tvorby zeminového filtru =
kritérium zadržení
• nesmí dojít k ucpání filtru částečkami chráněné zeminy
kritérium proti ucpání
64
=
Filtrační funkce Kritérium propustnosti – geosyntetikum musí zajistit dostatečnou propustnost, a to s s určitou rezervou (dojde k částečnému zanesení)
65
Filtrační funkce Kritérium propustnosti (TP 97): splnění přímé podmínky:
kgn > 10 · kz,
kde kgn (m/s) - filtrační součinitel geotextilie kolmo na rovinu výrobku, kz (m/s) - filtrační součinitel zeminy (chráněné), nebo nepřímé podmínky vycházející z porovnání typického zrna chráněné zeminy a typického průlinového kanálku: O90 < d15 kde d15 (mm) je průměr zrna zeminy, kdy 15 % zrn hmotnostně je menších než tento průměr, na čáře křivky zrnitosti odpovídá 15%, O90 (mm) - velikost průlinového kanálku, kterým projde 90 % částic frakce této velikosti 66
Filtrační funkce Jiné kritérium propustnosti(ČSN 75 2002) (Geotechnika 4/98): kgn > 10a . tg . kz, kde kgn (m/s) - filtrační součinitel geotextilie kolmo na rovinu výrobku, a – koeficient, který zohledňuje hydraulický gradient, typ chráněné zeminy a typ stavby; a = 3 – 5 (vyšší hodnota se použije při vysokých hydraulických gradientech, problémových zeminách a významnějších stavbách) tg (mm) – tloušťka geosyntetika kz (m/s) - filtrační součinitel zeminy (chráněné) 67
Filtrační funkce Jiné kritérium propustnosti (FHWA): méně náročné aplikace: kgn ≥ kz, náročné aplikace: kgn ≥ 10.kz, Dále se předpokládá, že pro permitivitu platí ψ ≥ 0.5 s-1
obsah částic menších než 0.075 mm < 15%
ψ ≥ 0.2 s-1
obsah částic menších než 0.075 mm je 15% až 50%
ψ ≥ 0.1 s-1
obsah částic menších než 0.075 mm > 50% 68
Filtrační funkce Jiné kritérium propustnosti (Giroud): první požadavek (zabránění nárůstu pórových tlaků): kgn ≥ 10kz iz, typické hydraulické gradienty (Giroud) Aplikace
iz
Odvodňovací příkop
1.0
Svislý drén za zdí
1.5
Krajní drén u komunikace
1.0
Skládky
1.5
Patní drén u hrází
2.0
Jílové jádro hrází
>10
Ochrana břehů
10
druhý požadavek: kgn ≥ 10.kz
69
Filtrační funkce
Ucpání od unášených zrn
geotextilie
proudění
Kritérium proti ucpání – vyjadřuje přípustnou míru ucpání výrobky za jeho nenarušené filtrační funkce
Ucpání od unášených zrn
70
Filtrační funkce • Kritérium proti ucpání (dle TP 97) vyžaduje buď splnění podmínky: • A>5% pro tkané geotextilie, kde A - procentuální plocha filtračních průlin k celkové ploše tkané geotextilie • n > 30 % pro netkané geotextilie, kde n - pórovitost netkané geotextilie
71
Filtrační funkce • Jiné kritérium proti ucpání (FHWA): – Méně náročné aplikace O95 ≥ 3.d15,Z Podmínka platí pro cu > 3. nebo A≥4% pro tkané geotextilie, n ≥ 50 % pro netkané geotextilie, – Náročné aplikace:
zkouška 72
Filtrační funkce Kritérium zadržení – vyjadřuje schopnost proniknutí největší částice zeminy otvorem geovýrobku
73
Filtrační funkce • Kritérium zadržení (TP 97) se doporučuje splnění podmínky: • Omax < d15 • d10 > Omin kde d10 resp. d15 (mm) je průměr zrna zeminy, kdy 10%, resp. 15% zrn je hmotnostně menších než tento průměr, Omax - maximální velikost průlinového kanálu, Omin - minimální velikost průlinového kanálu 74
Filtrační funkce Jiné kritéria zadržení (FHWA): 1. ustálené proudění B. d85 ≥ O95 B…koeficient zohledňující zeminu resp. geosyntetikum - písek, písek štěrkovitý, písek hlinitý či jílovitý: cu ≤ 2 nebo ≥ 8 ⇒ B=1 2 ≤ cu ≤ 4 ⇒ B = 0.5cu 4 < cu < 8 ⇒ B = 8/cu, kde cu = d60/d10
75
Filtrační funkce Jiné kritéria zadržení (FHWA): - hlíny, jíly: tkané netkané
⇒ ⇒
B=1 B = 1.8
a dále musí být splněno O95 ≤ 0.3 mm 76
Filtrační funkce Jiné kritéria zadržení (FHWA): 2. dynamické proudění 0.5. d85 ≥ O95
77
Ochranná funkce Ochranné geosyntetikum
geomembrána
Ochranná – tkané a netkané geotextilie 78
Ochranná funkce • zajišťuje vlastnosti chráněného materiálu při ukládání druhého • Výrobek snižuje lokální napětí, a tím brání nebo snižuje poškození povrchu nebo vrstvy, na kterou je položen.
79
Ochranná funkce • Při návrhu je nutno zohlednit (TP 97): – pevnost v tahu (> 10 kN/m), – pevnost na proražení, – tloušťku, – velikost i tvar zrn zeminy přísypu, – výšku přísypu – CBR ⇒ F > 4,0 kN. • Požadavky na netkané geotextilie jsou obvykle dány plošnou hmotností obvykle (500 g/m2) 80
Ochranná funkce Tpoz = 0.5p′d v [f(ε )] Tpoz . . . Požadovaná síla pl . . . Napětí v geotextilii, které je menší nebo rovno napětí od vnějšího zatížení dv . . . Max. průměr mezery mezi zrny (přibližně 0.33 da) da . . . Průměrná velikost zrna f(ε) . . . Funkce popisující přetvoření geotextilie /= 0.25((2y/b) +(b/2y))/ b . . . Šířka mezery y . . . Deformace směrem do mezery 81
Ochranná funkce • Nejčastější použití: – Vodohospodářské stavby (kanály, nádrže, přehrady) – Tunely a podzemní stavby – Skládky odpadů (tuhé, tekuté) ⇓ Chrání zde především těsnící prvky 82
Drenážní funkce drenážní funkce
Drenážní – většinou se jedná o geokompozit (= geotextilie + tuhé propustné jádro + geotextilie) 83
Drenážní funkce Drenážní – výrobek má odvádět vodu z okolního zemního prostředí po dobu funkce konstrukce a také umožňuje shromažďovat vodu ze svého okolí do zvoleného místa. Rozhodující je propustnost v rovině výrobku při daném tlaku (např. 50, 100 a 200 kPa)
84
Drenážní funkce • Pro výpočet kapacity geodrénu (TP 97) se vychází z rovnice: • Q = A · kgp · i · t, kde Q (m3) je průtok za čas t (řešení se provádí nejčastěji na 1 bm) A (m2) - průtočná plocha (tloušťka krát jednotka šířky), kgp (m/s) - filtrační součinitel geotextilie, i - hydraulický gradient, t (s) - čas 85
Protierozní funkce
Protierozní – agrotextilie, geosítě s prostorovější strukturou.
Rozlišuje se ochrana svahů a sklaních stěn. Úloha geosyntetika je v dočasné ochraně svahu do doby 86 uchycení vegetace
Protierozní funkce • Zajišťuje ochranu povrchových vrstev zemní konstrukce před vnějšími vlivy (povrchová voda, vítr) • Chrání svah po dobu trvalého uchycení vegetačního pokryvu v takovém rozsahu, aby byla povrchová vrstva stabilní. • Výrobek musí především odolávat a absorbovat energii padající vody a energii vody tekoucí po svahu. ⇓ Znamená to, že struktura výrobku musí mít dostatečnou pevnost, a pokud je přímo ve struktuře výrobku směs se semeny trávy nebo jiných rostlin, nesmí dojít k vyplavování. 87
Protierozní funkce • K návrhu jsou potřebné tyto vstupní údaje: – – – – – – – – –
Suchý nebo mokrý svah ? Délka a sklon svahu ? Rovinatost povrchu ? Druh horniny na svahu ? Rychlost tekoucí vody (mokrý svah) ? Mechanické vlivy ? Klimatické, chemické , biologické ? Požadovaná životnost úpravy ? Estetické požadavky ?
88
Protierozní funkce geosyntetikum
výkop
Kotevní prvek
89
Protierozní funkce • Speciální případ ochrany svahů • Pro geosyntetika použitá pro ochranu skalních stěn jsou důležité tyto charakteristiky: – – – –
Tahová pevnost Pevnost spoje, uzlu Velikost otvorů Dlouhodobá odolnost proti klimatickým vlivům
90
Protierozní funkce
91
Výztužná funkce
• Výztužná – geotextilie vyjma netkaných, geosítě, geomříže atd. 92
Výztužná funkce Dlouhodobá tahová pevnost – T - [kN/m]: CR
Tlab Gama5 - vliv kvality výroby Gama1 -Creep
TCR, laboratoř
TCR,Extrapolace Gama 2 -Spolehlivost extrapolace
Gama 3 - vliv instalace
TD tzk
Tživotnost kce
Gama 4 -vliv chemismu, mikrobiol, UV
Čas (log t)
93
Výztužná funkce Výpočtová pevnost – T - [kN/m]: D
-Je funkcí nejen creepu, ale dalších dílčích součinitelů -Francie – NFG 38064:
Td = -Anglie – BS 8006:
-USA – AASHTO:
1 1 1 . . .T f Ftc Fcomp Fenv
TCR Td = f m1 × f m 21 × f m 22 Tallow =
Tult RFID × RFCR × RFCD × RFBD
Pozn: Americká a francouzská norma vychází z krátkodobé tahové pevnosti a creep zohledňuje vyšším součinitelem než anglická norma, která vychází z dlouhodobé tahové pevnosti. 94
Výztužná funkce Dlouhodobá tahová pevnost – T - [kN/m]: CR
-Do výpočtu se vliv creepu zavádí pomocí dílčího součinitele spolehlivosti (např. Ftc nebo fm1 nebo FRCR ). Rozdílnost v označení vyplývá z národních předpisů, a tím i velikost tohoto součinitele se liší. -Francie – Ftc (doporučené hodnoty): Polymer/doba trvání konstrukce PES PP, PE
t=0 1 1
t = 7 let 1,5 3,0
t = 70let 2,25 4,5
-Anglie – fm1: dílčí součinitel bezpečnosti vyjadřující vliv materiálu:. Dle [BS 8006] je tento součinitel funkcí řady dalších dílčích součintelů, z nichž nejdůležitější je (vliv extrapolace dat na požadovanou životnost z naměřených dat). Ostatní součinitele lze uvažovat rovno 1,0. -USA – FRCR: podle aplikace (svahy, opěrné stěny apod.) jsou uvedeny min. a max. hodnoty tohoto součinitele pro daný polymer. 95
Výztužná funkce Dílčí součinitele: 1. Vliv instalace – při zasypávání a následném hutnění dojde k poškození výrobku. Míra poškození je vyjádřena tímto součinitelem a závisí na velikosti zrna a na jeho tvaru. Vyjadřuje snížení tahové pevnosti. Francie – Fcomp - dílčí souč. spolehlivosti vyjadřující nebezpečí porušení výztuhy instalací (1,1 – 1,5). Hodnota 1.5 platí pro ostrohranný štěrk Anglie – fm21 - není uvedena konkrétní hodnota. Více méně má tuto hodnotu dodat a zaručit výrobce. Je uveden v certifikátech BBA. USA – RFID – velikost součinitele je vyjádřena min. a max. 96 hodnotou podle charakteru aplikace
Dílčí součinitele:
Výztužná funkce
2. Vliv okolního prostředí (chemismus, mikroorganismy, UV apod.) – vyjadřuje míru degradace geosyntetika vlivem chemických látek přítomných v zemním prostředí, vlivem mikroorganismů popř. degradace vlivem UV záření. U tohoto součinitele je nutné znát o jaký typ polymeru se jedná (viz. první přednáška o geosyntetikách). Francie – Fenv - dílčí souč. bezpeč. vyjadřující snížení pevnosti vlivem okolního prostředí (1,0 – 1,1). Anglie – fm22 - není uvedena konkrétní hodnota. Více méně má tuto hodnotu dodat a zaručit výrobce. Existují certifikáty BBA, kde musí výrobci tyto hodnoty udat. USA – RFCD (RFBD) – velikost součinitele je vyjádřena min. a max. hodnotou podle charakteru aplikace.
97
Výztužná funkce Porovnávací studie: Pro výše uvedené vztahy a jednotlivé dílčí součinitele spolehlivosti bylo provedeno jejich porovnání. Studie byla provedena pro geosyntetika typu geomříží na bázi HDPE, Tf = 55kN/m, TCR = 29,1 kN/m (70let). Další vstupní parametry jsou uvedeny v Tab.2. Tab.2: Vstupní hodnoty pro parametrickou studii vliv creepu
NFG38064 BS 8006 AASHTO
vliv instalace**
vliv okolního prostředí**
70 let
min.
max.
min.
max.
4,5
1,0
1,5
1,0
1,1
1,0
1,0
1,36
1,0
1,05
5,0*
1,05
3,0
1,1
2,0
* . . . není uvedeny pro konkrétní dobu ** . . . jsou uvedeny minimální a maximální hodnoty, které mohou nastat
98
Výztužná funkce Porovnávací studie: 55.0 BS8006-70let(max) BS8006-70let(min)
45.0
AASHTO-?let(max) AASHTO-?let(min) NFG-70let(max)
pevnost v tahu [kN/m]
35.0
29.1 25.0
NFG-70Let(min)
29.1
22.2 21.6
15.0
29.1
20.5 20.2
20.2
14.8 11.0
13.5 10.5 9.5
5.0
1.8
3.7 -5.0 vliv creepu
vliv instalace
vliv okolí
dílčí součinitele bezpečnosti
Graf.1 Porovnání Td podle BS, AASHTO a NFG pro životnost konstrukce 70 let
99
Výztužná funkce
100
Výztužná funkce
Obr. 1
Obr. 2
101
Vyztužené svahy Výpočet – strmé svahy:
ϕ/, c/, γ ru
h : u = ruγh Klín 1
H
θ1
Klín 2 θ2
β
Q1
Síla – výztuhy: TCELK
⎡ (U1tgϕ1′ − K1 )⎤ ⎢(G1 + Q1 )(tgθ1 − tgϕ1′ ) + ⎥ cosθ1 ⎣ ⎦+ = T1 + T2 = 1 + tgθ1tgϕ1′
⎡ α S (U 2tgϕ 2′ − K 2 )⎤ ⎢(G2 + Q2 )(tgθ 2 − λS tgϕ 2′ ) + ⎥ cosθ 2 ⎣ ⎦ + 1 + α S tgθ 2tgϕ 2′
R/1
G1
R/12
T1
N/1 U1
K1
KLÍN 1
K12
N/12
N/12 R/12
U12
U12
T12
T12 T2
Q2
G2 K12 R/2 K2 N/
2
U2
KLÍN 2
102
Vyztužené svahy Výpočet – strmé svahy – kotevní síla: LH
výztuha
αP LK
αS LD
LK =
TD α P (σ v′tgϕ D′ + c′D ) 103
Vyztužené svahy Výpočet – strmé svahy – vzdálenost výztuh:
σ haz ≥ σ hZ σ haz =
TD SVZ
σ hz = K .(γ .z + q )
⇓ SVZ ≤
TD K (γ .z + q )
104
Výztužná funkce
Aplikace
105
Výztužná funkce
Vyztužené svahy
106
Vyztužené svahy Co je možné vyřešit? 1. 2. 3. 4.
Zvýšení sklonu svahu Pro již navržený sklon zvýšit jeho stabilitu Sanace lokálních sesuvů Lze použít nevhodný materiál z lokality 107
Vyztužené svahy 1. Zvýšení sklonu svahu: Využití: je dán zábor a potřebujeme rozšířit zemní těleso
Nový sklon
Původní sklon
108
Vyztužené svahy Při posuzování stability násypového tělesa se vychází z výpočtů pomocí mezní rovnováhy (Bishopova modifikovaná metoda, Sarmova metoda ) nebo pomocí napjatostně-deformačních výpočtů (např. MKP) apod.
109
Vyztužené svahy Výpočet stability svahu pomocí Bishopovy metody s vyztužením – možné případy stanovení síly Ti :
Stanovení síly Ti: přetržení
TD,i =
TCR ,i f m1 × f m 2
vytržení
Ta ,i =
2 Li , pα p (c′ + σ v tan ϕ´) Fos
,
f m1 = f m11 × f m12 = f m111 × f m112 × f m121 × f m122
f m 2 = f m 21 × f m 22 = f m 211 × f m 212 × f m 22
110
Vyztužené svahy Zavedení síly do výpočtu:
Zavedení přídavné síly Mezi proužky (I. Vaníček) 111
Vyztužené svahy 3. Sanace lokálních sesuvů: Využití: při změně vlastností zemin v zemním tělese (vlivem vody) nebo se zvýší intenzita dopravy apod. Potom může dojít k jeho sesunutí. Lze využít sesunutou zeminu. Samozřejmě ne zeminu z místa smykové plochy. ⇓ Jedním z řešení je provedení vyztužení 112
Vyztužené svahy 3. Sanace lokálních sesuvů:
113
Vyztužené svahy 4. Lze použít nevhodný materiál z lokality: Využití: v mnoha případech při provádění zemního tělesa je nutné použít nevhodný materiál do tělesa, protože kvalitní materiál je nedostupný (velké dovozní vzdálenosti). ⇓ Jedním z řešení je provedení vyztužení
114
Vyztužené svahy Svahy se sklonem do 45° U svahů se sklonem do 45 ° se v mnoha případech nepoužívá zvláštní úprava čela. Tzn. Že výztuhy jsou ukončeny na čele svahu. V případě dešťových srážek nebo povětrnostních vlivů se použije geosyntetikum, které plní ochrannou funkci.
115
Vyztužené svahy
Protirozní geosyntetikum
Sekundární výztuha
Primární výztuha
116
Vyztužené svahy Svahy se sklonem nad 45° U svahů se sklonem nad 45 ° je již nutné provádět úpravu čela – obalované čelo, ocelové sítě, pytle s pískem apod.
117
Vyztužené svahy Obalované čelo
118
Vyztužené svahy Obalované čelo Primární výztuhy
Dočasný opěrný Systém
Spojovací prvek
Sekundární výztuha
119
Vyztužené svahy Ocelové sítě
Ocelová síť Geosyntetikum Kotevní tyč Textilie Jemnozrnná zemina
120
Vyztužené svahy Obalované čelo s pytli písku
121
Výztužná funkce Opěrné konstruce, mostní opěry atd.
122
Opěrné konstrukce
Ekonomické porovnání opěrných konstrukcí
123
Opěrné konstrukce Co je možné vyřešit? 1. Lze budovat konstrukci se sklonem až 90° 2. U jednoduchých mostních konstrukcí, lze zbudovat mostní opěru ze zeminy jako přiléhající násyp ⇒ stejné sedání
124
Opěrné konstrukce-výpočet Vnější stabilita
posunutí
únosnost
překlopení
stabilita
125
Opěrné konstrukce-výpočet Vnější stabilita
LMIN,UNOSNOST
LMIN,POS q2
γ1, ϕ/1CV
γ2, ϕ/2CV
γ1, ϕ/1CV
G1
γ1, ϕ/1CV
H
Sa
Sa
H/3 ϕ/3CV M
RV
RH
posunutí ′ G1 × α S × tgϕ CV ≥ 1 .5 Sa
γ2, ϕ/2CV
γ2, ϕ/2CV
G1
H
q
q2
q1
H/3
M
RV
RH
únosnost Rd
σ V , MAX
γ3, ϕ/3CV
stabilita
≥ 2÷3 126
Opěrné konstrukce-výpočet • Při posuzování vnější stability se vychází z předpokladu, že vyztužený zeminový blok se chová jako homogenní celek
Výstup: šířka bloku „L“ 0.6 < L/H < 0.8 127
Opěrné konstrukce-výpočet Vnitřní stabilita
vytržení
přetržení
Dále je nutné posoudit možné oslabení na kontaktu výztuha - zemina
Metoda klínů
128
Opěrné konstrukce-výpočet Vnitřní stabilita
Pstálé, Pnahodilé
Pnahodilé, Pstálé
P Ea
Eagv Eapv Eaph Eagh
G
hi
Z qi
q
f’w Q
Uvažuje klín z bloku definovaný výškou hi a úhlem θi.
129
Opěrné konstrukce-výpočet Vnitřní stabilita
i-tá výztuha
SV Oblast zeminy odpovídající i-té výztuze
SV =
TD
∑σ
ah
130
Opěrné konstrukce-výpočet Vnitřní stabilita q2
q1
γ1
γ2, ϕ/2CV
G1,Z
Sa,z
z
z/3
(σV)max
M
RV
RH
σ H , MIN , Z = σ V , MAX , Z K a 2
(σV)min
L 131
Opěrné konstrukce-výpočet Vnitřní stabilita FV
xS BS z1
Zóna 1
σ ah , P = K aσ V , P ,1( 2,3) z2
Zóna 2
σV,P H
Zóna 3
σV,P
L
132
Opěrné konstrukce-výpočet Vnitřní stabilita xS
FH
σH BS zS
45°+ϕ/2
σ ah , H
2 FH = zS
133
Opěrné konstrukce-výpočet Vnitřní stabilita – kotevní délka: Sa
Gθ,i
Z/i/3
i
Zi
j
k
TK,l
LK ≥
f f TD 2σ V wα P tgϕ1′
l
LK,l
θi
m
134
Opěrné konstrukce-výpočet • Vnitřní stabilita prověřuje, množství požadované výztuže tak, aby nedošlo k selhání mechanismu vyztuženého zemního tělesa.
Výstup: typ výztuže, rozteč výztuže
135
Opěrné konstrukce-výpočet Další případy – výškově odskákaná zeď
136
Opěrné konstrukce-výpočet Další případy – stupňovitá zeď
H1
H2
D ≤ (H1 + H2)/2 ⇒ bez odskoku D
D > H2.tan(90°-ϕ)⇒samostatné zdi Jinak stupňovitá zeď
137
Opěrné konstrukce-výpočet Další případy – zdi proti sobě
138
Opěrné konstrukce-výpočet Další případy – zdi proti sobě Případ I: Dvě nezávislé zdi
D>H.tan(45°-ϕ/2) ⇒ plný aktivní tlak
D
139
Opěrné konstrukce-výpočet Další případy – zdi proti sobě Případ II: LR > 0.3H ⇒ akt. tlak se neuvažuje pro extrémní stab. Pro geometrii mezi I a II ⇒ lineární interoplace tlaku 140
Opěrné konstrukce-výpočet Bathurst, Allen, Walters: Reinforcement loads in geosynthetic walls and the case for a new working stress design method
141
Opěrné konstrukce - čelo
Alternativní úpravy čela
142
Opěrné konstrukce - čelo Panel na plnou výšku Poznámky: • Panel je vyroben na plnou výšku konstrukce • Zárodky výztuhy musí být při výrobě zabetonovány do paneku • Musí být spoj (tj. spojení zárodku s další částí výztuhy), který umožní napojení požadované kotevní délky • Musí se provádět dočasné pažení • Panel se zakloní dle výšky (hutnící účinky by vyklonily panel z osy) 143
Opěrné konstrukce - čelo Panel na plnou výšku
144
Opěrné konstrukce - čelo Prefabrikáty Poznámky: • Jsou možné panely různé velikosti a tvaru • Zárodky výztuhy musí být při výrobě zabetonovány do paneku • Musí být spoj (tj. spojení zárodku s další částí výztuhy), který umožní napojení požadované kotevní délky • Musí se provádět dočasné pažení • Panel se zakloní dle výšky (hutnící účinky by vyklonily panel z osy) 145
Opěrné konstrukce - čelo Prefabrikáty
146
Opěrné konstrukce - čelo Malé segmenty Poznámky: • Suchý postup výstavby • Ruční ukládání bloků • Zárodky výztuhy nejsou potřeba • Výztuha se položí mezi bloky a každý blok má mít definované uchycení výztuhy (např. umělohmotné kolíky apod.) • Segmenty mezi výztuhami se zakloní dle výšky (hutnící účinky by vyklonily segmenty z osy) 147
Opěrné konstrukce - čelo Malé segmenty – systém TensarWall Blocks
Connector
148
Opěrné konstrukce - čelo Gabiony
Poznámky: • Gabion plní jen pohledovou úpravu • Výztuhy jsou zataženy mezi gabiony
149
Opěrné konstrukce - čelo Ocelové sloupky + bet. desky Poznámky: • Pro ocelové sloupky se musí provést základy, do kterých zafixují • Finální čelní úprava může vytvořena obkladem
150
Opěrné konstrukce – technologická opatření zásypový materiál výztuhy pohledové prvky, úprava hutnění
151
Opěrné konstrukce – technologická opatření výztuhy překrytí (min. 75 mm mezi výztuhami) vypnutí
152
Opěrné konstrukce – technologická opatření pohledové prvky, úprava vzdálenost výztuh úprava čela patka (min. 150 x 300 mm) záklon (např. 20mm na 1m výšky prefabrikátu)
153
Opěrné konstrukce – technologická opatření hutnění ve vzdálenosti min. 1.0 líce ⇒ lehké hutnící prostředky (max. do 1t nebo u vibračního má být zatížení 1.5t/m šířky běhounu)
154
Opěrné konstrukce
155
Výztužná funkce
Podkladní vrstvy, báze násypů
156
Podkladní vrstvy Nejvhodnější podmínky pro aplikaci v podkladních vrstvách (dle FHWA - geotextilie):
cu [kPa]
CBR
funkce
60 – 90
2–3
filtrační popř. separační
30 – 60
1–2
filtrační, separační popř. výztužná
< 30
<1
výztužná, separační, filtrační
157
Báze násypů – málo únosné podloží
• Vyztužení báze násypu pomocí geomříže, geotextlie
158
Báze násypů – málo únosné podloží
Výztužný prvek • Vyztužení báze násypu pomocí geomříže, geotextlie
159
Báze násypů – velmi málo únosné podloží
Geobuňková struktura nebo vyztužení ve více vrstvách
160
Báze násypů – velmi málo únosné podloží
Geobuňková struktura nebo vyztužení ve více vrstvách
161
Báze násypů – velmi málo únosné podloží q L2
1. Základní prvky konstrukce
L1
gn, fef Násyp
p =min 0.5m
H
Geobuňková matrace
cu
d
Slabé Měkkéjíly jíly
Pevné podloží hák z ocelové tyče uhlopříčná mezistěna příčná mezistěna
s=
h
162
Půdorys uspořádání při instalování geomříží SR Konstrukce matrace z geobuněk GEOMAT
Báze násypů – velmi málo únosné podloží tuhá deska
stlačovaný blok
tuhá deska smyková pole
163
Báze násypů – velmi málo únosné podloží
Geobuňková struktura nebo vyztužení ve více vrstvách
164
Báze násypů – velmi málo únosné podloží Problém: Pokud je nutné zajistit i omezení deformací pod konstrukcí lze použít tzv. roznášecí platformu 165
Báze násypů – velmi málo únosné podloží
• Load transfer platforms (settlement free) 166
Báze násypů – velmi málo únosné podloží NÁSYP
SVISLÉ NAPĚTÍ
HLAVICE
VÝZTUHA
PILOTY
NÁSYP VÝZTUHA
Eapv Ti
HLAVICE
PILOTY
167
Použité podklady • Giroud J.P.: Geosynthetics in hydraulic engineering • Miča: články, publikace • Muller-Rochholz, J.: Geosynthetics, types, functions and associated tests • Rowe: Design with geosynthetics • TP97 • Vaníček, I. a kol: Mezní stavy vyztuž .. • Geotechnika (časopis) - Baslík
168
Použité podklady Použité obrázky jsou ilustrativní, aby si čtenáři této prezentace mohli představit řešený problém, detail či aplikaci. Proto při splnění všech podmínek návrhu, lze použít obdobně pro danou aplikaci všechny typy geosyntetik. Další doplňující informace lze získat např. v TP 97 či na internetu při zadání termínů s požadovanou problematikou. V případě dalších dotazů či konzultací se lze kontaktovat osobně či emailem –
[email protected] 169
