Geosyntetyki w budownictwie wodnym - ebook

Przedmowa

Geosyntetyki to grupa materiałów, której dynamiczny wzrost zastosowań obserwuje się zarówno w inżynierii lądowej, jak i wodnej. Geosyntetyki, mimo swojej stosunkowo krótkiej historii (pierwsze przykłady ich wykorzystania sięgają przełomu lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku), weszły już na trwałe do praktyki inżynierskiej. Są obecnie produkowane w bardzo szerokim asortymencie, dostosowanym do wymagań odbiorców. Szacuje się, że do tej pory ponad 20 miliardów metrów kwadratowych tych materiałów zostało wykorzystanych w kilku milionach inwestycji zrealizowanych w dziedzinie geotechniki oraz budownictwa wodnego i lądowego¹. W każdym roku produkowanych jest kilka miliardów m² tych wyrobów (np. w 2013 r. łącznie na świecie wytworzono ich ok. 4,7 miliardów m², co stanowiło wzrost ok. 5,3% w stosunku do roku poprzedniego – dane wg książki z przypisu 1). Prognozy w tym zakresie na najbliższą przyszłość też są obiecujące – przewiduje się, że zapotrzebowanie na geosyntetyki będzie nadal rosło, a Chiny, Indie i Rosja to rynki, na których spodziewany jest największy wzrost ich sprzedaży w ciągu najbliższych lat.

Geosyntetyki różnią się właściwościami i wymiarami (przede wszystkim grubością) od pozostałych materiałów stosowanych do budowy konstrukcji inżynierskich. Charakteryzuje je cała gama różnych właściwości². Materiały te, poddane działaniu obciążenia, wykazują właściwości sprężysto-lepko-plastyczne, cechuje je anizotropia, ich parametry zależą od warunków środowiskowych i historii działającego na nie naprężenia. Projektowanie konstrukcji inżynierskich z ich udziałem wymaga wiedzy zarówno z dziedziny budownictwa, jak i inżynierii materiałowej oraz znajomości zasad mechaniki. Jeszcze do niedawna było to sporym wyzwaniem, gdyż praktyczne zastosowania geosyntetyków znacznie wyprzedzały rozwój wiedzy teoretycznej na temat zasad pracy tych materiałów. Brak było sprawdzonych narzędzi projektowych, a ponadto po pierwszym etapie entuzjazmu, gdy geosyntetyki stosowano jako swego rodzaju panaceum na różne problemy w budownictwie (na zasadzie pomogą lub nie pomogą, a spróbować można), stwierdzono, że technologia wykonywania (lub wzmacniania) konstrukcji inżynierskich przy ich użyciu jest wrażliwa na wszelkie niedociągnięcia i błędy występujące na etapie projektowania i/lub wykonawstwa. W celu osiągnięcia założonego efektu końcowego niezbędne jest więc zachowanie szczególnej staranności w trakcie przebiegu całego procesu przygotowania i realizacji inwestycji oraz przestrzeganie zaleceń dotyczących zasad właściwego (zgodnego z założeniami projektowymi) użytkowania konstrukcji inżynierskich. To zaś, biorąc pod uwagę brak obowiązujących wytycznych i zasad projektowych, było sporym wyzwaniem zarówno dla projektantów, jak i wykonawców.

Aktualna wiedza na temat geosyntetyków jest już szeroka. Obejmuje okres kilkudziesięciu lat doświadczeń, związanych z wykorzystaniem tych materiałów w różnych dziedzinach budownictwa. Szczególnie cennych informacji dostarczyły wyniki długotrwałego monitoringu konstrukcji inżynierskich pracujących w naturalnych warunkach. Obecnie, równolegle są prowadzone badania laboratoryjne, pomiary terenowe i analizy teoretyczne sposobu pracy tych materiałów w różnego rodzaju konstrukcjach inżynierskich.

Opracowano szereg specjalistycznych norm dotyczących metodyki przeprowadzania badań geosyntetyków. Sprecyzowano wymagania, które muszą spełniać materiały stosowane w poszczególnych dziedzinach budownictwa oraz określono parametry, które należy wyznaczyć przed ich wykorzystaniem w praktyce. Ostatnim, ale pod pewnymi względami najtrudniejszym, etapem usystematyzowania wiedzy na temat geosyntetyków jest opracowanie zasad projektowania konstrukcji inżynierskich, w których są stosowane. W niektórych dziedzinach budownictwa, na przykład w polskiej normie PN-83/B-03010 Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie informacje na temat zasad projektowania konstrukcji z gruntu zbrojonego umieszczono stosunkowo wcześnie, ale ich nie uaktualniano, co w konsekwencji spowodowało ich „zatrzymanie się” na poziomie lat osiemdziesiątych XX wieku. W innych natomiast, jak na przykład w budownictwie drogowym, mimo powszechnego wykorzystywania geosyntetyków w praktyce inżynierskiej, zasady projektowania są dopiero formułowane. Badania na temat pracy geosyntetyków w konstrukcjach dróg są w ostatnim czasie intensywnie prowadzone, a na krajowym rynku wydawnictw specjalistycznych ukazało się kilka pozycji książkowych poświęconych tej kwestii³.

Nieco odmienna sytuacja, dotycząca zastosowań geosyntetyków, występuje w budownictwie hydrotechnicznym. W ostatnich dekadach można zaobserwować na tym polu ogólnoświatowy dynamiczny trend dotyczący wzrostu zainteresowań wykorzystaniem tych materiałów. Jest on spowodowany między innymi pojawieniem się nowych wyzwań, którym musi sprostać budownictwo wodne. Zmiany klimatyczne i towarzysząca im intensyfikacja występowania zjawisk ekstremalnych oraz wzrost wymagań stawianych nowo budowanym konstrukcjom ochronnym spowodowały zwiększone zainteresowanie poszukiwaniem nowych rozwiązań w tej gałęzi budownictwa. Przemysł tekstylny, który w ostatnim czasie bardzo się rozwinął, jest w stanie dostarczać bardzo dobre jakościowo materiały, które mogą sprostać pracy w ekstremalnie trudnych warunkach, na które często są narażone konstrukcje ochronne wykorzystywane w budownictwie morskim lub śródlądowym (zmienne warunki obciążeń, obciążenia cykliczne i dynamiczne). Coraz szersza wiedza i doświadczenie dotyczące sposobu pracy geosyntetycznych konstrukcji ochronnych zmniejszają obawy projektantów i wykonawców dotyczące ich stosowania w praktyce.

Geosyntetyki w budownictwie wodnym są wykorzystywane zarówno jako warstwy filtracyjne, drenażowe, separacyjne, zbrojeniowe, jak i ochronne. Stanowią powierzchniowe zabezpieczenia przeciwerozyjne i bariery hydrauliczne. Wykorzystuje się je do budowy praktycznie wszystkich rodzajów budowli hydrotechnicznych, m.in. falochronów, sztucznych rew wzdłużbrzegowych, ostróg, progów podwodnych, tam i zapór, w których równocześnie mogą pełnić różne funkcje. Wiele konstrukcji powstaje z użyciem tzw. geosystemów. Do ich budowy stosuje się najczęściej jeden z kilku dostępnych na rynku rodzajów geosyntetycznych pojemników (geoworków, geotub, geokontenerów lub geomateracy). Elementy te różnią się między sobą parametrami i technologią wykonania. Są stosowane do budowy różnych rodzajów konstrukcji, których prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie wymaga zarówno znajomości zasad budownictwa wodnego, jak i specyfiki pracy geoelementów. Jest to szczególnie istotne w przypadku zastosowania geosyntetycznych powłok, które należą do grupy wielkogabarytowych geosystemów. Począwszy od lat osiemdziesiątych XX wieku geoelementy te, znane obecnie pod nazwą geotub, georur i geokontenerów, są wykorzystywane w budownictwie hydrotechnicznym m.in. jako elementy konstrukcyjne: opasek brzegowych, falochronów, ostróg i budowli przeciwpowodziowych. Już pierwsze wyniki doświadczeń dotyczących stosowania geotub jako elementów konstrukcyjnych podwodnych falochronów w Australii⁴ wywołały zainteresowanie na całym świecie. W wielu krajach, m.in. w Polsce, próbowano opracowywać i wykonywać podobne rozwiązania⁵. Brak narzędzi projektowych stanowił jednak barierę dla rozwoju tej technologii, której zalety (prostota i niski koszt wykonania, brak konieczności tworzenia dużych placów budowy, proekologiczny charakter) i pozytywne wyniki pierwszych doświadczeń sugerowały, że badania dotyczące tej tematyki mają przed sobą obiecującą przyszłość.

Na początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku ten rodzaj umocnień był nowością. Wtedy też podjęto w Instytucie Budownictwa Wodnego PAN pierwsze badania teoretyczne dotyczące sposobu pracy geosyntetycznych powłok w konstrukcjach hydrotechnicznych. Opracowane tu rozwiązania, m.in. metodyka określenia kształtu geosyntetycznych powłok i wyznaczania wymaganej minimalnej wytrzymałości materiału użytego do ich budowy⁶, były wykorzystywane przez innych badaczy. Między innymi zostały zastosowane przez Dova Leschinskego w trakcie opracowywania profesjonalnego oprogramowania GeoCoPS, które jest aktualnie wykorzystywane do projektowania geosyntetycznych powłok. Wyniki uzyskane przy użyciu opracowanych w IBW PAN rozwiązań stanowiły jedną z podstaw weryfikacji poprawności sprzedawanego na całym świecie oprogramowania⁷. Zostały one też przedrukowane w całości i umieszczone (jako podrozdział) w pierwszej pozycji książkowej poświę­conej tematyce wykorzystanie geosyntetyków do ochrony brzegów morskich, którą wydano w 2000 r. nakładem wydawnictwa Balkema⁸. Mimo upływu lat i rosnącej popularności geosyntetyków w inżynierii brzegowej książka ta nadal stanowi jedno z podstawowych źródeł informacji o zastosowaniach geosyntetyków w budownictwie wodnym i jest cytowana przez wielu autorów.

Aktualny stan wiedzy na temat zastosowań geosyntetyków w budownictwie wodnym można, w dużym uproszczeniu, streścić następująco: mimo rosnącej popularności i dostępności tych materiałów do tej pory nie opracowano zasad projektowania i wykonywania hydrotechnicznych konstrukcji inżynierskich z ich udziałem. W polskiej literaturze fachowej wciąż brakuje usystematyzowanych informacji na temat zasad stosowania geosyntetyków w inżynierii wodnej. Przykładowo można podać, że w przypadku konstrukcji złożonych z wielkogabarytowych geoelementów (geotub, geokontenerów) do tej pory nie wyznaczono, tak jak ma to miejsce w przypadku tradycyjnych konstrukcji inżynierskich, krytycznych wartości deformacji i/lub przemieszczeń, których nie można przekroczyć w trakcie ich użytkowania. Na brak obowiązujących zaleceń projektowych i wykonawczych narzekają zarówno naukowcy, jak i praktycy, co można było usłyszeć m.in. na odbywających się w 2012 roku w Valencji (Hiszpania) Piątej oraz w 2016 roku w Lublanie (Słowenia) Szóstej Europejskiej Konferencji dotyczącej Geosyntetyków. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest fakt, że również w dziedzinie zastosowaia geosyntetyków działalność praktyczna wyprzedziła rozwój wiedzy teoretycznej, która aktualnie jest uzupełniana.

Dotychczasowe doświadczenia dotyczące zastosowań geosyntetyków w budownictwie wodnym wymagają usystematyzowania. Uporządkować należy przede wszystkim wiedzę na temat zasad budowy konstrukcji ochronnych złożonych z geoelementów. Istotne jest, by projektując umocnienie brzegu złożone na przykład z geosystemów wielkogabarytowych (geotub lub geokontenerów) mieć świadomość, jaki zakres obliczeń należy wykonać i jaki rodzaj metodyki projektowania można zastosować. W trakcie prowadzenia prac budowlanych należy zdawać sobie sprawę ze specyfiki pracy tego typu budowli i znać zalecenia wykonawcze, których należy przestrzegać podczas realizacji inwestycji.

W niniejszej książce podjęto próbę przedstawienia aktualnego stanu wiedzy na temat możliwości wykorzystania geosyntetyków w budownictwie wodnym. Przekrojowo przedstawiono możliwości wykorzystania tych materiałów w budownictwie morskim i śródlądowym. Uwagę zwrócono przede wszystkim na zasady projektowania i wykonywania umocnień złożonych z geosyntetycznych elementów, podsumowując przy okazji wyniki kilkuletnich prac prowadzonych na ten temat w Instytucie Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku. Scharakteryzowano podstawowe rodzaje budowli ochronnych wykorzystywanych w budownictwie wodnym i omówiono funkcje, jakie mogą pełnić geosyntetyki. Przedstawiono zasady doboru tych materiałów i badania, które należy przeprowadzić przed ich zastosowaniem w budownictwie hydrotechnicznym.

W najbliższym czasie w Polsce planowanych jest wiele inwestycji dotyczących przede wszystkim zagospodarowania wodnych dróg śródlądowych. W połowie 2016 r. rząd przyjął założenia do planów rozwoju śródlądowych dróg wodnych w Polsce na lata 2016–2020, z perspektywą do 2030 r. W planach tych założono, że do 2030 r. Odra na całej długości, a Wisła od Warszawy do Gdańska mają stać się międzynarodowymi szlakami żeglugowymi. Na początku marca 2017 r. Polska ratyfikowała warunki europejskiego porozumienia w sprawie głównych śródlądowych dróg wodnych o znaczeniu międzynarodowym, tym samym zobowiązując się do doprowadzenia trzech głównych szlaków wodnych do IV klasy żeglowności. Jest więc to dobry czas na poszerzenie wiedzy na temat nowych, ekologicznych i ekonomicznych rozwiązań, które mogą być stosowane w budownictwie wodnym.

Gdańsk, kwiecień 2019 r.

Krystyna Kazimierowicz-FrankowskaPrzypisy

1 Giroud J.P., 2012: Geosynthetics: a remarkable discipline with great achievements in the past and exciting challenges for a bright future, Materials of 5^(th) European Geosynthetics Congress – Keynote Lectures & Educational Session, Valencia – Hiszpania 2012.

2 Perkins S.W.: Constitutive modeling of geosynthetics, “Geotextiles and Geomembranes” 2000, Vol. 18, No. 5, s. 273–292.

3 Bugajski M., Grabowski W.: Geosyntetyki w Budownictwie Drogowym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999, s. 137; Chrzan T.: Autostrady i materiały do ich budowy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000, s. 186; Maro L.: Geosyntetyki do powierzchniowego wzmacniania gruntu, Wydawnictwo Lemar, Łódź 2010, s. 286; Kazimierowicz-Frankowska K.: Wzmacnianie konstrukcji dróg geosyntetykami. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2014, s. 228.

4 Silvester R.: Sand sausages for beach defense work, Materials of 6^(th) Australasian Hydraulics and Fluid Mechanics Conference, Adelaide 1977, Australia, s. 340–343.

5 Niespodzińska L.: Dokumentacja techniczna doświadczalnego odcinka geotekstylnego umocnienia brzegu w Juracie, Wydawnictwo Instytutu Morskiego, Gdańsk 1991.

6 Kazimierowicz K.: Simple analysis of deformation of sand-sausages, Materials of 5^(th) International Conference of Geotextiles, Geomembranes and Related Products, Singapur 5–9 września 1994, tom 2, s. 775–778.

7 Leschinsky D., Leschinsky O., Ling H.I., Gilbert P.A: Geosynthetic tubes for confining pressurized slurry: some design aspects. “Journal of Geotechnical Engineering” 1996, Vol. 122, No. 8, s. 682–690.

8 Pilarczyk K.W.: Geosynthetics and Geosystems in Hydraulic and Coastal Engineering, A.A. Balkema, Rotterdam 2000.