Typy geotextílií a ich funkcia v stavebných konštrukciách

Všeobecne môžeme geosyntetiká rozdeliť do šiestich hlavných skupín: geotextílie, geomreže, geosiete, georohože, geomembrány a geokompozity. Každý výrobok z týchto skupín plní v konštrukcii istú nezameniteľnú funkciu, kedy sa stáva neoddeliteľnou súčasťou navrhovanej konštrukcie. Vzhľadom na rozsiahlosť problematiky použitia a návrhu geosyntetických výrobkov bude tento článok venovaný len skupine geotextílií.

V stavebníctve plnia geotextílie primárne funkciu separačnú, filtračnú a ochrannú. Podmienečne vhodné sú potom geotextílie pre funkciu stabilizačnú, výstužnú, drenážnu a protieróznu. Vlastnosti geotextílií, ktoré ovplyvňujú spôsob ich použitia v konštrukcii, sú závislé predovšetkým od druhu a kvality použitej základnej suroviny a od technológie výroby. Akú geotextíliu teda vybrať pre požadovanú funkciu?

GEOTEXTÍLIE A ICH VYUŽITIE V STAVEBNÍCTVE

Geotextílie sú stavebné výrobky, teda výrobky určené na trvalé zabudovanie do stavieb. Počiatky ich použitia siahajú do sedemdesiatych rokov minulého storočia, kedy sa geotextílie začali zabudovávať do telies pozemných komunikácií. Za dobu svojej existencie prešla táto skupina geosyntetík patričným vývojom a dnes sa už tieto masívne používajú v rade aplikácií a to nielen v dopravnom ale aj pozemnom, inžinierskom, podzemnom či vodohospodárskom staviteľstve.

V stavebníctve plnia geotextílie primárne funkciu separačnú, filtračnú a ochrannú. Podmienečne vhodné sú potom geotextílie pre funkciu stabilizačnú, výstužnú, drenážnu a protieróznu. Vlastnosti geotextílií, ktoré ovplyvňujú spôsob ich použitia v konštrukcii, sú závislé predovšetkým od druhu a kvality použitej základnej suroviny a od technológie výroby.

TYPY GEOTEXTÍLIÍ

Kvalita a druh použitej výrobnej suroviny ovplyvňujú predovšetkým odolnosťou charakteristiky napr. odolnosť chemická, biologická či odolnosť proti poveternostným podmienkam. Z ekonomických dôvodov (cena základnej suroviny) sa v stavebníctve používajú geotextílie vyrobené z polyesterových alebo polypropylénových vlákien, pretože ponúkajú najlepší pomer medzi cenou a výkonom. Vzhľadom k tomu, že sa v súčasnosti kladie čoraz väčší dôraz na ekologickú stránku, prichádzajú postupne na trh textílie vyrobené zo 100% prírodných vlákien (ekotextílie) alebo zo zmesi druhotných surovín. Avšak tieto spravidla nedosahujú požadovaných mechanických či hydraulických vlastností a ich použitie je týmto do značnej miery obmedzené.

Z hľadiska technológie výroby rozlišujeme podľa národnej pobočky International Geosynthetics Society tri hlavné typy geotextílií:

• tkané geotextílie - skladajú sa z dvoch radov súbežných vlákien (nití) prepletených v pravých uhloch do tkaniny tak, aby vytvorili vzájomnú pravidelnú sústavu
• netkané geotextílie - skladajú sa z vlákien usporiadaných do nepravidelné štruktúry, vyrobené spevnením konštrukčných prvkov mechanickým alebo fyzikálno-chemickým spôsobom, popr. ich kombináciou
• pletené geotextílie - skladajú sa z nití vytvarovaných do očiek vzájomne previazaných prípadne s použitím ďalších väzobných prvkov, usporiadaných do stĺpikov a riadkov

Je potrebné mať na pamäti, že každý typ geotextílie má z titulu technológie výroby a následných úprav rozdielne mechanické či hydraulické vlastnosti. Z tohto dôvodu je nutné dôkladne definovať všetky okrajové podmienky a požiadavky, ktoré musia byť v konštrukcii dodržané tak, aby daný typ geotextílie plnil svoju funkciu po celú deklarovanú životnosť konštrukcie a nebola tým ovplyvnená jeho spoľahlivosť a bezpečnosť. Ďalej uvádzame naše odporúčania pre použitie geotextílií v daných aplikáciách vrátane odporúčaní vhodného typu.

Najčastejšie funkcie, ktoré geotextílie plnia v zemných konštrukciách, sú oddelenie vrstiev zemín rozdielnych vlastností. Pri návrhu je nutné zvážiť najmä maximálnu veľkosť zŕn, ich tvarový index, technológiu sypania materiálu a tuhosť podložia. V závislosti na maximálnej veľkosti zrna zásypu je hlavnou sledovanou hodnotou mechanická odolnosť proti pretlačeniu, preto štandardne odporúčame dodržanie nasledujúcich hodnôt:

Súčasne s požiadavkou na hodnotu mechanickej odolnosti proti pretlačeniu by mala byť splnená požiadavka na minimálnu hodnotu priepustnosti v smere kolmom na geotextíliu 15 l / m²s. Pre separačnú funkciu možno použiť ako geotextílie tkané, tak aj geotextílie netkané.

Okrem separácie jednotlivých vrstiev musia byť geotextílie schopné umožniť bezpečný priechod vody súvrstvím, bez toho aby došlo k prílišnému zvýšeniu tlaku vody v póroch zeminy pri súčasnom zabránení unášania drobných častíc do chránenej vrstvy. Tieto požiadavky sa spravidla posudzujú súčasne.

Z hľadiska funkcie filtračnej je vhodnejšie použitie geotextílie tkanej, ktorá umožňuje vznik tzv.zeminového filtra, kedy na styku zeminy s geotextíliou vznikne štruktúra väčších zŕn zeminy vytvárajúca prirodzenú clonu pre menšie zrná. V tomto systéme tak môže voda pretekať skrz geotextíliu s minimálnym rizikom jej kolmatácie. Naproti tomu netkaná geotextília sa vďaka malým priehlbinkám časom zanáša, pretože malé priehlbinky v geotextílii spomaľujú rýchlosť vody v zeminovom súvrství a spôsobujú tak usadzovanie jemnozrnných čiastočiek (kalu) na povrchu geotextílie - tým je obmedzená jej filtračná schopnosť. Pre zaistenie filtračnej funkcie musí navrhovaná geotextília splniť (podľa TP 97 Geosyntetiká v zemnom telese pozemných komunikácií) kritérium priepustnosti, kritérium zadržania a zabránenia upchatia.

Pri návrhu geotextílie pre ochrannú funkciu je nutné zohľadniť predovšetkým citlivosť chránenej konštrukcie na porušenie, druh použitého zásypového materiálu, technológiu zasypávania a schopnosť geotextílie absorbovať účinky od zasypávanej zeminy. Z tohto titulu sú jednoznačne vhodnejšie geotextílie netkané, ktoré vykazujú vzhľadom na technológiu výroby a väčších hrúbok výrazne vyšší absorpčný potenciál.

Pre stabilizačnú funkciu sú vo všeobecnosti geotextílie vhodné len pre veľmi mäkké podložia Edef, 2 <5 MPa, inak v konštrukciách neprináša účinok. V tejto aplikácii fungujú geotextílie pod zaťažením ako ťahové membrány. Ak teda chceme zmobilizovať ich pevnosť, musí dôjsť k ich vertikálnemu pretvoreniu, to však spôsobí vytvorenie neprijateľných deformácií, ktoré nemožno v trvalých konštrukciách pripustiť. Z tohto dôvodu je ich použitie obmedzené na konštrukcie dočasné, na mäkkých podložiach, ktoré umožnia vznik membránového efektu. Pre mechanickú stabilizáciu doporučujeme využitie monolitických geomreží, ktoré vykazujú najvyšší stabilizačný účinok.

Drenážnu funkciu môžu čiastočne plniť netkané geotextílie predovšetkým veľkých hrúbok. Spravidla sa ale nejedná o ich primárnu funkciu v zemných konštrukciách, ale o funkciu sekundárnu. Vplyvom malej priepustnosti v rovine geotextílie, ktorá mnohokrát prudko klesá s jej stlačením, dosahuje rýchlosť vody malých hodnôt, geotextília sa postupne zanáša a dochádza tak k obmedzeniu jej drenážnych schopností. Geotextílie sa pre túto aplikáciu používajú len pre nenáročné aplikácie a výlučne v kombinácii s pieskom alebo štrkom. V náročnejších aplikáciách je vhodnejšie použiť drenážny geokompozit, ktorý dosahuje rádovo vyššiu priepustnosť vo svojej rovine než netkané geotextílie.

Používanie geotextílií ako výstužných ťahových prvkov je podmienečne vhodné pri budovaní strmých svahov. V návrhoch sa najčastejšie používajú tkané prípadne pletené geotextílie z polyesteru menej často z polypropylénu. Dôležitým aspektom správneho návrhu výstuhy je vedľa nominálnej dlhodobej pevnosti tiež jej sečná tuhosť pri nízkych pretvoreniach charakterizujúca II. medzný stav konštrukcie, kedy priebehy vykonaných ťahových skúšok mnohokrát poukazujú na výrazný nárast deformácií pri malých generovaných silách (nízka počiatočná tuhosť). Táto skutočnosť vedie veľmi často k nekontrolovateľnému pretváraniu konštrukcie, ktoré môže v konečnej fáze ovplyvniť nielen jej estetický vzhľad ale aj bezpečnosť a spoľahlivosť.

Nasledujúci graf zobrazuje pracovné diagramy vzoriek tkaných geotextílií u ktorých je zrejmé, že pri nízkych pretvoreniach vykazujú veľmi malú počiatočnú tuhosť. V oblastiach nízkych deformácií (do 5%) v určitej fáze skúšky dochádza k nárastu deformácií pri nemeniacej sa sile. Až následne vykazovali vzorky viacmenej rovnomerný (lineárny) nárast odporujúcej sily v závislosti na pretiahnutí.

V návrhoch je teda nutné túto skutočnosť zohľadniť a definovať ako dlhodobú pevnosť v závislosti na čiastkových redukčných faktoroch (zohľadňujúcich poškodenie vplyvom inštalácie, creepové správanie geosyntetika, chemické a biologické vplyvy), tak aj počiatočnú tuhosť výrobku v oblastiach nízkych deformácií tj. pre 0,5 %, 1% a 2%.

Pre stanovenie minimálnej tuhosti odporúčame použiť nasledujúci vzorec, kedy pri pevnosti zodpovedajúcej zvolenej deformácie pripúšťame maximálne 10% odklon od lineárneho priebehu skúšky:

Tε=X≥ (0,9 xε x Tmax)/εmax, kde

Tε ... pevnost pri x% pretiahnutia [kN/m]

ε ... x% pretvorenie podľa ČSN EN ISO 10319 [%]

Tmax ... maximálna pevnosť v ťahu podľa ČSN EN ISO 10319 [kN/m]

εmax ... maximálne pretvorenie podľa ČSN EN ISO 10319 [%]

Dodávatelia a výrobcovia geotextílií spravidla udávajú hodnotu ťahovej pevnosti pri 2% pretiahnutí, upravený vzorec potom bude:

Tε≥ (1,8 x Tmax)/εmax

ZÁVER

Z vyššie uvedeného je zrejmé, že návrh vhodnej geotextílie podlieha rovnakým zásadám, ako návrh akejkoľvek inej konštrukcie. Je preto potrebné dôkladne zvážiť jej budúcu funkciu v konštrukcii vrátane zhodnotenia všetkých ďalších aspektov (životnosť konštrukcie, spôsob inštalácie atď.).

Za predpokladu správnosti návrhu a rešpektovania základných zásad inštalácie potom výrobok prináša zlepšenie vlastností celej konštrukcie. Je však nutné si uvedomiť skutočnosť, že v prípade opačnom alebo v prípade zámeny za nevhodný výrobok sa môže správanie konštrukcie naopak zhoršiť. Zlyhanie geotextílie potom môže v konečnej fáze znamenať nemalé investičné náklady na následnú opravu (pretrhnutie hrádze, vychádzanie koľají na cestnej komunikácii, zlyhanie drenážnej sústavy).