Uplatnění, návrh a dimenzování plošných geokompozitních drenáží pro odvodnění dopravních staveb

Srážkové vody výrazně snižují protismykové vlastnosti povrchu vozovek pozemních komunikací, při nedostatečném odvodnění mohou způsobit aquaplaning a v zimním období i náledí. Z hlediska podpovrchového odvodnění mají srážkové vody daleko zásadnější dopad u železničních staveb, kde prosakují konstrukčními vrstvami železničního svršku a část z nich se vsakuje do zemní pláně. Tam následně způsobují změnu konzistenčních mezí, přetvárně deformačních charakteristik a dalších parametrů. Stejný negativní dopad mají průsakové vody v oblasti aktivní zóny vozovek nebo zemní pláně železničních komunikací, v zimních obdobích hrozí navíc mrazové zdvihy.

Z výše popsaných důvodů je nutné drénovat jak konstrukční vrstvy, tak zemní pláň, aktivní zónu a pražcová podloží. To platí zejména pro stavby v zářezech či nízkých násypech, ale i pro jiné dopravní plochy, např. parkoviště. U zemních násypů na měkkém zvodnělém podloží dochází k vytlačování vody z podloží v důsledku primární konsolidace. Zda a jak rychle konsolidace probíhá, závisí na rychlosti zatěžování a na hydraulické vodivosti dané zeminy. Je-li hydraulická vodivost zeminy nízká, což je typické pro jíly, napjatá voda obsažená v pórech zeminy se přirozeně tlačí na povrch, směrem k násypu. Tím dochází k jeho saturaci a ke zhoršení odporu na potenciálních smykových plochách, což může v konečném důsledku vést až např. ke ztrátě stability.

Báze násypu se proto běžně drénuje, aby nedocházelo k prostupu vody z podloží do násypu. Rub opěrných i zárubních zdí je typicky drénovaný, a to z důvodu dimenzí konstrukce, protože saturovaná zemina způsobuje zhruba o 100 % vyšší horizontální namáhání oproti odvodněné zemině, a to v důsledku působení hydrostatického (případně i hydrodynamického) tlaku vody. Obdobně se odvodňují ostění mělkých tunelů. Odvodnění objektů dopravní infrastruktury je zkrátka neodmyslitelně spjaté s jejich bezproblémovou funkčností a dlouhou životností. Vedle konvenčních systémů, jako jsou drenážní vrstvy tvořené nestmelenými propustnými materiály, se na stavbách stále častěji potkáváme s geokompozity.

Vybrané oblasti aplikace drenážních geokompozitů v dopravní infrastruktuře (zdroj: Intermas Nets S. A.)

Aplikace v dopravní infrastruktuře

Na objektech dopravní infrastruktury se při sběru a odvádění srážkových a průsakových vod účelně kombinuje plošné a podélné odvodnění, a to především proto, že konstrukce mají typicky liniový charakter (zářez, násyp, pozemní komunikace, železnice, tunel, opěrná/zárubní zeď apod.). Příkladem plošné drenáže je i odvodnění zemní pláně od středu vozovky směrem ke krajnici nebo odvodnění rubu zdí od koruny směrem k jejich patě. Pro plošné odvodnění se využívají právě drenážní geokompozity. Pokud není plošné odvodnění svedeno přímo do retence nebo na povrch zemního tělesa, přechází do podélného odvodnění, které má liniový charakter a slouží jako kolektor. Typicky se jedná o tradiční drenážní trubky provlečené geotextilním rukávem na okraji geokompozitu, čímž je tvořen jeden celek.

Skladba geokompozitu

Geokompozit je ve smyslu ČSN EN ISO 10318-1 výrobek, který sestává z minimálně dvou dílčích částí spojených v celek, z nichž alespoň jedna je tvořena geosyntetikem libovolného druhu.  Drenážní geokompozit plní ve smyslu ČSN EN ISO 10318-1 funkci odvodňování – sbírá a odvádí kapaliny z různých zdrojů (srážky, průsaky aj.) ve své rovině. Drenážní geokompozit sestává z dílčích geosyntetik, tj. z drenážního jádra, z ochrany drenážního jádra a případně z fólie.

Vlevo geokompozit pro plošné odvodnění, vpravo geokompozit s drenážní trubkou pro plošné a podélné odvodnění

Drenážní jádro je nositelem funkce odvodňování, je vyráběno různou technologií, což mu propůjčuje unikátní vlastnosti. Ochrana drenážního jádra zamezuje jeho zanesení jemnými částicemi zeminy, pokud migrují společně s kapalinou, a/nebo chrání danou část odvodňované konstrukce před přímým stykem s kapalinou proudící v rovině drenážního geokompozitu. Drenážním geokompozitem (dále zmiňovaným) se rozumí takový výrobek, který plní funkci odvodňování bez ohledu na to, jakým způsobem je natočen v rámci své roviny, tj. struktura výrobku není pro funkci odvodňování limitujícím faktorem.

Materiál pro jádro geokompozitní drenáže

Výrobní surovinou drenážního jádra je zpravidla vysokohustotní polyetylen (HDPE) nebo polypropylen (PP), a to z důvodu relativně vysoké odolnosti vůči kyselinám, alkáliím a působení mikroorganismů, ve vztahu k jiným polymerům. Do struktury polymeru se nejčastěji přidávají aditiva na bázi uhlíku v řádu prvních jednotek procent objemu, díky čemuž se stává polymer UV stabilní. Geokompozit je tak možné vystavit účinkům UV záření, aniž by došlo ke zhoršení jeho mechanických a fyzikálních vlastností, a to po dobu deklarovanou výrobcem – typicky během instalace.

Poddajná drenážní jádra jsou tvořena neuspořádaným systémem extrudovaných polymerních vláken. Tloušťka poddajného jádra se pod působícím tlakem rychle snižuje a s ní se snižuje i drenážní kapacita. Z tohoto důvodu dosahují jmenovité tloušťky řádu až několik centimetrů. Poddajná drenážní jádra jsou všeobecně citlivá na působící tlak. Polotuhá drenážní jádra jsou z protlačované extrudované fólie. Struktura jádra je dostatečně tuhá, takže dokáže odolávat i vyšším tlakům, při překročení kritického tlaku však může dojít k náhlému prolomení struktury jádra a k dramatickému snížení drenážní kapacity. Jmenovitá tloušťka jádra osciluje zpravidla kolem 1 cm. Odolnost polotuhého jádra vůči působícímu tlaku je přímo podmíněna výrobní tloušťkou fólie a dále hustotou a mírou jejího protlačení. Tuhá drenážní jádra se skládají ze dvou až třech rovin rovnoběžně kladených extrudovaných polymerních vláken, vytvářejících pravidelnou mřížku. Jmenovitá tloušťka tuhého jádra je relativně malá, zpravidla menší než 1 cm, pod působícím tlakem se však stlačuje vzhledem k tloušťce jádra relativně málo – citlivost tuhých jader na působící tlak je všeobecně velmi nízká.

Vlevo příklad poddajného jádra, uprostřed příklad polotuhého jádra, vpravo příklad tuhého jádra

Relativní chování drenážních jader dle typu, ilustrační obrázek

Materiál pro ochranu jádra geokompozitní drenáže

Jádro drenážního geokompozitu je nutné chránit před mechanickým zanesením částicemi zeminy, z níž migruje kapalina. Ochrana musí spolehlivě zadržet částice zeminy, ale zároveň musí propustit kapalinu do roviny drenážního jádra, a to dlouhodobě. Zpravidla se používají netkané geotextilie s funkcí oddělování a filtrace (dle ČSN EN ISO 10318-1). Geotextilie je s drenážním
jádrem pevně spojena, oboustranně nebo jednostranně, v závislosti na aplikaci. Geotextilie musí splňovat tato filtrační kritéria:

• zadržení – musí zadržet stabilní částice zeminy k vytvoření přirozeného filtru,
• propustnost – musí propustit nestabilní částice zeminy, aby se jimi nezanesla,
• pórovitost – po dobu pracovního života musí zachovat dvě výše uvedená kritéria.

Návrh geotextilního filtru spočívá v posouzení výše uvedených kritérií, na jejichž základě se navrhne vhodná geotextilie. Oboustrannou ochranu je nutné použít v případě, že je drenážní geokompozit uložen mezi dvěma prostředími, která mají potenciál mechanicky zanést drenážní jádro. Typicky se jedná o geokompozity mezi dvěma zeminami, např. v podloží náspů, na zemní pláni, v podélném příkopu apod. Jednostranná ochrana se používá v případech, kdy je drenážní geokompozit jednou svojí stranou v kontaktu s prostředím, z něhož nehrozí mechanické zanesení
jádra. Typickými příklady jsou rub opěrných a zárubních zdí, mostních opěr nebo vnější povrch ostění tunelů apod.

V případech, kdy je potřeba zabránit přímému styku proudící kapaliny s povrchem odvodňované konstrukce, se nechráněná strana drenážního jádra opatří fólií, po které kapalina stéká. Zpravidla se tímto způsobem chrání betonové povrchy. Ojediněle se jednostranná ochrana drenážního jádra v kombinaci s fólií použije i v případě, že je nutné striktně přesměrovat přirozený tok kapaliny do roviny drenážního geokompozitu. Může jít např. o ochranu zemní pláně před srážkovou vodou prosakující kolejovým ložem nebo o přerušení kapilární vzlínavosti na bázi náspu.

Poznámka: Primární funkcí drenážního geokompozitu je odvodňování, nikoliv ochrana. K tomuto účelu se používají netkané geotextilie s příslušnými parametry (tloušťka, odolnost, CBR aj.). Neplní ani funkci izolace (varianta geokompozitu s jednostrannou ochranou v kombinaci s fólií) – k tomuto účelu se používají polymerní a jílové geosyntetické izolace (tj. geomembrány, jílové vložky).

Návrh drenážního geokompozitu

Návrh drenážního geokompozitu pro konkrétní konstrukci probíhá v několika krocích, a to v závislosti na charakteru a návrhové životnosti konstrukce, ale také v závislosti na tom, zda jde o návrh originální, nebo o alternativu ke konvenčnímu drenážnímu systému. V tab. 1 je uveden souhrn vstupních parametrů, které jsou potřebné pro výpočet drenážní kapacity v různých fázích návrhu.

Parametr	Symbol
krátkodobá (deklarovaná) drenážní kapacita	qk,st
Parametry nutné pro přepočet deklarované drenážní kapacity pro podmínky konkrétní úlohy
působící tlak	σ
hydraulický gradient	i
tuhost povrchů	–
kinematická viskozita (teplota prostředí)	ν
Parametry nutné pro výpočet dlouhodobé drenážní kapacity
redukční faktor pro vtlačení ochrany do jádra	RFIN
redukční faktor pro tlakový creep	RFCR
redukční faktor pro chemické zarůstání	RFCC
redukční faktor pro biologické zarůstání	RFBC
Parametry nutné pro vyhodnocení alternativního návrhu
návrhová intenzita průtoku	qe,rqd
ekvivalentní drenážní kapacita	qd,eq
požadovaný stupeň bezpečnosti	FS

Fáze návrhu

Stanovení krátkodobé drenážní kapacity

Krátkodobá drenážní kapacita qk,st je deklarovaná výrobcem drenážního geokompozitu, vždy pro konkrétní krátkodobé vlivy. Zpravidla se jedná o diskrétní veličinu rozčleněnou na datové řady dle tuhosti povrchů a hydraulického gradientu. Krátkodobá drenážní kapacita geokompozitu je ovlivněna takovými vlivy, jako jsou tlak působící na geokompozit, hydraulický gradient, tuhost povrchů a teplota prostředí.

Výpočet dlouhodobé drenážní kapacity

Dlouhodobá drenážní kapacita se spočítá jako krátkodobá kapacita snížená o redukční faktory. Těmito faktory jsou redukční faktor vtlačení ochrany do jádra, redukční faktor tlakového creepu, redukční faktor chemického zarůstání a redukční faktor biologického zarůstání. Hodnota minimálního stupně bezpečnosti je závislá na mnoha faktorech, roli hraje statistická pravděpodobnost správnosti vstupních dat, zkušenost projektanta, třída rizik/význam stavby, požadavky zúčastněných stran a další.

Stažení metodiky je možné na https://www.shopcdv.cz/cs/metodika-geokompozitni-drenaz.

Autoři textu Ondřej Vodáček a Veronika Libosvárová působí ve společnosti GEOMAT, s. r. o., Tomáš Macan působí ve společnosti CDV, v. v. i.