Odwodnienie robót i konstrukcji drogowych.

Transkrypt

1 Odwodnienie robót i konstrukcji drogowych. (Materiały szkoleniowe) Opracował: Piotr Jermołowicz tel.: p.jermolowicz@wp.pl f/inzynieriasrodowiskaszczecin Warszawa, r. 1

2 Wstęp. Z trzech rodzajów wody występującej w gruncie ( woda związana, kapilarna, gruntowa), to woda gruntowa ma najbardziej istotny wpływ na roboty fundamentowe obiektów budowlanych jak również na posadowienia i stateczności nasypów i wykopów. Bezpośrednie oddziaływanie wody gruntowej widoczne jest szczególnie przy wykonywaniu wykopów. Ruch wody gruntowej zw. filtracją lub przesączaniem zależy od ośrodka gruntowego jego uziarnienia, struktury i porowatości. Te zależności sprawiają wiele problemów, o których będzie mowa w dalszej części tych materiałów, stąd jest niemożliwym zbadanie zjawiska filtracji i podanie reguł z dokładnością, z jaką określa się np. ruch wody w przewodach. W praktyce stosuje się znaną empiryczną zależność podaną przez Darcy: v = k i v prędkość filtracji [m/s] k - współczynnik filtracji [m/s] i - h/l spadek hydrauliczny (gradient) strata naporu wody h na odległości l Rys. 1. Ruch wody gruntowej W profilu gruntowym wyróżnia się strefę aeracji leżącą ponad zwierciadłem wody gruntowej, gdzie pory są częściowo wypełnione wodą oraz strefę saturacji o porach wypełnionych całkowicie wodą. I ta ostatnia strefa będzie stanowić przedmiot dalszych rozważań. W przypadku swobodnego zwierciadła wody gruntowej jej ruch możliwy jest dzięki pochyleniu zwierciadła. Woda gruntowa znajdująca się pod ciśnieniem między warstwami nieprzepuszczalnymi po wykonaniu otworu podnosi się w nim. Jeżeli ciśnienie jest tak duże, że wypływa nad powierzchnię terenu wtedy nazywana jest artezyjską, natomiast wodą subartezyjską jest ta, której podniesione w otworze zwierciadło nie osiąga powierzchni terenu. Ruch wody gruntowej odbywa się z małymi prędkościami, gdyż istnieją duże opory hydrauliczne w krętych i wąskich kanalikach. Dominujący jest ruch laminarny, natomiast w niektórych większych kanalikach bądź w rumoszach skalnych, a także w sąsiedztwie budowli piętrzących wodę, może wystąpić ruch burzliwy. Najczęściej uważa się, że ruch laminarny 2

3 trwa dotąd, gdy liczba Reynoldsa Re = V d v 5, przy czym za symbol d bierze się tu miarodajną średnicę ziaren z krzywej uziarnienia (d 10 ). Prędkość krytyczna, po której przekroczeniu występuje ruch burzliwy, jest trudna do określenia. Dla piasków przyjmuje się, że powyżej v = m/s rozpoczyna się ruch burzliwy. Tab. 1. Orientacyjne wielkości współczynnika wodoprzepuszczalności gruntów naturalnych [ 17] 1. Zasady wykonawstwa robót w trudnych warunkach gruntowowodnych. Hydrotechnika i hydrogeotechnika to przede wszystkim całokształt zagadnień dotyczących synergii obiektów budowlanych i środowiska wodnego w tym m.in. rzek, mórz i wód gruntowych z wykorzystaniem efektów do celów gospodarczych. Planując realizację obiektów budownictwa hydrotechnicznego należy pamiętać o jego specyfice i zdawać sobie sprawę z uwarunkowań panujących w tej dziedzinie. Realizacja budowli wodnych i nie tylko związana jest z wodą, jej złożonością i warunkami. Każdorazowo organizacja robót uwzględniać powinna przepływy wód i ich oddziaływanie na konstrukcje. Problem przepustowości wody lub jej ujmowania w trakcie realizacji inwestycji jest najbardziej charakterystyczną cechą placów budów obiektów budowlanych. Stąd też specyfika budownictwa wodnego i ziemnego wymaga w całym procesie inwestycyjnym doskonałego przygotowania kadry projektantów i wykonawców z zakresu hydrologii, geologii, geotechniki, mechaniki budowli, hydrauliki itd. 3

4 Prawidłowy proces prac studialnych i projektowych opiera się na analizach i badaniach począwszy od dobrego rozpoznania warunków hydro-geotechnicznych. Dobrze wykonany projekt, prawidłowa realizacja obiektu i właściwie prowadzona eksploatacja zmniejszają na ogół prawdopodobieństwo wystąpienia katastrof i awarii. Woda w swoim obiegu w przyrodzie jest najbardziej agresywnym czynnikiem wywołującym erozję gruntu. Zakres zniszczeń spowodowanych przez erozję jest bardzo zróżnicowany i zależy od wielu czynników: energii kinetycznej wody, podatności gruntu, podatności konstrukcji, błędów w trakcie rozpoznawania gruntów, błędów projektowych i wykonawczych, zastosowania materiałów. Erozja jest więc procesem naturalnym, stanowiącym część cyklu geologicznego w całym systemie hydrologicznym, a działania ludzkie związane z ochroną przed erozją mają jedynie na celu osłabienie tego procesu. W ramach tego szkolenia rozpatrzone zostaną problemy ochrony przed erozją, w których mogą być użyte z powodzeniem geosyntetyki i wyroby pokrewne. Ochrona przed powodzią aglomeracji położonych nad ciekami, ich bezpieczeństwo, ochrona ekologicznych warunków rzeki i jej zlewni, a także planowa dbałość o ich stan jako dróg transportowych to jeden z głównych problemów hydrotechniki. W tym przypadku działanie erozyjne wody ma dwa aspekty: wypłukiwanie i transport rumoszu w dół rzeki, falowanie i rozmywanie. Drugim problemem jest ochrona przed procesem erozji gruntu szczególnie powierzchni nieosłoniętych. W tym przypadku erozja jest funkcją wielu zmiennych. Jednakże największe znaczenie ma tu energia erozyjna deszczu i podatność gruntu na erozję od wód płynących i spływu powierzchniowego. Trzecim czynnikiem, niejednokrotnie niezauważanym, jest prawidłowo zaprojektowany drenaż dla właściwego uregulowania stosunków gruntowo-wodnych i stabilizacji gruntu na skarpach nasypów i wykopów. Infrastruktura towarzysząca w budownictwie hydrotechnicznym to przede wszystkim obiekty retencyjno-rozsączające, rowy drogowe, poldery itp. W każdym z tych wymienionych zakresów z powodzeniem można stosować geosyntetyki zastępując tradycyjne konstrukcje lub uzupełniając o dodatkowe właściwości, które w tradycyjnym ujęciu byłyby nie do uzyskania. 2. Analiza warunków gruntowych W przypadku inwestycji wymagających głębokiego posadowienia występowanie nawierconego lub ustabilizowanego zwierciadła wody gruntowej powyżej poziomu dna wykopu należy uznać za powszechne. Głębokie wykopy sięgające poniżej poziomu terenu na głębokość kilkunastu i więcej metrów, powodują przecięcie pierwszego oraz nierzadko i drugiego poziomu wodonośnego. Sytuacja taka stwarza wyjątkowo trudne uwarunkowania 4

5 realizacji prac i może być źródłem niekorzystnych oddziaływań w obrębie terenu podlegającego ich wpływom. Analiza uwarunkowań hydrogeologicznych prowadzona powinna być wieloetapowo, począwszy od wstępnych prac koncepcyjnych. Dokumentacje archiwalne wraz z ewentualnym rozpoznaniem wstępnym wykonanym w formie dokumentacji geotechnicznej są elementem pozwalającym nie tylko na wstępne określenie sposobu zabezpieczenia wykopu, ale przede wszystkim na określenie zakresu właściwego rozpoznania. Pojawiające się w trakcie prac projektowych wątpliwości często wymagają wykonania dodatkowych badań, nawet po opracowaniu właściwego rozpoznania hydrogeologicznego. Wykonanie głębokiego wykopu w aspekcie warunków hydrogeologicznych wymaga przeanalizowania zagadnień związanych z występowaniem zwierciadła wody gruntowej, a w szczególności z przestrzennym układem nawodnionych warstw gruntów przepuszczalnych (gruboziarnistych) i nieprzepuszczalnych (drobnoziarnistych), obejmując: 1. występowanie i charakterystykę poziomów wodonośnych, 2. przestrzenny układ warstw, a w szczególności rodzaj gruntów w poziomie dna wykopu i ich miąższość oraz poziomy występowania warstw nieprzepuszczalnych mogących stanowić wraz z obudową wykopu wygrodzenie i odcięcie napływu wody gruntowej do wnętrza wykopu, 3. kwestie stateczności pojawiające się w przypadku napiętego zwierciadła wody gruntowej stabilizującego się powyżej poziomu dna wykopu, 4. poza wodami gruntowymi należy uwzględnić konieczność odprowadzenia wód opadowych, których ilość przy dużym obszarze wykopu może być znaczna, 5. zabezpieczenie gruntów w poziomie posadowienia przed nadmiernym zawilgoceniem, 6. wypór konstrukcji ze względu na ustabilizowanie się stosunków gruntowo-wodnych. Rys. 2. Sposoby zabezpieczenia wykopów przed napływem wody gruntowej. A) studnie depresyjne, B) przesłona iniekcyjna, C) zagłębienie obudowy w podłoże nieprzepuszczalne. Dla zabezpieczenia wykopu przed napływem wód gruntowych stosujemy następujące zabiegi: 1. doraźne lub trwałe obniżenie zwierciadła wody gruntowej z wykorzystaniem drenażu pionowego (studni depresyjnych), 2. wykonanie w dnie wykopu przesłony iniekcyjnej, tzw. korka dennego, 3. wykonanie odpowiednio głębokiej obudowy wykopu zagłębionej do warstw nieprzepuszczalnych. 5

6 Obniżenie zwierciadła wody gruntowej z wykorzystaniem drenażu pionowego zapewnia prowadzenie robót budowlanych przy suchym" wykopie. W większości przypadków jest rozwiązaniem najprostszym oraz najtańszym, lecz nie pozbawionym wad. Odbierając wody z podłoża gruntowego wytwarza się lej depresji, którego zasięg wykracza zazwyczaj znacznie poza obszar objęty pracami. Wytworzeniu zwierciadła dynamicznego w obrębie posadowienia istniejących obiektów towarzyszą dodatkowe osiadania. Podczas obniżania zwierciadła wody gruntowej z wykorzystaniem studni depresyjnych należy tak prowadzić prace, aby ciśnienie spływowe skierowane było w dół. Jedynie w przypadku gruntów gruboziarnistych (żwiry) z uwagi na znaczne wymiary ziaren nie ma to większego znaczenia. Przyjmuje się, że zdepresjonowane zwierciadło wody gruntowej powinno znajdować się min. 0,5 m poniżej aktualnego bądź docelowego dna wykopu. Mając na uwadze zabudowany charakter terenu oraz licząc się z realnym zagrożeniem powstania uszkodzeń na skutek osiadań spowodowanych wytworzoną depresją poszukuje się zazwyczaj rozwiązań alternatywnych. Drugim z możliwych sposobów zabezpieczenia wykopu może być wykonanie przesłony filtracyjnej formowanej z wykorzystaniem technik iniekcyjnych. Wykonanie kolumn kształtowanych w technologii iniekcji strumieniowej jet grouting" pozwala na wytworzenie sztucznej warstwy izolującej dno wykopu, przez co uzyskuje się odcięcie napływu wód gruntowych. Przy szczegółowym rozpoznaniu podłoża gruntowego oraz ciągłych warstwach nieprzepuszczalnych wymagane minimalne zagłębienie obudowy w warstwie odcinającej należy przyjąć około 2,0 m (jednak nie mniej niż 1,0 m). Obok zapewniania odcięcia napływu wody gruntowej do wykopu każdorazowo należy przeanalizować możliwość utraty stateczności dna spowodowaną naporowym zwierciadłem wody gruntowej. Na skutek wykonywania wykopu, naturalnie istniejący stan równowagi zostaje zachwiany. Ciśnienie wywierane przez, pomniejszony wykopem nadkład gruntu może nie równoważyć naporu wody. W momencie przekroczenia stanu granicznego dochodzi do utraty stateczności dna i awarii. Informacje podane w dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz hydrogeologicznej o charakterze, a w szczególności o poziomach nawierconego i ustabilizowanego, zwierciadła wody gruntowej dotyczą informacji zarejestrowanych podczas wierceń oraz obserwacji. Należy pamiętać, że w wyniku gwałtownych opadów atmosferycznych, wyjątkowo długich okresów deszczowych, spiętrzenia wody w pobliskiej rzece lub zbiorniku, czy też jego gwałtownego opróżnienia bądź wykonania głębokiego wykopu stan wód gruntowych może ulec zmianom. Zmiany te nie zawsze mogą być uchwycone W większości opracowań przyjmuje się jako miarodajne wahania poziomu wody gruntowej w przedziale ±1,0 m, co w przybliżeniu odpowiada około 70% przypadków zarejestrowanych amplitud w prowadzonych dotychczas badaniach. Zmiany poziomów wód gruntowych uwzględnia się w dokumentacji projektowej dotyczącej zarówno samego obiektu, jak i prac towarzyszących, do których zalicza się m. in. projekt odwodnienia. Zwykle odwodnienie wykopu dla obiektu głęboko posadowionego wiąże się z koniecznością odprowadzenia dużej ilości wód. Błąd w oszacowaniu ilości tych wód może być bardzo kosztowny dla wykonawcy/inwestora. W związku z tym zachodzi potrzeba dokładnego 6

7 określenia współczynnika wodoprzepuszczalności gruntu, czyli wykonania próbnego pompowania. Badanie takie, mimo, że jest drogie i czasochłonne to jest opłacalne, bowiem odzwierciedla rzeczywiste warunki hydrologiczne, uśredniając wszelkie niejednorodności budowy podłoża gruntowego. Wyznaczenie rzeczywistego" współczynnika filtracji k, wymaga obserwacji na węźle hydrologicznym złożonym ze studni i dwóch otworów obserwacyjnych (piezometrów). Rys.3. Schemat układu do próbnego pompowania. 3. Odwodnienie wykopu. Celem odwodnienia wykopów jest zapewnienie najkorzystniejszych warunków wykonywania robót fundamentowych w gruntach nawodnionych. Dla odwodnienia wykopów stosuje się drenaże odkryte lub zakryte. Drenaż odkryty stosuje się gdy dno wykopu nie zalega głębiej niż 3 5 m poniżej zwierciadła wody gruntowej. Głębokość rowów w dnie 0,3 0,5 m. Wielkość dopływu wody Q = q H d F d q dopływ wody gruntowej w m 3 /h na 1m 2 powierzchni dna (dla P d =>q= 0,16, P r => q = 0,3) Jeżeli L > 10 B dopływ liczymy ze wzorów na wydatek drenów. Jeżeli L < 10 B obliczenia według wielkiej studni z r 0 wielkość umowna. Drenaż zakryty polega na zainstalowaniu obok wykopu takiej liczby studni wierconych, igłofiltrów lub studni drenażowych, aby przy pompowaniu wytworzyć obniżenie zwierciadła wody. 7

8 Igłofiltry wpłukuje się do głębokości 7 8 m w rozstawie wielokrotności 0,75 m i nie przekracza 3 m z obniżeniem zwierciadła wody ok. 5 m. Jeżeli potrzeba większej głębokości stosujemy dwa lub więcej rzędów igłofiltrów Projektując wykop fundamentowy należy pamiętać o konieczności odwodnienia powierzchniowego odprowadzającego wody opadowe. Orientacyjne dane, jakie systemy odwadniania wgłębnego możemy stosować zależnie od budowy podłoża, przedstawione są na rys. 4. Rys.4. Rodzaje stosowanych systemów odwodnieni zależnie od gruntów zalegających w podłożu 8

9 Rys.5. Wykres do ustalania orientacyjnego zakresu stosowania niektórych instalacji odwadniających w gruntach jednorodnych. Wykres ten dotyczy odwodnienia powierzchniowego gruntów jednorodnych i wykopów średniej wielkości. W celu korzystania z wykresu należy: ustalić na osi odciętych punkt odpowiadaja.cy wartości wykładnika a dla gruntu zalegającego poniżej zwierciadła wody gruntowej, wystawić prostopadłą, do przecięcia z linią oznaczającą granicę stosowania odwodnienia powierzchniowego, odczytać na osi rzędnych wartość dopuszczalnego zagłębienia wykopu H wd poniżej zwierciadła wody gruntowej. W gruntach o budowie warstwowej należy ustalić najmniejszą dopuszczalną wielkość zagłębienia wykopu, odpowiadającą współczynnikowi filtracji poszczególnych warstw, z uwzględnieniem warstwy zalegającej poniżej projektowanego dna wykopu. Projektowane zagłębienie wykopu H wp należy liczyć od piezometrycznego poziomu zwierciadła wody gruntowej. Jeżeli H wp jest większe od H wd, to trzeba obniżyć poziom zwierciadła wody za pomocą odwodnienia wgłębnego. Do dokładniejszego ustalenia tych zakresów przy odwadnianiu podłoży jednowarstwowych (gdy k max : k min 20) służy rysunek 4. Wykres jest podzielony pionowymi skośnymi liniami przerywanymi na sektory, odpowiadające optymalnym zakresom dla poszczególnych instalacji. Podział na trzy poziome piętra wysokości S o = 4m wynika z warunku średniej 9

10 depresji, jaką można uzyskać za pomocą zestawów igłofiltrowych i igłostudziennych, ze względu na ograniczoną wydajność pompowania powietrza i głębokość zasysania pomp stosowanych do pompowania wody z tych instalacji. Dodatkowym ograniczeniem jest grubość warstwy wodonośnej h poniżej dna wykopu lub poniżej projektowanej depresji w środku wykopu. Wynika ono z ekonomicznej wysokości filtrów. Dla studzien depresyjnych powinna być spełniona nierówność h 4,0 m, dla igłostudzien h 2,0 m, dla igłofiltrów z pompami samozasysąjacymi h 0,2m,a dla iglofiltrow z pompami próżniowymi h 0,0 m. Jeżeli rodzaj gruntu wskazuje na celowość zaprojektowania studzien depresyjnych, to przy 4,0 < h 2,0 m należy zastosować igłostudnie, przy 2,0 < h 0,2 m igłofiltry z pompami samozasysającymi, a przy h> 0,2 igłofiltry z pompami próżniowymi. Ta sama zasada dotyczy igłostudzien. Przy h > 0,2, oprócz odwodnienia wgłębnego, należy przewidzieć również odwodnienie powierzchniowe. Tab.2. Podstawowe parametry pionowych instalacji depresyjnych Sposób korzystania z rysunku 5 wyjaśniają następujące przykłady: Przykład 1 Dane: S o = 5,5 m, h = 3,0 m, k = 1, = l0-0,8 m/dobę. Na wykresie znajdujemy punkt o współrzędnych a = -0,8 i s o = 5,5 Punkt znajduje się w II piętrze sektora zestawów igłofiltrowych zwykłych. Można więc zastosować zestawy igłofiltrowe wyposażone w pompy samozasysające. Konieczność zaprojektowania instalacji dwupiętrowej trzeba sprawdzić za pomocą rachunku 10

11 ekonomicznego. W przypadku użycia pomp, których dopuszczalna głębokość zasysania wody wynosi H s = 9,5 m, rachunek powinien wykazać możliwość zaprojektowania instalacji jednopiętrowej do odwadniania wykopów. Przykład 2 Dane: k10 = 10 a = 10-0,8 m/dobę, h.= 0,0 m i So = 8,8 m. Współrzędne a = - 0,8 i So = 8,8 wskazują na możliwość zastosowania trzech pięter igłofiltrów zwykłych z pompami samozasysającymi lub igłostudzien z pompami głębinowymi. Ze względu na to, ze h=0,0, w pierwszym piętrze trzeba te instalacje zastąpić igłofiltrami z pompami próżniowymi lub dodatkowo przewidzieć odwodnienie powierzchniowe. Przykład 3 Dane: k 10 == 10 1 m/dobę, h = 2,9 m, S o = 10,0 m. Współrzędna a = 1,0 i S o = 10,0 m wskazują na możliwość zastosowania studzien depresyjnych z pompami głębinowymi. Jeżeli współczynniki filtracji poszczególnych partii pojedynczej warstwy wodonośnej różnią się więcej, niż wynika to z warunku k max : k min < 20, to wówczas warstwę tę traktujemy jako układ wielowarstwowy. 4. Sposoby odwodnienia wykopów fundamentowych. Rozróżnia się odwodnienie bezpośrednie, zwane również powierzchniowym, w którym wody gruntowe i powierzchniowe ujmowane są rowami, drenażami poziomymi i studniami zbiorczymi lub bezpośrednio z samego wykopu, odwodnienia wgłębne, gdy wody ujmowane są za pomocą studni wierconych i wpłukiwanych, igłofiltrów lub igłostudni oraz odwodnienie mieszane, gdy w tym samym wykopie ze względu na warunki gruntowe lub organizację robót stosuje się odwodnienia powierzchniowe oraz wgłębne. W zależności od położenia dna wykopu lub dna studni w stosunku do stropu warstwy nieprzepuszczalnej, rozróżnia się: wykop lub studnię zupełną (dogłębną) - dno wykopu lub filtra studni odwadniającej sięga warstwy nieprzepuszczalnej, wykop lub studnię niezupełną (zawieszoną) - gdy głębokość zalegania warstwy wodonośnej jest większa od głębokości wykopu lub studni. Wody gruntowe w warstwach wodonośnych mogą w zależności od zasilania i układu warstw wodoszczelnych mieć zwierciadło swobodne lub napięte (zwierciadło wody pod ciśnieniem). W dużych dołach fundamentowych wykonanych w uwarstwionych gruntach o zróżnicowanych współczynnikach filtracji, zaleca się ustalenie współczynnika filtracji k na podstawie próbnego pompowania. W przypadku małych budowli, w nieskomplikowanych warunkach geologicznych, współczynniki filtracji można przyjmować jak do obliczeń orientacyjnych. 11

12 Jeżeli podłoże wodonośne składa się z kilku warstw o różnych współczynnikach filtracji, dla k których stosunek max < 10, należy do obliczeń przyjąć średni ważony współczynnik k min filtracji z obliczonych na podstawie danych jednego lub kilku otworów badawczych. Średni współczynnik dla jednego otworu ustala się wg wzoru: gdzie: k 1 k n współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach, h 1 h n grubość poszczególnych warstw Rys.6. Schematy odwodnień: a)- zwierciadło wody pod ciśnieniem, filtr zatopiony, b) zwierciadło wody swobodne, filtr zatopiony, c) zwierciadło wody pod ciśnieniem, filtr niezatopiony, d) zwierciadło wody swobodne, filtr niezatopiony. 12

13 Średni współczynnik dla kilku otworów badawczych określa wzór : gdzie: I, II, III kolejne otwory. Tab.3. Wzory na obliczanie wydatku studni depresyjnych przy swobodnym zwierciadle wody gruntowej 13

14 Tab.4. Wzory na obliczanie wydatku innych studni depresyjnych L p. Rodzaj studni Schemat Wzory 1. studnia artezyjska Z h o = Q 2π ka ln x r 2π ka Q = (H h o ) ln R r 2. studnia częściowo artezyjska Z 2 = a 2 = Q πk ln x r 1 Q = π k(2ah a2 h o 2 ln R r 3. studnia artezyjska zawężona K t s Q = 1,36 lg R r [1 + 5 t r s cos (πt T 2a )] 4. studnia chłonna h 2 z 2 = Q π k ln x r Q = π k(h o 2 H 2 ) ln R r 5. zespołowe działanie studni π k (H 2 Z 2 A ) Q = lnr 1 n ln (x 1 x 2 x n ) n ilość studni R = 575 S k H 14

15 Tab.5. Podstawowe rodzaje wykopów. Lp. Rodzaj wykopu Rodzaj Schemat Wzory na wydatek Uwagi 1. nurtowy (rzeczny) otoczony wodami otwartymi co najmniej z trzech stron w odległości mniejszej od zasięgu depresji (r o < R) 2. brzegowy gdy jedna krawędź wykopu jest pod wyraźnym wpływem zbiornika wody otwartej (l o < R ) 3. lądowy nie będący pod wpływem wód otwartych (l o < R ) k współczynnik filtracji [m/d], s o obniżenie zwierciadła wody gruntowej w środku wykopu [m] Jeżeli długość wykopu fundamentowego jest większa niż dziesięciokrotna jego szerokość, dopływ można liczyć ze wzorów na wydatek drenów. Jeżeli warunek ten nie jest spełniony, to obliczanie można wykonać metodą przybliżoną, przyjmując, że skarpy wykopu są pionowe i zlokalizowane w linii zwierciadła wody na skarpie, co prowadzi do niewielkiego na ogół zawyżenia dopływu. Dokonuje się to stosując wzory dla tzw. wielkiej studni, której promień r o jest wielkością umowną, liczoną jednym z dwu poniżej podanych wzorów: 15

16 1. jeżeli kształt dołu fundamentowego jest nieregularny w rzucie poziomym: r o = F π 2. jeżeli dół fundamentowy jest prostokątny: r o = η L+B 4 (L : B < 2 3) (L : B > 3) gdzie: r o umowny promień wielkiej studni m, F powierzchnia dołu ( w poziomie zwierciadła wody) m 2, L długość dołu m, B szerokość dołu m, η współczynnik zależny od stosunku B/L. B/L 0,01 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 η 1,0 1,12 1,16 1,18 1,18 1,18 Po obliczeniu r o dopływ wody można obliczyć wzorami: Q 1 1,36k (H2 h 2 ) lg(r + r o ) lgr o lub: 1,36k Ms Q 2 lg(r + r o ) lgr o gdzie: Q 1 dopływ wód podziemnych przy swobodnym zwierciadle wody podziemnej, przy obniżeniu go aż do dna wykopu m 3 s -1, Q 2 jw. lecz przy zwierciadle napiętym m 3 s -1 bez względu na położenie warstwy wodonośnej, k współczynnik wodoprzepuszczalności warstwy wodonośnej m s -1, H- miąższość warstwy wodonośnej przy swobodnym zwierciadle hydrostatycznym m, M miąższość warstwy wodonośnej przy napiętym zwierciadle wody m, R promień leja depresji, m, r o promień wielkiej studni m, s obniżenie zwierciadła hydrostatycznego m, h odległość dna wykopu od spągu warstwy wodonośnej m. 16

17 Tab.6. Schematy i wzory do obliczania promieni depresji i promieni wielkiej studni. 17

18 Dopuszczalną prędkość wody do filtru lub obsypki drenarskiej określa się ze wzorów: - Sichardta V F = 40 k F m/d - Kusakina - Truelsena 3 V F = 65 k F V F = 300d 10 m/d m/d w których: k F współczynnik filtracji warstwy przylegającej do filtru lub obsypki, m/d d 10 - średnica gruntu odpowiadająca 10 % na krzywej przesiewu, mm Promień depresji można wyznaczyć według empirycznych wzorów - Sichardta - Kusakina - Webera R = 3000 S k R = 575 S k H 3 k H t R = n w których : R promień (zasięg) depresji, m; H miąższość warstwy wodonośnej, m, k współczynnik wodoprzepuszczalności, m s -1 S depresja w studni, m t czas pompowania, s n porowatość warstwy wodonośnej (piaski grube n = 0,25, piaski drobne n = 0,34). Przy powstawaniu leja depresyjnego trzeba ograniczyć prędkość obniżania poziomu wód (krzywej depresji) do 1,0-1,2 m/dobę przy gruntach żwirowych, do 0,3-0,4 m/dobę przy gruntach piaszczystych gdy skarpy nie są zabezpieczone dodatkowymi urządzeniami odwadniającymi (filtry, studnie) lub 0,6 m/dobę, gdy odwodnienie skarp jest przewidziane. Kontrolę obniżania zwierciadła wód prowadzi się piezometrami zainstalowanymi w strefie interesującej nas ze względu na zasięg krzywej depresji. Niezbędne jest prowadzenie kontroli ilości odpompowywanej wody za pomocą skrzyń pomiarowych lub wodomierzy instalowanych na przewodach. Odwodnienie wykopu jest sprawą trudną i im większy jest wykop, tym trudniejsze jest odwodnienie i określenie ilości odprowadzanych wód. Z tego też względu instalacje odwadniające należy rozbudowywać etapowo, zależnie od uzyskiwanych efektów odwadniania, zmniejszając lub zwiększając liczbę pierwotnie projektowanych urządzeń. 18

19 Jako zasadę należy przyjąć, że najpierw powinny być wykonywane obiekty wymagające największego obniżenia zwierciadła wody. Zasada ta może przynieść oszczędności, gdyż w zasięgu dużego leja depresyjnego mogą znaleźć się inne obiekty, dla których nie będzie niezbędne instalowanie specjalnych urządzeń odwadniających. Z uwagi na wiele założeń czynionych przy obliczaniu zasięgu leja, na ogół duże rozbieżności we współczynnikach filtracji, zmienną budowę geologiczną nie ujętą dokumentacją, wpływ czynnika czasu mogą wystąpić odmienne zjawiska niż przyjęte w obliczeniach. Z wymienionych względów wskazane jest, aby prowadzony był stały nadzór autorski projektanta odwodnienia wykopu nad przebiegiem odwadniania, zaś korekty wprowadzane były na bieżąco na podstawie doraźnych uzupełnień i zmian w projekcie, co może przyczynić się niekiedy do znacznego obniżenia kosztów pompowania i odwodnienia. 5. Odwodnienie wgłębne Studnie, igłostudnie i igłofiltry są najczęściej w praktyce stosowanymi urządzeniami do odwodnień czasowych. Natężenie dopływu do tych urządzeń zależy, jak wynika z podanych dalej wzorów, od następujących czynników: współczynnika filtracji k, położenia wykopu w stosunku do przyległego akwenu (wykop lądowy, brzegowy, nurtowy), położenia granic zasilania i obszaru filtracji, układu warstw podłoża, w szczególności położenia stropu i spągu warstwy wodonośnej oraz obniżonego i nie obniżonego zwierciadła wody, dogłębienia lub niedogłębienia studni, wymiarów filtrów (średnicy, długości) i ich położenia (filtry zatopione lub nie zatopione). Do zaprojektowania studni konieczna jest znajomość wymienionych czynników. Większość informacji na ten temat uzyskuje się z pomiarów topograficznych oraz z badań geologicznych i hydrogeologicznych podłoża, przy czym dokładność tych informacji może być różna. Dane topograficzne określające położenie układu odwadniającego w stosunku do akwenu oraz dane uzyskane z rysunków budowlanych (wymiary i kształty wykopu) są na ogół dostatecznie dokładne z wyjątkiem przypadków, gdy w istniejącym układzie rowów i małych strumieni trudno wyodrębnić cieki tworzące granice zasilania (zlewni). Układ warstw podłoża, ich granic oraz położenie zwierciadła wód gruntowych i ich ciśnień w stanie naturalnym określane są podczas badań geologicznych i hydrogeologicznych podłoża, prowadzonych w kilku lub w kilkunastu punktach przez krótki okres. Informacje uzyskane w ten sposób są lub powinny być dosyć dokładne w miejscu otworów badawczych i pobranych prób, a na całym pozostałym obszarze są wynikiem interpretacji - najczęściej interpolacji liniowej. Charakteryzują one dość dokładnie te położenia zwierciadeł wód, które zaobserwowano w okresie badań, ale nie zawsze niestety mogą dać wiarygodne informacje o położeniach ekstremalnych i długoletnich średnich oraz o zmienności stanów w czasie. Gdy dysponuje się, jak to się najczęściej zdarza, tylko takimi jak omówiono danymi, niezbędne 19

20 jest ostrożne określanie wymiarów i zdolności odwodnieniowej projektowanych instalacji, a w szczególności stosowanie zapasów bezpieczeństwa i rezerw na podstawie doświadczenia i zdrowego rozsądku projektanta oraz wykonawcy robót. Jeżeli w toku badań podłoża nie udało się sięgnąć do spodu warstwy wodonośnej, przyjmuje się, że położony on jest na dolnej granicy tzw. strefy czynnej, z której następuje liczący się dopływ wody do studni. Miąższość strefy czynnej, równa wysokości hydraulicznej Ha nie obniżonego zwierciadła wody gruntowej (głębokości dolnej granicy strefy czynnej pod tym zwierciadłem), określana jest za pomocą wzoru: Tabela 7. Wartość współczynnika α Strefę czynną uwzględnia się w obliczeniach również wtedy, gdy badania określą spąg warstwy wodonośnej, lecz jest on położony niżej niż dolna granica tej strefy, określona za pomocą powyższego wzoru. Przyjmuje się wówczas, że granica ta jest obliczeniowym spągiem odwadnianego obszaru. Aby określić miąższość H o strefy czynnej, trzeba znać depresję przy studni S s i długość czynną filtru l f. Obie te wartości na początku rachunku zakłada się, a następnie sprawdza. Sprawdzenie polega na stwierdzeniu, czy otrzymane z rachunku S s i ostatecznie przyjęte l f dają wstępne założenie H o i dodatkowo na porównania długości czynnej filtru z jego długością dopuszczalną, tzn. taką, przy której prędkości wlotowe wody na filtrze nie przekroczą prędkości dopuszczalnej wyznaczonej za pomocą wzoru: gdzie k i ν d w m/dobę. Przy dopływie q do jednej studni o promieniu filtru r długość dopuszczalna filtru będzie równa: gdzie: q - dopływ do studni, m/d, r - promień zewnętrzny filtru. [m] Obliczenie długości l d wymaga znajomości dopływu q, który określić można znając l f l d. 20

21 Całe zadanie rozwiązywać więc trzeba metodą kolejnych przybliżeń. Zakładając do obliczeń długość filtru i jego położenie wysokościowe, dobrze jest kierować się następującymi wskazówkami: długość czynna filtru nie powinna być mniejsza niż 3 (lepiej 4) m, górna krawędź filtru powinna być położona wyżej niż zwierciadło wody w studni o wysokość różnicy położenia zwierciadeł wód w studni i w gruncie przy filtrze, poniżej dolnej krawędzi filtru należy przewidzieć rurę podfiltrową o długości co najmniej 2 m. 6. Odwadnianie nasypów i wykopów komunikacyjnych Realizacja wykopowych robót ziemnych wiąże się między innymi z zabezpieczeniem wykopu przed napływem wód opadowych oraz gruntowych. Na skutek przesączania się przez skarpy odsłoniętych warstw wodonośnych może dojść do utraty stateczności skarpy. Odwadnianie jest realizowane zgodnie z (PN-S-02205:1998): wykonywanie wykopu w kierunku podnoszenia się niwelety, ujęcie wód opadowych za pomocą rowów, ujęcie wód gruntowych za pomocą drenów, odprowadzenie wód poza teren robót. W normie PN-S-02204:1997 wyróżnia się następujące rodzaje rowów: przydrożny - odprowadzający wodę opadową spływającą z pasów drogowych; wykonywany w formie rowu trapezowego, trójkątnego lub opływowego, stokowy - trapezowy rów zabezpieczający skarpę przed rozmyciem na skutek spływów powierzchniowych; odpływowy - łączący rów przydrożny z rowem stokowym lub odbiornikiem. Rys.7. Usytuowanie rowów w obrębie drogi; 1- nawierzchnia, 2-rów boczny, 3-skarpa boczna, 4-skarpa rowu stokowego Wody opadowe spływające ze skarp powinny w sposób nie związany docierać do graniczącego z drogą terenu i tam wsiąkać. Jeżeli jest to niemożliwe ze względów geologicznych lub prawnych (np. teren prywatny), należy zaplanować urządzenia odwadniające zbierające wody opadowe do odbiornika. Spływające po skarpie wody opadowe 21

22 w przypadku prowadzenia drogi w wykopie, nie mogą w żadnym wypadku przedostawać się na powierzchnię jezdni. Należy je skanalizować za pomocą muld, rynien lub rowów i skierować do istniejącego odbiornika wód opadowych (np. cieków lub studni chłonnych). Za małe spadki dna rowów, brak czynności utrzymaniowych oraz źle usytuowane lub wybrane odbiorniki są powodem i zarzewiem dużych problemów ze zmianą parametrów mechanicznych gruntów podłoża, ich uplastycznieniem i wywoływaniem zjawisk ogólnie zwanych destrukcyjnymi dla nośności i stateczności drogi. Przepełnienie i woda stojąca w rowach drogowych to z reguły duże problemy utrzymaniowe. 22

23 Najmniejszy dopuszczalny spadek dna rowów wynosi 0,2 lub 0,1 % na odcinkach nieprzekraczających 200 m. Wartości maksymalne zależą od rodzaju gruntu, w którym jest wykonany dno rowu oraz umocnienia dna i skarp rowu. W przypadku gdy spadek dna rowu przekracza 15%, są stosowane bystrotoki lub kaskady. Niweleta drogi powinna być wzniesiona ponad zwierciadło wody gruntowej co najmniej 0,7 m w gruntach przepuszczalnych, a 1,1 m w gruntach o średniej przepuszczalności i 1,6 m w gruntach nieprzepuszczalnych. W przypadkach wysokiego poziomu zwierciadła wody gruntowej należy je obniżyć, stosując ciągi drenarskie, które umieszcza się pod poboczami lub pod rowami. Rys. 8. Rozstaw drenów w przekroju poprzecznym nasypu drogowego [30] Przy założonym rozstawie drenów L oblicza się zagłębienie obniżonego zwierciadła wody gruntowej w stosunku do konstrukcji nawierzchni H wg wzoru: H = h 0 + h 1 h 0 = L 2 q 0 k w którym: h 0 - obniżone zwierciadło wody gruntowej [m]; h 1, - pierwotne położenie zwierciadła wody gruntowej [m]; q 0 - spływ jednostkowy do drenu [m 3 -dobę -1 -m -2 ]; k - współczynnik filtracji gruntu [m-dobę -1 ]. Drenaż skarp wykonuje się, aby zapobiec wyciekom wody na powierzchnie skarpy, prowadzącym do zniszczeń erozyjnych. Drenaż skarp zazwyczaj wykonuje się w formie sączków kamiennych, a zbierająca się woda odprowadzana jest sączkami prostopadłymi do drenu rurowego (rys.9). Lokalne osuszenie skarp z mniejszymi wyciekami wodnymi można przeprowadzić wg konstrukcji jak na rys. 10. Dolna część drenażu skarp powinna być poniżej granicy przemarzania gruntu. 23

24 Rys.9. Przekrój powierzchniowego sączka skarpowego.[30] Rys.10. Sączki wgłębne poprzeczne odwadniające [30] Powierzchniowe odpływy na skarpach powinny być umocnione narzutem kamiennym. Brak takiego umocnienia lub tylko częściowe umocnienie sprzyja zjawisku erozji na skarpach i ich niszczeniu. 24

25 Rys.11. Zebrana warstwa gruntu (jeśli zachodzi konieczność humusowania; nie dotyczy w przypadku stosowania hydroobsiewu.[30] Dla wszystkich rodzajów gruntów, za wyjątkiem gruntów gruboziarnistych, należy przewidzieć drenaże w następujących przypadkach: - dla dróg jedno- i dwujezdniowych po obu stronach warstw konstrukcyjnych, jeżeli poziom dołu konstrukcji nawierzchni znajduje się poniżej lub na równi z terenem sąsiadującym z drogą, - niezależnie od położenia drogi w stosunku do terenu w przypadku dróg dwujezdniowych w obrębie pasa dzielącego. Z uwagi na odwodnienie warstwy mrozoochronnej drogi przebiegającej w nasypie celowe okazać się może wykonanie - zamiast sączków z materiałów mineralnych sięgających do powierzchni skarpy - ciągu drenarskiego usytuowanego w obrębie pobocza. 25

26 Rys. 12. Rodzaje drenaży drogowych. [31] Rozwiązania takie należy rozważyć szczególnie w następujących przypadkach - przy znacznym dopływie wody infiltracyjnej, np. przy nawierzchniach z kostki naturalnej lub sztucznej, - w zagłębieniach niwelety, - przy bardzo zwięzłym (słabo przepuszczalnym) materiale dolnych warstw nawierzchni (podbudowy i podłoża sztucznego), - przy skarpach nieodpornych na działanie erozyjne wody, - w przypadku często występujących -i długotrwałych okresów występowania temperatur ujemnych (głębokość przemarzania gruntu >1,2 m). Przykłady rozwiązań odwodnienia dolnych warstw nawierzchni drogi w nasypie przedstawione zostały na rys.12. Problemy z odwodnieniem może spowodować nieumocniony pas dzielący dwie jezdnie. Wody opadowe wsiąkające w tym obszarze nie powinny pod żadnym pozorem przedostać się do warstw konstrukcyjnych nawierzchni drogowej. W celu zapobieżenia takiemu niepożądanemu działaniu wody infiltracyjnej wykonuje się częściowe profilowanie podłoża podstawy konstrukcji nawierzchni (podłoża gruntowego), ze spadkiem co najmniej 4% w kierunku pasa dzielącego. Spadek ten powinien rozpocząć się około 1,0 m, licząc od wewnętrznej krawędzi rozpatrywanej jezdni. Przykłady możliwych rozwiązań przedstawiono na rys. 13. Przy przebiegu drogi w wykopie lub na poziomie terenu sąsiadującego z nią, w przypadku podłoża gruntowego drobnoziarnistego lub o uziarnieniu mieszanym, trzeba, niezależnie od rodzaju konstrukcji nawierzchni i spadku poprzecznego, wykonać odwodnienie podłużne w obrębie muld drogowych oraz pasa dzielącego dla dróg dwujezdniowych. Wody gruntowe działające na korpus drogowy w wykopie należy zebrać przy pomocy drenażu i odprowadzić poza obręb korpusu drogi, zaś otwarte ujście drenażu zabezpieczyć zaworem klapowym przed przedostawaniem się drobnych zwierząt do jego wnętrza. Przykłady rozwiązań odwodnienia w obrębie muld drogowych przy przebiegu drogi w wykopie lub na poziomie otaczającego terenu przedstawiają rys

27 Rys.13. Rodzaje odwodnienia pasa środkowego [31] Z doświadczenia wiadomo, że trwałość i niezawodność działania drenaży zależna jest od staranności ich wykonania (liniowy przebieg, staranne połączenia elementów, dobór materiału filtracyjnego itp.). Dlatego też należy z dużą uwagą nadzorować przebieg prac budowlanych. Przebieg ważnych dla stabilności skarp drenaży powinno się tak zaplanować, aby możliwa była kontrola ich działania, a w razie potrzeby także ich naprawa. Głębokość ułożenia drenaży dobiera się w taki sposób, aby również w okresie mrozów utrzymywały one swoją funkcjonalność, o ile z innych względów nie wymagają większej głębokości. Drenaż poniżej warstwy odsączającej konstrukcji jezdni układa się tak, aby sklepienie rury znajdowało się około 20 cm poniżej odwadnianej warstwy. 27

28 Rys.14. Odwodnienia z kanałem zbiorczym.[31] 6.1. Rów infiltracyjny. Do ujęcia i odprowadzenia wody z warstwy podłoża gruntowego, znajdującego się bezpośrednio pod warstwami konstrukcyjnymi jezdni drogowej, można zamiast ciągu drenarskiego zastosować rów infiltracyjny. Rozwiązanie takie jest korzystne w sytuacji, gdy ilość odprowadzanej wody jest duża lub też, gdy zawartość żelaza w wodzie gruntowej mogłaby spowodować uszkodzenie ciągu drenarskiego. Często też stosuje się rowy infiltracyjne do odprowadzania wód opadowych z powierzchni drogi. Rów infiltracyjny ma z reguły kształt prostokątny ze ścianami z wodoprzepuszczalnego materiału np. maty plecionej z twardego drewna. Jako zabezpieczenie ścian przed podmywaniem i obsypywaniem stosuje się umocnienie palami drewnianymi, natomiast dno umacnia się prefabrykatami ażurowymi lub tłuczniem. Dla zabezpieczenia przed przenikaniem drobin mineralnych z warstw filtracyjnych można zastosować warstwę filtracyjną z tkaniny geotekstylnej. Rys.15. Rów infiltracyjny [31] 28

29 Innym rozwiązaniem może być budowa małych zbiorników retencyjnych. Zgodnie z zasadą działania małe zbiorniki retencyjne mają zdławiony wypływ do kolektora deszczowego lub odbiornika wód deszczowych (o ile ten nie jest w stanie przyjąć i odprowadzić maksymalnego dopływu). Efekt zmniejszenia ilości wypływających ze zbiornika ścieków uzyskuje się dzięki zmagazynowaniu na pewien okres części dopływających wód deszczowych. Pozwala to na wydłużenie czasu odpływu ze zbiornika w wyniku spłaszczenia szczytu fali deszczowej Studnia chłonna. Przy projektowaniu odwodnienia deszczowego na terenie płaskim, przy braku naturalnych odbiorników wód opadowych oraz gdy budowa kanalizacji jest niemożliwa lub nieopłacalna, wykonuje się studnie chłonne. Wody powierzchniowe zebrane za pomocą rowu, drenażu lub krótkich odcinków kanalizacji infiltrują w obrębie studni chłonnej w głąb przepuszczalnych warstw gruntowych lub skalnych leżących poniżej powierzchni terenu. Przy lokalizacji studni chłonnej należy uwzględnić możliwość zanieczyszczenia wód gruntowych i z tym związanych zabiegów zabezpieczających - zdolność samooczyszczania w obrębie studni chłonnych jest znacznie niższa niż w przypadku zbiornika chłonnego. Zdolność chłonna studni Q f określa ilość wody, która może wsiąknąć ze studni w jednostce czasu. Wyznacza się ją doświadczalnie na podstawie próby wsiąkania w terenie lub rachunkowo na podstawie rozpoznania warunków hydrogeologicznych, przyjętych wymiarów studni i odwadnianej powierzchni. Zdolność chłonną wyraża się w m 3 /s. h 0 2 z 2 = Q π k ln x r 29

30 Q = π k(h o 2 H 2 ) ln R r Zależnie od wodoprzepuszczalności gruntu oraz poziomu zw. wód gruntowych wyróżnia się cztery podstawowe rodzaje studni chłonnych: typ 1 - studnia o głębokości wody w studni h s znajduje się całkowicie w warstwie przepuszczalnej powyżej swobodnego zwierciadła wody gruntowej; typ 2 - studnia o głębokości wody w studni h s znajduje się w warstwie nieprzepuszczalnej o miąższości równej głębokości studni lub większej, przy zwierciadle swobodnym wody gruntowej poniżej dna studni; Rys.16. Rodzaje studni chłonnych. [31] typ 3 - studnia znajduje się w górnej swej części w warstwie nieprzepuszczalnej, natomiast w dolnej części w warstwie przepuszczalnej (przebija warstwę nieprzepuszczalną). Swobodne zwierciadło wody gruntowej znajduje się do wysokości //wewnątrz studni, natomiast poziom wody w studni wynosi h s ; typ 4 - studnia znajduje się całkowicie w warstwie nieprzepuszczalnej aż do jej spągu (tzn. dolnej powierzchni warstwy). Woda gruntowa występuje w postaci napiętej i sięga (po rozprężeniu) do wysokości H wewnątrz studni. Efektywność tego typu studni jest niepewna z uwagi na działanie siły naporu dążącej do wyrównania poziomów zwierciadła wody w studni. Zdolność chłonna studni zależy nie tylko od jej przekroju poprzecznego i wodoprzepuszczalności gruntu, ale także od wysokości słupa wody nad warstwami filtru odwrotnego. 30

31 Rys.17. Schemat studni chłonnej. [31] Rys.18. Konstrukcja gruntowej studni chłonnej.[31] Rys. 19. Przykład konstrukcji studni chłonnej z elementów prefabrykowanych. [31] 31

32 Studnie chłonne i zbiorniki wodne powinno się umieszczać w odległości min. 20,0 m od podstawy nasypu drogowego. Przykład niefrasobliwego projektowania krawędź zbiornika zbyt blisko krawędzi jezdni i zbyt mała jego pojemność. Woda stojąca ingeruje w konstrukcję drogową. 32

33 Poziom wody w zbiorniku retencyjnym uniemożliwia odwodnienie pasa drogowego. W ostatnich latach pojawiły się w praktyce budowlanej urządzenia nowego typu przewyższające swoją zdolnością chłonną tradycyjne studnie chłonne. Ich istota polega na znacznym zwiększeniu powierzchni kontaktu (tzn. powierzchni chłonnej) z gruntem. Do urządzeń tych zaliczamy skrzynki i komory chłonne. Rys. 20. Tworzenie zespołu rozsączającego ze skrzyń lub komór. [31] 33

34 6.3. Odwodnienie w wykopach. Budowa ciągów komunikacyjnych łączy się często z wykonywaniem głębokich wykopów o pionowych ścianach, np. pod posadowienie podpór obiektów mostowych czy wykopów towarzyszących wykonywaniu tuneli drogowych lub kolejowych. Realizacja głębokich wykopów wiąże się z zagrożeniem występowania odkształceń podłoża gruntowego w bezpośrednim sąsiedztwie. Największe przemieszczenia pionowe powierzchni terenu występują w strefie o szerokości od 0,5 do 0,75 H. Przyczyną występowania odkształceń są: zmiany stanu naprężenia i odkształcenia w gruncie, związane z przemieszczeniami obudowy wykopu, odkształcenia podłoża gruntowego powstałe w wyniku jego odciążenia wykopem, a następnie obciążenia nową konstrukcją osiadania powierzchni terenu spowodowane obniżeniem zwierciadła wody gruntowej Stosowanie obudowy wykopu ma na celu zabezpieczenie jego ścian przed utratą stateczności 7. Zjawiska filtracyjne w gruncie. Jak już wcześniej zauważono, woda w swoim obiegu jest najbardziej agresywnym czynnikiem wywołującym i potęgującym erozyjność gruntu. Erozja jest więc procesem naturalnym, a nasze działania powinny iść w kierunku jej ograniczenia lub wyeliminowania. Filtracja wody powodować może odkształcenia miejscowe obejmujące na ogół niewielkie masy gruntu (przemieszczenia ziaren lub bryłek) oraz zmiany jego stanu i wewnętrznej budowy, głównie składu granulometrycznego. Miejscowe odkształcenia spowodowane filtracją w gruncie można podzielić umownie na sufozję i wyparcie oraz na przebicia hydrauliczne będące rezultatem sufozji lub wyparcia. Sufozją nazywane jest zjawisko przemieszczania się pod wpływem ruchu wody drobnych cząstek gruntu w porach jego szkieletu. Cząstki mogą być przesunięte do innego miejsca w gruncie lub mogą być wyniesione poza jego obszar. W rezultacie sufozji powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość wody. Z kolei woda o większej prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy przebicia hydraulicznego. Sufozja występuje w gruntach sypkich, przede wszystkim różnoziarnistych. W gruntach spoistych sufozja nie występuje, co tłumaczy się małą wielkością porów, przez które nie mogą przecisnąć się oderwane od szkieletu agregaty (bryłki) cząstek ilastych. Wyparcie gruntu jest to zjawisko polegające na przesunięciu wszystkich cząstek pewnej objętości gruntu podłoża w kierunku ruchu wody. Wskutek wyparcia grunt ulega rozluźnieniu, a jego właściwości - pogorszeniu. Wyparcie występuje na ogół w sposób nagły. Przebicie hydrauliczne są to odkształcenia gruntu polegające na utworzeniu się ciągłego przewodu (kanału) w podłożu, wypełnionego wodą lub gruntem o naruszonej strukturze ( w końcowej fazie zjawiska zawiesiną) i łączącego miejsca o wyższym i 34

35 niższym ciśnieniu wody w porach, np. kawerny. Zewnętrznym objawem przebicia są kratery (źródła) z gotującą się zawiesiną gruntową. W gruntach sypkich przebicie występuje na ogół w wyniku sufozji, jest to jej końcowy, najgroźniejszy rezultat. W gruntach spoistych przebicie hydrauliczne może mieć przebieg nieco bardziej złożony. W najprostszym przypadku będzie to wyparcie gruntu na niewielkiej przestrzeni i wytworzenie kanału. W innych przypadkach na pewnych uprzywilejowanych kierunkach, wskutek występowania np. znacznego gradientu hydraulicznego, odrywają się bryłki gruntu w miejscu wypływu wody, w następstwie czego tworzy się zagłębienie. W dalszej fazie obserwuje się postępujące w kierunku przeciwnym do ruchu wody rozluźnienie gruntu, mające reologiczny charakter płynięcia objętościowego. W ten sposób tworzy się przewód, w którym grunt jest w stanie miękkoplastycznym lub płynnym. Stąd też, wykopy wykonywane w różnych gruntach, wymagają różnego podejścia na etapie projektowym i wykonawczym. Kilka uwag praktycznych. Grunty gliniaste Zmieniają swoją wytrzymałość głównie wskutek procesów fizycznego i chemicznego wietrzenia, co ujawnia się po wcięciu w podłoże i odsłonięciu go wzdłuż powierzchni skarpy. Proces ten intensyfikuje się, gdy nie wykonano odpowiedniego odprowadzenia wód podziemnych i powierzchniowych. Szczególnie intensywnie występuje wówczas ich odprężenie. Wiązać je należy z odciążeniem glin np. wskutek obniżenia zwierciadła wody. Ogólnie można stwierdzić, że odprężenie związane jest z filtracją wody, gdyż pod wpływem sił hydrodynamicznych występuje zwiększenie porowatości glin. Ujawnia się ono szczególnie w dolnej partii warstwy glin. Ponieważ proces odprężenia związany jest z filtracją wody, najbardziej intensywnie zachodzi on w glinach piaszczystych i pylastych, najmniej intensywnie w glinach bez zawartości frakcji piaszczystych i pylastych. Prędkość odprężenia wzrasta przy tym ze wzrostem spadków hydraulicznych. Bardzo intensywne odprężenie występuje przy spływie wód powierzchniowych po skarpie, gdy woda porowa znajduje się pod działaniem sił kapilarnych. Proces odprężenia intensyfikuje się, gdy składowe naprężenia stycznego zbliżają się do wartości granicznych. Gliny zalegające powyżej zwierciadła wody w przypadku gdy zachodzi ich zawilgocenie, zawsze zmniejszają swoje właściwości wytrzymałościowe wskutek odprężenia, rozpuszczania związków cementujących i utraty napięcia powierzchniowego. Piaski i żwiry Praktycznie nie zmieniają swych własności wytrzymałościowych na ścianie pod wpływem nawodnienia lub odwodnienia. Natomiast ciśnienie hydrodynamiczne może powodować zmniejszenie sił tarcia wewnętrznego tych gruntów, co mylnie częstokroć bywa utożsamiane z występowaniem kurzawek (tzw. płynny piasek). W istocie tylko niektóre piaski pylaste i pyły piaszczyste mają sposobność do tworzenia kurzawek. Obniżenie wytrzymałości piasków może wystąpić w wyniku sufozji mechanicznej. Właściwość ta ujawnia się przy wskaźniku różnoziarnistości U > 15 20, a równocześnie spadek hydrauliczny wynosi około 0,5 1,0 a nawet więcej. Takie przypadki 35

36 dla skarp są mało prawdopodobne z uwagi na małe gradienty hydrauliczne. Z tego powodu procesy sufozyjne przy projektowaniu skarp nie muszą być brane pod uwagę. Ograniczone wymywanie piasków z najdrobniejszymi frakcjami nie przekracza 1 2% i nie jest niebezpieczne dla stateczności skarpy. Gliny piaszczyste Podlegają intensywnemu odprężeniu jedynie w pobliżu powierzchni skarp, gdyż siła odprężenia ujawniająca się w nich nie jest wielka. Odprężenie to powoduje jednakże utratę spójności i przejście w stan płynny, co w efekcie prowadzi do spływów warstwy o grubości cm już przy kącie nachylenia skarpy 18 o 20 o. Gliny piaszczyste i piaski pylaste Posiadają swoją specyfikę, gdyż wokół cząsteczek pyłów wykształca się otoczka dipolowo zorientowanych molekuł silnie związanej wody, co prowadzi do procesów tiksotropowego zwiększenia wytrzymałości. Grunty zalegające poniżej zwierciadła wody podlegają działaniu sił ciśnienia hydrostatycznego (wyporu hydrostatycznego). Jeżeli skarpa jest częściowo podtopiona to ciśnienie hydrostatyczne prowadzi do zmniejszenia ciężaru pryzmy obciążającej spągową część skarpy i w rezultacie do obniżenia jej stateczności Wpływ sił ciśnienia hydrostatycznego sprowadza się do zmniejszenia sił tarcia, dlatego też objawia się to głównie w gruntach posiadających duży kąt tarcia wewnętrznego. Powoduje to, że dopuszczalny kąt nachylenia skarpy w przypadku podtopienia może się różnić o 6 8 od kąta przyjmowanego dla gruntu suchego. Najniekorzystniejsze warunki następują, gdy podtopienie skarpy sięga 0,2 0,3 jej wysokości. Należy także pamiętać, że w przypadku, gruntów o małej porowatości nawet średnie opady mogą już powodować dość znaczne podniesienie się poziomu wody gruntowej. Celowe jest wówczas odprowadzenie wód deszczowych. Ciśnienie hydrostatyczne jest jednym z głównych powodów zsuwów. W przypadku przecięcia warstwy wodonośnej i wypływu wody gruntowej ze skarpy możemy: 1. zmienić kąt nachylenia skarpy na mniejszy, gdyż do siły zsuwającej S dochodzi dodatkowo siła ciśnienia spływowego lub 2. obciążyć podnóże skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. 36

37 Rys.21. spadek hydrauliczny i = h L = sinβ - do siły zsuwającej S dochodzi dodatkowo siła S ciśnienie spływowe : S = V Ɣ w sinβ max S = V Ɣ w sinβ max przyjmując, że Ɣ = Ɣ w = 10 kn/m 3 S + S = T tgβ max = 0,5 tgø Bardziej złożony przypadek spływu skarpy piaszczystej występuje wówczas, gdy nieprzepuszczalne podłoże jest podcięte. Rys. 22. Spływanie piaszczystej skarpy przy podciętym podłożu nieprzepuszczalnym. 37

38 Spływ piasku może także powodować deformacje warstwy gliny, przykrywającej piaski niżej leżące. wypłukanie piasku generuje kolejne etapy erozji poprzez stworzenie nawisu warstwy gruntów spoistych, która z czasem ulega oberwaniu. Rys.23. Spływanie warstw piasku i obsunięcie się warstwy gliniastej. 8. Drenaże skarp. Skarpy wykopów budowlanych trwałych, czyli o przewidywanym okresie użytkowania dłuższym niż 1 rok dla dużych obiektów i z głębokimi fundamentami, powinny być poddane szerokiej analizie wstępnej, dobremu rozpoznaniu podłoża w ich rejonie, prawidłowemu zaprojektowaniu jak i niezbędnemu nadzorowi przy wykonawstwie. Ochrona skarp głębokich wykopów powinna zabezpieczać je przed niszczeniem, utratą stateczności oraz przed utratą narzuconego projektem profilu. Niebezpieczne zjawisko wypływu wody gruntowej ze skarpy. 38

39 Erozja skarp poprzez niekontrolowany wypływ wody gruntowej z jej powierzchni. Jedną z najbardziej efektywnych metod ochrony skarp jest ich drenaż, stosowany gdy w obrębie skarpy znajduje się poziom wypływu wody podziemnej trwały lub okresowy. Rozróżnia się dwa rodzaje drenażu skarp: 1) drenaże zlokalizowane u podnóża skarpy, oraz 2) drenaże zlokalizowane na całej wysokości skarp. Drenaż składa się z dwóch elementów, tj. pryzmy obciążającej, (rys.24) oraz odprowadzenia wody (rys.25). Pryzmę obciążającą daje się na wysokości odcinka wysączania się wody ze skarpy. Pryzmę daje się w przypadku skarp piaszczystych, w których może zajść spływanie wierzchniej warstwy. Jeżeli chroniona skarpa wykonana jest ze żwiru i otoczaków, projektowanie pryzmy obciążającej jest zbyteczne. Rys. 24. obciążenie podnóża skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. 39

40 Rys.25. Przykłady drenażu stopy skarpy. Materiał stosowany na pryzmy obciążające nie wymaga wysokiej jakości, powinien jednak spełniać kryterium: D 10 d 50 oraz U 5 < D 10 średnica miarodajna ziaren obsypki d 50 średnia średnica ziaren gruntów budujących skarpę U wskaźnik różnoziarnistości Innym typem drenażu jest drenaż obejmujący całą wysokość skarpy. Jest to szczególnie ważne, gdy występuje konieczność ochrony antyerozyjnej skarpy związanej ze spływem powierzchniowym wód deszczowych oraz z dużymi wahaniami zwierciadła wody gruntowej. 40

41 Rys. 26. Drenaż na całej wysokości skarpy. [21 ] Rys.27. Przykład drenażu (ostrogi) widok od czoła Przykłady ostróg drenujących 41

42 Przykład darniowania wysokich skarp w rąb Rys.28. Dreny zabijane. Rys.29. Ochrona skarpy przed wodami podwodnymi za pomocą studni pionowych. Tylko w przypadkach, gdy istnieje niebezpieczeństwo intensywnej sufozji materiału ziarnistego ze skarpy, pryzmę obciążającą projektuje się jako filtr odwrotny. 42

43 Filtry odwrotne - są to warstwy gruntu o odpowiednio dobranym uziarnieniu zabezpieczające przed szkodliwymi odkształceniami filtracyjnymi. Filtry odwrotne, zwane czasami warstwami ochronnymi, stosowane są np. wokół rur lub pryzm drenażowych, w miejscach ewentualnego wypływu wody na skarpę, między dwoma warstwami gruntów o znacznie różniącym się uziarnieniu lub przy rdzeniach zapór. W tym ostatnim przypadku warstwy ochronne spełniają dodatkowe zadania warstw przejściowych, o pośrednich mechanicznych właściwościach, między spoistym rdzeniem a gruboziarnistym nasypem statycznym. Zadaniem filtru odwrotnego jest nie dopuścić do przenikania części szkieletu gruntu chronionego do drenażu lub nasypu statycznego i nie utrudniać odpływu wody. Uziarnienie filtru powinno być tak dobrane, aby ziarna filtru nie przenikały do drenażu lub w przylegający narzut nawet kamienny oraz aby filtr nie był kolmatowany drobnymi cząstkami wyniesionymi z gruntu chronionego. Jeżeli więc z gruntu chronionego wynoszona będzie pewna dopuszczalna ilość drobnych cząstek, powinny być one również wypłukane z filtru. Rys.30. Zasada doboru gruntu na filtr odwrotny wg. Terzaghiego; pole zakreskowane - przedział dopuszczalnych składów granulometrycznych filtru. Reasumując, dobór gruntu na warstwy ochronne polega na dostosowaniu uziarnienia filtrugruntu chroniącego do uziarnienia gruntu chronionego. Kryteria przydatności gruntu na filtry odwrotne: D 15 d 15 4 D 15 d

44 gdzie: D 15 średnica w mm ziaren gruntu filtru, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi 15 % d 15, d 85 średnica w mm ziaren gruntu chronionego, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi odpowiednio 15 % i 85 %. Powszechnie w drenażach stosuje się też geosyntetyki geowłókniny. Geowłókniny o różnej grubości i otwartości charakteryzują się stosunkowo niską wytrzymałością na rozciąganie i dużą wydłużalnością. Ich zakres zastosowań powinien obejmować jedynie separację, filtrację i drenaż. Szczególnego znaczenia nabierają w tych przypadkach kryteria retencyjności, filtracji i zakolmatowania. Zalecane są następujące wartości kryteriów : zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu grunty drobnoziarniste O d 50, grunty trudne O 90 d 90. grunty grubo-i różnoziarniste O 90 5 d10 U oraz O 90 d 90 ; kolmatacji - dla wybranego wyrobu O 90 = (0,2 1) O 90, działania hydraulicznego - materiał geotekstylny drenu powinien zapewnić wystarczający przepływ wody w danym podłożu. W zależnościach tych oznaczono: O 90 - charakterystyczna wielkość porów geowłóknin, d 10, d 5o, d 90 - wielkości ziaren gruntu, które wraz z mniejszymi stanowią odpowiednio 10, 50, 90% masy gruntu. Kryteria dotyczące filtrowania gruntów niespoistych i mało spoistych: dla geotkanin tasiemkowych (o równomiernym wymiarze otworów): O 90 / d 90 2,5 dla geowłóknin igłowanych i przeszywanych (o zróżnicowanych wymiarach porów, zamykających się pod obciążeniem): O 90 / d 90 5 Jest istotne, by stosunki wymiarów porów były jak najbliższe podanym wartościom granicznym 2,5 i 5, aby zapewnić jak największą przepuszczalność geosyntetyków, zachowując zarazem ich zdolność do zatrzymywania cząstek gruntu. Zjawiska mogące wpływać ujemnie na długotrwałą pracę geowłóknin powinny być wykazywane w trakcie projektowania na podstawie rzetelnie wykonanych badań gruntów podłoża i nasypów z krzywymi z analiz granulometrycznych ( sitowych i areometrycznych). 44

45 Rys.31. Krzywe uziarnienia z analizy sitowej. Rys. 32. Zmiany współczynnika wodoprzepuszczalności poprzez kolmatację błędnie dobranej geowłókniny. Nie można zapominać, że oprócz kolmatacji mechanicznej istnieje również niebezpieczeństwo kolmatacji biologicznej i chemicznej. Rozmnażające się bakterie, glony i grzyby zatykają pory w równym stopniu co krystalizacja związków i substancji chemicznych zawartych w odciekach i wodach gruntowych Uwagi końcowe. Ocenę przydatności gruntu na filtr odwrotny rozpocząć należy od sprawdzenia tzw. sufozyjności gruntu filtru i gruntu chronionego. Praktycznie za niesufozyjny uważa się taki grunt, w którym przesiąkająca woda może wypłukać nieznaczną ilość najdrobniejszych frakcji, w nikłym tylko stopniu zmieniając jego strukturę i wytrzymałość. Grunt filtru uznaje się za niesufozyjny, jeśli spełniona jest następująca równość: 45

46 gdzie: D 3 D 17 > N N = (0,32 + 0,016 U) 6 U U = D 60 - wskaźnik różnoziarnistości gruntów użytych do filtrów, D 10 D 3, D 10, D 17, D 60 - średnice ziaren, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi odpowiednio 3, 10, 17, 60 % mm n porowatość w częściach jedności. Dobierając zatem grunt na filtr odwrotny ochraniający grunty spoiste należy sprawdzić: - wskaźnik różnoziarnistości gruntu, - niesufozyjność gruntu, - warunek odporności gruntu spoistego na działanie filtracji, - warunek kolmatowania filtru. Różnoziarnistość gruntu na filtry odwrotne ochraniające grunty spoiste może być znacznie większa niż dla ochrony gruntów sypkich. Dopuszcza się grunty o wskaźniku różnoziarnistości 50, a w szczególnych przypadkach, gdy warstwy filtrowe mają grubość kilku metrów, można wartość tę powiększyć do 100, pod warunkiem jednak, że przy różnoziarnistości większej od 50 materiał filtru nie powinien zawierać ziaren o średnicy większej od 80 mm, a zawartość frakcji piaskowej powinna wynosić co najmniej 20%. n 1 n 9. Stateczność dna wykopu fundamentowego. W pobliżu projektowanej budowli mogą występować warstwy gruntu z wodą pod ciśnieniem, oddzielone od dna wykopu fundamentowego warstwą nieprzepuszczalną. Gdy piezometryczny poziom zwierciadła wody w warstwie wodonośnej przekracza znacznie poziom dna wykopu fundamentowego, może nastąpić wyparcie gruntu podłoża. W tych przypadkach konieczne jest wykonanie studni odciążających, które zmniejszyłyby ciśnienie do wartości dopuszczalnej, zapewniającej stateczność dna. Sprawdzenie stateczności może być przeprowadzone wg wzorów: a) F w = γ gr h gr γ w ( H 1 s 0 ) lub uwzględniając opór gruntu na ścinanie b) F w = ωγ gr h gr +AC ωγ w ( H 1 s 0 ) gdzie: Fw - współczynnik pewności ω - powierzchnia pozioma zarysu obliczanego wykopu, h gr - miąższość warstw gruntów dna wykopu znajdujących się pod ciśnieniem wody, s o - obniżenie ciśnienia piezometrycznego wody w środku dna wykopu, H1 - wysokość ciśnienia wody wgłębnej w warunkach normalnych, mierzona od spodu 46

47 warstwy wodoszczelnej, Ɣ gr - średni ciężar objętościowy warstw gruntów dna wykopu znajdujących się pod ciśnieniem wody (z uwzględnieniem ciężaru wody w porach) i bez uwzględnienia wyporu, Ɣ w - ciężar objętościowy wody, A - powierzchnia pionowa ścinania warstwy spoistej, C - wytrzymałość gruntu na ścinanie. Jeśli wartości F w różnią się od podanych w tabl. 2, należy stosować urządzenia odciążające w postaci studni z ujętym samowypływem lub studni z pompami. Pamiętać należy, aby po zakończeniu prac studnie zostały dokładnie zakorkowane i nie nastąpiło połączenie wód artezyjskich z wodami gruntowymi o wolnym zwierciadle. Połączenie wód może bowiem powodować wzrost sił wyporu i zmniejszyć stateczność obiektu. W miejscach spodziewanych przebić należy dawać warstwę dociążającą grubości ok. 0,30 m z pospółki lub drobnego żwiru. Tab.8. Minimalne wartości współczynników pewności F w Przypadek obliczeniowy Do wzoru a) Do wzoru b) przy uwzględnieniu odporu gruntu bez uwzględnienia odporu gruntu na ścinanie na ścinanie Normalny eksploatacyjny 1,3 1,1 1,1 1,0 Nadzwyczajny Tab. 9. Minimalne zagłębienie krzywej depresji poniżej dna wykopu Jeśli skarpy w strefie wykopu mają wkładki wodonośne, należy przewidzieć zabezpieczenia filtrami odwrotnymi. 47

48 Przykład:1 Stateczność dna wykopu fundamentowego. 48

49 Przykład:2 Do jakiej bezpiecznej głębokości można wykonać wykop fundamentowy w warstwie gliny, jeżeli jej ciężar objętościowy w stanie całkowitego nasycenia wodą wynosi 22,5 kn/m 3. Od poziomu terenu do głębokości 4,5 m poniżej trenu występuje warstwa gliny, poniżej warstwa wodonośna z piasku średniego. Piezometryczny poziom wody gruntowej 0,6 m poniżej poziomu terenu. Rozwiązanie: według PN-81/B składowa pionowa ciśnienia powinna spełniać warunek: j dop 0,5 (ρ sat ρ w ) g gdzie: j dop - dopuszczalne ciśnienie spływowe [kn/m 3 ], g - przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ], ρ w - gęstość objętościowa wody [g/cm 3 ], ρ sat - gęstość objętościowa przy całkowitym nasyceniu porów wodą [g/cm 3 ]. Ciśnienie spływowe wyrażamy wzorem: j = i γ w gdzie: γ w - ciężar objętościowy wody [kn/m 3 ] Korzystając ze wzoru obliczamy: i = H l H = H 0,6; l = 4,5 - H H 0, 6 4, 5 H ρ w g = 0, 5 ( ρ sat ρ w ) g H 0, 6 = 0, 5 (2, 25 1, 0) 4, 5 H H = 2, 1 m 49

50 Zalana konstrukcja. Zjawisko przebicia hydraulicznego w związku z brakiem oznaczenia zw.w.g. ustabilizowanego w trakcie badań podłoża. 10. Rowy drogowe W przypadku konieczności odwodnienia pasa drogowego przy małym spadku można poprawić warunki odpływu wykonując gładkie umocnienia dna rowu np. elementami betonowymi lub kostka kamienną bądź też betonową. Konieczność specjalnego umocnienia skarp lub dna rowu przed erozją zależy od spadku podłużnego dna rowu, rodzaju podłoża gruntowego i ilości odprowadzanej rowem wody. Nie można jednak podać jednoznacznych kryteriów. Dla przeciętnych warunków przyjmuje się maksymalne pochylenie rowów: a) bez umocnienia skarp i dna rowu: dla gruntów piaszczystych 1,5% dla gruntów piaszczysto-gliniastych i pylastych 2,0% dla gruntów ilastych i gliniastych 3,0% dla gruntów skalistych 10,0% b) przy umocnieniu dna i skarp rowu: darniną 3,0% faszyną 4,0% brukiem układanym na sucho 6,0% elementami betonowymi 10,0% brukiem układanym na podsypce cementowo-piaskowej ze spoinami wypełnionymi zaprawą 15,0. 50

51 Rys.33. Typowy przekrój rowu trapezowego z umocnieniem profilu elementami z twardego drewna Rys.34. Typowy przekrój rowu trapezowego z umocnieniem profilu elementami kamiennymi Rys.35. Typowy przekrój rowu trapezowego z umocnieniem profilu elementami z twardego drewna W celu ochrony profilu w dolnej części przekroju rowu przed erozją można stosować kamienie naturalne, kostkę betonową lub prefabrykowane elementy betonowe pełne i ażurowe. Przy podłożu gruntowym z piasków drobnoziarnistych konieczna jest często warstwa podsypki z odpowiedniego materiału filtrującego lub geotekstyliów. 51

52 Rowy o przekroju trójkątnym, podobnie jak muldy, odznaczają się łagodniejszymi kształtami. Wpływa to na poprawę estetyki i warunków bezpieczeństwa ruchu drogowego. Dalszą zaletą rowów trójkątnych jest stworzenie korzystniejszych dla korpusu drogowego warunków przepływu wody. Przy tej samej głębokości napełnienia rów trójkątny prowadzi wodę z mniejszą szybkością. Możliwe jest ich wykonanie sposobem mechanicznym. Wadą rowów trójkątnych jest większa szerokość pasa terenu wymagana do ich realizacji. Dla rowów trójkątnych należy przyjmować następujące wymiary: głębokość minimalna rowu 0,30 m; nachylenie skarp wewnętrznych 1: 3; nachylenie skarp zewnętrznych od 1:3 do 1:5. Rys.36. Geosyntetyki w konstrukcjach rowów drogowych - przykład Rys.37. Geosyntetyki w konstrukcjach rowów drogowych - przykład 52

53 Zastosowanie geosyntetyków w systemach drenażowych powinno być poparte odpowiednimi warunkami kryteriów hydraulicznych i mechanicznych. Kryterium dotyczące właściwości hydraulicznych gwarantuje, że geotekstylia są zdolne do pełnienia funkcji drenażowych lub filtracyjnych w ciągu projektowanego okresu eksploatacji. Wśród nich można wyróżnić kryteria: zatrzymywania cząstek gruntu, przepuszczalności i odporności na kolmatację. Kryterium dotyczące właściwości mechanicznych gwarantuje zachowanie trwałości struktury geotekstyliów zarówno podczas wbudowania, jak i w projektowanym okresie eksploatacji. Kryterium to obejmuje długoterminową wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie i przebicie. Tablica 10. Cechy mechaniczne geotekstyliów filtrujących o dużym wydłużeniu (>30 %) W warunkach dużych obciążeń dynamicznych i użycia zasypki tłuczniowej zalecane są materiały o masie powierzchniowej 150 g/m 2, odporności na przebicie statyczne 1500 N, grubości co najmniej 10 O 90 oraz spełniających wymagania klasy wytrzymałości GRK 3. Tablica 11. Kryteria podziału klas wytrzymałości GRK wyrobów geotekstylnych. X) mniejsza z wartości wytrzymałości wzdłuż i w poprzek pasma. 53

54 W przypadku układania geosyntetyku w nachyleniu należy sprawdzić: wartość siły rozciągającej powstającej w geosyntetyku - w stosunku do jego charakterystycznej długotrwałej wytrzymałości na zerwanie tarcie między geosyntetykiem a gruntem (pod i nad geosyntetykiem), w razie potrzeby zalecane jest użycie wyrobów o szorstkiej fakturze powierzchni, zwiększającej współczynnik tarcia. 11. Geosyntetyki w konstrukcjach drenaży i odwodnień liniowych. Podstawowe wymagania dotyczące geosyntetyków stosowanych w systemach drenażowych (wg PN-EN 13252) przedstawia poniższa tabela 12: W odwodnieniach geosyntetyki są używane najczęściej jako filtr pomiędzy gruntem rodzimym a projektowaną warstwą filtracyjną (mineralną) o odpowiednim uziarnieniu. Do takich zastosowań należą : - drenaż poziomy ( zw. objętościowym lub francuskim) 54

55 - drenaż płaski lub powierzchniowy - drenaż żebrowy z geokompozytów Przykład zastosowania drenu geokompozytowego zwiększającego retencję przedstawiono na poniższym rysunku: 55

56 W układach rowów drogowych zabezpieczenie skarp i uszczelnienia podłoży stosuje się często różnego rodzaju bariery geosyntetyczne. Tego typu bariery służą przede wszystkim do ochrony środowiska przed wpływem zanieczyszczeń. Uszczelniając podłoża nawierzchni, skarp zbiorników retencyjnorozsączających, zbiorników mogielników i rowów drogowych uzyskuje się dodatkowo efekt nierozprzestrzeniania zanieczyszczeń w głąb gruntu jak również zabezpiecza wody gruntowe. teren istniejący WYKOP NASYP < 2,0 m Płyta ażurowa 60 x40x10 cm Pospółka 10 cm Narzut kamie nny 30,0 cm Uszczelnienie geomembraną HDPE Geostar Humus 15 cm, obsianie trawą + mata antyerozyjna Rys.38. Konstrukcja uszczelnionego rowu w wykopie Rys.39. Konstrukcja zbiornika retencyjno-odparowującego Dla zapewnienia ochrony przeciwerozyjnej na powierzchniach skarp, rowów odwadniających coraz częściej znajdują zastosowanie systemy przestrzenne i komórkowe. Stosowane są również wyroby biodegradowalne wraz z nasionami traw, wspierając obudowę właściwą. Ze względu na złożoność systemów i specyficzne warunki stosowania i wbudowania tych materiałów należy kierować się wiodącymi potrzebnymi (obliczonymi) parametrami i porównać z przedstawionymi parametrami w kartach wyrobów. 56

57 12. Wymagania dotyczące doboru filtrów kryteria doboru geosyntetyków. Kryteria doboru materiałów, filtrujących obejmują sprawdzenie: działania mechanicznego filtru (zatrzymywania cząstek), odporności na kolmatację (zatykanie porów materiału), działania hydraulicznego filtru (wystarczający przepływ). Należy rozróżniać warunki proste i trudne. Warunki proste: występują zwykle w drenażach i odwodnieniach z niedużym przepływem statycznym wody (z małymi, powolnymi zmianami gradientu), w gruntach wytwarzających naturalny filtr na styku z geosyntetykiem, a początkowe wypłukanie drobnych cząstek nie wpływa na działanie filtru. Warunki trudne: występują, w obwałowaniach dróg wodnych i narażonych na działanie falowania oraz w podtorzu kolejowym, poddanych dużym przepływom dynamicznym wody (z dużymi, szybkimi zmianami gradientu lub kierunku przepływu), w gruntach niestabilnych hydraulicznie (skłonnych do sufozji), nie zapewniających wytworzenia naturalnego filtru na styku z geosyntetykiem. Ogólne wskazówki dotyczące wyboru geosyntetyków filtracyjnych zawiera tablica 13. Tab. 13. Wskazówki dotyczące wyboru filtrów geosyntetyków Zalecane parametry hydrauliczne geosyntetykow stosowanych jako filtry Charakterystyczną wielkość porów geosyntetyków O 90 gtx można bez szczegółowej analizy przyjmować następująco: a) W prostych warunkach hydraulicznych (niewielki jednostronny dopływ wody): dla geowłóknin 0,06 mm O 90 gtx 0,20 mm, dla geotkanin 0,06 mm O 90 gtx 0,40 mm. 57

58 b) W trudniejszych warunkach hydraulicznych (duży dopływ wody i/lub zmieniający się kierunek przypływu), w zależności od rodzaju filtrowanego gruntu: grunty spoiste 0,06 mm O 90 gtx 0,20 mm, gruby pył do piasku pylastego 0,06 mm O 90 gtx 0,11 mm, piasek drobny 0,06 mm O 90 gtx 0,13 mm, piasek średni 0,08 mm O 90 gtx 0,30 mm, piasek gruby 0,12 mm O 90 gtx 0,60 mm. Zbyt małe wymiary porów geowłókniny mogą powodować jej kolmatację. Mniej niebezpieczne jest przyjęcie większych średnic O 90gtx, ponieważ wtedy może się utworzyć filtr odwrotny w gruncie. Dlatego zwykle zaleca się, by wartość nie była mniejsza od 0,12 mm, a preferowany jest wymiar 0,15-0,16 mm. W gruntach trudnych do spełnienia wymagań filtrowania należy zapewnić, że nie wystąpi ich erozja ani sufozja. Szczególnie podatne na erozje (wypłukiwanie cząstek gruntu) są grunty niespoiste: grube pyły, piaski pylaste i drobne oraz równoziarniste piaski (C U = U = d 60 /d 10 < 5). Sufozja (przemieszczanie drobniejszych cząstek w porach gruntu, powodujące niestateczność struktury jego szkieletu ziarnowego) występuje w gruntach niespoistych o skokowo nieciągłej krzywej uziarnienia (C U = U > 14) albo w przypadku braku części drobniejszych frakcji (poniżej d 40 ). c) W trudnych warunkach hydraulicznych (rzadko występujących w budowlach drogowych) należy dokonać szczegółowej analizy stateczności filtracyjnej zwłaszcza w przypadku gruntów trudnych do spełnienia wymagań filtrowania. W szczegółowej analizie filtrowania z uwagi na warunki filtracji należy rozróżniać: grunty drobnoziarniste d 40 < 0,06 mm, grunty grubo i różnoziarniste d 40 > 0,06 mm. Ponadto wyróżnia się grunty trudne do spełnienia wymagań filtrowania: drobnoziarniste - wskaźnik plastyczności I p < 0,15 i/lub stosunek zawartości frakcji iłowej do pyłowej < 0,5, grunty grubo- i różnoziarniste, zawierające frakcje pyłową (d < 0,06 mm): - wskaźnik jednorodności uziarnienia C U = U= d 60 /d 10 < 15 i/lub - zawartość frakcji od 0,02 do 0,1 mm > 50%. Zalecane są następujące wartości kryteriów filtrowania: zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu grunty drobnoziarniste O 90gtx 10 d 50, grunty trudne (pylaste) O 90gtx grunty grubo- i różnoziarniste O 90gtx d 50 U oraz O 90gtx d 90 58

59 kolmatacji - dla wybranego wyrobu O 90 wybr > (0,2 1) O 90 gtx wynikającego z kryteriów zatrzymywania cząstek, działania hydraulicznego - materiał geosyntetyczny drenu powinien zapewnić wystarczający przepływ wody w danym podłożu. W zależnościach tych oznaczono: O 90 gtx - potrzebna charakterystyczna wielkość porów geosyntetyków, d 10, d 50, d 90 - wielkość ziaren gruntu, które wraz z mniejszymi ziarnami stanowią odpowiednio 10, 50 i 90 % masy gruntu. Rys.40. Przykładowe krzywe uziarnienia z analizy sitowej. Jest istotne, by stosunki wymiarów porów były jak najbliższe podanym wartościom granicznym, aby zapewnić jak największą przepuszczalność geosyntetyków zachowując zarazem ich zdolność do zatrzymywania cząstek gruntu. W gruntach spoistych stosunek O 90 gtx / d 90 może być znacznie większy, jednak trudno podać konkretne wartości ze względu na bardzo małe i zróżnicowane wymiary cząstek ilastych gruntu. Grunty spoiste zwykle nie stwarzają zagrożeń, ich spójność nie pozwala na wypłukiwanie cząstek, a mała przepuszczalność powoduje niewielkie przepływy. Trudności mogą występować w strefach dużych gradientów przepływu. Wodoprzepuszczalność materiału geosyntetycznego stosowanego jako osłony filtrujące w układach drenażowych wyznacza się na podstawie obliczeń przepływu. Orientacyjne wskazówki dotyczące przepuszczalności prostopadłej zamieszczono w tablicy

60 Tab. 14. Wymagane właściwości mechaniczne geosyntetyków filtrujących W celu zapobieżenia uszkodzeniom osłon przez grube frakcje kruszywa filtrów, geosyntetyki powinny mieć dostateczną wytrzymałość i wydłużenie przy zerwaniu. Zalecane parametry mechaniczne geosyntetyków filtrujących o dużym wydłużeniu (>30%) podano w tablicy 9. W przypadku użycia geosyntetyków o wydłużeniu do 30% powinny one mieć zwiększoną wytrzymałość, tym bardziej, im wydłużenie jest mniejsze. Tabl. 15. Cechy mechaniczne geosyntetyków filtrujących o dużym wydłużeniu (> 30%) [SN :2002] W warunkach dużych obciążeń dynamicznych i użycia zasypki tłuczniowej zalecane są materiały o masie powierzchniowej 150 g/m 2, odporności na przebicie statyczne 1500 N, grubości co najmniej 10 O 90 oraz spełniających wymagania klasy wytrzymałości GRK 3. W przypadku układania geosyntetyku w nachyleniu należy sprawdzić: wartość siły rozciągającej powstającej w geosyntetyku - w stosunku do jego charakterystycznej długotrwałej wytrzymałości na zerwanie. tarcie między geosyntetykiem a gruntem (pod i nad geosyntetykiem), w razie potrzeby zalecane jest użycie wyrobów o szorstkiej fakturze powierzchni, zwiększającej współczynnik tarcia. 60

61 13. Dobór geosyntetyków przeznaczonych na warstwy filtrujące. Warstwy filtrujące można wykonywać z różnych wyrobów, spełniających wymagania mechaniczne i hydrauliczne, np. z geowłóknin lub geotkanin. Właściwości hydrauliczne typowych geosyntetyków podano w tablicy 16. Przepuszczalność geosyntetyków silnie zależy od ich struktury i sposobu łączenia włókien oraz od działającego obciążenia ściskającego. Tab. 16. Właściwości hydrauliczne typowych wyrobów geosyntetycznych stosowanych na warstwy filtrujące Efekt zakolmatowania geosyntetyku ujawnia się z reguły w bardzo drastyczny sposób. Fot.1. Uszkodzenie rowu na skutek przebicia hydraulicznego i wyporu wywołanego zakolmatowaniem geowłókniny. 61

62 Nie można zapominać również, że oprócz kolmatacji mechanicznej istnieje również niebezpieczeństwo kolmatacji biologicznej i chemicznej. Rozmnażające się bakterie, glony i grzyby zatykają pory w równym stopniu co krystalizacja związków i substancji chemicznych zawartych w odciekach i wodach gruntowych. 14. Działanie wody gruntowej. Ze względu na to, że woda gruntowa jest jedną z głównych przyczyn powstawania osuwisk w zboczach wymaga tym samym szczególnej uwagi, dokładnego rozpoznania i uwzględnienia w analizach stateczności. Wyznaczenie ustalonego przepływu wody w zboczach to zadanie dla hydrogeologów z dużym doświadczeniem. Jak pokazuje dotychczasowa praktyka, ilość awarii i katastrof jest wynikiem braku wiedzy w tym zakresie i ograniczania się tylko do własnych umiejętności i doświadczenia. Woda gruntowa wpływa na układ sił i naprężeń w zboczu, powodując w warunkach ustalonego przepływu dodatkowe obciążenie gruntu siłami hydrodynamicznymi lub zmniejszając siły oporu ścinania (jako wynik wzrostu ciśnienia porowego) w strefie potencjalnego poślizgu. Z drugiej strony woda gruntowa zwiększając w przypadku braku lub nieprawidłowego odwodnienia lub zmniejszając w procesie konsolidacji wilgotność gruntu w zboczu, oddziałuje w istotny sposób na wytrzymałość gruntu decydującą o stateczności zbocza. Można rozważać trzy zasadnicze przypadki działania wody gruntowej w zboczu, a mianowicie: 1. zbocze podtopione wodą, 2. ustalony przepływ wody w zboczu, 3. ciśnienie wody w porach, wywołane szybkim wykonywaniem nasypu lub wykopu w gruncie spoistym. Przy częściowym lub całkowitym podtopieniu zbocza wodą następuje zmiana układu sił, które działają na masyw potencjalnego osuwiska. Rys.41. Siły działające na masyw osuwiska w zboczu podtopionym wodą. 62

63 Dochodzi dodatkowo parcie wody U i gęstość objętościowa gruntu z uwzględnieniem wyporu wody. Zmieniające się układy sił naruszają normalny porządek i zmniejszają ogólną stateczność w zależności oczywiście od tempa stabilizacji zwierciadła wody wewnątrz masywu gruntowego. Tak więc moment sił względem dowolnego punktu obrotu O naruszających równowagę zbocza będziemy liczyć według równania: M 0 = W 1 x 1 + W 2 x 2 gdzie: W 2 = W 2 U Zjawisko ustalonego przepływu wody w gruncie występuje w wielu obiektach sztucznych, którymi są zapory ziemne o różnym przeznaczeniu, jak i w zboczach naturalnych. Ruch wody w gruncie powoduje powstanie sił hydrodynamicznych, działających zgodnie z kierunkiem przepływu wody, o wartości określonej wzorem: J = V i Ɣ w gdzie: V objętość gruntu przez który przepływa woda, i spadek hydrauliczny, Ɣ w - ciężar objętościowy wody Siły hydrodynamiczne są siłami wewnętrznymi, dążącymi do przesunięcia szkieletu gruntowego. W celu poprawnego określenia sił hydrodynamicznych konieczne jest wyznaczenie hydrodynamicznej siatki filtracji. Siatka hydrodynamiczna umożliwia określenie sił hydrodynamicznych w analizowanym zboczu. Rys.42. Hydrodynamiczna siatka filtracji w zboczu. W zależności od zastosowanej metody sprawdzania stateczności zbocza oblicza się wypadkową sił hydrodynamicznych, działających na masyw osuwiska, lub też siły działające na poszczególne elementy tego masywu (np. w metodzie pasków). 63

64 Analizując stateczność zbocza metodą stanu granicznego uwzględnia się dodatkowe siły masowe, wywołane przepływem wody w gruncie. Występowanie wody w zboczach, zarówno w przypadku podtopienia wodą jak i w przypadku przepływu wody przez grunt, jest związane z istnieniem ciśnienia wody i powietrza, wypełniającego pory gruntu, które jest nazywane ciśnieniem porowym. Ciśnienie to zależy od poziomu zwierciadła wody gruntowej, którą w tym przypadku można potraktować jako obciążenie wewnętrzne. Analizując różne przypadki działania wody gruntowej, można zauważyć że rozkład ciśnienia porowego w zboczu nie ma praktycznie wpływu na siły naruszające równowagę zbocza. Siła masowa będzie zależeć tylko od gęstości objętościowej gruntu o różnym stopniu nasycenia wodą, tworzącego masyw potencjalnego osuwiska, oraz od położenia swobodnego zwierciadła wody gruntowej lub od sił hydrodynamicznych. Ciśnienie porowe będzie miało natomiast zasadniczy wpływ na siły oporu ścinania działające wzdłuż założonej powierzchni poślizgu i gwarantujące zachowanie stateczności zbocza. Stąd wniosek, że w celu prawidłowej oceny stateczności zbocza konieczne jest określenie rozkładu wartości ciśnienia porowego, przynajmniej w strefie potencjalnego poślizgu. W zboczu podtopionym wodą ciśnienie porowe u będzie wprost proporcjonalne do wysokości słupa wody h w, działającego na analizowany punkt lub odcinek powierzchni poślizgu. Rys.43. Wyznaczanie ciśnienia porowego w zboczu nawodnionym a- zbocze podtopione, b- ustalony przepływ wody Ciśnienie porowe w warunkach ustalonego przepływu wody można dość dokładnie określić na podstawie siatki hydrodynamicznej wyznaczonej jedną z metod analitycznych lub doświadczalnych. W praktyce inżynierskiej postępowanie takie stosuje się jednak rzadko, natomiast najczęściej wysokość słupa wody h w określa się tak, jak gdyby linie ekwipotencjalne były pionowe. W związku z powyższym należy podkreślić rangę parametrów c i Ø dla gruntów budujących zbocze, skarpę lub stok naturalny. Te parametry wytrzymałościowe charakterystyczne dla gruntów zależą przecież od wielu czynników. Jednym z najważniejszych czynników jest stopień wilgotności gruntu S r, od którego w głównej mierze zależy rozkład obciążenia na naprężenia efektywne σ, przenoszone przez szkielet gruntowy, oraz ciśnienie porowe u, przenoszone przez wodę i powietrze w porach. 64

65 Sformułowana przez Terzaghiego zasada naprężeń efektywnych wymaga uwzględnienia tego zjawiska w analizie stanu granicznego. Wynika stąd konieczność wyróżnienia parametrów c u i Φ u, określających wytrzymałość gruntu w naprężeniach całkowitych, oraz parametrów c i Φ, odpowiadających wytrzymałości gruntu w naprężeniach efektywnych. Stąd też bierze się postulat w większości opracowań dotyczących obliczeń stateczności potencjalnych osuwisk o bardzo dokładne i głębokie rozpoznanie podłoża i wyznaczanie właściwości fizyko-mechanicznych nawiercanych gruntów. 15. Zjawiska filtracji, przesiąków i sufozji skuteczne systemy zabezpieczeń i odwodnień. Przepływająca przez grunt woda wywiera na szkielet gruntowy ciśnienie. Ciśnienie to w odniesieniu do jednostki objętości gruntu to nic innego jak ciśnienie spływowe: j = i ɣ w Wielkość ta nie zależy od prędkości filtracji, a tylko od spadku hydraulicznego. Niedocenianie ciśnienia spływowego lub nieumiejętność jego określania dla stanów ekstremalnych, szczególnie przy odwodnieniach wykopów może powodować wiele awarii i katastrof. Rys.44. Wpływ szybkości opróżniania zbiornika na stateczność zbocza wg Gourca i Morgensterna Zgodnie z rys.44 szybkie obniżenie zwierciadła wody wywołuje bardziej krytyczny stan w zboczu naturalnym lub skarpie wykopu, niż stan istniejący przy jego całkowitym zanurzeniu w wodzie. Działa tu dodatkowa siła ciśnienia spływowego. Szybkie obniżenie zwierciadła wody wywołuje zawsze poślizg bryły odłamu. Tak też ruch wody w gruncie może spowodować duże zmiany w jego strukturze, a w następstwie doprowadzić do zmian właściwości fizyko-mechanicznych. 65

66 16. Drenaże skarp. Skarpy wykopów budowlanych trwałych, czyli o przewidywanym okresie użytkowania dłuższym niż 1 rok dla dużych obiektów i z głębokimi fundamentami, powinny być poddane szerokiej analizie wstępnej, dobremu rozpoznaniu podłoża w ich rejonie, prawidłowemu zaprojektowaniu jak i niezbędnemu nadzorowi przy wykonawstwie. Ochrona skarp głębokich wykopów i wysokich nasypów powinna zabezpieczać je przed niszczeniem, utratą stateczności oraz przed utratą narzuconego projektem profilu. Rys.45. Rodzaje wewnętrznych konstrukcji odwadniających w korpusie wałów i nasypów. a) korpus zbudowany z gruntu jednorodnego (bez odwodnienia), b) korpus z gruntu jednorodnego z dolną warstwą odwadniającą, c) konstrukcja pochyłej warstwy filtracyjnej wewnątrz korpusu, d) konstrukcja korpusu zbudowana z dwóch rodzajów gruntu 66

67 Innym typem drenażu jest drenaż obejmujący całą wysokość skarpy. Jest to szczególnie ważne, gdy występuje konieczność ochrony antyerozyjnej skarpy związanej ze spływem powierzchniowym wód deszczowych oraz z dużymi wahaniami zwierciadła wody gruntowej oraz opadami atmosferycznymi. Przy opadach nawalnych wysokość słupa wody przybiera wartość 3 5 mm/min, a zdolność gruntów do wsiąkania wody to 0,07 0,2 mm/min (iły piaski). W tych warunkach spływ powierzchniowy wystąpi już w pierwszych minutach opadu. Z reguły są to zjawiska erozyjne o dużych zakresach. Tylko w przypadkach, gdy istnieje niebezpieczeństwo intensywnej sufozji materiału ziarnistego ze skarpy, pryzmę obciążającą projektuje się jako filtr odwrotny. Filtry odwrotne są to warstwy gruntu o odpowiednio dobranym uziarnieniu zabezpieczające przed szkodliwymi odkształceniami filtracyjnymi. Filtry odwrotne, zwane czasami warstwami ochronnymi, stosowane są np. wokół rur lub pryzm drenażowych, w miejscach ewentualnego wypływu wody na skarpę, między dwoma warstwami gruntów o znacznie różniącym się uziarnieniu lub przy rdzeniach zapór. Tab.17. Orientacyjne wskaźniki sufozyjności gruntów Wskaźnik różnoziarnistości U = d 60 d 10 Rodzaj gruntu < >20 niesufozyjny przejściowy sufozyjny Tab.18. Granice sufozyjności gruntów w funkcji wskaźnika różnoziarnistości U f przy stosowaniu uproszczonej metody projektowania filtrów odwrotnych Wskaźnik różnoziarnistości U f Rodzaj gruntu niesufozyjny sufozyjny 67

68 W tym ostatnim przypadku warstwy ochronne spełniają dodatkowe zadania warstw przejściowych, o pośrednich właściwościach mechanicznych, pomiędzy spoistym rdzeniem a gruboziarnistym nasypem. Zadaniem filtru odwrotnego jest nie dopuszczenie do przenikania części szkieletu gruntu chronionego do drenażu lub nasypu statycznego i nie utrudniać odpływu wody. Uziarnienie filtru powinno być tak dobrane, aby ziarna filtru nie przenikały do drenażu lub w przylegający narzut nawet kamienny oraz aby filtr nie był kolmatowany drobnymi cząstkami wyniesionymi z gruntu chronionego. Jeżeli więc z gruntu chronionego wynoszona będzie pewna dopuszczalna ilość drobnych cząstek, powinny być one również wypłukane z filtru. Infiltrująca woda gruntowa może też powodować kolmatację, tzw. proces wymywania i osadzania drobnych cząstek w porach gruntu. Rys.46. Schemat filtru odwrotnego Działanie filtrów odwrotnych polega na zmniejszeniu spadku hydraulicznego poprzez zwiększenie współczynnika filtracji kolejnych warstw gruntu. Jeśli woda przepływa kolejno przez np. trzy warstwy gruntu o coraz większym współczynniku filtracji, to przy założeniu ciągłości przepływu można zapisać zależność: v = k 1 i 1 = k 2 i 2 = k 3 i 3 gdzie : v - prędkość filtracji [m/s], k 1, k 2, k 3 współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s], i 1, i 2, i 3 - spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach. Z równania wynika, że jeśli k 1 < k 2 < k 3 to i 1 > i 2 > i 3 czyli jeśli na warstwie 1 gruntu drobnego zagrożonego działaniem filtracji zostanie ułożona warstwa 2 gruntu grubszego, to spadek hydrauliczny, a więc i ciśnienie spływowe w warstwie 2 będą mniejsze niż w warstwie 1. Aby uniknąć błędów wynikających z istnienia zeskoku hydraulicznego, tj. zjawiska bardzo groźnego, gdy krzywa depresji traci ciągłość z dynamicznym zwierciadłem wody, np. w studni, należy przeprowadzić dokładne badania terenowe. Polegają one na wykonaniu próbnego pompowania in situ. 68

69 17. Odwodnienie podłoża drogowego. W technicznie uzasadnionym wypadku konieczności odwodnienia podłoża nawierzchni, należy zastosować warstwę odsączającą wykonaną z materiałów mrozoodpornych o współczynniku filtracji k 8 m/dobę ( 0,0093 cm/s). Warstwa odsączająca powinna być wykonana na całej szerokości korpusu drogowego, a jej grubość nie powinna być mniejsza niż 15 cm. W przypadku występowania pod warstwą odsączającą gruntów nie ulepszonych spoiwem, powinien być spełniony warunek szczelności warstw określony z zależności: D 15 Warstwa z kruszywa d 85 Warstwa odcinająca z piasku Tu sprawdzamy warunek szczelności Podłoże gruntowe D 15 d 85 Rys. 32. Schemat warstwy odcinającej z piasku. D 15 d 85 5 (wg Wiłuna) w której: D 15 - wymiar sita, przez które przechodzi 15% ziaren warstwy odcinającej lub odsączającej, d 85 wymiar sita, przez które przechodzi 85% ziaren gruntu podłoża. Jeżeli powyższy warunek szczelności warstw nie może być spełniony, to należy ułożyć między tymi warstwami warstwę odcinającą o grubości co najmniej 10 cm z odpowiednio uziarnionego gruntu lub wykonać warstwę pośrednią z geowłókniny, spełniającej kryteria : retencji, kolmatacji, wodoprzepuszczalności W nawierzchniach dróg kategorii ruchu KR5 lub KR6 warstwa odsączająca powinna występować pod warstwą wzmacniającą. 69

70 Dobierając zatem grunt na filtr odwrotny ochraniający grunty spoiste należy sprawdzić: - wskaźnik różnoziarnistości gruntu, - niesufozyjność gruntu, - warunek odporności gruntu spoistego na działanie filtracji, - warunek kolmatowania filtru. Różnoziarnistość gruntu na filtry odwrotne ochraniające grunty spoiste może być znacznie większa niż dla ochrony gruntów sypkich. Dopuszcza się grunty o wskaźniku różnoziarnistości 50, a w szczególnych przypadkach, gdy warstwy filtrowe mają grubość kilku metrów, można wartość tę powiększyć do 100, pod warunkiem jednak, że przy różnoziarnistości większej od 50 materiał filtru nie powinien zawierać ziaren o średnicy większej od 80 mm, a zawartość frakcji piaszczystej powinna wynosić co najmniej 20%. 18. Zbiorniki retencyjne retencyjno-rozsączające, infiltracyjne i ppoż. przy obiektach drogowych i kubaturowych. Rozwój infrastruktury drogowej związany jest nierozerwalnie ze zwiększaniem powierzchni zurbanizowanych silnie przekształconych. Budowa i późniejsza eksploatacja dróg implikuje zmiany stosunków wodnych i oddziałuje na środowisko. Zjawisko zwiększonych spływów powierzchniowych pojawia się szczególnie po intensywnych deszczach na powierzchniach utwardzonych bez retencji. Uaktywnia się w ten sposób spływ powierzchniowy i zwiększone przepływy w rowach drogowych i różnego rodzaju ciekach wodnych. Zagospodarowanie tych wód i odpowiednia gospodarka nimi powinna zabezpieczać nie tylko środowisko ale i same obiekty. Wykorzystując naturalne warunki przestrzenne i hydrogeologiczne, każdy projektant powinien optymalizować rozwiązania techniczne w zgodzie z przepisami prawa zachowując za każdym razem zdrowy rozsądek. Odprowadzanie wód ze zlewni drogowej odbywa się z wykorzystaniem: rowów drogowych, zbiorników infiltracyjnych, zbiorników retencyjnych stawów i zbiorników odparowujących wykorzystujących ewapotranspirację roślin. Podczas projektowania urządzeń technicznych ograniczających ilości zanieczyszczeń odprowadzanych do gruntu lub odbiorników otwartych, należy mieć na uwadze ich okresową konserwację i przestrzeganie ustalonych procedur. Każde z zastosowanych rozwiązań podczyszczających wody spływające z obiektów drogowych wymaga kontroli, czyszczenia, wymiany, konserwacji oraz unieszkodliwiania usuwanych z nich odpadów. Rozwiązaniami najprostrzymi, nie wymagającymi złożonych procedur serwisowych są urządzenia wykorzystujące naturalne warunki terenu oraz biologiczne procesy samooczyszczania. Chodzi tu głównie o sedymentację, sorpcję, utlenianie, fermentację i rozkład mikrobiologiczny. 70

71 Jednym ze sposobów ograniczenia oddziaływania wód spływających z dróg na stan czystości odbiorników jest zastosowanie przegród filtracyjnych w rowach drogowych, tzw. gródz z trzonem wykonanym z geowłókniny (Fot.2). Konstrukcja grodzy stosowana w rowach jest mechanicznym podczyszczeniem wód poprzez spowolnienie ich spływu. Fot.2. Rów drogowy z grodzami. Grodze spełniają w całym procesie trzy funkcje: sedymentacyjną poprzez redukcję zawiesiny ogólnej, retencyjną poprzez piętrzenie wody na progu, infiltracyjną - poprzez spowolnienie spływu wód przed grodzami, zwiększa się infiltracja do gruntu. Generalnie, należy stwierdzić, że powtarzalnym elementem w charakterystyce ścieków spływających z obiektów drogowych jest przewaga zanieczyszczeń związanych z zawiesiną ogólną. Z badań prowadzonych na odcinkach dróg krajowych i autostradach wynika, że w większości spełniają one kryteria dla ścieków odprowadzanych do wód powierzchniowych, łącznie z poziomami stężeń cynku i ołowiu. Powierzchnie i rowy trawiaste są najpopularniejszymi urządzeniami infiltracyjnymi przy założeniu, że podłoże charakteryzuje się dużym współczynnikiem filtracji. Umieszczenie pod rowami drenów objętościowych, zwiększa pojemność retencyjną rowu (Rys.48). 71

72 Rys. 47. Konstrukcja uszczelnienia rowu drogowego Rys.48. Rów drogowy ze zwiększoną retencją-drenaż objętościowy Na przejściach systemu szczelnego z wbudowaną warstwą geomembrany w system infiltracyjny należy stosować urządzenia podczyszczające brzegowe w postaci piaskowników lub osadników. Wszelkie zbiorniki infiltracyjne, o kształcie wydłużonym (Rys.49) mają za zadanie retencjonowanie spływu wód powierzchniowych z powierzchni utwardzonych z jednoczesną infiltracją do gruntu. Rys.49. Schemat zbiornika retencyjnego Dno zbiornika stanowią warstwy żwiru i piasku z ułożeniem frakcji drobnych od góry z grubymi na dole. Opcjonalnie pomiędzy gruntem rodzimym a warstwami filtracyjnymi układa się geowłókniny. Dla zwiększenia sprawności podczyszczania wód napływających obsadza się tego typu zbiorniki roślinnością wodną. W tej technologii ważnym jest, aby nie dopuścić do nadmiernej eutrofizacji. Warstwy filtracyjne w dnie okresowo należy wymieniać nawet jeśli istnieją odstojniki wyłapujące zawiesiny. Zbiorniki retencyjne i retencyjno-infiltracyjne mają za zadanie gromadzić spływ wód opadowych i stopniowe ich rozprowadzenie. Przy zachowaniu tylko funkcji retencji zbiorniki należy konstruować łącznie z urządzeniami oczyszczającymi w postaci zbiorników pośrednich. 72

73 Rys.50. Staw osadowy z przelewem Rys.51. Zbiornik retencyjno-infiltracyjny Ważnym parametrem jest tutaj pojemność użyteczna dla opadów o prawdopodobieństwie wystąpienia p = 20 %. Odpływ odbywa się poprzez urządzenia dławiące i/lub studnie przelewowe. W przypadku zalegania w podłożu gruntów mniej przepuszczalnych stosuje się częściową wymianę gruntów z układem systemu drenującego. Nadmiar napełnienia odprowadzany jest poprzez odpływ do cieków otwartych lub kanalizacji. Konstrukcje hydrofitowe (Rys. 52) ze złożem piaskowo-żwirowym porośniętym roślinnością wodną projektuje się z uszczelnieniem syntetycznym. Stosowane są zarówno geomembrany jak i bentomaty. Rys.52. Zbiornik z filtrem hydrofitowym UWAGA : W dużej ilości projektów znajdują się rozwiązania oparte na zbiornikach szczelnych bezodpływowych ze wskazaniem funkcji odparowania. Uwzględniając jednak nasz klimat i związane z nim niskie parowanie, tego typu zbiorniki nie spełniają swoich zadań. Przy średnim opadzie rocznym O = 650 mm, parowanie z powierzchni lustra wody wynosi E = ok mm w skali roku!!! 73

74 Rys.53. Zbiornik retencyjno-odparowujący Brak innych systemów utrzymujących poziom wody może doprowadzić do niekontrolowanych przelewów, a co za tym idzie, lokalnych podtopień lub uplastycznienia gruntów w podłożu. Fot.3. Przepełnione zbiorniki bezodpływowe Przy tworzeniu szczelnej powierzchni zbiornika z geomembrany należy pamiętać również o zjawisku wyporu. Jeżeli poziom zwierciadła wody gruntowej znacznie przewyższa poziom dna zbiornika retencyjnego wystąpi wypór. 74

75 Rys.54. Wykresy sił parcia W niektórych znanych autorowi przypadkach, wykonawcy uszczelnień musieli ratować się przed niepożądanymi efektami wyporu, przedziurawieniem dna zbiorników wcześniej uszczelnionych geomembraną. Po ustaniu pracy igłofiltrów wokół takiego zbiornika zaczyna podnosić się poziom zdepresjonowanego zwierciadła wody gruntowej i geomembrana w dnie zaczyna falować. Bardzo często przedziurawienie dna ratuje sytuację i projektanta i wykonawcy robót uszczelnieniowych, gdyż wypór przy różnicy poziomów wody gruntowej i dna zbiornika wynoszącej ok. 5 m, to 50 kpa skierowane do góry. Praktycznie nie ma mowy o zrównoważeniu tej siły obsypką lub płytami drogowymi! W takich przypadkach poziom wody w zbiornikach jest odzwierciedleniem poziomu wody gruntowej, a zbiorniki pełnią rolę trudną do ustalenia (Fot. 4). Fot.4. Zbiornik z rozszczelnieniem 75

76 Zbiorniki przeciwpożarowe buduje się szczególnie w lasach. Przy dobrze rozmieszczonych wieżach obserwacyjnych i zbiornikach ppoż. wzrasta bezpieczeństwo i szybkość reagowania na ewentualny pożar. Fot. 5. Zbiorniki leśne ppożarowe Do uszczelnienia zbiorników ppoż. używa się obecnie geomembran. W trakcie przeprowadzonych ostatnio kontroli zbiorników leśnych uszczelnionych bentomatami, ujawniono przerastanie korzeni trzciny i innych roślin wodnych przez powierzchnię tego materiału. Pękanie i rozchodzenie się arkuszy bentomat przy krawędziach górnych skarp ograniczyło dalsze możliwości ich stosowania. Zarówno zbiorniki retencyjne jak i ppoż. muszą posiadać ogrodzenie i możliwość podjazdu dla sprzętu budowlanego. Zakończenie. Bezpieczeństwo konstrukcji budowlanej zależy od bardzo wielu czynników, na które mają wpływ działania ludzkie, oddziaływanie wody (gruntowej, opadowej, płynącej itd.) jak i nieprzewidywalne zdarzenia losowe. Bezpieczna konstrukcja to bezpieczeństwo ludzi i mienia, dlatego trzeba i warto podejmować wszelkie możliwe działania edukacyjne i legislacyjne, których celem nadrzędnym będzie zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom obiektów budowlanych i eliminacji awarii i katastrof. Szczególnie należy podkreślić, że doskonałe rozpoznanie podłoża gruntowego, doświadczenie i umiejętność obliczania i przewidywania zjawisk filtracyjnych przez projektanta jak i realizacja obiektów przez doświadczonych wykonawców daje pożądane efekty. Pamiętajmy, że woda gruntowa lub swobodnie płynąca jest żywiołem nie znoszącym jakichkolwiek błędów ludzkich. Na pewno nie przymknie oka na niedoróbki tak jak jest to możliwe w przypadku sprawdzającego dokumentację lub inspektora na budowie. 76