Wykonywanie i zabezpieczanie wykopów pod budynki i instalacje podziemne. Wybrane przykłady obliczeniowe.

Transkrypt

1 Wykonywanie i zabezpieczanie wykopów pod budynki i instalacje podziemne. Wybrane przykłady obliczeniowe. Część II (Materiały szkoleniowe) Opracował: Piotr Jermołowicz p.jermolowicz@wp.pl tel.: Warszawa, 2 listopada 2015 r.

2 Najtrudniejsze zadanie staje się łatwe, gdy jest pod ręką przykład liczbowy ( wg E. Czyża)

3 1. Wstęp. Wykop jest to postać odpowiednio ukształtowanej przestrzeni powstałej w wyniku usunięcia z niej gruntu. Głębokie wykopy to nierozłączny element zarówno budownictwa komunikacyjnego, ogólnokubaturowego, hydrotechnicznego i podziemnego. Tematyka związana z wykorzystaniem głębokich wykopów z racji uwarunkowań jest dziedziną interdyscyplinarną. Łączy w sobie interpretację parametrów fizyko-mechanicznych gruntów zalegających w podłożu, wymiarowanie obiektów, statykę budowli, stateczność ustrojów podpierających jak i stateczność graniczną formowanych skarp. Od projektanta i wykonawcy robót ziemnych i fundamentowych wymagane jest doświadczenie, znajomość parametrów wybranego typu obudowy oraz zakres jego przydatności w określonych specyficznych warunkach terenowych. Jeżeli do tego dodamy jeszcze problem odwodnienia wykopów, zabezpieczenia dna i skarp oraz wpływu na obiekty sąsiadujące lub istniejące uzbrojenie podziemne otrzymujemy układ, w którym wszystkie strony procesu inwestycyjnego powinny być świadome potencjalnych zagrożeń. Katastrofą budowlaną jest niezamierzone, gwałtowne zniszczenie obiektu budowlanego lub jego części, a także konstrukcyjnych elementów rusztowań, elementów urządzeń formujących, ścianek szczelnych i obudowy wykopów art ustawy Prawo budowlane. 2. Przepisy, normy i wytyczne w zakresie wykonywania i zabezpieczania wykopów. Projektowanie i wykonawstwo głębokich wykopów wymagają dogłębnej wiedzy nt. prawa: przepisów, norm związanych, wytycznych lub odpowiednich instrukcji i zaleceń. Pod względem prawnym proces budowy i projektowania reguluje Ustawa z dnia 7 lipca 1994 Prawo budowlane (Dz,U. z 2006 r. nr 156, poz. 1118), zmieniona Ustawą z dnia 27 sierpnia 2009 r. o zmianie ustawy Prawo bydowlane oraz Ustawy o gospodarce nieruchomościami (Dz.U. z 2009 r.,nr 161, poz. 1279). Kolejny dokument, którego znajomość jest niezbędna to Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z r. W myśl zawartych tam definicji wszystkie obiekty budowlane są zaliczane do pierwszej, drugiej lub trzeciej kategorii geotechnicznej, w zależności od warunków gruntowych i złożoności konstrukcji. Zwykle dla potrzeb projektowania i wykonawstwa głębokiego wykopu jest niezbędne opracowanie dokumentacji geologiczno-inżynierskiej zgodnie z wymogami Ustawy z dnia r. Prawo geologiczne i górnicze. Nalezy zwrócić uwagę, że wykonanie takiej dokumentacji, oprócz wiedzy fachowej, wymaga również przestrzegania terminów narzuconych przez ustawodawcę. Projekt prac geologicznych (np. rozmieszczenie i liczba otworów wiertniczych), opracowany zgodnie ze szczegółowymi wymaganiami zawartymi w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2011 r. w sprawie dokumentacji hydrogeologicznej i dokumentacji geologiczno-inżynierskiej.

4 Przed rozpoczęciem robót budowlanych należy na podstawie dokumentacji geotechnicznej ocenić położenie wód gruntowych w stosunku do projektowanego dna wykopu i podjąć decyzję o sposobie realizacji prac, w tym konieczności odwadniania gruntów. Jeżeli zasięg leja depresji będzie wykraczać poza granice działki, na której będzie prowadzony wykop, wówczas należy uzyskać pozwolenie wodnoprawne zgodnie z wymaganiami Ustawy Prawo wodne (D.U. z 2012 r. poz.145). Według wytycznych ITB 427/2007,, Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych część A Roboty ziemne i konstrukcyjne wszystkie rodzaje wykopów powinny być wykonane na podstawie dokumentacji projektowej. W dokumentacji tej do właściwego zaprojektowania i bezpiecznego wykonania wykopu, oprócz informacji o warunkach gruntowo-wodnych są potrzebne dane dotyczące infrastruktury podziemnej oraz obiektów (budynków, dróg) sąsiadujących z wykopem. Niezbędne jest także uzyskanie informacji o możliwości występowania w miejscu wykopu zabytków archeologicznych lub gruntów skażonych. W projekcie należy wówczas przestrzegać przepisów ochrony środowiska. Zakres projektu budowlanego powinien być zgodny z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego z 3 lipca 2003 r. (Dz.U. z 2003 r., nr 120, poz. 1133), zmienionym Rozporządzeniem z 6 listopada 2008 r. (Dz.U. z 2008 r., nr 201, poz. 1239). Do tego dochodzi jeszcze znajomość przepisów dotyczących poszczególnych branż, tj: Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie i Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Natomiast całość spraw dotyczących bhp w zakresie omawianym obejmuje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 lutego 2003 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy podczas wykonywania robot budowlanych (DzU z 2003 r., nr 47, poz. 401). 3. Problematyka głębokich wykopów. Głębokie wykopy są pojęciem względnym zależnym od ustalenia głębokości granicznej. W literaturze zagranicznej za głębokie wykopy uznaje się wykopy o pionowych ścianach i dnie posadowionym min. 6,0 m ppt. Natomiast w Polsce wystarczy już 3,0 m ppt. Zgodnie z definicją normy PN-S-02205:1998 wykop to przestrzeń odpowiednio ukształtowana w wyniku usunięcia z niej gruntu. Ze względu na wymiary i czas trwania robót rozróżnia się : wykop szerokoprzestrzenny wykop, którego głębokość jest mniejsza od szerokości dna lub wykop o szerokości dna większej od 1,5 m; wykop wąskoprzestrzenny wykop, którego głębokość jest większa od szerokości dna lub wykop o szerokości dna mniejszej od 1,5 m; wykop płytki wykop o głębokości mniejszej niż 1 m; wykop głęboki wykop o ścianach pionowych, zabezpieczonych obudową o głębokości większej od 3 m;

5 wykop tymczasowy wykop o przewidywanym okresie użytkowania nie dłuższym niż 1 rok; wykop trwały wykop o przewidywanym okresie użytkowania dłuższym niż 1 rok. W zależności od głębokości wykop wykonuje się ze skarpami lub w obudowie, która jest konstrukcją zabezpieczającą ściany przed utratą stateczności. Budowa obiektów w terenie zabudowanym stwarza ograniczenia techniczne, z którymi musi się liczyć projektant oraz wykonawca. Trudności te potęgują się, gdy zachodzi potrzeba wykonania paru kondygnacji podziemnych, a co za tym idzie posadowienia głębokiego. Jedynym plusem takiego rozwiązania jest zazwyczaj znaczna wartość dopuszczalnego obciążenia podłoża gruntowego. Po stronie minusów lista jest znacznie dłuższa [19]: 1. konieczność wykonania skomplikowanego, a przede wszystkim odpowiedzialnego zabezpieczenia głębokiego wykopu, 2. konstrukcja zabezpieczająca wykop musi być na tyle sztywna, aby nie doszło do oderwania się klina odłamu gruntu, nierzadko powinna być rozpierana lub kotwiona, 3. zakres rozpoznania podłoża oraz opracowań wykracza znacząco poza dokumentację dla inwestycji nie wymagających wykonania głębokich wykopów, obejmując dodatkowo określenie zasięgu stref oddziaływania wykopu, prognozę osiadań oraz ocenę ich wpływu na istniejącą zabudowę, 4. budowle takie zaliczają się do III kategorii geotechnicznej, co wiąże się z potrzebą bardziej szczegółowego rozpoznania podłoża gruntowego wykonanego w formie dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz hydrogeologicznej, 5. w większości przypadków zachodzi potrzeba obniżenia zwierciadła wody gruntowej, co dodatkowo wiąże się zarówno z obowiązkiem zrzutu odpompowywanej wody, jak i prognozą wpływu depresyjnego obniżenia zwierciadła wody gruntowej na dodatkowe osiadania istniejącej zabudowy, 6. ze względu na technologię głębienia wykopu utrudniona jest nie tylko praca maszyn budowlanych, np. koparek, ale i wywóz gruntu z wykopu oraz dowóz materiałów i prefabrykowanych elementów konstrukcji, 7. jeżeli sąsiadująca zabudowa znajduje się bardzo blisko projektowanej budowli, a ponadto z uwagi na swój wiek, jest zużyta fizycznie i posiada liczne uszkodzenia, wówczas zachodzi obowiązek jej zabezpieczenia, które obejmować może zarówno wzmocnienia z wykorzystaniem ściągów (tzw. ankrowania) i/lub wzmocnienia podłoża gruntowego, 8. niezbędny jest rozbudowany monitoring obejmujący obiekty zlokalizowane w sąsiedztwie budowy, warunki gruntowo-wodne oraz konstrukcję zabezpieczającą wykop budowlany Metody wykonywania wykopów. Metody wykonywania wykopów powinny być dobrane do zakresu robót, rodzaju, rozmiarów i głębokości wykopów, ukształtowania terenu, rodzaju gruntu oraz posiadanego sprzętu mechanicznego.

6 Ręczne odspajanie urobku należy stosować w przypadkach: odspajania gruntów w sąsiedztwie przewodów instalacji podziemnej, jak również przy wykopach poszukiwawczych, w strefie dna wykopu, jeżeli użycie sprzętu mogłoby pogorszyć warunki gruntowe, jeśli użycie sprzętu uniemożliwia uzyskanie wymaganej dokładności wykonania, w szczególnych przypadkach, uzasadnionych względami ekonomicznymi. Jednocześnie z wykopem należy zaplanować i realizować odwodnienie. Ma to specjalne znaczenie przy gruntach spoistych lub skałach podatnych na nawodnienie i dezintegrację. Spływ powierzchniowy powinien być skierowany do rowów i rząpi z odpowiednimi spadkami poprzecznymi i podłużnymi. W koronie wykopu należy wykonać rowy przejmujące wody powierzchniowe. Na rozległych skarpach należy projektować półki i wzdłuż nich zabezpieczone przed rozmywaniem rowy odwadniające. Powierzchnie skarp w gruntach podatnych na rozmywanie należy zabezpieczać Kształtowanie skarp wykopów otwartych [6] Skarpy wykopów otwartych muszą być stateczne przez cały przewidywany okres użytkowania wykopu. Stateczność skarpy należy zapewniać przede wszystkim poprzez wykonanie jej z odpowiednim, bezpiecznym pochyleniem. W przypadkach szczególnego zagrożenia stateczności skarp bezpieczne pochylenie skarp powinno być określone w dokumentacji projektowej. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie BHP do przypadków tych zalicza wykonanie wykopów: w gruncie nawodnionym, w iłach pęczniejących, na terenach osuwiskowych, na terenach o deniwelacji przekraczającej 4 m, gdy teren przy skarpie wykopu może być obciążony w pasie o szerokości równej głębokości wykopu. Przy ustalaniu bezpiecznego pochylenia skarp należy mieć na uwadze: rodzaj gruntów, w których wykonywana będzie skarpa, wielkość przewidywanych obciążeń w sąsiedztwie skarpy, przewidywany czas użytkowania wykopu, skutki ewentualnej utraty stateczności skarpy. W wykopach tymczasowych skarpy pionowe można wykonywać w przypadkach, jeżeli głębokość wykopu nie przekracza: 1,0 m - w nienawodnionych piaskach, rumoszach, zwietrzelinach i spękanych skałach, 1,25 m - w gruntach spoistych, 4,0 m - w skałach litych odspajanych mechanicznie.

7 W gruntach zwięzłospoistych i bardzo spoistych głębokości wykopu można zwiększyć do 1,5 m. W pozostałych przypadkach należy wykonywać skarpy o bezpiecznym pochyleniu. Jeżeli projekt nie stanowi inaczej, w przypadku wykopów tymczasowych dopuszcza się następujące bezpieczne pochylenia skarp: 1 : 0,5 (63 o ) - w gruntach od średnio spoistych do bardzo spoistych (iłach, glinach), w stanie co najmniej twardoplastycznym, 1:1 (45 o ) - w skałach spękanych i rumoszach zwietrzelinowych, 1 : 1,25 (38 o ) - w gruntach mało spoistych (piaskach gliniastych, pyłach, lessach, glinach zwałowych) oraz w rumoszach zwietrzelinowych gliniastych, 1 : 1,5 (34 o ) - w gruntach niespoistych oraz w gruntach spoistych w stanie plastycznym. Dla podanych wyżej pochyleń skarp muszą być spełnione dodatkowe warunki: w pasie przylegającym do górnej krawędzi skarpy, o szerokości równej trzykrotnej głębokości wykopu, powierzchnia terenu powinna mieć spadki umożliwiające łatwy odpływ wody opadowej od krawędzi wykopu, podnóże skarpy wykopów w gruntach spoistych powinno być zabezpieczone przed rozmoczeniem wodami opadowymi przez wykonanie w dnie wykopu, przy skarpie, spadku w kierunku środka wykopu, naruszenie stanu naturalnego gruntu na powierzchni skarpy, np. rozmycie przez wody opadowe, powinno być usuwane z zachowaniem bezpiecznych nachyleń w każdym punkcie skarpy, stan skarp należy okresowo sprawdzać w zależności od występowania czynników działających destrukcyjnie (opadów, mrozu itp.). W przypadku wykopów trwałych bezpieczne pochylenie skarp powinno być określone w projekcie. Nachylenie skarp wykopów stałych nie powinno być mniejsze niż: 1:1,5 (34 o ) - przy głębokości wykopu do 2 m, 1:1,7 (30 o ) - przy głębokości wykopu od 2 m do 4 m, 1:2 (26 o ) - przy głębokości wykopu od 4 m do 6 m. Większe nachylenie skarp należy potwierdzić obliczeniami stateczności. Stateczność skarp i dna wykopu głębszego niż 6 m zawsze powinna być sprawdzona obliczeniowo (F s min. 1,5). Bezpieczne pochylenie skarp wykopów trwałych w gruntach spoistych można kształtować również według tablicy 1. Sprawdzenie obliczeniowe stateczności skarpy powinno obejmować: analizę możliwości poślizgu po powierzchni kołowo-walcowej lub powierzchni dowolnej, najbardziej prawdopodobnej, nośność podłoża poniżej dolnej krawędzi skarpy, sprawdzenie bezpieczeństwa przebicia hydraulicznego i erozji wewnętrznej spowodowane nadmiernym spadkiem hydraulicznym (w skarpie, dnie wykopu lub nasypie).

8 Tab. 1. Kąty nachylenia zboczy wykopów różnych wysokości w gruntach spoistych oraz wskaźnikowe parametry do obliczeń stateczności wykopów [6]: 4. Stateczność nasypów, skarp i zboczy metody obliczeń. Samoczynne ruchy mas gruntu na zboczach i skarpach zwane osuwiskami uważa się za jeden z istotnych procesów w inżynierii geotechnicznej. Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych, następuje w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż dowolnej powierzchni poślizgu. Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie : sił grawitacyjnych pochodzących od ciężaru gruntu i ewentualnej zabudowy, sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt, podniesieniem się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernym zawilgoceniem zbocza. Przyczyny powstawania osuwisk : układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza, rozmycie lub podkopanie zbocza, niekontrolowane dociążenie naziomu, nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych, wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu, napór wody od dołu na górne warstwy gruntu z reguły mało przepuszczalne powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie,

9 nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych co powoduje pęcznienie gruntu a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie, zniszczenie struktury gruntu poprzez rozluźnienie, istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu np. w iłach, drgania wywołane np. ruchem drogowym, sufozja tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez infiltrującą wodę powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów, przebicie hydrauliczne z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy, cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji wody gruntowej co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie, wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu, niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu. Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wyżej wymienionych przyczyn. Na zboczach i skarpach mogą występować następujące rodzaje przemieszczeń mas gruntowych : spełzywanie, spływy, obrywanie, zsuwy i osuwiska Przy ustalaniu stateczności skarpy posługujemy się współczynnikiem stanu równowagi F s. siły utrzymujące F " = siły powodujące osunięcie Rys.1. Stateczność skarpy w gruncie niespoistym bez obciążenia naziomu. W warunkach równowagi granicznej przy β max. możemy zapisać: S = T tgβ max = tgø czyli maksymalny kąt nachylenia skarpy w gruncie niespoistym równy jest kątowi tarcia wewnętrznego gruntu budującego skarpę.

10 W przypadku gruntów spoistych określenie bezpiecznego nachylenia skarp jest trudniejsze. Przykład według (Z. Wiłun): Wysokość pionowego odcinka: Z nomogramu (Rys.2) dla z i Φ F otrzymuje się x = 15,2 m

11 Rys.2. Nomogram wg Sokołowskiego.[22] W zależności od wartości współczynnika F wystąpienie osuwiska można uznać za : bardzo mało prawdopodobne - F > 1,5, mało prawdopodobne - 1,3 F 1,5, prawdopodobne - 1,0 F 1,3, bardzo prawdopodobne - F < 1,0. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że obliczenia wartości współczynnika F są obarczone licznymi błędami począwszy od złego rozpoznania gruntów podłoża, ich właściwości fizyko mechanicznych, zastosowanych współczynników redukcyjnych i materiałowych i przyjętej metody obliczeń kończąc. Wartości współczynników stateczności zboczy i skarp powinny być większe od 1,5. Dla takiej wartości F określa się na etapie projektowania zasięg potencjalnej powierzchni poślizgu na koronie drogi. W zależności od posiadanego oprogramowania i od rodzaju uwzględnianych sił oraz sprawdzanych warunków równowagi stosuje się następujące metody : Feleniusa nie uwzględnia sił między paskami. Wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów, przyjmuje powierzchnię poślizgu kołowo cylindryczną, Bishopa uwzględnia pionowe i poziome oddziaływanie sąsiednich pasków. Również wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów, powierzchnia poślizgu kołowo cylindryczna,

12 Nonveillera - uwzględnia oddziaływania międzypaskowe. Korzysta z warunków równowagi momentów, umożliwia obliczenia przy dowolnej powierzchni poślizgu, Janbu uwzględnia oddziaływania międzypaskowe. Warunek równowagi opiera się na sumie rzutów sił na oś poziomą, umożliwia obliczenia dla dowolnego kształtu powierzchni poślizgu, Morgensterna-Price a w równowadze pojedynczych pasków uwzględnia siły poziome i pionowe. Korzysta z warunków na sumę momentów i sil poziomych, umożliwia obliczenie dla dowolnej powierzchni poślizgu. Barera-Garbera, Spencera korzysta z trzech warunków równowagi. Jest więc pierwszą do końca poprawną pod względem statyki metodą analizy stateczności zboczy, umożliwia obliczenia dowolnej powierzchni poślizgu. Pomijając metodę Felleniusa stosowanie pozostałych metod powinno być co najmniej dublowane dla wyeliminowania nałożenia się różnych błędów i stwierdzenia zbieżności wyników obliczeń. W trakcie wykonywania wykopów o skarpach niepodpartych narażeni jesteśmy na niekorzystnie działające zjawiska geofiltracyjne. W przypadku gdy rozpoznanie podłoża jest przeprowadzone w stopniu niedostatecznym i pominięto zarówno pomiar zwierciadła wody gruntowej nawierconej i ustabilizowanej, w projektach pojawiają się rozwiązania z tzw. błędem systematycznym. W wyniku tego typu działań, późniejsze skarpy wykopów ulegają zsuwom, spływom i deformacjom kształtu. Szczególnie przy przecięciu warstwy wodonośnej. 5. 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.

13 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 zapory lub 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 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.

14 Piaski / 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 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 piaszczysto-gliniaste 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.

15 Rys. 3. spadek hydrauliczny i = 9 : = 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 4. Spływanie piaszczystej skarpy przy podciętym podłożu nieprzepuszczalnym.[ 21 ]

16 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.5. Spływanie warstw piasku i obsunięcie się warstwy gliniastej. [21 ] 6. 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. 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.6) oraz odprowadzenia wody (rys.7). 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. 6. obciążenie podnóża skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. [21 ]

17 Rys.7. Przykłady drenażu stopy skarpy. [21 ] 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.

18 Rys8. Drenaż na całej wysokości skarpy. [21 ] Rys.9. Przykład drenażu (ostrogi) widok od czoła [21 ] Rys.10. Dreny zabijane. [21 ] Rys.11. Ochrona skarpy przed wodami podwodnymi za pomocą studni pionowych. [21 ] 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

19 uziarnieniu lub przy rdzeniach zapór. W tym ostatnim przypadku warstwy ochronne spełniają dodatkowe zadania warstw przejściowych, o pośrednich mechanicznych właściwościach, między spoistym rdzeniem - 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.12. Zasada doboru gruntu na filtr odwrotny wg. Terzaghiego; pole zakreskowane - przedział dopuszczalnych składów granulometrycznych filtru. [21 ] Reasumując, dobór gruntu na warstwy ochronne polega na dostosowaniu uziarnienia filtrugruntu chroniącego do uziarnienia gruntu chronionego. Kryteria przydatności gruntu na filtry odwrotne: D EF d EF 4 D EF d IF 4 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 %.

20 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 [33]: zatrzymywania cząstek filtrowanego gruntu - grunty drobnoziarniste O d 50, - grunty trudne O 90 d grunty grubo-i różnoziarniste O 90 5 d 10 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 5 o, 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).

21 Rys.13. Krzywe uziarnienia z analizy sitowej. Rys. 14. 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. 6.1.Uwagi końcowe. Ocenę przydatności gruntu na filtr odwrotny rozpocząć należy od sprawdzenia tzw. sufozyjności gruntu filtru i gruntu chronionego. Praktycznie za niesufozyjny uważa się

22 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: D 3 D 17 > N gdzie: 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 1Rn 7. 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 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.

23 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. 15. Sposoby zabezpieczenia wykopów przed napływem wody gruntowej. A) studnie depresyjne, B) przesłona iniekcyjna, C) zagłębienie obudowy w podłoże nieprzepuszczalne [ 13 ] 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. 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

24 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 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).

25 8. Dno wykopów. Wykop w ostatniej fazie należy wykonywać tak, aby nie nastąpiło pogorszenie stanu gruntów występujących w dnie wykopu. W celu ochrony stanu gruntu w dnie wykopu zaleca się, aby wykopy tymczasowe były wykonywane bezpośrednio przed wykonaniem przewidzianych w nich robót i szybko zlikwidowane. W przypadku gdy natychmiastowe zabudowanie wykopu i jego zasypanie nie jest możliwe (np. z uwagi na zakres robót), zaleca się wykonywać wykopy do głębokości mniejszej od projektowanej co najmniej o 20 cm, jeżeli wykop jest wykonywany ręcznie, a przy wykopach wykonywanych mechanicznie o 30 cm do 60 cm w zależności od rodzaju gruntu. Pozostawiona warstwa powinna być usunięta bezpośrednio przed wykonaniem fundamentów lub ułożeniem urządzeń instalacyjnych. Mniejszy nadkład należy stosować w przypadku występowania w poziomie posadowienia gruntów niespoistych, większy przy spoistych. W wykopach szerokoprzestrzennych pozostawianie nadkładu można uznać za zbędne, jeżeli natychmiast po odsłonięciu projektowanego poziomu dna wykopu i odebraniu gruntów grunty zabezpieczy się warstwą chudziaka o grubości 10 cm. Podany wyżej sposób zabezpieczenia powinno się stosować szczególnie w przypadku występowania w poziomie dna wykopów gruntów szczególnie wrażliwych na nawodnienie: lessów o strukturze nietrwałej, mad, pyłów wrażliwych na korozję koloidalną (dyspersję). 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 S = T UV 9 UV T X ( Z [ R " \ ) lub uwzględniając opór gruntu na ścinanie b) F S = ^T UV 9 UV _`a ^T X ( Z [ R " \ ) gdzie: F w - 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, H 1 - wysokość ciśnienia wody wgłębnej w warunkach normalnych, mierzona od spodu

26 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, Ɣw - 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.2. Minimalne wartości współczynników pewności F w [5]. Przypadek obliczeniowy Do wzoru a) Do wzoru b) przy uwzględnieniu odporu gruntu na ścinanie bez uwzględnienia odporu gruntu na ścinanie Normalny eksploatacyjny 1,3 1,1 Nadzwyczajny 1,1 1,0 Tab. 3. Minimalne zagłębienie krzywej depresji poniżej dna wykopu [ 5 ] Jeśli skarpy w strefie wykopu fundamentowego mają wkładki wodonośne, należy przewidzieć zabezpieczenia filtrami odwrotnymi.

27 Przykład: Stateczność dna wykopu fundamentowego.

28 Przykład: 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

29 10. Odwodnienie wykopu fundamentowego. 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. 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.16. Rys.16. Rodzaje stosowanych systemów odwodnieni zależnie od gruntów zalegających w podłożu [5].

30 Rys.17. Wykres do ustalania orientacyjnego zakresu stosowania niektórych instalacji odwadniających w gruntach jednorodnych [8]. Wykres ten dotyczy odwodnienia powierzchniowego gruntów jednorodnych i wykopów średniej wielkości. W celu korzystania z wykresu należy: ustalić na osi odciętych punkt odpowiadający 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 17. 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 depresji, jaką można uzyskać za pomocą zestawów igłofiltrowych i igłostudziennych, ze

31 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.4. Podstawowe parametry pionowych instalacji depresyjnych [8] Sposób korzystania z rysunku 17 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 ekonomicznego. W przypadku użycia pomp, których dopuszczalna głębokość zasysania wody

32 wynosi H s = 9,5 m, rachunek powinien wykazać możliwość zaprojektowania instalacji jednopiętrowej do odwadniania wykopów. Przykład 2 Dane: k 10 = 10 a = 10-0,8 m/dobę, h= 0,0 m i S o = 8,8 m. Współrzędne a = - 0,8 i S o = 8,8 wskazują na możliwość zastosowania trzech pięter igłofiltrów zwykłych z pompami samozasysającymi lub igłostudzien z pompami głębinowymi. Ze względu na to, że 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 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 wzgłębne, 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. Jeżeli podłoże wodonośne składa się z kilku warstw o różnych współczynnikach filtracji, dla p których stosunek qrs < 10, należy do obliczeń przyjąć średni ważony współczynnik p qtu filtracji z obliczonych na podstawie danych jednego lub kilku otworów badawczych.

33 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.18. 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 [14] Średni współczynnik dla kilku otworów badawczych określa wzór : gdzie: I, II, III kolejne otwory.

34 Tab.5. Wzory na obliczanie wydatku studni depresyjnych przy swobodnym zwierciadle wody gruntowej [31]

35 Tab.6. Wzory na obliczanie wydatku innych studni depresyjnych L p. Rodzaj studni Schemat Wzory 1. studnia artezyjska Z h z = Q 2π ka ln x r 2π ka Q = (H h z ) ln R r 2. studnia częściowo artezyjska Z = a = Q πk ln x r E Q = π k(2ah a h z ln R r 3. studnia artezyjska zawężona K t s Q = 1,36 lg R r [1 + 5 πt t r s cos T 2a ] 4. studnia chłonna h z = Q π k ln x r Q = π k(h z H ) ln R r 5. zespołowe działanie studni π k (H Z` ) Q = lnr 1 n ln (x E x x ) n ilość studni R = 575 S k H

36 Tab.7. 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:

37 1. jeżeli kształt dołu fundamentowego jest nieregularny w rzucie poziomym: r z = F π 2. jeżeli dół fundamentowy jest prostokątny: L + B r z = η 4 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: lub: Q E 1,36k (H h ) lg R + r z lgr z 1,36k Ms Q lg R + r z lgr z 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.

38 Tab.8. Schematy i wzory do obliczania promieni depresji i promieni wielkiej studni.

39 Dopuszczalną prędkość wody do filtru lub obsypki drenarskiej określa się ze wzorów: - Sichardta V F = 40 k m/d - Kusakina - Truelsena V F = 65 k 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 R = k H t 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.

40 Jako zasadę należy przyjąć, że najpierw powinny być wykonywane obiekty wymagające największego obniżenia zwierciadła wody. Zasada ba 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 Przykłady obliczeń niezbędnych do zaprojektowania odwodnienia wykopów. Wykopy w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Przykład 1: [35] Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Wyznaczenie dopływu do wykopu fundamentowego oraz potrzebnej ze względu na stateczność podłoża głębokości wbicia dwóch równoległych ogradzających ścian szczelnych. Dane: h = 5 m, b = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, ρ = 10,5 t/m 3, k = 2, m/s, wymagany współczynnik pewności ze względu na wyparcie gruntu F 2, dł. wykopu L = 120 m. Metodą prób ustalono długość ścianki poniżej dna wykopu S 2 = 6,5 m, stąd S 1 = S 2 + T 1 - T 2 = 9,5 m.

41 Ponieważ 0,475 > 0,382, obliczenie wykonujemy dla š œ = 0,382 Z wykresu (Rys.19) odczytujemy: Obliczamy współczynnik kształtu zależny od geometrii za pomocą wzoru: i φ za pomocą wzoru: Współczynnik pewności F ze względu na wyparcie gruntu będzie równy: Dopływ wody do wykopu obliczamy za pomocą wzoru: Q = q2l = khf2l

42 .Rys.19. Wykresy do obliczeń wykopów otoczonych wodą wykonywanych między dwiema równoległymi ścianami szczelnymi Przykład 2 [35]: Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Wyznaczenie dopływu do wykopu o rzucie kołowym oraz potrzebnej głębokości wbicia ścian szczelnych. Dane: Oprócz S 1, S 2, L, jak w przykładzie 1: h = 5 m, r = b = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3, k = 2, m/s, Metodą prób ustalono S 2 = 8,5 m, S 1 = S 2 + T 1 - T 2 = 8, = 11,5 m.

43 A zatem: Obliczamy za pomocą wzoru: Za pomocą wzoru obliczamy: F = ρÿ S ρ S 1,3 hφ oraz Q = 0,8 khf2πr Przykład 3: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu kwadratowego oraz potrzebnej głębokości wbicia ścian szczelnych. Dane: oprócz S 1, S 2, L, jak w przykładzie poprzednim: h = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3 k = 2, m/s, F 2, bok kwadratu 2b = 2r = 2 5 = 10 m

44 Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Metodą prób ustalono w środku boku kwadratu S 2bok = 8,5 m, a stąd: Z wykresu (Rrys.19) odczytujemy: a stąd obliczamy: Ze wzoru otrzymujemy : Natężenie dopływu obliczamy ze wzoru: Natężenie dopływu obliczono z zapasem bezpieczeństwa bez uwzględnienia przyjętej dalej zwiększonej długości brusów ścian w narożu. W narożu kwadratu przyjęto S 2nar = 11m.

45 Stąd: Z wykresu (Rys.19.) otrzymujemy Ze wzoru otrzymujemy: Gdyby na całym obwodzie wbito ściany tak głęboko, jak w narożu, tzn. na 11 m pod dnem wykopu, wówczas ze wzoru : gdzie: (Rys.19) obliczymy: ze wzoru Obliczony w ten sposób dopływ jest około 18 % mniejszy niż dopływ obliczony przy założeniu głębokości ścian jak w środku boków kwadratu.

46 Przykład 4: [35] Wyznaczenie długości wbicia ścian oraz dopływu do wykopu prostokątnego długiego o stosunku : 10 wykonanego w ścianach szczelnych odgradzających ot otaczającego go akwenu. Dane (jak z przykładu 1) : h = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, L = 120 m, b = 5 m, k = 2, m/s, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3, F 2 Ponieważ długość ściany długiej i dopływ do wykopu oblicza się jak w przykładzie 1 zatem: Głębokość wbicia ściany krótszej niż długość 2b w jej środku i narożu obliczyć trzeba jak dla kwadratu o boku 2b, będą więc one takie, jak wyznaczone w przykładzie 3 tzn.: - w środku krótkiej ściany S 2bok = 8,5 m, - w narożu S 2bok = 11 m Przykład 5: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu wielobocznego oraz głębokości wbicia ścian szczelnych odgradzających ot otaczającego go akwenu. Dane (jak z przykładu 1) : pole ogrodzonego dna wykopu A = 78 m 2, h = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, k = 2, m/s, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3, F 2 Wykop wieloboczny zamieniamy na wykop obliczeniowy kołowy o promieniu r za pomocą wzoru: Dla r = b = 5 m warunki w zadaniu nie różnią się niczym od warunków dla wykopu kołowego rozpatrywanego w przykładzie 2, takie samo zatem będzie rozwiązanie zadania tzn.:

47 Wykopy lądowe w ścianach szczelnych. Przykład 1: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu fundamentowego między dwiema równoległymi ścianami szczelnymi w warstwie z wodą pod ciśnieniem. Dane: b = 5 m, L = 120 m, h = 6 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3 k = 2, m/s, wymagany współczynnik pewności ze względu na wyparcie gruntu F = 2 Metodą prób ustalono długość ścianki poniżej dna wykopu S 2 = 6,5 m, stąd S 1 = S 2 + T 1 - T 2 = 9,5 m. Przyjęto S 2 = 10 m, stąd S 1 = S 2 + T 1 + T 2 = 13 m. Z wykresów (Rys. 20) odczytujemy: Rys. 20. Wykresy do wyznaczania wartości Φ I i Φ II dla wykopów między dwiema ścianami równoległymi w warstwie z wodą o napiętym zwierciadle.

48 Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych w warstwie z wodą o napiętym zwierciadle. Stąd za pomocą wzoru: gdzie: wyliczymy: za pomocą wzoru: za pomocą wzoru: gdzie:

49 I za pomocą wzoru: Obliczymy: Q = q2l = khf2l Q = 2, , = 0,12 m 3 /s Przykład 2: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu między dwiema równoległymi ścianami szczelnymi wykonanego w warstwie wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody. Dane: h = 5m, T 1 = T 2 + h = = 22 m h = 5 m, L = 120 m, b = 5 m, T 1 = 22 m, T 2 = 17 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3 k = 2, m/s, wymagany współczynnik pewności ze względu na wyparcie gruntu F 2. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych w warstwie wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody. Przyjęto S 2 = 8,5 m i S 1 = 13,5 m A zatem : Ponieważ 0,61 > 0,5, a więc z wykresu (rys.20) odczytujemy: za pomocą wzoru (Rys.19)

50 za pomocą wzoru : Dopływ do wykopu będzie zatem równy: Przykład 3: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu kołowego ogrodzonego ścianami szczelnymi w warstwie wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych w warstwie wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody Dane: h = 5 m, T 1 = 15 m, T 2 = 10 m, b= r =20 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3 k = 2, m/s, F 2. Obliczamy: Przyjęto S 2 = 2 m, a zatem S 1 = 2 + h = = 7 Stąd:

51 Rys. 21. Wartości φ dla S 1 /T 1 =0,1 i 0,8 dla kołowego wykopu fundamentowego Z wykresu (rys.21.) wyznaczamy: Za pomocą wzoru : interpolując φ = 0,185 obliczamy Ścianki nie skraca się, gdyż inaczej ze względu na jej stateczność trzeba by ją wydłużyć. Rys.22. Wartości 1/f dla S 1 /T 1 i 0,8 dla kołowego wykopu fundamentowego.

52 Metodą interpolacji wyznaczamy z wykresu (rys.22) Stąd za pomocą wzorów q=khf gdzie: i Q = khf2πr Przykład 4: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu kwadratowego ogrodzonego ścianami szczelnymi w warstwie wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych w warstwie wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody Dane : h = 5 m, T 1 = 15 m, T 2 = 10 m, b = 20 m w obliczeniach przyjmuje się r = b = 20 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3 k = 2, m/s, F 2.

53 Obliczamy R za pomocą wzoru: R = ,4 10 R = 232,4 m Głębokość ścianki w narożu S 2 przyjęto równą 3 m. A zatem: Rys. 23. Wartości φ dla S 1 /T 1 =0,1 i 0,8 dla naroży wykopu kwadratowego. Z wykresu (Rys. 23) dla = 0,09 i œ [ = 0,75 odkryto wartości φ dla š [ œ [ = 0,1 i š [ œ [ = 0,8, a następnie z interpolacji między wartościami otrzymano dla dla š [ œ [ = 0,53 wartość φ = 0,30. Za pomocą wzoru obliczamy : Głębokość wbicia ściany w środku boku kwadratu można zmniejszyć dwukrotnie dla œ [ = 0,3 lub nie zmniejszać wcale dla œ [ = 3. Z interpolacji między tymi wartościami wynika, że dla œ [ = 0,75 można zmniejszyć głębokość wbicia ściany 1,84 krotnie przyjęto półtorakrotnie.

54 Głębokość wbicia ściany w środku boku kwadratu będzie więc równa: Interpolując między odczytami dla š [ œ [ = 0,1 i š [ œ [ = 0,8 Wartości 1/f dla S 1 /T 1 = 0,1 i 0,8 dla naroży wykopu kwadratowego. dla > 6, otrzymujemy E = 3,9 Za pomocą wzoru obliczamy q = khf Przykład 5: [35] Obliczyć odwodnienie wykopu lądowego studniami niedogłębionymi założonymi w warstwie o swobodnym zwierciadle wody gruntowej. Dane: k = 10 m/d (warstwy wodonośnej), stropu warstwy słabo przepuszczalnej - wierceniami badawczymi nie osiągnięto, wymiary wykopu: L = 25 m, B = 20 m, r = 0,15 m. Rzędne: nie obniżone zwierciadło wody 69,50 m, dno wykopu 66,90m. Wymagane obniżenie zwierciadła wody gruntowej wynosi 0,5 m pod dnem wykopu.

55 Stąd: Obliczamy promień zasięgu depresji: R = 3000 S o k Obliczamy promień obliczeniowy wielkiej studni: wyznaczamy ƞ =1,18 Obliczamy: Ze względu na brak danych o głębokości spągu warstwy wodonośnej miąższość jej H o określa się jako miąższość warstwy czynnej. W celu jej określenia zakładamy przybliżone wartości depresji w studni S s i długość czynną filtru l f. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w warstwie o swobodnym zwierciadle wody studniami niedogłębionymi i dogłębionymi (linie przerywane) z filtrami nie zatopionymi: 1 - zwierciadło wody nie obniżone, 2- jak /, lecz obniżone, 3- spąg warstwy wodonośnej lub dolna granica strefy czynnej Na podstawie tych założonych danych obliczamy liczbę studni i S s oraz l f porównując otrzymane wyniki z założeniami. Zakładamy: S s = 5m l f = 3 m.

56 Obliczamy miąższość strefy czynnej H o korzystając z tabeli 9 Tabela 9 Obliczamy wydatek wielkiej studni przy wymaganej depresji: Określamy maksymalny dopuszczalny wydatek jednej studni: Minimalna liczba studni wynosi zatem: W celu określenia wartości współczynnika ξ obliczamy najpierw wartości l i M. Rzeczywistą długość filtru l obliczamy l = l + S " S z 2 Średnią wysokość obniżonego zwierciadła wody w wykopie nad poziomem zasięgu strefy czynnej obliczamy M = M z S " S z 2 Obliczamy:

57 a stąd na podstawie tabeli 10; Tabela 10 wyznaczamy wartości funkcji ξ interpolując między wartościami 9.2 i 4.21 oraz 14.5 i 6.5; ξ = 9,08. Obliczenia przeprowadza się metodą prób, czyniąc kolejne założenia; w ostatniej z nich przyjęto: liczbę studni n = 6, wydatek jednej studni q = E E = 202 m /d A zatem: «Różnica między wartością depresji założoną i obliczoną wynosi 5-5,43 = -0,43 m < 0,5 m, czyli dokładność sprawdzenia jest wystarczająca. W celu obniżenia zwierciadła wody o wymaganą wartość S 0 = 3,1 m, należy 6 studni rozmieścić równomiernie wokół wykopu. Spód filtru powinien znajdować się na rzędnej: 69,50-5, ,10 m.

58 Przykład 6 : [35] Obliczyć odwodnienie wykopu lądowego studniami dogłębionymi założonymi w warstwie o swobodnym zwierciadle wody gruntowej. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Dane: H o = 9,5 m, k = 20 m/d, wymiary wykopu (w osiach studni): L = 35 m, B = 20 m, r = 0,1 l f = 3 m, rzędne: nie obniżone zwierciadło wody 69,50 m, dno wykopu 65,00 m, spąg warstwy wodonośnej 60,00 m. Wymagane obniżenie zwierciadła wody gruntowej - 0,5 m pod dnem wykopu. Obliczamy S 0 = 69,50-65,00 + 0,5 = 5 m. Obliczamy promień zasięgu depresji: Obliczamy promień wielkiej studni: Obliczamy wydatek wielkiej studni: Obliczamy maksymalny dopuszczalny wydatek wielkiej studni : Po próbach przyjęto n = 6.

59 Wydatek studni pojedynczej q = E«F = 276,5 m 3 /d, a obniżenie wody przy studni zgodnie ze wzorem «S s = 6,99 m. Korzystając ze wzorów: H o = α(s s + l f ) v = 65 k gdzie: q - dopływ do studni, m/d, r - promień zewnętrzny filtru. Obliczenie długości l d wymaga znajomości dopływu q, który określić można znając l f l d. 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 wysokości co najmniej 2 m. Górna krawędź filtru powinna znajdować się na rzędnej 69,50 6,99=62,50 m, a długość filtru wynosi 62,50 = 60,00 = 2,5 m (dopuszczono wyjątkowo!). Przykład 7 : [35] Obliczyć dopływ do stadni odwadniających wykop liniowy pokazany na schemacie poniżej. Dane: H= 17 m, k = 20 m/d, depresja w linii x-x, S x = 6,3 m, l = 400 m, r = 0,15 m, odległość linii studni od linii x-x wynosi x= I8m, rzędne: nie obniżone zwierciadło wody 79,00 m, dno wykopu 73,20 m, spąg warstwy wodonośnej 62,00 m. Po kilku próbach przyjęto, że depresja na zewnątrz studni S s odległej od przekroju x - x o wielkości x = 18 m powinna wynosić 6,95 m. Dla takiej depresji obliczamy : R = 2 S s kh R = 2 6, = 256,3 m

60 Obliczamy dopływ na 1 m szerokości wykopu stosując wzór w którym zamiast Sx 1/2 (H+y) = 1/2 (2H-S s ): i R x podstawiamy odpowiednio S s, i R, a zamiast h wartość Trafność przyjęcia S s = 6,95 m sprawdza się, obliczając wartość S x. Powinna ona być bliska wymaganej, tzn. bliska S x = 6,3 m. Schemat obliczenia odwodnienia studni wykopu liniowego Przyjmując jednakowe warunki zasilania z obu stron rzędu studni oraz odstępy między studniami a - 15 m otrzymamy: obustronny dopływ jednostkowy q = 2 7,35 = 14,7 m 3 /dm, cały dopływ na długości a = 15 m Q = 14,7 15 = 220,5 m 3 /d. Dopuszczalna długość filtru przy założonym jego promieniu r = 0,15 m będzie równa po przekształceniu:

61 Obliczenia długości l d wymaga znajomości dopływu q, który określić można znając l f l d. Całe zadanie rozwiązywać trzeba metodą kolejnych przybliżeń. Opór wewnętrzny bez uwzględnienia niedogłębienia obliczamy: r promień studni, ϭ - odstępy miedzy studniami, Φ n - opory dodatkowe ze względu na niedogłębienie studni. a dodatkowy opór ze względu na niedogłębienie, w którym, aby wyznaczycie l = ±, ² oraz ε ³ X trzeba założyć: położenie zwierciadła wody w studni (obniżone w stosunku do zwierciadła wody w gruncie), tzn. jego odległość y w od spągu warstwy wodonośnej; po przeprowadzeniu obliczeń drogą prób przyjęto y w =8,6 m, długość części filtru zanurzonej pod obniżone w studni zwierciadło wody l f = 3 m. Dla takich założeń: Z wykresów poniżej: Wykresy wartości ε: a-studnia w warstwie o napiętym zwierciadle wody, b- wartości ε dla układu a, c- studnia w warstwie o swobodnym zwierciadle wody, d- wartości ε dla układu c.

62 odczytujemy dla l f = 0,35 i c = 1 odczytujemy ε = 0,5. Obliczamy: gdzie: - dla warstwy wodonośnej o swobodnym zwierciadle - dla warstwy wodonośnej pod ciśnieniem l f - długość filtra zanurzonego pod zwierciadłem wody w studni (y w ), długość ta nie powinna być mniejsza niż długość l d oraz powinna uwzględniać wymagane zatopienie pompy (ok. 1 m) i jej wymiary, l f - długość filtru w warstwie pod ciśnieniem, y w - głębokość wody, w studni nad spągiem warstwy wodonośnej o swobodnym zwierciadle; m - miąższość warstwy wodonośnej pod ciśnieniem, r promień studni, ε - współczynnik odczytywany dla warstwy wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody a stąd opór całkowity: Sprawdzamy, czy dobrze przyjęto y w przy czym y s = 17-6,95 = 10,05 m: y S = y " 2Q k Φ

63 Wysokość wysączania h nz obliczamy po uprzednim wyznaczeniu wartości h z tak jak dla studni dogłębionej: wartość ƞ = 0,58 odczytujemy dla r = 0,15 z zestawienia tych wartości: Cała długość filtru będzie równa: l f = 3+ 0, = 4,42 m Jeżeli rura podfiltrowa ma długość 2 m, to l f + l p = 6,44 m. Przykład : Obliczenie odwodnienia budowlanego za pomocą otworów wiertniczych w warunkach ograniczonego dysponowania terenem. W literaturze i w praktyce spotyka się sposoby odwodnienia oparte najczęściej na drenach pionowych zlokalizowanych na zewnątrz wykopu z oddaleniem ich osi o kilka metrów od jego krawędzi. W przypadku obiektu budowlanego o skomplikowanym kształcie zlokalizowanym na działce w kształcie prostokąta i w dodatku przy maksymalnym wykorzystaniu powierzchni zabudowy w stosunku do wymaganej powierzchni biologicznie czynnej, odwodnienie wykopu staje się problematyczne. Z tego też powodu niejednokrotnie jest niemożliwe sytuowanie drenów pionowych poza krawędziami wykopu budowlanego. Podstawową przesłanką przemawiającą, w takich przypadkach, za lokalizacją systemów odwadniających wewnątrz wykopu jest konieczność swobodnego prowadzenia projektowych robót fundamentowych oraz budowlanych bez żadnych utrudnień. Z reguły, na podstawie oceny warunków hydraulicznych ustala się racjonalny sposób odwodnienia i wybiera się po ocenie wielowariantowej lokalizacji ilość otworów odwodnieniowych. Dopiero w dalszej części projektu przeprowadza się analizę możliwości i skuteczności wykonanego systemu.

64 Założenia projektowe: 1. Rozmieszczenie drenów pionowych i piezometrów kontrolnych 2. Przekrój geotechniczny 3. Promień drenu pionowego r o = 0,20 m - liczba otworów n = 3 szt. Problematyka dopływu wody podziemnej do drenów pionowych w warunkach wzajemnego oddziaływania była przedmiotem rozważań teoretycznych wielu badaczy, jednak za najbardziej rozpowszechnioną, wielokrotnie sprawdzoną i szeroko stosowaną uznaje się teorię Forchheimera. W analizowanym przypadku obliczenia rozkładu wielkości depresji od drenów pionowych współdziałających wykorzystano zasadę superpozycji (zasadę Forchheimera) mówiącą o tym, że wypadkowy strumień wód podziemnych jest prostą sumą algebraiczną strumieni składowych. Wypadkowa zmiana położenia zwierciadła wody (obniżenie lub podniesienie) w

65 dowolnym punkcie pod wpływem pracy zespołu drenów pionowych jest więc równa sumie zmian, jakie wywołałyby poszczególne dreny pionowe pracujące oddzielnie. W przeprowadzonych obliczeniach projektowych przyjęto, maksymalny możliwy dopływ do drenu pionowego przy = H/2 = 6,5 m. Zasięg leja depresji R dla s max obliczono ze wzoru Kusakina dla warunków swobodnych, stosując zależność Obliczony maksymalny zasięg oddziaływania Rmax = 233,41 m. Dopływ wody do współdziałających drenów pionowych podczas prowadzenia odwodnień określono na podstawie równania Forchheimera Uzyskane wyniki obliczeń wydajności otworów są następujące: wydajność grupy drenów pionowych Q 0 = 0, m 3 /s = 92,10 m /h; wydajność pojedynczego drenu pionowego Q = 0, m 3 /s = 30,7 m 3 /h; wysokość obniżonego zwierciadła podczas pracy współdziałających drenów pionowych i prowadzenia odwodnień określono na podstawie przekształconego równania Uzyskane wyniki prognostyczne obliczeń wysokości zwierciadła wody w drenach pionowych są następujące: wysokość zwierciadła w drenie pionowym 1 h 01 = 8,75 m; wysokość zwierciadła w drenie pionowym 2 h 02 =8,33 m; wysokość zwierciadła w drenie pionowym 3 h 03 = 8,09 m. Prognozowane depresje na ścianie poszczególnych drenów pionowych podczas prowadzenia odwodnień są następujące: depresja na ścianie drenu pionowego 1 s 1 = 4,25 m; depresja na ścianie drenu pionowego 2 s 2 = 4,67 m; depresja na ścianie drenu pionowego 3 s 3 = 4,91 m. Otrzymano następujące prognozowane wyniki: skorygowany promień zasięgu leja depresyjnego R s = 165,58 m; wydajność grupy drenów pionowych Q 0 = 0, m 3 /s = 123,70 m 3 /h; wydajność pojedynczego drenu pionowego Q 0, m 3 /s = 41,23 m 3 /h; wysokość zwierciadła w drenie pionowym 1 h 01 = 7,93 m; wysokość zwierciadła w drenie pionowym 2 h 01 = 7,29 m;

66 wysokość zwierciadła w drenie pionowym 3 h 03 = 6,91 m; depresja na ścianie drenu pionowego 1 s 1 = 5,07 m; depresja na ścianie drenu pionowego 2 s 2 = 5,71 m; depresja na ścianie drenu pionowego 3 s 3 = 6,09 m; Każdy dren pionowy zostanie wyposażony w filtr. Dopuszczalną prędkość wlotową do filtra obliczono, stosując wzór Abramowa gdzie k - współczynnik filtracji, m/d. Obliczona dopuszczalna prędkość V dop =192,16 m/d = 8,00 m/h = 0,00222 m/s. Dopuszczalny wydatek drenu pionowego określa zależność Obliczona wielkość wydatku dopuszczalnego (Q dop ) przy lf = 6,0 m i dla D z = 0,406 m wynosi Q dop - 61,25 m 3 /h. Wydajność pojedynczego drenu pionowego wynosi Q = 0, m 3 /s = 41,23 m 3 /h. Natomiast zdolność przepustową filtra ustala się na podstawie nomogramów producenta filtrów. Do wyboru mamy filtry siatkowe i szczelinowe. Dla szczelin 1,5 mm przepustowość filtra DN250 wynosi zgodnie z nomogramem 70 m 3 /h, na każdy 1 mb przy prędkości napływu 0,03 m/s. Całkowita zdolność przepustowa filtra o długości 6,0 m (dla szczelin 1,5 mm) wynosi 42,0 m 3 /h, co gwarantuje przepływ przez filtr obliczeniowej ilości wody z warstwy wodonośnej do drenu pionowego, z zachowaniem ograniczeń wynikających z dopuszczalnej prędkości wlotowej do filtra V dop. Jak wynika z obliczeń : Q obl < Q dop Warunek jest spełniony. Na podstawie obliczeń zaprojektowano dreny pionowe do wykonania technologią wiertniczą. Konstrukcję odwodnieniowych drenów pionowych opracowuje się wykorzystując materiały geologiczne oraz wytyczne zawarte w Polskich Normach. Projektowaną konstrukcję otworu wiertniczego przedstawiono na rysunku 24.

67 Rys.24. Projekt geologiczno-technologiczny odwodnieniowego drenu pionowego. [36] Przykład: [38] Strumień wody gruntowej płynie pod ciśnieniem ruchem jednostajnym w warstwie wodonośnej składającej się z obszarów o różnych współczynnikach filtracji. Zwierciadło wody w zbiorniku znajduje się na rzędnej 118,0 m. W studni artezyjskiej, oddalonej od zbiornika o L = 615 m woda wznosi się do rzędnej 107,4 m. Współczynniki filtracji k 1 = 0,0008 m/s, k 2 = 0,00004 m/s. Miąższość poszczególnych warstw T 1 = 3,2 m, T 2 = 2,0m. Obliczyć wydatek jednostkowy strumienia.

68 Rozwiązanie Według metody podanej przez Arawina i Numerowa w danym przypadku wydatek jednostkowy wynosi : H E H q = k E T E + k T L Podstawiając dane otrzymamy: q = 0,0008 3,2 + 0, ,0 EEI, RE, = 0, m 3 /s m = 162,7 l/h m «EF Przykład : [38] Pokazany na rysunku kanał ziemny, o dnie założonym na poziomej warstwie nieprzepuszczalnej, napełniony jest normalnie do rzędnej 116,00 m. Określić wydatek jednostkowy q t oraz kształt zwierciadła wody gruntowej w otoczeniu kanału po czasie t = 2 h od chwili nagłego obniżenia poziomu wody w kanale do rzędnej 113,60 m. Rzędna dna kanału jest równa 111,00 m. Współczynnik przepuszczalności gruntu k = 0,0008 m/s Współczynnik nasiąkliwości ni = 0,120. Rozwiązanie W danym przypadku mamy do czynienia z nietrwałym ruchem wody gruntowej. Zakładając, że długość przepuszczalnej warstwy gruntu jest praktycznie, biorąc nieograniczona obliczyć odległo l t po czasie ze wzoru (Arawin, Numerow) : l = k h t m F

69 gdzie: l t zasięg depresji wody gruntowej po czasie t, k współczynnik filtracji gruntu, t czas, m współczynnik nasiąkliwości gruntu równy m= ¹Ÿ ¹ gdzie v objętość wody odpływającej z gruntu pod wpływem siły ciążenia, oraz v - całkowita objętość gruntu, h 0 - normalna głębokość wody gruntowej (przy t = o), F - funkcja, która dla przypadku nagłych zmian poziomu wody w zbiorniku jest w przybliżeniu równa F = 3 (h + h E h (h + 2h E ) Po wyznaczeniu wartości l t obliczamy chwilowy wydatek jednostkowy q t i chwilowy kształt zwierciadła wody gruntowej po czasie t według wzorów dla ruchu trwałego. W naszym przypadku mamy: l = 0,0008 5, , ,0 + 2,60 5,0 5,0 + 5,20 = 28,20 Stąd chwilowa wartość wydatku jednostkowego czyli q =, I(F, R,«) I, q = k (h h E 2 l = 0, m 3 /s m = 0,259 l/s m Kształt zwierciadła wody gruntowej określony jest zależnością: h = Podstawiając przykładowo x = 10,0 m otrzymamy: h = 2 0, , q k x + h E 10,0 + 2,6 = 3,65 m

70 Przykład : [38] Studnia zapuszczona do warstwy nieprzepuszczalnej ma średnicę 2 r o = 1,0 m. Warstwa nieprzepuszczalna jest niejednorodna i składa się z dwóch stref o współczynnikach filtracji k 1 = 0,0002 m/s i k 2 = 0,001 m/s, oraz miąższości T 1 = 6,0 m i T 2 = 4,0 m. Obliczyć wydatek studni Q, jeżeli w odległości x = 80,0 m od studni depresja wynosi s = 1,5 m, a depresja studni s o = 7,0 m. Rozwiązanie W danym przypadku równanie krzywej depresji przedstawia się w postaci : φ = 0,37 Q lg x r z + φ z gdzie φ jest funkcją potencjału Girińskiego o postaci φ = n k º T º (z z º ) º»E W poniższej tabeli zestawione są wartości φ dla różnych głębokości z:

71 Z wykresu otrzymujemy dla z = 10,0 1,5 = 8,5 m wartość φ = 0,025 oraz dla z = h o = 3,0 wartość φ o = 0,001. Stad Q = 2,73, FR, E = 0,0297 m 3 /s = 29,7 l/s ±¼ ½\,\ \,¾ Przykład: [38] Studnia o średnicy 2 r o = 0,8 m założona jest do poziomej warstwy nieprzepuszczalnej, Znajduje się ona w odległości l = 30,0 m od zbiornika z wodą. Obliczyć wydatek studni oraz głębokość wody w punkcie A, jeżeli współczynnik filtracji k = 0,0005 m/s, a depresja w studni s o = 3,0 m. Statyczna głębokość wody gruntowej równa głębokości w zbiorniku jest H = 6,0 m. Współrzędne punktu A są: x A = 10,0 m oraz y A = 20,0 m. Rozwiązanie Wydatek obliczamy według wzoru: Q = 1,36 k (H h z ) lg 2l r z Równanie krzywej depresji ma postać: z = H + 0,73 Q k lg r r gdzie r jest odległością badanego punktu od fikcyjnej studni, oddalonej od studni rzeczywistej o odcinek 2l. W naszym przypadku Q = 1,36, F («, R, ) ±¼ \ \,À = 0,00084 m 3 /s = 8,4 l/s Dla punktu A mamy: r = = 22,36 m r = (60 20) + 20 = 53,85 m

72 Stąd dla z = h A h A = 5,60 h` = 6,0 + 0,73 0,0084 0,0005 lg 22,36 53,85 = 31,35 Przykład : 38] Studnia artezyjska o średnicy 2 r o = 0,4 ta założona jest do dolnej warstwy nieprzepuszczalnej Warstwa wodonośna składa się z trzech obszarów o współczynnikach k 1 = 0,001 m/s, k 2 = 0,0003 m/s, k 3 = 0,0008 m/s i miąższościach T 1 = 2,0 m, T 2 = 7,0 m, T 3 = 3,0 m. Przed pompowaniem pozioma linia ciśnień wznosiła się o H = 20,0 m nad dolną warstwą nieprzepuszczalną. Obliczyć wydatek Q studni jeżeli głębokość h o = 14,0 m, a w odległości x = 80,0 m linia ciśnień wznosi się na wysokość z = 18,5 m. Rozwiązanie Zadanie rozwiązujemy za pomocą normalnych wzorów na studnię artezyjską podstawiając jedynie W naszym przypadku Wydatek k z = Podstawiając otrzymamy: Q = k z = k º T º T º 0,001 2,0 + 0,0003 7,0 + 0,008 3,0 2,0 + 7,0 + 3,0 Q = 2π T º k z (z h z ) 2,30 lg z r z «, I E,, F (EI,FRE, ), ±¼ ½\,\ \, = 0,00054 m/s = 0,0304 m 3 /s = 30,4 l/s

73 Przykład : [38] Studnia artezyjska założona do warstwy wodonośnej wznosi się o b = 3,0 m ponad dolną warstwą nieprzepuszczalną, średnica 2 r o = 0,4 m. Statyczna wysokość, linii ciśnień H=16,0 m. Miąższość warstwy wodonośnej a =7,0 m. Zasięg depresji studni R = 300 m. Obliczyć wydatek Q jeżeli współczynnik filtracji k = 0,001 n/s. Głębokość h o = 8,0 m Rozwiązanie Według Arawina i Numerowa wydatek Q = 2,73 k (a b) (H h z) lg R r z (1 + 7 r z a b cos 2(a b) 2a π ) Ten sam wzór można zastosować również dla studni chłonnej nie sięgającej dna zastępując (H h o ) przez ( h o H ) Podstawiając otrzymamy, E (, R, ) (E, RI, ) Q = 2,73 ±¼ \\ \, (1 + 7, cos π ) = 0,0291, E m3 /s = 29,1 l/s Przykład : [38] Do warstwy wodonośnej przebita została artezyjska studnia chlonna o średnicy 2 r o = 0,5 m. Miąższość warstwy wodonośnej jest bardzo duża. Statyczny poziom linii ciśnień odniesiony do warstwy wodonośnej H = 3,0 a. Współczynnik filtracji k = 0,0008 m/s. Obliczyć potrzebną wysokość h o aby do gruntu infiltrowało Q = 10 1/s wody.

74 Rozwiązanie W danym przypadku: miąższość warstwy wodonośnej jest bardzo duża i nieznana, infiltracja dokonuje się wyłącznie przez półkoliste dno studni. Według Arwina i Nawarowa związek między ilością infiltrowanej wody a wysokościami H i h o jest w tym przypadku następujący: stąd Podstawiając otrzymamy: h z = 3,0 + Q = 2π k r o (h o H) h z = H + Q 2 π k r z 0,01 6,28 0,008 0,25 10,97 m Przykład : [38] Warstwa przepuszczalna zasilana jest wodą ze zbiornika o głębokości H 1 = 12,0 m. W celu obniżenia zwierciadła wody gruntowej o S = 4,0 m zainstalowano w odległości L = 50,0 m od zbiornika szereg studni o średnicach 2 r o = 0,4 m, oddalonych od siebie o b = 40,0 m. Współczynnik przepuszczalności k = 0,0008 m/s. Obliczyć potrzebny dla żądanej depresji wydatek Q każdej studni oraz głębokość h o w studni. Rozwiązanie Posługując się metodą podaną przez Arwina i Numerowa obliczymy wydatek każdej studni ze wzoru: Q = q b gdzie q k (Z [ R Z ) : Podstawiając otrzymamy : Q = 0, ,0 (E, I, =0,0256 m 3 /s = 25,6 l/s E

75 Głębokość wody w studni: h z = H 0,73 Q k lg b 2π r z h z = 8,0 0,73 0,0256 0,0008 lg 40 = 5,36 m 6,28 0,2 Przykład : [38] Wykop fundamentowy o wymiarach a = 20,0 m, b =30,0 m sięga warstwy wodonośnej, w której znajduje się woda pod ciśnieniem. Statyczny poziom linii ciśnień H = 9,5 m. Miąższość warstwy wodonośnej a = 6,5 m. Dno wykopu wzniesione jest nad dolną warstwą nieprzepuszczalną na wysokość h = 5,0 m. Współczynnik filtracji k = 0,001 m/s. Dookoła wykopu rozmieszczono 8 studzien. Obliczyć wydatek każdej studni potrzebny dla osuszenia wykopu. Rozwiązanie Łączny wydatek zespołu studzien obliczymy ze wzoru: Q = 1,36 k ( 2 ah a z` ) lg R R z

76 gdzie: R = 575 S A Hk zasięg depresji zespołu u R z = x E x x przy czym x oznacza odległość od studni do punktu A. W tym przypadku, zakładając z A = h 0,2 = 4,8 m R = 575 (9,5 4,8) 9,5 0,001 = 263,0 m Podstawiając otrzymamy: ½ R o = 25,0 20,0 15,0 21,0 m Q = 1,36, E ( «,F,FR«,F R,I ) ±¼,\ [,\ Wydatek pojedynczej studni = 0,0722 m 3/ s = 72,2 l/s q = Å I = 9,02 l/s Przykład : [37] Dla studni przy pochyłej warstwie nieprzepuszczalnej wartości wydatku oraz odległości dolnej i górnej kulminacji oblicza się odmiennie. Schemat studni w pochyłej warstwie spągowej. [37 ]

77 Wykres warstwic wód podziemnych z uwzględnieniem szerokości pasa zasilania do studni i zasięgu promienia depresji przy spągu pochyłym. [ 37 ] Odległość dolnej kulminacji (punkt N) od osi studni według Smrekera wynosi x z = Å [ [m] Æ p Z º gdzie: i spadek hydrauliczny Q 1 wydatek studni m 3 /h H wysokość statyczna zwierciadła wody w strumieniu k współczynnik filtracji m/h Dolna kulminacja wyznacza zasięg działania studni w dół strumienia wody podziemnej czyli odległość spoza, której woda nie dopływa już do studni. W górę od studni zasięg jej działania dąży do nieskończoności (praktycznie odpowiada wartości promienia depresji R). Szerokość pasa strumienia L, z którego wody zasilają studnię ma szczególne znaczenie ze względu na rozstaw studzien. Szerokość tę określa się uwzględniając to, że w dużej odległości od studni, gdzie nie wywiera ona już wpływu na zmianę zwierciadła wody, woda płynie po warstwie pochyłej ruchem jednostajnym. Przepływ w pasie o szerokości L można obliczyć : Stąd: Q = L k i H

78 Należy zwrócić uwagę, że szerokość pasa L nie zależy od współczynnika przepuszczalności k, a tylko od spadku hydraulicznego i wielkości depresji. Uwagi praktyczne : 1. Przyjęcie średnicy i obliczenie potrzebnej powierzchni filtrów - Ø = 2 r (10 16 ) 1 = 2,54 cm - potrzebna powierzchnia filtru F = Å ¹ Ç [m 2 ] - powierzchnia 1 mb filtra f 1,0 = 2πr 0, Długość filtra L = F f E, L + 2 (2 5) < H 3. Gdy woda w warstwie wodonośnej jest w spoczynku rozstaw powinien być > 2R. 4. Gdy projektowane studnie zlokalizowane są w linii prostopadłej do ruchu, rozstaw studni powinien być > L. 5. Gdy studnie usytuowane są z kierunkiem przepływu wody rozstaw powinien być większy o R + x o. 6. Filtr składa się z następujących elementów : - rury podfiltrowej służącej jako osadnik, - filtru właściwego, przez który przepływa woda do otworu studziennego, - rury nadfiltrowej wraz z uszczelnieniem Wpływ odwadniania na osiadanie obiektów budowlanych. Obniżenie zwierciadła wody podziemnej powoduje przyrost naprężenia w gruncie, a w rezultacie także wystąpienie osiadania dodatkowego [21]. Zwrócić, należy uwagę na szereg kwestii inżynierskich z tym procesem związanych. Pierwszym z nich jest kwestia przyczyn osiadania gruntów budowlanych wskutek obniżenia poziomu wody podziemnej. Wynikają one mianowicie z ustania działania na osuszonej partii wyporu wody oraz w niektórych przypadkach wzrost ciężaru pochodzącego od

79 wody kapilarnej i błonkowatej. Ten ostatni jest jednakże na ogół mały, rzadko kiedy jest on bowiem większy po odwodnieniu. Wynika to z tego że najczęściej w stopie warstwy wodonośnej zalegają grunty o większej wysokości podnoszenia kapilarnego (h k ) aniżeli na poziomie obniżonego zwierciadła wody, przy czym najczęściej obniżenie wynikające z różnicy ciężaru wody kapilarnej i błonkowatej jest bardzo małe. Z tego też względu w obliczeniach jest ono najczęściej pomijane. Drugim problemem jest sufozja gruntu występująca w sąsiedztwie urządzeń odwadniających wskutek występowania dużej prędkości filtracji. Sufozja ma jednakże charakter lokalny, bardzo rzadko obejmuje większą strefę gruntu i w przypadku gdy urządzenia odwadniające (studnie, dreny) są od obiektu oddalone nie powoduje występowania szkodliwych osiadań. Natomiast w przypadku gdy urządzenia odwadniające są zbliżone do obiektu budowlanego, sufozja może w sposób istotny wpływać na jego osiadanie. Trzecim zagadnieniem wiążącym się z prognozą osiadania wywołanego przez obniżenie zwierciadła wody jest przewidywanie ich przebiegu w czasie. Można tu wyróżnić dwa odrębne zjawiska. Po pierwsze depresja w otoczeniu urządzeń odwadniających zmienia się w czasie (rośnie). Przebieg rozwoju leja depresyjnego w czasie zależy od całokształtu warunków hydrogeologicznych jednakże szczególnie należy tu uwypuklić rolę granic obszaru geofiltracji. Istnienie bliskiej granicy z zasilaniem (np. rzeki) prowadzi na ogół do utrwalenia się warunków równowagi i stabilizacji leja. Znaczne oddalenie granic zasilania prowadzi natomiast do powolnego rozprzestrzeniania się i pogłębiania leja depresji w efekcie czego depresja a więc i osiadanie stopniowo narastają. Po drugie, nawet w przypadku osiągnięcia od razu ustalonej depresji w obrębie leja depresyjnego dodatkowe osiadanie nie nastąpi momentalnie lecz będzie rozłożone w czasie. Natomiast przebieg tego osiadania jest diametralnie różny dla gruntów piaszczystych i gruntów gliniastych. W piaskach osiadanie następuje szybko i po osiągnięciu w krótkim czasie swej wartości maksymalnej, przyrostu osiadania nie obserwuje się. Natomiast w glinach początek osiadania jest nieco przesunięty, a przyrosty osiadań obserwuje się długo po zakończeniu procesu przyrostu naprężeń. Czwartym problemem, który należy mieć na uwadze jest możliwość okresowego np. wskutek awarii urządzeń odwadniających - podnoszenia się zwierciadła wody podziemnej. W takim przypadku ujawnia się pęcznienie gruntu, prowadzące do zwiększania się objętości gruntu i zmniejszania się jego wytrzymałości. Generalnie można stwierdzić, że prognozowanie osiadań wskutek obniżenia zwierciadła wody jest zagadnieniem trudnym.

80 Rys.25. Nierównomierne osiadanie budynku wskutek odwodnienia [21]. Przykład obliczenia osiadań [21] Należy ocenić czy pompowanie w studni odległej o 10 m od budynku mieszkalnego 3 piętrowego murowanego może wywołać szkodliwe jego osiadanie. Studnia wykonana została celem osuszenia wykopu budowlanego i działać będzie przez 18 miesięcy przy depresji s 0 = 6,0 m. Ze wzoru Biecińskiego określamy: É µ = 0,117 k É µ = ,96 gdzie: k = 12,96 m/d = 0,00015 m/s, gdzie :µ - wsp. odsączalności = 0,169 k - wsp. wodoprzepuszczalności Współczynnik przewodności stanów: a " = œ = pz, EF F = =, F = 0,0222 m Ê Ê,E«,E«s = 79,88 m 2 /h = 1917,12 m 2 /d Przewodność T = 0,00375 m 2 /s = 324 m 2 /d.

81 Obniżenie po upływie 18 miesięcy tj. po 550 dobach wyniesie przy wydajności studni Q: 1) w punkcie A r A = 40 m 2) w punkcie B r B = 10 m gdzie: R umowny promień leja depresji R = 1,5 a " t s o - depresja r o promień studni H odległość dna wykopu od spągu warstwy wodonośnej Q wydajność studni Dla tych obniżeń przeprowadzono obliczenia osiadania przyjmując dla piasków grubych i średnich E = 400 MPa. Naroże A 1) Osiadanie warstwy osuszonej obliczono wzorami oraz dla z n = s A = 2,73 m = 273,0 cm; i = n = 1 σ naprężenie w gruncie n porowatość gruntu n pn = 0,35, µ n = 0,169, γ w = 9806,65 N/m 3 z 1 s 1 = 2,73 m

82 2) osiadanie warstwy dolnej przyjęto; h Σ = 10,0 m, zatem miąższość warstwy osiadającej wynosi z d = h Σ z n 2,73 = 7,27 m, E j = 39,2266 MPa Na podstawie wzoru zatem Osiadanie zgodnie ze wzorem 3) Osiadanie całkowite od przyrostu naprężenia wskutek odwodnienia: h A = h c + h d = 0, ,412 = 0,489 cm 0,49 cm. Naroże B

83 3) Osiadanie całkowite od przyrostu naprężenia: Osiadania są bardzo małe, nie groźne dla budynku mieszkalnego Przykład: Stateczność dna wykopu fundamentowego. Promień leja depresji: R = a t T μ

84 doba s 7 µ = 0, 117 k 7 = 0,117 2, 16 a = 1,5 T = k H = 2,16 3,8 = 8,20 m 2 /d t czas odwodnienia wykopu = 0,130 R = 1, 5 5 8, 20 0, 130 = 22, 6 m Przykład: Wyznaczyć ilość wody przesączającej się w ciągu doby przez dno wykopu o wymiarach 8x8 m. W dnie wykopu zalega warstwa piasku gliniastego o miąższości 2 m i współczynniku filtracji k 10 = 1, cm/s. Piezometryczna różnica wysokości zwierciadła wody wynosi 2,0 m, temperatura wody = 15 o C. Współczynnik filtracji k t przy temperaturze t o C należy obliczyć wg wzoru: Q k t = A T i gdzie: Q średnia objętość wody w cm 3 przepływająca przez próbkę w czasie T [s], A powierzchnia przekroju próbki [cm 2 ], i spadek hydrauliczny Otrzymany współczynnik k t należy przeliczyć w odniesieniu do temperatury 10 o C wg wzoru: t temperatura wody podczas badania Spadek hydrauliczny: k 10 = k t 0, 7 + 0, 03 t i = H l gdzie: H różnica wysokości zwierciadła wody [ m ], l długość drogi filtracji [ m]. A = 8 8 = 64 m 2, i = 2 2 = 1, k 10 = 1, cm/s = 1, m/s k t = 1, m/s (0,7 + 0,03 15) = 1, m/s Q = 1, = 0,95 m 3

85 11. Obliczanie i dobieranie ścianek szczelnych. Ścianka szczelna jest obudową tymczasową lub stałą z grodzic stalowych stosowana najczęściej do obudowy wykopu w gruntach nawodnionych, zwłaszcza niespoistych. Grodzica jest elementem budowlanym o kształcie łączącym zalety dużej nośności na obciążenia poziome od parcia gruntu z łatwym jej pogrążaniem, wyrywaniem i małą masą jednostkową. W ten sposób ukształtowany element nie ma dużej nośności pionowej w gruncie. Dozwolone jest wbijanie, wwibrowywanie oraz statyczne wciskanie grodzic gorącowalcowanych i formowanych na zimno (naroża tych ostatnich nie są pogrubione). Ścianki szczelne pełnią szereg funkcji: a) podtrzymywać ściany wykopów lub uskoków terenu, b) eliminować lub zmniejszać dopływ wody do wykopu i zabezpieczać przed takimi zjawiskami jak: sufozja, kurzawka - rozmycie dna wykopu, (zastosowanie ścianki szczelnej powoduje przecięcie drogi filtracji lub jej wydłużenie i zmniejszenie średniej wartości spadku hydraulicznego a tym samym prędkości filtracji i ciśnienia spływowego), c) zwiększać szczelność podłoża pod podstawą fundamentu we wszelkiego rodzaju budowlach piętrzących wodę, W praktyce, w oparciu o dokładną analizę wielu czynników stosuje się następujące rozwiązania: - ścianki szczelne niepodparte, utwierdzone w gruncie (ich stateczność zapewnia odpowiednio duża głębokość wbicia poniżej dna wykopu), - ścianki szczelne podparte, jedno- lub wielokrotnie. Głębokość wbicia ścianek podpartych może być zróżnicowana, zazwyczaj rozpatruje się dwa przypadki: - wbicie na minimalną głębokość wynikającą z warunku stateczności - zapewniającą tzw. przegubowe podparcie w gruncie", - wbicie na głębokość zapewniającą jej utwierdzenie w gruncie". Głębokość wbicia ścianki ma istotny wpływ na wyniki obliczeń statycznych. Ścianki głębiej wbite są zginane mniejszymi momentami, mniejsze są też reakcje w miejscach podparć (rozpór, zakotwień). Podparcia ścianek realizuje się zazwyczaj poprzez: - rozpory (możliwe w wykopach wąskich), - kotwy gruntowe, - ściągi, (cięgna), przenoszące obciążenia ze ścianki na elementy kotwiące takie jak: płyty i bloki kotwiące, ścianki kotwiące, palowe układy kozłowe. Przy jednokrotnym podparciu, poziom podpory przyjmuje się na głębokości nie większej niż 1/3 wysokości ściany. Rozstaw rozpór, kotew lub ściągów wynika zazwyczaj z wielokrotności szerokości elementu ścianki i sztywności elementu podpierającego ściankę w poziomie kotwienia. Zazwyczaj rozstaw elementów kotwiących nie przekracza 3 m. W projektowaniu ścianek szczelnych obliczenia statyczne wykonuje się stosując metody analityczne i analityczno-wykreślne. Spośród analitycznych metod najczęściej stosowana jest

86 metoda Bluma i Jenne, zaś analityczno-graficznych metoda Bluma. Parcie i odpór gruntu przyjmuje się w tych metodach wg klasycznej metody Coulomba, pomija się, na korzyść bezpieczeństwa, tarcie gruntu o ściankę szczelną. Tok postępowania podczas projektowania ścianki szczelnej jest następujący: a) obliczenie czynnego oraz biernego parcia gruntu na ściankę oraz parcia wody, b) wyznaczenie głębokości wbicia ścianki (przy założonym schemacie statycznym), c) wyznaczenie momentów zginających i sił w elementach podpierających (rozporach, kotwach, ściągach), d) wymiarowanie elementów ścianki szczelnej i kotew, e) obliczenia zakotwienia. Wszystkie obliczenia wykonuje się przy założeniu płaskiego stanu odkształcenia, na 1 m długości ścianki szczelnej. W celu zwiększenia sztywności obudowy stosuje się technologie mieszane. Polegają one na pogrążaniu brusów w wykopie szczelinowym wypełnionym np. zawiesiną iłowo-cementową tworząc układ swoistej synergii. Jest to wtedy konstrukcja zespolona z dwóch lub trzech materiałów o bardzo różnych właściwościach. Wzmocnienie obudowy ze ścianki szczelnej uzyskuje się stosując kotwy gruntowe lub rozpory stalowe. W obliczeniach parć i odporów gruntu stosuje się zasady ogólne wynikające z założeń teorii Coulomba. Jednostkowe parcia czynne i bierne oblicza się wg wzorów: parcia czynne: parcia bierne: e a (z) = q K a + γ z K a - 2 c K Ò e p (z) = q K p + γ z K p +2 c K Ó gdzie: z głębokość poniżej naziomu [m], γ ciężar objętościowy gruntu [kn/m 3 ] (dla gruntu poniżej zwierciadła wody gruntowej γ ), c spójność gruntu. ϕ = kąt tarcia wewnętrznego gruntu [ o ] Do wyznaczonych e a i e p dodaje się (w tym przypadku algebraicznie) wartości hydrostatycznych parć wody. W obliczeniach statycznych stosuje się charakterystyczne obciążenia i charakterystyczne wartości parametrów geotechnicznych gruntu.

87 Dla podłoża uwarstwionego parcia i odpory gruntu w kolejnych warstwach oblicza się zastępując wszystkie wyżej leżące warstwy gruntu zastępczym obciążeniem q z. W obrębie warstwy głębokość z" wyznacza się od stropu danej warstwy. Jeśli w rozpatrywanej warstwie występuje woda gruntowa o zwierciadle napiętym obciążenie q z w stropie tej warstwy należy obliczać z uwzględnieniem parć hydrostatycznych na spąg wyżej leżącej warstwy nieprzepuszczalnej (rys. 26). Rys.26. Schematy do obliczania parć hydrostatycznych i q z [17]. Projektując ściankę szczelną, w przypadku odpompowywania napływającej do wykopu wody z jego wnętrza musimy sprawdzić wartość ciśnienia spływowego oraz czy nie nastąpi zjawisko przebicia hydraulicznego". Zjawisko to powstaje w wyniku unoszenia najpierw najdrobniejszych, potem coraz grubszych cząstek gruntu przez przepływającą wodę w kierunku wykopu. Rys.27. Schematy do obliczeń ciśnienia spływowego [17].