Wykonywanie i zabezpieczanie wykopów pod budynki i instalacje podziemne.

Transkrypt

1 Wykonywanie i zabezpieczanie wykopów pod budynki i instalacje podziemne. Część I (Materiały szkoleniowe) Opracował: Piotr Jermołowicz p.jermolowicz@wp.pl tel.: Warszawa, 15 października 2015 r. 1

2 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, gdyż : 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. 2

3 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. 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 (Dz.U. z 2003 r., nr 47, poz. 401). Wykaz aktów prawnych: 1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r.- Prawo budowlane (Dz. U. z 1994 r. Nr 89, poz. 414 z późn. zm.), 2. Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. Prawo geologiczne i górnicze (Dz. U. z 2011 r. Nr 163, poz. 981), 3. Obwieszczenie Prezesa Rady Ministrów z dnia 9 października 2000 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy - Kodeks postępowania administracyjnego (Dz.U. z 2000 r. Nr 98, poz. 1071), 4. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz.U. z 2012 r. poz. 463), 3

4 5. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (Dz.U. z 2012 r. poz. 462), 6. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2011 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących projektów robót geologicznych, w tym robót, których wykonywanie wymaga uzyskania koncesji (Dz.U. z 2011 r. Nr 288, poz. 1696), 7. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 8 maja 2014 r. w sprawie dokumentacji hydrogeologicznej i dokumentacji geologiczno-inżynierskiej, 8. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 16 grudnia 2011 r. w sprawie kwalifikacji w zakresie geologii (Dz.U. z 2011 r. Nr 275, poz. 1629), 9. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 15 grudnia 2011 r. w sprawie gromadzenia i udostępniania informacji geologicznej (Dz.U. z 2011 r. Nr 282, poz ), 10. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2011 r. w sprawie korzystania z informacji geologicznej za wynagrodzeniem (Dz.U. z 2011 r. Nr 292, poz. 1724), 11. PN-EN :2008 Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne, 12. PN-EN :2009 Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne. Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego. 13. PN-B-02479: Geotechnika. Dokumentowanie geotechniczne. Zasady ogólne. 14. PN-B-03007:2013. Konstrukcje budowlane. Dokumentacja techniczna. 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; 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. 4

5 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. 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. 5

6 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 Wymiary wykopów [6] Wymiary wykopu w planie powinny być dostosowane do: wymiarów fundamentów w planie lub średnicy przewodu, głębokości wykopu, zakresu i technologii robót, które mają być wykonywane w wykopie, rodzaju gruntu i sposobu zabezpieczenia ścian wykopu (obudowa, bezpieczne nachylenie skarp), szerokości potrzebnej przestrzeni roboczej. W szczególnych przypadkach poza wymiarami fundamentów należy uwzględniać również wymiary wyżej usytuowanych elementów części podziemnej konstrukcji, wystających poza rzut fundamentów. Szerokość potrzebnej przestrzeni roboczej określa się jako minimalną odległość pomiędzy skarpą wykopu lub obudową a licem skrajnych elementów obiektu lub instalacji, które mają być wykonane w wykopie. Przy ustalaniu wymiarów potrzebnej przestrzeni roboczej należy uwzględniać nie tylko usytuowanie elementów konstrukcji lub instalacji, ale również sposób ich wykonania (np. grubość szalunków). Należy również uwzględniać grubość warstw izolacyjnych i ocieplających przewidzianych do wykonania na elementach konstrukcji lub przewodach oraz sposób ich wykonania. Szerokość przestrzeni roboczej a [6] nie powinna być mniejsza od: w płytkich wykopach instalacyjnych - 0,3 m pozostałych wykopach otwartych - 0,4 m w wykopach obudowanych (bez robót izolacyjnych) - 0,5 m w wykopach obudowanych, jeśli na ścianach ma być izolacja - 0,8 m minimalna szerokość przejść do miejsca robót - 0,3 m Nominalne wymiary w planie wykopu należy ustalać uwzględniając przyjęte w projekcie usytuowanie skrajnych elementów konstrukcji lub położenie przewodu instalacyjnego, potrzebną szerokość przestrzeni roboczej oraz dopuszczalne odchyłki wykonania robót ziemnych lub obudowy oraz przy wykopach otwartych -bezpieczne pochylenie skarp. 6

7 Wymiary wykopów należy ustalać z zależności: B dolne = l k + a + u, B górne = B dolne + 2h n, w których : B dolne wymiar wykopu w dnie, B górne - wymiar wykopu w poziomie terenu, h - głębokość wykopu otwartego, l k - skrajny wymiar konstrukcji, a - szerokość przestrzeni roboczej, (u) - odchyłki wykonania, 1 : n - stosunek podający nachylenie skarpy, np. 1 : 3. W uzasadnionych przypadkach przy ustalaniu wymiarów wykopu można uwzględniać również dopuszczalne odchyłki wykonania konstrukcji. Rzędna dna wykopu powinna być dostosowana do: przyjętego w projekcie poziomu posadowienia fundamentów, przewidzianych w projekcie warstw izolacyjnych, wyrównawczych, podkładowych i podsypek 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, 7

8 4,0 m - w skałach litych odspajanych mechanicznie. 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 - w gruntach od średnio spoistych do bardzo spoistych (iłach, glinach), w stanie co najmniej twardoplastycznym, 1:1 - w skałach spękanych i rumoszach zwietrzelinowych, 1 : 1,25 - w gruntach mało spoistych (piaskach gliniastych, pyłach, lessach, glinach zwałowych) oraz w rumoszach zwietrzelinowych gliniastych, 1 : 1,5 - 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 - przy głębokości wykopu do 2 m, 1:1,75 - przy głębokości wykopu od 2 m do 4 m, 1:2 - 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

9 Tab. 1. Kąty nachylenia zboczy wykopów różnych wysokości w gruntach spoistych oraz wskaźnikowe parametry do obliczeń stateczności wykopów [6]: 3.4. 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

10 3.5. 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. 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 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. 1. Sposoby zabezpieczenia wykopów przed napływem wody gruntowej. A) studnie depresyjne, B) przesłona iniekcyjna, C) zagłębienie obudowy w podłoże nieprzepuszczalne [ 13 ] 10

11 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 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. 11

12 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). Rys.2. Schemat układu do próbnego pompowania 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. 12

13 Sprawdzenie stateczności może być przeprowadzone wg wzorów: a) F " = % &' ) &' % * (, -. / 0 ) lub uwzględniając opór gruntu na ścinanie b) F " = 2% &' ) &' 345 2% * (, -. / 0 ) 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 warstwy wodoszczelnej, Ɣ gr - średni ciężar objętościowy warstw gruntów dna wykopu znajdujących się pod ciśnieniem wody (z uwzględnieniem ciężaru wody w porach) i bez uwzględnienia wyporu, Ɣ w - ciężar objętościowy wody, A - powierzchnia pionowa ścinania warstwy spoistej, C - wytrzymałość gruntu na ścinanie. Jeśli wartości F w różnią się od podanych w tabl. 2, należy stosować urządzenia odciążające w postaci studni z ujętym samowypływem lub studni z pompami. Pamiętać należy, aby po zakończeniu prac studnie zostały dokładnie zakorkowane i nie nastąpiło połączenie wód artezyjskich z wodami gruntowymi o wolnym zwierciadle. Połączenie wód może bowiem powodować wzrost sił wyporu i zmniejszyć stateczność obiektu. W miejscach spodziewanych przebić należy dawać warstwę dociążającą grubości ok. 0,30 m z pospółki lub drobnego żwiru. Tab.2. Minimalne wartości współczynników pewności F w [5]. Przypadek obliczeniowy Do wzoru a) Do wzoru b) przy uwzględnieniu odporu gruntu na bez uwzględnienia odporu gruntu na ścinanie ścinanie Normalny eksploatacyjny 1,3 1,1 Nadzwyczajny 1,1 1,0 13

14 Tab. 3. Minimalne zagłębienie krzywej depresji poniżej dna wykopu [ 5 ] Jeśli skarpy w strefie wykopu fundamentowego mają wkładki wodonośne, należy przewidzieć zabezpieczenia filtrami odwrotnymi 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

15 Rys.3. Rodzaje stosowanych systemów odwodnieni zależnie od gruntów zalegających w podłożu [5]. Rys.4. Wykres do ustalania orientacyjnego zakresu stosowania niektórych instalacji odwadniających w gruntach jednorodnych [8]. 15

16 Wykres ten dotyczy odwodnienia powierzchniowego gruntów jednorodnych i wykopów średniej wielkości. W celu korzystania z wykresu należy: ustalić na osi odciętych punkt odpowiadaja.cy wartości wykładnika a dla gruntu zalegającego poniżej zwierciadła wody gruntowej, wystawić prostopadłą, do przecięcia z linią oznaczającą granicę stosowania odwodnienia powierzchniowego, odczytać na osi rzędnych wartość dopuszczalnego zagłębienia wykopu H wd poniżej zwierciadła wody gruntowej. W gruntach o budowie warstwowej należy ustalić najmniejszą dopuszczalną wielkość zagłębienia wykopu, odpowiadającą współczynnikowi filtracji poszczególnych warstw, z uwzględnieniem warstwy zalegającej poniżej projektowanego dna wykopu. Projektowane zagłębienie wykopu H wp należy liczyć od piezometrycznego poziomu zwierciadła wody gruntowej. Jeżeli H wp jest większe od H wd, to trzeba obniżyć poziom zwierciadła wody za pomocą odwodnienia wgłębnego. Do dokładniejszego ustalenia tych zakresów przy odwadnianiu podłoży jednowarstwowych (gdy k max : k min 20) służy rysunek 3. 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 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. 16

17 Tab.4. Podstawowe parametry pionowych instalacji depresyjnych [8] Sposób korzystania z rysunku 4 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 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, ze h=0,0, w pierwszym piętrze trzeba te instalacje zastąpić igłofiltrami z pompami próżniowymi lub dodatkowo przewidzieć odwodnienie powierzchniowe. 17

18 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 wgłębne, gdy wody ujmowane są za pomocą studni wierconych i wpłukiwanych, igłofiltrów lub igłostudni oraz odwodnienie mieszane, gdy w tym samym wykopie ze względu na warunki gruntowe lub organizację robót stosuje się odwodnienia powierzchniowe oraz wgłębne. W zależności od położenia dna wykopu lub dna studni w stosunku do stropu warstwy nieprzepuszczalnej, rozróżnia się: wykop lub studnię zupełną (dogłębną) - dno wykopu lub filtra studni odwadniającej sięga warstwy nieprzepuszczalnej, wykop lub studnię niezupełną (zawieszoną) - gdy głębokość zalegania warstwy wodonośnej jest większa od głębokości wykopu lub studni. Wody gruntowe w warstwach wodonośnych mogą w zależności od zasilania i układu warstw wodoszczelnych mieć zwierciadło swobodne lub napięte (zwierciadło wody pod ciśnieniem). W dużych dołach fundamentowych wykonanych w uwarstwionych gruntach o zróżnicowanych współczynnikach filtracji, zaleca się ustalenie współczynnika filtracji k na podstawie próbnego pompowania. W przypadku małych budowli, w nieskomplikowanych warunkach geologicznych, współczynniki filtracji można przyjmować jak do obliczeń orientacyjnych. Jeżeli podłoże wodonośne składa się z kilku warstw o różnych współczynnikach filtracji, dla 6 których stosunek 789 < 10, należy do obliczeń przyjąć średni ważony współczynnik filtracji 6 7:; z obliczonych na podstawie danych jednego lub kilku otworów badawczych. Średni współczynnik dla jednego otworu ustala się wg wzoru: gdzie: k 1 k n współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach, h 1 h n grubość poszczególnych warstw 18

19 Rys.5. 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. 19

20 Tab.5. Wzory na obliczanie wydatku studni depresyjnych przy swobodnym zwierciadle wody gruntowej [31] 20

21 Tab.6. Wzory na obliczanie wydatku innych studni depresyjnych L p. Rodzaj studni Schemat Wzory 1. studnia artezyjska Z h B = Q 2π ka ln x r 2π ka Q = (H h B ) ln R r 2. studnia częściowo artezyjska Z N = a N = Q πk ln x r O Q = π k(2ah an h B N 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 N z N = Q π k ln x r Q = π k(h B N H N ) ln R r 5. zespołowe działanie studni π k (H N Z N 4 ) Q = lnr 1 n ln (x O x N x b ) n ilość studni R = 575 S k H 21

22 Tab.7. Podstawowe rodzaje wykopów. Lp. Rodzaj Rodzaj wykopu 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: 22

23 1. jeżeli kształt dołu fundamentowego jest nieregularny w rzucie poziomym: r B = c d (L : B < 2 3) 2. jeżeli dół fundamentowy jest prostokątny: r B = η f3g h (L : B > 3) gdzie: r o umowny promień wielkiej studni m, F powierzchnia dołu ( w poziomie zwierciadła wody) m 2, L długość dołu m, B szerokość dołu m, η współczynnik zależny od stosunku B/L. B/L 0,01 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 η 1,0 1,12 1,16 1,18 1,18 1,18 Po obliczeniu r o dopływ wody można obliczyć wzorami: lub: Q O 1,36k (HN h N ) lg R + r B lgr B 1,36k Ms Q N lg R + r B lgr B 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. 23

24 Tab.8. Schematy i wzory do obliczania promieni depresji i promieni wielkiej studni. 24

25 Dopuszczalną prędkość wody do filtru lub obsypki drenarskiej określa się ze wzorów: - Sichardta V F = 40 k c m/d - Kusakina - Truelsena V F = 65 l k c 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 = l 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. 25

26 Jako zasadę należy przyjąć, że najpierw powinny być wykonywane obiekty wymagające największego obniżenia zwierciadła wody. Zasada ta może przynieść oszczędności, gdyż w zasięgu dużego leja depresyjnego mogą znaleźć się inne obiekty, dla których nie będzie niezbędne instalowanie specjalnych urządzeń odwadniających. Z uwagi na wiele założeń czynionych przy obliczaniu zasięgu leja, na ogół duże rozbieżności we współczynnikach filtracji, zmienną budowę geologiczną nie ujętą dokumentacją, wpływ czynnika czasu mogą wystąpić odmienne zjawiska niż przyjęte w obliczeniach. Z wymienionych względów wskazane jest, aby prowadzony był stały nadzór autorski projektanta odwodnienia wykopu nad przebiegiem odwadniania, zaś korekty wprowadzane były na bieżąco na podstawie doraźnych uzupełnień i zmian w projekcie, co może przyczynić się niekiedy do znacznego obniżenia kosztów pompowania i odwodnienia Wykopy fundamentowe obudowane ścianami szczelnymi. Opracowano na podstawie [34] Do zaprojektowania odwodnienia powierzchniowego wykopów w ścianach szczelnych konieczne jest, oprócz obliczenia natężenia przepływu, również wyznaczenie głębokości wbicia ścian szczelnych zapobiegających deformacjom podłoża, na którym posadowiona będzie przyszła budowla (rozluźnieniom gruntu, jego wyparciom, przebiciom hydraulicznym i innym czynnikom). W przybliżeniu, lecz z dostateczną dla celów praktyki dokładnością, wyznaczyć można obie szukane wielkości, tj. dopływ i głębokość wbicia ścian za pomocą wykresów Davidenkoffa, opracowanych na podstawie wyników badań na modelach analogowych. Wykop w ścianach szczelnych w akwenie - otoczony wodą powierzchniową i gruntową. Podstawowym schematem do obliczeń jest układ dwóch równoległych ścian szczelnych (rys. 6), dla którego na rysunku 7 podano potrzebne wykresy. Schemat ten służy także, po wprowadzeniu współczynników korekcyjnych, do obliczeń innych układów ścian w planie (koła, kwadratu, prostokąta). Dopływ jednostronny na 1 mb ściany szczelnej do wykopu dwustronnie równolegle ogrodzonego oblicza się ze wzoru: Rys.6. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych otoczonych wodą. [34] 26

27 Rys. 7. Wykresy do obliczeń wykopów otoczonych wodą wykonywanych między dwiema równoległymi ścianami szczelnymi. [34] Całą objętość dopływu oblicza się ze wzoru: gdzie L długość wykopu. {3} Współczynnik pewności, gwarantujący, że nie nastąpi wyparcie gruntu spod budynków, wyznacza się z zależności : gdzie: ρ - gęstość objętościowa gruntu pod działaniem wyporu, ρ w - gęstość wody, h, S 2 - jak na rys.6 gdzie: Φ I i Φ II współczynniki odczytane z wykresu na rys

28 Wartość współczynnika pewności F przyjmuje się w granicach od 1,5 do 2. Dla przyjętego współczynnika, oblicza się drogą prób głębokość wbicia ścian S 2 i wyznacza natężenie dopływu do wykopu. Dopływ wody na l m długości ściany i przez cała ścianę do wykopu kołowego o promieniu r oblicza się za pomocą wzoru korekcyjnego 0,8 do postaci:, przekształconego przez wprowadzenie Współczynnika Współczynnik pewności nie wystąpienia wyparcia gruntu F oblicza się za pomocą wzoru ze współczynnikiem korekcyjnym O O,m otrzymujemy: Wartość k, h, f, ρ ρ w, φ przyjmuje się jak we wzorach: i {1} Dopływ do wykopu kwadratowego oblicza się także ze wzoru {1}, lecz stosując współczynnik korekcyjny 0,75, a współczynniki pewności ze względu na wyparcie gruntu, różne dla środka boku kwadratu i jego naroża, ze wzoru {2} ze współczynnikami korekcyjnymi boku i O O,n O O,m {2} dla środka dla naroża. Jak z tego wynika, zagrożenie, przez wyparcie gruntu jest różne w różnych punktach obwodu ściany, przy czym największe jest ono w narożu, gdzie występuje najsilniejsza koncentracja strug. Z uwzględnieniem podanych uprzednio współczynników korekcyjnych dopływy do ogrodzonych wykopów kwadratowych średnio na 1 mb długości ściany oblicza się za pomocą wzoru: q = 0,75 khf i na całym obwodzie Q = 0,75 khf8b gdzie b jest połową boku kwadratu. 28

29 Współczynniki pewności ze względu na wyparcie będą w tym przypadku równe: Wartości φ bok i φ nar obliczone dla układu dwu ścian równoległych będą różne, jeżeli przyjmie się różne długości S 2bok, S 2nar (np. gdy chcemy by F bok = F nar ). Dopływy do wydłużonych wykopów fundamentowych długości L 20b oblicza się uwzględniając tylko dłuższe ściany i stosując wzory {1} i {3} bez współczynników korekcyjnych (gdy f 10 dopływ przez ściany poprzeczne długości 2b jest bardzo mały). No Współczynnik pewności oblicza się za pomocą następujących wzorów: - w środku ściany krótszej - w narożu - w środku ściany długiej jak dla wykopu fundamentowego między dwiema długimi równoległymi ścianami ze wzoru {2} bez współczynnika korekcyjnego: Ogrodzone wykopy fundamentowe wieloboczne. Odwodnianie takich wykopów oblicza się jak wykop kołowy w planie o promieniu: gdzie A jest polem dna wykopu. Wykop wieloboczny w planie ogrodzony ścianami szczelnymi wbitymi w warstwie o swobodnym zwierciadle wody. Oblicza się jak wykop kołowy o promieniu r obliczonym za pomocą wzoru {4}. Wykop o ścianach szczelnych w warstwie wodonośnej (otoczony gruntem). Sposób obliczeń jest zależny od kształtu wykopu. Występują tu następujące przypadki. {4} 29

30 Wykop między długimi w planie ścianami równoległymi w warstwie wodonośnej pod ciśnieniem (rys.8). Obliczenia odwodnień wykonuje się podobnie jak obliczenia odwodnień wykopów w akwenach za pomocą odpowiednich wzorów. Wykop między długimi w planie ścianami równoległymi wykonywany w warstwie ze swobodnym zwierciadłem wody (rys. 9). Obliczenia wykonuje się tak samo jak poprzednio. Wartości Φ I i Φ II f oraz q, Q, F oblicza się z odpowiednich wzorów. Otrzymane wartości są w tym przypadku mniej dokładne, ale z zapasem bezpieczeństwa. Rys. 8. Schemat obliczenia wykopu w ścianach szczelnych w warstwie z wodą o napiętym zwierciadle. [34] Wykop kwadratowy w planie ogrodzony ścianami szczelnymi wbitymi w warstwie wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody (schemat wymiarowy na rys.9). Współczynnik pewności ze względu na wyparcie gruntu w narożu oblicza się w taki sam sposób, jak dla ściany o rzucie Rys. 9. Schemat obliczenia wykopu w ścianach szczelnych w warstwie z wodą o swobodnym zwierciadle wody. [34] 30

31 kołowym, wyznaczając wartość φ z wykresu na rysunku 10 dla r = b. W celu wyznaczenia głębokości ściany w środku boków kwadratu wyznaczone dla naroży wartości φ zmniejsza się: - dwukrotnie (mnożnik 0,5) dla q - = 0,3, r - jednokrotnie (mnożnik 1) dla q - = 3, r - wg krotności interpolowanych dla 0,3 < q - < 3. r Współczynnik O potrzebny do wyznaczenia dopływu do wykopu interpoluje się między s wartościami odczytanymi z odpowiednich wykresów. Obwód kwadratu równy jest 8b. Rys.10. Wartości φ dla S 1 /T 1 i 0,8 dla naroży kwadratowych. [34] Wykop prostokątny w planie ogrodzony ścianami szczelnymi wbitymi w warstwie o swobodnym zwierciadle wody - f No 10. Głębokość wbicia S 2 brusów długiej ściany szczelnej wyznacza się tak, jak dla wykopu ogrodzonego dwiema długimi ścianami równoległymi w planie, za pomocą wykresów. Tak samo wyznacza się całkowity dopływ do wykopu, pomijając jako nieistotne dopływy przez dwa poprzeczne krótkie boki. Głębokość wbicia brusów ściany szczelnej w narożu wyznaczać można tak, jak dla kwadratu o boku 2b, korzystając z wykresu na rysunku Odwodnienie wgłębne Studnie, igłostudnie i igłofiltry są najczęściej w praktyce stosowanymi urządzeniami do odwodnień czasowych. Natężenie dopływu do tych urządzeń zależy, jak wynika z podanych dalej wzorów, od następujących czynników: współczynnika filtracji k, położenia wykopu w stosunku do przyległego akwenu (wykop lądowy, brzegowy, nurtowy), położenia granic zasilania i obszaru filtracji, układu warstw podłoża, w szczególności położenia stropu i spągu warstwy wodonośnej oraz obniżonego i nie obniżonego zwierciadła wody, 31

32 dogłębienia lub niedogłębienia studni, wymiarów filtrów (średnicy, długości) i ich położenia (filtry zatopione lub nie zatopione). Do zaprojektowania studni konieczna jest znajomość wymienionych czynników. Większość informacji na ten temat uzyskuje się z pomiarów topograficznych oraz z badań geologicznych i hydrogeologicznych podłoża, przy czym dokładność tych informacji może być różna. Dane topograficzne określające położenie układu odwadniającego w stosunku do akwenu oraz dane uzyskane z rysunków budowlanych (wymiary i kształty wykopu) są na ogół dostatecznie dokładne z wyjątkiem przypadków, gdy w istniejącym układzie rowów i małych strumieni trudno wyodrębnić cieki tworzące granice zasilania (zlewni). Układ warstw podłoża, ich granic oraz położenie zwierciadła wód gruntowych i ich ciśnień w stanie naturalnym określane są podczas badań geologicznych i hydrogeologicznych podłoża, prowadzonych w kilku lub w kilkunastu punktach przez krótki okres. Informacje uzyskane w ten sposób są lub powinny być dosyć dokładne w miejscu otworów badawczych i pobranych prób, a na całym pozostałym obszarze są wynikiem interpretacji - najczęściej interpolacji liniowej. Charakteryzują one dość dokładnie te położenia zwierciadeł wód, które zaobserwowano w okresie badań, ale nie zawsze niestety mogą dać wiarygodne informacje o położeniach ekstremalnych i długoletnich średnich oraz o zmienności stanów w czasie. Gdy dysponuje się, jak to się najczęściej zdarza, tylko takimi jak omówiono danymi, niezbędne jest ostrożne określanie wymiarów i zdolności odwodnieniowej projektowanych instalacji, a w szczególności stosowanie zapasów bezpieczeństwa i rezerw na podstawie doświadczenia i zdrowego rozsądku projektanta oraz wykonawcy robót. Jeżeli w toku badań podłoża nie udało się sięgnąć do spodu warstwy wodonośnej, przyjmuje się, że położony on jest na dolnej granicy tzw. strefy czynnej, z której następuje liczący się dopływ wody do studni. Miąższość strefy czynnej, równa wysokości hydraulicznej Ha nie obniżonego zwierciadła wody gruntowej (głębokości dolnej granicy strefy czynnej pod tym zwierciadłem), określana jest za pomocą wzoru: Tabela 9. Wartość współczynnika α Strefę czynną uwzględnia się w obliczeniach również wtedy, gdy badania określą spąg warstwy wodonośnej, lecz jest on położony niżej niż dolna granica tej strefy, określona za pomocą powyższego wzoru. Przyjmuje się wówczas, że granica ta jest obliczeniowym spągiem odwadnianego obszaru. Aby określić miąższość H o strefy czynnej, trzeba znać depresję przy studni S s i długość czynną filtru l f. 32

33 Obie te wartości na początku rachunku zakłada się, a następnie sprawdza. Sprawdzenie polega na stwierdzeniu, czy otrzymane z rachunku S s i ostatecznie przyjęte l f dają wstępne założenie H o i dodatkowo na porównania długości czynnej filtru z jego długością dopuszczalną, tzn. taką, przy której prędkości wlotowe wody na filtrze nie przekroczą prędkości dopuszczalnej wyznaczonej za pomocą wzoru: gdzie k i ν d w m/dobę. Przy dopływie q do jednej studni o promieniu filtru r długość dopuszczalna filtru będzie równa: gdzie: q - dopływ do studni, m/d, r - promień zewnętrzny filtru. [m] Obliczenie długości l d wymaga znajomości dopływu q, który określić można znając l f l d. Całe zadanie rozwiązywać więc trzeba metodą kolejnych przybliżeń. Zakładając do obliczeń długość filtru i jego położenie wysokościowe, dobrze jest kierować się następującymi wskazówkami: długość czynna filtru nie powinna być mniejsza niż 3 (lepiej 4) m, górna krawędź filtru powinna być położona wyżej niż zwierciadło wody w studni o wysokość różnicy położenia zwierciadeł wód w studni i w gruncie przy filtrze, poniżej dolnej krawędzi filtru należy przewidzieć rurę podfiltrową o długości co najmniej 2 m. Straty na filtrze wyznacza się za pomocą wzorów: dla studni dogłębionych za pomocą wzoru : gdzie: - dla liniowych układów studni 33

34 - dla pierścieniowych układów studni gdzie: α = 20, r - promień koła zastępczego wielkiej studni, [m], ϭ - połowa rozstawy studni w rzędzie, [m], n - liczba studni w pierścieniu, F - powierzchnia czynna filtru, [ m 2 ] straty na filtrze dla studni niedogłębionych oblicza się za pomocą wzoru: Odwodzenia studniami i igłofiltrami obliczać należy metodą kolejnych przybliżeń, dla kilku wariantów rozwiązań różniących się liczbą studni oraz długością i położeniem wysokościowym filtrów. Studnie rozmieszcza się przeważnie w jednakowych odstępach na obwodzie wykopu. Od zasady tej odstąpić można, jeżeli ocenia się, że w części odwadnianego wykopu występują inne niż poza nią współczynniki filtracji, warunki zasilania lub drenowania, wpływające na wyraźną nierównomierność dopływu na obwodzie instalacji odwadniającej. Tak np. w wykopach nurtowych zwiększa się liczbę studni od strony zasilania z akwenu, rozstawiając je w odstępach od półtora do dwukrotnie mniejszych niż po stronie zasilanej od lądu Odwodnienia wykopów w warstwie o swobodnym zwierciadle wody. Wykopy okrągłe. Natężenie dopływu wody Q do zespołu studni, liczbę studni n oraz wielkość depresji przy studni S s obliczyć można za pomocą podanych niżej wzorów ważnych dla wykopów, które sprowadza się do schematu wielkiej studni o promieniu r o : gdzie: Q - natężenie dopływu do zespołu wszystkich studni, [ m 3 /s, rn 3 /d], q - jw., lecz do jednej studni; [ m /s m, m 3 /d m] 34

35 n - liczba studni, H o, S o -wg rys. 11 i 12 [m] R - promień zasięgu depresji obliczany za pomocą wzoru r o - promień wielkiej studni, k - współczynnik filtracji, [ m/s, m/d], ξ - współczynnik niezupełności studni lub niepełnego zafiltrowania uwzględniany w obliczeniach tylko, gdy spód filtrów studni położony jest wyżej niż 2 m spągiem warstwy wodonośnej. Rys.11. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w warstwie o swobodnym zwierciadle wody studniami niedogłębionymi (linie przerywane) z filtrami nie zatopionymi: 1-zwierciadło wody nie obniżone, 2- jak 1, lecz obniżone, 3-spąg warstwy wodonośnej lub granica strefy czynnej. [34] Rys. 12. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w warstwie o swobodnym zwierciadle wody studniami niedogłębionymi lub dogłębionymi (linie przerywane) z filtrami zatopionymi 1 - zwierciadło wody nie obniżone, 2 - jak 1, lecz obniżone, 3 - spąg warstwy wodonośnej lub dolna granica strefy czynnej. [34] Wartość l oblicza się za pomocą wzoru: l = l s + S / S B 2 gdzie: l f długość czynna filtru, która nie powinna być mniejsza niż jego długość dopuszczalna l d 35

36 Wykopy długie. Wykopy te zwane także liniowymi wykonywane są zwykle w celu ułożenia rurociągów lub kabli. Charakteryzują je duże wartości ilorazu l/b (gdzie l - długość, b - szerokość wykopu) przekraczające znacznie więcej niż dziesięciokrotnie umowną granicę l/b = 5. Krajowe zalecenia nie zawierają wskazówek, jak obliczać odwodnienie takiego wykopu, zaleca się stosowanie do ich obliczenia rozpowszechnioną obecnie metodę oporów hydraulicznych. Dopływ do zainstalowanych w warstwie o swobodnym zwierciadle wody studni niedogłębionych obliczać można za pomocą wzorów : - dla rzędu studni długości l: - dla wykopu (rzędu studni) długości równej 1 m dopływ jednostronny będzie równy: gdzie: k - współczynnik filtracji, [ m/d], h - średnia głębokość warstwy wodonośnej na długości dopływu do przekroju x-x, S x - depresja w przekroju obliczeniowym x - x, w którym zadane jest wymagane obniżenie zwierciadła wody, [ m], H i y x - wysokości hydrauliczne odpowiednio nie obniżonego i obniżonego zwierciadła wody gruntowej w przekroju x - x, w którym mamy depresję S x [ m], R - promień zasięgu depresji, [m], S s - depresja przy studni, [ m], x -odległość od osi studni do przekroju x-x. Rys.13. Schemat obliczenia odwodnienia studniami wykopu liniowego. [34] 36

37 Z równania po rozwiązaniu względem S x otrzymujemy: Podstawiając do wzoru R otrzymujemy zależność wiążącą wartości S x i S s co umożliwia znalezienie S s, gdy zadane jest S x. Jeżeli w odległości L< R od rzędu studni mamy granicę zasilania, podstawia się L zamiast R. Aby ustalić długość filtru, trzeba znać obustronny dopływ jednostkowy do rzędu studni oraz odstępy między studniami. Jeżeli przyjmiemy, że warunki zasilania z obu stron studni są takie same (chyba że z lewej strony mielibyśmy nie R a L) dopływ z lewej strony ich rzędu będzie taki, jak z prawej, tzn. jednostkowy dopływ obustronny q będzie równy 2q. (gdzie q dopływ jednostronny). A zatem, jeżeli odstęp między studniami będzie równy a, dopływ na tej długości wyniesie: Q = σq Dopuszczalna długość filtru l d przy v d = 65 l k będzie równa: gdzie r - promień studni. Opory Φ, które powodują, że zwierciadło wody w studni ułoży się niżej niż w gruncie (na zewnątrz), wyznacza się jako sumę: Φ = Φ s + Φ n gdzie: Φ s - opory bez uwzględnienia niedogłębienia studni, wyznaczane z zależności: r -promień studni, n - odstępy między studniami, ϭ - opory dodatkowe ze względu na niedogłębienie studni. Opory dodatkowe Φ n oblicza się ze wzoru ważnego dla warstwy wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody (dla warstwy pod ciśnieniem zamiast l f podstawia się l f ) gdzie: - dla warstwy wodonośnej o swobodnym zwierciadle 37

38 - dla warstwy wodonośnej pod ciśnieniem l f - długość filtru zanurzonego pod zwierciadłem wody w studni (y w ), długość ta nie powinna być mniejsza niż długość l d 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, e - współczynnik odczytywany dla warstwy wodonośnej o swobodnym zwierciadle wody Wartość c przyjmuje się na podstawie rys. 14 a. Po wyznaczeniu Φ n oblicza się: Rys.14. Wykresy wartości c : 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 38

39 Obliczenia niezbędne do zaprojektowania odwodnienia wykopu liniowego studniami dogłębionymi w warstwie o swobodnym zwierciadle wody wykonać można także stosując następujące wzory: - do obliczeń dopływu do studni pojedynczej działającej w zespole szeregowym: gdzie: q - dopływ do pojedynczej studni; [m 3 /d, m 3 /s], k - współczynnik filtracji; [m/d, m/s], sh - sinus hiperboliczny, H - wysokość hydrauliczna nie obniżonego zwierciadła wody, [m], h - średnia wysokość hydrauliczna zwierciadła wody na zewnątrz wszystkich studni,[m], (h = H S) gdzie S - średnia depresja przy studniach, R - promień zasięgu depresji [m], r - promień studni, [m], σ -odstępy między studniami, [m], - do obliczenia wysokości hydraulicznej powierzchni depresji w wybranym punkcie przy założeniu jednakowego dopływu do wszystkich studni wzór: gdzie: z 1 - szukana wysokość hydrauliczna w interesującym nas punkcie, np. w układzie pokazanym na rysunku 15, będą to kolejno punkty A, B do G,H oraz dla położonych na drugiej połowie wykopu symetrycznie do A, B, C... G punkty A', B,C... G ; dla każdego z punktów A do H znajduje wartość z 1, z 2 - wysokość hydrauliczna znana (lub założona) w innym punkcie niż ten, w którym określiliśmy wysokość z 1, x 1, x 2, x 3... x n - odległości punktów, w których szukamy z 1 od osi poszczególnych studni, będą to więc odległości punktów A,B...G (gdy układ jest niesymetryczny także punktów A', B... G') od osi studni 1, 2 do n; na rysunku 15 pokazano wartości x 1, x 2,x 3, x 4 dla punktu A (w układzie niesymetrycznego rozmieszczenia 8 studni lub 15 punktów A, B... G, H... G'... B równań tych byłoby 15); x 1, x 2,... x n - odległości od osi kolejnych studni do punktu o założonym położeniu zwierciadła wody, za który na rysunku 15 przykładowo przyjęto punkt położony na zewnątrz studni 4 od strony studni. na prostej biegnącej przez osie wszystkich studni. W dalszym ciągu wyznacza się wysokości hydrauliczne zwierciadła wody przy studniach 1,2... n, przyjmując jako znane obliczone uprzednio wysokości hydrauliczne najbliżej położonych punktów kontrolnych A,C,E,G ( odpowiednio parami dla studni 1 punkt A, dla studni 2 punkt C itd.) {5} 39

40 Rys.15. Schemat obliczenia odwodnienia wykopu długiego w warstwie o swobodnym zwierciadle wody studniami dogłębionymi: a - plan, b - przekrój podłużny, c- przekrój poprzeczny I I. [34] Wzór {5} zapisuje się wówczas w postaci : gdzie: z 2 - szukana wysokość hydrauliczna przy danej studni 1,2 itd., z 1 - punkt o znanej wysokości hydraulicznej, za który przyjmuje się punkt najbliższy z oznaczonych literami A, B... B, A' (np. A dla studni 1, C dla studni 2), x A, x C, x E, x C, x A - odległości punktu o znanej wysokości hydraulicznej od osi poszczególnych studni; na przykład na rysunku 15, gdy szukamy wysokości przy studni 1, a za znaną przyjmujemy wysokość hydrauliczną w punkcie A, x A x C, x E, x G, x C, -odległości punktu o szukanej wysokości hydraulicznej od osi poszczególnych studni; np. gdy szukamy zwierciadła wody przy studni 1, będziemy mieli x A = r itd., gdzie ϭ jest odległością między dwiema sąsiednimi studniami. Po obliczeniu położenia zwierciadła wody przy studni sprawdza się, czy jego położenie średnie odpowiada przyjętej średniej wysokości hydraulicznej h. Jeżeli przyjęta wysokość różni się więcej niż około 0,5 m, obliczenia trzeba skorygować, podobnie jak wtedy, gdy sprawdzenie długości filtru wg wzoru dałoby wynik niezadowalający. 40

41 3.11. Obniżanie ciśnienia wody w warstwie wodonośnej o napiętym zwierciadle wody. Studnie rozłożone na obwodzie sprowadzonym do koła. Obniżenie ciśnienia w położonej pod dnem wykopu warstwie z wodą o napiętym zwierciadle stanowi podstawowy element osuszenia samego dołu, który wymagać może dodatkowo, w zależności od układu warstw masywu ograniczonego skarpami wykopu, odwodnienia powierzchniowego, drenaży poziomych, igłofiltrów lub innych środków technicznych. Natężenie dopływu Q do zespołu zainstalowanych w niej studni oraz depresję S s w tych studniach obliczać można za pomocą następujących wzorów: - dla wykopu lądowego: gdzie: H o, S o,, m -.jak na rysunkach 16 i 17,, ξ - współczynnik niezupełności studni (niepełnego zafiltrowania) odczytywany z tabeli dla filtrów nie zatopionych oraz tabeli dla filtrów zatopionych w zależności od stosunków u, v, 5 ; v r v - dla wykopu brzegowego: 41

42 Rys.16. Schemat obliczenia obniżenia ciśnienia w warstwie o napiętym zwierciadle wody studniami niedogłębionymi i dogłębionymi (linie przerywane); filtry nie zatopione: 1 - zwierciadło wody nie obniżone, 2- jak 1, lecz obniżone, 3 - jak 2, lecz w gruntach ulegających rozluźnieniu, 4, 5-strop i spąg warstwy wodonośnej.[34] - dla wykopu : Rys. 17. Schemat obliczenia obniżenia ciśnienia w warstwie o napiętym zwierciadle wody studniami niedogłębionymi i dogłębionymi (linie przerywane); filtry zatopione: 1. -zwierciadło wody nie obniżone, 2- jak /, lecz obniżone, 3- jak 2, w gruntach ulegających rozluźnieniu, 4,5-strop i spąg warstwy wodonośnej. [34] 42

43 gdzie: R o - odległość od środka wielkiej studni do najbliższego zwierciadła wody zewnętrznej na skarpie grodzy. Wykopy długie nad warstwą wodonośną o napiętym zwierciadle wody. Podobnie jak dla warstwy o swobodnym zwierciadle - przypadek 2 (wykopy długie) zasady obliczeń jak przy zastosowaniu metody oporów hydraulicznych. Dopływ do zainstalowanych studni odciążających w warstwie podścielającej o napiętym zwierciadle wody obliczyć można w następujący sposób: - dla rzędu studni długości l za pomocą wzoru we wzorze tym zamiast h = 0,5(H + y x ) podstawia się h = m, tzn. miąższość warstwy podścielającej (rys. 18), - dla wykopu (rzędu studni) długości równej 1 m gdzie: k - współczynnik filtracji, [m/d], S x depresja w przekroju obliczeniowym, w którym zadane jest wymagane obniżenie ciśnienia w warstwie podścielającej, [m], x - odległość od osi studni do przekroju x - x, R - promień zasięgu depresji Rys. 18. Schemat obliczenia obniżenia ciśnienia w warstwie o napiętym zwierciadle wody pod długim wykopem. [34] 43

44 Z równanie tego otrzymujemy: a po podstawieniu R : Za pomocą wzoru powyższego oblicza się wartość depresji S s przy studni dla zadanego S x. Jeżeli w odległości L < R od rzędu studni znajduje się granica zasilania, zamiast R należy podstawić L. Długość filtru wybiera korzystając (przy jednakowym z obu stron dopływie q' do studni dopływ do obliczenia długości filtru q = 2q'ϭ; gdzie ϭ - odstęp studni) Opory Φ, które powodują, że zwierciadło wody w studni ułoży się niżej niż na zewnątrz niej, wyznacza się za pomocą wzorów : gdzie: r promień studni, σ odstępy między studniami, ε współczynnik odczytywany z wykresu. Wartość Φ oblicza się: gdzie: S w depresja w studni. 44

45 3.12. Przykład konstrukcji projektowanego odwodnienia pionowego. Rys. 19. Przykład konstrukcji zarurowania otworu ( rura nadfiltrowa, część czynna i rura podfiltrowa) [35] 45

46 3.13. 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 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, sufozją 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. 46

47 Rys.20. 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: w µ = 0,117 k w 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 / = q = 6, y y Przewodność: z,zzzo{ N{ = = z,zzmn{ = 0,0222 m N z,o } z,o } s = 79,88 m 2 /h = 1917,12 m 2 /d T = 0,00375 m 2 /s = 324 m 2 /d. Obniżenie po upływie 18 miesięcy tj. po 550 dobach wyniesie przy wydajności studni Q: 47

48 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 48

49 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 49

50 3) Osiadanie całkowite od przyrostu naprężenia: Osiadania są bardzo małe, nie groźne dla budynku mieszkalnego Obliczenia wystarczy prowadzić do głębokości 8 12 m poniżej zwierciadła wody gruntowej. a) b) c) Rys.21. Definicje przemieszczeń fundamentów wg PN-EN [13] a) osiadanie s, różnica osiadań δ, obrót θ, odkształcenie kątowe α; b) strzałka wygięcia, wskaźnik wygięcia /L: c) przechylenie ɷ, obrót względny (przemieszczenie kątowe) ß. 50

51 Tab.10. Wartości graniczne miar przemieszczeń i odkształceń dla budynków wg PN-EN Wykopy komunikacyjne W zależności od głębokości oraz kąta nachylenia ścian wykop jest wykonywany ze skarpami lub w obudowie. Obudowa wykopu może być usunięta po zakończeniu robót w wykopie (obudowa tymczasowa) lub pozostawiona w gruncie (obudowa trwała). Pochylenie skarp wykopu zgodnie z Rozporządzeniem (Dz.U. nr 43) powinno wynosić: dla dróg klasy A i S - 1:3, gdy wysokość skarpy wykopu nie przekracza 1 m, 1:2 przy wysokości od 1 do 2 m lub 1:1,5, gdy wysokość skarpy wykopu wynosi więcej niż 2 m do 8 m, dla dróg klasy GP i niższych 1:1,5. Pochylenie skarp wykopu może zostać zmniejszone, gdy nie występuje żaden z poniższych przypadków): skarpa wykopu ma wysokość większą niż 8 m, skarpa wykopu ma wysokość większą niż 6 m, a zbocze ma pochylenie nie większe niż 1:3, wykop jest wykonany w gruncie wymagającym szczególnych procedur technicznych i technologicznych. W razie występowania któregoś z powyższych przypadków pochylenie skarpy i konstrukcja urządzeń wzmacniających powinna być ustalona na podstawie obliczeń stateczności. Skarpy podtorza linii kolejowej w wykopie powinny mieć nachylenie zapewniające ich stateczność. W przypadku podtorzy kolejowych biegnących w przekopach o głębokości przekraczającej 5 m stosuje się łagodniejsze nachylenie w dolnych partiach skarpy lub odsadzki. Podłoże gruntowe wykopów powinno posiadać zagęszczenie zgodne z wymaganiami normy PN-S-02205:1998 (rys.22). Tab.11. Typowe nachylenia skarp podtorza w wykopie Grunt podtorza Nachylenie skarpy podtorza Uwagi Grunty piaszczyste i piaszczystogliniaste, kamieniste, żwirowe, pospółki 1:1,5 1) 1) dla gruntów suchych gliniastych, zeskalonych piasków itp. Przy głębokości przekopu do 8 m - 1:1,25, przy głębokościach większych - 1:1,5 2) Lessy w rejonach bardzo suchych Od 1:0,1 do 1:0,5 2) sprawdzić stateczność w warunkach nawodnienia Skały odporne na wietrzenie (lite i mało spękane) 1:0,2 - jw. lecz łatwo wietrzejące Od 1:0,5 do 1:1,5-51

52 - wartość E2 na powierzchni warstwy Sp - grunt spoisty Nsp - grunt niespoisty Rys.22. Wymagane wartości wskaźnika zagęszczenia I s i wtórnego modułu odkształcenia E2 w podłożu wykopów (PN-S-02205:1998) Wykonywanie wykopów podczas budowy dróg samochodowych lub linii kolejowych może powodować podcięcia naturalnych stoków. Wiąże się to z kolei z ryzykiem powstania lub uaktywnienia ruchów mas gruntów. W szczególności wykonywanie wykopów powoduje zmiany parametrów i zjawiska opisane wyżej. Skutki wykonywania wykopów w aspekcie zagrożenia osuwiskowego zależą nie tylko od pierwotnej i wtórnej ( po wykonaniu wykopów) konfiguracji terenu, ale także od budowy litologicznej. Niskie wartości kąta tarcia wewnętrznego takich gruntów jak iły, iłołupki z wietrzeliny gliniastej powodują, że trudno jest utrzymać stateczność skarpy nawet przy ich nachyleniu 1 : 3. Podobną uwagę można poczynić w przypadku konsekwentnego uławicenia łupków lub ich podatności na wietrzenie. W wymienionych przypadkach łatwo powstają spływy, obrywy i osuwiska. Generalnie elementy morfologii osuwiskowej ograniczają się do górnej strefy odrywania i dolnej strefy nagromadzenia przemieszczonych gruntów. Koryto osuwiska jest najczęściej tak krótkie, że trudno je wyodrębnić. Zasięg ruchu mas gruntu jest na ogół ograniczony do wykonywanej skarpy. Tylko w wyjątkowych przypadkach zasięg ten może obejmować znaczną część zbocza Ocena stateczności skarp i zboczy Problem zabezpieczenia przed osuwiskami można rozpatrywać w dwóch różnych stanach : gdy osuwisko się uaktywniło, osuwisko nie jest aktywne, ale potencjalnie możliwe. W pierwszym przypadku problem jest oczywisty, natomiast w drugim przypadku konieczna jest ocena stanu zagrożenia. 52

53 Można się posłużyć współczynnikiem stanu równowagi F, obliczanym ze wzoru: F = ΣU O ΣZ O gdzie: U 1 uogólnione siły utrzymujące, wywołane tarciem i spójnością materiału, Z 1 uogólnione siły zsuwające wywołane siłami grawitacji, siłami filtracji oraz obciążeniami zewnętrznymi. Ze względu na postać powierzchni poślizgu można wyróżnić : 1. Przypadki predysponowane budową geologiczną, gdy powierzchnia poślizgu jest w zasadzie ustalona i obliczenia można prowadzić wg tej określonej powierzchni, 2. brak jest predyspozycji, a ze względu na jednorodność gruntów budujących masywy zbocza lub podobieństwa cech wytrzymałościowych gruntów, analizę stateczności prowadzi się metodami, z których oblicza się najniekorzystniejszą kołowo cylindryczną powierzchnię poślizgu. Obliczenie stateczności zboczy i skarp w przypadku możliwości przyjęcia założenia płaskiego stanu odkształceń sprowadza się do sprawdzenia warunku równowagi rzutów sił i przybiera postać nierówności, w której siła utrzymująca (T) powinna być większa od siły zsuwającej (S). Rys.23. 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. 53

54 W przypadku gruntów spoistych określenie bezpiecznego nachylenia skarp jest trudniejsze. Przykład według (Z. Wiłun): Wysokość pionowego odcinka: Z nomogramu (Rys.10) dla z i Φ F otrzymuje się x = 15,2 m 54

55 Rys.24. Nomogram wg Sokołowskiego.[22] W zależności od kąta nachylenia płaszczyzny osłabienia w stosunku do płaszczyzny stoku i kąta tarcia rozpatrywać można różne przypadki. Mechanizmy przemieszczania mas skalnych i zasady obliczeń stateczności w różnych przypadkach budowy geologicznej można uporządkować następująco: 1. jeśli warstwy zapadają się w kierunku zbocza, stateczność zbocza zależy wyłącznie od układów warstwowych i parametrów wytrzymałościowych tych układów; należy niezależnie rozpatrywać stateczność zbocza dla obu układów powierzchni osłabienia zbocza kontaktów warstw i kontaktów szczelin, 2. jeśli warstwy zapadają się w kierunku zbocza, stateczność zbocza zależy wyłącznie od orientacji szczelin poprzecznych i wytrzymałości na ścinanie wzdłuż tych płaszczyzn, 3. mechanizmy zsuwania i obrotu odbywających się łącznie należy rozpatrywać, jak w przypadkach dla gruntów nieskalistych. Przy niezbyt wysokich zboczach, tzn. niedużych wartościach naprężeń normalnych, można założyć, że kąt tarcia wewnętrznego masywu skalnego jest równy kątowi tarcia na płaszczyznach spękań lub płaszczyznach kontaktów warstw. W przypadku ogólnym wartość kąta tarcia wewnętrznego masywu skalnego zależy od : szorstkości szczelin, rozstawu szczelin, ciągłości szczelin, wytrzymałości materiału, z którego zbudowany jest masyw, rozwarcia i wypełnienia szczelin. 55

56 Wartości kąta tarcia i spójności określa się najczęściej w badaniach bezpośredniego ścinania w terenie lub w laboratorium. Gdy budowa geologiczna nie pozwala na przyjęcie płaskiej powierzchni poślizgu obliczenia należy prowadzić przyjmując wynikający z pomiarów model budowy. 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 na przyjętej metodzie 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. Zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 25 na masyw potencjalnego osuwiska w ogólnym przypadku działają trzy siły, a mianowicie: Q wypadkowa sił pochodzących od ciężaru gruntu, od obciążeń zewnętrznych i ciśnienia spływowego, P wypadkowa reakcji podłoża na powierzchni poślizgu, S wypadkowa sił oporu tarcia i spójności, działających wzdłuż powierzchni poślizgu. Rys.25. Uogólnione siły działające na masyw osuwiska [12]. Z analizy stosowanych w praktyce metod obliczeniowych wynika, że każda z nich niezależnie od przyjętego modelu ośrodka gruntowego, mechanizmu osuwiska i sposobu rozwiązania, sprowadza się do wyznaczenia tycz sił i określenia wynikającego stąd zapasu bezpieczeństwa w zboczu. Takie podejście daje zadowalające wyniki przy rozwiązywaniu większości problemów inżynierskich, tym niemniej należy liczyć się z przypadkami, w których zastosowanie konwencjonalnych metod obliczeniowych może prowadzić do istotnych błędów i stanowić zagrożenie stateczności zbocza. Specjalnego potraktowania w analizie stateczności zboczy 56

57 wymaga między innymi, zjawisko postępującego niszczenia zbocza i wpływ drgań sejsmicznych. Postępujące niszczenie może rozwinąć się w zboczach zbudowanych z prekonsolidowanych lub spękanych iłów, jak również w tych zboczach gdzie istnieją powierzchnie osłabienia, będące pozostałością dawnych ruchów osuwiskowych. W takich przypadkach stwierdzono powstawanie osuwisk, mimo to że analiza stateczności wykazała istnienie odpowiedniego zapasu bezpieczeństwa. 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, 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 sił poziomych, umożliwia obliczenie dla dowolnej powierzchni poślizgu. Barera-Garbera i 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 Metody wykonania wykopów komunikacyjnych Znane są trzy metody wykonywania wykopów: czołowa (a), warstwowa (c) i boczna. Strzałki na rysunku wskazują kierunek postępu robót. 57

58 Metoda czołowa polega na wykonaniu wykopu od razu do pełnej jego głębokości, prowadząc roboty od jednego lub jednocześnie od obu wylotów wykopu. Odmianą metody czołowej jest metoda czołowa piętrowa, przy której prowadzone są roboty jednocześnie na dwóch lub więcej poziomach (b). Przy metodzie w arstwowej zbiera się grunt warstwami z całej szerokości wykopu i z całej lub z części jego długości. Metoda boczna polega na wykonaniu wąskiego przekopu roboczego na całą długość i pełną głębokość wykopu. Metoda boczna ma odmianę nazywaną metodą boczną piętrową. Różni się ona tym od zwykłej metody bocznej, że przekop wykonuje się nie na pełną głębokość wykopu, a płytszy i dopiero w miarę postępu robót się go pogłębia. Wybór metody wykonania wykopu jest uzależniony od środków, jakimi wykonuje się roboty ziemne i do pewnego stopnia od ukształtowania terenu Odwadnianie wykopów komunikacyjnych Realizacja wykopowych robót ziemnych wiąże się między innymi z zabezpieczeniem wykopu przed napływem wód opadowych oraz gruntowych. Na skutek przesączania się przez skarpy odsłoniętych warstw wodonośnych może dojść do utraty stateczności skarpy. Odwadnianie jest realizowane zgodnie z (PN-S-02205:1998): wykonywanie wykopu w kierunku podnoszenia się niwelety, ujęcie wód opadowych za pomocą rowów, ujęcie wód gruntowych za pomocą drenów, odprowadzenie wód poza teren robót. W normie PN-S-02204:1997 wyróżnia się następujące rodzaje rowów: -przydrożny - odprowadzający wodę opadową spływającą z pasów drogowych; wykonywany w formie rowu trapezowego, trójkątnego lub opływowego, stokowy - trapezowy rów zabezpieczający skarpę przed rozmyciem na skutek spływów powierzchniowych; odpływowy - łączący rów przydrożny z rowem stokowym lub odbiornikiem. 58

59 Rys.26. Usytuowanie rowów w obrębie drogi; 1- nawierzchnia, 2-rów boczny, 3-skarpa boczna, 4-skarpa rowu stokowego Najmniejszy dopuszczalny spadek dna rowów wynosi 0,2 lub 0,1 % na odcinkach nieprzekraczających 200 m. Wartości maksymalne zależą od rodzaju gruntu, w którym jest wykonany dno rowu oraz umocnienia dna i skarp rowu. W przypadku gdy spadek dna rowu przekracza 15%, są stosowane bystrotoki lub kaskady. Budowa ciągów komunikacyjnych łączy się często z wykonywaniem głębokich wykopów o pionowych ścianach, np. pod posadowienie podpór obiektów mostowych czy wykopów towarzyszących wykonywaniu tuneli drogowych lub kolejowych. Realizacja głębokich wykopów wiąże się z zagrożeniem występowania odkształceń podłoża gruntowego w bezpośrednim sąsiedztwie. Największe przemieszczenia pionowe powierzchni terenu występują w strefie o szerokości od 0,5 do 0,75 H. Przyczyną występowania odkształceń są: zmiany stanu naprężenia i odkształcenia w gruncie, związane z przemieszczeniami obudowy wykopu, odkształcenia podłoża gruntowego powstałe w wyniku jego odciążenia wykopem, a następnie obciążenia nową konstrukcją osiadania powierzchni terenu spowodowane obniżeniem zwierciadła wody gruntowej Stosowanie obudowy wykopu ma na celu zabezpieczenie jego ścian przed utratą stateczności 4. 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 59

60 miejsca w gruncie lub mogą być wyniesione poza jego obszar. W rezultacie sufozji powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość wody. Z kolei woda o większej prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy przebicia hydraulicznego. Sufozja występuje w gruntach sypkich, przede wszystkim różnoziarnistych. W gruntach spoistych sufozja nie występuje, co tłumaczy się małą wielkością porów, przez które nie mogą przecisnąć się oderwane od szkieletu agregaty (bryłki) cząstek ilastych. Wyparcie gruntu jest to zjawisko polegające na przesunięciu wszystkich cząstek pewnej objętości gruntu podłoża w kierunku ruchu wody. Wskutek wyparcia grunt ulega rozluźnieniu, a jego właściwości - pogorszeniu. Wyparcie występuje na ogół w sposób nagły. Przebicie hydrauliczne są to odkształcenia gruntu polegające na utworzeniu się ciągłego przewodu (kanału) w podłożu, wypełnionego wodą lub gruntem o naruszonej strukturze ( w końcowej fazie zjawiska zawiesiną) i łączącego miejsca o wyższym i 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 60

61 kapilarnych. Proces odprężenia intensyfikuje się, gdy składowe naprężenia stycznego zbliżają się do wartości granicznych. Gliny zalegające powyżej zwierciadła wody w przypadku gdy zachodzi ich zawilgocenie, zawsze zmniejszają swoje właściwości wytrzymałościowe wskutek odprężenia, rozpuszczania związków cementujących i utraty napięcia powierzchniowego. Piaski i żwiry Praktycznie nie zmieniają swych własności wytrzymałościowych na ścianie pod wpływem nawodnienia lub odwodnienia. Natomiast ciśnienie hydrodynamiczne może powodować zmniejszenie sił tarcia wewnętrznego tych gruntów, co mylnie częstokroć bywa utożsamiane z występowaniem kurzawek (tzw. płynny piasek). W istocie tylko niektóre piaski pylaste i pyły piaszczyste mają sposobność do tworzenia kurzawek. Obniżenie wytrzymałości piasków może wystąpić w wyniku sufozji mechanicznej. Właściwość ta ujawnia się przy wskaźniku różnoziarnistości U > 15 20, a równocześnie spadek hydrauliczny wynosi około 0,5 1,0 a nawet więcej. Takie przypadki dla skarp są mało prawdopodobne z uwagi na małe gradienty hydrauliczne. Z tego powodu procesy sufozyjne przy projektowaniu skarp nie muszą być brane pod uwagę. Ograniczone wymywanie piasków z najdrobniejszymi frakcjami nie przekracza 1 2% i nie jest niebezpieczne dla stateczności skarpy. Gliny piaszczyste Podlegają intensywnemu odprężeniu jedynie w pobliżu powierzchni skarp, gdyż siła odprężenia ujawniająca się w nich nie jest wielka. Odprężenie to powoduje jednakże utratę spójności i przejście w stan płynny, co w efekcie prowadzi do spływów warstwy o grubości cm już przy kącie nachylenia skarpy 18 o 20 o. Gliny piaszczyste i piaski pylaste Posiadają swoją specyfikę, gdyż wokół cząsteczek pyłów wykształca się otoczka dipolowo zorientowanych molekuł silnie związanej wody, co prowadzi do procesów tiksotropowego zwiększenia wytrzymałości. Grunty zalegające poniżej zwierciadła wody podlegają działaniu sił ciśnienia hydrostatycznego (wyporu hydrostatycznego). Jeżeli skarpa jest częściowo podtopiona to ciśnienie hydrostatyczne prowadzi do zmniejszenia ciężaru pryzmy obciążającej spągową część skarpy i w rezultacie do obniżenia jej stateczności Wpływ sił ciśnienia hydrostatycznego sprowadza się do zmniejszenia sił tarcia, dlatego też objawia się to głównie w gruntach posiadających duży kąt tarcia wewnętrznego. Powoduje to, że dopuszczalny kąt nachylenia skarpy w przypadku podtopienia może się różnić o 6 8 od kąta przyjmowanego dla gruntu suchego. Najniekorzystniejsze warunki następują, gdy podtopienie skarpy sięga 0,2 0,3 jej wysokości. Należy także pamiętać, że w przypadku, gruntów o małej porowatości nawet średnie opady mogą już powodować dość znaczne podniesienie się poziomu wody gruntowej. Celowe jest wówczas odprowadzenie wód deszczowych. Ciśnienie hydrostatyczne jest jednym z głównych powodów zsuwów. 61

62 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. Rys.27. spadek hydrauliczny i = ) f = 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. 28. Spływanie piaszczystej skarpy przy podciętym podłożu nieprzepuszczalnym.[ 21 ] 62

63 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.29. Spływanie warstw piasku i obsunięcie się warstwy gliniastej. [21 ] 5. 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.30) oraz odprowadzenia wody (rys.31). 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. 63

64 Rys. 30. obciążenie podnóża skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. [21 ] Rys.31. Przykłady drenażu stopy skarpy. [21 ] Materiał stosowany na pryzmy obciążające nie wymaga wysokiej jakości, powinien jednak spełniać kryterium: D 10 d 50 <

65 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. Rys32. Drenaż na całej wysokości skarpy. [21 ] Rys.33. Przykład drenażu (ostrogi) widok od czoła [21 ] Rys.34. Dreny zabijane. [21 ] 65

66 Rys.35. 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 uziarnieniu lub przy rdzeniach zapór. W tym ostatnim przypadku warstwy ochronne spełniają dodatkowe zadania warstw przejściowych, o pośrednich mechanicznych właściwościach, między spoistym rdzeniem a gruboziarnistym nasypem statycznym. Zadaniem filtru odwrotnego jest nie dopuścić do przenikania części szkieletu gruntu chronionego do drenażu lub nasypu statycznego i nie utrudniać odpływu wody. Uziarnienie filtru powinno być tak dobrane, aby ziarna filtru nie przenikały do drenażu lub w przylegający narzut nawet kamienny oraz aby filtr nie był kolmatowany drobnymi cząstkami wyniesionymi z gruntu chronionego. Jeżeli więc z gruntu chronionego wynoszona będzie pewna dopuszczalna ilość drobnych cząstek, powinny być one również wypłukane z filtru. Rys.36. Zasada doboru gruntu na filtr odwrotny wg. Terzaghiego; pole zakreskowane - przedział dopuszczalnych składów granulometrycznych filtru. [21 ] 66

67 Reasumując, dobór gruntu na warstwy ochronne polega na dostosowaniu uziarnienia filtrugruntu chroniącego do uziarnienia gruntu chronionego. Kryteria przydatności gruntu na filtry odwrotne: D O{ d O{ 4 D O{ d { 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 %. 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

68 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). Rys.37. Krzywe uziarnienia z analizy sitowej. Rys. 38. Zmiany współczynnika wodoprzepuszczalności poprzez kolmatację błędnie dobranej geowłókniny. 68

69 Nie można zapominać, że oprócz kolmatacji mechanicznej istnieje również niebezpieczeństwo kolmatacji biologicznej i chemicznej. Rozmnażające się bakterie, glony i grzyby zatykają pory w równym stopniu co krystalizacja związków i substancji chemicznych zawartych w odciekach i wodach gruntowych Uwagi końcowe. Ocenę przydatności gruntu na filtr odwrotny rozpocząć należy od sprawdzenia tzw. sufozyjności gruntu filtru i gruntu chronionego. Praktycznie za niesufozyjny uważa się taki grunt, w którym przesiąkająca woda może wypłukać nieznaczną ilość najdrobniejszych frakcji, w nikłym tylko stopniu zmieniając jego strukturę i wytrzymałość. Grunt filtru uznaje się za niesufozyjny, jeśli spełniona jest następująca równość: 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 1.n 6. Rozpoznanie geotechniczne podłoża W celu ustalenia wymagań dotyczących zakresu i rodzaju badań geotechnicznych, obliczeń i kontroli, obiekty budowlane należy zaliczyć do jednej z trzech kategorii geotechnicznych, zgodnie z obowiązującymi przepisami (Rozp. MTiGM z r.). 69

70 Zakres i metody badań podłoża oraz parametry podłoża niezbędne do opracowania projektu obiektu budowlanego, w uzgodnieniu z projektantem konstrukcji, określa autor projektu geotechnicznego (geotechnicznych warunków posadowienia). Metody analizy konstrukcji, zakres obliczeń sprawdzających, warunków kontroli i utrzymania obiektów budowlanych określa projektant konstrukcji. Wymagania co do zakresu i rodzaju badań geotechnicznych podano w tablicy 12 (PN-EN :2008/Ap2:2010). Tab.12. Wymagania co do zakresu rozpoznania podłoża (PN-EN :2008/Ap2:2010) Kategoria Zakres rozpoznania podłoża Obiekty zaliczone do pierwszej kategorii geotechnicznej w prostych warunkach gruntowych Obiekty zaliczone do drugiej kategorii geotechnicznej w prostych i złożonych warunkach gruntowych Obiekty zaliczone do trzeciej kategorii geotechnicznej w prostych, złożonych lub skomplikowanych warunkach gruntowych -jakościowe określenie właściwości podłoża na podstawie: analizy materiałów archiwalnych uwzględnienia doświadczeń porównywalnych badań terenowych - ilościowe określenie liczbowych wartości parametrów geotechnicznych na podstawie: analizy materiałów archiwalnych i doświadczeń porównywalnych wyników badań polowych wyników badań laboratoryjnych z uwzględnieniem korelacji bezpośrednich z badań - ilościowe określenie liczbowych wartości parametrów geotechnicznych na podstawie: analizy materiałów archiwalnych i doświadczeń porównywalnych wyników badań polowych wyników badań laboratoryjnych wyników badań specjalistycznych z uwzględnieniem korelacji bezpośrednich z badań 70

71 Obiekt prosty, mały nie Budowla bardzo duża lub niepowtarzalna Dobrze rozpoznane warunki gruntowe Bardzo trudna grunty (torfy, mady, gytie) Wykop powyżej zwierciadła wody Tereny wolne od sejsmiki i dużego ryzyka (osuwiska itp.) Nadzwyczajne ryzyko (osuwiska kras, szkody górnicze) Wpływy sejsmiczne Kategoria 1 Kategoria 2 Kategoria 3 proste 1-2 kondygnacyjne budynki mieszkalne i gospodarcze z obciążeniem na słup mniejszym od 250 kn i na ścianę 100 kn/m, na fundamentach bezpośrednich i palach, ściany oporowe i wykopy do 2 m, płytkie wykopy dla drenażu, instalacji itp. Fundamenty bezpośrednie, Ruszty fundamentowe, Pale, Konstrukcje oporowe zabezpieczające od wody lub gruntu, Wykopy, Filary i przyczółki mostów, Budowle ziemne, Kotwy gruntowe i inne konstru kcje ściągające, Tunele w twardych gruntach bez spękań i wody itp. Obiekty których nie można zaliczyć do kategorii 1 i 2 Rys.39. Wydzielenie kategorii geotechnicznych. Rys. 40. Zakres odpowiedzialności za obiekt [10] 71

72 Działalność gospodarczą w geologii stosowanej regulują zapisy Prawa geologicznego i rozporządzeń wydanych na jego podstawie, zaś ustalenie geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych ustawa 1994 r. ( z późniejszymi zmianami ) Prawo budowlane ( Dz. U. Nr 89, poz. 414), a w szczególności Rozporządzenie MSWiA. Warunki gruntowe w zależności od stopnia skomplikowania dzieli się na: 1) proste występujące w przypadku warstw gruntów jednorodnych genetycznie i litologicznie, zalegających poziomo, nieobejmujących mineralnych gruntów słabonośnych, gruntów organicznych i nasypów niekontrolowanych, przy zwierciadle wody poniżej projektowanego poziomu posadowienia oraz braku występowania niekorzystnych zjawisk geologicznych; 2) złożone występujące w przypadku warstw gruntów niejednorodnych, nieciągłych, zmiennych genetycznie i litologicznie, obejmujących mineralne grunty słabonośne, grunty organiczne i nasypy niekontrolowane, przy zwierciadle wód gruntowych w poziomie projektowanego posadawiania i powyżej tego poziomu oraz przy braku występowania niekorzystnych zjawisk geologicznych; 3) skomplikowane występujące w przypadku warstw gruntów objętych występowaniem niekorzystnych zjawisk geologicznych, zwłaszcza zjawisk i form krasowych, osuwiskowych, sufozyjnych, kurzawkowych, glacitektonicznych, gruntów ekspansywnych i zapadowych, na obszarach szkód górniczych, przy możliwych nieciągłych deformacjach górotworu, w obszarach dolin i delt rzek oraz na obszarach morskich. Zgodnie z Rozp. Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz.U. z dn poz. 463) rozróżnia się 3 kategorie geotechniczne. Zgodnie z 7.1 opracowuje się opinie geotechniczne, dokumentacje badań podłoża gruntowego i projekty geotechniczne. W przypadku obiektów III kategorii geotechnicznej oraz w złożonych warunkach gruntowych II kategorii wykonuje się dodatkowo dokumentację geologiczno-inżynierską, zgodnie z przepisami Ustawy z dnia Prawo geologiczne i górnicze (Dz.U. Nr 163, poz. 381). Badania geotechniczne powinny obejmować badania podłoża i inne badania danego terenu, takie jak: ocena istniejącej zabudowy, tj. budynków, mostów, tuneli, nasypów, zboczy, historia zabudowy na danym terenie i wokół tego terenu. Przed sporządzeniem programu badań należy zebrać i ocenić dostępne informacje i dokumentacje archiwalne. Przykładem informacji i dokumentacji, które mogą być wykorzystane są: mapy topograficzne, stare plany opisujące dawne wykorzystanie danego terenu, mapy i dokumentacje geologiczne, mapy geologiczno-inżynierskie, mapy i dokumentacje hydrogeologiczne, 72

73 mapy geotechniczne, zdjęcia lotnicze i wcześniejsze fotointerpretacje, badania agrogeofizyczne, wcześniejsze badania prowadzone na danym terenie i w jego otoczeniu, wcześniejsze doświadczenia z tego obszaru, lokalne warunki klimatyczne. Badania podłoża powinny obejmować badania laboratoryjne, dodatkowe prace kameralne oraz kontrolę i monitoring tam, gdzie jest to potrzebne. Wybór rodzaju i zakresu metod badawczych oraz lokalizacji punktów badań należy dostosować do przewidywanego rodzaju budowli, metody posadowienia, ulepszenia podłoża i głębokości posadowienia. Wyniki analizy materiałów archiwalnych i wizji w terenie należy uwzględnić podczas wyboru metod badawczych i lokalizacji punktów badawczych. Projektowane badania powinny zapewnić rozpoznanie zmienności warunków występujących w podłożu w zakresie gruntów i wód gruntowych. Rozpoznanie podłoża powinno być wykonane etapowo, zależnie od problemów powstających w trakcie planowania, projektowania i wykonawstwa realizowanego projektu. Wydziela się następujące etapy : badania wstępne mające na celu wybór lokalizacji i koncepcji budowli, badania do celów projektowych, kontrola i monitoring. Wyniki badań należy interpretować z uwzględnieniem poziomu wody gruntowej, rodzaju gruntu, metody wierceń, metody pobierania próbek, transportu i warunków składowania oraz przygotowywania próbek do badań. W zależności od rodzaju badanych właściwości gruntu, wyróżniono trzy kategorie metod pobierania próbek: A, B i C. Metodami kategorii A pobierane są próbki zupełnie nienaruszone, w których wilgotność i wskaźnik porowatości są takie jak w warunkach in situ, i nie następują w nich zmiany składników oraz składu chemicznego gruntu. Metodami kategorii B pobrać można próbki o naruszonej strukturze, zawierające wszystkie składniki gruntu in situ z zachowaniem naturalnej wilgotności. Metodami kategorii C można pobierać próbki o naruszonej strukturze i wilgotności. Rozmieszczenie punktów badawczych i głębokości prac badawczych należy wybrać w oparciu o badania wstępne, jako funkcję warunków geologicznych, rozmiarów budowli i występujących problemów inżynierskich. 73

74 Tab.13. Klasy jakości próbek gruntu do badań laboratoryjnych Gdzie: 1 nienaruszone, 2 naruszone, 3 zagęszczone, 4 przerobione, 5 -odtworzone 6.1. Przykłady zaleceń odnośnie rozstawu i głębokości rozpoznania. Zaleca się następujące rozstawy punktów badawczych: dla budowli wysokich i przemysłowych, w formie siatki z punktami w odległościach 15 m do 40 m, dla budowli o dużej powierzchni, w kształcie siatki z punktami w odległościach nie większych niż 60 m, dla budowli liniowych (np. mosty, drogi kolejowe, kanały, rurociągi, wały, tunele, ściany oporowe) rozstaw 20 m do 200 m, dla budowli specjalnych (np. mosty, kominy, fundamenty pod maszyny) dwa do sześciu punktów badawczych na fundament, dla zapór i jazów, odległości 25m do 75 m wzdłuż odpowiednich przekrojów. Zaleca się następujące głębokości rozpoznania z a (poziomem odniesienia dla z a jest najniższy punkt fundamentu budowli albo elementu konstrukcyjnego lub dno wykopu). Tam gdzie istnieją różne możliwości ustalenia z a zaleca się przyjmowanie wartości największej. Tam gdzie spodziewane są niekorzystne warunki geologiczne, zaleca się zawsze przyjmować większe głębokości rozpoznania, na przykład warstwy słabe lub słabe lub ściśliwe poniżej warstwy o większej nośności. Tam gdzie budowle są posadowione na nośnej warstwie głębokość rozpoznania może być zredukowana do z a = 2,0 m, chyba, że budowa geologiczna jest nieznana; w tym przypadku przynajmniej jeden otwór wiertniczy powinien sięgać minimum do głębokości z a = 5 m. Jeżeli napotka się podłoże skalne na proponowanym poziomie posadowienia budowli, to ten poziom zaleca się przyjąć jako poziom odniesienia z a. W innym przypadku z a odnosi się do powierzchni podłoża skalnego. 74

75 W przypadku budowli innych konstrukcji inżynierskich o dużych wysokościach zaleca się zastosowanie większej wartości następujących warunków (Rys. 41 a): - z a 6m, - z a 3,0 b F gdzie b F jest wymiarem krótszego boku fundamentu. W przypadku fundamentów płytowych oraz konstrukcji z kilkoma elementami fundamentowymi, których obciążenia w głębszych warstwach nakładają się na siebie (Rys.41 b) : z a 1,5 b B gdzie b B jest krótszym bokiem konstrukcji. Rys.41. Budowle o dużej wysokości, konstrukcje inżynierskie a - fundament, b konstrukcja W przypadku nasypów i wykopów zaleca się przyjmowanie większej wartości wynikającej z następujących warunków: a) b) Rys. 42. Nasypy i wykopy a-nasyp, b - wykop a) dla nasypów : - 0,8 h < z a < 1,2 h, - z a 6 m, gdzie h jest wysokością nasypu; b) dla wykopów: - z a 2,0 m - z a 0,4 h gdzie h jest wysokością nasypu lub głębokością wykopu. 75

76 W przypadku budowli liniowych zaleca się przyjmowanie większej wartości spełniającej następujące warunki: a) b) Rys.43. Budowle liniowe a-droga, b wykop wąskoprzestrzenny a) dla dróg i lotnisk z a 2,0 m poniżej proponowanej niwelety; b) dla wykopów wąskoprzestrzennych, większa z wartości: - z a 2,0 m poniżej poziomu dna wykopu - z a 1,5 b Ah gdzie b Ah jest szerokością wykopu. W przypadku małych tuneli i komór podziemnych: b Ab < z a < 2,0 b Ab gdzie b Ab jest szerokością wykopu. Zaleca się również branie pod uwagę warunków związanych z wodą gruntowa. Rys.44. Tunele i komory podziemne. Wykopy ( Rys.45) : - z a 0,4 h - z a (t + 2,0) m gdzie: t zagłębienie obudowy poniżej dna wykopu h głębokość wykopu - z a (1,0 H + 2,0) m - z a (t + 2,0) m gdzie: 76

77 H wysokość zwierciadła wody gruntowej dna (podstawy) wykopu t zagłębienie obudowy poniżej dna wykopu. Warunek, gdy żadna warstwa mało przepuszczalna dla wody gruntowej, nie występuje w tym zakresie głębokości : z a t + 5m Rys.45. Wykopy 1-poziom wody gruntowej W przypadku konstrukcji zbiorników wodnych, z a zaleca się określać w funkcji proponowanego poziomu retencjonowanej wody, warunków hydrogeologicznych oraz sposobu wykonania konstrukcji. W przypadku przesłon wodoszczelnych: - z a 2,0 m poniżej stropu warstwy nieprzepuszczalnej dla wód gruntowych Rys.46. Przesłona wodoszczelna W odniesieniu do pali zaleca się spełnianie następujących trzech warunków: - z a 1,0 b g - z a 5,0 m, - z a 3 D F gdzie: D F średnica podstawy pala, b g krótszy bok prostokąta stanowiącego obwód grupy pali tworzących fundament, w poziomie podstawy pali. Rys.47. Grupa pali 77

78 Podane wartości głębokości rozpoznania, jako sprawdzone w praktyce, można stosować przy planowaniu badań. Dotychczas nie mieliśmy tak dokładnych wytycznych ustalania głębokości rozpoznania. Zalecenie eliminuje dyskusje z inwestorami. W przypadkach uzasadnionych (np. gdy występują słabe grunty na większych głębokościach) rozpoznanie powinno być głębsze. Rodzaj i liczbę niezbędnych punktów badawczych oraz ich rozmieszczenie ustala się od stopnia wstępnego rozpoznania geologicznego terenu, warunków gruntowych i wodnych oraz projektowania zabudowy. Nowe punkty sytuuje się zwykle od 2 m do 3 m poza obrysem budynku, a w przypadku budowli wielonawowych również w osiach słupów wewnętrznych. Dla jednego budynku o powierzchni mniejszej niż 600 m 2 należy wykonać co najmniej trzy otwory wiertnicze lub wykopy badawcze względnie sondowania. Dla obiektów o powierzchni większej niż 600 m 2 liczbę otworów lub wykopów należy zwiększyć zgodnie z tablicą 14, przy czym odległość między nimi nie powinna przekraczać od 30 m do 50 m. Dla obiektów liniowych odległość między punktami badawczymi nie powinna przekraczać 100 m Dokumentacja badań podłoża Badania kategorii I Program badań Badania kategorii I dotyczą tylko prostych warunków gruntowych. Wstępne informacje o występowaniu prostych warunków gruntowych można uzyskać z materiałów geologicznych i archiwalnych profili wierceń w otoczeniu projektowanej budowli; wykorzystać tu można również doświadczenia regionalne i wywiady dotyczące posadowienia sąsiednich obiektów, spostrzeżenia dotyczące rzeźby terenu, rodzaju szaty roślinnej itp. Badania kategorii I obejmują: - rozpoznanie gruntów zalegających w poziomie posadowienia, - rozpoznanie gruntów do poziomu posadowienia w celu ustalenia prawidłowej organizacji robót ziemnych, - określenie profilu gruntowego od 2 m do 3 m poniżej poziomu posadowienia, - ustalenie zwierciadła, wahań poziomu wody gruntowej i jej agresywności. Rozpoznanie warunków geotechnicznych kategorii I odbywa się zazwyczaj na podstawie: a) dokumentacji archiwalnych, b) małośrednicowych wierceń geotechnicznych, c) obserwacji studni lub innych punktów umożliwiających ustalenie poziomu wód gruntowych i agresywności środowiska. Badania laboratoryjne wykonuje się tylko sporadycznie w celu sprawdzenia oznaczeń makroskopowych. Rodzaj i liczbę niezbędnych punktów badawczych oraz ich rozmieszczenie ustala się zależnie od stopnia wstępnego rozpoznania geologicznego terenu, warunków gruntowych i wodnych oraz projektowania zabudowy. Nowe punkty sytuuje się zwykle od 2 m do 3 m poza obrysem 78

79 budynku, a w przypadku budowli wielonawowych również w osiach słupów wewnętrznych. Dla jednego budynku o powierzchni mniejszej niż 600 m2 należy wykonać co najmniej trzy otwory wiertnicze lub wykopy badawcze względnie sondowania. Dla obiektów o powierzchni większej niż 600 m 2 liczbę otworów lub wykopów należy zwiększyć, zgodnie z tablicą 14, przy czym odległość między nimi nie powinna przekraczać od 30 m do 50 m. Dla obiektów liniowych odległość między punktami badawczymi nie powinna przekraczać 100 m. Przy projektowaniu dróg można stosować większe odległości. Podane liczby oznaczają łączną liczbę punktów badanych. Tab.14. Liczba punktów badawczych przy badaniach w kategorii I, w zależności od powierzchni projektowanej zabudowy [23] W wyjątkowo prostych warunkach gruntowych, przy dobrym wstępnym rozpoznaniu tych warunków, zmniejsza się podane w tablicy 14 liczby lub można zrezygnować z badań i do projektowania przyjmuje się dane na podstawie rozpoznania archiwalnego (wstępnego). Przyjęte do projektu dane sprawdza się wówczas w wykopie budowlanym. W dokumentacjach wielostadiowych, gdy nie jest określona lokalizacja obiektu, wykonuje się badania wstępne jako badania kategorii I niezależnie od zróżnicowania podłoża. Dokumentacja geotechniczna kategorii I - Opinia geotechniczna. Opinia geotechniczna dla kategorii I składa się z części opisowej, planu sytuacyjnego zawierającego lokalizację budowli i punktów badań geotechnicznych, profili i przekrojów geotechnicznych z naniesionymi danymi o gruntach i poziomach wód gruntowych oraz ewentualne zestawienia profili archiwalnych wierceń i wykonanych w trakcie badań polowych. Część opisowa dokumentacji powinna obejmować: opis stanu działki i jej otoczenia w okresie badań, informacje o wcześniejszym sposobie użytkowania terenu, opis projektowanych budowli, jeśli to możliwe również opis ich oddziaływań na podłoże gruntowe, opis wyników wykonanych badań, analizę warunków geotechnicznych oraz ustalenie geotechnicznych warunków posadowienia i zalecenia dotyczące fundamentów i robót ziemnych, zestawienie źródeł informacji oraz stosowanych norm i przepisów, wskazanie związanych z geotechniką prac sprawdzających i czynności, które powinny być wykonane podczas budowy. 79

80 Badania kategorii II Program badań Program powinien określać zadania i podawać sposoby ich rozwiązania oraz zawierać specyfikację badań terenowych i laboratoryjnych. Podstawę programu badań stanowią: założenia inwestycyjne, plan sytuacyjno-wysokościowy (w skali co najmniej 1:1 000) z lokalizacją projektowanych budowli i informacjami o uzbrojeniu terenu, archiwalne informacje o terenie, wiercenia, mapy geologiczne, literatura dotycząca terenu i jego podłoża, także w strefie możliwego oddziaływania obiektu. Program badań podłoża powinien zakładać taki zakres badań, aby wyjaśnić istotne problemy geotechniczne wynikające z wymagań projektu. W ramach tych badań należy: sprecyzować problemy, które mają być rozwiązane, oraz określić zmiany w podłożu, jakie mogą wywołać przewidywane prace budowlane, ustalić adekwatny do potrzeb zakres badań, opracować część tekstową i graficzną programu. Prace wstępne W ramach prac wstępnych należy zebrać materiały na temat badanego terenu i jego otoczenia, które należy wykorzystać do ustalenia warunków geotechnicznych. W pracach wstępnych należy uwzględnić: dane - publikowane i archiwalne - dotyczące budowy geologicznej terenu badań i jego najbliższego otoczenia, ocenę ogólnej przydatności terenu do programowanej inwestycji, topografię, rzeźbę terenu, szatę roślinną, warunki wodne, informacje o zmianach jakie miały miejsce w przeszłości (wykopy, nasypy, uzbrojenie, zabudowa), stan sąsiednich budowli i informacje wynikające z prowadzonych w okolicy robót ziemnych i budowlanych, doświadczenia wynikające z budownictwa w regionie, inne informacje, mogące służyć określeniu warunków geotechnicznych. Zakres badań terenowych Liczba podstawowych punktów obserwacyjnych i ich usytuowanie w terenie powinny umożliwić wydzielenie warstw geotechnicznych z dokładnością odpowiadającą wymaganiom obliczeń projektowych. Przyjmuje się następujące wymagania minimalne: 80

81 Najmniejsza dopuszczalna liczba punktów obserwacyjnych dla jednej budowli wynosi cztery w tym co najmniej jeden otwór wiertniczy; jeżeli istnieje możliwość wykorzystania archiwalnych otworów wiertniczych, wykonywanie otworu nie jest konieczne. Dla obiektów liniowych rozstaw punktów obserwacyjnych nie powinien przekraczać 100 m - w przypadku prostych oraz 50 m - w przypadku złożonych warunków gruntowych. Dla obiektów o zwartym obrysie w planie odległość między punktami obserwacyjnymi nie powinna być większa niż 40 m w przypadku prostych oraz większa niż 20 m - w przypadku złożonych warunków gruntowych, w razie potrzeby dla uściślenia warunków geotechnicznych należy zwiększyć liczbę punktów badawczych. Jeżeli podczas badań stwierdzone zostanie występowanie gruntów słabych, mogących wpływać w istotny sposób na wartości osiadań i nośności podłoża, liczbę punktów badawczych należy zwiększyć tak, aby można było jednoznacznie ustalić rozciągłość i miąższość warstw geotechnicznych obejmujących te grunty. W przypadku lokalizacji projektowanych budowli w bezpośrednim sąsiedztwie budowli istniejących, należy - szczególnie gdy brak dokumentacji tych budowli - wykonać odkrywki istniejących fundamentów w celu określenia ich stanu, rodzaju, wymiarów i głębokości posadowienia, po czym należy zbadać możliwość wzajemnego niekorzystnego oddziaływania nowych i starych budowli. W trakcie prowadzenia prac polowych należy prowadzić obserwację zwierciadła wód gruntowych w dostępnych miejscach i otworach. Wiercenia i sondowania powinny obejmować sferę podłoża, w której właściwości gruntów mają istotny wpływ na projektowanie, wykonywanie i eksploatację budowli. Jako zasadę przyjmuje się następujące minimalne głębokości badań. dla stóp i ław fundamentowych - od 1 do 3 szerokości fundamentu poniżej przewidywanego poziomu posadowienia, lecz nie mniej niż 5 m, dla fundamentów płytowych - szerokość płyty poniżej przewidywanego poziomu posadowienia, dla fundamentów palowych - zazwyczaj 5-krotna średnica pala i nie mniej niż 3 m poniżej jego podstawy i każdorazowo głębokość zapewniająca bezpieczeństwo posadowienia, w obszarach występowania gruntów antropogenicznych głębokość zależy od ich miąższości, ściśliwości i strefy oddziaływania budowli. W każdym przypadku należy ustalić miąższość nasypów. W uzasadnionych przypadkach - np. gdy dane geologiczne lub wcześniejsze badania wskazują na występowanie warstw o dużej nośności i miąższości - głębokość badań można ograniczyć do poziomu około 0,5 m poniżej stropu warstwy nośnej występującej w podłożu. W czasie wykonywania prac terenowych konieczne jest bieżące analizowanie wyników. W przypadku stwierdzenia istotnych różnic budowy geologicznej w porównaniu z przewidywaną w programie badań, zakres badań należy uaktualnić, a nawet zmienić kategorię geotechniczną. 81

82 W szczególności dotyczy to: a) zagęszczenia wierceń lub sondowań w celu uściślenia zasięgu gruntów słabych, b) pogłębienia otworów badawczych poniżej spągu gruntów słabych, c) zmniejszenia liczby punktów badawczych lub ich głębokości, jeżeli stwierdza się korzystniejsze od przewidywanych warunki geotechniczne. W celu wydzielenia warstw geotechnicznych, badania gruntów należy prowadzić w zakresie umożliwiającym określenie parametrów geotechnicznych wydzielanych warstw. Próbki gruntów pobiera się w takiej liczbie, aby dla każdej wydzielanej warstwy geotechnicznej można było oznaczyć cechy identyfikacyjne gruntu oraz określić potrzebne parametry geotechniczne. Próbki wody w celu zbadania jej agresywności należy pobierać wówczas, gdy projektuje się posadowienie obiektów poniżej zwierciadła wód gruntowych lub w strefie wahań zwierciadła wód gruntowych. Zakres badań laboratoryjnych W przypadku kategorii II nie zawsze zachodzi konieczność ustalania parametrów geotechnicznych na podstawie badań laboratoryjnych. Badania laboratoryjne służą zwykle do potwierdzenia ustaleń dokonanych w terenie; są to badania identyfikacyjne gruntów określające ich skład granulometryczny, wilgotność, granice płynności i plastyczności, stan gruntu. Dokumentacja geotechniczna kategorii II Dokumentację badań podłoża gruntowego opracowuje się na podstawie analizy materiałów archiwalnych oraz wyników badań terenowych i laboratoryjnych wraz z opracowaniem projektu geotechnicznego. Wynikiem badań jest ustalenie warstw geotechnicznych i charakteryzujących je parametrów geotechnicznych. Stosownie do możliwości i potrzeb zaleca się wartość każdego określonego parametru geotechnicznego porównywać z danymi wynikającymi z regionalnych doświadczeń geotechnicznych, a także uwzględnić publikowane korelacje. Parametry geotechniczne warstwy można określić z wystarczającą dokładnością na podstawie wyników sondowań w połączeniu z analizą makroskopową, na podstawie korelacji lub doświadczenia. Określa się je także przez laboratoryjne badania próbek. Wybór metody ustalania parametrów zależy od warunków lokalnych, dokładności wstępnego rozpoznania, kategorii geotechnicznej, dopuszczalnego stopnia ryzyka. Przy ustalaniu wartości parametrów geotechnicznych uwzględnia się fakt, że wartości wielu z nich nie są stałe, lecz zależą od takich czynników jak stan naprężenia, warunki konsolidacji, zmienna zawilgocenia. Wykonuje się tyle badań, aby na ich podstawie możliwe było określenie zmienności i odchyleń standardowych metodami przyjętymi w geotechnice oraz podanie wartości wyprowadzonych parametrów. Dokumentacja geotechniczna kategorii II powinna zawierać niezbędne dane ilościowe potrzebne do projektowania. 82

83 Dokumentacja geotechniczna składa się z części opisowej i części graficznej, ujmujących całość wyników badań. Część opisowa dokumentacji powinna zawierać: kartę tytułową z informacją ogólną (nazwa inwestora, nazwiska: projektanta, wykonawcy badań geotechnicznych, konsultantów i podwykonawców). określenie zadania i celu badań, lokalizację terenu badań, charakterystykę projektowanej budowli: wymiary, przewidywane obciążenia, zakres badań geotechnicznych, typ urządzeń wykorzystywanych w badaniach terenowych, dane o zespołach, które wykonywały badania, termin wykonywania prac terenowych i laboratoryjnych, analizę materiałów archiwalnych oraz zakres ich wykorzystania, charakterystykę terenu badań, stosownie do potrzeb pod względem geologicznym, hydrogeologicznym, morfologicznym i hydrograficznym, dokładną charakterystykę warunków geotechnicznych w obrębie dokumentowanego terenu, zawierającą przede wszystkim charakterystykę wydzielonych warstw geotechnicznych z omówieniem wartości parametrów budujących je gruntów, wartości parametrów uzyskane na podstawie wykonanych badań, jako szczególnie istotne: wnioski i zalecenia dotyczące realizacji i eksploatacji budowli, w tym: ocenę podłoża określającą możliwość zrealizowania projektowanej budowli, ocenę projektowanej głębokości posadowienia lub kryteria właściwego doboru tej głębokości. Zaleca się umieszczenie w części opisowej - stosownie do potrzeb i możliwości - także następujących danych: omówienia i uzasadnienia ewentualnych zmian w zakresie badań i wykonaniu prac w stosunku do programu, oceny zgodności wyników badań terenowych i laboratoryjnych oraz ich krytyczną ocenę na tle danych archiwalnych i z literatury, prognozy osiadań, ustalenia poziomów piezometrycznych wód gruntowych i ich wahań, a także kierunków filtracji oraz charakterystyki agresywności wód w stosunku do materiałów konstrukcyjnych, oceny długookresowych zmian warunków wodnych, zwłaszcza w odniesieniu do pierwszego poziomu wód gruntowych, lub mogących mieć wpływ na zmiany gruntów, wskazania sposobów odwodnienia okresowego lub trwałego, zaleceń dotyczących sposobu wykonania robót ziemnych, szczególnie w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących obiektów, zaleceń dotyczących sposobu zabezpieczenia powierzchni terenu przyległego do budowli przed infiltracją wód opadowych, innych, w zależności od potrzeb. 83

84 W skład części graficznej dokumentacji kategorii II wchodzą: plan sytuacyjno-wysokościowy w skali 1:500 (w uzasadnionych przypadkach w innej skali), z lokalizacją wykonanych i archiwalnych punktów badawczych, przekrojów geotechnicznych oraz projektowanych obiektów, profile analityczne wierceń i sondowań (wykonanych i archiwalnych), rysunki wykopów badawczych, rysunki odkrywek fundamentowych, przekroje geotechniczne, problemowe mapy geotechniczne (np. mapa zasięgu, stropu i miąższości gruntów słabych, izoliniowa mapa występowania pierwszego poziomu wód gruntowych itp.) Badania kategorii III Program badań Budowle zaliczone do kategorii III wymagają szczególnie dokładnego i wnikliwego zbadania podłoża gruntowego oraz opracowania również dokumentacji geologiczno-inżynierskiej zgodnie z wymaganiami prawa geologicznego i górniczego i projektu geotechnicznego. Na wstępie należy dokładnie zapoznać się z całym planowanym przedsięwzięciem. Należy rozpatrzyć rodzaj i funkcje projektowanej budowli, jej rozmiary, zagłębienie, rodzaj i sposób przekazywania obciążeń, wrażliwość na osiadania. Ważna jest także lokalizacja budowli i możliwości jej zmiany w obrębie działki oraz sposób zagospodarowania otoczenia. Wszystkie te dane - jako założenia technologiczne i konstrukcyjno-budowlane, stosownie do potrzeb - powinny być dostarczone wraz z planem sytuacyjno-wysokościowym w skali 1:500 (w uzasadnionych przypadkach w innej skali). Na planie powinien być przedstawiony aktualny stan terenu i jego uzbrojenia oraz położenie projektowanych obiektów. Ponadto należy zgromadzić dane dotyczące budowy geologicznej okolicy, ewentualnie występowania czynnych procesów geologicznych i inne dane ogólne o okolicy, mogące mieć znaczenia dla dalszych badań. W czasie wizji lokalnej należy zapoznać się z obecnym stanem zagospodarowania terenu, jego morfologią i topografią, określić jednostkę lub jednostki geomorfologiczne występujące na rozpatrywanym obszarze, w miarę możliwości stwierdzić, czy występują czynne procesy geodynamiczne, obserwować wody powierzchniowe, stan sąsiednich obiektów, ewentualnie istniejących w pobliżu wyrobisk, zebrać informacje od miejscowych wykonawców robót budowlanych i ludności. Podczas wizji lokalnej należy zebrać także inne informacje i dane, które mogą być przydatne przy opracowywaniu projektu prac geologicznych. Wybór metody badań powinien być uzależniony od warunków geotechnicznych w jakich podłoże będzie pracować w czasie realizacji i eksploatacji projektowanej budowli. Metody badań można podzielić na badania, które pozwalają na ustalenie właściwości gruntów "in situ" oraz uzupełniające badania laboratoryjne. Zakres badań kategorii III powinien odpowiadać co najmniej zakresowi badań kategorii II, z możliwością rozszerzenia go o badania specjalistyczne. Oprócz obserwacji, odkrywek, wierceń badawczych, sondowań statycznych i dynamicznych, próbnych obciążeń - stosuje się badania 84

85 współczynnika filtracji, badania geofizyczne (radarowe, elektrooporowe, sejsmiczne) i inne badania specjalne zależnie od potrzeby. Zaleca się, aby zakres i metody laboratoryjnych badań próbek gruntu i wody ukierunkowane były ściśle na rozwiązanie problemów projektu. W badaniach należy odtwarzać stany oddziaływań jakie będą występować podczas pracy obiektu i w tych stanach określać potrzebne parametry geotechniczne do projektowania. Analizując materiały archiwalne należy wykorzystać między innymi: przeglądowe, podstawowe i szczegółowe mapy geologiczne Polski, opracowania fizjograficzne, dokumentacje geologiczne i geotechniczne, wiercenia archiwalne, dane dotyczące pierwszego poziomu wód gruntowych - jego głębokości i wahań, dla obszarów dolinnych - dane dotyczące stanów powodziowych rzek. Wyniki uzyskane z analizy materiałów archiwalnych przedstawia się w formie opisowej i graficznej. Zaprojektowane roboty i badania geotechniczne powinny dawać obraz warunków geotechnicznych w zakresie koniecznym do projektowania inwestycji na wszystkich etapach przygotowania inwestycji (studium, koncepcja techniczna), a przede wszystkim danych do opracowania projektu budowlanego i wykonawczego. Część graficzna projektu robót powinna zawierać: przewidywane przekroje geologiczne przez teren, mapę dostosowaną do skali przedsięwzięcia inwestycyjnego (1:500, 1:1000, 1:2000 itp.) z zaznaczonymi archiwalnymi punktami badawczymi i innymi danymi uzyskanymi z materia łów archiwalnych, np.: głębokość zalegania gruntów słabych, miejsca występowania procesów geodynamicznych, podmokłości, miejsca okresowo zalewane, spodziewane głębokości poziomów wód gruntowych itp. W projekcie należy jednoznacznie określić zakres prac badawczych (np. liczba odkrywek i otworów badawczych, zakres badań specjalistycznych), który wynika przede wszystkim z warunków geologicznych, ale także z wielkości obiektu, jego rodzaju i konstrukcji, zakresu przebudowy oraz warunków miejscowych. W pracach rozpoznawczych powinny być preferowane prace inżyniersko-geologiczne. Punkty badawcze (wiercenia, wykopy) należy rozmieścić w ten sposób, aby możliwe było uzyskanie przestrzennego obrazu budowy geologicznej podłoża. Rodzaj projektowanych badań polowych powinien być dostosowany do spodziewanych warunków geologicznych. Należy zaprojektować taką liczbę otworów badawczych, aby możliwe było pobranie niezbędnych próbek gruntów do badań laboratoryjnych. Obszar i głębokość rozpoznania powinny obejmować przyszłą strefę oddziaływania budowli na środowisko gruntowe. Przykładowo zaleca się przyjmowanie następujących głębokości badań: w przypadkach sprawdzenia stateczności podłoża - 5 m poniżej najgłębszych prawdopodobnych powierzchni poślizgu, 85

86 przy głębokim posadowieniu obiektów - co najmniej 5 m poniżej przewidywanego zagłębienia podstaw pali, studni opuszczonych, ścianek szczelnych, ścian szczelinowych, innych, w innych przypadkach głębokość rozpoznania można określić podobnie jak dla II kategorii geotechnicznej. W celu wyznaczenia metodą laboratoryjną parametrów fizycznych i mechanicznych gruntów każdej wydzielonej warstwy geotechnicznej trzeba przewidzieć pobranie co najmniej sześciu próbek, z użyciem metody A -1 klasy jakości, umożliwiających wykonanie badań parametrów wytrzymałościowych oraz odkształceniowych warstwy. Część opisowa dokumentacji kategorii III powinna zawierać: kartę tytułową z tytułem opracowania, określeniem autorów i osób odpowiedzialnych za opracowanie oraz uprawnionych do jego przyjęcia, określone przez jednostkę projektującą wymagania budowlane i techniczne, spis załączników, spis literatury i materiałów wykorzystywanych przy opracowywaniu dokumentacji, spis treści, tekst. W tekście dokumentowania powinny znaleźć się: a) Informacje ogólne, podane w zwięzłej formie (karta tytułowa i ewentualnie synteza za kartą tytułową): - nazwa inwestora, -nazwiska projektanta i wykonawcy badań terenowych, podwykonawców i konsultantów, terminy wykonania badań, - zakres rzeczowy dokumentacji, b) Charakterystyka terenu badań: - opis badań przeprowadzonych na dokumentowanym terenie, - rodzaj materiałów archiwalnych i zakres ich wykorzystania, - hipsometria i morfologia terenu bada ń wraz z hydrografią rejonu, - aktualny sposób użytkowania terenu oraz projektowanych zmian z informacją o stanie budowli istniejących na danym terenie lub w jego bezpośrednim sąsiedztwie, - charakter techniczny projektowanej budowli lub całego zadania, z uwzględnieniem rozwiązań alternatywnych, - inne zagadnienia techniczne mające znaczenie dla oceny warunków geotechnicznych. c) Opis warunków geologicznych dokumentowanego terenu, którego szczegółowość powinna być dostosowana do potrzeb rozwiązywanego zadania. d) Opis warunków hydrogeologicznych uwzględniający: - charakterystykę poziomów wodonośnych ze szczególnym uwzględnieniem określenia wahań zwierciadła wody gruntowej oraz stopnia jej agresywności na terenie badań. - inne dane specjalne, zależnie od potrzeb. e) Opis zjawisk i procesów geodynamicznych (rozmiarów i zakres) występujących na terenie badań i w jego sąsiedztwie uwzględniający analizę przyczyn wywołujących te zjawiska oraz ocenę ich znaczenia dla projektowanej inwestycji. f) Opis warunków geotechnicznych uwzględniający: - opis wydzielonych warstw geotechnicznych wraz z podaniem określonych w badaniach właściwości fizycznych i mechanicznych gruntów, - opis zastosowanych metod rozpoznania podłoża, -obserwacje i 86

87 pomiary przemieszczeń terenu i konstrukcji sąsiednich, - badania na poletkach doświadczalnych, - proponowane modele gruntu i jego współpracy z konstrukcją, - obliczenia nośności, stateczności, osiadań przy ewentualnym uwzględnieniu różnych modeli współpracy gruntu i konstrukcji, - zmiany warunków terenowych, gruntowych i wodnych w czasie wykonywania i eksploatacji budowli. g) Ocena warunków geotechnicznych uwzględniająca w szczególności: - ocenę zastosowanych metod badawczych, - syntezę wyników badań terenowych i laboratoryjnych, - interpretację uzyskanych wyników badań, - wartości wyprowadzonych parametrów do obliczeń projektowych, - wskazań dotyczących racjonalnego posadowienia, zabezpieczeń terenu i projektowanych budowli, a także metod realizacji robót. - prognozy jakościowe i ilościowe zmian warunków geotechnicznych, jakie mogą wystąpić na badanym terenie podczas realizacji i eksploatacji budowli. Jeżeli projektuje się posadowienie w specyficznych warunkach (np. zagrożenia przez zjawiska geodynamiczne, szkody górnicze) lub posadawiane są budowle o specyficznych wymaganiach (np. żądanie podwyższonego stopnia bezpieczeństwa), to wynikające stąd warunki dodatkowe należy uwzględnić zarówno w projekcie prac, jak i w dokumentacji geotechnicznej. Część graficzna dokumentacji powinna zawierać: a) mapy, profile, przekroje geotechniczne; b) zestawienia tabelaryczne właściwości gruntów oraz wód gruntowych, wartości z analiz przemieszczeń, osiadań, nośności, inne; c) wyprowadzone parametry do obliczeń projektowych. Mapy i przekroje należy przedstawić w formie załączników. Skala przekrojów powinna być dostosowana do treści i nie powinna wpływać na czytelność przedstawionego obrazu. W przekroju nie należy stosować większego przewyższenia niż od 1:10 do 1:5. W niektórych zagadnieniach (np. stateczność zboczy) należy stosować skale nieprzewyższone. W przypadku dużych inwestycji drogowych opracowaniem zamykającym etap badań podstawowych jest Dokumentacja geologiczno inżynierska. Aktualne wytyczne odnośnie zawartości dokumentacji znajdują się w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2011 r. w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinny odpowiadać dokumentacje hydrogeologiczne i geologiczno-inżynierskie (Dz. U. Nr 291, poz. 1714). Zgodnie z tym aktem prawnym Dokumentację geologiczno inżynierską składającą się z części tekstowej i graficznej sporządza się w formie papierowej i elektronicznej, co jest nowością. Część tekstowa obejmuje sformalizowane stronę tytułową i tzw. kartę informacyjną, kopię decyzji zatwierdzającej Projekt prac geologicznych, część opisową oraz spis literatury i materiałów archiwalnych. Treść merytoryczną zawiera oczywiście część opisowa tekstu i część graficzna dokumentacji. W Rozporządzeniu zastosowano manierę polegającą na wymienieniu najpierw tych elementów części opisowej i graficznej, które powinny się znaleźć w każdej dokumentacji geologiczno inżynierskiej ( 18), a następnie elementów charakterystycznych dla dokumentacji sporządzanych w określonym celu, w tym na potrzeby posadawiania obiektów budowlanych inwestycji liniowych ( 22). Pamiętać też należy, że tylko w opisanym przypadku prostych warunków gruntowych badania geotechniczne można rozumieć jako uproszczoną geologię inżynierską. Wobec wycofania 87

88 normy PN-81/B z zawartymi w niej tabelami parametrów geotechnicznych (czyli tzw. metody B ) oczekiwać należy rozwoju laboratoryjnych i polowych badań geotechnicznych i to się dzieje na naszych oczach Zatwierdzanie dokumentacji. Opinie geotechniczne i dokumentacje badań podłoża gruntowego nie wymagają zatwierdzenia. Czas ich wykonania zależy od wielkości zadania i operatywności przedsiębiorstwa, które wykonuje dokumentację. Dokumentacje geologiczno-inżynierskie podlegają ustawie Prawo geologiczne i górnicze (Ustawa z dn r.). Dokumentacje geologiczno-inżynierskie wykonuje się w oparciu o przygotowany i przedstawiony do zatwierdzenia Projekt robót geologicznych, który jest dokumentem przedstawiającym dane dotyczące projektowanej budowy. Szczególnie istotna jest wielkość i rodzaj budowli oraz sposób i głębokość posadowienia. Projekt robót geologicznych składa się do zatwierdzenia w stosownym dola danego obszaru urzędzie geolog powiatowy. Organ może wydać decyzję zmieniającą liczbę i głębokość otworów zaprojektowanych przez konstruktora i geotechnika wykonującego dokumentację. Stronami w postępowaniu są właściciele działek, na których planowane są roboty. Zazwyczaj od dnia złożenia projektu robót w kancelarii do dnia jego zatwierdzenia upływa czas do 30 dni. Po otrzymaniu decyzji zatwierdzającej projekt robót należy złożyć informację o zamiarze przystąpienia do prac terenowych. Prace terenowe można rozpocząć po 14 dniach od daty złożenia informacji. Po przeprowadzeniu wszystkich zaprojektowanych prac terenowych i laboratoryjnych opracowuje się dokumentację geologiczno-inżynierską, którą należy złożyć do zatwierdzenia. W praktyce od momentu złożenia projektu robót do dnia otrzymania zatwierdzonej dokumentacji geologiczno-inżynierskiej upływają 3 miesiące. Wszyscy projektanci obiektów muszą odpowiednio wcześnie przygotować taką dokumentację ponieważ dla otrzymania decyzji o pozwoleniu na budowę konieczne jest załączenie zatwierdzonej dokumentacji geologiczno-inżynierskiej (dla III kategorii geotechnicznej i II w złożonych warunkach gruntowych). Wszystkie informacje archiwalne, wynikające z wyżej wymienionych dokumentacji, przechodzą po 5 latach na własność Skarbu Państwa. Korzystanie z informacji źródłowych lub archiwalnych w takim układzie będzie wiązać się z dodatkowymi opłatami Kategorie geotechniczne i zakres badań Głębokie wykopy są najczęściej zaliczane do II kategorii geotechnicznej, a obiekty wznoszone w terenie zabudowanym i charakteryzujące się występowaniem więcej niż jednej kondygnacji podziemnej, z uwagi na stopień skomplikowania, zalicza się do III kategorii geotechnicznej. 88

89 Powyższe stwierdzenie uwzględniające odpowiedzialność konstrukcji utrzymującej naziom wraz ze zlokalizowanymi na nim obiektami, pomimo braku jednoznaczności w przepisach, powinno mieć miejsce nawet w prostych warunkach gruntowych. Zakres rozpoznania powinien być dostosowany do fazy dokumentacji oraz rozmiarów i zagłębienia budowli. W przypadków głębokich wykopów w miastach na ogół dysponuje się bogatym materiałem archiwalnym. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że w Polsce w wyniku działań kilku zlodowaceń podłoże jest bardzo zróżnicowane i nawet w niewielkich odległościach od istniejących miejsc wierceń warunki geotechniczne mogą być inne. Znany jest przykład z Warszawy, gdy na długości działki przeznaczonej pod zabudowę (około 40 m) strop iłów plioceńskich zapadał się o kilkanaście metrów. Dlatego wiercenia i badania in situ powinny być wykonywane dla każdej zamierzonej inwestycji indywidualnie. Zwyczajowo przyjmuje się, że rozpoznanie powinno obejmować obszar o szerokości równej dwukrotnej głębokości planowanego wykopu, licząc od jego krawędzi, a wiercenia poniżej dna wykopu prowadzi się do głębokości co najmniej równej głębokości wykopu. Nie jest to jednak regułą. Na podstawie danych archiwalnych można stwierdzić, że np. nośne lub nieprzepuszczalne warstwy gruntu zalegają znacznie głębiej i wówczas podczas badań poszukuje się tych warstw, dążąc do ich przewiercenia. Należy podkreślić, że właściwie przeprowadzone rozpoznanie geotechniczne gwarantuje ekonomiczne rozwiązania projektowe i bezpieczne wykonanie robót w głębokim wykopie. Obserwuje się tendencję do ograniczania kosztów przeznaczonych na rozpoznanie geotechniczne, mimo podstawowego znaczenia badań podłoża. Uzyskane z tego oszczędności zwykle powodują wielokrotnie większe dodatkowe koszty budowy spowodowane nieoczekiwanymi sytuacjami lub co gorsze awariami. Na podstawie wieloletnich doświadczeń stwierdzono, że przyczyną awarii i katastrof budowlanych, oprócz błędów projektowych i wykonawczych, jest nieprawidłowe lub niedostateczne rozpoznanie podłoża. W każdym przypadku projekt prac geologicznych powinien być opracowany przy udziale inżyniera geotechnika doświadczonego w budowie tego typu obiektów. Rozpoznanie geotechniczne na podstawie wierceń powinno być weryfikowane i uzupełniane podczas budowy w ramach prowadzenia stałego nadzoru geotechnicznego nad wykonywaniem obudowy wykopu, oraz podczas odbioru dna wykopu przed rozpoczęciem robót konstrukcyjnych. Do projektowania obudów głębokich wykopów i ścian podziemi są potrzebne następujące dane: cechy fizyczne gruntów - skład uziarnienia, gęstość objętościowa, ciężar objętościowy, wilgotność, porowatość, cechy mechaniczne gruntów - ściśliwość i wytrzymałość na ścinanie. Podstawowe parametry fizyczne podawane w dokumentacjach geotechnicznych to: - ρ (n) - gęstość objętościowa gruntu, - Ɣ - ciężar objętościowy w kn/m 3, - w n - wilgotność naturalna, - I D - stopień zagęszczenia gruntów niespoistych, - I L - stopień plastyczności gruntów spoistych oraz dodatkowo porowatość n i wskaźnik porowatości e. 89

90 Parametry wytrzymałościowe są opisane przez następujące cechy mechaniczne: - φ - kąt tarcia wewnętrznego i spójność c - określane na podstawie badań w aparacie trójosiowym w warunkach bez odpływu (φ u, c u) i z odpływem (φ, c'), - K 0 - współczynnik parcia spoczynkowego, - moduły odkształcenia E 0 lub ściśliwości M, - wytrzymałość na ścinanie w warunkach bez odpływu τ u. - k z współczynnik podatności podłoża ( hipoteza Winklera q = k z s ). Zaleca się, aby wartości tych parametrów były określane na podstawie wyników badań laboratoryjnych lub sondowań, a nie zależności korelacyjnych (metodą B) lub badań makroskopowych. Oprócz wyżej wymienionych parametrów jest konieczne określenie współczynnika filtracji i wodoprzepuszczalność warstw gruntów, gdyż wykonanie głębokich wykopów wymaga na ogół stosowania odwodnienia. Określenie poprawnych parametrów wytrzymałościowych gruntów jest trudne. Parametry przyjmowane do obliczeń parcia i odporu są do pewnego stopnia parametrami obliczeniowymi i odpowiadają ściśle wielkościom fizycznym otrzymywanym z badań gruntów. Wartości parametrów nie są stałe, zależą od stanu naprężenia w rozpatrywanym punkcie masywu gruntowego i mają charakter losowy. Zdarza się stosowanie różnych wartości parametrów tej samej warstwy gruntu w zależności od konkretnej sytuacji obciążenia (lub odciążenia). Wymaga to dokładnego modelowania stanu naprężenia i odkształcenia podczas badań, z uwzględnieniem historii geologicznej, faz i technologii budowy oraz warunków eksploatacji wykonywanego obiektu. Ostatni element rozpoznania geotechnicznego dla potrzeb budowy głębokich wykopów to nadzór geotechniczny podczas prowadzenia robót. Uzyskane na tym etapie badań informacje są szczególnie cenne dla projektantów i wykonawców, gdyż dotyczą rzeczywistych warunków geologiczno-inżynierskich oraz wpływu prowadzonych prac na otaczający grunt i powierzchnię terenu. Są elementem tzw. metody obserwacyjnej projektowania. Umożliwiają weryfikację przekrojów geotechnicznych wykonanych na podstawie wierceń oraz ocenę prawidłowości interpretacji danych. Dobrze prowadzony nadzór może uchronić wykonawcę przed ewentualnymi awariami i katastrofami. Istotne znaczenie ma rozpoznanie poziomów wód i ciągła obserwacja ich zmian. Badania dodatkowe to na przykład pomiary inklinometryczne lub geodezyjne przemieszczeń reperów wgłębnych i powierzchniowych. Przyjmuje się, że koszt studiów geotechnicznych powinien wynosić od 0,5% do 1% kosztów całej inwestycji. W budownictwie podziemnym nie opłaca się oszczędzać na badaniach podłoża. Ewentualne oszczędności są pozorne i na ogół powodują wielokrotnie większe dodatkowe koszty budowy, związane z nieprzewidzianymi sytuacjami - awariami, naprawami czy katastrofami, grożącymi bezpieczeństwu ludzi i/lub obiektu. 90

91 7. Rodzaje obudów głębokich wykopów Inwestycje, dla których zachodzi potrzeba wykonania głębokiego wykopu, a przede wszystkim zlokalizowane w terenie zabudowanym, wymagają podjęcia szczególnych działań. Wybierając rodzaj obudowy i technologię wykonania należy uwzględnić wiele czynników. Na podstawie przyjętych rozwiązań i warunków gruntowo-wodnych prognozuje się ekstremalne przemieszczenia terenu w strefie objętej wpływami głębokiego wykopu. Przemieszczenia te porównuje się z dopuszczalnymi, określonymi dla obiektów istniejących na podstawie rozpoznania rodzaju i stanu ich konstrukcji. W przypadku, gdy istnieje uzasadniona obawa, że przemieszczenia przekroczą dopuszczalne wartości projektuje się prace wzmacniające. W szczególnych przypadkach, jeśli istnieje taka możliwość, powtórnie analizuje się konstrukcję obudowy wykopu oraz technologię jego głębienia. Poszukując rozwiązań dających mniejsze przemieszczenia, zmienia się przyjętą technologię lub schematy. Na etapie projektu wykonawczego, dla ostatecznie zatwierdzonych rozwiązań technologicznokonstrukcyjnych, wykonuje się projekt monitoringu. Opracowanie to w ogólnym zarysie obejmuje rodzaj i zakres wykonywanych pomiarów, ich częstotliwość oraz wartości alarmowe i graniczne wraz z zasadami postępowania w przypadku ich osiągnięcia. Główne rodzaje obudów wykopów to: ściana szczelinowa, obudowa berlińska, ścianka z grodzie stalowych, palisada z pali (np. CFA) lub mikropali, ściany z kolumn wykonanych metodą iniekcji strumieniowej, ściany gwoździowane, technologie mieszane, np. ściana szczelinowa i obudowa berlińska, palisady i ściany gwoździowane, obudowa berlińska i mikropale oraz inne. Poza terenami zabudowanymi głębokie wykopy realizowane są najczęściej metodą wykopów szerokoprzestrzennych. Stateczność obudowy głębokiego wykopu wykonanego jedną z tych technologii (z wyjątkiem ścian gwoździowanych) zapewniają rozpory, kotwy gruntowe lub stropy kondygnacji podziemnych. Technologie te są stosowane do zabezpieczania pionowych ścian wykopów w budownictwie ogólnym (podziemia budynków użyteczności publicznej, podziemne garaże budynków mieszkalnych lub parkingi), komunikacyjnym (tunele kolejowe, samochodowe i tunele metra wykonywane metodami odkrywkowymi, głębokie wykopy fundamentów mostów) i podczas robót instalacyjnych (kolektory wodociągowe, kanalizacyjne, ciepłownicze). W budownictwie ogólnym głębokość wykopu wynika z liczby kondygnacji podziemnych obiektu i najczęściej nie przekracza 18 m (np. w przypadku pięciu kondygnacji podziemnych garaży). W budownictwie komunikacyjnym głębokość jest związana z przebiegiem trasy tunelu drogowego, kolejowego lub metra. Ze względu na warunki geotechniczne, technologię budowy, bezpieczeństwo robót i koszty wykonania najczęściej w przypadku tego rodzaju wykopów ich głębokość wynosi od kilkunastu do 40 m. 91

92 W ostatnich latach znacznie rozszerza się obszar wykorzystania ścian szczelinowych z ekonomicznego punktu widzenia. Zmniejszenie kosztów umożliwia również wykorzystanie metody kombinowanej, obudowy berlińskiej i ścianek z grodzic stalowych. Na placach budów obecnie są często też obudowy palisadowe (także z mikropali), ściany formowane iniekcją strumieniową oraz kotwie gruntowe do zapewnienia stateczności we wszystkich fazach budowy. Kotwie umożliwiają szybsze prowadzenie robót ze względu na wolną przestrzeń oraz łatwiejsze odwodnienie wykopu. O kryterium wyboru lub dopuszczalności stosowania określonych obudów stanowi możliwość i wielkość deformacji ścian obudów i oddziaływania na otaczający teren. Przyjęcie określonego rozwiązania obudowy wykopów w formie wspornikowej lub podpartej decyduje o charakterze deformacji gruntu za ścianą. Maksymalne osiadania terenu są porównywalne ale znajdują się w innej odległości od obudowy wykopu. Od kształtu deformacji podłoża zależy oddziaływanie na budynki w sąsiedztwie, które mogą mieć różną wrażliwość na określoną formę przemieszczeń. Warto zaznaczyć, że za ścianą, która nie pracuje jako wspornik powstająca niecka osiadań ma dwie części, wklęsłą znajdującą się bezpośrednio za ścianą i wypukłą znajdującą się w pewnej odległości rys. 48. Rys.48. Schematy odkształceń ścian wspornikowych i podpartych [13]. Oszacowanie zakresu oddziaływania wykopu na przemieszczenia sąsiadujących obiektów obejmują: zasięg oddziaływania wykopu - wyznaczenie stref oddziaływań, przemieszczenia pionowe obudowy i terenu przyległego, przemieszczenia poziome obudowy wykopu - wynikające z jej rodzaju, wpływ odkształceń podłoża gruntowego na stan techniczny zabudowy i infrastruktury sąsiedniej. Oddzielnym zagadnieniem są przemieszczenia związane z awariami obudów wykopów. Teoretycznie najkorzystniejsze, z uwagi na charakter pracy statycznej i ograniczenie przemieszczeń podłoża, jest ukształtowanie rzutu części podziemnej budynku w formie koła. To rozwiązanie eliminuje konieczność stosowania rozparcia ścian szczelinowych, pozwala na zmniejszenie ilości zbrojenia, zapewnia szczelność styków ścian oraz jest tańsze od rozwiązań tradycyjnych obudów wykopów w postaci ścian szczelinowych płaskich. 92

93 Rys.49. Zasięg stref oddziaływania wykopu [13]. W celu oceny oddziaływań wykopu na istniejące budynki należy określić: zasięg strefy oddziaływań wykopu S - obszar gruntu wokół wykopu, w obrębie którego wykonanie wykopu może powodować wystąpienie pion. i poziomych przemieszczeń podłoża gruntowego; zasięg strefy bezpośrednich oddziaływań wykopu S l - obszar w bezpośrednim sąsiedztwie wykopu, w którym w szczególnych przypadkach (np. wskutek niedostatecznej nośności obudowy, nadmiernego ugięcia obudowy) mogą wystąpić przemieszczenia podłoża zagrażające nośności budynków. Obszar ten przyjmowany jest jako maksymalna odległość od obudowy wykopu do najbardziej prawdopodobnej powierzchni poślizgu w gruncie. Zasięg strefy oddziaływania wykopu ustala się w zależności od podatności (sztywności) gruntów zalegających w podłożu oraz od głębokości wykopu H. Podczas określania zasięgu, należy uwzględnić również inne istotne czynniki, takie jak: rozmiary wykopu w planie, kształt wykopu, głębokość obniżenia zwierciadła wody gruntowej na czas prowadzenia robót budowlanych, wykonanie podparcia lub kotew oraz ich zasięg. Zasięg oddziaływania wykopu oraz wartości przemieszczeń pionowych i poziomych powierzchni terenu oraz przemieszczeń obudowy wykopu zależą od rodzaju gruntów podłoża, głębokości zalegania poszczególnych gruntów, wymiarów i kształtu wykopu, rodzaju zastosowanej obudowy, sposobu jej rozparcia, metody obniżenia zwierciadła wody gruntowej itp. Według literatury zasięg oddziaływania wykopu definiuje się zazwyczaj, jako obszar podłoża wokół wykopu, w którym na skutek prowadzenia robót występują pionowe i poziome przemieszczenia gruntu. Zasięg ten według różnych badaczy jest zazwyczaj wyrażany jako wielokrotność głębokości wykopu H, w zależności od rodzaju gruntów lub obudowy wykopu i wynosi: 93

94 Rys.50. Zasięg stref oddziaływania wykopu [13]. Tab.14. Zasięg oddziaływania wykopu [13]. Dopuszczalne jest zmniejszenie ww. wartości o ok. 20 % w przypadku braku konieczności obniżania zwierciadła wody gruntowej. Odległość oddziaływania może być również ustalana w zależności od kształtu i szerokości fundamentu wznoszonego budynku, wielkości nacisku w jego podstawie oraz średniej wartości modułu deformacji w osiadającej warstwie gruntu. 94

95 Dodatkowo przy wykonywaniu obliczeń należy uwzględnić możliwe zmiany warunków hydrogeologicznych, a także fizyko-mechanicznych parametrów gruntów i skał podczas wykonywania prac budowlanych i eksploatacji obiektu, w tym również z uwzględnieniem przemarzania, odmarzania, odwodnienia i ew. zanieczyszczenia gruntu ściekami w wyniku awarii kanalizacji. Przy projektowaniu obiektów podziemnych (które znajdują się w strefie ryzyka dla zabudowy sąsiedniej), przecinających częściowo lub całkowicie naturalne drogi filtracji w podłożu gruntowym, a także zmieniających warunki i drogi filtracji wód podziemnych, należy wykonać obliczenia zmian reżimu hydrogeologicznego terenu budowy. Obliczenia te należy wykonać na drodze matematycznego modelowania procesów filtracji metodami numerycznymi. Przy obliczeniach należy określać bezpieczeństwo zabudowy sąsiedniej. Bardzo duże znaczenie mają odpowiednio opracowane zależności lokalne. Statystycznie największe przemieszczenia pionowe powierzchni terenu występują w strefie o szerokości od 0,5H do 0,75H od krawędzi wykopu, a następnie zanikają w odległości od 2H do 4H, bądź przy wykonywaniu obniżenia zwierciadła wody gruntowej (przy zastosowaniu studni depresyjnych usytuowanych poza obrysem wykopu) od 3H do 4H licząc od krawędzi wykopu. W przypadku odwodnienia należy przewidzieć dodatkowe zwiększenie zasięgu monitoringu przemieszczeń. W przypadku terenów zurbanizowanych, gdzie nie ma zastosowania pojęcie naturalnego poziomu wód gruntowych - analiza oddziaływań filtracyjnych jest bardzo trudna z powodu nakładania się oddziaływań różnych zjawisk, występujących w różnych fazach inwestycji. Zwierciadło wód podziemnych mogło być przecież wielokrotnie obniżane w wyniku realizacji wcześniejszych obiektów. Podsypki z gruntów niespoistych, stosowane np. pod rurociągami, działają jak drenaże. Krótko lub długotrwały wpływ mogą wywierać również: nieszczelna kanalizacja, awarie sieci wodociągowych i ciepłowniczych. Przemieszczenia pionowe powierzchni terenu w bezpośrednim sąsiedztwie wykopów można przyjmować zgodnie z tabelą 16: Tab.16. Zestawienie wartości przemieszczeń pionowych [13]. 95

96 Przemieszczenia pionowe terenu w strefie przylegającej do wznoszonego budynku są wynikiem superpozycji przemieszczeń z poszczególnych etapów robót, obejmujących: wykonanie obudowy, głębienie wykopu i podpieranie jego obudowy, realizację części podziemnej budynku, a następnie całej konstrukcji oraz warunków jej użytkowania. Proces rozwoju przemieszczeń pionowych podłoża gruntowego nie kończy się w momencie zakończenia wykonywania wykopu. W tym momencie można stwierdzić koniec sprężystego odprężenia gruntu. Następujące dalej wypiętrzenia są rezultatem dysypacji nadwyżek ciśnienia ssania wody w porach. Mogą również wynikać z pęcznienia spoistego gruntu podłoża. W podłożach niespoistych osiadania praktycznie kończą się bezpośrednio po zakończeniu budowy. Inaczej jest w gruntach spoistych. Proces ten trwa nawet do kilku lat po zakończeniu budowy. W normie PN-81/ B podane są dopuszczalne wartości umownych przemieszczeń i odkształceń zachodzących w fazie eksploatacji obiektów budowlanych przy założeniu zakończenia odkształceń: dla warstw gruntów niespoistych i spoistych w stanie półzwartym (I L < 0,00) - 100%, dla warstw gruntów spoistych w stanie gorszym niż półzwartym (I L > 0,00) - 50%. dla warstw gruntów organicznych - 25% osiadania całkowitego. Możliwe przemieszczenia poziome ścian obudowy wykopu zestawiono w tabl.17. Tab. 17. Wartości przemieszczeń poziomych obudów [13]. 96

97 7.1. Ściany szczelinowe Są to konstrukcje formowane w gruncie w szczelinie zabezpieczonej zawiesiną odzyskiwaną lub tężejącą i formowane z betonu zbrojonego lub wykonane z prefabrykatów osadzonych w szczelinach. Ściany szczelinowe są obecnie w Polsce najczęściej stosowanymi obudowami głębokich wykopów z uwagi na sztywność oraz możliwość ich wykorzystania w konstrukcjach zarówno ścian tunelu, podziemi budynków, jak i fundamentów. W budownictwie ogólnym najczęściej wykonuje się je do głębokości kilkunastu metrów (od 12 m do 18 m w przypadku od dwóch do czterech kondygnacji podziemnych), w budownictwie komunikacyjnym do głębokości do 25 m. Grubości ścian to: 60, 80 i 100 cm, co wynika z jednej strony z obliczeń statycznych, a z drugiej z szerokości łyżek chwytaków, którymi dysponują firmy wykonawcze. Rys. 51. Schemat sekcji ściany szczelnej [19]. Rys.52. Przykłady stosowanych prefabrykatów w ścianach szczelinowych [7], 97

98 Głębienie szczeliny odbywa się najczęściej w osłonie z zawiesiny iłowej, której właściwości określa się każdorazowo w projekcie, uwzględniając warunki gruntowe i wodne. Głębienie prowadzi się sekcjami. Ich długość i odstęp pomiędzy wykonywanymi sekcjami oraz kolejność realizacji zależą od warunków gruntowych, rodzajów ściany i rodzaju stosowanego narzędzia, a także od sytuacji na naziomie ściany. Najczęściej wykonuje się sekcje o długości około 6 m. Po zakończeniu głębienia do wymaganej w projekcie rzędnej do szczeliny wprowadza się elementy rozdzielcze formujące styki sekcji oraz szkielety zbrojeniowe. Jako elementy rozdzielcze stosuje się stalowe rury lub kształtowniki, w których można zainstalować gumowe uszczelki. Po usunięciu elementów rozdzielczych uzyskuje się gotową sekcję ściany szczelinowej. Ponieważ poszczególne szkielety zbrojeniowe sekcji nie współpracują ze sobą, często po skuciu górnej warstwy betonu wykonuje się wieniec, aby zapobiec klawiszowaniu ściany. W przypadku wykonywania ściany szczelinowej w bezpośrednim sąsiedztwie fundamentów budynku należy ograniczyć długość 1 sekcji do długości tzw. jednego zabioru łyżki chwytaka (od 2,7 m do 2,9 m) i tak ułożyć harmonogram głębienia, aby sekcje wykonywane w niewielkim odstępie czasu nie stykały się ze sobą. Jest to podyktowane koniecznością ograniczenia negatywnego oddziaływania tej fazy wykonania wykopu na otoczenie. Dotychczasowe obserwacje dowiodły, że największe osiadania budynków sąsiadujących z wykopem powstają w fazie głębienia szczeliny i betonowania ściany. Obudowa wykopu ze ścian szczelinowych daje wiele korzyści. Można zmniejszyć zakres odwadniania wykopu, a sztywna konstrukcja ścian rozparta stropami kondygnacji podziemnych ogranicza poziome przemieszczenia obudowy i wpływ wykopu na obiekty sąsiednie. W niektórych warunkach geotechnicznych wykonuje się ściany znacznie głębsze niż to wynika z obliczeń statycznych, sięgające do warstw gruntu nieprzepuszczalnego lub nośnego. W ten sposób odcina się wykop od wody i zmniejsza zakres odwodnienia tylko do podłoża znajdującego się wewnątrz wykopu. Z punktu widzenia przepisów i wymagań formalnych ma to duże znaczenie, gdyż jeśli zasięg leja depresji nie wykracza poza granice działki, nie trzeba uzyskiwać pozwolenia wodnoprawnego i w konsekwencji oszczędza się czas i koszty związane z opracowaniem operatu. Rys.53. Zastosowanie ścian szczelinowych w konstrukcjach oporowych [7]. 98

99 7.2. Obudowa berlińska [18] Obudowa berlińska składa się z pionowych słupów oraz poziomych elementów opinki. Słupy wykonane są najczęściej z kształtowników stalowych (dwuteowników lub ceowników). Rzadko stosowane są inne rozwiązania, jak np. pale żelbetowe. Słupy osadza się w gruncie metodą wbijania lub umieszczając je w wywierconym otworze wypełnionym betonem albo zawiesiną twardniejącą. Ze względu na konieczność usunięcia związanego materiału po odsłonięciu kształtownika, wypełnienie betonem stosuje się tylko poniżej poziomu planowanego wykopu. Opinkę montuje się między słupami, w kilku etapach, w miarę pogłębiania wykopu i odsłaniania kolejnych warstw gruntu. Odsłonięty grunt powinien mieć możliwość zachowania chwilowej stateczności do czasu zamontowania opinki. Bardzo trudno jest wykonać taka obudowę w gruntach łatwo się osypujących, np. w piaskach. Najczęściej jako opinki używa się krawędziaków drewnianych. Możliwe jest również użycie elementów stalowych lub żelbetowych. Pomimo zachowania odpowiedniej staranności niemożliwe jest dokładne dopasowanie montowanej opinki do odsłoniętego gruntu. Dlatego w tego rodzaju obudowie nieuniknione są przemieszczenia gruntu za obudową. W związku z tym niewskazane jest wykonywanie obudowy berlińskiej w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących obiektów. Lepsze przyleganie do gruntu zapewnia opinka z torkretu, ale w Polsce nie jest często stosowana. Obudowę berlińską stosuje się zwykle powyżej poziomu wody gruntowej. Za względu na nieszczelność obudowy możliwe są wycieki wody z gruntu do wykopu, ale w takiej sytuacji należy zadbać, aby wypływająca woda nie wypłukiwała do wykopu gruntu zza obudowy. Możliwość swobodnego wypływu wody do wykopu zabezpiecza przed spiętrzeniem poziomu wody wynikającym ze zbudowania w gruncie szczelnej przegrody. W przypadku niewielkich głębokości (3-4 m) ściana może pracować wspornikowo. Przy głębszych wykopach stateczność ściany zapewniają kotwy gruntowe lub rozpory stalowe. W przypadku kotwienia obudowy można wykonać dodatkowy wieniec przenoszący parcie poziome obudowy na kotwy. Jest to jednak element zabierający cenną przestrzeń wewnątrz wykopu. Dlatego najczęściej kotwi się pojedyncze słupy. Najczęściej jednak obudowa berlińska jest konstrukcją traconą. Wynika to z trudności wyciągnięcia słupów kotwionych lub ze szczupłości miejsca na demontaż opinki. Fazy wykonywania obudowy berlińskiej: a) zagłębienie kształtownika, b) częściowy wykop z odsłonięciem kształtownika i skarpy, c) wykonanie opinki na odsłoniętej części, d) kolejne fazy wykopu z uzupełnianiem opinki, wykop do pełnej głębokości, e) wykonanie opinki do pełnej głębokości wykopu, f) wykonanie konstrukcji docelowej w wykopie, g) zasypanie przestrzeni, najczęściej z pozostawieniem opinki. Zalety obudowy berlińskiej: relatywnie nieduży koszt (mniejszy niż ściany szczelinowej), akceptowalny koszt również przy małym zakresie robót, łatwość kształtowania obudowy w planie, możliwość zastosowania jako tymczasowe przedłużenie ściany szczelinowej. 99

100 Do wad obudowy berlińskiej można zaliczyć: niemożność wykonania w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących budowli, ze względu na większe niż w ścianach szczelinowych odkształcenia przyległego terenu, nieprzydatność w gruntach poniżej poziomu wody lub łatwo osypujących się (np. piaski), konieczność wykonania oddzielnej ściany docelowej, mała nośność pionowa. Rys. 54. Schematy ścianek berlińskich [19] Ścianka z grodzic stalowych 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 i mogą: 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, 100

101 d) umacniać nabrzeża w budownictwie hydrotechnicznym, e) w posadowieniach bezpośrednich na gruntach nawodnionych, szczególnie w przypadkach piasków drobnych i ruchomych wodach gruntowych, mogą wygrodzić podłoże fundamentów budowli i chronić je przed wypłukiwaniem najdrobniejszych cząstek gruntu. Ścianki szczelne mogą być wykonane z elementów stalowych, drewnianych lub żelbetowych. Głębokość wbicia ścianki szczelnej zależy od następujących czynników: - głębokości wykopu lub uskoku terenu, - rodzaju podłoża poniżej dna wykopu (w gruntach kamienistych lub zawierających duże kamienie, kłody drewna itp. przeszkody stosuje się mniejsze głębokości wbicia), - warunków gruntowo-wodnych (głębokość wbicia może wynikać z konieczności zagłębienia ścianki w gruntach nieprzepuszczalnych aby uniemożliwić przepływ wody gruntowej pod ścianką), - wielkości obciążeń przekazywanych na ściankę szczelną wynikających z parcia gruntu i wody, obciążenia naziomu, obciążenia podłoża w sąsiedztwie ścianki fundamentami istniejących budowli. 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 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. 101

102 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 e p (z) = q K p + γ z K p +2 c K š 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. 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. 102

103 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. 55). Rys.55. 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.56. Schematy do obliczeń ciśnienia spływowego [17]. Przy intensywnym przepływie wody, w wyniku pokonania przez siły ciśnienia spływowego ciężaru gruntu γ następuje zjawisko zwane kurzawką". Aby to zjawisko nie zaistniało powinien być spełniony warunek głębokości wbicia ścianki t" : 103

104 N q współczynnik nośności r = œ Rys. 57. Schemat do sprawdzenia min. głębokości wbicia ścianki [17]. Rys.58. Minimalne wymagane zagłębienie (h d ) ścianki w podłożu z gruntu przepuszczalnego (na rysunku nie pokazano rozparć ścianki). [7] Jeżeli w trakcie obliczeń, potrzebny wskaźnik wytrzymałości ścianki W x na 1 mb przekroczy wartości zestawione w tablicach dla typowych profili, należy przeanalizować powtórnie z założeniem palościanki. Potrzebne elementy ścianki w formie zamkniętych przestrzeni mogą przybierać rożne kształty: 104

105 Tego typu formy podlegają ścisłym obliczeniom i wyznaczeniu okresów powtarzania b. Dla zwiększenia sztywności, wnętrza mogą być wypełnione betonem wraz ze zbrojeniem. Zakotwienie ścianki realizowane jest przez cięgna, kotwy, bloki betonowe, żelbetowe i stalowe. Rys. 59. Graficzne wyznaczenie położenia bloków lub płyt kotwiących w gruncie sypkim [7] Minimalne odległości płyt kotwiących: - ścianka przegubowo podparta - ścianka sztywno utwierdzona 105

106 Rys. 60. Wyznaczanie min. odległości płyt kotwiących od ścianki sztywno utwierdzonej w gruncie [17] Pracochłonne obliczenia ścianek szczelnych metodami: graficzno-analityczna Bluma jednokrotnie kotwionej, analityczną Bluma, graficzno-analityczną podwójnie zakotwionej w gruncie zastępowane są obecnie odpowiednimi programami inżynierskimi Palisady Palisady z pali wierconych wykonuje się w gruncie z wzajemnie stykających się lub zachodzących na siebie pali. Zbrojenie może być w każdym lub np. co drugim elemencie. Stosowane średnice 0,6 1,0 m przy długościach do 20 m. Rys. 61. Schemat palisad stykających się i wzajemnie wciętych [19]. Do zalet tego systemu należą: szybkość i niski koszt wykonania tymczasowej obudowy wykopu, stosunkowo duża sztywność, co pozwala na wykonywanie obudowy w sąsiedztwie istniejących budynków wrażliwych na nierównomierne osiadanie, brak drgań podczas wykonywania pali i czysty" plac budowy, możliwość stosowania w różnorodnych warunkach geotechnicznych, 106

107 przy świdrze ciągłym nie występuje rozluźnienie gruntu. Oprócz klasycznych palisad stosuje się również systemy mieszane, np. niezbrojona ściana szczelinowa i zbrojone pale (np. CFA). Rozstaw pali jest taki, aby wykorzystać zjawisko przesklepienia w przęsłach ściany szczelinowej między palami i w ten sposób uzyskać odpowiednią sztywność obudowy. Do wad tej technologii należą: brak szczelności wynikający z wadliwego wykonania i konieczność zastosowania wgłębnego odwodnienia, konieczność ponoszenia dodatkowych kosztów dla wykończenia powierzchni ściany w częściach pod- i naziemnych. Znane są przykłady konstrukcji oporowych wykonanych z palisady w technologii DSM i pali CFA. Stateczność tego typu konstrukcji zapewniają z reguły jeden lub dwa rzędy gwoździ gruntowych o długości średnio 8 m i nośności min. 80 kn każdy. Do współpracy z gwoździami konieczne są rzędy oczepów. Przy braku wody gruntowej i zalegających w ścianie gruntów piaszczystych o I D > 0,6 palisadę można wykonać z mikropali (Ø 210 cm) zbrojonych kształtownikami IPE 140 lub 180. Całość w koronie zamyka się oczepem Pale CFA Pale CFA (ang. Continuous Flight Auger) znane Polsce pod nazwą pale FSC (Formowane Świdrem Ciągłym) to pale wiercone, wykonywane przy pomocy świdra ciągłego osadzonego na rurowym rdzeniu. Wykonanie pali CFA polega na pogrążaniu świdra ruchem obrotowym na żądaną głębokość. Po jej osiągnięciu do świdra wpompowuje się mieszankę betonową, która działając pod ciśnieniem wypycha ostrze tracone szczelnie zamykające rdzeń świdra. Podczas podnoszenia świdra beton pod ciśnieniem dokładnie wypełnia trzon pala CFA, dzięki czemu uzyskujemy bardzo dobry kontakt pala CFA z gruntem na pobocznicy. Po zakończeniu betonowania do świeżej mieszanki wprowadza się zbrojenie wykonane wcześniej w zakładzie prefabrykacji, zgodnie z projektem. Dzięki zastosowaniu rdzenia rurowego o dużej średnicy możliwe jest również wprowadzenie kosza zbrojeniowego przed podaniem betonu co ułatwia zbrojenia pali CFA o znacznej długości. Pale CFA stosowane są najczęściej w gruntach spoistych twardoplastycznych i niespoistych o wysokim stopniu zagęszczenia. Technologia jest stosunkowo tania w wykonaniu w stosunku do uzyskiwanej nośności pala. Bezwibracyjne wykonanie pozwala zastosować pale CFA w pobliżu istniejących budynków. Parametry techniczne pali CFA: - średnice: 300, 400, 500, 600 mm - długość maksymalna: 30 m - nośność: do 2000 kn (w zależności od warunków gruntowych) 107

108 Rys.62. Etapy formowania pali CFA Ściana z kolumn wykonanych metodą iniekcji strumieniowej Iniekcja strumieniowa (jet grouting) jest techniką polegającą na upłynnianiu gruntu strumieniem cieczy o ciśnieniu MPa i mieszaniu tego gruntu z zaczynem cementowym. Rozróżnia się iniekcję pojedynczą, podwójną i potrójną. Żerdź z dyszami jest zagłębiana w gruncie do żądanej głębokości, a następnie ruchem obrotowym skokowo wyciągana z jednoczesną iniekcją. Średnica uzyskiwanej w ten sposób kolumny zależy od sposobu upłynniania, uziarnienia gruntu oraz szybkości unoszenia żerdzi i waha się od cm do kilku nawet metrów. Kolumna taka może osiągać wytrzymałości od kilku do kilkunastu megapaskali (w wyjątkowych przypadkach, np. w gruntach gruboziarnistych, takich jak pospółki do 30 MPa). Z wzajemnie przyległych kolumn jest formowana ściana tworząca obudowę wykopu. Stateczność jej można zapewnić montując na oczepach rozpory stalowe lub kotwy gruntowe. Rys.63. Ściany oporowe i grodze wykonane w gruncie nawodnionym metodą iniekcji strumieniowej [7]. 108

109 Rys. 64. Etapy realizacji iniekcji strumieniowej [7] Ściana gwoździowana Gwoździowanie skarpy lub ściany wykopu polega na zbrojeniu gruntu gwoździami gruntowymi o długościach od 4 8, średnicach mm i uciągach roboczych od kilku do 300 kn. Rozstawy: 0,8 x 0,8 do 1,5 x 1,5 m. W szybko rozwijającej się obecnie dziedzinie budownictwa podziemnego i inżynieryjnego iniekcyjne kotwy gruntowe znajdują szerokie zastosowanie przy zabezpieczaniu ścian głębokich wykopów, dając dużą swobodę wykonywania robót budowlanych w porównaniu z innymi sposobami rozparcia (rozpory, metoda podstropowa, przypory ziemne ). Kotwy można stosować również przy wykonywaniu konstrukcji zapewniających stateczność nasypów, skarp i zboczy konstrukcji poddanych siłom wyporu wody gruntowej, stabilizacji fundamentów, oraz jako konstrukcje kotwiące odciągi wysokich budowli ( wieże i maszty ). Ograniczenia w stosowaniu kotwi mogą stanowić: niekorzystne warunki gruntowe uniemożliwiające prawidłowe uformowanie buławy i zapewnienie jej odpowiedniej nośności zewnętrznej, wysoki poziom wód gruntowych uniemożliwiający prawidłowe wykonanie otworu wiertniczego, przeszkody podziemne w postaci infrastruktury podziemnej, fundamenty sąsiednich obiektów, brak zgody właściciela terenu na wykonanie kotwi w przypadku ich wykonania w obszarze wykraczającym poza granice działki inwestora. Iniekcyjna kotwa gruntowa jest konstrukcją pracującą w gruncie i jej zadaniem jest przeniesienie obciążeń z budowanej konstrukcji oporowej na grunt. Niezależnie od typu kotwi, jej rodzaju i technologii wykonania głównymi elementami kotwy są, buława, cięgno z częścią swobodną oraz głowica. 109

110 Rys. 65. Kotwy gruntowe iniekcyjne wstępnie naprężone i bierne [7] Ze względu na różnorodny charakter konstrukcji stosowanych kotew, sposobu ich wykonania, przeznaczenie, okres eksploatacji trudno jest o konsekwentną klasyfikację i systematykę. Dla pewnego zobrazowania kotwy można podzielić ze względu na kryteria przedstawione poniżej: Czas eksploatacji: - kotwy tymczasowe, czas eksploatacji, typowo 2 lata, - kotwy stałe (trwałe) o wieloletnim okresie eksploatacji, które stanowią trwały element konstrukcji kotwionej. Rodzaj gruntu w strefie buław: - grunty nie skaliste (iły, gliny, piaski, żwiry itd.), - grunty skaliste. Rodzaj konstrukcji: - materiał cięgna (sploty linowe, prętowe), - rodzaj pracy buławy (buława rozciągana lub ściskana), - kształt buławy (poszerzenie przez iniekcję lub mechaniczne poszerzenie otworu wiertniczego), - sposób wykonania iniekcji (iniekcja pojedyncza lub wielokrotna). Sposób wykonania otworu wiertniczego: - na sucho świdrem ślimakowym, - z płuczką, świdrami bez rurowania otworu wiertniczego, - z płuczką, koronkami z rurowaniem otworu wiertniczego, - systemem dwuprzewodowym (z przedmuchem powietrza lub z płuczką). Kotwy iniekcyjne stanowią odpowiedzialną część konstrukcji oporowej, od jej prawidłowego zaprojektowania zależy bezpieczeństwo całej konstrukcji zarówno w przypadku kotew tymczasowych, które demontujemy w odpowiedniej fazie robót jak i kotew stałych, które są stałym elementem konstrukcji oporowej. Dla wykonania projektu kotwienia obudowy głębokiego wykopu (ściany szczelinowej, ścianki berlińskiej itp.) należy przeanalizować następujące dane: 110

111 1. Zebrać dane wyjściowe obejmujące podkłady konstrukcyjno-budowlane z obciążeniami działającymi na konstrukcję kotwioną, dokumentację geologiczno-inżynierską określającą warunki gruntowe i wodne, w jakich wykonywane będą kotwy. 2. Dokonać analizy możliwości i celowości zastosowania kotew iniekcyjnych. 3. Ustalić schematy statyczne określające poziomy kotwienia oraz obliczenie wielkości sił (reakcji) oddziaływania na kotwy we wszystkich fazach wykonywania wykopu. 4. Ustalić rodzaj konstrukcji zastosowanych kotew oraz ich dane geometryczne, kąt pochylenia, długość swobodną cięgna i buławy. 5. Obliczyć nośność kotew przy określonych warunkach gruntowych. 6. Sprawdzić stateczność układu konstrukcja - kotwy - grunt (np. wg Kranza i stateczności ogólnej np. wg Bishopa). 7. Zaprojektować konstrukcję kotwy (cięgno, głowica, buława). 8. Określić zakres badań kotew (badania podstawowe, przydatności, końcowe geodezyjne). 9. Dokonać ewentualnych korekt w projekcie wykonawczym po analizie wyników badań kotew. Ze względu na zastosowanie kotew gruntowych rozpoznanie geotechniczne powinno obejmować swoim zasięgiem nie tylko rejon posadowienia obiektu, ale również strefę gdzie wykonywane będą buławy kotew. W przypadkach złożonych warunków gruntowych wskazane jest wykonanie kotew próbnych, wykonanie badań przydatności kotew i na tej podstawie wykonanie właściwego projektu wykonawczego kotwienia. Dla typowych przypadków dokumentacja geotechniczna powinna określać takie parametry gruntu jak: rodzaj gruntu, ciężar właściwy, ciężar objętościowy, kąt tarcia wewnętrznego, spójność, stopień plastyczności lub stopień zagęszczenia, moduły odkształcenia, wytrzymałość na ścinanie. Dodatkowo należy rozpoznać czy grunt nie jest podatny na zmianę parametrów pod wpływem wibracji lub działających sił dynamicznych, lub pęcznienie pod wpływem zawilgocenia. Bardzo istotnym zagadnieniem jest rozpoznanie wahań poziomu wód gruntowych i możliwości uzyskania depresji w trakcie robót budowlanych. Na podstawie dokumentacji należy ocenić czy istnieje możliwość wymywania gruntu, powstawania zjawisk kurzawkowych, pęcznienia gruntu oraz przemarzania gruntu za ścianą oporową itp. Gwoździowanie nie ma zastosowania w przypadku wykopów położonych w pobliżu istniejącej zabudowy oraz uzbrojenia podziemnego. Należy zauważyć, iż gwoździ nie usuwa się po zakończeniu budowy, a to może utrudnić inwestycje planowane w przyszłości. Gwoździowanie jest efektywne w gruntach niespoistych o średnim i dużym zagęszczeniu, charakteryzujących się dużym tarciem wewnętrznym. Z takimi gruntami zawiesina cementowa skutecznie zespala cięgna, przez co mają one duże uciągi i występują tylko nieznaczne deformacje pełzania masywu gruntowego wzmocnionego gwoździami. Natomiast gwoździowanie gruntów luźnych jest nieefektywne, uciągi gwoździ są małe, występują duże deformacje wzmocnionego nimi gruntu i jest konieczne stosowanie gwoździ o dużych długościach. W takich warunkach gruntowych w zasadzie zawsze lepsze są kotwy wstępnie naprężone. 111

112 W przypadku niewielkich wysokości, skarpy mogą być bliskie pionu, przeważnie pochylenia dochodzą do 75 o. Skarpy często są pokrywane różnego rodzaju matami przeciwerozyjnymi, siatkami stalowymi z torkretowaniem lub systemami geokomórek z wypełnieniem ziarnistym lub betonowym. 8. Posadawianie instalacji Specyficzną formą robót ziemnych jest wykonywanie wykopów wąskoprzestrzennych dla wszelkiego rodzaju instalacji i urządzeń podziemnych. Wykopy wąskoprzestrzenne możemy wykonywać o ścianach pionowych do głębokości 1,5 m i szerokości do 0,6 m lub ze skarpami, jeśli jest na nie wystarczająca ilość miejsca, a także o ścianach pionowych zabezpieczonych różnego rodzaju deskowaniami. Umocnienia te, w zależności od warunków, w jakich mają pracować, dzielimy na: deskowania pełne, ażurowe, ścianki szczelne, ścianki zakładane. Rodzaj deskowania przy wykonywaniu wykopów wąskoprzestrzennych zależy od stanu gruntu i głębokości wykopu. Rys. 66. Przykłady rozparcia wąskich wykopów [15]. Zabezpieczanie ścian stosuje się również do wykopów szerokoprzestrzennych w następujących przypadkach: gdy grunt jest mało spoisty i skarpy zajęłyby dużo miejsca, wykonanie skarp nie jest możliwe, należy obniżyć poziom wody gruntowej i zachodzi konieczność prowadzenia prac w ściankach szczelnych. Wykopy powinno się zasypywać niezwłocznie po zakończeniu prac budowlanych, aby nie narażać wykonanych konstrukcji lub instalacji na działanie wpływów atmosferycznych, szcze- 112