Projektowanie umocnienia brzegowego.

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz - Inżynieria Środowiska Szczecin Projektowanie umocnienia brzegowego. Przedstawiony sposób projektowania odnosi się zasadniczo do gruntów podłoża najbardziej wrażliwych na erozję piasków i piasków pylastych oraz do systemów ochronnych. Składowe gradientu hydraulicznego w umocnieniach brzegowych [3] Schematyczny układ warstw w umocnieniu skarp i dna kanałów [2] W procesie projektowania i analiz należy każdorazowo ustalić, czy erozja jest wynikiem przepływu laminarnego, obejmującego przemienne kierunki przepływu, tj. warunków statycznych. Może się zdarzyć, że erozja jest wynikiem przepływu turbulentnego, działania fal lub pompowania i wtedy mamy do czynienia z warunkami dynamicznymi.

2 Rys. 1. Naprężenia rozciągające spowodowane przez osiadające kamienie i puste przestrzenie pod geosyntetykami. Naprężenia rozciągające geosyntetyki można ostrożnie oszacować za pomocą równania linii łańcuchowej : y = a cosh ( x a ) Można je wykorzystać w przypadkach działających miejscowo obciążeń szczytowych spowodowanych przez osiadające kamienie oraz w przypadkach, gdy geosyntetyki są rozpięte nad pustą przestrzenią ( rys.1). Opisywane rozwiązania dotyczą luźno sypanych kamieni na odpowiedniej podsypce. Istnieją systemy z połączonych elementów prefabrykowanych np. materace betonowe, które nie wymagają warstwy podsypki. a) umocnienie przed działaniem falowania Dla przewidywanej wysokości fal odczytuje się z nomogramu ( rys.2 - ciężar kamienia narzutowego W [ kn] w funkcji wysokości fali H [m]) potrzebny ciężar kamienia w umocnieniu przy odpowiednim kącie pochylenia skarpy. Wykres ten opracowano zakładając następujące właściwości: γ s - ciężar właściwy skały 27,3 kn/m 3, G s bezwymiarowy ciężar właściwy skały 2,73, K Δ - współczynnik zniszczenia 3,2 tj. brak uszkodzenia, fale nie przelewają się przez krawędź skarpy, β kąt pochylenia skarpy.

3 Rys.2. [2] b) Umocnienie przed działaniem prądu wody Dla przewidywanej prędkości przepływu odczytuje się z nomogramu ( rys.4: Zależność ciężaru kamienia narzutu od prędkości przepływu) wymagany ciężar kamieni w [dan] przy odpowiednim charakterze przepływu. Zastępcza średnica kamienia wynosi: D e = 3 7w 10 4 [m] gdzie: w = ciężar kamienia [dan]. Narzut powinien być układany w dwóch warstwach do łącznej miąższości 2 x D e.

4 Rys.3. Rozmiar kamienia narzutowego w zależności od prędkości przepływu wody [2] Rys.4. [2]

5 Określenie potrzebnej podsypki: Warstwa ta nie zawsze jest konieczna szczególnie gdy narzut układany jest ręcznie lub odbudowa skarpy wykonywana jest z prefabrykatów. Głównym zadaniem podsypki jest utworzenie warstwy pośredniej pomiędzy narzutem a filtrem, a więc także ochrona filtru przed uszkodzeniem. Średnica ziaren (podsypki) d 100 < 0,5 D e (narzutu) miąższość podsypki D e (narzutu). Rys.6. Wymiarowanie luźnego narzutu kamiennego w zależności od falowania ( wg Kniess a) Rys.5. Wymiarowanie luźnego narzutu kamiennego w zależności od szybkości prądu wody (wg Kniess a) Przykład obliczeniowy[19] Rzeka płynie uformowanym korytem, przepływ jest laminarny. Prędkość wody osiąga 3 m/s. Skarpa brzegu rzeki o pochyleniu około 1 : 2 zbudowana jest z piasku pylastego o współczynniku filtracji około 10-5 m/s i charakterystycznych rozmiarach ziarn: d 10 = 0,06 mm, d 50 = 0,20 mm, d 60 = 0,25 mm, d 90 = 0,80 mm. Jakie są wymagane parametry materiału geosyntetycznego, podsypki i narzutu?

6 a) Zaprojektowanie materiału geosyntetycznego Grunt niespoisty, warunki statyczne: U = d 60 = 0,25 = 4,1 d 10 0,06 2,5 x d 50 = 0,5 d 90 = 0,8 Zatem maksymalny wymiar O 90 = 0,5 mm. Dobór odpowiedniego materiału: dla geotkaniny o wartości k g = 2 x 10-4 odczytujemy z tablic η w = 0,09 η w k g = 0,09 x 2 x 10-4 = 1,8 x 10-5 m/s tj. nieco więcej niż współczynnik k s = 10-5 m/s. Materiał geosyntetyczny jest właściwy. b) Zaprojektowanie narzutu Z rys.4 dla przepływu laminarnego o prędkości 3 m/s przyjęto z pewnym zapasem narzut z kamieni o ciężarze 20 dan D e = = 355 mm Przyjęto całkowitą miąższość narzutu > 710 mm c) Warstwa podsypki Średnica d 100 < 0,5 x 355 < 355 mm, przyjęto miąższość 355 mm. Przyjęte rozwiązanie : Materiał geosyntetyczny: geotkanina O μm co najmniej k g = 2x 10-4 m/s Warstwa podsypki : kamienie do 175 mm miąższość co najmniej 355 mm. Narzut: kamienie 20 dan (0,2 kn) miąższość co najmniej 750 mm W śródlądowych drogach wodnych głównymi przyczynami erozji są prąd przepływu wody i ruch statków. Jeżeli te zjawiska można wyrazić za pomocą prędkości strugi to ogólną ocenę podatności na erozję dna i brzegów drogi wodnej można przedstawić w formie rys. 7. Posługując się rys. 7 warto odnotować, że gruntem najłatwiej ulegającym erozji jest piasek już przy prędkości przepływu około 20 cm/s (0,2 m/s) następuje transport.

7 Rys.7 [2] W celu maksymalnego ograniczenia erozji, brzegi i dno dróg wodnych muszą być zabezpieczane narzutem z kamieni o ciężarze i rozmiarach wystarczających, aby oprzeć się działaniu strumienia wody w ten sposób, że narzut zbudowany jest z dwóch warstw kamieni, ułożonych na podsypce z drobniejszego kruszywa. Podsypka z kolei leży na filtrze geosyntetycznym, rozłożonym na odpowiednio przygotowanej powierzchni skarpy brzegu i dna. Projektowanie filtrów z geosyntetyków, służących do ochrony przed erozją komplikuje fakt, że przepływ jest często turbulentny, a ponadto może zmieniać kierunek. Na przykład w kanale, w którym nie występują przepływy, poziom wody gruntowej w sąsiedztwie kanału będzie taki, jak poziom wody w kanale. Fala powstająca przy przejściu statku podnosi lokalnie poziom wody w kanale i wywołuje przepływ wody w gruncie w głąb obwałowania. Następnie przychodzący spód fali obniża poziom wody w kanale i powoduje odpływ wody z obwałowania w kierunku kanału. Z powodu zmiennego kierunku wody często nie jest możliwe powstanie sieci sklepień z ziarn gruntu przylegających do materiału geosyntetycznego. Wskutek tego nie może powstać w gruncie stabilny układ filtrujący. Stosowanie tkanin i włóknin na filtry w budowlach dróg wodnych, skarpach przybrzeżnych i śródlądowych, gdzie podłoże budują piaski i piaski pylaste, które są szczególnie podatne na erozję, wiąże się z problemem projektowania filtru. Otwartość geosyntetyków jest wystarczająco mała, aby zapobiec dużym ubytkom ziarn i cząstek gruntu, a jednocześnie zachowuje dostatecznie dużą przepuszczalność przez cały okres jego użytkowania, zapobiegając tym samym wzbudzaniu zwiększonego ciśnienia spowodowanego falowaniem.

8 Kryteria dla filtrów, które powinny zapewniać zatrzymanie drobnych cząstek i ziaren, można podsumować następująco: a) grunty niespoiste: warunki obciążenia statycznego Jeżeli U* 5 to O 90 < 10 x d 50 oraz O 90 < d 90 Jeżeli U* < 5 to O 90 < 2,5 x d 50 oraz O 90 d 90 gdzie U* oznacza wskaźnik różnoziarnistości definiowany jako d 60 /d 10 warunki obciążenia dynamicznego O 90 < d 50 b) grunty spoiste warunki statyczne/dynamiczne obciążenia O 90 < 10 x d 50 oraz O 90 d 90 i O μm Za warunki statyczne obciążenia uważa się przepływ laminarny, włączając zmiany kierunku przepływu. Dynamiczne warunki obciążenia są wytwarzane przez przepływ silnie turbulentny, działanie falowania oraz zjawisko pompowania. Dla obu wymienionych typów gruntów mogą występować odchylenia od powyższych kryteriów, w zależności od zawartości pyłów i wartości wskaźnika różnoziarnistości. Kryterium przepuszczalności wymaga, aby przepuszczalność geosyntetyków była zawsze większa od współczynnika filtracji k s chronionego gruntu obwałowania. Jeżeli w laboratorium jest mierzona przepuszczalność k g samego materiału geosyntetycznego, poddanego działaniu odpowiedniego naprężenia ściskającego, to może się ona wydawać wystarczająca tj. k g > k s. Jednak gdy geosyntetyki są umieszczane w kontakcie z gruntem, to ich przepuszczalność maleje. Literatura: 1. Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen. EAU Ernst and Sohn 2. Lotrak. Poradnik projektanta Van Zanten R.V.: Geotextiles and geomembranes in civil engineering. Balkema Wesolowski A. [i in.] : Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich. Wyd. SGGW, W-wa 2000.