Odwadnianie obiektów i wykopów budowlanych. dr inż. Patryk Wójtowicz

Transkrypt

1 Odwadnianie obiektów i wykopów budowlanych dr inż. Patryk Wójtowicz

2 Drenaż.. (warstwowy) Drenaż.. stosowany jest: przy posadowieniu budowli w gruntach pylastych, gliniastych itp. o małej wodoprzepuszczalności ale dużej wodochłonności i wysokim wzniosie kapilarnym Drenaż.. ma za zadanie: odciąć dostęp wód, pochłaniać wodę wypływającą z gruntu i utrzymywać jej poziom na wysokości wypełnienia drenów, utrzymywać w stanie suchym zewnętrzną powierzchnie chronionych budowli, wzmacniać fundamentów budowli.

3 Drenaż Drenaż tworzy: ciągła warstwa gruboziarnistego piasku i żwiru pod chronionym obiektem na dnie tej warstwy w rowkach układa się dreny rurkowe

4 Drenaż Drenaż może być stosowany profilaktycznie np. może być zintegrowany z elementem konstrukcyjnym budynku w formie podsypki wzmacniającej podłoże fundamentów budowlanych na słabych gruntach (torfy, pyły)

5 Zastosowanie drenażu płytowego Drenaż płytowy można stosować do ochrony przed podtopieniem lub zawilgoceniem obiektów takich jak: pojedyncze budynki podpiwniczone, tunele i przejścia komunikacyjne, nawierzchnie drogowe, uliczne i pasy startowe,,.

6 Obliczenia drenażu płytowego drenaż płytowy zupełny R 0 R ( 2 w ) 3 π ks f H s Q=, m / s R+ R0 ln R 0

7 Obliczenia drenażu płytowego drenaż płytowy zawieszony s 2R ln + B ln R0 2 ω 4ω 0 3 Q= π kf s +, m / s R+ R0 π R0 R+ R0 B = 2arcsin R 0 ω+ ω + R 2 2 0

8 Przykłady zastosowania drenażu płytowego brak trwałej posadzki betonowej nieszczelna żelbetowa płyta posadzkowa 1 2 warstwa 3-4 nowa posadzka 5 studzienka kontrolna 6 studzienka zbiorcza (średnica cm) 7 pompa samozasysająca 8 bruzdy w płycie betonowej

9 Drenaż warstwowy kanału zbiorczego 1 przewód 2 3 warstwa żwiru 4 obniżone zwierciadło wody podziemnej

10 Drenaż nawierzchni drogowej i ulicznej 1 nawierzchnia 2 fundament 3 drenaż 4 dren

11 Odwodnienie lotnisk (pas startowy)

12 Odwodnienie torowiska

13 Odwodnienia wykopów budowlanych studzienki zbiorcze Studzienka drewniana Studzienka betonowa

14 Odwadnianie wykopów Do odwadniania wykopów stosujemy: drenaże (systemu poziomego, pionowego lub mieszanego): systematyczne opaskowe okólne płytowe

15 Wykorzystanie drenażu warstwowego do odwadniania wykopów w gruntach kurzawkowych 1 stalowa ścianka szczelna 2 warstwa 3 4 dren rurkowy 5 szybik zbiorczy 6

16 Drenaż płytowy wykopu Ścianka

17 Igłofiltry Urządzenia stosuje się do doraźnego odwadniania (np. wykopów) gruntów: piaszczysto- żwirowych piaszczystych pylastych gliniastych Miąższość warstwy wodonośnej od Zakres współczynnika filtracji od 10-7 do 10-3 m/s

18 Schemat działania igłofiltru 1 filtr 2 rurka centralna 3 rurka nadfiltrowa 4 5 (glina lub ił)

19 Zasady stosowania igłofiltrów W drobnoziarnistych gruntach (pylaste, gliniaste i iłowe) o małej odsączalności i przepuszczalności (k f od m/ s, d 50 od.. do mm) igłofiltry działają na zasadzie wytwarzania próżni w nawodnionym gruncie Zasięg leja depresji igłofiltru to ok. m Filtry rozmieszcza się w odległości od m - jak najbliżej ścian wykopu W większości przypadków jeden poziom igłofiltrów umożliwia obniżenie poziomu wody do. m (dla większego obniżenia instaluje się dwa lub więcej rzędów pięter) Z uwagi na kształt tworzonego leja depresyjnego, koniec igłofiltra powinien być umieszczony ok. poniżej oczekiwanej głębokości do której powinien zostać obniżony poziom wody

20 Schemat działania urządzeń igłofiltrowych do odwadniania gruntu i stabilizacji skarp wykopu 1 filtr 2 rurka nadfiltrowa ssawna 3 obsypka 4 kolektor ssawny 5 pompa 6 przewód tłoczny 7 grunt piaszczysty 8 piasek gliniasty 9 - pospółka

21 Dwustopniowe urządzenie igłofiltrowe 1 kolektor ssawny układu górnego 2 kolektor ssawny układu dolnego 3 igłofiltry układu górnego 4 igłofiltry układu dolnego 5 wykop otwierający, wykonywany na sucho 6 statyczne zwierciadło wody gruntowej 7 pierwszy etap odwadniania 8 drugi etap odwadniania 9 dno wykopu

22 Instalacja igłofiltru Igłogfiltry instaluje się w gruncie poprzez. 1. W tym celu do rury wpłukującej (obsadowej) kierowany jest strumień wody pod ciśnieniem 2. Po wprowadzeniu rury osłonowej do gruntu, wąż wpłukujący zostaje odłączony a do rury wprowadzany jest igłofiltr 3. Po wprowadzeniu igłofiltru rura wpłukująca wyciągana jest z gruntu 4. Zainstalowany igłofiltr podłączany jest do kolektora ssącego

23 Głowica igłofiltru wersja ze zintegrowaną rurą osłonową siatka filtracyjna rura centralna szkielet nośny

24 Proces instalowania igłofiltru w gruncie (

25 Instalacje igłofiltrowe Typowy zestaw zawiera 50 lub 100 szt. igłofiltrów Dostępne są instalacje igłofiltrowe o średnicach od mm (najczęściej stosuje się mm) Średnice rur obsadowych (osłonowych) to mm Rura wpłukująca o średnicy mm służy do instalowania igłofiltrów w gruntach nie wymagających obsypki filtracyjnej, Rura wpłukująca o średnicy mm służy do instalowania igłofiltrów w przypadkach konieczności stosowania obsypki filtracyjnej

26 Obsypka filtracyjna instalacja igłofiltrowa igłofiltru wykonuje się: w gruntach (posiadających warstwy nieprzepuszczalne) na taką wysokość, aby obsypka połączyła wszystkie warstwy odwadnianego gruntu, najczęściej jednak na całej wysokości wpłukania igłofiltru. w gruntach, pylastych na wysokość ok. m nad górną krawędź filtru uziarnienie ziaren obsypki filtracyjnej powinna być od razy większa od średniego uziarnienia gruntu

27 Elementy instalacji igłofiltrowej

28 Schemat instalacji igłofiltrowej (IgE- 81/32)

29 Zasady obliczania urządzeń igłofiltrowych Straty w kolektorze ssawnym pomija się ze względu na małe prędkości (v < 1.0 m/s) Dopływ do pojedynczego igłofiltru: wg Szechy π k ( ) w 0 0 f q= H 3h + 2 h M, m / s ln Rr wg Kovacsa 2 2 s+ M Hw h 0 3 q= π kf, m / s s ln R r 3 Q= n q, m / s M p γ h H s m 0 = w, p 0 =, m M - wysokość podciśnienia, m p wielkość podciśnienia w igłofiltrze, Pa p 0 ciśnienie atmosferyczne, Pa g ciężar właściwy wody, N/m 3 h 0 w przypadku braku danych przyjmować 3.0 m

30 Elektrodrenaż Elektrodrenaż wykorzystuje zjawisko powstające w czasie przepływu prądu stałego przez nawodniony grunt Elektrodrenaż stosuje się dla gruntów od k f < 10-7 m/s oraz uziarnieniu od mm. 1 (studnia) 2 (pręt metalowy) 3 obsypka 4 linie pola elektromagnetycznego

31 Zasada działania elektrodrenażu Przy przepływie prądu stałego przez ośrodek porowaty ogólna prędkość filtracji wyniesie: v 0 = v f + v e = k f I + k e E, m/s v e prędkość filtracji elektroosmotycznej, m/s I spadek hydrauliczny ciśnienia k e współczynnik filtracji, cm 2 /Vs E elektrycznego, V/cm

32 Elektrodrenaż vs 100% 50% Efektywność odwodnienia 0% Piasek Pyły Glina Iły

33 Współczynnik aktywności elektroosmotycznej gruntu h e współczynnik aktywności elektroosmotycznej gruntu, cm/v k e jest w przybliżeniu stały dla glin ( cm 2 /Vs) Elektrodrenaż jest efektywny gdy h e zawiera się w granicach od cm/v Rozstaw elektrod to h e wyrażone w m ( m)

34 Przykład zabezpieczenia wykopu (Trondheim, Norwegia)

35 Electrokinetic geosynthetic (EKG) hhp://

36 Osiadanie gruntów pod wpływem odwodnienia Obniżenie zwierciadła wody gruntowej powoduje zagęszczenie gruntu i tym samym do jego w wyniku zmiany rozkładu sił i wzrostu panującego naprężenia w gruncie. W wyniku znacznych przemieszczeń gruntu może doprowadzić do uszkodzenia obiektów np. pękanie fundamentów, ścian budynków, przewodów infrastruktury podziemnej. Dobrą praktyką jest wykonywanie odwodnienia przed zabudową.

37 Osiadanie gruntu Nierównomierne osiadanie gruntu ma miejsce w warunkach: dużego zróżnicowania w przestrzeni wielkości depresji wywołanej odwodnieniem (największe obniżenie przy drenie) zróżnicowanego rodzaju gruntu występującego na odwadnianym terenie Przebieg procesu osiadania zależy od rodzaju (zwięzłości) gruntu - czyste żwiry i piaski odwadniają się i osiadają znacznie szybciej niż grunty zwarte (np. iły).

38 Przyczyny osiadania gruntu Wzrost ciężaru szkieletu gruntowego odwodnionego pokładu na który przestał działać wypór wody, Obciążenie szkieletu gruntowego wodą kapilarną i błonkowatą (szczególnie istotne w gruntach drobnoziarnistych, pylastych i gliniastych), Sufozja gruntu.

39 Wielkość osiadania gruntu wzrost ciśnienia w gruncie Wielkość osiadania gruntu można wyznaczyć przy założeniu, że jest proporcjonalne do wzrostu ciśnienia (naprężeń) w gruncie: Δ σ = σ σ, N / m 1 0 Zagęszczenie gruntu wyrażane jest jako różnica pomiędzy wskaźnikiem porowatości początkowej e 0 i końcowej e 1 Δ ε = ε1 ε0 2

40 Współczynnik ściśliwości gruntu Współczynnik ściśliwości gruntu ε ε Δε as = =, m / N σ1 σ0 Δσ Współczynnik ściśliwości gruntów: b. ściśliwe a s > m 2 /N ściśliwe 0.05 > a s > m 2 /N słabo ściśliwe a s < m 2 /N

41 Krzywa osiadania próbki gruntu (badania edometryczne) a s Δε = Δ σ Δ σ Δ σ 0 Δσ 1 σ, N/m 2

42 współczynnik gruntu M g współczynnik gruntu Δσ Δσ h 0 2 Mg = =, N / m Δh/ h0 Δh wysokość próbki przed przyłożeniem obciążenia obniżenie wysokości próbki pod obciążeniem M g ( ) Δ σ 1+ ε 1+ ε = =, N / m Δε a s

43 Obliczenia wielkości osiadania Δh poziom terenu h k t Δh h k s 1 = t 1 s 2 = t 2

44 Obliczenia wielkości osiadania Δh Wskutek obniżenia zwierciadła wody o wartość t następuje ciśnienia Δp spowodowany: brakiem wyporu wody wolnej tγ 1 n w ( ) wodą higroskopijną i błonkowatą pozostałą w odwadnianej warstwy tw δ 1 n m k ( ) wodą kapilarną hγ n w ciężar obj. gruntu suchego porowatość wodochłonność

45 Obliczenia wielkości osiadania Δh Przyrost ciśnienia wyniesie maksymalnie: Δ p= 1 n tγw+ wmδ t hk + hkγwn, N/ m ( ) ( ) 2 Δh Δ h=δph, cm 1+ ε h wysokość warstwy podlegająca zagęszczeniu, przyjmuje się m a s Δ h=δpha 1 n, cm s ( )

46 Dopuszczalne wartości wielkości osiadania gruntu Maksymalne dopuszczalne wielkości równomiernego osiadania gruntu: budynki mieszkalne: Δh dop. cm budynki szkieletowe: Δh dop cm budowle sztywne z masywnymi fundamentami Δh dop cm silosy na ciągłych płytach żelbetowych: Δh dop cm

47 Dopuszczalne wartości wielkości osiadania gruntu Najbardziej niebezpieczne dla budowli jest nierówne osiadanie. Powoduje ono przechyły budowli, uszkodzenie bądź zawalenie. Dopuszczalną wielkość nierównomiernego osiadania określa stosunek różnicy wielkości osiadania Δh do odległości punktów dla których określono obniżenie δδh L δδh < L dop

48 Wartości dopuszczalne osiadania Wartość dopuszczalną osiadania nierównomiernego obliczamy ze wzoru: δδ h L = a L H / min / dop B ( ) ( ) a = masywnych budowli o dużej sztywności i posadowionych na masywnych fundamentach a = konstrukcje stalowe a = konstrukcje murowe lub żelbetowe L min najmniejszy wymiar fundamentów w planie, m H B wysokość budowli, m