Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Drenaż pionowy opis technologii. W budownictwie inżynieryjnym na gruntach organicznych przyczyną poważnych trudności jest występowanie długotrwałych osiadań. Parametrami decydującymi o prędkości tych odkształceń jest współczynnik filtracji rządzący konsolidacją filtracyjną oraz współczynnik lepkości rządzący oporem lepkiego pełzania szkieletu. Coraz bardziej rozpowszechniającą się ostatnio metodą przyspieszenia osiadań ściśliwych podłoży gruntowych jest drenaż pionowy zakładany celem umożliwienia szybkiego odsączania wody z masywu konsolidowanego gruntu. Efektem działania drenażu pionowego jest przyspieszenie osiadań konsolidacyjnych i zwiększenie nośności gruntów podłoża. Uzyskuje się to na skutek skrócenia dróg filtracji wody porowej jak również niwelowania i dysypacji ciśnienia porowego związanego z przyłożonym obciążeniem zewnętrznym. Rys.1. Przejęcie naprężeń przez wodę gruntową Rys.2. Ciśnienie wody porowej
Rys. 3. Związki synergii zachodzące pomiędzy różnymi działaniami zmierzającymi do poprawy parametrów gruntów słabych. Rys.4. Skrócenie dróg filtracji w podłożu poprzez dreny pionowe
Rys. 5. Makieta z pokazaniem istotnych elementów konsolidacji podłoża drenażem pionowym dla posadowienia wysokiego nasypu. Zmienia się także kierunek odpływu z pionowego na poziomy, co ma istotne znaczenie w często występujących przypadkach anizotropii filtracyjnej; jak wiadomo, współczynnik filtracji w kierunku poziomym jest na ogół większy niż w kierunku pionowym. Zasada odprowadzenia wody drenażem pionowym jest prosta lecz teoretyczny opis procesu jest dość złożony. Do bardziej znanych teorii należą rozwiązania Kjellmana (1948), Barrona (1948), Hansbo (1981). Odległość drenów oblicza się zazwyczaj za pomocą następującego wzoru (Barron): C h = D2 8t [ 1 1 ( d 2 ln ( D D ) d ) 3 4 + 1 2 4 (d D ) ] ln 1 1 U gdzie : t - czas konsolidacji [s] C h - współczynnik konsolidacji dla przepływu poziomego [m 2 /s] D - średnica sfery oddziaływania drenażu[m] (cylindryczna) d - średnica drenu [ m ] U - przeciętny stopień konsolidacji.
Wartość C h określa się na podstawie laboratoryjnego badania próbek gruntów. Najczęściej stosowaną metodą jest badanie ciśnieniowe w specjalnych edometrach. Wartość C h jest w przybliżeniu równa: - dla gruntów gliniastych. C h (1 4) C v Dreny są zazwyczaj umieszczane w układzie trójkątnym lub kwadratowym : Dreny prefabrykowane zostały po raz pierwszy użyte w Szwecji w 1937 r. Dreny te były wytwarzane z kartonu, były to tzw. kartonowe dreny pionowe. Około 10 lat wcześniej w Kalifornii opracowano dreny piaskowe, które przyspieszały konsolidację. Dreny piaskowe stosowano na dużą skalę szczególnie w Holandii od lat 50. XX w. Grunt w Holandii składa się głównie z warstw iłu i torfu. Osiadanie podłoża przyspieszano poprzez wykorzystanie drenów piaskowych. Dreny syntetyczne wprowadzono w 1972 r. Dreny syntetyczne mają przewagę nad drenami piaskowymi ze względu na swoją elastyczność i lepsze właściwości filtracyjne. Stały się więc dla nich potężną konkurencją. Dziś praktycznie nie stosuje się już drenów piaskowych. Stabilizacja gruntu drenami pionowymi wykonywana jest na ściśliwych i nawodnionych gruntach, takich jak ił, glina i grunty organiczne w tym także - torfy. Grunty te cechują się miękką strukturą i dużą porowatością, przy czym pory zazwyczaj są wypełnione wodą (wodą porową). Jeżeli ił lub torf jest mocno obciążony z góry, na przykład nasypem lub wałem, ze względu na ściśliwość gruntu dochodzi do jego osiadania. Osiadanie może wywoływać poważne problemy konstrukcyjne. Obciążenie wywołane naziomem początkowo jest przenoszone na wodę porową (rys. 16). Jeżeli jednak grunt nie jest bardzo przepuszczalny, ciśnienie wody będzie stopniowo malało, ponieważ woda porowa odpływa bardzo wolno. Zwiększone ciśnienie wody może spowodować utratę stateczności podłoża, co z kolei może doprowadzić do powstania płaszczyzn poślizgu. Taka utrata stateczności może ograniczać
szybkość układania zasypki. System drenażu pionowego umożliwia szybszą budowę nasypu bez ryzyka osuwania się gruntu. Rys. 6. Schematy zniszczenia podłoża w wyniku zwiększonego ciśnienia porowego Aby przyspieszyć proces osiadania i zmniejszyć ciśnienie wody, konieczne jest skrócenie drogi przepływu wody porowej. Można to osiągnąć instalując w równych odstępach dreny pionowe. Obecność systemu drenażu umożliwia poziomy przepływ wody pod ciśnieniem w kierunku najbliżej położonego drenu i jej swobodny odpływ. Przy zastosowaniu drenów pionowych można skrócić okres konsolidacji z dziesięcioleci do zaledwie pół roku, a nawet krócej. Rys.7. Zamiana filtracji z pionowej na poziomą Metody obliczeniowe czasu konsolidacji z użyciem drenażu pionowego bazują na teorii Barrona. Podstawowymi parametrami do tych analiz są: współczynnik filtracji gruntów, współczynniki konsolidacji dla przepływu pionowego i poziomego C v i C h.
Średnica drenu d we wzorze uważana jest jako dren okrągły. Równoważna średnica przy drenach taśmowych wynosi teoretycznie : d = obwód π a przy szerokości taśmy 100 mm i grubości 3 mm oznacza to, że d = 65 mm. Przepływ w kierunku płaskiego drenu jest bardziej niekorzystny niż przepływ w kierunku drenu okrągłego. Wobec tego należy przyjmować średnicę d = 50 mm. U - przeciętny stopień konsolidacji wyraża się procentowo lub w wartościach bezwzględnych pomiędzy 0 a 1. Dla przykładu 90% konsolidacja może być zapisana jako Ū= 0,9. Doświadczenie z dotychczas wykonanych obiektów wykazało, że rozstaw drenów jest zwykle większy od 1,0 m i musi być poparty szczegółowymi obliczeniami uwzględniającymi dane warunki gruntowo-wodne. Przy założeniu D = 1,0 m i d = 0,05 m wartość ( d D )2 wynosi mniej niż 2,5 10-3 i wobec tego wpływ na wynik obliczeń wg wzoru byłby znikomy. W tym układzie należy przyjąć do obliczeń uproszczony wzór Kjellmana : C h = D2 8t [ln (D d ) 3 4 ] ln 1 1 Ū Równanie to zostało wyprowadzone przy założeniu nieskończenie dużej przepuszczalności drenu pionowego jak również przy pominięciu naruszenia struktury gruntu w okolicy drenu. W rzeczywistości wydajność drenu jest ograniczona i może być włączona do wzoru w postaci: gdzie: C h = D2 8t [ln (D d ) 3 4 + π z (2 l z) k c 1 ] ln q w 1 Ū z - odległość do punktu przepływu [m] l - długość drenu przy jednostronnym przepływie [m] (połowa długości dwustronnego przepływu) k c - wodoprzepuszczalność gruntu [m/s] q w - wydatek drenu przy gradiencie hydraulicznym równym 1 [m 3 /s] q w = A w k w A w - pole powierzchni przekroju drenu k w - współczynnik przepuszczalności drenu Wydatek drenu taśmowego /Mebra Drain, Colbond, Desol, Geodren, Alidren/ i okrągłego o średnicy 50 mm /np. Mebra-Tube/ wynosi 1,2 2-10 -5 m 3 /s. Dren piaskowy w postaci kolumny o średnicy 300 mm posiada wydatek q 6-10 -5 m 3 /s co stanowi ok. 50%. Wodoprzepuszczalność gruntu k c, poddawanego procesowi konsolidacji zazwyczaj waha się w granicach 10-7 10-11 m/s
Poniższa tabela zawiera dane odnośnie wartości k i k c q w rodzajów gruntu. Do obliczeń przyjęto q w = 10-5 m 3 /s. w porządku wielkości dla różnych Analizując wzór okazuje się, że gdy stosunek k c /q w staje się większy od 10-4 m -2, to wówczas wydatek drenażu będzie wpływać na tempo konsolidacji. Przy drenach taśmowych (np. q w = 1,2 10-5 m 3 /s ) jest to dla gruntów o k c >10-9 m/s. Wzór daje możliwość ustalenia konsolidacji na danej głębokości z. Poniższy wykres pokazuje, jak czas konsolidacji zmienia się na różnych głębokościach przy jednostronnym przepływie i przy warstwie gruntu o miąższości 20,0 m
Zmienność średniej konsolidacji wykreślona w stosunku do czasu przybiera linię krzywą pomiędzy 0,3 1 a 0,5 1. Gdy do wzoru podstawi się za z = 0,4 1, to otrzyma się następujący wzór : C h = D2 8t [ln (D d ) 3 4 + π 0,64 k l2 c ] ln q w Wzór ten przedstawiony jest w formie nomogramu. 1 1 Ū Przykład : Dane do ustalenia rozstawu drenów : C h = 6,5 10-8 m 2 /s t = 12 miesięcy U = 70 % 1 = 20 m k c /q w = 0,01 m 2 k c /q w = 0,001 m 2 k c /q w = 0,0001 m 2 Rozwiązanie: Narysować pionową linię od C h = 6,5 10-8 m /s do ukośnej linii odpowiadającej 12 miesiącom. Z otrzymanego punktu przecięcia należy wyprowadzić poziomą linię do ukośnej linii odpowiadającej 70% konsolidacji. Z kolei z tego punktu należy poprowadzić pionową linię do linii odpowiadającej głębokości 1 = 20 m a stamtąd poziomą linię do podziałki wzdłuż krawędzi wskazującej rozstaw drenów. Dla podanych wartości stosunków k c /q w odczytuje się rozstaw drenów w kolejności 1,09 m, 1,83 m i 2,03 m. W ilości drenów oznacza to stosunek 3,5 : 1,2 : 1. Wydatek drenów może poważnie wpływać na ilość potrzebnych drenów. Należy zauważyć, że przy projektowaniu drenażu pionowego nie zawsze jest praktyczne zakładanie pogrążania drenów do spągu warstwy konsolidowanej. Często praktyczniejsze i ekonomiczniejsze jest zaopatrzenie w dreny 50 75 % grubości warstwy ściśliwej. Zależy to głównie od tego jak osiadanie zmienia się wraz z głębokością, a także od różnicy wartości C h w funkcji głębokości.
Rys.8. Nomogram do przyjmowania rozstawu syntetycznych drenów pionowych. Jak już wspomniano, niejednokrotnie projektuje się drenaż pionowy w formie drenów zawieszonych. Może to być wytłumaczone następującym przykładem : Projektowana droga kołowa posadowiona będzie na gruntach ściśliwych o miąższości ok. 40 m. Spodziewane osiadanie po okresie hydrodynamicznym wyniesie dla całości 1,0 m, z czego 80 % będzie miało miejsce w górnej warstwie o grubości 20 m. Zmienność osiadania w funkcji głębokości przedstawiono na poniższym rysunku :
Całkowita powierzchnia jaka ma ulec konsolidacji wynosi 10000 m 2. Średnia wartość C h dla całej warstwy wynosi 10-7 m /s. Założono wstępnie, że konsolidacja ma być zakończona po 12 miesiącach. Osiągnięcie 99 % konsolidacji w ciągu 12 miesięcy nie wydaje się możliwe, gdyż ilość drenów jaką należałoby użyć stałaby się nadmierna 240000 m. W tym przypadku uważa się za możliwe do przyjęcia osiadania szczątkowe 25 %. Oznacza to, że w ciągu 12 miesięcy konieczne jest uzyskanie 75 % osiadania, tj. 0,75 m. W tym układzie przyjmuje się następujące rozwiązania : 1. Założenie drenów do 40 m ppt. Wówczas U = 0,75. Przy założeniu siatki kwadratów wzór 1 daje rozstaw drenów 2,14 m. Dla całego obszaru oznacza to konieczność założenia 87300m drenażu. 2. Zakłada się, że osiadanie s = 0,75 m zachodzi tylko w górnej warstwie o miąższości 20 m z 40 metrowej warstwy ściśliwej, co pociąga za sobą, że U musi przyjąć wartość 0,75/0,80 = 0,937. Przy założeniu siatki kwadratów oznacza to rozstaw drenów 1,59 m /wg wzoru 1/. Długość drenu 1 = 20 m, tak więc dla całego obszaru potrzebnych będzie 79100 m drenażu. Stanowi to oszczędność 10 % w stosunku do drenażu całkowitego. 3. Założenie drenów do głębokości 25 m. 100 % osiadania tych pierwszych 20 m oznacza obniżenie terenu o 0,88 m. Wartość U = 0,75/0,88 = 0,8522. Dla siatki kwadratów oznacza to rozstaw 1,86 m i całkowitą długość drenów potrzebnych w tym wariancie 72300 m. Uzyskuje się dalszą oszczędność o 10 %. Dla kosztów projektu oprócz ilości, należy wziąć pod uwagę także długość drenów. Koszt instalacji liczony na metr drenu o długości 20 m często wynosi nie więcej jak 50 % kosztu metra drenu o całkowitej długości 40 m. Powodem tego jest konieczność użycia dużo
cięższego sprzętu do instalacji 40 metrowej długości. Różnica w ilości drenów w powyższym przykładzie staje się jeszcze większa, jeżeli weźmie się pod uwagę stosunek k c /q w. Zmienność wartości C h może również wpływać na rozstaw drenów. Dotychczas przeprowadzone badania terenowe wykazały, że rozstaw drenów nie zawsze wywiera wpływ na tempo konsolidacji. Powodem tego jest często uwarstwienie podłoża gruntowego. Jeżeli między warstwami gliny lub torfu znajdują się przekładki z gruntów o dużym współczynniku filtracji (piaski), to znaczący dopływ wody porowej będzie odbywał się tymi warstwami do drenów pionowych. Określenie stopnia konsolidacji podłoża. Stopień konsolidacji U, jaki się osiągnie w dowolnym czasie, jest bardzo ważnym wskaźnikiem przy ocenie przebiegu osiadań podłoża i określaniu ich granicznej dopuszczalnej wartości. Ogólnie można zapisać : U = h ct h c 100 [%] h ct osiadanie, które wystąpi po upływie czasu t h c - osiadanie całkowite W przypadku założenia drenów pionowych konsolidacja podłoża będzie następowała w wyniku jednoczesnego wyciskania wody z gruntu w kierunku poziomym /do drenów/ i pionowym. Krzywe w układzie czas-osiadanie analizowane były m.in. przez Asaokę oraz Hansbo, którzy podali następujący wzór dla przepływu poziomego : U h = S (t) S U h - stopień konsolidacji przy przepływie poziomym S(t) - osiadanie po czasie t S - osiadanie całkowite = 1 exp [ 8 T h F(n) ] F(n) = n 2 n 2 1 ln (n s ) + k c k c, ln(s) 0,75 gdzie : n = D d D - średnica strefy wpływu drenu d - średnica drenu s = d s d
kc - współczynnik filtracji k' c - współczynnik filtracji T h = C h t D 2 - wskaźnik czasu C h - współczynnik konsolidacji dla przepływu poziomego t - czas konsolidacji Stopień konsolidacji dla przepływu pionowego oblicza się według wzoru: U v = 1 8 π 2 exp [ π2 C v 4 H 2 t] U v stopień konsolidacji przy przepływie pionowym C v współczynnik konsolidacji dla przepływu pionowego H miąższość podłoża Według Carilla stopień konsolidacji całkowitej Ū można określić z następującej zależności: Ū = 1 (1 U h ) (1 U v ) Stosując system podciśnieniowy można jeszcze bardziej przyspieszyć konsolidację. Metodę tę wyjaśniono na wykresie obok. Górna krzywa obrazuje osiadanie obciążenia bez drenażu pionowego. Niebieska krzywa pokazuje skutek zastosowania drenażu pionowego, a czerwona krzywa przebieg osiadania po usunięciu tymczasowego obciążenia, gdy osiągnięta zostanie pożądana wielkość osiadania. Rys.9. Zasada przyspieszonej konsolidacji [1] Rys.10. Przekrój drenu taśmowego [7] Poza zastosowaniem przeciążenia można również skrócić czas konsolidacji stosując konsolidację podciśnieniową. W tym przypadku do ulepszania gruntu wykorzystane zostaje ciśnienie atmosferyczne. Ważną zaletą tej metody jest uniknięcie utraty stateczności podłoża, ponieważ nie wzrasta naprężenie niszczące na krawędzi nasypu. Teoretycznie metodą konsolidacji podciśnieniowej można uzyskać dodatkowe obciążenie 100 kpa. W praktyce możliwe do uzyskania są wartości od 60 kpa do 80 kpa, odpowiadające warstwie piasku o
grubości maksymalnie 5 metrów, ze względu na przedostawanie się powietrza i wody oraz ograniczone możliwości zastosowanego systemu pomp. Rys. 11. Zasada działania podciśnienia [1] Konsolidację podciśnieniową wykonuje się w następujący sposób: Na konsolidowaną powierzchnię narzucana jest warstwa piasku o grubości min. 50 cm. Z tej warstwy instalowane są dreny do maks. 1 m powyżej warstw piasku zalegających na większej głębokości. Drenaż pionowy pod żadnym pozorem nie może dochodzić do przepuszczalnych warstw wodonośnych, ponieważ napływ wody będzie zbyt duży i nie powstanie podciśnienie. W warstwie piasku instalowane są dreny poziome w odstępach co 5 m, podłączone do pompy próżniowej. Pompa studzienna przetłaczająca wodę i powietrze może uzyskać podciśnienie w granicach 70-95 kpa. Teren zostaje pokryty giętkim uszczelnieniem z VLDPE o grubości 1 mm, wkopanym po bokach, tak by z boków nie napływały woda ani powietrze. Uszczelnienie należy położyć i uszczelnić z zachowaniem niezbędnej ostrożności. Musi ono osiadać wraz z gruntem bez żadnych rozdarć. W wielu inwestycjach niefachowe wykonanie uszczelnienia kończyło się niezadowalającymi rezultatami. Uszczelnienia VLDPE można badać na szczelność powietrzną metodą defektoskopii iskrowej, umożliwiającą zlokalizowanie dziur przed wywołaniem podciśnienia. Uszczelnienie musi zostać położone według wytycznych do wykonywania uszczelnień składowisk. Spoiny muszą być podwójne, z kanałem próbnym pośrodku. Zaleca się wykonanie wału dookoła terenu robót i wypompowywanie wody gruntowej na uszczelnienie. Przepuszczalność wszelkich perforacji jest wtedy mocno ograniczona i ludzie nie chodzą po uszczelnieniu, co mogłoby spowodować jego uszkodzenie. Wymagana wydajność pompy zależy w dużym stopniu od ilości odpompowywanego powietrza lub wody. Obniżenie poziomu wody gruntowej poza terenem robót może powodować zasysanie powietrza przez grunt. Dlatego nadmiar wody musi być odprowadzany do rowu, dzięki czemu poziom wody gruntowej wzdłuż granicy terenu robót nie zmienia się. Prawidłowość działania systemu powinna być rejestrowana przez rozbudowany system manometrów powietrznych i wodnych oraz klinometrów. Mierniki powinny mieć możliwość odczytu przy granicy terenu, żeby można je było łatwo sprawdzać. Kiedy po wywołaniu podciśnienia spadnie ciśnienie wody w drenach poziomych i pionowych, w podłożu wzrośnie naprężenie efektywne. Nie dochodzi do wzrostu ciśnienia wody, jak w przypadku tradycyjnych metod wykonywania zasypki. Zasadniczo nie wystąpią
więc problemy ze statecznością, a podciśnienie można od razu zwiększyć do wartości maksymalnej. Nie dochodzi do wypierania gruntu z nasypu. Podciśnienie w zasadzie całkowicie neutralizuje takie przemieszczenia. Uszczelnienie nie może jednak zostać usunięte po zakończeniu okresu konsolidacji i należy zabezpieczyć pompę próżniową awaryjnymi źródłami zasilania. Awaria drenażu spowodowałaby przecież utratę stateczności nasypu. Zastosowania: Ulepszanie gruntu w miejscach, gdzie osiadanie pierwotne i wtórne może w przyszłości doprowadzić do problemów, na przykład w pobliżu mostów i innych połączeń między nasypami a budowlami posadowionymi na palach. Nasypy, które muszą być wykonane w bardzo krótkim czasie, gdzie czynnikiem hamującym tempo prac jest stateczność podłoża. Poszerzenia dróg, gdzie zróżnicowane osiadanie jest niepożądane. W lagunach osadowych. Kiedy konieczne jest szybkie odwodnienie osadów, żeby uzyskać więcej miejsca na składowisku. Wstępne obciążenie przy budowie zbiorników. W budownictwie inżynieryjnym na gruntach organicznych przyczyną poważnych trudności jest występowanie długotrwałych osiadań. W gruncie o dużej ściśliwości przyrost obciążenia wywołany posadowieniem konstrukcji nasypu przejmowany jest w początkowej fazie przez wodę porową. Ciśnienie porowe wzrasta do wartości wynikającej z przyłożenia obciążenia, żeby w następnym etapie na skutek odpływu wody ze strefy ściskanej nastąpiła dysypacja. Wraz z dysypacją ciśnienia porowego obciążenie przekazywane jest na szkielet gruntowy. Czas potrzebny na osiągnięcie, w takim gruncie, stanu równowagi jest bardzo długi. Może wynosić od kilku do kilkudziesięciu lat. Niejednokrotnie dodatkowo dla skrócenia czasu osiadań pierwotnych dla gruntów bagiennych wykonuje się nasypy z odpowiednim przeciążeniem nadnasypem o wysokości 1 2,5 m i geosyntetycznym drenażem pionowym.
Rys.12. Przykład posadowienia nasypu drogowego z kontrbankietami i drenażem pionowym na obejściu m. Ognicy Rys.13. Przykład posadowienia nasypu drogowego z kontrbankietami i drenażem pionowym na obejściu m. Ognicy fragment z P.B. (1999 r.).
Fot.1. Maszyna do instalacji drenów pionowych Fot. 2. Instalowanie drenu taśmowego w wyznaczonym punkcie (widoczny bęben z taśmą drenującą w nawoju o dług. 800 mb.)
Fot.3. Po wyciągnięciu igły następuję odcięcie drenu Fot. 4. Widok wystających końcówek drenów taśmowych
Fot.6. Element buta stalowego, który pociąga dren taśmowy w trakcie pogrążania igłą Fot. 7. Sposób mocowania drenu taśmowego do buta stalowego (zakład jest zszywany stalowymi zszywkami)
Fot.8. Widok wykonanego drenażu z platformą roboczą ( Ognica 2000 r.) Fot. 9. Budowa kolejnych warstw nasypu zgodnie z zaprojektowanymi etapami dla skonsolidowania podłoża
Fot. 10. Konsolidacja podłoża nasypem. Widoczny kontrbankiet. Fot. 11. Widok nasypu z przeciążeniem w koronie po 9 miesiącach konsolidacji podłoża (Ognica 2001 r.)
Rys.13. Nomogram do przyjmowania rozstawu syntetycznych drenów pionowych [3] Istotą technologii są płaskie dreny składające się z karbowanych rdzeni o szerokości taśmy 100 mm i grubości 3-5 mm w otuleniu z geowłókniny. Osłona filtracyjna z geowłókniny ma za zadanie przepuszczać wodę do wnętrza rdzenia zatrzymując jednocześnie cząstki gruntu. W ten sposób zapobiega się zatykaniu rowków odprowadzających wodę. przekrój drenu pionowego woda gruntowa grunt otaczający osłona geowłókninowa rdzenia drenu woda gruntowa kanalik drenu taśmowego Rys.14. Przekrój drenu taśmowego Zasada odprowadzenia wody drenażem pionowym jest prosta, lecz teoretyczny opis procesu jest dość złożony. Do bardziej znanych teorii należą rozwiązania Kjellmana, Barrona i Hansbo.
Na podstawie złożonych wzorów opracowano nomogram służący do projektowania rozstawu drenów o określonym wydatku [3]. Przystępując do projektowania zamieniamy często wcześniej przyjętą technologię wymiany gruntu na taśmowy drenaż pionowy w połączeniu z konstrukcją zamkniętej poduszki z wysokowytrzymałej geotkaniny pod nasypem wraz z dwustronnymi kontrbankietami ( ławami dociskowymi ). Jak wcześniej zapisano, poszerzenie nasypu o kontrbankiety eliminuje efekty wypierania podłoża na boki podnosząc jego nośność. Podstawowym warunkiem do spełnienia przez projektantów powinna być zawsze optymalizacja organizacyjno finansowa przedsięwzięcia inwestycyjnego. Na rynku znajdują się inżynierskie programy obliczeniowe, w których projektanci mają wolny wybór w zadawaniu wartości liczbowych wytrzymałości na rozciąganie i wielkości zakotwienia wkładek zbrojących lub wielkości te wyznaczane są w drodze obliczeń numerycznych z jednoczesnym określeniem warunków I i II stanu granicznego. Programy ReSlope, MSEW, ReSSA, Slope W, SIGMA W, Slide v. 5.0 oraz Plaxis v. 7.0 dodatkowo wyznaczają wytrzymałość długotrwałą geosyntetyków na podstawie założonych współczynników redukcyjnych. Przykład obliczeniowy: Analiza osiadań i procesu konsolidacji dla podłoża bez drenażu pionowego. Z wyników badań geotechnicznych podłoża wybrano następujące parametry: miąższość warstwy 9 m, -warstwa namułów 4 m -warstwa torfów 4 m -kożuch torfowy 0,6 m moduł M 0 średni dla obu warstw wynosi 460 kpa, kąt tarcia wewnętrznego Ø torfu = 6 0, Ø namułu = 7 0 kohezja c torfu = 7 kpa, c namułu = 8 kpa współczynnik filtracji średni k= 1,536 10-4 m/d nasyp o grubości początkowej 5 m (refulat piaszczysty). Obliczenie osiadania: S = q h M 0 2,20 m Stateczność podłoża: Współczynnik pewności : F = σ gr σ Naprężenie graniczne : Ϭ gr = 5,7 c u + ɣ h h t = 72,2 kpa Naprężenia od obciążenia użytkowego: Ϭ = q +ɣ n h n + ɣ k h k = 132,8 kpa F = 72,2 = 0,54 << 1,3 132,8
Ze względu na niespełnienie warunku stateczności, nasyp o wysokości 5 m należy zredukować, aby uniknąć tąpnięcia i wypierania podłoża spod jego podstawy. Bezpieczną wysokość nasypu określamy ze wzoru: c u H = ( π + 2) γ F = 5,14 6 1,30 m 19 1,3 Czas konsolidacji: Przebieg konsolidacji warstwy torfu obciążonego nasypem wyznacza się określając bezwymiarowy czynnik czasu T v. T v = k M γ 0 t w h 2 T v = 1,53 10 4 [m/d] 10 [kn/m 3 ] 460 [ kn t [d] m2] 9 2 [m] = 8,723 10 5 t Czynnik czasu jest powiązany ze stopniem konsolidacji U: U= f ( T v ) Przyjmując, że wystarczającym dla celów posadowienia placów składowych, dróg i innych obiektów liniowych jest 90 % skonsolidowanie, to z Rys.37 otrzymujemy : U= 90 % ( T v ) = 0,89 i czas konsolidacji bez drenażu wyniesie ostatecznie: T v t = = 10.202 doby 28 lat 8,723 10 5 Rys. 15. Wykres do wyznaczania wskaźnika czasu T v w zależności od stopnia konsolidacji U ( dla prostokątnego rozkładu naprężeń warstwy ściśliwej).
Analiza porównawcza nośności podłoża i procesu konsolidacji z drenażem pionowym. Wykorzystując dane gruntowe oraz własne wytyczne do projektowania, obliczono rozstaw drenów dla następujących warunków: wydajność geodrenu min. 1,2 10-5 m 3 /s współczynnik konsolidacji dla przepływu poziomego (średni) C współczynnik filtracji podłoża 1,536 10-4 h = 2,8 10-8 m 2 /s m/d miąższość warstwy gruntów organicznych (średnia) h = 9 m max. czas konsolidacji podłoża t = 12 m-cy założony do osiągnięcia, w okresie 1 roku, stopień konsolidacji U = 0,95 otrzymując rozstaw drenów w siatce kwadratów równy 1,70 m. Efektem działania drenów pionowych, jest jak widać z przedstawionych obliczeń, przyspieszenie osiadań konsolidacyjnych do 1 roku i zwiększenie nośności podłoża poprzez 2 4 krotne zwiększenie parametrów wytrzymałościowych tj. kohezji (c u ) i kąta tarcia wewnętrznego (Ø u ). Stateczność podłoża: Ϭ gr = c Nc + ɣ n h N q + ɣb Nɣ N c = 10 Dla Ø = 10 0 N q = 3,2 N ɣ = 0,4 Naprężenia graniczne : Ϭ gr = 14 10 +19 0,6 3,2 + 19 5 0,4 = 215 kpa Naprężenia od obciążenia użytkowego: Współczynnik pewności : Warunek został spełniony. Ϭ = q + ɣ n h n = 70 + 19 5= 165 kpa F = 215 165 = 1,30 Zastosowane, w toku obliczeń, metody i wzory są uproszczoną formą analizy geotechnicznej, ale na etapie wstępnej oceny przydatności przyjęto jako wystarczające.
Ze względu na to, że drenaż pionowy realizowany w postaci taśm drenujących lub drenów okrągłych, przyspiesza odpływ wody wyciskanej z gruntu, należy odpowiednio zaprojektować odwodnienie obszaru objętego konsolodacją. Systemy odwadniające, umożliwiające bezpieczny i szybki odbiór wyciskanej wody z podłoża powinny być tak zaprojektowane, aby nie obniżyć nośności warstwy przypowierzchniowej. Ma to istotne znaczenie w podłożu torfowym bardzo ściśliwym. Wykonanie obustronnych rowów blisko podstawy nasypu jest praktycznie zniszczeniem idei projektowej. Przecięcie kożucha torfowego, naturalnego materaca, będzie skutkowało zainicjowaniem powolnego lub gwałtownego osiadania i pogrążania się nasypu aż do spągu warstwy słabej. Należy pamiętać, że w tego typu zagadnieniach, niedopuszczalne jest jakiekolwiek przerwanie ciągłości kożucha torfowego. Rowy powinny być realizowane poprzez nasypanie wałków z gruntu na kożuchu! Rys. 16. Schemat tworzenia rowów odwadniających bez przerywania kożucha torfowego. W przypadku podłoży budowanych z gruntów mineralnych takich problemów nie ma. Występują natomiast problemy związane ze wzmocnieniem skarp i dna rowów oraz ich zamulaniem. Literatura : 1. Cortlever N.G.: The Mebradrain system. Vertical drainage, 2. Griend van de A.A.: Deformation of plastic drains. Weg en Water. No 1, Delft 1984, 3. Jermołowicz P.: Wytyczne do projektowania drenaży pionowych. Instrukcja wewnętrzna. Szczecin 1987, 4. Jermołowicz P.: Warstwa transmisyjna. www.inzynieriasrodowiska.com.pl/encyklopedia 5. Koerner R.M.,Welsh J.:Construction and geotechnical engineering using synthetic fabrics. J.Wiley and Sons, New York 1980, 6. Koerner R.M. Designing with geosynthetics, (Fifth edition) Prentice Hall 2005 7. Prospekty firm: Terrafigo, Cofra, Geotechnics,