Odwadnianie głębokich wykopów - wybrane przykłady obliczeniowe. Część II (Materiały szkoleniowe) Opracował: Piotr Jermołowicz e-mail : p.jermolowicz@wp.pl tel.: 501 293 746 Warszawa, 2 listopada 2015 r.
Najtrudniejsze zadanie staje się łatwe, gdy jest pod ręką przykład liczbowy ( wg E. Czyża)
1.! Wstęp. Wykop jest to postać odpowiednio ukształtowanej przestrzeni powstałej w wyniku usunięcia z niej gruntu. Głębokie wykopy to nierozłączny element zarówno budownictwa komunikacyjnego, ogólnokubaturowego, hydrotechnicznego i podziemnego. Tematyka związana z wykorzystaniem głębokich wykopów z racji uwarunkowań jest dziedziną interdyscyplinarną. Łączy w sobie interpretację parametrów fizyko-mechanicznych gruntów zalegających w podłożu, wymiarowanie obiektów, statykę budowli, stateczność ustrojów podpierających jak i stateczność graniczną formowanych skarp. Od projektanta i wykonawcy robót ziemnych i fundamentowych wymagane jest doświadczenie, znajomość parametrów wybranego typu obudowy oraz zakres jego przydatności w określonych specyficznych warunkach terenowych. Jeżeli do tego dodamy jeszcze problem odwodnienia wykopów, zabezpieczenia dna i skarp oraz wpływu na obiekty sąsiadujące lub istniejące uzbrojenie podziemne otrzymujemy układ, w którym wszystkie strony procesu inwestycyjnego powinny być świadome potencjalnych zagrożeń. Katastrofą budowlaną jest niezamierzone, gwałtowne zniszczenie obiektu budowlanego lub jego części, a także konstrukcyjnych elementów rusztowań, elementów urządzeń formujących, ścianek szczelnych i obudowy wykopów art. 73.1 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 25.04.2012 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 9.06.2011 r. Prawo geologiczne i górnicze. Nalezy zwrócić uwagę, że wykonanie takiej dokumentacji, oprócz wiedzy fachowej, wymaga również przestrzegania terminów narzuconych przez ustawodawcę. Projekt prac geologicznych (np. rozmieszczenie i liczba otworów wiertniczych), opracowany zgodnie ze szczegółowymi wymaganiami zawartymi w Rozporządzeniu Ministra
Środowiska z dnia 23 grudnia 2011 r. w sprawie dokumentacji hydrogeologicznej i dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. 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 10.03.2015 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie i Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12.04.2002 w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Natomiast całość spraw dotyczących bhp w zakresie omawianym obejmuje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 lutego 2003 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy podczas wykonywania robot budowlanych (DzU z 2003 r., nr 47, poz. 401). 3.! Problematyka głębokich wykopów. Głębokie wykopy są pojęciem względnym zależnym od ustalenia głębokości granicznej. W literaturze zagranicznej za głębokie wykopy uznaje się wykopy o pionowych ścianach i dnie posadowionym min. 6,0 m ppt. Natomiast w Polsce wystarczy już 3,0 m ppt. Zgodnie z definicją normy PN-S-02205:1998 wykop to przestrzeń odpowiednio ukształtowana w wyniku usunięcia z niej gruntu. Ze względu na wymiary i czas trwania robót rozróżnia się :! wykop szerokoprzestrzenny wykop, którego głębokość jest mniejsza od szerokości dna lub wykop o szerokości dna większej od 1,5 m;! wykop wąskoprzestrzenny wykop, którego głębokość jest większa od szerokości dna lub wykop o szerokości dna mniejszej od 1,5 m;! wykop płytki wykop o głębokości mniejszej niż 1 m;
! wykop głęboki wykop o ścianach pionowych, zabezpieczonych obudową o głębokości większej od 3 m;! wykop tymczasowy wykop o przewidywanym okresie użytkowania nie dłuższym niż 1 rok;! wykop trwały wykop o przewidywanym okresie użytkowania dłuższym niż 1 rok. W zależności od głębokości wykop wykonuje się ze skarpami lub w obudowie, która jest konstrukcją zabezpieczającą ściany przed utratą stateczności. Budowa obiektów w terenie zabudowanym stwarza ograniczenia techniczne, z którymi musi się liczyć projektant oraz wykonawca. Trudności te potęgują się, gdy zachodzi potrzeba wykonania paru kondygnacji podziemnych, a co za tym idzie posadowienia głębokiego. Jedynym plusem takiego rozwiązania jest zazwyczaj znaczna wartość dopuszczalnego obciążenia podłoża gruntowego. Po stronie minusów lista jest znacznie dłuższa [19]: 1.! konieczność wykonania skomplikowanego, a przede wszystkim odpowiedzialnego zabezpieczenia głębokiego wykopu, 2.! konstrukcja zabezpieczająca wykop musi być na tyle sztywna, aby nie doszło do oderwania się klina odłamu gruntu, nierzadko powinna być rozpierana lub kotwiona, 3.! zakres rozpoznania podłoża oraz opracowań wykracza znacząco poza dokumentację dla inwestycji nie wymagających wykonania głębokich wykopów, obejmując dodatkowo określenie zasięgu stref oddziaływania wykopu, prognozę osiadań oraz ocenę ich wpływu na istniejącą zabudowę, 4.! budowle takie zaliczają się do III kategorii geotechnicznej, co wiąże się z potrzebą bardziej szczegółowego rozpoznania podłoża gruntowego wykonanego w formie dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz hydrogeologicznej, 5.! w większości przypadków zachodzi potrzeba obniżenia zwierciadła wody gruntowej, co dodatkowo wiąże się zarówno z obowiązkiem zrzutu odpompowywanej wody, jak i prognozą wpływu depresyjnego obniżenia zwierciadła wody gruntowej na dodatkowe osiadania istniejącej zabudowy, 6.! ze względu na technologię głębienia wykopu utrudniona jest nie tylko praca maszyn budowlanych, np. koparek, ale i wywóz gruntu z wykopu oraz dowóz materiałów i prefabrykowanych elementów konstrukcji, 7.! jeżeli sąsiadująca zabudowa znajduje się bardzo blisko projektowanej budowli, a ponadto z uwagi na swój wiek, jest zużyta fizycznie i posiada liczne uszkodzenia, wówczas zachodzi obowiązek jej zabezpieczenia, które obejmować może zarówno wzmocnienia z wykorzystaniem ściągów (tzw. ankrowania) i/lub wzmocnienia podłoża gruntowego, 8.! niezbędny jest rozbudowany monitoring obejmujący obiekty zlokalizowane w sąsiedztwie budowy, warunki gruntowo-wodne oraz konstrukcję zabezpieczającą wykop budowlany.
3.1. 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. 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. 3.2. Kształtowanie skarp wykopów otwartych [6] Skarpy wykopów otwartych muszą być stateczne przez cały przewidywany okres użytkowania wykopu. Stateczność skarpy należy zapewniać przede wszystkim poprzez wykonanie jej z odpowiednim, bezpiecznym pochyleniem. W przypadkach szczególnego zagrożenia stateczności skarp bezpieczne pochylenie skarp powinno być określone w dokumentacji projektowej. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie BHP do przypadków tych zalicza wykonanie wykopów:! w gruncie nawodnionym,! w iłach pęczniejących,! na terenach osuwiskowych,! na terenach o deniwelacji przekraczającej 4 m,! gdy teren przy skarpie wykopu może być obciążony w pasie o szerokości równej głębokości wykopu. Przy ustalaniu bezpiecznego pochylenia skarp należy mieć na uwadze:! rodzaj gruntów, w których wykonywana będzie skarpa,! wielkość przewidywanych obciążeń w sąsiedztwie skarpy,! przewidywany czas użytkowania wykopu,! skutki ewentualnej utraty stateczności skarpy.
W wykopach tymczasowych skarpy pionowe można wykonywać w przypadkach, jeżeli głębokość wykopu nie przekracza: 1,0 m - w nienawodnionych piaskach, rumoszach, zwietrzelinach i spękanych skałach, 1,25 m - w gruntach spoistych, 4,0 m - w skałach litych odspajanych mechanicznie. W gruntach zwięzłospoistych i bardzo spoistych głębokości wykopu można zwiększyć do 1,5 m. W pozostałych przypadkach należy wykonywać skarpy o bezpiecznym pochyleniu. Jeżeli projekt nie stanowi inaczej, w przypadku wykopów tymczasowych dopuszcza się następujące bezpieczne pochylenia skarp: 1 : 0,5 (63 o ) - w gruntach od średnio spoistych do bardzo spoistych (iłach, glinach), w stanie co najmniej twardoplastycznym, 1 : 1 (45 o ) - w skałach spękanych i rumoszach zwietrzelinowych, 1 : 1,25 (38 o ) - w gruntach mało spoistych (piaskach gliniastych, pyłach, lessach, glinach zwałowych) oraz w rumoszach zwietrzelinowych gliniastych, 1 : 1,5 (34 o ) - w gruntach niespoistych oraz w gruntach spoistych w stanie plastycznym. Dla podanych wyżej pochyleń skarp muszą być spełnione dodatkowe warunki:! w pasie przylegającym do górnej krawędzi skarpy, o szerokości równej trzykrotnej głębokości wykopu, powierzchnia terenu powinna mieć spadki umożliwiające łatwy odpływ wody opadowej od krawędzi wykopu,! podnóże skarpy wykopów w gruntach spoistych powinno być zabezpieczone przed rozmoczeniem wodami opadowymi przez wykonanie w dnie wykopu, przy skarpie, spadku w kierunku środka wykopu,! naruszenie stanu naturalnego gruntu na powierzchni skarpy, np. rozmycie przez wody opadowe, powinno być usuwane z zachowaniem bezpiecznych nachyleń w każdym punkcie skarpy,! stan skarp należy okresowo sprawdzać w zależności od występowania czynników działających destrukcyjnie (opadów, mrozu itp.). W przypadku wykopów trwałych bezpieczne pochylenie skarp powinno być określone w projekcie. Nachylenie skarp wykopów stałych nie powinno być mniejsze niż: 1:1,5 (34 o ) - przy głębokości wykopu do 2 m, 1:1,7 (30 o ) - przy głębokości wykopu od 2 m do 4 m, 1 : 2 (26 o ) - przy głębokości wykopu od 4 m do 6 m. Większe nachylenie skarp należy potwierdzić obliczeniami stateczności. Stateczność skarp i dna wykopu głębszego niż 6 m zawsze powinna być sprawdzona obliczeniowo (F s min. 1,5). Bezpieczne pochylenie skarp wykopów trwałych w gruntach spoistych można kształtować również według tablicy 1. Sprawdzenie obliczeniowe stateczności skarpy powinno obejmować:! analizę możliwości poślizgu po powierzchni kołowo-walcowej lub powierzchni dowolnej, najbardziej prawdopodobnej,! nośność podłoża poniżej dolnej krawędzi skarpy,! sprawdzenie bezpieczeństwa przebicia hydraulicznego i erozji wewnętrznej spowodowane nadmiernym spadkiem hydraulicznym (w skarpie, dnie wykopu lub nasypie).
Tab. 1. Kąty nachylenia zboczy wykopów różnych wysokości w gruntach spoistych oraz wskaźnikowe parametry do obliczeń stateczności wykopów [6]: 4.! Stateczność nasypów, skarp i zboczy metody obliczeń. Samoczynne ruchy mas gruntu na zboczach i skarpach zwane osuwiskami uważa się za jeden z istotnych procesów w inżynierii geotechnicznej. Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych, następuje w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż dowolnej powierzchni poślizgu. Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie :! sił grawitacyjnych pochodzących od ciężaru gruntu i ewentualnej zabudowy,! sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt, podniesieniem się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernym zawilgoceniem zbocza. Przyczyny powstawania osuwisk :! układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza,! rozmycie lub podkopanie zbocza,! niekontrolowane dociążenie naziomu,! nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych,! wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu,! napór wody od dołu na górne warstwy gruntu z reguły mało przepuszczalne powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie,
! nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych co powoduje pęcznienie gruntu a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie,! zniszczenie struktury gruntu poprzez rozluźnienie,! istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu np. w iłach,! drgania wywołane np. ruchem drogowym,! sufozja tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez infiltrującą wodę powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów,! przebicie hydrauliczne z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy,! cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji wody gruntowej co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie,! wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu,! niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu. Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wyżej wymienionych przyczyn. Na zboczach i skarpach mogą występować następujące rodzaje przemieszczeń mas gruntowych :! spełzywanie,! spływy,! obrywanie,! zsuwy i osuwiska Przy ustalaniu stateczności skarpy posługujemy się współczynnikiem stanu równowagi F s. $%&'()*+,'-)./01! " # $%&'(23435)./01(3$)6%70%1 Rys.1. Stateczność skarpy w gruncie niespoistym bez obciążenia naziomu. W warunkach równowagi granicznej przy β max. możemy zapisać: S = T tgβ max = tgø czyli maksymalny kąt nachylenia skarpy w gruncie niespoistym równy jest kątowi tarcia wewnętrznego gruntu budującego skarpę.
W przypadku gruntów spoistych określenie bezpiecznego nachylenia skarp jest trudniejsze. Przykład według (Z. Wiłun): Wysokość pionowego odcinka: Z nomogramu (Rys.2) dla z i Φ F otrzymuje się x = 15,2 m
Rys.2. Nomogram wg Sokołowskiego.[22] W zależności od wartości współczynnika F wystąpienie osuwiska można uznać za :! bardzo mało prawdopodobne - F > 1,5,! mało prawdopodobne - 1,3 F 1,5,! prawdopodobne - 1,0 F 1,3,! bardzo prawdopodobne - F < 1,0. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że obliczenia wartości współczynnika F są obarczone licznymi błędami począwszy od złego rozpoznania gruntów podłoża, ich właściwości fizyko mechanicznych, zastosowanych współczynników redukcyjnych i materiałowych i przyjętej metody obliczeń kończąc. Wartości współczynników stateczności zboczy i skarp powinny być większe od 1,5. Dla takiej wartości F określa się na etapie projektowania zasięg potencjalnej powierzchni poślizgu na koronie drogi. W zależności od posiadanego oprogramowania i od rodzaju uwzględnianych sił oraz sprawdzanych warunków równowagi stosuje się następujące metody :! Feleniusa nie uwzględnia sił między paskami. Wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów, przyjmuje powierzchnię poślizgu kołowo cylindryczną,! Bishopa uwzględnia pionowe i poziome oddziaływanie sąsiednich pasków. Również wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów, powierzchnia poślizgu kołowo cylindryczna,
! Nonveillera - uwzględnia oddziaływania międzypaskowe. Korzysta z warunków równowagi momentów, umożliwia obliczenia przy dowolnej powierzchni poślizgu,! Janbu uwzględnia oddziaływania międzypaskowe. Warunek równowagi opiera się na sumie rzutów sił na oś poziomą, umożliwia obliczenia dla dowolnego kształtu powierzchni poślizgu,! Morgensterna-Price a w równowadze pojedynczych pasków uwzględnia siły poziome i pionowe. Korzysta z warunków na sumę momentów i sil poziomych, umożliwia obliczenie dla dowolnej powierzchni poślizgu.! Barera-Garbera, Spencera korzysta z trzech warunków równowagi. Jest więc pierwszą do końca poprawną pod względem statyki metodą analizy stateczności zboczy, umożliwia obliczenia dowolnej powierzchni poślizgu. Pomijając metodę Felleniusa stosowanie pozostałych metod powinno być co najmniej dublowane dla wyeliminowania nałożenia się różnych błędów i stwierdzenia zbieżności wyników obliczeń. W trakcie wykonywania wykopów o skarpach niepodpartych narażeni jesteśmy na niekorzystnie działające zjawiska geofiltracyjne. W przypadku gdy rozpoznanie podłoża jest przeprowadzone w stopniu niedostatecznym i pominięto zarówno pomiar zwierciadła wody gruntowej nawierconej i ustabilizowanej, w projektach pojawiają się rozwiązania z tzw. błędem systematycznym. W wyniku tego typu działań, późniejsze skarpy wykopów ulegają zsuwom, spływom i deformacjom kształtu. Szczególnie przy przecięciu warstwy wodonośnej. 5.! Zjawiska filtracyjne w gruncie. Jak już wcześniej zauważono, woda w swoim obiegu jest najbardziej agresywnym czynnikiem wywołującym i potęgującym erozyjność gruntu. Erozja jest więc procesem naturalnym, a nasze działania powinny iść w kierunku jej ograniczenia lub wyeliminowania. Filtracja wody powodować może odkształcenia miejscowe obejmujące na ogół niewielkie masy gruntu (przemieszczenia ziaren lub bryłek) oraz zmiany jego stanu i wewnętrznej budowy, głównie składu granulometrycznego. Miejscowe odkształcenia spowodowane filtracją w gruncie można podzielić umownie na sufozję i wyparcie oraz na przebicia hydrauliczne będące rezultatem sufozji lub wyparcia. Sufozją nazywane jest zjawisko przemieszczania się pod wpływem ruchu wody drobnych cząstek gruntu w porach jego szkieletu. Cząstki mogą być przesunięte do innego miejsca w gruncie lub mogą być wyniesione poza jego obszar. W rezultacie sufozji powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość wody. Z kolei woda o większej prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy przebicia hydraulicznego.
Sufozja występuje w gruntach sypkich, przede wszystkim różnoziarnistych. W gruntach spoistych sufozja nie występuje, co tłumaczy się małą wielkością porów, przez które nie mogą przecisnąć się oderwane od szkieletu agregaty (bryłki) cząstek ilastych. Wyparcie gruntu jest to zjawisko polegające na przesunięciu wszystkich cząstek pewnej objętości gruntu zapory lub podłoża w kierunku ruchu wody. Wskutek wyparcia grunt ulega rozluźnieniu, a jego właściwości - pogorszeniu. Wyparcie występuje na ogół w sposób nagły. Przebicie hydrauliczne są to odkształcenia gruntu polegające na utworzeniu się ciągłego przewodu (kanału) w podłożu, wypełnionego wodą lub gruntem o naruszonej strukturze ( w końcowej fazie zjawiska zawiesiną) i łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach, np. kawerny. Zewnętrznym objawem przebicia są kratery (źródła) z gotującą się zawiesiną gruntową. W gruntach sypkich przebicie występuje na ogół w wyniku sufozji, jest to jej końcowy, najgroźniejszy rezultat. W gruntach spoistych przebicie hydrauliczne może mieć przebieg nieco bardziej złożony. W najprostszym przypadku będzie to wyparcie gruntu na niewielkiej przestrzeni i wytworzenie kanału. W innych przypadkach na pewnych uprzywilejowanych kierunkach, wskutek występowania np. znacznego gradientu hydraulicznego, odrywają się bryłki gruntu w miejscu wypływu wody, w następstwie czego tworzy się zagłębienie. W dalszej fazie obserwuje się postępujące w kierunku przeciwnym do ruchu wody rozluźnienie gruntu, mające reologiczny charakter płynięcia objętościowego. W ten sposób tworzy się przewód, w którym grunt jest w stanie miękkoplastycznym lub płynnym. Stąd też, wykopy wykonywane w różnych gruntach, wymagają różnego podejścia na etapie projektowym i wykonawczym. 6.! 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 i odcięcie napływu wody gruntowej do wnętrza wykopu, 3.! kwestie stateczności pojawiające się w przypadku napiętego zwierciadła wody gruntowej stabilizującego się powyżej poziomu dna wykopu, 4.! poza wodami gruntowymi należy uwzględnić konieczność odprowadzenia wód opadowych, których ilość przy dużym obszarze wykopu może być znaczna, 5.! zabezpieczenie gruntów w poziomie posadowienia przed nadmiernym zawilgoceniem, 6.! wypór konstrukcji ze względu na ustabilizowanie się stosunków gruntowo-wodnych. Rys. 15. Sposoby zabezpieczenia wykopów przed napływem wody gruntowej. A) studnie depresyjne, B) przesłona iniekcyjna, C) zagłębienie obudowy w podłoże nieprzepuszczalne [ 13 ] Dla zabezpieczenia wykopu przed napływem wód gruntowych stosujemy następujące zabiegi: 1.! doraźne lub trwałe obniżenie zwierciadła wody gruntowej z wykorzystaniem drenażu pionowego (studni depresyjnych), 2.! wykonanie w dnie wykopu przesłony iniekcyjnej, tzw. korka dennego, 3.! wykonanie odpowiednio głębokiej obudowy wykopu zagłębionej do warstw nieprzepuszczalnych. Obniżenie zwierciadła wody gruntowej z wykorzystaniem drenażu pionowego zapewnia prowadzenie robót budowlanych przy suchym" wykopie. W większości przypadków jest rozwiązaniem najprostszym oraz najtańszym, lecz nie pozbawionym wad. Odbierając wody z podłoża gruntowego wytwarza się lej depresji, którego zasięg wykracza zazwyczaj znacznie poza obszar objęty pracami. Wytworzeniu zwierciadła dynamicznego w obrębie posadowienia istniejących obiektów towarzyszą dodatkowe osiadania. Podczas obniżania zwierciadła wody gruntowej z wykorzystaniem studni depresyjnych należy tak prowadzić prace, aby ciśnienie spływowe skierowane było w dół. Jedynie w przypadku gruntów gruboziarnistych (żwiry) z uwagi na znaczne wymiary ziaren nie ma to większego
znaczenia. Przyjmuje się, że zdepresjonowane zwierciadło wody gruntowej powinno znajdować się min. 0,5 m poniżej aktualnego bądź docelowego dna wykopu. Mając na uwadze zabudowany charakter terenu oraz licząc się z realnym zagrożeniem powstania uszkodzeń na skutek osiadań spowodowanych wytworzoną depresją poszukuje się zazwyczaj rozwiązań alternatywnych. Drugim z możliwych sposobów zabezpieczenia wykopu może być wykonanie przesłony filtracyjnej formowanej z wykorzystaniem technik iniekcyjnych. Wykonanie kolumn kształtowanych w technologii iniekcji strumieniowej jet grouting" pozwala na wytworzenie sztucznej warstwy izolującej dno wykopu, przez co uzyskuje się odcięcie napływu wód gruntowych. Przy szczegółowym rozpoznaniu podłoża gruntowego oraz ciągłych warstwach nieprzepuszczalnych wymagane minimalne zagłębienie obudowy w warstwie odcinającej należy przyjąć około 2,0 m (jednak nie mniej niż 1,0 m). Obok zapewniania odcięcia napływu wody gruntowej do wykopu każdorazowo należy przeanalizować możliwość utraty stateczności dna spowodowaną naporowym zwierciadłem wody gruntowej. Na skutek wykonywania wykopu, naturalnie istniejący stan równowagi zostaje zachwiany. Ciśnienie wywierane przez, pomniejszony wykopem nadkład gruntu może nie równoważyć naporu wody. W momencie przekroczenia stanu granicznego dochodzi do utraty stateczności dna i awarii. Informacje podane w dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz hydrogeologicznej o charakterze, a w szczególności o poziomach nawierconego i ustabilizowanego, zwierciadła wody gruntowej dotyczą informacji zarejestrowanych podczas wierceń oraz obserwacji. Należy pamiętać, że w wyniku gwałtownych opadów atmosferycznych, wyjątkowo długich okresów deszczowych, spiętrzenia wody w pobliskiej rzece lub zbiorniku, czy też jego gwałtownego opróżnienia bądź wykonania głębokiego wykopu stan wód gruntowych może ulec zmianom. Zmiany te nie zawsze mogą być uchwycone W większości opracowań przyjmuje się jako miarodajne wahania poziomu wody gruntowej w przedziale ±1,0 m, co w przybliżeniu odpowiada około 70% przypadków zarejestrowanych amplitud w prowadzonych dotychczas badaniach. Zmiany poziomów wód gruntowych uwzględnia się w dokumentacji projektowej dotyczącej zarówno samego obiektu, jak i prac towarzyszących, do których zalicza się m. in. projekt odwodnienia. Zwykle odwodnienie wykopu dla obiektu głęboko posadowionego wiąże się z koniecznością odprowadzenia dużej ilości wód. Błąd w oszacowaniu ilości tych wód może być bardzo kosztowny dla wykonawcy/inwestora. W związku z tym zachodzi potrzeba dokładnego określenia współczynnika wodoprzepuszczalności gruntu, czyli wykonania próbnego pompowania. Badanie takie, mimo, że jest drogie i czasochłonne to jest opłacalne, bowiem odzwierciedla rzeczywiste warunki hydrologiczne, uśredniając wszelkie niejednorodności budowy podłoża gruntowego. Wyznaczenie rzeczywistego" współczynnika filtracji k, wymaga obserwacji na węźle hydrologicznym złożonym ze studni i dwóch otworów obserwacyjnych (piezometrów).
7.! 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). 8.! Stateczność dna wykopu fundamentowego. W pobliżu projektowanej budowli mogą występować warstwy gruntu z wodą pod ciśnieniem, oddzielone od dna wykopu fundamentowego warstwą nieprzepuszczalną. Gdy piezometryczny poziom zwierciadła wody w warstwie wodonośnej przekracza znacznie poziom dna wykopu fundamentowego, może nastąpić wyparcie gruntu podłoża. W tych przypadkach konieczne jest wykonanie studni odciążających, które zmniejszyłyby ciśnienie do wartości dopuszczalnej, zapewniającej stateczność dna. Sprawdzenie stateczności może być przeprowadzone wg wzorów: a)!! 8 #( 9 :; <= :; 9 >?(@ A B(" C D lub uwzględniając opór gruntu na ścinanie b)!! 8 #( E9 :;<= :; FGH E9 >?(@ A B(" C D 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 ciężar objętościowy wody, A - powierzchnia pionowa ścinania warstwy spoistej, C -!!wytrzymałość gruntu na ścinanie. Jeśli wartości F w różnią się od podanych w tabl. 2, należy stosować urządzenia odciążające w postaci studni z ujętym samowypływem lub studni z pompami. Pamiętać należy, aby po zakończeniu prac studnie zostały dokładnie zakorkowane i nie nastąpiło połączenie wód artezyjskich z wodami gruntowymi o wolnym zwierciadle. Połączenie wód może bowiem powodować wzrost sił wyporu i zmniejszyć stateczność obiektu. W miejscach spodziewanych przebić należy dawać warstwę dociążającą grubości ok. 0,30 m z pospółki lub drobnego żwiru. Tab.2. Minimalne wartości współczynników pewności F w [5]. Przypadek obliczeniowy Do wzoru a) Do wzoru b) przy uwzględnieniu odporu gruntu na ścinanie bez uwzględnienia odporu gruntu na ścinanie Normalny eksploatacyjny 1,3 1,1 Nadzwyczajny 1,1 1,0 Tab. 3. Minimalne zagłębienie krzywej depresji poniżej dna wykopu [ 5 ] Jeśli skarpy w strefie wykopu fundamentowego mają wkładki wodonośne, należy przewidzieć zabezpieczenia filtrami odwrotnymi.
Przykład: Stateczność dna wykopu fundamentowego.
Przykład: Do jakiej bezpiecznej głębokości można wykonać wykop fundamentowy w warstwie gliny, jeżeli jej ciężar objętościowy w stanie całkowitego nasycenia wodą wynosi 22,5 kn/m 3. Od poziomu terenu do głębokości 4,5 m poniżej trenu występuje warstwa gliny, poniżej warstwa wodonośna z piasku średniego. Piezometryczny poziom wody gruntowej 0,6 m poniżej poziomu terenu. Rozwiązanie: według PN-81/B-03020 składowa pionowa ciśnienia powinna spełniać warunek: j dop 0,5 (ρ sat ρ w ) g gdzie: j dop - dopuszczalne ciśnienie spływowe [kn/m 3 ], g - przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ], ρ w - gęstość objętościowa wody [g/cm 3 ], ρ sat - gęstość objętościowa przy całkowitym nasyceniu porów wodą [g/cm 3 ]. Ciśnienie spływowe wyrażamy wzorem: j = i γ w gdzie: γ w - ciężar objętościowy wody [kn/m 3 ] Korzystając ze wzoru obliczamy: I# JK L H = H 0,6; l = 4,5 - H KMNOP QORMK (<(S T(<U#NOR( (S VWX M(S T <U KMNOP #NOR(< YOYRMZON (((((((((((((((((((((((((([K#YOZ(\( QORMK
9.! Odwodnienie wykopu fundamentowego. Celem odwodnienia wykopów jest zapewnienie najkorzystniejszych warunków wykonywania robót fundamentowych w gruntach nawodnionych. Dla odwodnienia wykopów stosuje się drenaże odkryte lub zakryte. Drenaż odkryty stosuje się gdy dno wykopu nie zalega głębiej niż 3 5 m poniżej zwierciadła wody gruntowej. Głębokość rowów w dnie 0,3 0,5 m. Wielkość dopływu wody Q = q H d F d q dopływ wody gruntowej w m 3 /h na 1m 2 powierzchni dna (dla P d =>q= 0,16, P r => q = 0,3) Jeżeli L > 10 B dopływ liczymy ze wzorów na wydatek drenów. Jeżeli L < 10 B obliczenia według wielkiej studni z r 0 wielkość umowna. Drenaż zakryty polega na zainstalowaniu obok wykopu takiej liczby studni wierconych, igłofiltrów lub studni drenażowych, aby przy pompowaniu wytworzyć obniżenie zwierciadła wody. Igłofiltry wpłukuje się do głębokości 7 8 m w rozstawie wielokrotności 0,75 m i nie przekracza 3 m z obniżeniem zwierciadła wody ok. 5 m. Jeżeli potrzeba większej głębokości stosujemy dwa lub więcej rzędów igłofiltrów Projektując wykop fundamentowy należy pamiętać o konieczności odwodnienia powierzchniowego odprowadzającego wody opadowe. Orientacyjne dane, jakie systemy odwadniania wgłębnego możemy stosować zależnie od budowy podłoża, przedstawione są na rys.16. Rys.16. Rodzaje stosowanych systemów odwodnieni zależnie od gruntów zalegających w podłożu [5].
Rys.17. Wykres do ustalania orientacyjnego zakresu stosowania niektórych instalacji odwadniających w gruntach jednorodnych [8]. Wykres ten dotyczy odwodnienia powierzchniowego gruntów jednorodnych i wykopów średniej wielkości. W celu korzystania z wykresu należy:! ustalić na osi odciętych punkt odpowiadający wartości wykładnika a dla gruntu zalegającego poniżej zwierciadła wody gruntowej,! wystawić prostopadłą, do przecięcia z linią oznaczającą granicę stosowania odwodnienia powierzchniowego,! odczytać na osi rzędnych wartość dopuszczalnego zagłębienia wykopu H wd poniżej zwierciadła wody gruntowej. W gruntach o budowie warstwowej należy ustalić najmniejszą dopuszczalną wielkość zagłębienia wykopu, odpowiadającą współczynnikowi filtracji poszczególnych warstw, z uwzględnieniem warstwy zalegającej poniżej projektowanego dna wykopu. Projektowane zagłębienie wykopu H wp należy liczyć od piezometrycznego poziomu zwierciadła wody gruntowej. Jeżeli H wp jest większe od H wd, to trzeba obniżyć poziom zwierciadła wody za pomocą odwodnienia wgłębnego. Do dokładniejszego ustalenia tych zakresów przy odwadnianiu podłoży jednowarstwowych (gdy k max : k min 20) służy rysunek 17. Wykres jest podzielony pionowymi skośnymi liniami przerywanymi na sektory, odpowiadające optymalnym zakresom dla poszczególnych instalacji. Podział na trzy poziome piętra wysokości S o = 4 m 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. Tab.4. Podstawowe parametry pionowych instalacji depresyjnych [8] Sposób korzystania z rysunku 17 wyjaśniają następujące przykłady: Przykład 1 Dane: S o = 5,5 m, h = 3,0 m, k = 1,6 10-1 = 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, że h=0,0, w pierwszym piętrze trzeba te instalacje zastąpić igłofiltrami z pompami próżniowymi lub dodatkowo przewidzieć odwodnienie powierzchniowe. Przykład 3 Dane: k 10 == 10 1 m/dobę, h = 2,9 m, S o = 10,0 m. Współrzędna a = 1,0 i S o = 10,0 m wskazują na możliwość zastosowania studzien depresyjnych z pompami głębinowymi. Jeżeli współczynniki filtracji poszczególnych partii pojedynczej warstwy wodonośnej różnią się więcej, niż wynika to z warunku k max : k min < 20, to wówczas warstwę tę traktujemy jako układ wielowarstwowy. 9.1.Sposoby odwodnienia wykopów fundamentowych. Rozróżnia się odwodnienie bezpośrednie, zwane również powierzchniowym, w którym wody gruntowe i powierzchniowe ujmowane są rowami, drenażami poziomymi i studniami zbiorczymi lub bezpośrednio z samego wykopu, odwodnienia wzgłębne, gdy wody ujmowane są za pomocą studni wierconych i wpłukiwanych, igłofiltrów lub igłostudni oraz odwodnienie mieszane, gdy w tym samym wykopie ze względu na warunki gruntowe lub organizację robót stosuje się odwodnienia powierzchniowe oraz wgłębne. W zależności od położenia dna wykopu lub dna studni w stosunku do stropu warstwy nieprzepuszczalnej, rozróżnia się:! wykop lub studnię zupełną (dogłębną) - dno wykopu lub filtra studni odwadniającej sięga warstwy nieprzepuszczalnej,! wykop lub studnię niezupełną (zawieszoną) - gdy głębokość zalegania warstwy wodonośnej jest większa od głębokości wykopu lub studni. Wody gruntowe w warstwach wodonośnych mogą w zależności od zasilania i układu warstw wodoszczelnych mieć zwierciadło swobodne lub napięte (zwierciadło wody pod ciśnieniem). W dużych dołach fundamentowych wykonanych w uwarstwionych gruntach o zróżnicowanych współczynnikach filtracji, zaleca się ustalenie współczynnika filtracji k na podstawie próbnego pompowania. W przypadku małych budowli, w nieskomplikowanych warunkach geologicznych, współczynniki filtracji można przyjmować jak do obliczeń orientacyjnych. Jeżeli podłoże wodonośne składa się z kilku warstw o różnych współczynnikach filtracji, dla ]^_` których stosunek cde, należy do obliczeń przyjąć średni ważony współczynnik ]^ab filtracji 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 Rys.18. Schematy odwodnień: a)- zwierciadło wody pod ciśnieniem, filtr zatopiony, b) zwierciadło wody swobodne, filtr zatopiony, c) zwierciadło wody pod ciśnieniem, filtr niezatopiony, d) zwierciadło wody swobodne, filtr niezatopiony [14] Średni współczynnik dla kilku otworów badawczych określa wzór : gdzie: I, II, III kolejne otwory.
Tab.5. Wzory na obliczanie wydatku studni depresyjnych przy swobodnym zwierciadle wody gruntowej [31]
Tab.6. Wzory na obliczanie wydatku innych studni depresyjnych L p. Rodzaj studni Schemat Wzory 1. studnia artezyjska fmg h # i jk(lm n6o + i# jk(lm?qmg h D n6 p + 2. studnia częściowo artezyjska f r #m r # i kl (n6o + s i# k<l?jmqmmr Mg h r n6 p + 3. studnia artezyjska zawężona i#dotu v<*<$ nw p < + xdy z k* *<+<$<03$ { jm 4. studnia chłonna g r M, r # i k<l (n6o + i# k<l?g h r Mq r D n6 p + 5. zespołowe działanie studni k<l<?q r Mf r G D i# n6pm d 6 (}~(?o s<o r <<o D n ilość studni R = 575 S l(<q
Tab.7. Podstawowe rodzaje wykopów. Lp. Rodzaj wykopu Rodzaj Schemat Wzory na wydatek Uwagi 1. nurtowy (rzeczny) otoczony wodami otwartymi co najmniej z trzech stron w odległości mniejszej od zasięgu depresji (r o < R) 2. brzegowy gdy jedna krawędź wykopu jest pod wyraźnym wpływem zbiornika wody otwartej (l o < R ) 3. lądowy nie będący pod wpływem wód otwartych (l o < R ) k współczynnik filtracji [m/d], s o obniżenie zwierciadła wody gruntowej w środku wykopu [m] Jeżeli długość wykopu fundamentowego jest większa niż dziesięciokrotna jego szerokość, dopływ można liczyć ze wzorów na wydatek drenów. Jeżeli warunek ten nie jest spełniony, to obliczanie można wykonać metodą przybliżoną, przyjmując, że skarpy wykopu są pionowe i zlokalizowane w linii zwierciadła wody na skarpie, co prowadzi do niewielkiego na ogół zawyżenia dopływu. Dokonuje się to stosując wzory dla tzw. wielkiej studni, której promień r o jest wielkością umowną, liczoną jednym z dwu poniżej podanych wzorów:
1.! jeżeli kształt dołu fundamentowego jest nieregularny w rzucie poziomym: + h #! k 2.! jeżeli dół fundamentowy jest prostokątny: + h # yƒ 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: i s dotul(?qr Mg r D } py(+ h Mnw+ h dotul( $ i r } py(+ h Mnw+ h 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.
Tab.8. Schematy i wzory do obliczania promieni depresji i promieni wielkiej studni.
Dopuszczalną prędkość wody do filtru lub obsypki drenarskiej określa się ze wzorów: - Sichardta V F = 40 lˆ m/d - Kusakina -!Truelsena V F = 65 lˆ 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 l R = 575 S l(<q p# l<q(<* 6 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.
Jako zasadę należy przyjąć, że najpierw powinny być wykonywane obiekty wymagające największego obniżenia zwierciadła wody. Zasada ba może przynieść oszczędności, gdyż w zasięgu dużego leja depresyjnego mogą znaleźć się inne obiekty, dla których nie będzie niezbędne instalowanie specjalnych urządzeń odwadniających. Z uwagi na wiele założeń czynionych przy obliczaniu zasięgu leja, na ogół duże rozbieżności we współczynnikach filtracji, zmienną budowę geologiczną nie ujętą dokumentacją, wpływ czynnika czasu mogą wystąpić odmienne zjawiska niż przyjęte w obliczeniach. Z wymienionych względów wskazane jest, aby prowadzony był stały nadzór autorski projektanta odwodnienia wykopu nad przebiegiem odwadniania, zaś korekty wprowadzane były na bieżąco na podstawie doraźnych uzupełnień i zmian w projekcie, co może przyczynić się niekiedy do znacznego obniżenia kosztów pompowania i odwodnienia. 9.2.! Przykłady obliczeń niezbędnych do zaprojektowania odwodnienia wykopów. Wykopy w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Przykład 1: [35] Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Wyznaczenie dopływu do wykopu fundamentowego oraz potrzebnej ze względu na stateczność podłoża głębokości wbicia dwóch równoległych ogradzających ścian szczelnych. Dane: h = 5 m, b = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, ρ = 10,5 t/m 3, k = 2,4 10-4 m/s, wymagany współczynnik pewności ze względu na wyparcie gruntu F 2, dł. wykopu L = 120 m. Metodą prób ustalono długość ścianki poniżej dna wykopu S 2 = 6,5 m, stąd S 1 = S 2 + T 1 - T 2 = 9,5 m.
Ponieważ 0,475 > 0,382, obliczenie wykonujemy dla Š Œ #eot j Z wykresu (Rys.19) odczytujemy: Obliczamy współczynnik kształtu zależny od geometrii za pomocą wzoru: i φ za pomocą wzoru: Współczynnik pewności F ze względu na wyparcie gruntu będzie równy: Dopływ wody do wykopu obliczamy za pomocą wzoru: Q = q2l = khf2l
.Rys.19. Wykresy do obliczeń wykopów otoczonych wodą wykonywanych między dwiema równoległymi ścianami szczelnymi Przykład 2 [35]: Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Wyznaczenie dopływu do wykopu o rzucie kołowym oraz potrzebnej głębokości wbicia ścian szczelnych. Dane: Oprócz S 1, S 2, L, jak w przykładzie 1: h = 5 m, r = b = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3, k = 2,4 10-4 m/s, Metodą prób ustalono S 2 = 8,5 m, S 1 = S 2 + T 1 - T 2 = 8,5 + 20 17 = 11,5 m.
A zatem: Obliczamy za pomocą wzoru: Za pomocą wzoru obliczamy:!# Ž r Ž 8 dot(g oraz Q = 0,8 khf2πr Przykład 3: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu kwadratowego oraz potrzebnej głębokości wbicia ścian szczelnych. Dane: oprócz S 1, S 2, L, jak w przykładzie poprzednim: h = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3 k = 2,4 10-4 m/s, F 2, bok kwadratu 2b = 2r = 2 5 = 10 m
Schemat obliczenia odwodnienia wykopu w ścianach szczelnych otoczonych wodą. Metodą prób ustalono w środku boku kwadratu S 2bok = 8,5 m, a stąd: Z wykresu (Rrys.19) odczytujemy: a stąd obliczamy: Ze wzoru otrzymujemy : Natężenie dopływu obliczamy ze wzoru: Natężenie dopływu obliczono z zapasem bezpieczeństwa bez uwzględnienia przyjętej dalej zwiększonej długości brusów ścian w narożu. W narożu kwadratu przyjęto S 2nar = 11m.
Stąd: Z wykresu (Rys.19.) otrzymujemy Ze wzoru otrzymujemy: Gdyby na całym obwodzie wbito ściany tak głęboko, jak w narożu, tzn. na 11 m pod dnem wykopu, wówczas ze wzoru : gdzie: (Rys.19) obliczymy: ze wzoru Obliczony w ten sposób dopływ jest około 18 % mniejszy niż dopływ obliczony przy założeniu głębokości ścian jak w środku boków kwadratu.
Przykład 4: [35] Wyznaczenie długości wbicia ścian oraz dopływu do wykopu prostokątnego długiego o stosunku r ( de wykonanego w ścianach szczelnych odgradzających ot otaczającego go akwenu. Dane (jak z przykładu 1) : h = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, L = 120 m, b = 5 m, k = 2,4 10-4 m/s, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3, F 2 Ponieważ długość ściany długiej i dopływ do wykopu oblicza się jak w przykładzie 1 zatem: Głębokość wbicia ściany krótszej niż długość 2b w jej środku i narożu obliczyć trzeba jak dla kwadratu o boku 2b, będą więc one takie, jak wyznaczone w przykładzie 3 tzn.: - w środku krótkiej ściany S 2bok = 8,5 m, - w narożu S 2bok = 11 m Przykład 5: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu wielobocznego oraz głębokości wbicia ścian szczelnych odgradzających ot otaczającego go akwenu. Dane (jak z przykładu 1) : pole ogrodzonego dna wykopu A = 78 m 2, h = 5 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, k = 2,4 10-4 m/s, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3, F 2 Wykop wieloboczny zamieniamy na wykop obliczeniowy kołowy o promieniu r za pomocą wzoru: Dla r = b = 5 m warunki w zadaniu nie różnią się niczym od warunków dla wykopu kołowego rozpatrywanego w przykładzie 2, takie samo zatem będzie rozwiązanie zadania tzn.:
Wykopy lądowe w ścianach szczelnych. Przykład 1: [35] Wyznaczenie dopływu do wykopu fundamentowego między dwiema równoległymi ścianami szczelnymi w warstwie z wodą pod ciśnieniem. Dane: b = 5 m, L = 120 m, h = 6 m, T 1 = 20 m, T 2 = 17 m, ρ = 1,05 t/m 3, ρ w = 1,0 t/m 3 k = 2,4 10-4 m/s, wymagany współczynnik pewności ze względu na wyparcie gruntu F = 2 Metodą prób ustalono długość ścianki poniżej dna wykopu S 2 = 6,5 m, stąd S 1 = S 2 + T 1 - T 2 = 9,5 m. Przyjęto S 2 = 10 m, stąd S 1 = S 2 + T 1 + T 2 = 13 m. Z wykresów (Rys. 20) odczytujemy: Rys. 20. Wykresy do wyznaczania wartości Φ I i Φ II dla wykopów między dwiema ścianami równoległymi w warstwie z wodą o napiętym zwierciadle.