Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Woda gruntowa. Woda gruntowa to woda występująca w strefie saturacji, podlegająca przede wszystkim działaniu sił ciężkości. Woda gruntowa właściwa występuje na dużych obszarach na zasadzie naczyń połączonych. W strefie saturacji w zależności od zmienności litologicznej warstw ułożenia warstw przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych, może występować kilka oddzielnych warstw (poziomów) wodonośnych, przedzielonych warstwami nieprzepuszczalnymi. Występowanie wody gruntowej ze strefą podciągania oraz wody zawieszonej. Ułożenie oddzielne warstw wodonośnych z widocznymi nadciśnieniami.
Woda gruntowa swobodna i naporowa : - trójkąt biały zw. w. g. nawiercone, - trójkąt czarny zw.w.g. ustabilizowane Hydrostatyczne ciśnienie wody w gruncie wynosi : gdzie : z głębokość poniżej z.w.g. u = ɣw z Wody podziemne, w tym gruntowe rzadko pozostają w bezruchu. Na skutek istnienia naturalnych pochyłości warstw gruntowych i niejednakowego zasilania wód podziemnych wodami infiltracyjnymi, powstaje zawsze ukierunkowany spadek ciśnień wywołujący ruch wód w określonym kierunku. Ruch wody gruntowej. Ruch wody gruntowej zw. filtracją lub przesączaniem zależy od ośrodka gruntowego jego uziarnienia, struktury i porowatości. Te zależności sprawiają wiele problemów w trakcie wykonawstwa robót ziemnych, wykonywania wykopów, budowy obwałowań i wszelkiego typu odwadniania i drenaży.
W praktyce stosuje się znaną empiryczną zależność dla określenia prędkości filtracji, podaną przez Darcy: gdzie : v = k i v prędkość filtracji [m/s] k - współczynnik filtracji [m/s] i - h/l spadek hydrauliczny (gradient) strata naporu wody h na odległości l Przykładowy profil geologiczny otworu z jednakowymi poziomami zw.w.g. nawierconej i ustabilizowanej.
Przykładowy profil geologiczny otworu z różnymi poziomami zw.w.g. nawierconej i ustabilizowanej. Woda gruntowa znajdująca się w warstwie piasków średnich nadścielonych warstwą namułów wykazuje nadciśnienie ( 6,30 0,90 = 5,40 m słupa wody, tj. ok. 54 kpa)
Przykładowy profil geologiczny otworu z różnymi poziomami zw.w.g. nawierconej i ustabilizowanej. Woda gruntowa znajduje się w dwóch warstwach piasków drobnych. Pierwsze zw.w.g. nawiercono w piaskach drobnych nad namułami na głębokości 2,2 m ppt., a drugą warstwę wodonośną nawiercono również w piaskach drobnych ale nadścielonych warstwą namułów i ta warstwa wykazuje nadciśnienie ( 7,0 1,20 = 5,80 m słupa wody, tj. ok. 58 kpa).
Typowy błąd projektowy. Projektant nie zauważył lub nie wiedział, żeumieszczona niweleta pokrywa się z linią zygzakowatą, która oznacza sączenie w.g., tzw. śródglinne. Efekt zalegania zw.w.g. na powierzchni robót ziemnych z sączeń, których nie uwzględnił projektant w trakcie ustalania przebiegu niwelety. W podłożu po zdjęciu wierzchniej warstwy nastąpiło rozluźnienie podłoża i problem z zapewnieniem nośności.
Przykład : Należy obliczyć do jakiej bezpiecznej głębokości można wykonać wykop fundamentowy lub wykop pod przebieg trasy drogowej lub kolejowej, jeżeli w podłożu od powierzchni terenu do głębokości 4,5 m ppt. zalega warstwa gliny, której ciężar obj. w stanie całkowitego nasycenia porów wodą wynosi 22,5 kn/m 3. Poniżej znajduje się warstwa wodonośna budowana przez piaski średnie. Nawiercony poziom zw.w.g znajduje się na głębokości 4,5 m, a piezometryczny (ustabilizowany) poziom w.g. stabilizuje się na głębokości 0,6 m. Patrz rysunek. Rozwiązanie : Ciśnienie spływowe wyrażamy wzorem: gdzie: i - spadek hydrauliczny γw - ciężar objętościowy wody [kn/m3] j = i γw Korzystając ze wzoru na spadek hydrauliczny : obliczamy: i= H/l H = H 0,6; l = 4,5 H (H-0,6)/(4,5-H) ρw g = 0,5 ( ρsat ρw ) g (H-0,6)/(4,5-H) = 0,5 (2,25-1,0) Stąd otrzymujemy, że bezpieczną głębokością wykopu będzie : H=2,1 m
Oto kilka przykładów niefrasobliwości projektantów, którzy nie bacząc na panujące nadciśnienie w warstwie wodonośnej, projektują posadowienia różnych obiektów bez stosownych analiz i obliczeń. Skutkiem czego najczęściej jest przebicie hydrauliczne z zalaniem obiektu i ustabilizowaniem zw.w.g. na wyższym poziomie niż to było zakładane w projekcie : a) Zalane przejście ekologiczne dla zwierząt b) Zalane pomieszczenia piwniczne wraz ze ścianami fundamentowymi przez przebicie hydrauliczne
c) Wypór hydrauliczny zbiorników paliwowych na terenie nowobudowanej stacji paliw, wynikający ze źle wykonanych badań podłoża. Wykonawca badań terenowych nie posiadał rur obsadowych i podał tylko poziomy zw.w.g. nawiercone. Zw.w.g. ustabilizowane znajdowało się w rzeczywistości ponad 3 m wyżej! ( Szczęście w nieszczęściu zbiorniki nie były jeszcze zalane paliwami) d) Zbiorniki retencyjne do przechwytywania wód opadowych ze spływów powierzchniowych i z rowów drogowych W tym przypadku nadciśnienie zw.w.g. pod dnem zbiornika retencyjnego uszczelnionego geomembraną wynosi: 52,40 46,30 = 6,10 m słupa wody, czyli ok. 61 kpa!
Po ustaniu pracy odwodnienia wgłębnego, najczęściej w postaci zapuszczonych igieł, dno zbiornika będzie pływające podobnie jak łóżko wodne. Wraz ze stabilizowaniem się zwierciadła zdepresjonowanego, czyli jego podnoszeniem pojawi się problem wyporu w dnie i na skarpach zgodnie ze schematem statycznym. Problem wyporu w dnie i naskarpach jest niejednokrotnie drastycznie eliminowany przez same firmy uszczelniające poprzez wtórne przebicie powierzchni szczelnej geomembrany. Woda gruntowa wlewająca się poprzez dziury do środka zbiornika ustabilizuje obciążoną geomembranę. Odbywa się to najczęściej poza wiedzą inwestora lub za jego cichym przyzwoleniem, gdyż w ten sposób eliminuje się potencjalne spory i dochodzenia wew. z projektantem. Pojawia się jednak w tych przypadkach jeszcze jedna kardynalna sprawa, a mianowicie, poprzez nieszczelność wypełnia się wodą gruntową cała objętość zbiornika retencyjnego bez pozostawienia objętości przewidzianej do retencji właściwej wód opadowych!!! Przykłady szczelnych zbiorników retencyjnych z poziomem wody wewnątrz równym poziomowi wody gruntowej!
Innym przykładem moąe być głęboki wykop ze źle rozpoznanymi zw. w.g. nawierconej i ustabilizowanej. W tym przypadku brak było znowu pomiaru zw.w.g. ustabilizowanej. W trakcie prac budowlanych w głębokim wykopie zauważono wypływ wody w dnie jak i ze skarp. Zakładając, że wypompowanie nadmiaru wody pojawiającej się w dnie nie jest problemem, to opanowanie zjawisk niekorzystnych z wodą wypływającą ze skarp jest olbrzymim problemem utraty stateczności skarp na czele. Może pojawić się w gruntach niespoistych jeszcze problem sufozyjności, czyli wynoszenia drobnych cząstek przez wypływającą wodę!
Z trzech rodzajów wody występującej w gruncie ( woda związana, kapilarna, gruntowa), to woda gruntowa ma najbardziej istotny wpływ na roboty fundamentowe obiektów budowlanych jak również na posadowienia i stateczności nasypów i wykopów. Bezpośrednie oddziaływanie wody gruntowej widoczne jest szczególnie przy wykonywaniu wykopów. Woda w swoim obiegu w przyrodzie jest najbardziej agresywnym czynnikiem wywołującym erozję gruntu. Pamiętajmy, że woda gruntowa lub swobodnie płynąca jest żywiołem nie znoszącym jakichkolwiek błędów ludzkich. Na pewno nie przymknie oka na niedoróbki tak jak jest to możliwe w przypadku sprawdzającego dokumentację lub inspektora na budowie.