Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Wykopy fundamentowe odwadnianie. 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 również wody opadowe. Orientacyjne dane, jakie systemy odwadniania wgłębnego możemy stosować zależnie od budowy podłoża, przedstawione są na rys. 1.
Rys.1. Rodzaje stosowanych systemów odwodnieni zależnie od gruntów zalegających w podłożu [2]. Rys.2. Wykres do ustalania orientacyjnego zakresu stosowania niektórych instalacji odwadniających w gruntach jednorodnych [3].
Wykres ten dotyczy odwodnienia powierzchniowego gruntów jednorodnych i wykopów średniej wielkości. W celu korzystania z wykresu należy: ustalić na osi odciętych punkt odpowiadaja.cy 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 1. Wykres jest podzielony pionowymi skośnymi liniami przerywanymi na sektory, odpowiadające optymalnym zakresom dla poszczególnych instalacji. Podział na trzy poziome piętra wysokości S o = 4m 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.1. Podstawowe parametry pionowych instalacji depresyjnych [3] Sposób korzystania z rysunku 2 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, ze 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. 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 wgłębne, 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 "#$ < 10, należy do obliczeń przyjąć średni ważony współczynnik! "%& 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.3. 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 [4]
Średni współczynnik filtracji dla kilku otworów badawczych określa wzór : gdzie: I, II, III kolejne otwory. Tab.2. Wzory na obliczanie wydatku studni depresyjnych przy swobodnym zwierciadle wody gruntowej [1]
Tab.3. Wzory na obliczanie wydatku innych studni depresyjnych L p. Rodzaj studni Schemat Wzory 1. studnia artezyjska Z h - = Q 2π ka ln x r 2π ka Q = (H h - ) ln R r 2. studnia częściowo artezyjska Z = = a = = Q πk ln x r > Q = π k(2ah a= h - = ln R r 3. studnia artezyjska zawężona K t s Q = 1,36 lg R r [1 + 5 πt t r s cos T 2a ] 4. studnia chłonna h = z = = Q π k ln x r Q = π k(h - = H = ) ln R r 5. zespołowe działanie studni π k (H = Z = O ) Q = lnr 1 n ln (x > x = x S ) n ilość studni R = 575 S k H
Tab.4. 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: r - = T U (L : B < 2 3)
2. jeżeli dół fundamentowy jest prostokątny: r - = η WXY Z (L : B > 3) 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 ( wg poniższej tabeli) 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: Q > 1,36k (H= h = ) lg R + r - lgr - 1,36k Ms Q = lg R + r - lgr - 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.5. 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 k T m/d ^ - Kusakina V F = 65 k T m/d - Truelsena V F = 300d 10 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 R = 3000 S k - Kusakina R = 575 S k H - Webera R = ^! _ ` S 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 ta 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. Literatura : 1. Bolt A. [i in.]: Mechanika gruntów w zadaniach. PG, Gdańsk 1982. 2. Fanti K. [i in.] : Budowle piętrzące. Arkady, Warszawa 1972 r. 3. Jarominiak A. [I in.] : Podpory mostów. Wybrane zagadnienia. WKŁ, Warszawa 1981 4. Pałys F., Smoręda Z.: Poradnik technika melioranta. PWRiL, Warszawa 1986 r.