Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin 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) F " = % &' ) &' % * (, -. / 0 ) lub uwzględniając opór gruntu na ścinanie b) F " = 2% &' ) &' 345 2% * (, -. / 0 ) 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 w - ciężar objętościowy wody, A - powierzchnia pionowa ścinania warstwy spoistej, C - wytrzymałość gruntu na ścinanie. Jeśli wartości F w różnią się od podanych w tabl. 1, 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.1. Minimalne wartości współczynników pewności F w [1]. Przypadek obliczeniowy Do wzoru a) Do wzoru b) przy uwzględnieniu odporu gruntu na bez uwzględnienia odporu gruntu na ścinanie ścinanie Normalny eksploatacyjny 1,3 1,1 Nadzwyczajny 1,1 1,0 Tab. 2. Minimalne zagłębienie krzywej depresji poniżej dna wykopu [1]. Jeśli skarpy w strefie wykopu fundamentowego mają wkładki wodonośne, należy przewidzieć zabezpieczenia filtrami odwrotnymi. Filtry odwrotne są to warstwy gruntu o odpowiednio dobranym uziarnieniu zabezpieczające przed szkodliwymi odkształceniami filtracyjnymi. Filtry odwrotne, zwane czasami warstwami ochronnymi, stosowane są np. wokół rur lub pryzm drenażowych, w miejscach ewentualnego wypływu wody na skarpę, między dwoma warstwami gruntów o znacznie różniącym się uziarnieniu lub przy rdzeniach zapór. W tym ostatnim przypadku warstwy ochronne spełniają dodatkowe zadania warstw przejściowych, o pośrednich mechanicznych właściwościach, między spoistym rdzeniem a gruboziarnistym nasypem statycznym. Zadaniem filtru odwrotnego jest nie dopuścić do przenikania części szkieletu gruntu chronionego do drenażu lub nasypu statycznego i nie utrudniać odpływu wody. Uziarnienie filtru powinno być tak dobrane, aby ziarna filtru nie przenikały do drenażu lub w przylegający narzut nawet kamienny oraz aby filtr nie był kolmatowany drobnymi cząstkami wyniesionymi z gruntu chronionego. Jeżeli więc z gruntu chronionego wynoszona będzie pewna dopuszczalna ilość drobnych cząstek, powinny być one również wypłukane z filtru.
Rys.36. Zasada doboru gruntu na filtr odwrotny wg. Terzaghiego; pole zakreskowane - przedział dopuszczalnych składów granulometrycznych filtru. [2] Reasumując, dobór gruntu na warstwy ochronne polega na dostosowaniu uziarnienia filtrugruntu chroniącego do uziarnienia gruntu chronionego. Kryteria przydatności gruntu na filtry odwrotne: D 78 d 78 4 D 78 d <8 4 gdzie: D 15 średnica w mm ziaren gruntu filtru, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi 15 % d 15, d 85 średnica w mm ziaren gruntu chronionego, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi odpowiednio 15 % i 85 %. Ocenę przydatności gruntu na filtr odwrotny rozpocząć należy od sprawdzenia tzw. sufozyjności gruntu filtru i gruntu chronionego. Praktycznie za niesufozyjny uważa się taki grunt, w którym przesiąkająca woda może wypłukać nieznaczną ilość najdrobniejszych frakcji, w nikłym tylko stopniu zmieniając jego strukturę i wytrzymałość. Grunt filtru uznaje się za niesufozyjny, jeśli spełniona jest następująca równość: D 3 D 17 > N gdzie: N = (0,32 + 0,016 U) 6 U n 1.n
U = D 60 - wskaźnik różnoziarnistości gruntów użytych do filtrów, D 10 D 3, D 10, D 17, D 60 - średnice ziaren, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi odpowiednio 3, 10, 17, 60 % mm n porowatość w częściach jedności. Dobierając zatem grunt na filtr odwrotny ochraniający grunty spoiste należy sprawdzić: - wskaźnik różnoziarnistości gruntu, - niesufozyjność gruntu, - warunek odporności gruntu spoistego na działanie filtracji, - warunek kolmatowania filtru. Różnoziarnistość gruntu na filtry odwrotne ochraniające grunty spoiste może być znacznie większa niż dla ochrony gruntów sypkich. Dopuszcza się grunty o wskaźniku różnoziarnistości 50, a w szczególnych przypadkach, gdy warstwy filtrowe mają grubość kilku metrów, można wartość tę powiększyć do 100, pod warunkiem jednak, że przy różnoziarnistości większej od 50 materiał filtru nie powinien zawierać ziaren o średnicy większej od 80 mm, a zawartość frakcji piaskowej powinna wynosić co najmniej 20%. Przykład praktyczny : 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. Według normy 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 na spadek hydrauliczny: obliczamy: H = H 0,6; l = 4,5 - H i = H l H 0, 6 4, 5 H ρ w g = 0, 5 ρ sat ρ w g H 0, 6 = 0, 5 2, 25 1, 0 4, 5 H Otrzymujemy bezpieczną głębokość wykopu : H = 2, 1 m Literatura : 1. Fanti K. [i in.] : Budowle piętrzące. Arkady, Warszawa 1972 r. 2. Wieczysty A.: Hydrogeologia inżynierska. PWN, Warszawa 1982 r.