Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Zabezpieczenia skarp przed sufozją. Skarpy wykopów i nasypów, powinny być poddane szerokiej analizie wstępnej, dobremu rozpoznaniu podłoża w ich rejonie, prawidłowemu zaprojektowaniu jak i niezbędnemu nadzorowi przy wykonawstwie. Ochrona skarp głębokich wykopów i wysokich nasypów powinna zabezpieczać je przed niszczeniem, utratą stateczności oraz przed utratą narzuconego projektem profilu z uwzględnieniem wpływu oddziaływań dynamicznych (cyklicznych). Jedną z najbardziej efektywnych metod ochrony skarp jest ich drenaż, stosowany gdy w obrębie skarpy znajduje się poziom wypływu wody podziemnej trwały lub okresowy. Rozróżnia się dwa rodzaje drenażu skarp: drenaże zlokalizowane u podnóża skarpy, oraz drenaże zlokalizowane na całej wysokości skarp. Drenaż składa się z dwóch elementów, tj. pryzmy obciążającej (rys.1) oraz systemów odprowadzenia wody (rys.38). Pryzmę obciążającą daje się na wysokości odcinka wysączania się wody ze skarpy. Pryzmę daje się w przypadku skarp piaszczystych, w których może wystąpić spływanie wierzchniej warstwy. Jeżeli chroniona skarpa wykonana jest ze żwiru i otoczaków, projektowanie pryzmy obciążającej jest zbyteczne. Rys. 1. Obciążenie podnóża skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. [86 ]
Rys.2. Przykłady drenażu stopy skarpy. [2 ] Materiał stosowany na pryzmy obciążające nie wymaga wysokiej jakości, powinien jednak spełniać kryterium: D 10 d 50 < 15 20 oraz U 5 D 10 średnica miarodajna ziaren obsypki d 50 średnia średnica ziaren gruntów budujących skarpę U wskaźnik różnoziarnistości Innym typem drenażu jest drenaż obejmujący całą wysokość skarpy. Jest to szczególnie ważne, gdy występuje konieczność ochrony antyerozyjnej skarpy związanej ze spływem powierzchniowym wód deszczowych oraz z dużymi wahaniami zwierciadła wody gruntowej oraz opadami atmosferycznymi. Przy opadach nawalnych wysokość słupa wody przybiera wartość 3 5 mm/min, a zdolność gruntów do wsiąkania wody to 0,07 0,2 mm/min (iły piaski).
W tych warunkach spływ powierzchniowy wystąpi już w pierwszych minutach opadu. Z reguły są to zjawiska erozyjne o dużych zakresach. Rys. 3. Drenaż na całej wysokości skarpy. [2 ] Rys.4. Przykład drenażu (ostrogi) widok od czoła [2 ] Rys.5. Dreny zabijane. [2 ] Rys.6. Ochrona skarpy przed wodami podwodnymi za pomocą studni pionowych. [2 ]
Tylko w przypadkach, gdy istnieje niebezpieczeństwo intensywnej sufozji materiału ziarnistego ze skarpy, pryzmę obciążającą projektuje się jako filtr odwrotny. 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. Tab.1. Orientacyjne wskaźniki sufozyjności gruntów Wskaźnik różnoziarnistości U = d -. d /. <10 10 20 >20 Rodzaj gruntu niesufozyjny przejściowy sufozyjny Tab.2. Granice sufozyjności gruntów w funkcji wskaźnika różnoziarnistości U f przy stosowaniu uproszczonej metody projektowania filtrów odwrotnych Wskaźnik różnoziarnistości U f 25 15 Rodzaj gruntu niesufozyjny sufozyjny W tym ostatnim przypadku warstwy ochronne spełniają dodatkowe zadania warstw przejściowych, o pośrednich właściwościach mechanicznych, pomiędzy spoistym rdzeniem a gruboziarnistym nasypem. Zadaniem filtru odwrotnego jest nie dopuszczenie 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.7. Zasada doboru gruntu na filtr odwrotny wg. Terzaghiego; pole zakreskowane - przedział dopuszczalnych składów granulometrycznych filtru. [3] Reasumując, dobór gruntu na warstwy ochronne polega na dostosowaniu uziarnienia filtrugruntu chroniącego do uziarnienia gruntu chronionego. Kryteria przydatności gruntu na filtry odwrotne: D /1 d /1 4 D /1 d 41 4 gdzie: D 15 średnica zastępcza w mm ziaren gruntu filtru, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi 15 % d 15, d 85 średnica zastępcza w mm ziaren gruntu chronionego, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi odpowiednio 15 % i 85 %. Infiltrująca woda gruntowa może też powodować kolmatację, tzw. proces wymywania i osadzania drobnych cząstek w porach gruntu.
Rys.8. Schemat filtru odwrotnego Działanie filtrów odwrotnych polega na zmniejszeniu spadku hydraulicznego poprzez zwiększenie współczynnika filtracji kolejnych warstw gruntu. Jeśli woda przepływa kolejno przez np. trzy warstwy gruntu o coraz większym współczynniku filtracji, to przy założeniu ciągłości przepływu można zapisać zależność: v = k 1 i 1 = k 2 i 2 = k 3 i 3 gdzie : v - prędkość filtracji [m/s], k 1, k 2, k 3 współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s], i 1, i 2, i 3 - spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach. Należy pamiętać, że nie zawsze jest konieczne projektowanie filtrów odwrotnych. Czasem wystarczającym jest dobrze uziarniony piasek lub żwir. Literatura: 1. Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKŁ, Warszawa 1982 r. 2. Dembicki E.: Fundamentowanie. Tom I. Arkady, Warszawa 1987 r.