ODWODNIENIA WYKOPÓW FUNDAMENTOWYCH.
PROJEKTOWANIE DRENAŻU OPASKOWEGO
I ODWODNIEŃ WGŁĘBNYCH.
Mechanika gruntów i fundamentowanie
Ćwiczenia audytoryjne
mgr inż. Natalia Bejga
A – 2 p. 235 c
E – mail:
www.marbej.user.icpnet.pl
7 kwietnia 2021
ODWODNIENIA WYKOPÓW FUNDAMENTOWYCH.
PROJEKTOWANIE DRENAŻU OPASKOWEGO
I ODWODNIEŃ WGŁĘBNYCH.
Mechanika gruntów i fundamentowanie
Ćwiczenia audytoryjne
mgr inż. Natalia Bejga
A – 2 p. 235 c
E – mail:
www.marbej.user.icpnet.pl
7 kwietnia 2021
Klasyfikacja odwodnień
1. Odwodnienie powierzchniowe (pompowanie wody bezpośrednio,
drenowanie poziome)
2. Odwodnienie wgłębne (drenowanie pionowe)
3. Odwodnienie mieszane, łączące sposoby odwodnienia wyżej
wymienione.
Odwodnienie powierzchniowe stosuje się w gruntach przepuszczalnych
piaszczystych i żwirowych do głębokości 3 m, jeśli jest możliwe
zapewnienie prostymi środkami stateczności skarp i podłoża wykopu. W
innych gruntach można stosować do dowolnej głębokości, jeśli nie
zachodzi niebezpieczeństwo upłynnienia lub sufozji podłoża i skarp
wykopu.
Odwodnienie wgłębne stosowane jest w zasadzie tylko w gruntach
przepuszczalnych, jeśli głębokość odwodnienia jest większa niż 3 m. Przy
mniejszych głębokościach stosuje się tylko wtedy, gdy istnieją trudności
w zapewnieniu stateczności skarp i dna wykopu.
Klasyfikacja odwodnień
Drenowanie poziome składa się z sączków i studzienek. Stosuje się je do trwałego
odwodnienia terenu lub jako drenaż podczas prowadzenia robót budowlanych.
Drenowanie pionowe może być wykonane za pomocą studni, igłofiltrów oraz
innych elementów pionowo wprowadzanych w grunt. Stosowane do czasowego
obniżenia zwierciadła wód gruntowych.
Rys. Drenowanie poziome Rys. Drenowanie pionowe
Klasyfikacja odwodnień
Zależnie od głębokości elementów odwodnień w stosunku do warstwy
nieprzepuszczalnej rozróżnia się:
drenowanie zupełne – jeśli elementy sięgają do warstwy nieprzepuszczalnej,
drenowanie niezupełne – jeśli elementy są założone w warstwie
przepuszczalnej, w pewnej odległości od warstwy nieprzepuszczalnej
.
Rys. Drenowanie zupełne
Rys. Drenowanie niezupełne
Klasyfikacja odwodnień
Zależnie od ułożenia ciągów drenażowych w terenie rozróżnia się
drenowanie:
systematyczne – polega na równomiernym rozłożeniu drenów poziomych
lub pionowych na całym terenie. Składa się z elementów
odprowadzających wodę do zbieraczy, dalej kolektorem głównym do
kanalizacji lub rowu,
opaskowe – polega na ułożeniu wokół obiektu (obwodowo) sączków
połączonych ze studzienkami kontrolnymi i studnią zbiorczą, skąd
odprowadza się wodę do kolektora,
warstwowe – polega na ułożeniu warstwy żwiru lub piasku bezpośrednio
pod fundamentem, w której zakłada się rurki sączkowe prowadzące
bezpośrednio do studzienki zbiorczej,
czołowe i brzegowe – polega na przechwyceniu wody mającej zasilanie
boczne oraz wody przeciekającej do podłoża z rzeki lub ze zbiornika
wodnego.
Zasady projektowania i wykonywania poziomego
drenażu opaskowego
1. Obszar otoczony drenażem powinien być jak najmniejszy, a głębokość
założenia sączków zapewniająca dostateczne obniżenie zwierciadła wody.
2. Drenaż zakładany poniżej poziomu posadowienia musi być odsunięty od
fundamentu na odległość L ≥ h ∙ ctgφ (h – odległość od sieci
drenarskiej do spodu fundamentu, φ – kąt nachylenia krzywej depresji).
3. Drenaż stały powinien być założony poniżej głębokości przemarzania.
3. Ciągi drenarskie powinny być liniami prostymi, w każdym z załamań
powinna znajdować się studzienka.
4. W drenowaniu do celów budowlanych minimalna średnica sączka wynosi
100 mm.
Zasady projektowania i wykonywania poziomego
drenażu opaskowego
6. Minimalne spadki ciągów drenarskich powinny wynosić:
DN 100 – 150 mm: i=0,005
DN 150 – 200: i=0,005 – 0,003
DN 200 – 300: i= 0,003 – 0,002
7. Obsypka filtracyjna powinna być wykonana ze żwiru, piasku grubego i
średniego, można stosować również maty filtracyjne.
8. Stosuje się studzienki w węzłach, narożach i w szeregu.
9. Wodę z drenażu odprowadza się do kanalizacji, przepompowni lub
naturalnych zbiorników wodnych.
Projektowanie drenażu opaskowego
1.
Ustalenie zasięgu depresji R
Promień zasięgu działania sączka ustala się doświadczalnie lub ze wzoru
Sichardta:
dla k w m/dobę
dla k w m/s
R – promień zasięgu działania drenu,
S – obniżenie poziomu wód licząc od
stanu nieobniżonego do poziomu wody
w rurce sączka,
k– współczynnik filtracji.
Rys. Dane goemtryczne
k
S
R 10
k
S
R 3000
Projektowanie drenażu opaskowego
2. Ustalenie rzędnej depresji h
d
Wzór Muftachowa:
b – połowa odległości między drenami,
m – wysokość wody w sączkach nad warstwą nieprzepuszczalną,
f – współczynnik zależny od b/m, wg nomogramu,
φ = φ
1
– φ
2
– współczynnik zależny od b/m i (R+b)/m, wg nomogramu,
r
0
– promień rurki drenarskiej
m
b
r
b
f
m
b
r
b
S
h
d
2
8
ln
2
8
ln
0
0
Projektowanie drenażu opaskowego
2. Ustalenie rzędnej depresji h
d
Rys. Nomogramy do wyznaczenia współczynników f, φ
1
i φ
2
Projektowanie drenażu opaskowego
3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich
Średnice sączków ustala się dla maksymalnego dopływu wody, a spadki ciągów
drenarskich muszą być tak dobrane, by prędkości przepływu wody mieściły
się w wartościach dopuszczalnych.
Przy założeniu sączka na podłożu nieprzepuszczalnym wydatek drenażu oblicza
się ze wzoru Dupuit:
Q
0
– wydatek sączka na 1 m jego długości w m
3
/dobę przy dopływie wody z 1
strony,
R – promień zasięgu działania drenu,
k– współczynnik filtracji,
H – miąższość warstwy wodonośnej,
h
0
– wysokość wypełnienia sączka wodą.
R
h
H
k
Q
2
2
0
2
0
Projektowanie drenażu opaskowego
3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich
Ponieważ h
02
<< H
2
wzór można uprościć do postaci:
m
3
/dobę
Całkowity wydatek drenu o długości L równa się: Q = Q
0
∙ L
R
H
k
Q
2
2
0
Projektowanie drenażu opaskowego
3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich
W przypadku opaskowego drenowania niezupełnego wydatek na 1 mb można
wyznaczyć ze wzoru Kostiakowa:
Q
0
– wydatek sączka na 1 m jego długości w m
3
/dobę przy dopływie wody z 1
strony,
R – promień zasięgu działania drenu,
r
0
– promień sączka,
k– współczynnik filtracji,
H
1
– zanurzenie rurociągu w warstwie wodonośnej,
h
0
– wypełnienie nad środkiem drenu,
α = π/2
Rys.
0
0
1
0
ln
7
,
0
r
R
h
H
k
Q
Projektowanie drenażu opaskowego
3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich
Przyjmując dla uproszczenia h
0
= 0 otrzymujemy:
Drenaże pozwalają na stosowanie prędkości w granicach 0,15 – 1,00 m/s.
Zbyt mała prędkość spowoduje zamulenie ciągu, zbyt duża – rozmywanie
gruntu. Optymalne prędkości wynoszą 0,5 – 0,7 m/s, natomiast
minimalne:
dla gruntów spoistych: 0,15 – 0,20 m/s,
dla gruntów niespoistych: 0,30 – 0,35 m/s.
0
1
0
ln
7
,
0
r
R
kH
Q
Projektowanie drenażu opaskowego
3.
Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich
Prędkość przepływu przez dren, przy całkowitym wypełnieniu wodą oblicza się
ze wzoru Chezy
:
,
d – średnica drenu,
I – spadek drenażu,
a – współczynnik szorstkości wewnętrznych ścianek rur.
Potrzebną średnicę sączka i minimalny spadek ciągu drenarskiego określa się ze
wzoru:
,
,
Q – całkowity wydatek drenu
ω – powierzchnia przekroju sączka.
dI
c
V
2
d
a
c
2
1
70
V
Q
d
2
V
Q
d
c
V
I
2
2
4
Projektowanie drenażu opaskowego
3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich
Przy ustalaniu średnicy i spadku ciągu drenarskiego należy ustalać rzeczywistą
prędkość według wzoru V
1
= V ∙ η, gdzie współczynnik η zależy od stosunku
Q/Q
1
, określonego za pomocą nomogramu.
Q – rzeczywisty wydatek sączków w m
3
/s,
Q
1
– wydatek sączka w m
3
/s przy całkowitym napełnieniu, dla założonej średnicy
sączka i przyjętego spadku ciągu drenażowego, wyznaczany według wzoru:
Rys. Nomogram do wyznaczenia współczynnika η
2
1
2
5
1
39
,
0
I
cd
Q
Projektowanie odwodnienia wgłębnego
Odwodnienie wgłębne polega na założeniu w podłoże elementów pionowych
(igłofiltry, igłostudnie, studnie wiercone), z których odpompowuje się
wodę. Poprzez stałe pompowanie wody powstaje wokół tych elementów
depresja, której zasięg stopniowo się powiększa, dążąc do maksimum.
Wybór optymalnej metody odwodnienia zależy od:
przepuszczalności odwadnianej warstwy,
głębokości dna wykopu,
usytuowania dna wykopy nad warstw ą nieprzepuszczalną,
miąższości i układu warstw przepuszczalnych.
Projektowanie odwodnienia wgłębnego
Igłofiltry – elementy wprowadzane do podłożą za pomocą wpłukiwania lub
wbijania. Stosuje się je do odwodnień wykopów fundamentowych,
kanalizacyjnych, względnie do odwodnień mieszanych.
Igłostudnie – stosuje się do odwodnień wgłębnych w gruntach o średniej i dużej
przepuszczalności, względnie w podłożu przewarstwionym cienkimi
warstwami gruntów małoprzepuszczalnych, umożliwiających usytuowanie
filtru w gruncie przepuszczalnym. Igłostudnie są pogrążane w podłoże metodą
wpłukiwania.
Konstrukcja igłostudni składa się z części podfiltrowej, przystosowanej do
wpłukiwania oaz filtru połączonego z rurą nadfiltrową. Średnica igłostudni na
ogół wynosi 50 – 150 mm, a długość 4 – 8 m.
Studnie wiercone – stosowane w każdych warunkach gruntowych i przy
obniżaniu zwierciadła wody gruntowej na każdą głębokość. Studnie zapuszcza
się w otworze wiertniczym, co pozwala na dobranie obsypki i filtru,
zapewniających właściwe działanie instalacji odwadniającej. Kosztowne i
pracochłonne.
Zasady projektowania i wykonywania odwodnienia z
igłofiltrów
1. Głębokość odwodnienia dla pojedynczego rzędu igłofiltrów wynosi s = 3 –
5 m. Dla odwodnień głębszych konieczne jest zastosowanie układów
wielostopniowych, których w sumie nie powinno być więcej niż 3.
2. Rozstaw igłofiltrów mieści się w przedziale 0,6 – 2,0 m.
3. Warunkiem zastosowania igłofiltrów jest występowanie gruntów
przepuszczalnych w warstwie o miąższości równej co najmniej długości
filtra plus około 1 m.
4. Igłofiltrów nie wpłukuje się w warstwy gruntów spoistych.
Zasady projektowania i wykonywania odwodnienia z
igłofiltrów
5. Rozmieszczenie igłofiltrów jest zależne od rodzaju i wymiarów wykopu:
dla wąskich wykopów kanalizacyjnych do głębokości 3 m wystarczy
zastosować pojedynczy rząd igłofiltrów wewnątrz wykopu.
dla innych wykopów wąskich igłofiltry umieszcza się w jednym rzędzie
poza wykopem
dla wykopów wąskich, długich i głębokich stosuje się rzędy igłofiltrów
po obu stronach wykopu w układzie szachownicowym
Rys. Rozmieszczenie igłofiltrów
Zasady projektowania i wykonywania odwodnienia z
igłofiltrów
dla wykopów głębokich do 5 m stosuje się igłofiltry rozmieszczone
wzdłuż boków wykopów
dla wykopów głębszych niż 5 m igłofiltry rozmieszcza się w dwóch
poziomach.
Rys. Rozmieszczenie igłofiltrów
Projektowanie odwodnienia wgłębnego
Obliczenia wykonuje się metodą prób. Zakłada się wstępnie rozmieszczenie
studni i ich wymiary oraz wykonuje się wstępne obliczania, sprawdzając
prawidłowość przyjętych założeń.
Wstępne obliczenia obejmują:
1. Ustalenie potrzebnej depresji
2. Ustalenie obliczeniowych współczynników filtracji
3. Obliczenie promienia zasięgu depresji
4. Obliczenie promienia okręgu równoważnego R
0
odwadnianej powierzchni
5. Wstępne ustalenie wymiarów i rozstawu studni
6. Obliczenie uskoku hydraulicznego
Obliczenia zasadnicze obejmują:
1. Obliczenie całkowitego wydatku wody z instalacji
2. Sprawdzenie liczby i głębokości studni
3. Sprawdzenie obniżenia wody gruntowej w najniekorzystniejszych punktach
powierzchni
4. Obliczenie czasu potrzebnego do uzyskania pożądanej depresji
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne
obliczenia
1. Ustalenie potrzebnej depresji
Zał. W najniekorzystniejszym punkcie odwadnianej powierzchni zwierciadło wody
powinno być obniżone o 0,5 m poniżej dna wykopu.
W sposób przybliżony rzędną depresji w środku wykopu można ustalić ze wzorów:
h
d
= H
0
+ (0,5 – 1 m)
h
d
= H
0
+ b/20
Rys. Dane geometryczne
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne
obliczenia
3. Obliczenie promienia zasięgu depresji R
Promień zasięgu działania sączka ustala się doświadczalnie lub ze wzoru
Sichardta:
dla k w m/dobę
dla k w m/s
R – promień zasięgu działania drenu,
S – obniżenie poziomu wód licząc od stanu nieobniżonego do poziomu wody
w rurce sączka,
k– współczynnik filtracji.
k
S
R 10
k
S
R 3000
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne
obliczenia
4. Obliczenie promienia okręgu równoważnego R
0
odwadnianej
powierzchni
F – wielkość odwadnianej powierzchni z uwzględnieniem poszerzenia
potrzebnego na zainstalowanie studni
F
R
0
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne
obliczenia
5. Wstępne ustalenie wymiarów i rozstawu studni
Ustala się wstępnie wymiary studni i oblicza ich wydatek, projektując je jako
zupełne. W przypadku studni niezupełnych miąższość strumienia
wodnego wynosi:
T = S + h
d
h
d
– głębokość od spodu filtru do obniżonego poziomu zwierciadła wody w
środku wykopu,
H
0
– wysokość zwierciadła wody w studni, liczona od dna studni, przeciętnie
3 – 5 m.
Rozstaw studni zależy od przepuszczalności podłoża, wg Sichardta powinien
spełniać warunek:
b ≥ 5 ∙ 2π R
0
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne
obliczenia
6. Obliczenie uskoku hydraulicznego
Obniżenie poziomu wody przy zewnętrznej ścianie studni nie odpowiada
rzeczywistemu poziomowi wody wewnątrz studni. Po zewnętrznej stronie
studni następuje spiętrzenie wody nazywane uskokiem hydraulicznym,
określane ze wzoru Ehrenberga:
Rys. Uskok hydrauliczny
T
h
T
h
2
0
0
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia
zasadnicze
1. Obliczenie całkowitego wydatku wody z instalacji
Dla studni zupełnych – wzór Forchheimera:
S – niezbędne, minimalne obniżenie zwierciadła wody w środku wykopu
(obwodu pierścieniowego),
x
1
, x
2
, x
n
– odległości studni od środka obwodu pierścieniowego,
T – miąższość strumienia wodnego.
Dla studni niezupełnych - przyjmować można miąższość strumienia T równą
głębokości studni i zwiększając obliczoną wartość o 20% lub stosując
wzory Zamarina.
n
x
x
x
n
R
S
S
T
k
Q
,...,
,
ln
1
ln
2
2
1
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia
zasadnicze
2. Sprawdzenie liczby i głębokości studni
Studnię należy projektować tak, aby wydatek wynosił
, gdzie
n – liczba studni pracujących w zespole.
Ze względu na niebezpieczeństwo powstania zjawisk sufozji prędkość wody
dopływającej do filtru przyjmuje się w m/s:
ze wzoru Sichardta
ze wzoru Abramowa
Współczynnik przepuszczalności jednego metra zwilżonego filtru wyniesie:
r – promień filtru studziennego.
n
Q
q
15
max
k
v
3
max
65 k
v
15
2
k
r
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia
zasadnicze
2. Sprawdzenie liczby i głębokości studni
Liczbę niezbędnych studni oraz długość filtru określa się z równań:
,
y
0
– długość filtru,
n – liczba studni,
y – poziom wody w środku okręgu o promieniu R
0.
Długość filtru i liczba studni powinna być tak dobrana, aby spełnione były
warunki:
,
,
Q
ny
0
nr
R
kn
Q
y
y
0
2
0
ln
Q
ny
0
Q
y
n
0
1
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia
zasadnicze
3. Sprawdzenie obniżenia wody gruntowej w najniekorzystniejszych
punktach powierzchni
Po rozmieszczeniu studni i ustaleniu ich głębokości sprawdza się rzędną
depresji h
d
w środkowym punkcie wykopu, ze wzoru:
Instalacja jest dobrze zaprojektowana, jeśli h
d
– h
0
mieści się w granicach
0,5 – 1 m. Jeśli h
d
– h
0
< 0,5, to liczba studni jest za duża, jeśli h
d
– h
0
>
1, to liczba studni jest za mała.
R
b
k
q
h
h
d
2
ln
2
0
2
Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia
zasadnicze
4. Obliczenie czasu potrzebnego do uzyskania pożądanej depresji
Orientacyjnie czas ten można wyliczyć ze wzoru:
n – porowatość gruntu,
Wg – objętość odwadnianego wykopu,
Q – ilość wody odprowadzanej z wykopu na godzinę.
Q
nWg
t
Źródło
1.
Przystański J., Wykopy fundamentowe i odwodnienia gruntu, Wydawnictwo PP
Poznań, 1981.