22.11.11

1

Odwadnianie  obiektów  i  wykopów  

budowlanych  

 

dr  inż.  Patryk  Wójtowicz  

Drenaż  płytowy  (warstwowy)  

•  Drenaż  płytowy  stosowany  jest:  

–  przy  posadowieniu  budowli  w  gruntach  pylastych,  

gliniastych  itp.  –  o  małej  wodoprzepuszczalności  ale  

dużej  wodochłonności  i  wysokim  wzniosie  kapilarnym  

•  Drenaż  płytowy  ma  za  zadanie:  

–  odciąć  dostęp  wód  kapilarnych,  
–  pochłaniać  wodę  wypływającą  z  gruntu  i  utrzymywać  jej  

poziom  na  wysokości  wypełnienia  drenów,  

–  utrzymywać  w  stanie  suchym  zewnętrzną  powierzchnie  

chronionych  budowli,  

–  wzmacniać  podłoże  fundamentów  budowli.  

22.11.11

2

Drenaż  płytowy  

•  Drenaż  płytowy  tworzy:  

–  ciągła  warstwa  gruboziarnistego  piasku  i  żwiru  pod  

chronionym  obiektem  

–  na  dnie  tej  warstwy  w  rowkach  układa  się  dreny  

rurkowe  

Drenaż  płytowy  

•  Drenaż  płytowy  może  być  stosowany  

profilaktycznie  np.  może  być  zintegrowany  z  

elementem  konstrukcyjnym  budynku  –  w  formie  

podsypki  wzmacniającej  podłoże  fundamentów  

budowlanych  na  słabych  gruntach  (torfy,  pyły)    

22.11.11

3

Zastosowanie  drenażu  płytowego  

•  Drenaż  płytowy  można  stosować  do  ochrony  

przed  podtopieniem  lub  zawilgoceniem  

obiektów  takich  jak:  

–  pojedyncze  budynki  podpiwniczone,  
–  tunele  i  przejścia  komunikacyjne,  
–  nawierzchnie  drogowe,  uliczne  i  pasy  startowe,  
–  obiekty  sportowe,  
–  fundamenty  pieców  przemysłowych.  

Obliczenia  drenażu  płytowego  –  drenaż  płytowy  

zupełny  

R

0

R

(

)

3

0

0

2

,

/

ln

f

w

k s H

s

Q

m s

R R

R

π

−

=

+

22.11.11

4

Obliczenia  drenażu  płytowego  –  drenaż  płytowy  

zawieszony  

3

0

0

0

0

0

2

,

/

ln

0.5

ln

2

4

f

R

s

Q

k s

m s

R R

R

R R

B

R

π

π

ω

ω

⎡

⎤

⎢

⎥

⎢

⎥

=

+

+

+

⎢

⎥

+

+

⎢

⎥

⎣

⎦

0

2

2

0

2arcsin

R

B

R

ω

ω

=

+

+

Przykłady  zastosowania  drenażu  płytowego  

1  –  rurki  drenarskie        2  –  warstwa  drenażowa      3  -­‐  izolacja      4  –  nowa  posadzka    5  –  

studzienka  kontrolna      6  –  studzienka  zbiorcza  (średnica  60  ÷  80  cm)      7  –  pompa  
samozasysająca      8  –  bruzdy  w  płycie  betonowej  

               brak  trwałej  posadzki  betonowej                            nieszczelna  żelbetowa  płyta  posadzkowa  

22.11.11

5

Drenaż  warstwowy  kanału  zbiorczego  

1  –  przewód  drenarski  
2  –  warstwa  piasku  
3  –  warstwa  żwiru  
4  –  obniżone  zwierciadło  wody  

podziemnej  

Drenaż  nawierzchni  drogowej  i  ulicznej  

1  –  nawierzchnia  
2  –  fundament  
3  –  drenaż  warstwowy  
4  –  dren  rurkowy    

22.11.11

6

Odwodnienie  lotnisk  (pas  startowy)  

Odwodnienie  torowiska  

22.11.11

7

Odwodnienia  wykopów  budowlanych  –  

studzienki  zbiorcze  

Studzienka drewniana

Studzienka betonowa

Odwadnianie  wykopów  

•  Do  odwadniania  wykopów  stosujemy:  

–  drenaże  (systemu  poziomego,  pionowego  lub  

mieszanego):  

• systematyczne  
• opaskowe  
• okólne  
• płytowe  

–  igłofiltry  
–  elektrodrenaże  

22.11.11

8

Wykorzystanie  drenażu  warstwowego  do  odwadniania  

wykopów  w  gruntach  kurzawkowych  

1  –  stalowa  ścianka  szczelna  
2  –  warstwa  drenażowa  
3  –  włóknina  
4  –  dren  rurkowy  
5  –  szybik  zbiorczy  
6  –  pompa  
 

Drenaż  płytowy  wykopu  

Ścianka szczelna

22.11.11

9

Igłofiltry  

•  Urządzenia  igłofiltrowe  stosuje  się  do  doraźnego  

odwadniania  (np.  wykopów)  gruntów:  

–  piaszczysto-­‐żwirowych  
–  piaszczystych  
–  pylastych  
–  gliniastych  

•  Miąższość  warstwy  wodonośnej  od  0.5  m  do  

kilkunastu  metrów  

•  Zakres  współczynnika  filtracji  od  10

-­‐7

 do  10

-­‐3

 m/s  

Schemat  działania  igłofiltru  

1  –  filtr  
2  –  rurka  centralna  
3  –  rurka  nadfiltrowa  
4  –  kolektor  ssawny  
5  –  uszczelnienie  (glina  lub  ił)  

22.11.11

10

Zasady  stosowania  igłofiltrów  

•  W  drobnoziarnistych  gruntach  (pylaste,  gliniaste  i  iłowe)  o  

małej  odsączalności  i  przepuszczalności  (k

f

 od  10

-­‐7

 do  10

-­‐5

 m/

s,  d50  od  0.03  do  0.003  mm)  igłofiltry  działają  na  zasadzie  

wytwarzania  próżni  w  nawodnionym  gruncie  

•  Zasięg  leja  depresji  igłofiltru  to  ok.  1.0  do  2.0  m  

•  Filtry  rozmieszcza  się  w  odległości  od  1  do  5  m  -­‐  jak  najbliżej  

ścian  wykopu  

•  W  większości  przypadków  jeden  poziom  igłofiltrów  

umożliwia  obniżenie  poziomu  wody  do  4  m  (dla  większego  

obniżenia  instaluje  się  dwa  lub  więcej  rzędów  pięter)  

•  Z  uwagi  na  kształt  tworzonego  leja  depresyjnego,  koniec  

igłofiltra  powinien  być  umieszczony  ok  1  ÷  2  m.  poniżej  

oczekiwanej  głębokości  do  której  powinien  zostać  obniżony  

poziom  wody  

Schemat  działania  urządzeń  igłofiltrowych  do  

odwadniania  gruntu  i  stabilizacji  skarp  wykopu  

1  –  filtr  

2  –  rurka  nadfiltrowa  ssawna  

3  –  obsypka  
4  –  kolektor  ssawny  

5  –  pompa  

6  –  przewód  tłoczny  
7  –  grunt  piaszczysty  

8  –  piasek  gliniasty  
9  -­‐  pospółka  

22.11.11

11

Dwustopniowe  urządzenie  igłofiltrowe  

1  –  kolektor  ssawny  układu  górnego      2  –  kolektor  ssawny  układu  dolnego    3  –  igłofiltry  

układu  górnego    4  –  igłofiltry  układu  dolnego    5  –  wykop  otwierający,  wykonywany  
na  sucho      6  –  statyczne  zwierciadło  wody  gruntowej      7  –  pierwszy  etap  odwadniania    

8  –  drugi  etap  odwadniania  9  –  dno  wykopu  

Instalacja  igłofiltru    

Igłogfiltry  instaluje  się  w  gruncie  poprzez  

wpłukiwanie  

1.  W  tym  celu  do  rury  wpłukującej    

(obsadowej)  kierowany  jest    

strumień  wody  pod  ciśnieniem  

2.  Po  wprowadzeniu  rury  osłonowej  do  gruntu,  wąż  

wpłukujący  zostaje  odłączony  a  do  rury  

wprowadzany  jest  igłofiltr  

3.  Po  wprowadzeniu  igłofiltru  rura  wpłukująca  

wyciągana  jest  z  gruntu  

4.  Zainstalowany  igłofiltr  podłączany  jest  do  

kolektora  ssącego  

22.11.11

12

Głowica  igłofiltru  –  wersja  ze  zintegrowaną  rurą  

osłonową  

siatka filtracyjna

szkielet nośny

rura centralna

Proces  instalowania  igłofiltru  w  gruncie  

(

www.klaudia.wizja.net

)  

22.11.11

13

Instalacje  igłofiltrowe  

•  Typowy  zestaw  zawiera  50  lub  100  szt.  igłofiltrów  

•  Dostępne  są  instalacje  igłofiltrowe  o  średnicach  od  

32  do  100  mm  (najczęściej  stosuje  się  32  i  63  mm)  

•  Średnice  rur  obsadowych  (osłonowych)  to  51  i  133  

mm  

•  Rura  wpłukująca  o  średnicy  51  mm  służy  do  

instalowania  igłofiltrów  w  gruntach  nie  

wymagających  obsypki  filtracyjnej,  

•  Rura  wpłukująca  o  średnicy  133  mm  służy  do  

instalowania  igłofiltrów  w  przypadkach  

konieczności  stosowania  obsypki  filtracyjnej    

Obsypka  filtracyjna  –  instalacja  igłofiltrowa  

•  Obsypkę  filtracyjną  igłofiltru  wykonuje  się:  

–  w  gruntach  przewarstwionych  (posiadających  

warstwy  nieprzepuszczalne)  na  taką  wysokość,  aby  

obsypka  połączyła  wszystkie  warstwy  

odwadnianego  gruntu,  najczęściej  jednak  na  całej  

wysokości  wpłukania  igłofiltru.  

–  w  gruntach  jednorodnych,  pylastych  na  wysokość  

ok.  0.5  m  nad  górną  krawędź  filtru  

–  uziarnienie  ziaren  obsypki  filtracyjnej  powinna  być  

od  5  do  10-­‐ciu  razy  większa  od  średniego  

uziarnienia  gruntu  

22.11.11

14

Elementy  instalacji  igłofiltrowej  

Schemat  instalacji  igłofiltrowej  (IgE-­‐81/32)  

22.11.11

15

Zasady  obliczania  urządzeń  igłofiltrowych  

Straty  w  kolektorze  ssawnym  pomija  się  

ze  względu  na  małe  prędkości    
(v  <  1.0  m/s)  

(

)

2

2

3

0

0

3

2

,

/

ln

f

w

k

q

H

h

h M m s

R r

π

=

−

+

wg Szechy

Dopływ do pojedynczego igłofiltru:

wg Kovacsa

2

2

3

0

,

/

ln

w

f

H

h

s M

q

k

m s

s

R r

π

−

+

=

0

,

p

p

M

m

γ

−

=

M  -­‐  wysokość  podciśnienia,  m  

p  –  wielkość  podciśnienia  w  

igłofiltrze,  Pa  

p

0

 –  ciśnienie  atmosferyczne,  Pa  

g

 –  ciężar  właściwy  wody,  N/m

3

   

h

0

 –  w  przypadku  braku  danych  

przyjmować  3.0  m  

0

,

w

h

H

s m

=

−

3

,

/

Q n q m s

= ⋅

Elektrodrenaż  

1  –  katoda  (studnia)  
2  –  anoda  (pręt  metalowy)  
3  –  obsypka  
4  –  linie  pola  elektromagnetycznego  

Elektrodrenaż  wykorzystuje  zjawisko  

elektroosmozy  powstające  w  czasie  

przepływu  prądu  stałego  przez  

nawodniony  grunt  

Elektrodrenaż  stosuje  się  dla  gruntów  od  

k

f

 <  10

-­‐7

 m/s  oraz  uziarnieniu  mniejszym  

od  0.003  mm.  

22.11.11

16

Zasada  działania  elektrodrenażu  

•  Przy  laminarnym  przepływie  prądu  stałego  

przez  ośrodek  porowaty  ogólna  prędkość  

filtracji  wyniesie:  

   

         v

0

 =  v

f

 +  v

e

 =  k

f

I  +  k

e

E,  m/s  

v

e

 –  prędkość  filtracji  elektroosmotycznej,  m/s  

I  –  spadek  hydrauliczny  ciśnienia  
k

e

 –  współczynnik  filtracji  elektroosmotycznej,  

cm

2

/Vs  

E  –  spadek  potencjału  elektrycznego,  V/cm  

Elektrodrenaż  vs  drenaż  tradycyjny  

Piasek

Pyły

Glina

Iły

0%

50%

100%

Ele

ktrod

ren

aż

Ss

an

ie

Efe

kt

yw

no

ść

od

w

od

ni

en

ia

22.11.11

17

Współczynnik  aktywności  elektroosmotycznej  

gruntu  

•  h

e

 –  współczynnik  aktywności  

elektroosmotycznej  gruntu,  cm/V  

•  k

e

 –  jest  w  przybliżeniu  stały  dla  glin  (5·∙10

-­‐5

 

cm

2

/Vs)  

•  Elektrodrenaż  jest  efektywny  gdy  h

e

 zawiera  się  

w  granicach  od  3  do  10  cm/V  

•  Rozstaw  elektrod  to  h

e

 wyrażone  w  m  (3  do  10  

m)  

Przykład  zabezpieczenia  wykopu  (Trondheim,  

Norwegia)  

22.11.11

18

Electrokinetic geosynthetic (EKG)

hhp://www.electrokineic.co.uk  

Osiadanie  gruntów  pod  wpływem  odwodnienia  

•  Obniżenie  zwierciadła  wody  gruntowej  

powoduje  zagęszczenie  gruntu  i  tym  samym  do  

jego  osiadanie  w  wyniku  zmiany  rozkładu  sił  i  

wzrostu  panującego  naprężenia  w  gruncie.  

•  W  wyniku  znacznych  przemieszczeń  gruntu  

może  doprowadzić  do  uszkodzenia  obiektów  

np.  pękanie  fundamentów,  ścian  budynków,  

przewodów  infrastruktury  podziemnej.  

•  Dobrą  praktyką  jest  wykonywanie  odwodnienia  

przed  zabudową.  

22.11.11

19

Osiadanie  gruntu  

•  Nierównomierne  osiadanie  gruntu  ma  miejsce  w  

warunkach:  

–  dużego  zróżnicowania  w  przestrzeni  wielkości  depresji  

wywołanej  odwodnieniem  (największe  obniżenie  przy  

drenie)  

–  zróżnicowanego  rodzaju  gruntu  występującego  na  

odwadnianym  terenie  

•  Przebieg  procesu  osiadania  zależy  od  rodzaju  

(zwięzłości)  gruntu  -­‐  czyste  żwiry  i  piaski  

odwadniają  się  i  osiadają  znacznie  szybciej  niż  

grunty  zwarte  (np.  iły).  

Przyczyny  osiadania  gruntu  

•  Wzrost  ciężaru  szkieletu  gruntowego  

odwodnionego  pokładu  na  który  przestał  

działać  wypór  wody,  

•  Obciążenie  szkieletu  gruntowego  wodą  

kapilarną  i  błonkowatą  (szczególnie  istotne  w  

gruntach  drobnoziarnistych,  pylastych  i  

gliniastych),  

•  Sufozja  gruntu.  

22.11.11

20

Wielkość  osiadania  gruntu  –  wzrost  ciśnienia  w  

gruncie  

•  Wielkość  osiadania  gruntu  można  wyznaczyć  

przy  założeniu  że  jest  proporcjonalne  do  

wzrostu  ciśnienia  (naprężeń)  w  gruncie:  

2

1

0

,

/

N m

σ

σ

σ

Δ =

−

•  Zagęszczenie  gruntu  wyrażane  jest  jako  różnica  

pomiędzy  wskaźnikiem  porowatości  

początkowej  e

0

 i  końcowej  e

1  

1

0

ε ε

ε

Δ =

−

Współczynnik  ściśliwości  gruntu  

•  Współczynnik  ściśliwości  gruntu  

2

0

1

1

0

,

/

s

a

m

N

ε

ε

ε

σ

σ

σ

−

Δ

= −

=

−

Δ

•  Współczynnik  ściśliwości  gruntów:  

•  b.  ściśliwe                      a

s

 >  0.05·∙10

-­‐6

 m

2

/N  

•  ściśliwe                              0.05  >  a

s

 >  0.01·∙10

-­‐6

 m

2

/N  

•  słabo  ściśliwe          a

s

 <  0.1·∙10

-­‐6

 m

2

/N  

http://www.tajnikigeotechniki.pl/

22.11.11

21

Krzywa  osiadania  próbki  gruntu  (badania  

edometryczne)  

D

!

D

!

0

D!

1

!, N/m

2

s

a

ε

σ

Δ

=

Δ

Edometryczny  współczynnik  ściśliwości  gruntu  M

g  

•  Edometryczny  współczynnik  ściśliwości  gruntu

 

2

0

0

,

/

/

g

h

M

N m

h h

h

σ

σ

Δ

Δ

=

=

Δ

Δ

(

)

0

2

0

1

1

,

/

g

s

M

N m

a

σ

ε

ε

ε

Δ

+

+

=

=

Δ

obniżenie wysokości
próbki pod obciążeniem

wysokość próbki przed
przyłożeniem obciążenia

22.11.11

22

Obliczenia  wielkości  osiadania  Dh  

h

k

h

k

D

h

t

poziom terenu

s

1

= t

1

s

2

= t

2

Obliczenia  wielkości  osiadania  Dh  

•  Wskutek  obniżenia  zwierciadła  wody  o  wartość  

t  następuje  przyrost  ciśnienia  Dp  

spowodowany:  

–  brakiem  wyporu  wody  wolnej  

–  wodą  higroskopijną  i  błonkowatą  pozostałą  w  

odwadnianej  warstwy  

–  wodą  kapilarną  

(

)

1

w

t

n

γ

−

(

)

1

m

t w

n

δ

−

k w

h

n

γ

ciężar obj. gruntu suchego

wodochłonność

porowatość

22.11.11

23

Obliczenia  wielkości  osiadania  Dh  

•  Przyrost  ciśnienia  wyniesie  maksymalnie:  

•  Wielkość  osiadania  Dh  

h  –  wysokość  warstwy  podlegająca  zagęszczeniu,  

przyjmuje  się  8  ÷  12  m  

(

)

(

)

2

1

,

/

w

m

k

k w

p

n t

w

t h

h

n

N m

γ

δ

γ

Δ =

−

+

−

+

⎡

⎤

⎣

⎦

,

1

s

a

h

p h

cm

ε

Δ = Δ

+

(

)

1

,

s

h

p ha

n cm

Δ = Δ

−

Dopuszczalne  wartości  wielkości  osiadania  

gruntu    

•  Maksymalne  dopuszczalne  wielkości  

równomiernego  osiadania  gruntu:  

–  budynki  mieszkalne:  Dh

dop

 ≈  5  ÷  8  cm  

–  budynki  szkieletowe:  Dh

dop

 ≈  5  ÷  10  cm  

–  budowle  sztywne  z  masywnymi  fundamentami  

Dh

dop

 ≈  12  ÷  20  cm  

–  silosy  na  ciągłych  płytach  żelbetowych:  Dh

dop

 ≈  20  ÷  

30  cm  

22.11.11

24

Dopuszczalne  wartości  wielkości  osiadania  

gruntu    

•  Najbardziej  niebezpieczne  dla  budowli  jest  

nierówne  osiadanie.  Powoduje  ono  przechyły  

budowli,  uszkodzenie  bądź  zawalenie.  

•  Dopuszczalną  wielkość  nierównomiernego  

osiadania  określa  stosunek  różnicy  wielkości  

osiadania  Dh  do  odległości  punktów  dla  których  

określono  obniżenie  

dop

h

h

L

L

δ

δ

Δ

Δ

⎛

⎞

< ⎜

⎟

⎝

⎠

Wartości  dopuszczalne  osiadania  

•  Wartość  dopuszczalną  osiadania  nierównomiernego  

obliczamy  ze  wzoru:  

a  =  0.01  ÷  0.02  -­‐  masywnych  budowli  o  dużej  sztywności  i  

posadowionych  na  masywnych  fundamentach    

a  =  0.04  ÷  0.06  –  konstrukcje  stalowe  
a  =  0.06  ÷  0.08  –  konstrukcje  murowe  lub  żelbetowe  

L

min

 –  najmniejszy  wymiar  fundamentów  w  planie,  m  

H

B

 –  wysokość  budowli,  m  

(

)

(

)

min

/

/

B

dop

h L

a L

H

δ

Δ

=