Odwadnianie terenów W5

22.11.11

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

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

(

)

k s H

m s

R R

−

22.11.11

Obliczenia drenażu płytowego – drenaż płytowy

zawieszony

0.5

k s

m s

R R

⎡

⎤

⎢

⎥

⎢

⎥

⎢

⎥

⎢

⎥

⎣

⎦

2arcsin

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

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

Zasady stosowania igłoﬁltrów

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

małej odsączalności i przepuszczalności (k

od 10

-‐7

do 10

-‐5

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

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

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

•  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

Zasady obliczania urządzeń igłoﬁltrowych

Straty w kolektorze ssawnym pomija się

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

(

)

h M m s

R r

−

wg Szechy

Dopływ do pojedynczego igłofiltru:

wg Kovacsa

s M

m s

R r

−

M -‐ wysokość podciśnienia, m

p – wielkość podciśnienia w

igłoﬁltrze, Pa

– ciśnienie atmosferyczne, Pa

– ciężar właściwy wody, N/m

– w przypadku braku danych

przyjmować 3.0 m

s m

−

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

< 10

-‐7

m/s oraz uziarnieniu mniejszym

od 0.003 mm.

22.11.11

Zasada działania elektrodrenażu

•  Przy laminarnym przepływie prądu stałego

przez ośrodek porowaty ogólna prędkość

ﬁltracji wyniesie:

= v

+ v

= k

I + k

E, m/s

– prędkość ﬁltracji elektroosmotycznej, m/s

I – spadek hydrauliczny ciśnienia
k

– współczynnik ﬁltracji elektroosmotycznej,

/Vs

E – spadek potencjału elektrycznego, V/cm

Elektrodrenaż vs drenaż tradycyjny

Piasek

Pyły

Glina

Iły

50%

100%

Ele

ktrod

ren

aż

Efe

ść

22.11.11

Współczynnik aktywności elektroosmotycznej

gruntu

•  h

– współczynnik aktywności

elektroosmotycznej gruntu, cm/V

•  k

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

-‐5

/Vs)

•  Elektrodrenaż jest efektywny gdy h

zawiera się

w granicach od 3 do 10 cm/V

•  Rozstaw elektrod to h

wyrażone w m (3 do 10

Przykład zabezpieczenia wykopu (Trondheim,

Norwegia)

22.11.11

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

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

Wielkość osiadania gruntu – wzrost ciśnienia w

gruncie

•  Wielkość osiadania gruntu można wyznaczyć

przy założeniu że jest proporcjonalne do

wzrostu ciśnienia (naprężeń) w gruncie:

N m

Δ =

−

•  Zagęszczenie gruntu wyrażane jest jako różnica

pomiędzy wskaźnikiem porowatości

początkowej e

i końcowej e

ε ε

Δ =

−

Współczynnik ściśliwości gruntu

•  Współczynnik ściśliwości gruntu

−

= −

−

•  Współczynnik ściśliwości gruntów:

•  b. ściśliwe a

> 0.05·∙10

-‐6

•  ściśliwe 0.05 > a

> 0.01·∙10

-‐6

•  słabo ściśliwe a

< 0.1·∙10

-‐6

http://www.tajnikigeotechniki.pl/

22.11.11

Krzywa osiadania próbki gruntu (badania

edometryczne)

!, N/m

Edometryczny współczynnik ściśliwości gruntu M

•  Edometryczny współczynnik ściśliwości gruntu

N m

h h

(

)

N m

obniżenie wysokości
próbki pod obciążeniem

wysokość próbki przed
przyłożeniem obciążenia

22.11.11

Obliczenia wielkości osiadania Dh

poziom terenu

= t

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

(

)

−

(

)

t w

−

k w

ciężar obj. gruntu suchego

wodochłonność

porowatość

22.11.11

Obliczenia wielkości osiadania Dh

•  Przyrost ciśnienia wyniesie maksymalnie:

•  Wielkość osiadania Dh

h – wysokość warstwy podlegająca zagęszczeniu,

przyjmuje się 8 ÷ 12 m

(

)

(

)

k w

n t

t h

N m

Δ =

−

⎡

⎤

⎣

⎦

p h

Δ = Δ

(

)

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

dop

≈ 12 ÷ 20 cm

–  silosy na ciągłych płytach żelbetowych: Dh

dop

≈ 20 ÷

30 cm

22.11.11

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

⎛

⎞

< ⎜

⎟

⎝

⎠

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

min

– najmniejszy wymiar fundamentów w planie, m

– wysokość budowli, m

(

)

(

)

min

dop

h L

a L