Wrochna Michał Gr. 112 BUD. Wydział: WBiIŚ	24.01.2011

Odwadnianie wykopow (igłofiltry, igłostudnie, studnie, studnie chłonne, wzory,

ciśnienie spływowe, stateczność wykopu pod działaniem wody)

ODWODNIENIE WYKOPÓW FUNDAMENTOWYCH

Do projektowania fundamentu z głębokim wykopem wymagane jest zabezpieczenie go za pomocą odwodnienia. Odwadnianie jest jednym z najskuteczniejszych i najekonomiczniejszych sposobów ochrony wykopów oraz obiektów budowlanych przed szkodliwym działaniem wód powierzchniowych i wód zawartych w gruncie.

Ze względu na sposób wykonania odwodnienia można podzielić na: powierzchniowe, wgłębne i mieszane. Dobór odpowiedniego rodzaju odwodnień zależy od wielkości wykopów, warunków hydrogeologicznych oraz występujących na odwadnianym terenie obiektów budowlanych.

Podtopienie budynku występuje wtedy, gdy woda gruntowa znajduje się poniżej poziomu terenu, lecz powyżej poziomu posadowienia (rzędna fundamentu). Drugą przyczyną podtopienia budynku jest zabagnienie terenu. Zabagnienie terenu występuje wtedy, gdy zwierciadło wody gruntowej znajduje się powyżej powierzchni terenu i uniemożliwia wykorzystanie działki do celów budowlanych.

Odwodnienie terenu ma szerokie zastosowanie, ponieważ jest skuteczne do osuszania terenów oraz likwidacji podtopień lokalnych. W zależności od okresu czasu, jaki woda zalega na danym terenie, podtopienie może być stałe to znaczy, kiedy obiekt budowlany znajduje się permanentnie poniżej wody gruntowej oraz podtopienie czasowe to znaczy, kiedy obiekt budowlany znajduje się okresowo poniżej poziomu wody gruntowej, zmienne zwierciadło wody gruntowej (występowanie wody w piwnicy podczas wiosennych roztopów).
Ruch wody w gruncie – woda w gruncie występuje w postaci: wody błonkowej, przywartej na powierzchni cząstek gruntowych, - wody kapilarnej, utrzymywanej siłami napięcia powierzchniowego w porach gruntu ponad zwierciadłem wody wolnej.
Woda gruntowa występuje w podziemnych nieckach i łożyskach wypełnionych żwirami i piaskami, a więc w bardziej przepuszczalnych gruntach niż poniżej występujące utwory (skały, iły, gliny, itp). Wody gruntowe są zasilane przesiąkającą do gleby wodą deszczową, oraz z kondensacji pary wodnej, znajdującej się w porach gruntów. Częstokroć pojawiają się odwrotne sytuacje. Woda gruntowa występuje na powierzchni terenu w postaci źródeł lub zasila otwarte zbiorniki przez ich dno.
W związku z powyższym nasuwa się myśl o przyczynach podtopień. Podtopienia mogą być naturalne oraz sztuczne.
Podtopienia naturalne najczęściej pojawiają się podczas pogorszenia się następujących warunków: warunki budowy hydrogeologicznej, warunki klimatyczne, warunki topograficzne terenu, warunki sieci hydrograficznej, warunki sozologiczne.

Sztuczne podtopienia głównie spowodowane są poprzez działalność człowieka (projektanci) między innymi z niewiedzy podczas projektowania danego obiektu lub z niewystarczającej znajomości obiektu. Sztuczne podtopienia najczęściej powstają na gruntach słabo przepuszczalnych (piaski gliniaste, gliny, pyły, itp.). W gruntach przepuszczalnych spotykane są tam, gdzie występuje spiętrzenie wody (tamy, stopnie wodne). Budowle tego typu zwiększają infiltracje i wprowadzają wodę tam, gdzie nie ma ona możliwości naturalnego spływu. Zasadnicza różnica polega na tym, iż w przypadku obiektów hydrotechnicznych przeprowadzane są badania i można dość precyzyjnie określić zasięg oddziaływań obiektu. Ogólnie rzecz biorąc podtopienia powstają na skutek zaburzonego odpływu, np. w przypadkach takich jak:
• w miejscach składowania urobku ziemnego, odpadów, na drodze spływu powierzchniowego lub na terenach źródliskowych,
• przez źle zlikwidowane otwory wiertnicze (badawcze) w przypadku występowania wód naporowych,
• dla obiektów zlokalizowanych na drodze spływu powierzchniowego z niewłaściwie zaprojektowanymi lub wykonanymi rowami, przepustami, również źle usytuowanymi budynkami (prostopadle do spadków),
• przez zasypanie starorzeczy,
• przez awarie sieci kanalizacyjnej, wodociągowej, ciepłowniczej itp.

Jednym z najskuteczniejszych sposobów zapobiegania lub ograniczenia podtopienia jest zastosowanie odwodnienia czasowego lub odwodnienia trwałego danego obiektu.

METODY ODWADNIANIA WYKOPÓW

Instalacje Igłofiltrowe:

Instalacje igłofiltrowe znajdują szerokie zastosowanie i uznanie w wykonawstwie odwodnień wykopów budowlanych. Wynika to z potrzeb dyktowanych warunkami hydrogeologicznymi terenu oraz wartości użytkowych tego typu ujęć odwodnieniowych.

Instalacje igłofiltrowe przystosowane są do odwadniania gruntów drobnoziarnistych, trudno oddających wodę. Charakteryzują się gęsto rozstawionymi ujęciami o niewielkim przekroju, łączonymi równolegle za pośrednictwem kolektora z agregatem pompowym

Igłofiltry to ujęcia podciśnieniowe. Praca w reżimie podciśnienia stawia przed instalacją igłofiltrową warunek maksymalnej szczelności, a przed agregatami pompowymi wymagania zdolności wytwarzania dużego podciśnienia i odbioru znacznych ilości powietrza dostającego się z gruntu przez filtry ujęć.

Instalacja IgE-81 jest przedmiotowym rozwiązaniem do prowadzenia odwadniania opracowanym przez polskich naukowców. Z uwagi na swoje walory techniczne i eksploatacyjne stanowi ona czołową pozycję wśród innych stosowanych rozwiązań w krajowym wykonawstwie.

Schemat działania igłofiltrów:

Igłofiltry wprowadzane są do gruntu najczęściej metodą wpłukiwania. Przy wpłukiwaniu z wykorzystaniem rur wpłukujących, do rury wpłukującej za pośrednictwem węża strażackiego podłączany jest strumień wody. Źródłem wody może być hydrant, beczkowóz, a bardzo często motopompa spalinowa lub pompa zatapialna. Ważne jest aby pompa dała odpowiednio wysokie ciśnienie (n.p. 3 bary). To jakie ciśnienie jest odpowiednie, zależy od rodzaju gruntu, obecności kamieni i trudności napotykanych przy wpłukiwaniu. W szczególnie trudnych przypadkach, do wpłukiwania stosowane są specjalne, wysokociśnieniowe agregaty pompowe. Ich rolę mogą pełnić choćby pompy stosowane do deszczowni.

W przypadku, gdy wpłukiwanie się nie sprawdza alternatywą jest użycie wiertnic. Jednak w polskich warunkach, w zdecydowanej większości przypadków udaje się igłofiltry wpłukiwać.

W Polsce najczęściej stosowane są igłofiltry elastyczne PE 32mm. Igłofiltr taki zwykle posiada długość 7mm oraz filtr-część roboczą 300 lub niekiedy 600mm. Jest to system zaprojektowany pod polskie warunki, stąd zwykle najlepiej się sprawdza. W porównaniu do systemów 2” stosunkowo proste jest także instalowanie takiego igłofiltra. Już 2-3 przeszkolone osoby, bez użycia ciężkiego sprzętu są w stanie przeprowadzić proces wpłukiwania i ułożenia instalacji. W przypadku systemów 2”, a szczególnie dość ciężkich igłofiltrów stalowych do instalowania z reguły wymagane jest wsparcie cięższego sprzętu (np. wykorzystanie koparki, która pozwoli utrzymać w pionie igłofiltr lub rurę wpłukującą w trakcie wpłukiwania).

Igłofiltry i budowa instalacji
Igłofiltry zakończone filtrem, umiejscawiane są w gruncie i stanowią punkty ujęć wodnych. Umożliwiają one pozyskiwanie i odprowadzanie wody z otaczającego go obszaru. W zależności od warunków terenowych i wymagań koniec igłofiltra znajduje się zwykle na głębokości 4-6 m. Nad poziomem gruntu igłofiltry łączone są z kolektorem (w przypadku instalacji IgE 81 umieszczanie w króćcach kolektora uszczelnione uszczelką typu O-ring). Ciąg kolektorów jest łączony ze sobą z wykorzystaniem dodatkowych elementów instalacji takich jak łuki, łączniki i rury przelotowej. Ciąg kolektorów podłączony zostaje do agregatu pompowego. Agregat posiada pompę lub pompy umożliwiające wytwarzanie podciśnienia w instalacji. Uzyskiwane podciśnienie, przy zachowaniu szczelności w instalacji umożliwia pobór wody z gruntu. Pobrana woda jest wydalana przez agregat i kierowana przez rurociąg lub wąż zrzutowy.
Przyjmuje się że jeden poziom igłofiltrów umożliwia obniżenie poziomu wody do 4 m. Z uwagi na kształt tworzonego leja depresyjnego, koniec igłofiltra powinien być umieszczony ok 1-2 m. poniżej oczekiwanej głębokości do której powinnien zostać obniżony poziom wody.
Obniżony poziom wody przyjmuje ułożenie pokazanego na schemacie leja depresyjnego.
Proces odwadniania z reguły jest kontynuowany aż do zakończenia prac w wykopie.

Główne zastosowania instalacji igłofiltrowych

Można wskazać następujące zastosowania instalacji igłofiltrowych:

• Okresowe odwodnienie – obniżenie poziomu wody dla prac konstrukcyjnych i inżynieryjnych wymagających wykopów sięgających poniżej naturalnego poziomu wód gruntowych

• Odwadnianie wykopów budowlanych

• Ogólne obniżenie poziomu wód gruntowych

• Odwadnianie geotechniczne: obniżenie poziomu wody celem zwiększenia konsolidacji i stabilności gruntu, redukcji obsunięć itp.

• Do innych, rzadziej napotykanych zastosowań można także zaliczyć:

• Odwodnienia stosowane w rolnictwie (rzadkie zastosowanie)

• Uzyskiwanie wody do celów pitnych, ogrodniczych i nawodnień (rzadkie zastosowanie)

OBNIŻANIE ZWIERCIADŁA WODY GRUNTOWEJ ZA POMOCĄ STUDNI DEPRESYJNYCH

Jest to jeden z najczęściej stosowanych zabiegów we wszystkich rodzajach budow­nictwa.

Obniżenie zwierciadła wody może być czasowe lub stałe. Czasowe stosuje się przy wykonywaniu głębokich wykopów fundamentowych, stałe — w celu zabezpiecze­nia przed wodą pomieszczeń podziemnych lub głębokich przekopów kolejowych i drogowych (w celu zapewnienia stateczności skarp lub zboczy). Czasowe obniżenie uzyskuje się najczęściej stosując studnie depresyjne lub wyżej opisane igło-filtry; do stałego obniżenia najczęściej stosuje się drenaż ze stałym odpływem gra­witacyjnym lub z przepompowywaniem wody.

Studnie depresyjne i igłofiltry zazwyczaj są zapuszczane pionowo, drenaż najczęściej układa się poziomo z małym spadkiem.

Wspólnym wymogiem w tych urządzeniach jest zapewnienie dobrego dopływu wody do filtrów i niedopuszczenie do wymywania drobnych cząstek z odwadnianego gruntu. Zapewnić to może założenie filtrów w najbardziej przepuszczalnych war­stwach, zastosowanie odpowiednio dobranej obsypki filtracyjnej, a w przypadku drenażu także szczelne ułożenie sączków i owiniecie ich styków papą bitumiczną. Projektowanie studni depresyjnych jest oparte na zastosowaniu odpowiednich wzo­rów, uwzględniających układ warstw wodonośnych i współczynniki filtracji gruntów. Ze względu na dużą zmienność właściwości filtracyjnych warstw wodonośnych, jak i nieregularność ich układu, zastosowanie wzorów obliczeniowych jest niewąt­pliwie dużym przybliżeniem i dlatego też wymaga stosowania odpowiednich współ­czynników pewności.

Dla zapewnienia prawidłowej pracy studni bardzo ważne jest dobranie właściwego wymiaru oczek siatki filtru. Zaleca się stosowanie siatki o szerokości oczek b_s według wzoru:

gdzie:

d₅₀- średnica ziarna, odpowiadającego 50% zawartości na krzywej uziarnienia odwadnianego piasku.

W przypadku zastosowania obsypki filtru piaskiem grubym lub żwirem należy sprawdzić, czy są spełnione następujące warunki.

5d₈₅ > D₁₅ > 5d₁₅

gdzie:

D₁₅ i D₅₀ — średnice ziaren, odpowiadających 15 i 50% zawartości na krzywej uziarnienia obsypki,

d₁₅ i d₅₀ — średnice ziaren odpowiadających 15 i 85% zawartości na krzywej uziarnienia odwadnianego piasku,

Podane warunki zapewniają dostateczny przepływ wody i ochronę przed wypłu­kiwaniem drobniejszych ziaren do studni.

Studnie depresyjne zaleca się stosować, gdy warstwa wodonośna ma dość duży współczynnik wodoprzepuszczalności: £₁₀ > l m/dobę (1,2 x 10^-5 m/s). W przypadku jednorodnego gruntu o wodoprzepuszczalności k < l m/dobę należy używać igłofiltrów, pracujących z podciśnieniem, co wywołuje ssanie wody z porów gruntu. Gdy k < 0,1 m/dobę, oprócz igłofiltrów powinno się zastosować elektro-osmozę, jeżeli grunt spoisty jest jednorodny i nie ma w nim przewarstwień bardziej przepuszczalnych gruntów.

Filtry studni depresyjnych należy zakładać w najbardziej przepuszczalnym przewarstwieniu, co zapewnia dużą wydajność studni i ułatwia szybkie ob­niżenie poziomu wody, w razie zignorowania tego warunku można w ogóle nie uzyskać wymaganej depresji. Wgłębne odwodnienie za pomocą studni depresyjnych jest niezbędne, gdy w dnie wykopu występuje grunt spoisty, a warstwa wodonośnego piasku z wodą naporową zalega dość płytko.

Bardzo istotną sprawą jest zastosowanie dostatecznie wydajnych pomp, zapewnia­jących odprowadzenie całej dopływającej wody do studni depresyjnych. Jeżeli wy­dajność pomp jest zbyt mała, poziom wody w studniach depresyjnych utrzymuje się niewiele niższy od normalnego poziomu wody gruntowej przed pompowaniem.

OBNIŻANIE ZWIERCIADŁA WODY GRUNTOWEJ ZA POMOCĄ DRENAŻU POZIOMEGO

Studnie depresyjne i igłofiltry zwykle stosuje się w celu czasowego obniżenia zwier­ciadła wody gruntowej, np. na okres robót fundamentowych. W razie potrzeby trwałego obniżenia wody wykonuje się drenaż z sączków cera­micznych albo betonowych, otoczonych dookoła filtrem odwrotnym (rys. a) lub ułożonych na podłożu nieprzepuszczalnym, np. z betonu (rys. b), i obsypa­nych tylko od góry. Obsypka filtracyjna może być jednowarstwowa lub dwuwarstwowa; w każdym przypadku powinna spełniać warunki określone wzorem:

5d₈₅ > D₁₅ > 5d₁₅

Stosowana pow­szechnie wadliwa obsypka tylko z tłucznia powoduje najczęściej szybkie rozmycie wyżej leżącego gruntu i zamulenie drenażu. Zaleca się owijanie styków rurek dre­narskich paskami papy smołowanej szerokości około 10 cm, zabezpiecza to je przed korzeniami rosnących w pobliżu drzew i krzewów oraz przed obsypywaniem się drobnych ziarenek piasku lub żwiru.

W przypadku dopływu wody po stropie warstwy nieprzepuszczalnej należy zapro­jektować od strony dopływu drenaż, zagłębiony w warstwę gliny. Za­daniem drenażu jest w tym przypadku odcięcie bocznego dopływu wody.

Jeżeli trzeba obniżyć zwierciadło wody na większych powierzchniach, to stosuje się kilka równoległych ciągów drenażowych o rozstawie zależnym od rodzaju gruntu. Ciągi drenażowe należy układać poniżej granicy przemarzania gruntu, aby zapewnić odpływ wody również w okresie zimy. Gdy teren jest płaski, często nie można zapewnić odprowadzenia wód z drenażu rowami. W takim razie należy rozważyć możliwość zastosowania studni chłonnych,

co jest możliwe, jeżeli poniżej górnych warstw mało przepuszczalnych znajduje się warstwa przepuszczalna o niskim poziomie wody gruntowej.

Studnie chłonne dobrze pracują tylko przy dopływie czystej wody; w okresie wy­konywania drenażu należy więc zanieczyszczoną wodę odpompowywać do rowów powierzchniowych. Drenaże można podłączyć do studni chłonnej dopiero po całko­witym zakończeniu robót, gdy woda dopływająca z drenażu jest całkowicie czysta. W przypadkach płytkiego zalegania piasków można stosować studnie chłonne z kręgów żelbetowych; należy jednak liczyć się z koniecznością renowacji dna studzien co kilka lat.

STUDNIE INFILTRACYJNE

Częstokroć zachodzi konieczność wpuszczenia wody, pompowanej ze studni de­presyjnych, do studni infiltracyjnych, w celu stworzenia bariery wodnej, zabez­pieczającej sąsiednie ujęcia wody głębinowej przed skutkami wytwarzanej lokalnej depresji w obrębie głębokiego wykopu. Takie właśnie rozwiązanie zaproponował autor przy budowie pierwszego suchego doku w Gdyni. W tym przypadku wskutek obniżenia poziomu wody wgłębnej artezyjskiej zachodziła możliwość jej zasolenia przez wodę morską. Projekt infiltra­cji wykonano i zrealizowano pod kierunkiem B. Smidowicza (1963). Zastosowano barierę z 18 studni infiltracyjnych zapuszczonych w warstwę wodo-nośną na głębokości 17÷43 m. Współczynnik filtracji k = 0,0012 m/s. Wydajność pojedynczych studni wynosiła 30÷40m³/h; przyjmowały one w ciągu kilkunastu miesięcy ok. 60% wody pompowanej ze studni depresyjnych. Najtrudniejszą sprawą było utrzymanie długotrwałej zdolności infiltracyjnej studni, co można uzyskać tylko przez odpowiednią konstrukcję studni i zapewnienie moż­liwości ich regeneracji.

Do infiltracji używano tylko wody pompowanej ze studni depresyjnych i to po długotrwałym ich wstępnym pompowaniu oczyszczającym. Woda była klarowna, miękka, o zawartości żelaza do 0,8 mg/1. W czasie próbnej infiltracji stwierdzono dość szybkie zmniejszanie się wydolności studni wskutek akumulacji wytrącającego się na filtrach osadu Fe(OH)₃, krzemionki i aktywnej rdzy (z przewodów ruro­wych). W związku z tym zastosowano następujące środki zaradcze:

— konstrukcję studni infiltracyjnych dostosowano do okresowego płukania oczy­szczającego,

— rurociągi zabezpieczono przed korozją przez wykonanie powłoki ochronnej, składającej się z podkładu reaktywnego jednoskładnikowego i lakieru anty-galwanicznego,

- zamontowano instalację odpowietrzającą na rurociągach w pompowni i rurocią­gach infiltracyjnych.

Poza tym przewidziano w razie potrzeby zastosowanie:

- filtrów wstępnych do oczyszczania wody przed wprowadzeniem do studni infiltracyjnych,

- dozatorów metafosforanu sodu (NaPO₃)₆ w celu przeciwdziałania wytrącaniu się Fe(OH)₃.

Filtry wykonano z rur perforowanych o średnicy 10 cali z nawiniętym drutem miedzianym o średnicy 2,5 mm w odstępie ok. l mm; obsypka 3 cale o odpowiednio dobranym uziarnieniu. Filtry po półtora roku pracy zostały wyciągnięte i skontrolowane; były zupełnie czyste bez inkrustacji. W czasie pracy studni utrzymywano stałą wysokość nadlewu 5÷6 m ponad normalny poziom wody gruntowej, ograniczając przerwy w eksploatacji do minimum; zmiany wysokości nadlewu przeprowadzano możliwie powoli. Wysokość nadlewu ponad 6 m powodowała zmniejszenie wydajności studni i mogła spowodować rozmycie gruntu ponad filtrem.

Regenerację studni przeprowadzano dwoma sposobami: przepłukiwaniem i oczy­szczaniem. Przepłukiwanie wykonywano codziennie przez otwarcie zasuwy o śred­nicy 150 mm (do sieci kanalizacyjnej) i powolne zwiększanie oraz zmniejszanie wysokości nadlewu. Wypływająca woda była początkowo mętna, brązowa, o zawar­tości żelaza ok. 2,5 mg/1. Oczyszczanie przeprowadzano co 2-7-3 tygodnie przez odłączenie studni od sieci infiltracyjnej i podłączenie do agregatu pompowego ssącego; studnia pracowała w ciągu kilku godzin jako depresyjna, aż do całkowitego oczyszczenia się wypływającej wody.

Jak wynika z długotrwałej dobrej wydajności infiltracyjnej, konstrukcja studni i filtru były właściwe, a sposób regeneracji bardzo skuteczny.

CIŚNIENIE SPŁYWOWE:

Podczas przepływu wody w gruncie występuje ciśnienie spływowe. Aby poka­zać że woda wywiera nacisk na grunt, rozważymy element ABCD gruntu (szerokoś­ci a), ograniczony dwiema liniami ekwipotencjalnymi i liniami prądu (patrz na rysunek). Linia jednakowego potencjału AB znajduje się o ∆h wyżej niż CD. Przepływ zachodzi od AB do CD. Ciśnienie wody na AB wy­nosi h₁, γ_w , na CD wynosi (h, -∆h+ b sinα)γ_w. Normalny nacisk na AB wynosi P i wzrasta on do P + ∆P na CD. Przyjmujemy odległość AC ja­ko b, szerokość elementu gruntowego a oraz zsumujemy ciśnienie w kierunku x, składające się z ciśnienia wywieranego przez wodę na AB i CD oraz składowej ciężaru elementu grunto­wego w kierunku x.

F_x= h₁γ_wab-(h - ∆h+ bsinα)γ_wab + γab² sinα –∆P= 0

gdzie: ∆P jest różnicą reakcji na CD i na AB. Wartość ∆P wynosi:

∆P= ∆hγ_wab + (γ-γ_w)ab² sinα

Można zauważyć, że drugi wyraz to po prostu składowa ciężaru zanurzonego ele­mentu. Wyraz pierwszy przedstawia wartość dodatkową ciśnienia, spowodowaną przez filtrację. Stosunek wartości dodatkowego ciśnienia do objętości elemen­tu gruntowego nazywamy ciśnieniem spływowym, które obliczamy ze wzoru:

w którym:

j - ciśnienie spływowe [kN·m^-3], i - gradient hydrauliczny, y- - ciężar właściwy wody w porach gruntu [kN·m^-3], a,b - wymiary elementu gruntowego.

Działanie ciśnienia spływowego należy brać pod uwagę, przy obliczaniu ciężaru objętościo-wego gruntu, w przypadku przepływu wody przez grunt. Stosuje się wzór:

γ_p= γ^’j

Ciśnienie spływowe skierowane do góry wpływa destrukcyjnie na grunt. Przy krytycznym spadku hydraulicznym, występuje upłynnienie niespoistych gruntów drobno­ziarnistych (piasków drobnoziarnistych i pylastych) i gruntów mało spoistych. Przy upłynnieniu opór na ścinanie gruntu równa się zeru, wobec niewystępowania naprę­żeń efektywnych, gdyż γ’= 0.

Oznacza to, że ziarna i cząstki gruntu nie wspierają się o siebie, lecz jakby pływają w wodzie. Grunt traci wówczas cechy ciała stałego i przechodzi w stan płynny. Zjawisko upłynnienia drobnoziarnistych i pylastych piasków nazywa się kurzawką.

Wykonywanie wykopów w gruntach podatnych na upłynnienie wymaga, aby spełniony był warunek, że w dnie wykopu:

i≤0,5i_kr

Jeżeli warunek ten nie jest spełniony, to może wystąpić zjawisko upłynnienia gruntu.

Wyparcie, przebicie hydrauliczne i sufozja. Zjawisko kurzawki (upłynnienia gruntu) jest jedną z postaci zmian, jakie w gruncie wywołuje filtracja. Najczęściej występujące zmiany w gruncie wywołane filtracją (oprócz kurzawki) to: wyparcie, przebicie hydraulicz­ne i sufozja. Zmiany te nigdy nie występują w czystej postaci, lecz są ze sobą połączone w większym lub mniejszym stopniu.

Wyparciem gruntu nazywa się zjawisko przesunięcia pewnej objętości gruntu, często wraz z obciążającymi ją elementami ubezpieczeń. Wyparta masa gruntowa powiększa swoją objętość, a więc i porowatość. Zjawisko wyparcia może występować nie tylko w kierunku pionowym do góry. a także poziomo w podłożu budowli piętrzących wodę. a niekiedy również w kierunku do dołu.

Przebiciem hydraulicznym jest zjawisko tworzenia się kanału (przewodu) w masie gruntowej, wypełnionego gruntem o naruszonej strukturze, łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach. Na powierzchni terenu przebicie hydrauliczne widoczne jest w postaci źródła. Zjawisko przebicia występuje przeważnie w gruntach mało spoistych przedzielonych gruntami przepuszczalnymi.

Sufozją nazywa się zjawisko polegające na unoszeniu przez filtrującą wodę drobnych cząstek gruntu. Cząstki mogą być przesunięte w inne miejsce lub wyniesione poza obręb gruntu. W wyniku tego zjawiska mogą powstawać kawerny lub kanały; wtedy zjawisko przybiera cechy przebicia hydraulicznego. Sufozja występuje wtedy, gdy przekroczony krytyczny spadek hydrauliczny i_kr lub prędkość krytyczna v_kr.

STATECZNOŚĆ WYKOPU POD DZIAŁANIEM WODY

W praktyce inżynierskiej budownictwa bardzo często zachodzi konieczność oceny state-czności zboczy (stoków) naturalnych, skarp wykopów (np. kanałów, wykopów fundame-ntowych) i skarp nasypów (np. zapór ziemnych, wałów przeciwpowodziowych. składowisk odpadów przemysłowych i komunalnych). Nachylenie ich może być różne w zależności od rodzaju gruntu i jego właściwości fizycznych i mechanicznych, wysokości zbocza i działania wód podziemnych i powierzchniowych.

Sprawdzenie stateczności zbocza (skarpy) polega na obliczeniu minimalnego wskaźnika pewności (bezpieczeństwa) stateczności F_min przy zastosowaniu odpowiedniej metody obliczeniowej, z uwzględnieniem geometrii układu warstw gruntu i przebiegu powierzchni poślizgu oraz odpowiednich parametrów gruntu. Wyznaczony wskaźnik F_min powinien być większy niż współczynnik dopuszczalny F_dop dla danej metody ob­liczeniowej. W razie stwierdzenia niedostatecznego wskaźnika pewności, zabezpieczenie powinno polegać albo na zmniejszeniu sil zsuwających, albo na zwiększeniu sil utrzymujących zbocze.

Do obliczeń stateczności zboczy przyjmuje się pewne założenia upraszczające, które bezpo-średnio wpływają na uzyskiwane wyniki. Często przyjmowanym uproszczeniem jest zało-żenie powierzchni poślizgu o określonym kształcie i przebiegu, co ułatwia obliczenia, może to być jednak przyczyną powstawania nawet poważnych błędów. Do obliczeń stateczności zboczy zbudowanych z gruntów niespoistych przyjmuje się płaszczyznę poślizgu przebie-gającą równolegle do powierzchni skarpy. Poślizg po płasz­czyźnie przyjmuje się również w odniesieniu do zsuwu konsekwentnego. W odniesieniu do gruntów spoistych przyjmuje się zazwyczaj kołowo-walcową powierzchnię poślizgu.

Wykopy budowane o nieznacznej głębokości, np. rowy sieci Insta­lacyjnych mają często ściany pionowe (bez obudowy). Wykonuje się. Je w gruntach spoistych, zwartych bez obawy naruszenia zasad ochrony pracy. Przy ścianach pionowych wykopów budowlanych obserwuje się, że na powierzchni terenu przy wykopie występują naprężenia, roz­ciągające, które mogą doprowadzić do powstania łaknięcia w gruncie.

W obszarze pęknięć grunt nie ma żadnej możliwości przeniesienia sił, nawet gdyby zdjąć warstwę wierzchnią do głębokości pęknięć. Typowe odkształcenia pionowe ściany nieobudo-wanego wykopu są, schematycznie przedstawione na rysunku (poniżej). Z rysunku wynika że - przy przekroczeniu naprężenia uwarunkowanego przyjęciem maksymalnych wartości parametrów podłoża - osuwisko schodzi po lekko zakrzywionej linii poślizgu kształtu kołowego, przechodzącej przez dolny punkt ściany. Jeżeli dolną warstwę, gruntu budują luźne skały plastyczne (mi.n. luźny piesek lub żwir), może nastąpić wyparcie grun­tu. Zaobserwowano, że w przeniesieniu siły bierze udział całkowita wysokość wykopu i wtedy otrzymuje się dla Z_a=0 możliwą swo­bodną wysokość h_f:

h_f= h_c

Początkowo przy powstawaniu pęknięć w gruncie spoistym ta swobodna wy­sokość ściany wykopu zmniejsza się o pewną głębokość z, czyli otrzymujemy:

h_f= h_c - z= h_c^’

Pęknięcia w gruncie spoistym mogą w etapie końcowym sięgać nawet aż do poło­wy wysokości wykopu. Jednak biorąc pod uwagę najliczniejsze przypadki z prak­tyki przyjmuje się:

Zabezpieczanie przed osuwaniem się gruntów:

Przy powstrzymywaniu osuwiska trzeba wykonać następujące prace:

1. Założyć repery, linie palików itp: obserwować teren zagrożony, ustalić kie­runek i wielkość przesunięć poszczególnych palików.

2. Wyznaczyć głębokość zsuwu i płaszczyzny zagrożonej zsuwem poprzez sondowa­nie.

3. Prawidłowo osuszyć teren stosując odpowiednio głębokie sączki, posadowione na gruncie stałym.

4. Zatrzymać mogące się ewentualnie zsunąć masy ziemi za pomocą podatnego "płotu" ze zbrojonych słupów-studni, zapuszczanych przez podkopywanie.

5. W przypadku wykonania robót ziemnych na autostradach stosuje się "grunt zbrojony". Do zbrojenia gruntu używa się metali i materiałów syntetycznych-plastyków, które powinna cechować wymagana wytrzymałość na rozcią­ganie i odporność na korozję.

Z praktycznego punktu widzenia chodzi o to, aby zapewnić przyczepność "zbrojenia" do gruntu oraz określić stany naprężeń, jakie pojawią się w gruncie i zbrojeniu. Ponadto wytworzyć otulinę, element który zapewni stałą odległość między wkładkami "zbrojenia" i który powstrzyma ewentualne wysuwa­nie się od czoła drobnych ziaren.

Wśród znanych sposobów zapobiegania osuwiskom można wymienić następują­ce:

1. W pierwszej kolejności uregulować odprowadzenie wód powierzchniowych i gruntowych, a następnie zastosować inne rozwiązania zabezpieczające, jak: studnie, oczepy, rygle itp.

2. Zabezpieczyć teren przed osuwiskiem poprzez staranne odwodnienie za pomocą systemu głębokich sączków. Wodę z sączków przeprowadza się do rowu głów­nego. Ponieważ sączki z reguły mają znaczne spadki, zaleca się dla ich złagodzenia w rowach wykonać szereg betonowych kaskad.

3. Wykonać potrzebne przepusty posadowione na studniach zbrojonych i wypeł­nionych betonem; w przypadkach koniecznych zakotwić je w podłożu..

4. Wykonać głębokie studnie z kręgów, zbrojone i wypełnione betonem, rozmiesz­czając je wzdłuż osuwiska.

Ustalenie w czasie ruchu osuwiska płaszczyzny zsuwu może być dokonane przez wywiercanie otworów lub wbicie rury zakończonej końcówką stożkową. Po wykonaniu otworu i pozostawieniu końcówki wsuwa się rurkę plastykową o śred­nicy 20 mm, tak długo, aby można ją było wsunąć poniżej przypuszczalnej po­wierzchni zsuwu. Po przesunięciu się osuwiska, tj. po l lub 2 dobach, opusz­cza się w tą rurkę pion na sznurku. Osiągnięta przez pion głębokość wyznacza, po dokonaniu pomiarów w kilku punktach, położenia linii zsuwu.

Do stabilizacji terenów osuwiskowych wyzyskuje się zjawisko elektroosmozy, omówione szerzej w rozdziale 1. Stosowane ono może być w gruntach spoistych. Zakres praktycznych zastosowań elektroosmozy jest następujący:

1. Osuszanie jęzorów osuwiskowych.

2. Osuszanie miejsc zakładania głębokich sączków na osuwiskach lub w terenie płaskim. Osuszony grunt zwiększa swą wytrzymałość w takim stopniu, że głę­bienie wykopu może odbywać się pod osłoną lekkich rozparć.

3. Osuszanie miejsc głębienia szybików wykonanych na terenie osuwiska w celu rozpoznania układu warstw gruntowych i ustalenia linii poślizgu.

4. Osuszanie podłoża gruntowego pod nasypy w celu przyspieszenia jego kon­solidacji.

5. Osuszanie gruntów w wykopach przewilgoconych, z których grunt ma być uży­ty do budowy nasypów drogowych, osuszanie terenu z przewilgoconymi grun­tami, na którym zaprojektowano głębokie wykopy.

6. Osuszanie nasypów, do których użyto przewilgoconych gruntów spoistych. W tym przypadku katody rurowe wprowadza się od strony skarpy z pochyle­niem zapewniającym samowypływ wody na zewnątrz.

Bibliografia:

1. Z. Wiłun., Zarys geotechniki, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1987.

2. S. Pisarczyk., Gruntoznawstwo Inżynierskie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.

3. Z. Grabowski, S. Pisarczyk., Fundamentowanie, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.

4. S. Glinicki., Geotechnika budowlana, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 1990.

5. S. Glinicki., Mechanika gruntów, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 1990.

6. PPHU KLAUDIA sp. z o.o., Odwadnianie.pl [on-line], dostępny 23 stycznia 2011r. dostępny w Internecie: http://www.odwadnianie.pl/

7. Geotekst Internetowy magazyn geologiczny., geotekst.pl [on-line], dostępny 23 stycznia 2011r. dostępny w Internecie: http://www.geotekst.pl/artykuly