Wody gruntowe i zjawiska towarzyszące.

Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska
Wody gruntowe i zjawiska towarzyszące.
Z trzech rodzajów wody występującej w gruncie ( woda związana, kapilarna, gruntowa),
to woda gruntowa ma najbardziej istotny wpływ na roboty fundamentowe obiektów
budowlanych jak również na posadowienia i stateczności nasypów i wykopów.
Bezpośrednie oddziaływanie wody gruntowej widoczne jest szczególnie przy wykonywaniu
wykopów. Ruch wody gruntowej zw. filtracją lub przesączaniem zależy od ośrodka
gruntowego – jego uziarnienia, struktury i porowatości.
Te zależności sprawiają wiele problemów, o których będzie mowa w dalszej części tych
materiałów, stąd jest niemożliwym zbadanie zjawiska filtracji i podanie reguł z dokładnością,
z jaką określa się np. ruch wody w przewodach.
W praktyce stosuje się znaną empiryczną zależność podaną przez Darcy:
v=k·i
v – prędkość filtracji [m/s]
k - współczynnik filtracji [m/s]
i - ∆h/l – spadek hydrauliczny (gradient) – strata naporu wody ∆h na odległości l
Rys. 1. Ruch wody gruntowej
W profilu gruntowym wyróżnia się strefę aeracji – leżącą ponad zwierciadłem wody
gruntowej, gdzie pory są częściowo wypełnione wodą oraz strefę saturacji o porach
wypełnionych całkowicie wodą. I ta ostatnia strefa będzie stanowić przedmiot dalszych
rozważań.
W przypadku swobodnego zwierciadła wody gruntowej jej ruch możliwy jest dzięki
pochyleniu zwierciadła. Woda gruntowa znajdująca się pod ciśnieniem między warstwami
nieprzepuszczalnymi po wykonaniu otworu podnosi się w nim. Jeżeli ciśnienie jest tak duże,
że wypływa nad powierzchnię terenu wtedy nazywana jest artezyjską, natomiast wodą
subartezyjską jest ta, której podniesione w otworze zwierciadło nie osiąga powierzchni terenu.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Ruch wody gruntowej odbywa się z małymi prędkościami, gdyż istnieją duże opory
hydrauliczne w krętych i wąskich kanalikach. Dominujący jest ruch laminarny, natomiast w
niektórych większych kanalikach bądź w rumoszach skalnych, a także w sąsiedztwie budowli
piętrzących wodę, może wystąpić ruch burzliwy. Najczęściej uważa się, że ruch laminarny
trwa dotąd, gdy liczba Reynoldsa Re =
!∙#
$
≤ 5, przy czym za symbol d bierze się tu
miarodajną średnicę ziaren z krzywej uziarnienia (d10).
Prędkość krytyczna, po której przekroczeniu występuje ruch burzliwy, jest trudna do
określenia. Dla piasków przyjmuje się, że powyżej v = 1· 10 -3 m/s rozpoczyna się ruch
burzliwy.
Tab. 1. Orientacyjne wielkości współczynnika wodoprzepuszczalności gruntów
naturalnych [ 1]
Działanie wody gruntowej.
Ze względu na to, że woda gruntowa jest jedną z głównych przyczyn powstawania
osuwisk w zboczach wymaga tym samym szczególnej uwagi, dokładnego rozpoznania i
uwzględnienia w analizach stateczności.
Wyznaczenie ustalonego przepływu wody w zboczach to zadanie dla hydrogeologów z
dużym doświadczeniem. Jak pokazuje dotychczasowa praktyka, ilość awarii i katastrof jest
wynikiem braku wiedzy w tym zakresie i ograniczania się tylko do własnych umiejętności i
doświadczenia. Woda gruntowa wpływa na układ sił i naprężeń w zboczu, powodując w
warunkach ustalonego przepływu dodatkowe obciążenie gruntu siłami hydrodynamicznymi
lub zmniejszając siły oporu ścinania (jako wynik wzrostu ciśnienia porowego) w strefie
potencjalnego poślizgu. Z drugiej strony woda gruntowa zwiększając w przypadku braku lub
nieprawidłowego odwodnienia lub zmniejszając w procesie konsolidacji wilgotność gruntu w
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
zboczu, oddziałuje w istotny sposób na wytrzymałość gruntu decydującą o stateczności
zbocza.
Można rozważać trzy zasadnicze przypadki działania wody gruntowej w zboczu, a
mianowicie:
1. zbocze podtopione wodą,
2. ustalony przepływ wody w zboczu,
3. ciśnienie wody w porach, wywołane szybkim wykonywaniem nasypu lub wykopu w
gruncie spoistym.
Przy częściowym lub całkowitym podtopieniu zbocza wodą następuje zmiana układu sił,
które działają na masyw potencjalnego osuwiska.
Rys.2. Siły działające na masyw osuwiska w zboczu podtopionym wodą.[2]
Dochodzi dodatkowo parcie wody U i gęstość objętościowa gruntu z uwzględnieniem
wyporu wody.
Zmieniające się układy sił naruszają normalny porządek i zmniejszają ogólną stateczność w
zależności oczywiście od tempa stabilizacji zwierciadła wody wewnątrz masywu gruntowego.
Tak więc moment sił względem dowolnego punktu obrotu O naruszających równowagę
zbocza będziemy liczyć według równania:
M0 = W1 · x1 + W’2 · x2
gdzie:
W’2 = W2 – U
Zjawisko ustalonego przepływu wody w gruncie występuje w wielu obiektach sztucznych,
którymi są zapory ziemne o różnym przeznaczeniu, jak i w zboczach naturalnych.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Ruch wody w gruncie powoduje powstanie sił hydrodynamicznych, działających zgodnie z
kierunkiem przepływu wody, o wartości określonej wzorem:
J = V · i · Ɣw
gdzie:
V – objętość gruntu przez który przepływa woda,
i – spadek hydrauliczny,
Ɣw - ciężar objętościowy wody
Siły hydrodynamiczne są siłami wewnętrznymi, dążącymi do przesunięcia szkieletu
gruntowego.
W celu poprawnego określenia sił hydrodynamicznych konieczne jest wyznaczenie
hydrodynamicznej siatki filtracji. Siatka hydrodynamiczna umożliwia określenie sił
hydrodynamicznych w analizowanym zboczu.
Rys.3.
Hydrodynamiczna siatka filtracji w zboczu.[3]
W zależności od zastosowanej metody sprawdzania stateczności zbocza oblicza się
wypadkową sił hydrodynamicznych, działających na masyw osuwiska, lub też siły działające
na poszczególne elementy tego masywu (np. w metodzie pasków).
Analizując stateczność zbocza metodą stanu granicznego uwzględnia się dodatkowe siły
masowe, wywołane przepływem wody w gruncie.
Występowanie wody w zboczach, zarówno w przypadku podtopienia wodą jak i w przypadku
przepływu wody przez grunt, jest związane z istnieniem ciśnienia wody i powietrza,
wypełniającego pory gruntu, które jest nazywane ciśnieniem porowym. Ciśnienie to zależy od
poziomu zwierciadła wody gruntowej, którą w tym przypadku można potraktować jako
obciążenie wewnętrzne.
Analizując różne przypadki działania wody gruntowej, można zauważyć że rozkład ciśnienia
porowego w zboczu nie ma praktycznie wpływu na siły naruszające równowagę zbocza. Siła
masowa będzie zależeć tylko od gęstości objętościowej gruntu o różnym stopniu nasycenia
wodą, tworzącego masyw potencjalnego osuwiska, oraz od położenia swobodnego
zwierciadła wody gruntowej lub od sił hydrodynamicznych. Ciśnienie porowe będzie miało
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
natomiast zasadniczy wpływ na siły oporu ścinania działające wzdłuż założonej powierzchni
poślizgu i gwarantujące zachowanie stateczności zbocza. Stąd wniosek, że w celu
prawidłowej oceny stateczności zbocza konieczne jest określenie rozkładu wartości ciśnienia
porowego, przynajmniej w strefie potencjalnego poślizgu.
W zboczu podtopionym wodą ciśnienie porowe u będzie wprost proporcjonalne do wysokości
słupa wody hw , działającego na analizowany punkt lub odcinek powierzchni poślizgu.
Rys.4. Wyznaczanie ciśnienia porowego w zboczu nawodnionym a- zbocze podtopione, b- ustalony przepływ
wody
Ciśnienie porowe w warunkach ustalonego przepływu wody można dość dokładnie określić
na podstawie siatki hydrodynamicznej wyznaczonej jedną z metod analitycznych lub
doświadczalnych. W praktyce inżynierskiej postępowanie takie stosuje się jednak rzadko,
natomiast najczęściej wysokość słupa wody hw określa się tak, jak gdyby linie
ekwipotencjalne były pionowe.
W związku z powyższym należy podkreślić rangę parametrów c i Ø dla gruntów budujących
zbocze, skarpę lub stok naturalny. Te parametry wytrzymałościowe charakterystyczne dla
gruntów zależą przecież od wielu czynników.
Jednym z najważniejszych czynników jest stopień wilgotności gruntu Sr , od którego w
głównej mierze zależy rozkład obciążenia na naprężenia efektywne σ’, przenoszone przez
szkielet gruntowy, oraz ciśnienie porowe u, przenoszone przez wodę i powietrze w porach.
Sformułowana przez Terzaghiego zasada naprężeń efektywnych wymaga uwzględnienia tego
zjawiska w analizie stanu granicznego.
Wynika stąd konieczność wyróżnienia parametrów cu i Φu, określających wytrzymałość
gruntu w naprężeniach całkowitych, oraz parametrów c’ i Φ’, odpowiadających
wytrzymałości gruntu w naprężeniach efektywnych.
Stąd też bierze się postulat w większości opracowań dotyczących obliczeń stateczności
potencjalnych osuwisk o bardzo dokładne i głębokie rozpoznanie podłoża i wyznaczanie
właściwości fizyko-mechanicznych nawiercanych gruntów.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Zjawiska filtracji, przesiąków i sufozji – skuteczne systemy zabezpieczeń
i odwodnień.
Przepływająca przez grunt woda wywiera na szkielet gruntowy ciśnienie. Ciśnienie to w
odniesieniu do jednostki objętości gruntu to nic innego jak ciśnienie spływowe:
j = i ɣw
Wielkość ta nie zależy od prędkości filtracji, a tylko od spadku hydraulicznego.
Niedocenianie ciśnienia spływowego lub nieumiejętność jego określania dla stanów
ekstremalnych, szczególnie przy odwodnieniach wykopów może powodować wiele awarii i
katastrof.
Rys.5. Wpływ szybkości opróżniania zbiornika na stateczność zbocza wg Gourca i Morgensterna [ 2]
Zgodnie z Rys.5 szybkie obniżenie zwierciadła wody wywołuje bardziej krytyczny stan w
zboczu naturalnym lub skarpie wykopu, niż stan istniejący przy jego całkowitym zanurzeniu
w wodzie. Działa tu dodatkowa siła ciśnienia spływowego.
Szybkie obniżenie zwierciadła wody wywołuje zawsze poślizg bryły odłamu.
Tak też ruch wody w gruncie może spowodować duże zmiany w jego strukturze, a w
następstwie doprowadzić do zmian właściwości fizyko-mechanicznych.
Zjawiska filtracyjne w gruncie.
Jak już wcześniej zauważono, woda w swoim obiegu jest najbardziej agresywnym
czynnikiem wywołującym i potęgującym erozyjność gruntu. Erozja jest więc procesem
naturalnym, a nasze działania powinny iść w kierunku jej ograniczenia lub wyeliminowania.
Filtracja wody powodować może odkształcenia miejscowe obejmujące na ogół niewielkie
masy gruntu (przemieszczenia ziaren lub bryłek) oraz zmiany jego stanu i wewnętrznej
budowy, głównie składu granulometrycznego.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Miejscowe odkształcenia spowodowane filtracją w gruncie można podzielić umownie na
sufozję i wyparcie oraz na przebicia hydrauliczne będące rezultatem sufozji lub wyparcia.
Sufozją nazywane jest zjawisko przemieszczania się pod wpływem ruchu wody
drobnych cząstek gruntu w porach jego szkieletu. Cząstki mogą być przesunięte do innego
miejsca w gruncie lub mogą być wyniesione poza jego obszar. W rezultacie sufozji
powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość wody. Z kolei woda o
większej prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój
procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera
wtedy cechy przebicia hydraulicznego.
Sufozja występuje w gruntach sypkich, przede wszystkim różnoziarnistych. W gruntach
spoistych sufozja nie występuje, co tłumaczy się małą wielkością porów, przez które nie
mogą przecisnąć się oderwane od szkieletu agregaty (bryłki) cząstek ilastych.
Wyparcie gruntu jest to zjawisko polegające na przesunięciu wszystkich cząstek
pewnej objętości gruntu podłoża w kierunku ruchu wody. Wskutek wyparcia grunt ulega
rozluźnieniu, a jego właściwości - pogorszeniu. Wyparcie występuje na ogół w sposób nagły.
Przebicie hydrauliczne – są to odkształcenia gruntu polegające na utworzeniu się
ciągłego przewodu (kanału) w podłożu, wypełnionego wodą lub gruntem o naruszonej
strukturze ( w końcowej fazie zjawiska – zawiesiną) i łączącego miejsca o wyższym i
niższym ciśnieniu wody w porach, np. kawerny. Zewnętrznym objawem przebicia są kratery
(źródła) z „gotującą” się zawiesiną gruntową.
W gruntach sypkich przebicie występuje na ogół w wyniku sufozji, jest to jej końcowy,
najgroźniejszy rezultat. W gruntach spoistych przebicie hydrauliczne może mieć przebieg
nieco bardziej złożony. W najprostszym przypadku będzie to wyparcie gruntu na niewielkiej
przestrzeni i wytworzenie kanału. W innych przypadkach na pewnych uprzywilejowanych
kierunkach, wskutek występowania np. znacznego gradientu hydraulicznego, odrywają się
bryłki gruntu w miejscu wypływu wody, w następstwie czego tworzy się zagłębienie. W
dalszej fazie obserwuje się postępujące w kierunku przeciwnym do ruchu wody rozluźnienie
gruntu, mające reologiczny charakter płynięcia objętościowego. W ten sposób tworzy się
przewód, w którym grunt jest w stanie miękkoplastycznym lub płynnym.
Stąd też, wykopy wykonywane w różnych gruntach, wymagają różnego podejścia na etapie
projektowym i wykonawczym.
Literatura:
1. Klugiewicz J.: Hydromechanika i hydrologia inżynierska. Projprzem-EKO,
Bydgoszcz 1999
2. Dembicki E.: Zagadnienia geotechniczne budowli morskich. Wyd. Morskie, Gdańsk
1987
3. Wieczysty A.: Hydrogeologia inżynierska. PWN, Warszawa 1982 r.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl