Stateczność dna wykopu fundamentowego

Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska Szczecin
Stateczność dna wykopu fundamentowego
W pobliżu projektowanej budowli mogą występować warstwy gruntu z wodą pod
ciśnieniem, oddzielone od dna wykopu fundamentowego warstwą nieprzepuszczalną. Gdy
piezometryczny poziom zwierciadła wody w warstwie wodonośnej przekracza znacznie
poziom dna wykopu fundamentowego, może nastąpić wyparcie gruntu podłoża. W tych
przypadkach konieczne jest wykonanie studni odciążających, które zmniejszyłyby ciśnienie
do wartości dopuszczalnej, zapewniającej stateczność dna.
Sprawdzenie stateczności może być przeprowadzone wg wzorów:
a)
𝐹" = %&' ∙)&'
%* (,- ./0 )
lub uwzględniając opór gruntu na ścinanie
b)
𝐹" = 2%&' ∙)&' 345
2%* (,- ./0 )
gdzie:
Fw - współczynnik pewności
ω - powierzchnia pozioma zarysu obliczanego wykopu,
hgr - miąższość warstw gruntów dna wykopu znajdujących się pod ciśnieniem wody,
so - obniżenie ciśnienia piezometrycznego wody w środku dna wykopu,
H1 - wysokość ciśnienia wody wgłębnej w warunkach normalnych, mierzona od
spodu warstwy wodoszczelnej,
Ɣgr - średni ciężar objętościowy warstw gruntów dna wykopu znajdujących się pod
ciśnieniem wody (z uwzględnieniem ciężaru wody w porach) i bez
uwzględnienia wyporu,
Ɣw - ciężar objętościowy wody,
A - powierzchnia pionowa ścinania warstwy spoistej,
C - wytrzymałość gruntu na ścinanie.
Jeśli wartości Fw różnią się od podanych w tabl. 1, należy stosować urządzenia odciążające w
postaci studni z ujętym samowypływem lub studni z pompami.
Pamiętać należy, aby po zakończeniu prac studnie zostały dokładnie zakorkowane i nie
nastąpiło połączenie wód artezyjskich z wodami gruntowymi o wolnym zwierciadle.
Połączenie wód może bowiem powodować wzrost sił wyporu i zmniejszyć stateczność
obiektu.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
W miejscach spodziewanych przebić należy dawać warstwę dociążającą grubości ok. 0,30 m
z pospółki lub drobnego żwiru.
Tab.1. Minimalne wartości współczynników pewności Fw [1].
Przypadek
obliczeniowy
Normalny eksploatacyjny
Nadzwyczajny
Do wzoru a)
Do wzoru b)
przy uwzględnieniu
bez uwzględnienia
odporu gruntu na odporu gruntu na ścinanie
ścinanie
1,3
1,1
1,1
1,0
Tab. 2. Minimalne zagłębienie krzywej depresji poniżej dna wykopu [1].
Jeśli skarpy w strefie wykopu fundamentowego mają wkładki wodonośne, należy przewidzieć
zabezpieczenia filtrami odwrotnymi.
Filtry odwrotne są to warstwy gruntu o odpowiednio dobranym uziarnieniu zabezpieczające
przed szkodliwymi odkształceniami filtracyjnymi. Filtry odwrotne, zwane czasami warstwami
ochronnymi, stosowane są np. wokół rur lub pryzm drenażowych, w miejscach ewentualnego
wypływu wody na skarpę, między dwoma warstwami gruntów o znacznie różniącym się
uziarnieniu lub przy rdzeniach zapór. W tym ostatnim przypadku warstwy ochronne spełniają
dodatkowe zadania warstw przejściowych, o pośrednich mechanicznych właściwościach,
między spoistym rdzeniem a gruboziarnistym nasypem statycznym.
Zadaniem filtru odwrotnego jest nie dopuścić do przenikania części szkieletu gruntu chronionego
do drenażu lub nasypu statycznego i nie utrudniać odpływu wody. Uziarnienie filtru powinno
być tak dobrane, aby ziarna filtru nie przenikały do drenażu lub w przylegający narzut nawet
kamienny oraz aby filtr nie był kolmatowany drobnymi cząstkami wyniesionymi z gruntu
chronionego. Jeżeli więc z gruntu chronionego wynoszona będzie pewna dopuszczalna ilość
drobnych cząstek, powinny być one również wypłukane z filtru.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Rys.36. Zasada doboru gruntu na filtr odwrotny wg. Terzaghiego; pole zakreskowane
- przedział dopuszczalnych składów granulometrycznych filtru. [2]
Reasumując, dobór gruntu na warstwy ochronne polega na dostosowaniu uziarnienia filtrugruntu chroniącego do uziarnienia gruntu chronionego.
Kryteria przydatności gruntu na filtry odwrotne:
𝐷78
≥ 4
𝑑78
𝐷78
≤ 4
𝑑<8
gdzie:
D15 –
średnica w mm ziaren gruntu filtru, których zawartość wraz z mniejszymi
wynosi 15 %
d15, d85 – średnica w mm ziaren gruntu chronionego, których zawartość wraz z
mniejszymi wynosi odpowiednio 15 % i 85 %.
Ocenę przydatności gruntu na filtr odwrotny rozpocząć należy od sprawdzenia tzw.
sufozyjności gruntu filtru i gruntu chronionego. Praktycznie za niesufozyjny uważa się
taki grunt, w którym przesiąkająca woda może wypłukać nieznaczną ilość
najdrobniejszych frakcji, w nikłym tylko stopniu zmieniając jego strukturę i
wytrzymałość. Grunt filtru uznaje się za niesufozyjny, jeśli spełniona jest następująca
równość:
𝑫𝟑
>𝑵
𝑫𝟏𝟕
𝒏
𝟔
gdzie:
N = (0,32 + 0,016 U) 𝑼
𝟏.𝒏
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
𝑼=
𝑫𝟔𝟎
𝑫𝟏𝟎 - wskaźnik różnoziarnistości gruntów użytych do filtrów,
D3, D10, D17, D60 - średnice ziaren, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi
odpowiednio 3, 10, 17, 60 % mm
n – porowatość w częściach jedności.
Dobierając zatem grunt na filtr odwrotny ochraniający grunty spoiste należy sprawdzić:
- wskaźnik różnoziarnistości gruntu,
- niesufozyjność gruntu,
- warunek odporności gruntu spoistego na działanie filtracji,
- warunek kolmatowania filtru.
Różnoziarnistość gruntu na filtry odwrotne ochraniające grunty spoiste może być znacznie
większa niż dla ochrony gruntów sypkich. Dopuszcza się grunty o wskaźniku
różnoziarnistości 50, a w szczególnych przypadkach, gdy warstwy filtrowe mają grubość
kilku metrów, można wartość tę powiększyć do 100, pod warunkiem jednak, że przy
różnoziarnistości większej od 50 materiał filtru nie powinien zawierać ziaren o średnicy
większej od 80 mm, a zawartość frakcji piaskowej powinna wynosić co najmniej 20%.
Przykład praktyczny :
Do jakiej bezpiecznej głębokości można wykonać wykop fundamentowy w warstwie gliny,
jeżeli jej ciężar objętościowy w stanie całkowitego nasycenia wodą wynosi 22,5 kN/m3.
Od poziomu terenu do głębokości – 4,5 m poniżej trenu występuje warstwa gliny, poniżej
warstwa wodonośna z piasku średniego. Piezometryczny poziom wody gruntowej – 0,6 m
poniżej poziomu terenu.
Według normy PN-81/B-03020 składowa pionowa ciśnienia powinna spełniać warunek:
jdop ≤ 0,5 · (ρsat – ρw) · g
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
gdzie:
jdop - dopuszczalne ciśnienie spływowe [kN/m3],
g - przyspieszenie ziemskie [m/s2],
ρw - gęstość objętościowa wody [g/cm3],
ρsat - gęstość objętościowa przy całkowitym nasyceniu porów wodą [g/cm3].
Ciśnienie spływowe wyrażamy wzorem:
j = i · γw
gdzie:
γw - ciężar objętościowy wody [kN/m3]
Korzystając ze wzoru na spadek hydrauliczny:
𝐢=
∆𝐇
𝐥
obliczamy:
∆ H = H – 0,6;
l = 4,5 - H
𝑯 − 𝟎, 𝟔
∙ 𝝆𝒘 ∙ 𝒈 = 𝟎, 𝟓 𝝆𝒔𝒂𝒕 − 𝝆𝒘 ∙ 𝒈
𝟒, 𝟓 − 𝑯
𝑯 − 𝟎, 𝟔
= 𝟎, 𝟓 ∙ 𝟐, 𝟐𝟓 − 𝟏, 𝟎 𝟒, 𝟓 − 𝑯
Otrzymujemy bezpieczną głębokość wykopu :
𝑯 = 𝟐, 𝟏𝒎
Literatura :
1. Fanti K. [i in.] : Budowle piętrzące. Arkady, Warszawa 1972 r.
2. Wieczysty A.: Hydrogeologia inżynierska. PWN, Warszawa 1982 r.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl