Wykopy fundamentowe – odwadnianie.

Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska Szczecin
Wykopy fundamentowe – odwadnianie.
Celem odwodnienia wykopów jest zapewnienie najkorzystniejszych warunków wykonywania
robót fundamentowych w gruntach nawodnionych. Dla odwodnienia wykopów stosuje się
drenaże odkryte lub zakryte.
Drenaż odkryty stosuje się gdy dno wykopu nie zalega głębiej niż 3 – 5 m poniżej
zwierciadła wody gruntowej. Głębokość rowów w dnie 0,3 – 0,5 m.
Wielkość dopływu wody
Q = q · Hd · F d
q – dopływ wody gruntowej w m3/h na 1m2 powierzchni dna (dla Pd =>q= 0,16, Pr => q = 0,3)
Jeżeli L > 10 B – dopływ liczymy ze wzorów na wydatek drenów.
Jeżeli L < 10 B – obliczenia według wielkiej studni z r0 – wielkość umowna.
Drenaż zakryty – polega na zainstalowaniu obok wykopu takiej liczby studni wierconych,
igłofiltrów lub studni drenażowych, aby przy pompowaniu wytworzyć obniżenie zwierciadła
wody.
Igłofiltry wpłukuje się do głębokości 7 – 8 m w rozstawie wielokrotności 0,75 m i nie
przekracza 3 m z obniżeniem zwierciadła wody ok. – 5 m.
Jeżeli potrzeba większej głębokości stosujemy dwa lub więcej rzędów igłofiltrów
Projektując wykop fundamentowy należy pamiętać o konieczności odwodnienia
powierzchniowego odprowadzającego również wody opadowe.
Orientacyjne dane, jakie systemy odwadniania wgłębnego możemy stosować zależnie od
budowy podłoża, przedstawione są na rys. 1.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Rys.1. Rodzaje stosowanych systemów odwodnieni zależnie od gruntów zalegających w podłożu [2].
Rys.2. Wykres do ustalania orientacyjnego zakresu stosowania niektórych instalacji odwadniających
w gruntach jednorodnych [3].
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Wykres ten dotyczy odwodnienia powierzchniowego gruntów jednorodnych i wykopów
średniej wielkości.
W celu korzystania z wykresu należy:
•
•
•
ustalić na osi odciętych punkt odpowiadaja.cy wartości wykładnika „a” dla gruntu
zalegającego poniżej zwierciadła wody gruntowej,
wystawić prostopadłą, do przecięcia z linią oznaczającą granicę stosowania
odwodnienia powierzchniowego,
odczytać na osi rzędnych wartość dopuszczalnego zagłębienia wykopu Hwd poniżej
zwierciadła wody gruntowej.
W gruntach o budowie warstwowej należy ustalić najmniejszą dopuszczalną wielkość
zagłębienia wykopu, odpowiadającą współczynnikowi filtracji poszczególnych warstw, z
uwzględnieniem warstwy zalegającej poniżej projektowanego dna wykopu. Projektowane
zagłębienie wykopu Hwp należy liczyć od piezometrycznego poziomu zwierciadła wody
gruntowej. Jeżeli Hwp jest większe od Hwd, to trzeba obniżyć poziom zwierciadła wody za
pomocą odwodnienia wgłębnego.
Do dokładniejszego ustalenia tych zakresów przy odwadnianiu podłoży jednowarstwowych
(gdy kmax : kmin ≤ 20) służy rysunek 1. Wykres jest podzielony pionowymi skośnymi liniami
przerywanymi na sektory, odpowiadające optymalnym zakresom dla poszczególnych
instalacji. Podział na trzy poziome piętra wysokości So = 4 m wynika z warunku średniej
depresji, jaką można uzyskać za pomocą zestawów igłofiltrowych i igłostudziennych, ze
względu na ograniczoną wydajność pompowania powietrza i głębokość zasysania pomp
stosowanych do pompowania wody z tych instalacji.
Dodatkowym ograniczeniem jest grubość warstwy wodonośnej h poniżej dna wykopu lub
poniżej projektowanej depresji w środku wykopu. Wynika ono z ekonomicznej wysokości
filtrów. Dla studzien depresyjnych powinna być spełniona nierówność h ≥ 4,0 m, dla
igłostudzien h ≥ 2,0 m, dla igłofiltrów z pompami samozasysąjacymi h ≥ 0,2m,a dla
iglofiltrow z pompami próżniowymi h ≥ 0,0 m. Jeżeli rodzaj gruntu wskazuje na celowość
zaprojektowania studzien depresyjnych, to przy 4,0 < h ≤ 2,0 m należy zastosować
igłostudnie, przy 2,0 < h ≤ 0,2 m igłofiltry z pompami samozasysającymi, a przy h > 0,2
igłofiltry z pompami próżniowymi. Ta sama zasada dotyczy igłostudzien. Przy h > 0,2,
oprócz odwodnienia wgłębnego, należy przewidzieć również odwodnienie powierzchniowe.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Tab.1. Podstawowe parametry pionowych instalacji depresyjnych [3]
Sposób korzystania z rysunku 2 wyjaśniają następujące przykłady:
Przykład 1
Dane: So = 5,5 m, h = 3,0 m, k = 1,6·10-1 = l0-0,8 m/dobę.
Na wykresie znajdujemy punkt o współrzędnych a = -0,8 i so = 5,5
Punkt znajduje się w II piętrze sektora zestawów igłofiltrowych zwykłych. Można więc
zastosować zestawy igłofiltrowe wyposażone w pompy samozasysające. Konieczność
zaprojektowania instalacji dwupiętrowej trzeba sprawdzić za pomocą rachunku
ekonomicznego. W przypadku użycia pomp, których dopuszczalna głębokość zasysania wody
wynosi H s = 9,5 m, rachunek powinien wykazać możliwość zaprojektowania instalacji
jednopiętrowej do odwadniania wykopów.
Przykład 2
Dane: k10 = 10a = 10-0,8 m/dobę, h.= 0,0 m i So = 8,8 m.
Współrzędne a = - 0,8 i So = 8,8 wskazują na możliwość
igłofiltrów zwykłych z pompami samozasysającymi lub
głębinowymi. Ze względu na to, ze h=0,0, w pierwszym piętrze
igłofiltrami z pompami próżniowymi lub dodatkowo
powierzchniowe.
zastosowania trzech pięter
igłostudzien z pompami
trzeba te instalacje zastąpić
przewidzieć odwodnienie
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Przykład 3
Dane: k10 == 101 m/dobę, h = 2,9 m, So = 10,0 m.
Współrzędna a = 1,0 i So = 10,0 m wskazują na możliwość zastosowania studzien
depresyjnych z pompami głębinowymi. Jeżeli współczynniki filtracji poszczególnych partii
pojedynczej warstwy wodonośnej różnią się więcej, niż wynika to z warunku kmax : kmin < 20,
to wówczas warstwę tę traktujemy jako układ wielowarstwowy.
1.
Sposoby odwodnienia wykopów fundamentowych.
Rozróżnia się odwodnienie bezpośrednie, zwane również powierzchniowym, w którym
wody gruntowe i powierzchniowe ujmowane są rowami, drenażami poziomymi i studniami
zbiorczymi lub bezpośrednio z samego wykopu, odwodnienia wgłębne, gdy wody ujmowane
są za pomocą studni wierconych i wpłukiwanych, igłofiltrów lub igłostudni oraz odwodnienie
mieszane, gdy w tym samym wykopie ze względu na warunki gruntowe lub organizację robót
stosuje się odwodnienia powierzchniowe oraz wgłębne.
W zależności od położenia dna wykopu lub dna studni w stosunku do stropu warstwy
nieprzepuszczalnej, rozróżnia się:
• wykop lub studnię zupełną (dogłębną) - dno wykopu lub filtra studni odwadniającej
sięga warstwy nieprzepuszczalnej,
• wykop lub studnię niezupełną (zawieszoną) - gdy głębokość zalegania warstwy
wodonośnej jest większa od głębokości wykopu lub studni.
Wody gruntowe w warstwach wodonośnych mogą w zależności od zasilania i układu warstw
wodoszczelnych mieć zwierciadło swobodne lub napięte (zwierciadło wody pod ciśnieniem) .
W dużych dołach fundamentowych wykonanych w uwarstwionych gruntach o
zróżnicowanych współczynnikach filtracji, zaleca się ustalenie współczynnika filtracji k na
podstawie próbnego pompowania. W przypadku małych budowli, w nieskomplikowanych
warunkach geologicznych, współczynniki filtracji można przyjmować jak do obliczeń
orientacyjnych.
Jeżeli podłoże wodonośne składa się z kilku warstw o różnych współczynnikach filtracji, dla
których stosunek
!"#$
!"%&
< 10, należy do obliczeń przyjąć średni ważony współczynnik
filtracji z obliczonych na podstawie danych jednego lub kilku otworów badawczych.
Średni współczynnik dla jednego otworu ustala się wg wzoru:
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
gdzie:
k1…kn – współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach,
h1…hn – grubość poszczególnych warstw.
Rys.3. Schematy odwodnień: a)- zwierciadło wody pod ciśnieniem, filtr zatopiony, b) – zwierciadło wody
swobodne, filtr zatopiony, c) – zwierciadło wody pod ciśnieniem, filtr niezatopiony, d) – zwierciadło wody
swobodne, filtr niezatopiony [4]
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Średni współczynnik filtracji dla kilku otworów badawczych określa wzór :
gdzie:
I, II, III – kolejne otwory.
Tab.2. Wzory na obliczanie wydatku studni depresyjnych przy swobodnym
zwierciadle wody gruntowej [1]
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Tab.3. Wzory na obliczanie wydatku innych studni depresyjnych
L
p
.
Rodzaj
studni
1
.
studnia
artezyjska
Schemat
Wzory
𝑍 − ℎ- =
𝑄=
2
.
studnia
częściowo
artezyjska
studnia
artezyjska
zawężona
4
.
studnia
chłonna
2𝜋𝑘𝑎
(𝐻 − ℎ- )
𝑅
𝑙𝑛
𝑟
𝑍 = = 𝑎= =
𝑄=
3
.
5
.
𝑄
𝑥
𝑙𝑛
𝜋𝑘
𝑟>
𝜋 ∙ 𝑘(2𝑎𝐻 − 𝑎 = − ℎ-=
𝑅
𝑙𝑛
𝑟
𝐾∙𝑡∙𝑠
∙
𝑅
𝑙𝑔
𝑟
5
𝜋𝑡
[1 +
𝑡 ∙ 𝑟 ∙ 𝑠 ∙ 𝑐𝑜𝑠
]
𝑇
2𝑎
𝑄 = 1,36
ℎ= − 𝑧 = =
𝑄=
zespołowe
działanie
studni
𝑄
𝑥
𝑙𝑛
2𝜋𝑘𝑎 𝑟
𝑄=
𝑄
𝑥
𝑙𝑛
𝜋∙𝑘
𝑟
𝜋 ∙ 𝑘(ℎ-= − 𝐻 = )
𝑅
𝑙𝑛
𝑟
𝜋 ∙ 𝑘 ∙ (𝐻 = − 𝑍O= )
1
𝑙𝑛𝑅 − ln(𝑥> ∙ 𝑥= ∙ … ∙ 𝑥S )
𝑛
n – ilość studni
R = 575 · S · 𝑘 ∙ 𝐻
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Tab.4. Podstawowe rodzaje wykopów.
Lp.
Rodzaj wykopu
Rodzaj
Schemat
Wzory na wydatek
Uwagi
1.
nurtowy
(rzeczny)
otoczony
wodami
otwartymi co
najmniej z trzech
stron w
odległości
mniejszej od
zasięgu depresji
(ro < R)
2.
brzegowy
gdy jedna
krawędź wykopu
jest pod
wyraźnym
wpływem
zbiornika wody
otwartej
(lo < R )
3.
lądowy
nie będący pod
wpływem wód
otwartych
(lo < R )
k – współczynnik filtracji [m/d],
so – obniżenie zwierciadła wody gruntowej w środku wykopu [m]
Jeżeli długość wykopu fundamentowego jest większa niż dziesięciokrotna jego szerokość,
dopływ można liczyć ze wzorów na wydatek drenów. Jeżeli warunek ten nie jest spełniony, to
obliczanie można wykonać metodą przybliżoną, przyjmując, że skarpy wykopu są pionowe i
zlokalizowane w linii zwierciadła wody na skarpie, co prowadzi do niewielkiego na ogół
zawyżenia dopływu.
Dokonuje się to stosując wzory dla tzw. wielkiej studni, której promień ro jest wielkością
umowną, liczoną jednym z dwu poniżej podanych wzorów:
1. jeżeli kształt dołu fundamentowego jest nieregularny w rzucie poziomym:
𝑟- =
T
U
(L : B < 2 – 3)
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
2. jeżeli dół fundamentowy jest prostokątny:
𝑟- = 𝜂
WXY
(L : B > 3)
Z
gdzie:
ro – umowny promień wielkiej studni m,
F – powierzchnia dołu ( w poziomie zwierciadła wody) m2 ,
L – długość dołu m,
B – szerokość dołu m,
η – współczynnik zależny od stosunku B/L ( wg poniższej tabeli)
B/L
0,01
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
η
1,0
1,12
1,16
1,18
1,18
1,18
Po obliczeniu ro dopływ wody można obliczyć wzorami:
𝑄> ≅
1,36𝑘(𝐻= − ℎ= )
lg 𝑅 + 𝑟- − 𝑙𝑔𝑟-
𝑄= ≅
1,36𝑘𝑀𝑠
lg 𝑅 + 𝑟- − 𝑙𝑔𝑟-
lub:
gdzie:
Q1 – dopływ wód podziemnych przy swobodnym zwierciadle wody podziemnej, przy
obniżeniu go aż do dna wykopu m3· s-1,
Q2 – jw. lecz przy zwierciadle napiętym m3· s-1 bez względu na położenie warstwy
wodonośnej,
k – współczynnik wodoprzepuszczalności warstwy wodonośnej m· s-1,
H - miąższość warstwy wodonośnej przy swobodnym zwierciadle hydrostatycznym
m,
M – miąższość warstwy wodonośnej przy napiętym zwierciadle wody m,
R – promień leja depresji, m,
ro – promień wielkiej studni m,
s – obniżenie zwierciadła hydrostatycznego m,
h – odległość dna wykopu od spągu warstwy wodonośnej m.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Tab.5. Schematy i wzory do obliczania promieni depresji i promieni wielkiej studni.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Dopuszczalną prędkość wody do filtru lub obsypki drenarskiej określa się ze wzorów:
- Sichardta
VF = 40 𝑘T
- Kusakina
VF = 65 𝑘T
m/d
^
- Truelsena
m/d
VF = 300d10
m/d
w których:
kF – współczynnik filtracji warstwy przylegającej do filtru lub obsypki, m/d
d10 - średnica gruntu odpowiadająca 10 % na krzywej przesiewu, mm
Promień depresji można wyznaczyć według empirycznych wzorów :
- Sichardta
R = 3000 · S · 𝑘
- Kusakina
R = 575 · S · 𝑘 ∙ 𝐻
- Webera
𝑅=
^
!∙_∙`
S
w których :
R – promień (zasięg) depresji, m;
H – miąższość warstwy wodonośnej, m,
k – współczynnik wodoprzepuszczalności, m·s-1
S – depresja w studni, m
t – czas pompowania, s
n – porowatość warstwy wodonośnej (piaski grube n = 0,25,
piaski drobne n = 0,34).
Przy powstawaniu leja depresyjnego trzeba ograniczyć prędkość obniżania poziomu wód
(krzywej depresji) do 1,0 - 1,2 m/dobę przy gruntach żwirowych, do 0,3- 0,4 m/dobę przy
gruntach piaszczystych — gdy skarpy nie są zabezpieczone dodatkowymi urządzeniami
odwadniającymi (filtry, studnie) lub 0,6 m/dobę, gdy odwodnienie skarp jest przewidziane.
Kontrolę obniżania zwierciadła wód prowadzi się piezometrami zainstalowanymi w strefie
interesującej nas ze względu na zasięg krzywej depresji.
Niezbędne jest prowadzenie kontroli ilości odpompowywanej wody za pomocą skrzyń
pomiarowych lub wodomierzy instalowanych na przewodach.
Odwodnienie wykopu jest sprawą trudną i im większy jest wykop, tym trudniejsze jest
odwodnienie i określenie ilości odprowadzanych wód. Z tego też względu instalacje
odwadniające należy rozbudowywać etapowo, zależnie od uzyskiwanych efektów
odwadniania, zmniejszając lub zwiększając liczbę pierwotnie projektowanych urządzeń.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Jako zasadę należy przyjąć, że najpierw powinny być wykonywane obiekty wymagające
największego obniżenia zwierciadła wody. Zasada ta może przynieść oszczędności, gdyż w
zasięgu dużego leja depresyjnego mogą znaleźć się inne obiekty, dla których nie będzie
niezbędne instalowanie specjalnych urządzeń odwadniających. Z uwagi na wiele założeń
czynionych przy obliczaniu zasięgu leja, na ogół duże rozbieżności we współczynnikach
filtracji, zmienną budowę geologiczną nie ujętą dokumentacją, wpływ czynnika czasu —
mogą wystąpić odmienne zjawiska niż przyjęte w obliczeniach. Z wymienionych względów
wskazane jest, aby prowadzony był stały nadzór autorski projektanta odwodnienia wykopu
nad przebiegiem odwadniania, zaś korekty wprowadzane były na bieżąco na podstawie
doraźnych uzupełnień i zmian w projekcie, co może przyczynić się niekiedy do znacznego
obniżenia kosztów pompowania i odwodnienia.
Literatura :
1.
2.
3.
4.
Bolt A. [i in.]: Mechanika gruntów w zadaniach. PG, Gdańsk 1982.
Fanti K. [i in.] : Budowle piętrzące. Arkady, Warszawa 1972 r.
Jarominiak A. [I in.] : Podpory mostów. Wybrane zagadnienia. WKŁ, Warszawa 1981
Pałys F., Smoręda Z.: Poradnik technika melioranta. PWRiL, Warszawa 1986 r.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl