zjawiska filtracji,przesiąków i sufozji · hydrodynamicznej siatki filtracji. siatka...

Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl

Zjawiska filtracji, przesiąków

i sufozji w budownictwie.

Skuteczne systemy zabezpieczeń

stateczności i odwodnienia.

( Materiały szkoleniowe )

Opracował: Piotr Jermołowicz

tel. 501 293 746

e-mail : [email protected]

Warszawa, 13 kwietnia 2015 r.


Wstęp

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.

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 = !"#

$%& ', 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 [ 17]

1.! Zasady wykonawstwa robót w trudnych warunkach gruntowo-wodnych.

Hydrotechnika i hydrogeotechnika to przede wszystkim całokształt zagadnień

dotyczących synergii obiektów budowlanych i środowiska wodnego w tym m.in. rzek, mórz i

wód gruntowych z wykorzystaniem efektów do celów gospodarczych.

Planując realizację obiektów budownictwa hydrotechnicznego należy pamiętać o jego

specyfice i zdawać sobie sprawę z uwarunkowań panujących w tej dziedzinie. Realizacja

budowli wodnych i nie tylko związana jest z wodą, jej złożonością i warunkami.

Każdorazowo organizacja robót uwzględniać powinna przepływy wód i ich oddziaływanie na

konstrukcje.

Problem przepustowości wody lub jej ujmowania w trakcie realizacji inwestycji jest

najbardziej charakterystyczną cechą placów budów obiektów budowlanych. Stąd też specyfika budownictwa wodnego i ziemnego wymaga w całym procesie inwestycyjnym

doskonałego przygotowania kadry projektantów i wykonawców z zakresu hydrologii,

geologii, geotechniki, mechaniki budowli, hydrauliki itd.


Prawidłowy proces prac studialnych i projektowych opiera się na analizach i badaniach

począwszy od dobrego rozpoznania warunków hydro-geotechnicznych.

Dobrze wykonany projekt, prawidłowa realizacja obiektu i właściwie prowadzona

eksploatacja zmniejszają na ogół prawdopodobieństwo wystąpienia katastrof i awarii.

Woda w swoim obiegu w przyrodzie jest najbardziej agresywnym czynnikiem wywołującym

erozję gruntu. Zakres zniszczeń spowodowanych przez erozję jest bardzo zróżnicowany i

zależy od wielu czynników:

•! energii kinetycznej wody,

•! podatności gruntu,

•! podatności konstrukcji,

•! błędów w trakcie rozpoznawania gruntów,

•! błędów projektowych i wykonawczych,

•! zastosowania materiałów.

Erozja jest więc procesem naturalnym, stanowiącym część cyklu geologicznego w całym

systemie hydrologicznym, a działania ludzkie związane z ochroną przed erozją mają jedynie

na celu osłabienie tego procesu.

W ramach tego szkolenia rozpatrzone zostaną problemy ochrony przed erozją, w których

mogą być użyte z powodzeniem geosyntetyki i wyroby pokrewne.

Ochrona przed powodzią aglomeracji położonych nad ciekami, ich bezpieczeństwo, ochrona

ekologicznych warunków rzeki i jej zlewni, a także planowa dbałość o ich stan jako dróg

transportowych to jeden z głównych problemów hydrotechniki.

W tym przypadku działanie erozyjne wody ma dwa aspekty:

•! wypłukiwanie i transport rumoszu w dół rzeki,

•! falowanie i rozmywanie.

Drugim problemem jest ochrona przed procesem erozji gruntu szczególnie powierzchni

nieosłoniętych. W tym przypadku erozja jest funkcją wielu zmiennych. Jednakże największe

znaczenie ma tu energia erozyjna deszczu i podatność gruntu na erozję od wód płynących i

spływu powierzchniowego.

Trzecim czynnikiem, niejednokrotnie niezauważanym, jest prawidłowo zaprojektowany

drenaż dla właściwego uregulowania stosunków gruntowo-wodnych i stabilizacji gruntu na

skarpach nasypów i wykopów.

Infrastruktura towarzysząca w budownictwie hydrotechnicznym to przede wszystkim obiekty

retencyjno-rozsączające, rowy drogowe, poldery itp.

W każdym z tych wymienionych zakresów z powodzeniem można stosować geosyntetyki

zastępując tradycyjne konstrukcje lub uzupełniając o dodatkowe właściwości, które w

tradycyjnym ujęciu byłyby nie do uzyskania.


2.! 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

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.[5]

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. 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.[26]

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

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.

3.! 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 [ 5]

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.


4.! 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.

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.


Kilka uwag praktycznych.

Grunty gliniaste

Zmieniają swoją wytrzymałość głównie wskutek procesów fizycznego i chemicznego

wietrzenia, co ujawnia się po wcięciu w podłoże i odsłonięciu go wzdłuż powierzchni skarpy.

Proces ten intensyfikuje się, gdy nie wykonano odpowiedniego odprowadzenia wód

podziemnych i powierzchniowych. Szczególnie intensywnie występuje wówczas ich

odprężenie. Wiązać je należy z odciążeniem glin np. wskutek obniżenia zwierciadła wody.

Ogólnie można stwierdzić, że odprężenie związane jest z filtracją wody, gdyż pod wpływem

sił hydrodynamicznych występuje zwiększenie porowatości glin. Ujawnia się ono szczególnie

w dolnej partii warstwy glin. Ponieważ proces odprężenia związany jest z filtracją wody,

najbardziej intensywnie zachodzi on w glinach piaszczystych i pylastych, najmniej

intensywnie w glinach bez zawartości frakcji piaszczystych i pylastych. Prędkość odprężenia

wzrasta przy tym ze wzrostem spadków hydraulicznych. Bardzo intensywne odprężenie

występuje przy spływie wód powierzchniowych po skarpie, gdy woda porowa znajduje się pod działaniem sił kapilarnych. Proces odprężenia intensyfikuje się, gdy składowe naprężenia

stycznego zbliżają się do wartości granicznych.

Na terenie Polski w przeszłości geologicznej mieliśmy 4 okresy zlodowaceń i odwilży.

Doprowadziło to do zdeformowania istniejącego układu warstw geologicznych i powstania

zaburzeń podłoża zwanych deformacjami glacitektonicznymi. Wiąże się to bezpośrednio z

genezą i skonsolidowaniem gruntów.

Gliny zalegające powyżej zwierciadła wody w przypadku gdy zachodzi ich zawilgocenie,

zawsze zmniejszają swoje właściwości wytrzymałościowe wskutek odprężenia, rozpuszczania

związków cementujących i utraty napięcia powierzchniowego .

Piaski / żwiry

Praktycznie nie zmieniają swych własności wytrzymałościowych na ścianie pod wpływem

nawodnienia lub odwodnienia. Natomiast ciśnienie hydrodynamiczne może powodować zmniejszenie sił tarcia wewnętrznego tych gruntów, co mylnie częstokroć bywa utożsamiane

z występowaniem kurzawek (tzw. płynny piasek). W istocie tylko niektóre piaski pylaste i

pyły piaszczyste mają sposobność do tworzenia kurzawek.

Obniżenie wytrzymałości piasków może wystąpić w wyniku sufozji

mechanicznej. Właściwość ta ujawnia się przy wskaźniku różnoziarnistości U > 15÷20,

a równocześnie spadek hydrauliczny wynosi około 0,5÷1,0 a nawet więcej. Takie przypadki

dla skarp są mało prawdopodobne z uwagi na małe gradienty hydrauliczne. Z tego powodu

procesy sufozyjne przy projektowaniu skarp nie muszą być brane pod uwagę. Ograniczone

wymywanie piasków z najdrobniejszymi frakcjami nie przekracza 1 ÷ 2% i nie jest

niebezpieczne dla stateczności skarpy.

Gliny

Podlegają intensywnemu odprężeniu jedynie w pobliżu powierzchni skarp, gdyż siła

odprężenia ujawniająca się w nich nie jest wielka. Odprężenie to powoduje jednakże utratę spójności i przejście w stan płynny, co w efekcie prowadzi do spływów warstwy o grubości

15÷20 cm już przy kącie nachylenia skarpy 18o÷20

o.


Gliny piaszczyste i piaski pylaste

Posiadają swoją specyfikę, gdyż wokół cząsteczek pyłów wykształca się otoczka dipolowo

zorientowanych molekuł silnie związanej wody, co prowadzi do procesów tiksotropowego

zwiększenia wytrzymałości.

Grunty zalegające poniżej zwierciadła wody podlegają działaniu sił ciśnienia

hydrostatycznego (wyporu hydrostatycznego). Jeżeli skarpa jest częściowo podtopiona to

ciśnienie hydrostatyczne prowadzi do zmniejszenia ciężaru pryzmy obciążającej spągową część skarpy i w rezultacie do obniżenia jej stateczności Wpływ sił ciśnienia

hydrostatycznego sprowadza się do zmniejszenia sił tarcia, dlatego też objawia się to głównie

w gruntach posiadających duży kąt tarcia wewnętrznego. Powoduje to, że dopuszczalny kąt nachylenia skarpy w przypadku podtopienia może się różnić o 6°÷8° od kąta przyjmowanego

dla gruntu suchego. Najniekorzystniejsze warunki następują, gdy podtopienie skarpy sięga

0,2÷0,3 jej wysokości. Należy także pamiętać, że w przypadku, gruntów o małej porowatości

nawet średnie opady mogą już powodować dość znaczne podniesienie się poziomu wody

gruntowej. Celowe jest wówczas odprowadzenie wód deszczowych. Ciśnienie hydrostatyczne

jest jednym z głównych powodów zsuwów.

W przypadku przecięcia warstwy wodonośnej i wypływu wody gruntowej ze skarpy możemy:

1.! zmienić kąt nachylenia skarpy na mniejszy, gdyż do siły zsuwającej S dochodzi

dodatkowo siła ciśnienia spływowego lub

2.! obciążyć podnóże skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego.

−! spadek hydrauliczny ( )*+

,) -(./

Rys. 6.


- do siły zsuwającej S’ dochodzi dodatkowo siła S’’

ciśnienie spływowe :

S’’ = V· Ɣw · sinβmax

S’ = V· Ɣ’w · sinβmax

przyjmując, że Ɣ’ = Ɣw = 10 kN/m3

S’ + S’’ = T

tgβmax = 0,5 tgØ

Bardziej złożony przypadek spływu skarpy piaszczystej występuje wówczas, gdy

nieprzepuszczalne podłoże jest podcięte. !

!

Rys. 7. Spływanie piaszczystej skarpy przy podciętym podłożu nieprzepuszczalnym.[ 26 ] !

!

Spływ piasku może także powodować deformacje warstwy gliny, przykrywającej piaski niżej

leżące. Wypłukanie piasku generuje kolejne etapy erozji poprzez stworzenie nawisu warstwy

gruntów spoistych, która z czasem ulega oberwaniu.

!

Rys.8. Spływanie warstw piasku i obsunięcie się warstwy gliniastej. [26 ]

5.! Drenaże skarp.

! !

!


Skarpy wykopów budowlanych trwałych, czyli o przewidywanym okresie użytkowania

dłuższym niż 1 rok dla dużych obiektów i z głębokimi fundamentami, powinny być poddane

szerokiej analizie wstępnej, dobremu rozpoznaniu podłoża w ich rejonie, prawidłowemu

zaprojektowaniu jak i niezbędnemu nadzorowi przy wykonawstwie. Ochrona skarp głębokich

wykopów i wysokich nasypów powinna zabezpieczać je przed niszczeniem, utratą stateczności oraz przed utratą narzuconego projektem profilu.

Rys.9. Rodzaje wewnętrznych konstrukcji odwadniających w korpusie wałów i nasypów.

a)! korpus zbudowany z gruntu jednorodnego (bez odwodnienia), b) korpus z gruntu

jednorodnego z dolną warstwą odwadniającą, c) konstrukcja pochyłej warstwy

filtracyjnej wewnątrz korpusu, d) konstrukcja korpusu zbudowana z dwóch rodzajów

gruntu

Jedną z najbardziej efektywnych metod ochrony skarp jest ich drenaż, stosowany gdy w

obrębie skarpy znajduje się poziom wypływu wody podziemnej trwały lub okresowy.

Rozróżnia się dwa rodzaje drenażu skarp:


- drenaże zlokalizowane u podnóża skarpy, oraz

- drenaże zlokalizowane na całej wysokości skarp.

Drenaż składa się z dwóch elementów, tj. pryzmy obciążającej (rys.10) oraz systemów

odprowadzenia wody (rys.11). Pryzmę obciążającą daje się na wysokości odcinka wysączania

się wody ze skarpy. Pryzmę daje się w przypadku skarp piaszczystych, w których może

wystąpić spływanie wierzchniej warstwy. Jeżeli chroniona skarpa wykonana jest ze żwiru i

otoczaków, projektowanie pryzmy obciążającej jest zbyteczne.

Rys. 10. Obciążenie podnóża skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. [26 ]

Rys.11. Przykłady drenażu stopy skarpy. [26 ]


Materiał stosowany na pryzmy obciążające nie wymaga wysokiej jakości, powinien jednak

spełniać kryterium:

012

342%5 14% 6 72

oraz U ≥ 5

D10 – średnica miarodajna ziaren obsypki

d50 – średnia średnica ziaren gruntów budujących skarpę U – wskaźnik różnoziarnistości

Innym typem drenażu jest drenaż obejmujący całą wysokość skarpy. Jest to szczególnie

ważne, gdy występuje konieczność ochrony antyerozyjnej skarpy związanej ze spływem

powierzchniowym wód deszczowych oraz z dużymi wahaniami zwierciadła wody gruntowej

oraz opadami atmosferycznymi.

Przy opadach nawalnych wysokość słupa wody przybiera wartość 3 – 5 mm/min,

a zdolność gruntów do wsiąkania wody to 0,07 – 0,2 mm/min (iły – piaski).

W tych warunkach spływ powierzchniowy wystąpi już w pierwszych minutach opadu.

Z reguły są to zjawiska erozyjne o dużych zakresach.

Rys. 12. Drenaż na całej wysokości skarpy. [26 ]

Rys.13. Przykład drenażu (ostrogi) – widok od czoła [26 ]


Rys.14. Dreny zabijane. [26 ]

Rys.15. Ochrona skarpy przed wodami podwodnymi za pomocą studni pionowych. [26 ]

Tylko w przypadkach, gdy istnieje niebezpieczeństwo intensywnej sufozji materiału

ziarnistego ze skarpy, pryzmę obciążającą projektuje się jako filtr odwrotny.

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.

Tab.2. Orientacyjne wskaźniki sufozyjności gruntów

Wskaźnik różnoziarnistości

8 )9:;

9<;

Rodzaj gruntu

<10

10 ÷ 20

>20

niesufozyjny

przejściowy

sufozyjny


Tab.3. Granice sufozyjności gruntów w funkcji wskaźnika różnoziarnistości Uf

przy stosowaniu uproszczonej metody projektowania filtrów odwrotnych

Wskaźnik różnoziarnistości

Uf

Rodzaj gruntu

≤ 25

≥ 15

niesufozyjny

sufozyjny

W tym ostatnim przypadku warstwy ochronne spełniają dodatkowe zadania warstw

przejściowych, o pośrednich właściwościach mechanicznych, pomiędzy spoistym rdzeniem a

gruboziarnistym nasypem.

Zadaniem filtru odwrotnego jest nie dopuszczenie 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. !

!

Rys.16. Zasada doboru gruntu na filtr odwrotny wg. Terzaghiego; pole zakreskowane

- przedział dopuszczalnych składów granulometrycznych filtru. [4]

!


Reasumując, dobór gruntu na warstwy ochronne polega na dostosowaniu uziarnienia filtru-

gruntu chroniącego do uziarnienia gruntu chronionego.

Kryteria przydatności gruntu na filtry odwrotne:

=<>

9<>%? @

!

=<>

9A>%& @

!

gdzie: D15 – średnica zastępcza w mm ziaren gruntu filtru, których zawartość wraz z

mniejszymi wynosi 15 %

d15, d85 – średnica zastępcza w mm ziaren gruntu chronionego, których zawartość wraz z mniejszymi wynosi odpowiednio 15 % i 85 %.

Infiltrująca woda gruntowa może też powodować kolmatację, tzw. proces wymywania i

osadzania drobnych cząstek w porach gruntu.

Rys.17. Schemat filtru odwrotnego

Działanie filtrów odwrotnych polega na zmniejszeniu spadku hydraulicznego poprzez

zwiększenie współczynnika filtracji kolejnych warstw gruntu. Jeśli woda przepływa kolejno

przez np. trzy warstwy gruntu o coraz większym współczynniku filtracji, to przy założeniu

ciągłości przepływu można zapisać zależność:

v = k1 · i1 = k2 · i2 = k3 · i3

gdzie :

v - prędkość filtracji [m/s],

k1, k2, k3 – współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s],

i1, i2, i3 - spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach.


Z równania wynika, że jeśli k1 < k2 < k3 to i1 > i2 > i3 czyli jeśli na warstwie 1 gruntu

drobnego zagrożonego działaniem filtracji zostanie ułożona warstwa 2 gruntu grubszego, to

spadek hydrauliczny, a więc i ciśnienie spływowe w warstwie 2 będą mniejsze niż w

warstwie 1.

Aby uniknąć błędów wynikających z istnienia zeskoku hydraulicznego, tj. zjawiska bardzo

groźnego, gdy krzywa depresji traci ciągłość z dynamicznym zwierciadłem wody, np. w

studni, należy przeprowadzić dokładne badania terenowe. Polegają one na wykonaniu

próbnego pompowania in situ zgodnie ze schematem (rys. 18 ).

Rys.18. Schemat do próbnego pompowania [17]

Badanie takie, mimo, że jest drogie i czasochłonne to jest opłacalne, bowiem odzwierciedla

rzeczywiste warunki hydrologiczne, uśredniając wszelkie niejednorodności budowy podłoża

gruntowego. Wyznaczenie „rzeczywistego" współczynnika filtracji k, wymaga obserwacji na

węźle hydrologicznym złożonym ze studni i dwóch otworów obserwacyjnych (piezometrów).

Piezometry p1, p2 montowane są w odległości x1, x2 od studni, stąd wzór na współczynnik

wodoprzepuszczalności:

B )C

DEF77 G%F1

7H%IJ

K7

K1


6.! Odwodnienie podłoża drogowego.

W technicznie uzasadnionym wypadku konieczności odwodnienia podłoża nawierzchni,

należy zastosować warstwę odsączającą wykonaną z materiałów mrozoodpornych o

współczynniku filtracji k ≥ 8 m/dobę (≥ 0,0093 cm/s).

Warstwa odsączająca powinna być wykonana na całej szerokości korpusu drogowego, a jej

grubość nie powinna być mniejsza niż 15 cm.

W przypadku występowania pod warstwą odsączającą gruntów nie ulepszonych spoiwem,

powinien być spełniony warunek szczelności warstw określony z zależności:

"#$%&'#!(!)$*%(+'#!

!!!!!!!,-.! ! ! ! ! ! /*!%0$#'1(#2+!'#$*34)!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! ! ! ! !!!!!!!!!!!!!!!!!%(5(4637859!

!!!!!!!1:.!

!!!!!!!!!!!"#$%&'#!71593#;<5#!(!09#%)*!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! ! ,-.!

! ! ! ! ! 1:.!!=71>7?4!@$*3&7'4!

Rys. 19. Schemat warstwy odcinającej z piasku.

LMN%%

#ON%& ' (wg Wiłuna)

W której: D15 - wymiar sita, przez które przechodzi 15% ziaren warstwy odcinającej

lub odsączającej,

d85 – wymiar sita, przez które przechodzi 85% ziaren gruntu podłoża.

Jeżeli powyższy warunek szczelności warstw nie może być spełniony, to należy ułożyć między tymi warstwami warstwę odcinającą o grubości co najmniej 10 cm z odpowiednio

uziarnionego gruntu lub wykonać warstwę pośrednią z geowłókniny, spełniającej kryteria :

•! retencji,

•! kolmatacji,

•! wodoprzepuszczalności

W nawierzchniach dróg kategorii ruchu KR5 lub KR6 warstwa odsączająca powinna

występować pod warstwą wzmacniającą.


6.1. Uwagi końcowe.

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: 0P

01Q

R S

gdzie: N = (0,32 + 0,016 U) TU J

1VJ

T )0U2

012%% - 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 piaszczystej powinna wynosić co najmniej 20%.

7.! Zbiorniki retencyjne retencyjno-rozsaczające, infiltracyjne i ppoż przy

obiektach drogowych i kubaturowych.

Rozwój infrastruktury drogowej związany jest nierozerwalnie ze zwiększaniem

powierzchni zurbanizowanych silnie przekształconych.

Budowa i późniejsza eksploatacja dróg implikuje zmiany stosunków wodnych i oddziałuje na

środowisko. Zjawisko zwiększonych spływów powierzchniowych pojawia się szczególnie po

intensywnych deszczach na powierzchniach utwardzonych bez retencji. Uaktywnia się w ten

sposób spływ powierzchniowy i zwiększone przepływy w rowach drogowych i różnego

rodzaju ciekach wodnych. Zagospodarowanie tych wód i odpowiednia gospodarka nimi

powinna zabezpieczać nie tylko środowisko ale i same obiekty.


Wykorzystując naturalne warunki przestrzenne i hydrogeologiczne, każdy projektant

powinien optymalizować rozwiązania techniczne w zgodzie z przepisami prawa zachowując

za każdym razem zdrowy rozsądek.

Odprowadzanie wód ze zlewni drogowej odbywa się z wykorzystaniem:

•! rowów drogowych,

•! zbiorników infiltracyjnych,

•! zbiorników retencyjnych

•! stawów i

•! zbiorników odparowujących wykorzystujących ewapotranspirację roślin.

Podczas projektowania urządzeń technicznych ograniczających ilości zanieczyszczeń odprowadzanych do gruntu lub odbiorników otwartych, należy mieć na uwadze ich okresową konserwację i przestrzeganie ustalonych procedur. Każde z zastosowanych rozwiązań podczyszczających wody spływające z obiektów drogowych wymaga kontroli, czyszczenia,

wymiany, konserwacji oraz unieszkodliwiania usuwanych z nich odpadów.

Rozwiązaniami najprostszymi, nie wymagającymi złożonych procedur serwisowych są „urządzenia” wykorzystujące naturalne warunki terenu oraz biologiczne procesy

samooczyszczania. Chodzi tu głównie o sedymentację, sorpcję, utlenianie, fermentację i

rozkład mikrobiologiczny.

Jednym ze sposobów ograniczenia oddziaływania wód spływających z dróg na stan czystości

odbiorników jest zastosowanie przegród filtracyjnych w rowach drogowych, tzw. gródz z

trzonem wykonanym z geowłókniny (Fot.1). Konstrukcja grodzy stosowana w rowach jest

mechanicznym podczyszczeniem wód poprzez spowolnienie ich spływu.

Fot.1. Rów drogowy z grodzami.


Grodze spełniają w całym procesie trzy funkcje:

•! sedymentacyjną – poprzez redukcję zawiesiny ogólnej,

•! retencyjną – poprzez piętrzenie wody na progu,

•! infiltracyjną - poprzez spowolnienie spływu wód przed grodzami, zwiększa się infiltracja do gruntu.

Generalnie, należy stwierdzić, że powtarzalnym elementem w charakterystyce ścieków

spływających z obiektów drogowych jest przewaga zanieczyszczeń związanych z zawiesiną ogólną. Z badań prowadzonych na odcinkach dróg krajowych i autostradach wynika, że w

większości spełniają one kryteria dla ścieków odprowadzanych do wód powierzchniowych,

łącznie z poziomami stężeń cynku i ołowiu.

Powierzchnie i rowy trawiaste są najpopularniejszymi urządzeniami infiltracyjnymi przy

założeniu, że podłoże charakteryzuje się dużym współczynnikiem filtracji. Umieszczenie

pod rowami drenów objętościowych, zwiększa pojemność retencyjną rowu (Rys.21).

Rys. 20. Konstrukcja uszczelnienia rowu drogowego Rys.21. Rów drogowy ze zwiększoną retencją-drenaż objętościowy

Na przejściach systemu szczelnego z wbudowaną warstwą geomembrany w system

infiltracyjny należy stosować urządzenia podczyszczające brzegowe w postaci piaskowników

lub osadników.

Wszelkie zbiorniki infiltracyjne, o kształcie wydłużonym (Rys.22) mają za zadanie

retencjonowanie spływu wód powierzchniowych z powierzchni utwardzonych z jednoczesną infiltracją do gruntu.

Rys.22. Schemat zbiornika retencyjnego


Dno zbiornika stanowią warstwy żwiru i piasku z ułożeniem frakcji drobnych od góry z

grubymi na dole. Opcjonalnie pomiędzy gruntem rodzimym a warstwami filtracyjnymi układa

się geowłókniny.

Dla zwiększenia sprawności podczyszczania wód napływających obsadza się tego typu

zbiorniki roślinnością wodną. W tej technologii ważnym jest, aby nie dopuścić do nadmiernej eutrofizacji. Warstwy

filtracyjne w dnie okresowo należy wymieniać nawet jeśli istnieją odstojniki wyłapujące

zawiesiny.

Zbiorniki retencyjne i retencyjno-infiltracyjne mają za zadanie gromadzić spływ wód

opadowych i stopniowe ich rozprowadzenie. Przy zachowaniu tylko funkcji retencji zbiorniki

należy konstruować łącznie z urządzeniami oczyszczającymi w postaci zbiorników

pośrednich.

Rys.23. Staw osadowy z przelewem Rys.24. Zbiornik retencyjno-infiltracyjny

Ważnym parametrem jest tutaj pojemność użyteczna dla opadów o prawdopodobieństwie

wystąpienia p = 20 %. Odpływ odbywa się poprzez urządzenia dławiące i/lub studnie

przelewowe.

W przypadku zalegania w podłożu gruntów mniej przepuszczalnych stosuje się częściową wymianę gruntów z układem systemu drenującego. Nadmiar napełnienia odprowadzany jest

poprzez odpływ do cieków otwartych lub kanalizacji.

Konstrukcje hydrofitowe (Rys. 25) ze złożem piaskowo-żwirowym porośniętym roślinnością wodną projektuje się z uszczelnieniem syntetycznym. Stosowane są zarówno geomembrany

jak i bentomaty.

Rys.25. Zbiornik z filtrem hydrofitowym

W dużej ilości projektów znajdują się rozwiązania oparte na zbiornikach szczelnych

bezodpływowych ze wskazaniem funkcji odparowania. Uwzględniając jednak nasz klimat i

związane z nim niskie parowanie, tego typu zbiorniki nie spełniają swoich zadań. Przy

średnim opadzie rocznym O = 650 mm, parowanie z powierzchni lustra wody wynosi E = ok.

360 – 400 mm w skali roku !!!


Rys.26. Zbiornik retencyjno-odparowujący

Brak innych systemów utrzymujących poziom wody może doprowadzić do

niekontrolowanych przelewów, a co za tym idzie, lokalnych podtopień lub uplastycznienia

gruntów w podłożu.

Fot.2. Przepełnione zbiorniki bezodpływowe

Przy tworzeniu szczelnej powierzchni zbiornika z geomembrany należy pamiętać również o

zjawisku wyporu. Jeżeli poziom zwierciadła wody gruntowej znacznie przewyższa poziom

dna zbiornika retencyjnego wystąpi wypór.


Rys.27. Wykresy sił parcia

W niektórych znanych autorowi przypadkach, wykonawcy uszczelnień musieli ratować się przed niepożądanymi efektami wyporu, przedziurawieniem dna zbiorników wcześniej

uszczelnionych geomembraną. Po ustaniu pracy igłofiltrów wokół takiego zbiornika zaczyna

podnosić się poziom zdepresjonowanego zwierciadła wody gruntowej i geomembrana w dnie

zaczyna „falować”. Bardzo często przedziurawienie dna ratuje sytuację i projektanta i

wykonawcy robót uszczelnieniowych, gdyż wypór przy różnicy poziomów wody gruntowej i

dna zbiornika wynoszącej ok. 5 m, to 50 kPa skierowane do góry. Praktycznie nie ma mowy o

zrównoważeniu tej siły obsypką lub płytami drogowymi !

W takich przypadkach poziom wody w zbiornikach jest odzwierciedleniem poziomu wody

gruntowej, a zbiorniki pełnią rolę trudną do ustalenia (Fot. 3).

Fot.3. Zbiornik z „rozszczelnieniem”


Zbiorniki przeciwpożarowe buduje się szczególnie w lasach. Przy dobrze rozmieszczonych

wieżach obserwacyjnych i zbiornikach ppoż. wzrasta bezpieczeństwo i szybkość reagowania

na ewentualny pożar.

Fot. 4. Zbiorniki leśne ppożarowe

Do uszczelnienia zbiorników ppoż. używa się obecnie geomembran. W trakcie

przeprowadzonych ostatnio kontroli zbiorników leśnych uszczelnionych bentomatami,

ujawniono przerastanie korzeni trzciny i innych roślin wodnych przez powierzchnię tego

materiału. Pękanie i rozchodzenie się arkuszy bentomat przy krawędziach górnych skarp

ograniczyło dalsze możliwości ich stosowania.

Zarówno zbiorniki retencyjne jak i ppoż. muszą posiadać ogrodzenie i możliwość podjazdu

dla sprzętu budowlanego.

8.! Podstawowe zagrożenia i awarie konstrukcji hydrotechnicznych.

W każdej sytuacji awaryjnej należy mieć na względzie całość prac studialnych, projektowych

i wykonawczych włącznie z nadzorem.

Zagrożenia dla konstrukcji pojawiają się już na etapie rozpoznania podłoża gruntowego.

W każdym przypadku należy zwrócić uwagę na :

•! budowę geologiczną i właściwości geotechniczne podłoża, a szczególnie miąższość i rodzaj warstw słabych oraz poziom stropu podłoża nośnego,

•! niejednorodności budowy podłoża i występowanie lokalnych gniazd lub soczewek

słabych gruntów,

•! rodzaj i uziarnienie gruntów, parametry geotechniczne, szczególnie słabych warstw

mogących ulec zsuwom,

•! prognozowane zmiany właściwości gruntów w wyniku ich wzmocnienia,

•! warunki hydrologiczne: poziomy wód gruntowych, nawierconych i ustabilizowanych,

kierunek ich przepływu, prognoza zmian stanów wód gruntowych z bilansem

hydrologicznym,


•! właściwości chemiczne, zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych oraz ich

agresywność,

•! przeszkody w podłożu mogące utrudnić roboty.

Zasadnicze mankamenty wielu dokumentacji geotechnicznych wynikają z błędów

popełnianych już na etapie programowania badań oraz przy ich realizacji.

Niewłaściwie zaprogramowane badania prowadzą do:

•! ograniczenia do minimum zakresu prac terenowych, co skutkuje nadinterpretacją uzyskanych informacji i przeoczeniami geotechnicznymi,

•! wykonywania dużej liczby płytkich otworów (np. pod fundamenty palowe),

•! rozplanowania otworów na rzucie projektowanych podpór (pominięcie w badaniach

terenu poza obrysem fundamentu miejsc ewentualnych podpór tymczasowych),

•! pomijania w badaniach gruntów nienośnych, bez podania szczegółowego opisu i

nieustalenia ich parametrów geotechnicznych.

Błędy w realizacji badań terenowych dotyczą:

•! niewłaściwego sposobu wykonania otworów badawczych, wykonywania wierceń bez

orurowania, co daje zafałszowany obraz stosunków wodnych i stanu gruntów

(zwłaszcza spoistych),

•! kurczowego trzymania się ustalonego umową zakresu robót, co często ogranicza

możliwość precyzyjnego określenia zasięgu gruntów słabych (w planie i z

głębokością),

•! kończenia wierceń w gruntach nienośnych, co czyni badania nieprzydatnymi do

projektowania, bądź prowadzi do znacznego przewymiarowania elementów

posadowienia,

•! kończenia wierceń na głębokościach, które pozwalają na obliczenie nośności

pojedynczego pala, a nie pozwalają na obliczenie osiadań grup palowych,

•! braku analiz zmiennego położenia zwierciadła wody gruntowej z wielolecia.

•! wykonywania badań laboratoryjnych, które nie odpowiadają potrzebom norm,

•! niewykonywania badań granicy skurczalności w gruntach w stanie półzwartym, co

uniemożliwia właściwe projektowanie według normy,

•! pomijania wyznaczania cech gruntów nienośnych (nasypów, namułów, torfów), co

uniemożliwia projektowanie ich wzmacniania oraz obliczanie parć przy projektowaniu

zabezpieczeń wykopów,

•! niestosowania zaawansowanych metod badawczych,

•! unikania nowoczesnych metod badań podłoża na rzecz stosowania zależności

korelacyjnych;

•! niewłaściwego pobierania i ograniczania liczby próbek do badań laboratoryjnych.

Wyniki rozpoznania terenu są podstawą do obliczeń prowadzonych przez osobę, której

doświadczenie związane z geologią czy geotechniką nie jest duże i nie ma ona podstaw do

podważenia wiarygodności badań. Taki jest ekonomiczny aspekt problemu związanego z

Błędy powstałe na etapie badań laboratoryjnych i prac kameralnych wynikają z:


rozpoznaniem podłoża. Przesadą byłoby stwierdzenie, że oszczędności, które mogą wystąpić dzięki dobremu rozpoznaniu, są na poziomie kilku tysięcy procent. Jest to wręcz rzadkość. Niemniej jednak regułą jest oszczędność lub przynajmniej pozostawienie kosztów na

podobnym poziomie przy jednocześnie bardziej racjonalnym projektowaniu. Dotyczy to

zwłaszcza obiektów zaliczonych do wyższej niż pierwsza kategorii geotechnicznych lub

posadowionych w złożonych lub skomplikowanych warunkach gruntowych.

Przy okazji warto dodać, że niejednokrotnie przeprowadzania rozpoznania podłoża podejmują się osoby, które bądź nie mają w danych warunkach wystarczających kwalifikacji, bądź też nie dysponują odpowiednim sprzętem. Zdarza się przekonywanie projektanta, że

proponowane rozpoznanie będzie wystarczające do racjonalnego projektowania.

Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych,

następuje w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż dowolnej

powierzchni poślizgu. Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po

stronie :

•! sił grawitacyjnych pochodzących od ciężaru gruntu i ewentualnej zabudowy,

•! sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt, podniesieniem

się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernym zawilgoceniem zbocza .

Przyczyny powstawania osuwisk :

•! układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza,

•! rozmycie lub podkopanie zbocza,

•! niekontrolowane dociążenie naziomu,

•! nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych,

•! wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu,

•! napór wody od dołu na górne warstwy gruntu z reguły mało przepuszczalne

powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie,

•! nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych co powoduje pęcznienie

gruntu a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie,

•! zniszczenie struktury gruntu poprzez rozluźnienie,

•! istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu np. w iłach,

•! drgania wywołane np. ruchem drogowym,

•! sufozja tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez

infiltrującą wodę powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów,

•! przebicie hydrauliczne z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy

spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy,

•! cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji

wody gruntowej co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie,

•! wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu,

•! niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu.

Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wyżej wymienionych

przyczyn.


Na zboczach i skarpach mogą występować następujące rodzaje przemieszczeń mas

gruntowych:

•! spełzywanie,

•! spływy,

•! obrywanie,

•! zsuwy i osuwiska.

W trakcie wykonywania wykopów o skarpach niepodpartych narażeni jesteśmy na

niekorzystnie działające zjawiska geofiltracyjne.

W przypadku gdy rozpoznanie podłoża jest przeprowadzone w stopniu niedostatecznym i

pominięto zarówno pomiar zwierciadła wody gruntowej nawierconej i ustabilizowanej, w

projektach pojawiają się rozwiązania z tzw. błędem systematycznym.

W wyniku tego typu działań, późniejsze skarpy wykopów ulegają zsuwom, spływom i

deformacjom kształtu. Szczególnie przy przecięciu warstwy wodonośnej.

Zakończenie.

Bezpieczeństwo konstrukcji budowlanej zależy od bardzo wielu czynników, na które mają wpływ działania ludzkie, oddziaływanie wody (gruntowej, opadowej, płynącej itd.) jak i

nieprzewidywalne zdarzenia losowe.

Bezpieczna konstrukcja to bezpieczeństwo ludzi i mienia, dlatego trzeba i warto podejmować wszelkie możliwe działania edukacyjne i legislacyjne, których celem nadrzędnym będzie

zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom obiektów budowlanych i eliminacji awarii i

katastrof.

Szczególnie należy podkreślić, że doskonałe rozpoznanie podłoża gruntowego,

doświadczenie i umiejętność obliczania i przewidywania zjawisk filtracyjnych przez

projektanta jak i realizacja obiektów przez doświadczonych wykonawców daje pożądane

efekty.

Pamiętajmy, że woda gruntowa lub swobodnie płynąca jest żywiołem nie znoszącym

jakichkolwiek błędów ludzkich. Na pewno nie przymknie „oka” na niedoróbki tak jak jest to

możliwe w przypadku sprawdzającego dokumentację lub inspektora na budowie.

Z drugiej strony przedstawione materiały, technologie i sposoby analiz z wytycznymi doboru

pokazują szerokie możliwości zastosowania geosyntetyków w budownictwie

hydrotechnicznym m.in. przy zabezpieczaniu i regulacji rzek i potoków, przy budowie i

zabezpieczaniu wałów przeciwpowodziowych, grobli, zapór, tam, nabrzeży, brzegów,

bystrotoków, wybrzeży morskich, wysokich skarp nasypów przy umacnianiu koryt rzecznych

i skarp budowli, przy budowie dróg dojazdowych i tymczasowych biegnących po koronie

wału lub posadawianych na gruntach organicznych.

Pomimo swojej różnorodności materiały geosyntetyczne oraz opisane technologie

charakteryzują się kilkoma wspólnymi cechami, do których zaliczyć można:

•! łatwość i szybkość wykonania,

•! trwałość i bezawaryjność eksploatacji konstrukcji hydrotechnicznych,

•! brak konieczności tworzenia wielkich placów budów.


1.! Bobiński E. [i in.] : Ochrona przed powodzią. IMUZ, Falenty 1992

2.! Biernatowski K. [ i in.] : Fundamentowanie. Projektowanie i wykonawstwo. Tom I-

Podłoże budowlane. Arkady, Warszawa 1987 r.

3.! Bolt A. [i in.] : Mechanika gruntów w zadaniach. P.G., Gdańsk 1982

4.! Czyżewski K. [i in.] : Zapory ziemne. Arkady, W-wa 1973

5.! Dembicki E.: Zagadnienia geotechniczne budowli morskich. Wyd. Morskie, Gdańsk

1987

6.! Ekologiczne zagadnienia odwodnienia pasa drogowego. Zalecenia. GDDKiA/IBDiM.

W-wa 2009

7.! Empfehlungen des Arbeitsausschusses „Ufereinfassungen”. EAU 1985. Ernst and

Sohn

8.! Fanti K. [i in.] : Budowle piętrzące. Arkady, W-wa 1972

9.! Fanti K.: Stawy osadowe i składowiska. Wyd. PW., W-wa 1980

10.!Faure Y., Mlynarek J.: Geotextile-filter hydraulic requirements . GFR V/1998

11.!Glazer Z.: Mechanika Gruntów. Wyd. Geologiczne, W-wa 1985

12.!Jermołowicz P.: Zastosowanie geowłóknin w aspekcie zagadnień melioracyjnych.

Mat.Konf. P.S., Szczecin 1982

13.!Jermołowicz P: Współoddziaływanie grunt-geowłóknina. Prace Naukowe Politechniki

Szczecińskiej Nr 31, Szczecin 1989, s.117-145

14.!Jermołowicz P.: Wzór użytkowy pt. „Elastyczny pojemnik geosyntetyczny”. Prawo

ochronne nr 59688 U.P.RP 1997

15.!Jermołowicz P.: Nowoczesne materiały i technologie stosowane w budownictwie

hydrotechnicznym. Sympozjum, Wrocław IV/2001

16.!Jermołowicz P.: Zastosowanie geokomórek do konstrukcji wsporczych i ochrony

przeciwerozyjnej skarp. Podstawowe obliczenia statyczne. Materiały szkoleniowe.

ZOIIB Szczecin 2011

17.!Klugiewicz J.: Hydromechanika i hydrologia inżynierska. Projprzem-EKO,

Bydgoszcz 1999

18.!Lawson C.: Retention criteria and geotextile-filter performance. GFR VIII/1998

19.!Lotrak. Poradnik projektanta. 1996

20.!Mouw K.A. [i in.]: Geotextiles in shore and bottom protection works. 3rd

Int.Conf.on

Geotextiles. Vienna 1986

21.!Rozp. Rady Min. w sprawie klasyfikacji śródlądowych dróg wodnych. (Dz.U. z

dn.18.06.2002 r.)

22.!Rozp. Min. Środowiska w sprawie warunków technicznych, jakim powinny

odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie. (Dz.U. z dn. 16.05.2007 r.)

23.!Shepard K.: Erosion control and effective drainage. Geosynthetics 2006

24.!Van Zanten R.V.: Geotextiles and geomembranes in civil engineering. Balkema 1986

25.!Wesolowski A. [i in.] : Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich. Wyd. SGGW,

W-wa 2000

26.!Wieczysty A.: Hydrogeologia inżynierska. PWN, Warszawa 1982 r.

Literatura:


27.!Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKiŁ, W-wa 1982

28.!Wysokiński L.: Błędy systematyczne w rozpoznaniu geotechnicznym i ich wpływ na

projektowanie budowlane. Mat. XXIII Konf. Awarie budowlane. Międzyzdroje 2007

29.!Zalecenia dotyczące stosowania geosyntetyków w odwodnieniach dróg.

GDDKiA/IBDiM, W-wa 2009

zjawiska filtracji,przesiąków i sufozji · hydrodynamicznej siatki filtracji. siatka...

Documents