Encyklopedia

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.

Rys. 1 Strefa aeracji i saturacji w podłożu

Bezpośrednie oddziaływanie wody gruntowej widoczne jest szczególnie przy wykonywaniu wykopów. Ruch wody gruntowej zwany 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

gdzie :

v – prędkość filtracji [m/s] k -  współczynnik filtracji [m/s] i - ∆h/l – spadek hydrauliczny (gradient) – strata naporu wody ∆h na odległości l

Rys. 2. 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  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:

Fot. 1. Erozyjność stoku

Fot. 2. Erozja skarp po nawalnym deszczu

Fot. 3. Erozja wgłębna

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 materiale tym 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:

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. Analiza warunków gruntowych

W przypadku inwestycji wymagających głębokiego posadowienia występowanie nawierconego lub ustabilizowanego zwierciadła wody gruntowej powyżej poziomu dna wykopu należy uznać za powszechne. Głębokie wykopy sięgające poniżej poziomu terenu na głębokość kilkunastu i więcej metrów, powodują przecięcie pierwszego oraz nierzadko i drugiego poziomu wodonośnego. Sytuacja taka stwarza wyjątkowo trudne uwarunkowania realizacji prac i może być źródłem niekorzystnych oddziaływań w obrębie terenu podlegającego ich wpływom. Analiza uwarunkowań hydrogeologicznych prowadzona powinna być wieloetapowo, począwszy od wstępnych prac koncepcyjnych. Dokumentacje archiwalne wraz z ewentualnym rozpoznaniem wstępnym wykonanym w formie dokumentacji geotechnicznej są elementem pozwalającym nie tylko na wstępne określenie sposobu zabezpieczenia wykopu, ale przede wszystkim na określenie zakresu właściwego rozpoznania. Pojawiające się w trakcie prac projektowych wątpliwości często wymagają wykonania dodatkowych badań, nawet po opracowaniu właściwego rozpoznania hydrogeologicznego. Wykonanie głębokiego wykopu w aspekcie warunków hydrogeologicznych wymaga przeanalizowania zagadnień związanych z występowaniem zwierciadła wody gruntowej, a w szczególności z przestrzennym układem nawodnionych warstw gruntów przepuszczalnych (gruboziarnistych) i nieprzepuszczalnych (drobnoziarnistych), obejmując:

Rys. 3. Sposoby zabezpieczenia wykopów przed napływem wody gruntowej. A) studnie depresyjne, B) przesłona iniekcyjna, C) zagłębienie obudowy w podłoże nieprzepuszczalne.

Dla zabezpieczenia wykopu przed napływem wód gruntowych stosujemy następujące zabiegi:

Obniżenie zwierciadła wody gruntowej z wykorzystaniem drenażu pionowego zapewnia prowadzenie robót budowlanych przy „suchym" wykopie. W większości przypadków jest rozwiązaniem najprostszym oraz najtańszym, lecz nie pozbawionym wad. Odbierając wody z podłoża gruntowego wytwarza się lej depresji, którego zasięg wykracza zazwyczaj znacznie poza obszar objęty pracami. Wytworzeniu zwierciadła dynamicznego w obrębie posadowienia istniejących obiektów towarzyszą dodatkowe osiadania. Podczas obniżania zwierciadła wody gruntowej z wykorzystaniem studni depresyjnych należy tak prowadzić prace, aby ciśnienie spływowe skierowane było w dół. Jedynie w przypadku gruntów gruboziarnistych (żwiry) z uwagi na znaczne wymiary ziaren nie ma to większego znaczenia. Przyjmuje się, że zdepresjonowane zwierciadło wody gruntowej powinno znajdować się min. 0,5 m poniżej aktualnego bądź docelowego dna wykopu. Mając na uwadze zabudowany charakter terenu oraz licząc się z realnym zagrożeniem powstania uszkodzeń na skutek osiadań spowodowanych wytworzoną depresją poszukuje się zazwyczaj rozwiązań alternatywnych. Drugim z możliwych sposobów zabezpieczenia wykopu może być wykonanie przesłony filtracyjnej formowanej z wykorzystaniem technik iniekcyjnych. Wykonanie kolumn kształtowanych w technologii iniekcji strumieniowej „jet grouting" pozwala na wytworzenie sztucznej warstwy izolującej dno wykopu, przez co uzyskuje się odcięcie napływu wód gruntowych. Przy szczegółowym rozpoznaniu podłoża gruntowego oraz ciągłych warstwach nieprzepuszczalnych wymagane minimalne zagłębienie obudowy w warstwie odcinającej należy przyjąć około 2,0 m (jednak nie mniej niż 1,0 m). Obok zapewniania odcięcia napływu wody gruntowej do wykopu każdorazowo należy przeanalizować możliwość utraty stateczności dna spowodowaną naporowym zwierciadłem wody gruntowej. Na skutek wykonywania wykopu, naturalnie istniejący stan równowagi zostaje zachwiany. Ciśnienie wywierane przez, pomniejszony wykopem nadkład gruntu może nie równoważyć naporu wody. W momencie przekroczenia stanu granicznego dochodzi do utraty stateczności dna i awarii. Informacje podane w dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz hydrogeologicznej o charakterze, a w szczególności o poziomach nawierconego i ustabilizowanego, zwierciadła wody gruntowej dotyczą informacji zarejestrowanych podczas wierceń oraz obserwacji. Należy pamiętać, że w wyniku gwałtownych opadów atmosferycznych, wyjątkowo długich okresów deszczowych, spiętrzenia wody w pobliskiej rzece lub zbiorniku, czy też jego gwałtownego opróżnienia bądź wykonania głębokiego wykopu stan wód gruntowych może ulec zmianom. Zmiany te nie zawsze mogą być uchwycone W większości opracowań przyjmuje się jako miarodajne wahania poziomu wody gruntowej w przedziale ±1,0 m, co w przybliżeniu odpowiada około 70% przypadków zarejestrowanych amplitud w prowadzonych dotychczas badaniach. Zmiany poziomów wód gruntowych uwzględnia się w dokumentacji projektowej dotyczącej zarówno samego obiektu, jak i prac towarzyszących, do których zalicza się m. in. projekt odwodnienia. Zwykle odwodnienie wykopu dla obiektu głę Pozostało jeszcze 90% tekstu