Budowle i roboty ziemne - Strona główna AGHhome.agh.edu.pl/~cala/papers/birz_zik_idim_pw.pdf ·...

BUDOWLE I ROBOTY ZIEMNE

Opracowanie; Krzysztof Gradkowski, dr inż., Stanisław Żurawski, mgr inż

I Wstęp 2

II Zapory ziemne 3

III Ochronne funkcje budowli ziemnych 8

IV Komunikacyjne budowle ziemne 11

V Gabarytowe kształtowanie budowli ziemnych 19

VI Obliczanie objętości liniowych robót ziemnych 28

VII Technika kształtowania komunikacyjnych budowli ziemnych 36

VIII Technologiczne wykonywanie budowli ziemnych 47

IX Odwadnianie budowli ziemnych 55

X Strefowe wzmacnianie budowli ziemnych 73

XI Geowłókniny i grunt zbrojony 81

Wykaz norm 88

Pytania kontrolne 89

Warszawa 2003

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.pdffactory.com

http://www.pdffactory.com


2

I. WSTĘP

Zebrany materiał stanowi treść przedmiotu, Budowle i roboty ziemne prowadzonego na wydziale Inżynierii Lądowej PW , dla studentów studiów zaocznych i studiów II-go stopnia w specjalności Inżynieria Komunikacyjna. Jest to zakres podstawowy przedmiotu, dla którego założono, że student dysponuje podstawową wiedzą w dziedzinie mechaniki gruntów, geologii oraz podstaw projektowania dróg lądowych. Obok ogólnych wiadomości obejmujących budowle ziemne, rozwinięto aspekty projektowania i technologii wykonawczych dotyczących budowli liniowych. Szczególnie dużo uwagi poświęcono aktualnym wymogom normowym, w odniesieniu do budowli ziemnych typu autostradowego, dróg kołowych. Odrębnie opisano wymagania konstrukcyjne dla stref budowli ziemnych aktywnie współpracujących z nawierzchniami komunikacyjnymi. W celach dydaktycznych zamieszczono zestawy pytań, które dotyczą często praktycznych aspektów zastosowania Polskich Norm przy realizacji budowli ziemnej. Budowle ziemne to struktury przestrzenne, wykonane z gruntu budowlanego, w formie nasypów lub wykopów, wraz z urządzeniami odwadniającymi. Roboty ziemne to pełen zakres czynności technologicznych, których rezultatem jest budowla ziemna. Trywialnym przykładem budowli ziemnej jest dół, który powstał w wyniku usunięcia pewnych objętości gruntu. Kolejne pytania to czy dół ten służy czemuś, i ma określoną funkcję i przeznaczenie, co uczyniono z ukopaną objętością gruntu, w jaki sposób będzie odwadniany, oraz czy został wykonany przy optymalnym wydatku uogólnionej energii. Posługując się tym przykładem, można też ustalić, że formy budownictwa ziemnego należą do najstarszych typów technologicznej działalności ludzi. Za protagonistę współczesnego rozwoju budownictwa ziemnego w Polsce można też uważać Tadeusza Kościuszkę, który niezależnie od swoich dokonań i czynów był inżynierem cywilnym, a w ówczesnym znaczeniu, saperem. Nie przypadkiem też pamięć o nim została utrwalona przez społeczeństwo polskie wzniesieniem Kopca Kościuszki.

Rodzaje i podział budowli ziemnych Ustalenie podziałów i rodzajów budowli ziemnych wynikać może głównie z kryteriów, które są przyjmowane w ich rozróżnianiu. Jeżeli przyjmiemy za cechę rozmiary i kształt to prosty układ podziału wyróżnia liniowe budowle ziemne (dystansowe) i skoncentrowane budowle ziemne (lokalne). Należy też zauważyć, że ogólny koszt realizacji budowli ziemnej, w zakresie budownictwa komunikacyjnego, na ogół liniowego, może przekraczać nawet 60% kosztu realizacji całej inwestycji, a w przypadku skupionej budowli ziemnej zaledwie kilka procent. Innym podziałem może być rozróżnienie funkcji użytkowych budowli ziemnych, które najczęściej nie występują „samodzielnie” lecz w pełnym układzie konstrukcyjnym, np. dróg. Nie mniej możemy wyróżnić budowle ziemne stanowiące: zapory ziemne, wały przeciw powodziowe, tamy i groble ziemne, jako użytkowe obiekty budowlane. Występują też budowle ziemne stanowiące funkcje: ochronne (przeciwhałasowe, wibroizolacyjne), ozdobne (kopce, kurhany) i obronne (forty, schrony, transzeje)




3

II. ZAPORY ZIEMNE

Zapory ziemne są konstrukcjami wykonywanymi z gruntu rodzimego, kamienia łamanego lub rumoszu skalnego i są przystosowane do ciągłego (stałego, długookresowego) piętrzenia wody. Podstawowymi elementami odróżniającymi zapory ziemne od innych ziemnych budowli wodnych (wały przeciwpowodziowe, grodzie, groble, nasypy osadników) są zabezpieczenia przed szkodliwymi skutkami filtracji. Zapory ziemne można wznosić w zasadzie na każdym podłożu. Nie zaleca się wznoszenia zapór ziemnych na gruntach organicznych o dużej zawartości części rozkładających się(torfy) i na podłożach podatnych na sufozję chemiczną, to znaczy takich, na których mogą zachodzić zjawiska krasowe (w Polsce: jura krakowsko-częstochowsko-wieluńska). Uwaga ta dotyczy lokalizacji wszelkich budowli i budynków. Zapory ziemne mogą piętrzyć wodę na duże wysokości, podobnie jak zapory betonowe. Należy zwrócić uwagę, że do budowy zapór ziemnych potrzebne są ogromne ilości materiału. Wymagania w zakresie stateczności skarp powodują, że zapory ziemne osiągają w podstawach wielkie wymiary, np. 300-metrowej wysokości ziemno-narzutowa zapora Nurek w Tadżykistanie ma podstawę szerokości około 1,3 km.

1. Podstawowe typy zapór ziemnych Zgodnie z ustaleniami Międzynarodowej Komisji Wysokich Zapór rozróżnia się trzy podstawowe typy zapór ziemnych. Jest to podział uwzględniający materiały, z których zostały zbudowane zapory. Zapory ziemne – budowle, których główny masyw, zapewniający ich stateczność, wykonany jest z zagęszczonego gruntu). Najwyższe na świecie: Oroville (USA) – 230,0 m, Swift (USA) – 186,0 m, Bennetta (Kanada) – 183,0. W Polsce: Wisła-Czarne – 36,5 m, Dobczyce – 30,6 m, Dobromierz – 28,0 m. Zapory narzutowe – zapory, których główny masyw wykonany jest z kamienia łamanego i rumoszu kamiennego.). Najwyższe na świecie: New Melones (USA) – 191,0 m, Darthmouth (Australia) – 180,0 m, Takase (Japonia) – 176,0 m. W Polsce – nie ma. Zapory ziemno-narzutowe – zapory, których korpus wykonany jest częściowo z gruntu i częściowo z narzutu kamiennego.. Najwyższe na świecie: Nurek (Tadżykistan) – 300,0 m, Chicoasen (Meksyk) – 261,0 m, Guavio (Kolumbia) – 246,0 m. W Polsce – Czorsztyn – 60,0 m, Tresna – 39,0 m, Klimkówka – 34,0 m. Z punktu widzenia zabezpieczenia przed szkodliwymi skutkami infiltracji (rys1) zapory ziemne dzielimy na: • zapory jednorodne – wykonane z jednego rodzaju gruntów nieskalistych (Koronowo), • zapory strefowane – wykonane z kilku rodzajów gruntu, rozmieszczonych w sposób

zapewniający bezpieczną filtrację, • zapory z uszczelnieniami wewnętrznymi – zapory z rdzeniami, • zapory z uszczelnieniami skarpowymi – zapory z ekranami.

Ze względu na sposób wykonania zapory mogą być: • sypane (Tresna, Dobczyce) • narzutowe, • namywane (Koronowo).

Na jednym stopniu wodnym mogą występować dwa rodzaje zapór ziemnych:




4

• zapory czołowe – są podstawowymi budowlami piętrzącymi wchodzącymi w skład głównych budowli stopnia,

• zapory boczne – budowane w celu ograniczenia wielkości zbiorników i ochrony miejscowości i terenów przyległych (np. Wieliszew i Nieporęt przy zbiorniku Zegrze na Narwi, czy też przedmieścia Żywca przy zbiorniku w Tresnej na Sole).

Rysunek 1

2. Główne elementy zapór ziemnych

Zapora ziemna w przekroju poprzecznym ma kształt zbliżony do trapezu. Korpus zapory to nasyp ziemny lub narzut kamienny wzniesiony nad podłożem. W korpusie można wyróżnić części statyczne (nasypy statyczne), elementy uszczelniające, drenaże, warstwy przejściowe i filtry odwrotne. Górna płaszczyzna korpusu to korona zapory. Dolna płaszczyzna korpusu jest podstawą zapory. Pochylone powierzchnie boczne to skarpy – odwodna (górna)i odpowietrzna (dolna). Skarpy mają nachylenia określane stosunkiem wysokości zapory do rzutów skarp na ich płaszczyzny posadowienia. Nachylenia skarp na swojej długości mogą być stałe lub zmienne. W przypadku zapór wysokich skarpy (szczególnie odpowietrzne) bywają rozdzielane ławeczkami, stanowiącymi przejścia robocze i służącymi do ujmowania wód opadowych, spływających po powierzchniach skarp. Wewnątrz korpusów zapór znajdują się uszczelnienia w postaci rdzeni wykonanych z gruntów spoistych (rys.2.i 3) lub w postaci sztywnych konstrukcji (przepon) żelbetowych, betonowych i asfaltobetonowych. Zdarzają się przepony z asfaltu, blachy i folii. Rdzenie mogą być pionowe, pochylone lub załamane w pionie . Zabezpieczenia skarpowe zmniejszające filtrację wykonywane są blisko skarp odpowietrznych w postaci ekranów z gruntów spoistych (Goczałkowice – rys.4) oraz na skarpach zapór jako elementy sztywne z żelbetu (Głębinów) lub asfaltobetonu (Doboszyce – rys. 5). Skarpy odwodne, jeśli nie mają żelbetowych lub asfaltobetonowych ekranów muszą być chronione przed falowaniem ubezpieczeniami skarpowymi (rys 2,3,4). Niekiedy korony zapór są dodatkowo chronione przed falowaniem za pomocą szczelnych murów, nazywanych parapetami (rys. 2 i.3)




5

Rysunek 2

Rysunek 3

Rysunek 4

Rysunek 5




6

3. Podstawowe wymiary zapór ziemnych Głównym elementem charakteryzującym zaporę jest jej wysokość, mierzona od podstawy wznoszonej konstrukcji w najniższym punkcie doliny do przyjętego poziomu korony. Ustalenie rzędnej korony zapory ma istotne znaczenie tak ze względu na zapewnienie bezpieczeństwa przed przelaniem i falowaniem, jak i na koszt budowy.

Zapewnienie bezpieczeństwa przed przelaniem osiąga się przez zastosowanie odpowiedniej wielkości urządzeń upustowych w tym przelewowych i przez tzw. bezpieczne wzniesienie korony. Bezpieczne wzniesienia koron zapór oraz innych ziemnych budowli piętrzących nie powinny być mniejsze od 2,0 do 0,3m w zależności od klasy budowli. Rozróżnia się. cztery klasy ziemnych budowli piętrzących- I,II,III i IV.

W wyjątkowych warunkach eksploatacji minimalne wzniesienie korony zapory ziemnej ponad poziom, jaki może wystąpić przy przejściu przepływu miarodajnego przy nieczynnym jednym przewodzie urządzeń upustowych lub przy przejściu przepływu kontrolnego, nie powinno być mniejsze niż 0,3 m.

Bezpieczne wzniesienie korony [m] dla klas budowli

Nad statycznym poziomem wody

nad poziomem wywołanym falowaniem

Rodzaj budowli

Warunki eksploatacji

I II III IV I II III IV

Maksymalny lub normalny poziom piętrzenia *)

2,0 1,5 1,0 0,7 0,7 0,5 0,5 0,5

Miarodajny przepływ wezbraniowy

1,3 1,0 0,7 0,5 0,5 0,3 0,3 0,3

Zapory ziemne i obwałowania

W wyjątkowych warunkach 0,3 0,3 0,3 0,3 Falowania nie uwzględnia się

W przypadku zapór ziemnych z uszczelnieniami należy zapewnić odpowiednie,

bezpieczne wzniesienie górnych krawędzi ekranów lub rdzeni. Szerokość korony zależy od zaplanowanych zadań. Minimalna szerokość korony powinna wynosić 3,0 m. Najczęściej jednak szerokość koron jest większa, w zależności od tego czy po koronie biegnie droga służbowa, czy publiczna.




7

Nachylenie skarp ustala się na podstawie obliczeń stateczności. W zależności od materiału, z którego budowana jest zapora, można przyjmować orientacyjne nachylenia skarp:

• z narzutu kamiennego 1:1,25 ÷ 1:1,75 • z grubych żwirów z otoczakami 1:1,75 ÷ 1:2,25 • z pospółek i żwirów 1:2,25 ÷ 1:2,75 • z piasków sypanych 1,2:75 ÷ 1:3,5 • z piasków namywanych 1:3,5 ÷ 1:4,5

Urządzenia upustowe zapór ziemnych to przelewy i spusty, przy czym szczególną

uwagę przykłada się do zwymiarowania i funkcjonowania przelewów powierzchniowych. Należy pamiętać, że bezwzględnie nie dopuszczalne jest przelanie się wody przez przelanie się wody przez koronę zapory ziemnej. Jest to równoznaczne z jej całkowitym zniszczeniem i z katastrofalną falą powodziową w dolinie poniżej zbiornika. Przelewy powierzchniowe, zbudowane jak jazy stałe (bez zamknięć), nazywane są często przelewami bezpieczeństwa. Woda, po przekroczeniu ustalonego poziomu, przelewa się samoczynnie przez próg przelewu, dzięki czemu nie następuje niebezpieczne nadpiętrzenie.

Przelewy powierzchniowe wykonuje się bardzo często w postaci przelewów stokowych. Woda spływa po stoku odpowiednio wyprofilowanym korytem żelbetowy, na końcu którego znajduje się odskocznia i podłoże do rozpraszania energii. W przypadku zapór ziemnych niskich i średnich, w celu przepuszczani wód, instaluje się często betonowe budowle upustowe z przelewami powierzchniowymi i spustami. w postaci kilku rurociągów stalowych (o średnicy 1,4 i 0,8 m.), zamykanych zasuwami wodociągowymi.




8

III. OCHRONNE FUNKCJE BUDOWLI ZIEMNYCH

1. Nasyp ziemny połączony z budowlą ze stromą skarpą

W porównaniu z samym stromym nasypem, kombinacja taka ma zalety obiektu budowlanego i równocześnie polepsza warunki obsadzenia skarpy roślinnością. Od strony drogi stosuje się skarpy maksymalnie strome, od strony ogólnodostępnej (zamieszkałej), skarpy możliwie płaskie. Przykład takiego rozwiązania pokazuje rysunek 1.

Rysunek 1. Stromy nasyp wzmocniony konstrukcją żelbetową

2. Nasyp ziemny-ekran przeciwhałasowy

Wysokość ekranu przeciwhałasowego ze względów architektonicznych, nie powinna stanowić więcej niż 2/5 całej wysokości urządzenia przeciwhałasowego. W takim przypadku nasyp ziemny może być uformowany bardziej stromo, lub wyposażony – jedno lub dwustronnie – w podmurówkę. Po obu stronach ekranu pozostaje na skarpach miejsce do obsadzenia odpowiednią roślinnością

3. Budowle ze stromą skarpą Budowle ze stromą skarpą wznoszone są z elementów betonowych, ceramicznych i drewnianych, a także uformowane jako druciane klatki wypełnione gruntem lub innym podłożem i obsadzone roślinami. Budowle te wymagają tyle samo miejsca co ekrany przeciwhałasowe. W przypadku stromego nasypu (rys. 2) występuje stosunkowo mała ilość gruntu roślinnego jako podłoża wegetacji roślin, co w połączeniu z nagrzewaniem promieniami słonecznymi powoduje wokół budowli znaczne braki wody, oraz większe niż w otoczeniu wahania temperatury. Skala zjawiska zależy od wielkości przestrzeni dla roślin, związanej z jednym wolnym rdzeniem ziemnym i dlatego w wielu przypadkach utrzymanie roślin możliwe jest tylko w wyniku sztucznego nawodnienia. Wymaga to sporządzenia projektu obłożenia budowli roślinami i sztucznego nawodnienia a powoduje zwiększenie kosztów budowy i utrzymania.




9

Rysunek 2.

4. Strefy nasypów

Zakończenie nasypów przeciwhałasowych ze względu budowlanych oraz w celu uniknięcia bocznych uderzeń wiatru w poruszające się pojazdy, powinno mieć pochylenie co najmniej 1:8. Przykład rozwiązania miejsca początkowego lub końcowego nasypu ochronnego pokazano na rysunku 3. Podstawowym kryterium wyboru rozwiązań ochrony przed hałasem zarówno komunikacyjnym jak i przemysłowym jest wielkość będącej w dyspozycji powierzchni terenu na ukształtowanie urządzenia przeciwhałasowego. Jeżeli będąca w dyspozycji powierzchnia nie jest wystarczająca do budowy nasypu ziemnego, a wysoki ekran przeciwhałasowy ze względu na miejscowe warunki jest zbyt wysoki, stosuje się rozwiązania kombinowanie.

Rysunek 3. Przykład uformowania miejsca początkowego lub końcowego nasypu

chroniącego przed hałasem




10

5. Nasypy przeciw hałasowe z uprawami ochronnymi

Bardzo dobrą izolację dźwiękową można osiągnąć w wyniku połączenia ochronnej uprawy roślin z osłoniętym przez roślinność nasypem ziemnym. Zaleta polega na znacznie mniejszym zapotrzebowaniu powierzchni dla uprawy ochronnej i optycznym osłonięciu profilu nasypu (rys. 4).

Rozwiązania te wymagają nieznacznego nakładu prac pielęgnacyjnych, które ograniczają się jedynie do pielęgnacji porostu. Nasypy przeciwhałasowe nie są odczuwane przez kierowców jako przeszkoda, ponieważ działają na nich jak skarpa. Od stron zamieszkałej, skarpa nasypu powinna być możliwie płasko rozciągnięta (zbocze) i miękko dopasowana do krajobrazu. Miejsc załamania należy zaokrąglić w celu harmonijnego związania nasypu ziemnego z krajobrazem. Wały przeciwhałasowe usytuowane na krawędzi wykopu lub dobudowane do torowiska ziemnego nasypu, powinny mieć pochylenia skarp jak drogowe budowle ziemne (rys. 4.).

Rysunek 4. Wały chroniące przed hałasem na drodze w wykopie i nasypie

Ze względów estetycznych może być pożądana nieregularna linia grzbietowa nasypu (w kierunku podłużnym), a także zmiana pochylenia skarpy (zbocza). Przebieg linii grzbietowej nasypu traci na znaczeniu wraz z rozwojem roślin go porastających. Nieregularną linię grzbietową można osiągnąć również w taki sposób, gdy grupy drzew wyrastających wysoko nie znajdują się w układzie geometrycznym z grupami drzew i krzewów pozostających niżej. Wpływ roślinności na przebieg linii grzbietowej nasypu przeciw-hałasowego może być znaczny. Duże możliwości kształtowania tych miejsc daje obsadzanie roślinnością. Jeżeli brakuje miejsca na obsadzenie drzewami i krzewami, należy stosować rośliny pnące. Przez rozczłonkowanie ściany, strukturę i kolor, można stworzyć konstrukcję bardzo lekko oddziaływujące optycznie. Decydujące znaczenie w ogólnym kształtowaniu ekranów ma wprowadzenie ograniczeń zastosowanych materiałów budowlanych w zależności od ich wymaganej wysokości.




11

IV. KOMUNIKACYJNE BUDOWLE ZIEMNE

Należą do rodzaju budowli liniowych struktur kubaturowych wykonanych z gruntu budowlanego, w formie nasypu lub wykopu, wraz z urządzeniami odwadniającymi. Na rysunku 1 przedstawiono schemat ideowy podziału na części składowe. Podział ten ułatwia ustalenie zakresu projektowego ukształtowania budowli, oraz przewidywanych technologii realizacyjnych.

1. Warunki techniczne jakim powinny odpowiadać komunikacyjne budowle ziemne

Zasadnicze kryteria projektowania, budowy i eksploatacji komunikacyjnych budowli

ziemnych są sformułowane w aktach prawnych właściwych rozporządzeń. Są one ustanowione odrębnie dla budowli poszczególnych typów, tj. autostradowe budowle ziemne, drogowe budowle ziemne, kolejowe budowle ziemne. Poniżej obszerne fragmenty wymagań technicznych dotyczących autostradowych budowli ziemnych określonych w Dz. U. Nr. 62 z 1997r., oraz w Dz. U. Nr.43 z 1999r w odniesieniu do drogowych budowli ziemnych i w Dz. U. Nr 151 z 1998r. w odniesieniu do kolejowych budowli ziemnych.




12

1. Nośność i stateczność budowli ziemnych oraz konstrukcji nawierzchni autostrady

1.1 Wymagania ogólne 1.1.1 Konstrukcję autostradowej budowli ziemnej oraz konstrukcję nawierzchni autostrady należy projektować i wykonywać w taki sposób, aby: • przenosiły wszystkie oddziaływania i wpływy mogące występować podczas budowy i

użytkowania • miały odpowiednią twardość, z uwzględnieniem przewidywanego okresu eksploatacji,

rodzaju wbudowanych materiałów, kosztów budowy i utrzymania • nie uległy zniszczeniu w wyniku awarii w stopniu nie proporcjonalnym do jej przyczyny. Przez pojęcie nawierzchni autostrady rozumie się w rozporządzeniu nawierzchnię zasadniczych i dodatkowych pasów ruchu, pasów awaryjnych, pasów wyłączania i włączania oraz jezdnie łącznic, MOP i MPO. 1.1.2 Wymagania, o których mowa w punkcie 1.1.1. uznaje się za zachowane, jeżeli są spełnione równocześnie: • warunki określone w rozporządzeniu, zapewniające nie przekroczenie stanów granicznych

nośności i stanów granicznych przydatności do użytkowania w każdym z elementów oraz w całej konstrukcji budowli ziemnej i nawierzchni autostrady.

• wymagania dotyczące materiałów i wyrobów dopuszczonych do obrotu i stosowania w budownictwie drogowym

• procedury kontrolne wykonawstwa i użytkowania określone w rozporządzeniu oraz w obowiązujących Polskich Normach.

1.2 Autostradowa budowla ziemna 1.2.1 Sprawdzenie ogólnej stateczności skarp, zboczy oraz ścian oporowych, a także nośności podłoża budowli ziemnej, należy wykonywać zgodnie z obowiązującą Polską Normą. Pochylenia skarp nasypów i wykopów powinny być zgodne z wymaganiami, o których mowa w punkcie 1.3.1. Wskaźniki stateczności skarp i zboczy określane indywidualnie metodami podanymi w obowiązującej Polskiej Normie nie powinny być mniejsze niż 1,5. Przy sprawdzaniu ogólnej stateczności ściany oporowej i uskoku naziomu lub w wypadku możliwości wystąpienia osuwiska zbocza, łącznie ze ścianą oporową, wymagane współczynniki korekcyjne należy przyjmować według obowiązującej Polskiej Normy. Nośność podłoża budowli ziemnej należy sprawdzać zgodnie z obowiązującą Polską Normą. Sprawdzenie stanów granicznych przydatności do użytkowania należy wykonywać zgodnie z obowiązującą Polską Normą. Przekroczenie stanów przydatności do użytkowania uniemożliwia eksploatowanie budowli ziemnej na skutek jej odkształceń, przemieszczeń lub drgań. Dopuszczalne osiadania eksploatacyjne powierzchni korpusu nasypu i podłoża budowli ziemnej nie powinny przekraczać wartości określonych w obowiązującej Polskiej Normie. Obliczenia osiadania nasypu i podłoża budowli ziemnej mogą być pominięte, jeśli do głębokości strefy aktywnej, określonej zgodnie z obowiązującą Polską Normą, występują grunty: • skaliste i kamieniste




13

• niespoiste (drobnoziarniste i gruboziarniste w stanie średnio zagęszczonym, zagęszczonym lub bardzo zagęszczonym)

• spoiste w stanie zwartym, półzwartym i twardoplastycznym W wypadku posadowienia nasypu na gruntach bardzo ściśliwych, konstrukcje budowli ziemnej należy sprawdzać obliczeniowo. Parametry stanu granicznego użytkowania ścian oporowych należy przyjmować zgodnie z obowiązującą Polską Normą. 1.2.2 Nośność i stateczność budowli ziemnej oraz ścian oporowych uzyskuje się w szczególności przez skuteczne i sprawne ich odwodnienie 1.2.3 Na terenach podlegających wpływom eksploatacji górniczej powinny być stosowane zabezpieczenia budowli ziemnej odpowiednio do kategorii terenów górniczych 1.2.4 W celu prawidłowego zaprojektowania i wykonania budowli ziemnej należy przeprowadzać badania geologiczne i geotechniczne gruntów, zgodnie z wymaganiami określonymi w obowiązujących Polskich Normach. W trakcie użytkowania należy prowadzić regularną kontrolę budowli ziemnej. Rozbudowa lub przebudowa budowli ziemnej powinna być poprzedzona oceną jej stanu technicznego. 1.3 Skarpy nasypów i wykopów 1.3.1 Skarpę nasypu autostrady należy wykonywać, z zastrzeżeniem ust 3 i 4 o pochyleniu: • 1:3 przy wysokości skarpy nasypu do 2,0 m., z zastrzeżeniem § 55 ust 3. • 1:1,5 przy wysokości skarpy nasypu większej niż 2,0 m. do 8,0 m. Skarpę wykopu autostrady należy wykonywać, z zastrzeżeniem ust 3 i 4 o pochyleniu: • 1:3 przy wysokości skarpy wykopu do 1,0 m., z zastrzeżeniem § 55 ust. 3 • 1:2 przy wysokości skarpy wykopu większej niż 1,0 m. do 2,0 m. • 1:1,5 przy wysokości skarpy wykopu większej niż 2,0 m. do 8,0 m. 1.3.2 Pochylnie i konstrukcję urządzeń wzmacniających skarpy nasypów i wykopów autostrad należy ustalać na podstawie obliczeń ich stateczności zgodnie z obowiązującą Polską Normą w szczególności wtedy gdy: • skarpa nasypu lub wykopu ma wysokość większą niż 8,0 m. • skarpa nasypu lub wykopu ma wysokość większą niż 6,0 m., a zbocze ma pochylenie

1:3 • autostradowa budowla ziemna będzie budowana z materiału lub w gruncie

wymagającym szczególnych procedur technicznych i technologicznych • nasyp będzie budowany na gruntach o małej nośności, w terenie osuwiskowym lub

szkód górniczych • skarpa nasypu będzie narażona na działanie wód stojących lub płynących na terenie

zalewowym




14

1.3.3. Pochylenie skarpy nasypu lub wykopu może być mniejsze niż określone ustępu 1 i 2, jeżeli nie występuje żaden z wypadków, o których mowa w ust. 3., a za zmianą pochylenia przemawiają względy utrzymania, ekonomiczne lub estetyczne. W wypadkach o których mowa w ust 3 i 4, mogą być stosowane w szczególności zmienne pochylenia skarp zależne od ich wysokości, ławy oraz przypory skarp. Skarpy nasypów i wykopów powinny być umocnione obudową roślinną, chyba że występuje jeden z wypadków o których mowa w ust. 3, i z obliczeń wynika inaczej 2. Nośność i stateczność drogowych budowli ziemnych oraz konstrukcji nawierzchni dróg 2.1 Wymagania ogólne 2.1.1. Konstrukcja drogowej budowli ziemnej oraz konstrukcja nawierzchni drogi, rozumianej jako warstwa, lub zespół warstw, powinny być projektowane i wykonane, w taki sposób, aby: • przenosiły wszystkie oddziaływania i wpływy mogące występować podczas budowy i

podczas użytkowania drogi, jeśli nie są przekraczane dopuszczalne naciski osi pojazdu na nawierzchnię

• miały trwałość co najmniej równą okresowi użytkowania określonemu w dokumentacji projektowej, pod warunkiem wykonania czynności wynikających z rodzaju wbudowanych materiałów, kosztów użytkowania i zasad utrzymania nawierzchni

• nie uległy zniszczeniu w stopniu nieproporcjonalnym do jego przyczyny

2.1.2 Rozróżnia się następujące nawierzchnie: • jezdni: nawierzchnie zasadniczych i dodatkowych pasów ruchu, pasów awaryjnych,

pasów włączania i wyłączania, łącznicy, MOP, placu, opaski, utwardzonych poboczy, przystanku autobusowego na pasach ruchu i w zatoce, drogi w strefie zamieszkania oraz jezdni manewrowej

• przeznaczone do postoju pojazdów: nawierzchnie stanowisk, pasów i zatok postojowych

• przeznaczone do ruchu pieszych i rowerów: nawierzchnie chodnika i ścieżki rowerowej Nawierzchnie MPO i SPO powinny spełniać wymagania określone w przepisach

techniczno-budowlanych dotyczących autostrad płatnych

2.1.3 Wymagania określone w punkcie 2.1.1 uznaje się za zachowane jeżeli równocześnie: • są spełnione warunki określone w niniejszym rozporządzeniu, zapewniające nie

przekroczenie stanów granicznych nośności i stanów granicznych przydatności do użytkowania w każdym z elementów oraz w całej konstrukcji budowli ziemnej i nawierzchni drogi

• wbudowane materiały i wyroby spełniają wymagania Polskich Norm i specyfikacji robót drogowych.

2.2. drogowa budowla ziemna 2.2.1 W celu prawidłowego zaprojektowania i wykonania drogowej budowli ziemnej powinny

być przeprowadzone badania geologiczne i geotechniczne gruntów, zgodnie z wymaganiami




15

określonymi w Polskich Normach i przepisach szczególnych. (szczegółowy sposób badań określa załącznik nr 4)

2.2.2 Sprawdzenie ogólnej stateczności skarp, zboczy oraz ścian oporowych, a także nośności

podłoża budowli ziemnej powinno być wykonywane zgodnie z Polskimi Normami, przepisami odrębnymi oraz załącznikiem nr 4.

Pochylenia skarp nasypów i wykopów powinny być zgodne z wymaganiami, o których mowa w paragrafie 42. Wskaźniki stateczności skarp i zboczy określane indywidualne metodami podanymi w Polskich Normach nie powinny być mniejsze niż 1,5. Przy sprawdzaniu ogólnej stateczności ściany oporowej i uskoku naziomu, lub w wypadku wystąpienia osuwiska zbocza łącznie ze ścianą oporową, wymagane wskaźniki stateczności powinny być przyjmowane według Polskich Norm.

Budowla ziemna powinna być tak zaprojektowana, aby dopuszczalne osiadania eksploatacyjne powierzchni korpusu nasypu i podłoża drogowej budowli ziemnej nie przekraczały wartości określonych w załączniku nr 4. Obliczenia osiadania nasypu i podłoża budowli ziemnej mogą być pominięte, jeśli do głębokości strefy aktywnej, określonej zgodnie z Polską Normą, występują grunty: • skaliste i kamieniste • niespoiste (drobnoziarniste i gruboziarniste w stanie średnio zagęszczonym,

zagęszczonym lub bardzo zagęszczonym) • spoiste w stanie zwartym, półzwartym i twardoplastycznym

W wypadku posadowienia nasypu na gruntach bardzo ściśliwych, konstrukcje drogowej

budowli ziemnej należy sprawdzać obliczeniowo. Sprawdzenie stanów granicznych przydatności do użytkowania drogowej budowli ziemnej, których przekroczenie uniemożliwia eksploatowanie budowli ziemnej na skutek jej odkształceń, przemieszczeń lub drgań powinno być wykonywane zgodnie z polską normą.

Parametry stanu granicznego przydatności użytkowania ścian oporowych określa Polska Norma.

Drogowa budowla ziemna oraz ściany oporowe powinny być odwadniane. Na terenie podlegającym wpływom eksploatacji górniczej powinny być stosowane zabezpieczenia drogowej budowli ziemnej, odpowiednio do kategorii terenu górniczego, określonej w przepisach odrębnych.

Rozbudowa lub przebudowa drogowej budowli ziemnej powinna być poprzedzona oceną jej stanu technicznego

2.3 Skarpy nasypów i wykopów 2.3.1. Skarpy nasypów dróg klasy A i S powinny mieć, z zastrzeżeniem ust 4 i 5 pochylenie:

• 1:3 przy wysokości skarpy nasypu do 2 m., z zastrzeżeniem §102 ust 4 • 1:1,5 przy wysokości skarpy nasypu większej niż 2 m. do 8 m.

Skarpy wykopów dróg klasy A i S powinny mieć, z zastrzeżeniem ust 4 i 5 pochylenie: • 1:3 przy wysokości skarpy wykopu do 1 m., z zastrzeżeniem §102 ust 4 • 1:2 przy wysokości skarpy wykopu większej niż 1 m. do 2 m. • 1:1,5 przy wysokości skarpy wykopu większej niż 2 m. do 8 m

Skarpy nasypów i wykopów dróg klasy GP i dróg niższych klas powinny mieć, z zastrzeżeniem ust. 4 pochylenie 1:1,5




16

2.3.2 Pochylenie i urządzeń wzmacniających skarpy nasypów i wykopów dróg powinny być ustalone na podstawie obliczeń ich stateczności zgodnie z Polską Normą, w szczególności wtedy gdy: • skarpa nasypu lub wykopu ma wysokość większa niż 8 m. • skarpa nasypu lub wykopu ma wysokość większa niż 6 m., a zbocze ma pochylenie większe

niż 1:3 • drogowa budowla ziemna będzie budowana z materiału lub w gruncie wymagającym

szczególnych procedur technicznych i technologicznych • nasyp będzie budowany na gruntach o małej nośności , na terenie osuwiskowym albo na

terenie podlegającym wpływom eksploatacji górniczej • skarpa nasypu będzie narażona na działanie wód stojących lub płynących na terenie

zalewowym

Pochylenie skarpy nasypu lub wykopu może być mniejsze niż określone u ust. 1,2 i 3, jeżeli nie występuje żaden z wypadków, o których mowa w ust 4, za zmianą pochylenia przemawiają względy utrzymania ekonomiczne lub estetyczne. W wypadkach, o których mowa w ust 4 i 5 mogą być stosowane w szczególności zmienne pochylenia skarp zależne od ich wysokości, ławy oraz przypory skarp Skarpy nasypów i wykopów powinny być umocnione obudową roślinną; w wypadkach, o których mowa w ust 4 mogą być stosowane inne rozwiązania

3. Podtorze kolejowe (określające kolejową budowlę ziemną) 3.1 Górna powierzchnia podtorza (torowisko) powinna być przystosowana do: • zbudowania nawierzchni oraz innych obiektów związanych z prowadzeniem ruchu

pojazdów kolejowych, a także do wykonywania czynności związanych z utrzymaniem drogi szynowej

• odprowadzania wód opadowych z torowiska • utrzymania na odpowiedniej głębokości poziomu wód gruntowych Podtorze i podłoże kolejowe powinny spełniać wymagania określone w Polskich Normach 3.2 W zależności od relacji między ukształtowaniem terenu i położeniem wysokościowym toru kolejowego, podtorze (rys. 3.1) może być wykonane jako nasyp albo jako przekop, z gruntów odpowiednio uformowanych, wzmocnionych i zabezpieczonych przed wpływami eksploatacyjnymi, klimatycznymi i geologiczno-hydrologicznymi.

Podtorze powinno zapewnić: • wytrzymałość wymaganą dla danej kategorii linii • mniejsze od dopuszczalnych odkształcenia trwałe i sprężyste powstające w wyniku

oddziaływań dynamicznych • wymiary torowiska odpowiadające danej kategorii linii • niezmienność kształtu bez względu a wpływ klimatu i oddziaływań eksploatacyjnych • możliwość mechanizacji robót nie tylko podczas budowy, lecz także w czasie eksploatacji,

w tym robót trakcyjnych, teletechnicznych, nawierzchniowych. Pod względem wytrzymałościowym podtorze powinno być tak wykonane, aby wyrażone w megapaskalach (MPa) minimalne wartości modułu odkształcenia podtorza mierzonego w torowisku w zależności od kategorii linii nie były mniejsze niż:




17

120 MPa – magistralne (0) 100 MPa – pierwszorzędne (1) 80 MPa – drugorzędne (2) 60 MPa - znaczenia miejscowego (3)

z zastrzeżeniem ust. 3.4. 3.3 Podane minimalne wartości modułu odkształcenia podtorza dotyczą tak zwanych złych warunków hydrogeologicznych, określonych przez: • stałe przewilgocenie gruntów podtorza w przypadku, gdy do głębokości 1,5 m. poniżej

główki szyny istnieje możliwość stałego występowania wody w gruncie albo • gdy stopień konsystencji gruntu podtorza Ic ≤ 0,75 Stopień konsystencji gruntu podtorza Ic oblicza się według wzoru:

p

Lc I

WWI −=

gdzie: WL – granica płynności gruntu według Casagrande’a [%] W – wilgotność gruntu [%] Ip – wskaźnik plastyczności [%] Ip = WL – Wp [%] Wp – granica plastyczności [%]

3.4 Możliwe jest zmniejszenie, określonych w tabeli 3.3. minimalnych wartości modułu odkształcenia podłoża o: • 10 % – w przypadku występowanie czasowego przewilgocenia gruntów podtorza, kiedy

do głębokości 1.5 m. poniżej główki szyny istnieje możliwość czasowego występowania wody w gruncie, albo przy stopieniu konsystencji gruntu podtorza 0,75 < Ic < 1,0

• 20 % – w przypadku, gdy nie wstępują dodatkowe przewilgocenia gruntów podtorza, albo przy stopieniu konsystencji gruntu podtorza Ic ≤ 1,0.

3.5 Przy wyborze materiałów do budowy podtorza powinno się uwzględniać przydatność materiałów miejscowych uzyskiwanych z przekopów lub z odpadów przemysłowych, a także z dodatkowych ukopów. Niedopuszczalne jest dokonywanie zmian konstrukcyjnych podtorza bezpośrednio pod nawierzchnią, powodujących skokowe zmiany wartości modułu sprężystości. Zmiany konstrukcyjne górnych warstw podtorza muszą odbywać się łagodnie na długości co najmniej 20 m wzdłuż osi torów. Na równiach stacyjnych konstrukcja górnych warstw podtorza powinna być jednakowa dla całych grup torowych. Wymiary podtorza powinny być dostosowane do ustalonego przebiegu trasy linii kolejowej. 4. Wymaganie konstrukcyjno-jakościowe dla budowli ziemnych Przedstawione w poprzednich punktach warunki techniczne dotyczące poszczególnych ziemnych budowli komunikacyjnych tylko w niewielkim stopniu odnoszą się do wymagań jakości konstrukcyjnej w wielu przypadkach odsyłając do polskich norm. Norma PN-S-02205 pt. Roboty ziemne, precyzuje ściśle wymagania dla poszczególnych warstw nasypów (rys. 2) i podłoża wykopów (rys. 3).




18

Rys. 2. Wartości wymagane w nasypach:

wskaźnika zagęszczenia Is i wtórnego modułu odkształcenia E2, megapaskali

Rys. 3. Wartości wymagane w podłożu wykopów: wskaźnika zagęszczenia Is i wtórnego modułu odkształcenia E2, megapaskali




19

V. GABARYTOWE KSZTAŁTOWANIE BUDOWLI ZIEMNYCH

-wymiary zewnętrzne-

Zadaniem podstawowym, tak w etapie projektowania jak i dla technologii wykonawczych jest nadanie budowli odpowiednich wymiarów, czyli gabarytów zewnętrznych. Z przestrzennych wymiarów budowli wynika ich funkcja w systemie konstrukcyjnym drogi, oraz zasadniczy czynnik kosztu realizacji. Z faktu, że budowle drogowe należą do obiektów liniowych, wynikają nie tylko pewne uproszczenia, ale i niezwykle istotne ograniczenia co do jednorodności i jakości materiału gruntowego, z którego są budowane. Właściwe zwymiarowanie przekrojów poprzecznych budowli ziemnej dla poszczególnych odcinków i sekcji drogi stanowi o spełnieniu określonych norm i wytycznych projektowania poszczególnych rodzajów dróg. Poglądowy przekrój poprzeczny geometrii nasypu przedstawia rysunek 1

Rysunek 1

Korona i skarpy nasypu są jego liniami konturowymi, ograniczającymi jego bryłę, jako budowli ziemnej. Linie przecięcia się powierzchni skarp nasypu z powierzchnią korony nazywa się krawędziami korony nasypu (punkty B i C), linie przecięcia się powierzchni skarp nasypu z powierzchnią terenu określa się krawędziami podstawy nasypu (punkty A i D). Charakterystycznymi wartościami wymiarowymi nasypu są: • wysokość H, którą określa się jako różnicę rzędnych punktów osiowych korony i

podstawy nasypu • szerokość K korony nasypu • pochylenie skarp nasypu do poziomy (tangens kąta pochylenia, czyli 1:n) Wartość pochylenia skarp nasypu ustala się z reguły z warunku ich stateczności i przyjmuje się zwykle jako 1 : n = 1 : 1,5 (może wynosić od 1 : 1 do 1 : 10), Poglądowy przekrój poprzeczny geometrii przekopu linii komunikacyjnej przedstawia rysunek 2 Linie przecięcia się powierzchni skarp wewnętrznych urządzeń odwadniających z powierzchnią korony nazywane są krawędziami korony wykopu (punkty E i F), linie przecięcia się powierzchni skarp zewnętrznych wykopu z powierzchnią terenu określa się jako krawędzie górne wykopu (punkty A i M), linie przecięcia się powierzchni skarp rowu z powierzchnią jego dna nazywa się krawędziami dna rowu (punkty C i D oraz G i J). Charakterystycznymi wartościami wymiarowymi przekopu są: • głębokość H, która jest różnicą rzędnych punktów osiowych terenu i korony przekopu • szerokość K korony przekopu




20

• pochylenie skarp przekopu do poziomu, które określa się wartością tangensa kąta ich pochylenia i oznacza jako 1 : m, przy czym ze względu na warunki stateczności skarp, pochylenie to wynosić powinno co najmniej 1 : 1; w zależności jednak od rodzaju budowli ziemnej może zmieniać się w szerokim zakresie, analogicznie jak w przypadku nasypów

• wymiary urządzeń odwadniających, czyli szerokość podstawy dolnej rowu d, szerokość podstawy górnej d1 oraz głębokość h.

W projektach dróg samochodowych i kolejowych występują dwa rodzaje robót ziemnych: • roboty skupione (punktowe) • roboty ciągłe (liniowe) Do robót ziemnych skupionych zalicza się wykopy pod: • fundamenty przyczółków mostowych • fundamenty przepustów • fundamenty filarów i podpór mostów, wiaduktów, estakady itp. Podstawowym zadaniem budowli ziemnej w części górnej tj. podtorza lub podtorza jest przejęcie statycznych i dynamicznych nacisków kół pojazdów przenoszonych przez nawierzchnię –drogową lub szynową, oraz dobre jej odwodnienie. Górna powierzchnia podtorza, na której jest zbudowana nawierzchnia nazywa się torowiskiem. Pochylone powierzchnie przekopów i nasypów nazywane są skarpami.

Rysunek 2

Rysunek 3 przedstawia przekrój poprzeczny podtorza drogowego w nasypie, zaś rysunek 4 w przekopie. Jeżeli w danym przekroju poprzecznym podtorza występuje zarówno nasyp jak i przekop, to taki przekrój nazywa się przekrojem odcinkowym, co zdarza się w terenie pochylonym poprzecznie do trasy drogi- rysunek. 5.Przekrój poprzeczny drogi kolejowej jednotorowej i dwutorowej przedstawiono na rysunku 6a i b. Szerokość podtorza jest taka sama zarówno w nasypie jak i w przekopie i zależy od rodzaju i kategorii linii kolejowej. Na rysunku 5 przedstawiono normalne przekroje poprzeczne podtorza linii kolejowych jednotorowych, natomiast na rysunku 6 linii kolejowych dwutorowych. Podtorze kolejowe w profilu podłużnym składa się z odcinków poziomych, odcinków pochylonych (wzniesienia lub spadki) oraz odcinków łuków kolowych, które zaokrąglają załomy sąsiednich odcinków niwelety. Wymiary przekroju poprzecznego podtorza zależą od kategorii drogi szynowej i rodzaju linii kolejowej . Rysunek 7 – linie jednotorowe, rysunek 8 –linie dwutorowe.




21

Rysunek 3

Rysunek 4

Rysunek 5

Szerokość (poddroża) podtorza drogi samochodowej zależy od klasy technicznej drogi oraz typu przekroju poprzecznego w danej klasie. Przykładowo, na rysunkach 9 i 10 przedstawiono normalne przekroje poprzeczne zamiejskich dróg samochodowych.




22

Podłoże gruntowe jako budowla inżynierska musi bezpiecznie przejmować obciążenia, czyli spełniać odpowiednie wymagania techniczne, zarówno w okresie budowy jak również w okresie eksploatacji. Najistotniejsze z tych wymagań to: • stałość kształtu podtorza (poddroża) gruntowego, uwarunkowana wytrzymałością i sta-

tecznością bez względu na warunki atmosferyczne oraz obciążenia • minimalny koszt budowy i eksploatacji, przy odpowiedniej jakości i trwałości budowli

ziemnej • możliwość zastosowania mechanizacji, zarówno w czasie budowy jak również w czasie

eksploatacji drogi samochodowej i kolejowej • wykazywać odporność na działanie czynników atmosferycznych • łatwość należytego utrzymania podtorza gruntowego w czasie eksploatacji.

Rysunek 6

Podstawowym materiałem do wykonywania budowli ziemnych jest grunt budowlany - naturalny. Ocena przydatności gruntu do zastosowania w wykonywanych budowlach ziemnych wymaga znajomości cech fizycznych i mechanicznych tego gruntu.




23

Rysunek 7

Na rysunku 11 pokazano położenie korony roboczej torowiska ziemnego oraz jej ostateczny wygląd po wyprofilowaniu przez ułożenie warstw konstrukcyjnych nawierzchni drogowej. Linia pozioma aa’ na rys. 11 oznacza koronę roboczą torowiska ziemnego. Jest to niweleta budowli ziemnej – po korekcie niwelety nawierzchni. Linie łamane bcded’c’b’ (rys. 11a), bd’b’ (rys. 11b) lub bcefe’c’b’ (rys. 11c) przekrój ostateczny korony po wyprofilowaniu, przy czym rys. 11a przedstawia profil korytowy, zaś rys. 11b przekrój dwuspadowy




24

torowiska drogowego, rys. 11c natomiast profil korytowy ulicy miejskiej, obustronnie zabudowanej. Profilowanie korony torowiska ziemnego, polega na przemieszczaniu poprzecznym gruntu w obrębie torowiska w celu wytworzenia odpowiedniego profilu.

Rysunek 8

Skarpom torowiska ziemnego budowli ziemnych nadaje się kształty pochyłe, przy których będzie zapewniona ich stateczność. W gruntach sypkich wartość kąta stoku naturalnego jest dla danego rodzaju gruntu wartością stałą i równą wartości kąta tarcia wewnętrznego, w gruntach zaś spoistych wartość kąta stoku naturalnego jest wielkością zmienną, zależną od wysokości skarpy. W gruntach spoistych, zarówno wartość kąta tarcia wewnętrznego jak i spójność maleje w miarę zwiększania się ich wilgotności, dlatego też przy ustalaniu wymaganych wartości kąta pochylenia do poziomu skarp torowiska ziemnego należy przyjmować stan jego zawilgocenia w niekorzystnych warunkach atmosferycznych. W gruntach piaszczystych, piaszczysto-gliniastych i gliniasto-piaszczystych w stanie ich normalnej wilgotności, pochylenie skarp dla budowli ziemnych w budownictwie drogowym w przekopach niezależnej od ich głębokości oraz w nasypach o wysokości zasadniczo do 6 m., przyjmuje się najczęściej stałe i równe 1 : 1,5. W nasypach wysokości większej niż 6 m., w celu zwiększenia ich stateczności, skarpom w dolnej ich części nadaje się pochylenie łagodniejsze, np. 1 : 2 lub 1 : 3 lub też stosuje się odsadzki w skarpach, zamiast nadawania im zarysów o zmiennym pochyleniu -rysunek. 12.Szerokość odsadzki wynosi od 1,0 m.do 2,0m.




25

Rysunek 9




26

Rysunek 10




27

Rysunek 11

Rysunek 12

Analogiczne rozwiązanie jak na rys. 12 stosuje się niejednokrotnie również i przy kształtowaniu skarp bardzo głębokich przekopów (powyżej 6 m) w celu poprawienia warunków stateczności zboczy oraz lepszego ujęcia z powierzchni skarpy wody opadowej. Skarpom torowiska ziemnego dróg samochodowych wyższych klas technicznych, zarówno w przekopach jak i w nasypach nadaje się niekiedy ze względu na bezpieczeństwo ruchu, pochylenia znacznie łagodniejsze aniżeli wymagają tego omówione wyżej względy stateczności budowli ziemnej.




28

VI. OBLICZANIE OBJĘTOŚCI LINIOWYCH ROBÓT ZIEMNYCH

1. Zasady ogólne Podstawą do obliczania robót ziemnych dla liniowych budowli inżynierskich jest ich projekt wstępny lub techniczny, a więc przekrój podłużny (profil)i przekroje poprzeczne trasy. Stopień dokładności obliczenia objętości robót ziemnych zależy przede wszystkim od stopnia zgodności danych projektowych przyjętych za podstawę do obliczenia tej objętości z rzeczywistym danymi terenowymi oraz od przyjętej metody obliczenia (bardziej dokładnej lub sposobem przybliżonym). Obliczenia objętości wykopów oraz nasypów przeprowadza się oddzielnie. W celu określenia granic wykopów i nasypów ustala się położenie tzw. punktów zerowych, czyli punktów przecięcia się linii robót ziemnych z linią terenu, zarówno w przekroju podłużnym jak i w przekrojach poprzecznych. Punkty te oznaczają przejścia z wykopu w nasyp. W przypadku przekrojów poprzecznych odcinkowych, czyli przekrojów w których występują jednocześnie wykopy i nasypy, oddzielnie określa się wielkość powierzchni wykopowych tych przekrojów, oddzielnie zaś wielkość powierzchni ich części nasypowych. Objętość rowów bocznych przy nasypach zalicza się do objętości wykopów. Objętość robót ziemnych na danym odcinku trasy oblicza się na podstawie jej przekroju podłużnego- profilu, z którego przyjmuje się dane niezbędne do ustalenia tej objętości, a mianowicie: • pikiety punktów zerowych niwelety • odległości pomiędzy przekrojami poprzecznymi • różnice pomiędzy rzędnymi terenu a rzędnymi niwelety roboczej robót ziemnych

(wysokości nasypów, głębokości wykopów). Objętość danego nasypu lub wykopu określa się jako sumę objętości brył gruntu pomiędzy jego sąsiednimi pikietami (rys. 1)

Rysunek 1

gdzie: VAB - objętość nasypu na odcinku trasy 1n pomiędzy punktami A i B.

∑=

=n

iiAB VV

1




29

W podobny sposób oblicza się objętość wykopu długości 1w pomiędzy punktami B i C. Całkowitą objętość robót ziemnych dla projektowanych budowli inżynierskiej ustala się obliczając objętości kolejno następujących po sobie wykopów i nasypów oraz sumy objętości wszystkich wykopów i nasypów dla całego odcinka oddzielnie.

Rysunek 2

Dokładną objętość bryły (graniastosłupa) nasypu ABCDEFGH (rys. 2) pomiędzy przekrojami poprzecznymi I i II można obliczyć ze wzoru:

gdzie: P1 – powierzchnia przekroju I P2 – powierzchnia przekroju II h1 – wysokość przekroju I h2 – wysokość przekroju II l – odległość pomiędzy przekrojami l : n – pochylenie skarp W powyższym wzorze wyrażenie

nazywa się przybliżoną objętością bryły nasypu, zaś wyrażenie

poprawką tej objętości. W praktyce dla obliczenia objętości nasypu lub wykopu można się posłużyć wzorem przybliżonym W celu obliczenia objętości bryły gruntu pomiędzy każdą parą sąsiednich przekrojów poprzecznych należy uprzednio określić wielkości powierzchni P1 i P2 tych przekrojów.

ln

lV hhPP6

)(2

22121 −

−+

=

lV PP2

21 +=

lV hhn6

)( 221 −

=




30

W przypadku, gdy naturalna powierzchnia terenu jest ukształtowana poziomo w kierunku poprzecznym do osi trasy, powierzchnie przekrojów poprzecznych w tym przypadku można określić na podstawie znanych wymiarów torowiska ziemnego K, h i l : n lub l:m (rys. 3).

Rysunek 3

Zgodnie z oznaczeniami na rys. 3 powierzchnię przekroju nasypu określa się ze wzoru:

Pn=K·h + n·h² Powierzchnię przekroju poprzecznego wykopu z rowami bocznymi oblicza się ze wzoru

Pw = K1·h + m·h² + 2·r gdzie r oznacza powierzchnię przekroju rowu. W podanych wyżej wzorach i na rys. 3 : K – oznacza szerokość roboczą korony torowiska ziemnego H – oznacza wysokość nasypu lub głębokość wykopu w osi trasy ho – głębokość rowu d – szerokość rowu w dnie d1 – szerokość rowu na poziomie krawędzi korony m, n – ctg kąta pochylenia skarp Przyjmując szerokość korony torowiska, pochylenie skarp oraz powierzchnię przekrojów rowów jako wartości stałe, Pn i Pw określa się jako funkcje zmiennej wartości h.




31

2. Wykres powierzchni i wykres objętości mas ziemnych Obliczone powierzchnie przekrojów poprzecznych można przedstawić graficznie w prostokątnym układzie współrzędnych, przy czym: • na osi poziomej jako odcięte nanosi się kilometraż trasy drogi oraz odległości

poszczególnych przekrojów poprzecznych • na osi pionowej odkłada się pionowo jako rzędne powierzchnie przekrojów poprzecznych • powierzchnie przekopu odkłada się od osi poziomej w górę i przypisuje się im znak (+) • powierzchnie nasypu odkłada się od osi poziomej w dół i przypisuje się im znak (-) • skalę dobiera się w zależności od wielkości powierzchni przekrojów poprzecznych Jeżeli połączy się rzędne obliczonych powierzchni przekrojów poprzecznych na długości trasy odcinkami prostymi, to otrzymuje się wykres powierzchni tej trasy. Obliczona powierzchnia figur płaskich na tym wykresie odpowiada objętości robót ziemnych. Każda rzędna na wykresie powierzchni oznacza powierzchnie przekopu lub nasypu w danym przekroju, każda powierzchnia pomiędzy dwoma rzędnymi oznacza objętość mas ziemnych między przekrojami.

Rysunek 4

Rysunek 4 przedstawia wykres powierzchni przekrojów poprzecznych i objętości, które zostały obliczone za pomocą metod przybliżonych. W dowolnym przekroju poprzecznym występuje albo powierzchnia przekopu albo powierzchnia nasypu. Na rysunku 4b przedstawiono wykres sumowanej objętości robót ziemnych. Wykres ten posiada następujące właściwości: • każda rzędna na wykresie sumowanej objętości oznacza sumę algebraiczną robót

ziemnych od początku przekroju profilu podłużnego • wznoszące się części krzywej sumowanej objętości oznaczają przekopy, zaś opadające

nasypy




32

• różnica dwóch rzędnych na wznoszącej się części krzywej oznacza objętość przekopów na tym odcinku, na opadającej zaś części krzywej różnica dwóch rzędnych oznacza objętość robót ziemnych potrzebnych na wzniesienie nasypu na tym odcinku

• szczytowe punkty krzywej, w których przyrosty objętości zmieniają znak, oznaczają punkty zerowe

• łagodne pochylenie krzywej oznacza niewielkie roboty ziemne, znaczne pochylenie- duże roboty ziemne, zaś punkty przegięcia krzywej odpowiadają największym objętością przekopów lub nasypów

• różnica rzędnych punktu początkowego i końcowego krzywej oznacza różnice objętości przekopów i nasypów, a jeżeli ta różnica będzie mniejsza niż zero, to objętość przekopów nie wystarczy na wzniesienie nasypów, przy różnicy zaś większej niż zero, objętość gruntu wydobytego z przekopu równa się objętości gruntu potrzebnego na nasyp, czyli roboty ziemne wyrównują się

• każda prosta pozioma odcina na wykresie sumowanej objętości gałęzie przekopów i gałęzie nasypów, których objętości są równe.

Rysunek 5 zawiera zbiorcze zestawienie zależności, przedstawionych graficznie, pomiędzy pewną niweletą budowli ziemnej, a powstającymi objętościami gruntu, które muszą być przemieszczone. Najważniejszym założeniem odpowiadającym tym zależnością jest to, że grunt rodzimy jest jednorodny, w pełni przydatny w budowie budowli ziemnych (nasypów).




33

Rysunek 5

Na rysunku 6 można odnaleźć praktyczne wyjaśnienie pewnych pojęć praktycznych. Obliczenia objętości mas ziemnych można dokonać na arkuszu kalkulacyjnym, bądź arytmetycznie wykorzystując do tego typowy formularz (w załączeniu)




34

Rysunek 6




35

Typowy formularz




36

VII. TECHNIKA KSZTAŁTOWANIA KOMUNIKACYJNYCH BUDOWLI ZIEMNYCH

1. Roboty przygotowawcze Przed przystąpieniem do realizacji budowli ziemnych związanych np. z budowa dowolnej arterii komunikacyjnej należy wykonać w terenie wiele prac przygotowawczych, m.in.: • urządzenie placu budowy • czyszczenie i przygotowanie terenu • zdjęcie warstwy gleby, tzw humusowanie • przeniesienie infrastrukturalnych urządzeń obcych • wykonanie pomiarów terenowych, niezbędnych do odtworzenia i utrwalenia na gruncie

trasy robót ziemnych i zarysów obiektów budowlanych • wyznaczenie i urządzenie dróg dojazdowych oraz granic pasa terenu przeznaczonego pod

dana budowę.

1.1. Odtworzenie trasy Przed przystąpieniem do wykonywania robót należy odtworzyć w terenie przebieg trasy, ustalony wcześniej przez grupę pomiarową. Prace te polegają na: • odtworzeniu oraz utrwaleniu w terenie położenia punktów charakterystycznych trasy w

planie (wierzchołków łuków i punktów kierunkowych na prostych) • kontrolnym pomiarze kątów poziomych w miejscach zmiany kierunków trasy • wyznaczenie położenia punktów osiowych trasy w obrębie odcinków prostych i

krzywoliniowych trasy (np. początkowych i końcowych punktów krzywych przejściowych i łuków kołowych oraz punktów pośrednich tych krzywych w określonych odstępach punktów kilometrowych i hektometrowych itp.)

• kontrolnym pomiarze długości trasy • wytyczeniu przekrojów poprzecznych w kierunkach prostopadłych do osi trasy we

wszystkich jej charakterystycznych punktach • kontrolnym pomiarze wysokościowym • założeniu wzdłuż osi trasy sieci reperów pomocniczych w celu ułatwienia

wysokościowych pomiarów kontrolnych i pomocniczych związanych z wykonywaniem robót

Wymienione pomiary kontrolne przeprowadza się w celu sprawdzenia zgodności danych terenowych z danymi z projektu technicznego oraz w celu wprowadzenia do projektu ewentualnych zmian i poprawek. Prace przy wznowieniu trasy prowadzi się na podstawie zachowanych w terenie znaków pomiarowych, położenie zaś znaków zniszczonych lub zagubionych ustala się na podstawie pomiarów geodezyjnych, dowiązań do istniejących obiektów lub znaków pomiarowych. W przypadku uszkodzenia lub zniszczenia palików lub słupków wyznaczających charakterystyczne punkty osiowe trasy, ich położenie odtwarza się przez dowiązanie sytuacyjne do różnych trwałych znaków w terenie lub do założonej w tym celu specjalnej




37

poligonowej bazy pomiarowej wzdłuż osi trasy. Dotyczy to głównie punktów wierzchołkowych i osiowych w obrębie łuków oraz punktów kierunkowych prostych. Punkty wierzchołkowe dowiązuje się zwykle do palików umieszczonych na przedłużeniu prostych kierunkowych poza konturami robót ziemnych Można je również dowiązać do punktów pomocniczych rozmieszczonych w określonych odstępach na przedłużeniu dwusiecznej kąta wierzchołkowego ( rys.1.).

Rysunek 1

Położenie charakterystycznych punktów osiowych odcinka prostoliniowego trasy można utrwalić w terenie w okresie prowadzenia robót na prostej pomocniczej ( bazie), którą prowadzi się równolegle do osi trasy w pewnym od niej odstępie poza zasięgiem robót ziemnych (rys.1) Jednocześnie z czynnościami odtworzenia trasy wykonuje się w terenie prace pomiarowe związane z wyznaczeniem granic pasa terenu przeznaczonego dla potrzeb danej budowli ziemnej. Utrwala się te granice za pomocą znaków stałych ( słupków).




38

1.2. Przygotowanie terenu do robót ziemnych Do prac przygotowawczych w pasie terenu, na którym mają być wykonane zamierzone roboty ziemne zalicza się: • wycięcie drzew i krzewów i usunięcie poza obręb przyszłych robót ziemnych • oczyszczenie terenu z gruzu, kamieni itp. • roboty rozbiórkowe w pasie drogowym obiektów budowlanych lub resztek starych

budowli i fundamentów, ogrodzeń itp. • przełożenie z pasa drogowego urządzeń nadziemnych i podziemnych jak: przewody

kablowe, rurociągi, słupy energetyczne i telefoniczne itp. • osuszenie i odwodnienie pasa terenu, na którym roboty ziemne będą wykonywane • urządzenie dróg objazdowych, dróg dojazdowych, przejazdów itp. dla utrzymania

ciągłości komunikacji i dla obsługi transportowej terenu budowy • zdjęcie darniny, humusu i warstwy ziemi roślinnej z pasa terenu w miejscu

projektowanych nasypów i wykopów oraz zmagazynowanie tych materiałów w celu późniejszego ich wykorzystania przy robotach zabezpieczających, jak darniowanie, obsiewanie trawą itp.

W toku prac przygotowawczych bardzo ważne jest prawidłowe odwodnienie terenu przyszłych robót ziemnych, a więc: • należy umożliwić spływ wód opadowych z powierzchni pasa terenu zajętego pod

wykonywanie danej budowli ziemnej • należy wykonać urządzenia odwadniające, jak rowy odprowadzające, dreny, kanały itp. • wyrównać wszelkie zapadnięcia terenu, w których może gromadzić się woda • wykonać urządzenia zabezpieczające na terenach zagrożonych osuwiskami Odwodnienie terenu robót ziemnych w przekopach można uzyskać przez wykonanie robót stokowych (górnych) i budowanie przekopu w kierunku wzniesienia niwelety osi torowiska. Zapewnić to powinno naturalny spływ wód opadowych oraz sączących się wód gruntowych ze skarp przekopu i z rowów bocznych. Można również nadać jednostronny spadek poprzeczny dna przekopu rysunek 2. Odwodnienie robót ziemnych na odcinku nasypów polega na wykonaniu przepustów w linii cieków, względnie mostów a następnie rowów bocznych. Jest to tak zwane odwodnienie technologiczne – wykonywane na okres trwania robót technologicznych budowli ziemnej. Racjonalne jego stosowanie to pełne wykorzystanie i uprzednia budowa docelowych urządzeń odwadniających

Rys. 2




39

1.3. Wyznaczanie konturów robót ziemnych Zarys robót ziemnych wyznacza się poprzez naniesienie punktów przecięcia się skarp nasypów lub skarp przekopów z terenem we wszystkich punktach charakterystycznych profilu podłużnego, dla których wykonane zostały przekroje poprzeczne. Na przekrojach poprzecznych podawane są odległości tych punktów od osi torowiska. Łącząc ze sobą punkty przecięcia się skarp nasypu z terenem oraz skarp przekopu z terenem za pomocą linii ciągłej otrzymuje się krawędź zarysu robót ziemnych. Krawędź ta oznaczona jest rowkiem lub też w inny trwały sposób - rysunek 3

Rysunek 3

W czasie rozpoczynania robót ziemnych, krawędź zarysu podstawy nasypów lub górnej krawędzi wykopu i kontury podtorza powinny być stale kontrolowane bądź odtwarzane w celu wyeliminowania przestojów sprzętu mechanicznego lub formowania budowli ziemnej niezgodnie z projektem. Najprostszym sposobem odtwarzania krawędzi zarysu robót ziemnych jak również konturu podtorza jest wykonanie pomiarów kontrolnych w nawiązaniu do osnowy geodezyjnej (rys 4) Kontury podtorza zarówno w nasypie jak i w wykopie można wyznaczać za pomocą najprostszych przyrządów, w rodzaju Ø węgielnica • poziomica • łata i taśma • krzyże niwelacyjne • trójkąty skarpiarskie • szablony




40

Rysunek 4

Kontury podtorza wyznacza się we wszystkich jego punktach charakterystycznych. W każdym przekroju poprzecznym podtorza oznaczona jest na profilu: • głębokość przekopu lub wysokość nasypu w osi drogi • wysokość punktów przecięcia się skarp przekopów i nasypów z terenem • odległość przecięcia się skarp przekopów i nasypów z terenem od osi trasy W budownictwie komunikacyjnym, przy wytyczaniu konturów przekrojów poprzecznych budowli ziemnej mogą wystąpić dwa przypadki: • teren jest poziomy – rys.5 i 6 • teren jest pochylony w stosunku do osi drogi – rys 7

Rysunek 5

a) teren poziomy Zarys przekroju poprzecznego budowli w przekopie w terenie poziomym wyznacza się odmierzając od osi drogi wartość x1 = x2 (rys 6) Wartość x1 oraz x2 można określić

x1 = x2 = 0,5Bw + m(Ht - Hn) = 0,5Bw + mH Zarys przekroju poprzecznego budowli ziemnej w nasypie wyznacza się analogicznie jak w przekopie, a wartości x1 i x2 oblicza się na podstawie wzoru:

x1 = x2 = 0,5Bn + m(Hn - Ht) = 0,5Bn + nH




41

Zarówno w przekopie jak i w nasypie punkty A i B (punkty przecięcia się skarp nasypu z terenem w danym przekroju poprzecznym) stabilizuje się za pomocą palików oznaczając je kolejnymi numerami od początku trasy, a następnie niweluje i stabilizuje świadkami. Rysunek 6 przedstawia ponadto sposób postępowania przy wyznaczaniu skarp nasypu w miarę jego wznoszenia się na kolejne wysokości.

Rysunek 6

b) teren pochyły Wyznaczenie zarysu przekroju poprzecznego podtorza w przekopie polega na odmierzeniu od osi torowiska wartości x1, wartości x2 oraz odległości x3 od punktu B do punktu E (rys. 7) Wartości x1, x2 oraz x3 określa się ; x1 = 0,5Bw + m(Ht - Hw – h) = 0,5Bw + m(H – h) gdzie : h = Ht - Hc x2 = 0,5Bw + m(Ht - Hn) = 0,5Bw + mH x3 = m(h1 + h2 + h3) Wysokość terenu w punktach O, C i D oznaczono na palikach.

Rysunek 7

Wytyczenie konturu przekroju poprzecznego torowiska zmiennego w nasypie przy terenie pochyłym polega na odmierzeniu od osi torowiska odległości x1 oraz x2 (rys. 8)




42

Odległości x1 oraz x2 można obliczyć, jako:

x1 = 0,5Bn + n(Hn - Hb) = 0,5Bn + n(H + h3) x2 = 0,5Bn + n(Hn - HA) = 0,5Bn + n(H - h)

Rysunek 8

W praktyce budowy nasypów zarówno w terenie płaskim jak i pochyłym mogą wystąpić dwa przypadki zachowania się nasypów po oddaniu ich do eksploatacji: • wymiary i kształt nasypu prawie nie ulega zmianie • wymiary nasypu ulegają zmianie wskutek procesów osiadania Jeżeli osiadanie nasypu po oddaniu go do eksploatacji wynosi od 0,1 % do 1,0 % jego wymiarów, to przyjmuje się, że nie ulega on zmianie (ma to miejsce wówczas, gdy formowanie zasypu odbywa się z równoczesnym zagęszczaniem gruntu wbudowanego w nasyp). Jeżeli grunt nie został zagęszczony do wymaganej wartości to wymiary nasypu po jego oddaniu do eksploatacji ulegną zmianie i należy to uwzględnić przy wyznaczaniu zarysu przekroju poprzecznego podtorza nasypu. Na rysunku 6 przedstawiono również kontury torowiska ziemnego przy uwzględnieniu przyszłego osiadania nasypu. W tablicy 1 zestawiono orientacyjne wartości ΔB oraz ΔH w zależności od wysokości nasypu oraz szerokości korony torowiska ziemnego dla terenu o pochyleniu poprzecznym mniejszym od 10 %.

Tablica 1. Zwiększenie wymiarów wysokości i szerokości nasypów wskutek osiadania

Rodzaj gruntu Δ H Δ B grunty gliniasto-ilaste 0,083 0,125

grunty gliniasto-piaszczyste 0,071 0,111 piaski 0,043 0,066 żwiry 0,033 0,040

rumosz kamienny 0,025 0,025




43

Ilustrację tych przypadków zawiera ostatnia strona niniejszego materiału.




44

2. Roboty ziemne przy modernizacji dróg komunikacyjnych Przebudowa podtorza gruntowego polegająca na poprawie parametrów wytrzymałościowych i zmianie parametrów geometrycznych wynika z konieczności przystosowania się do zwiększonych prędkości i obciążeń eksploatacyjnych. Podtorze przebudowuje się najczęściej w następujących przypadkach:

• gdy należy zwiększyć szerokość drogi • gdy zachodzi potrzeba zmian geometrycznych danej trasy w związku z modernizacją

pochyleń podłużnych w planie i w profilu (zmiany promieni luków, krzywych przejściowych, przechyłki itp.)

• gdy zagrożone jest bezpieczeństwo ruchu z powodu braku stateczności podtorza • z powodu zwiększenia obciążeń eksploatacyjnych.

2.1. Przebudowa przekopów Przekopy mogą być modernizowane lub naprawiane. Modernizacja dotyczy z reguły poszerzenia przekopów. Poszerzanie wykonywane jest głównie metodą bocznego wybierania gruntów, przy zastosowaniu koparek i zgarniarek:

• przy zastosowaniu koparek z osprzętem przedsiębiernym, gdy koparki znajdują się w samym przekopie

• przy zastosowaniu koparek z osprzętem podsiębiernym, ustawionych na górnej krawędzi przekopu

• przy zastosowaniu zgarniarek, które przemieszczają urobek podłużnie, wzdłuż całego przekopu, a więc poszerzenie budowane jest metodą warstwową.

Sposoby przebudowy podtorza kolejowego przy zastosowaniu koparek przedstawia rys. l0.

Rysunek l0. Ustawienie koparki przy poszerzaniu przekopu

Natomiast naprawa obejmuje szerszy zakres przypadków będący następstwem deformacji lub katastrof podtorza w przekopach. Odkształceniom ulegają najczęściej skarpy przekopów. Stateczność skarp przekopów zależy od rodzaju gruntów, warunków hydrogeologicznych, głębokości i pochylenia skarpy. Szczególnie niebezpieczne w przekopach są grunty pylaste, gliniaste i ilaste.




45

W przypadkach płytkiego zalegania wody gruntowej, tworzą się w gruntach pylastych wysadźmy, zarówno w torowisku jak i w skarpach przekopu, a w tych ostatnich również osuwiska. Zakres robót przy likwidacji katastrof podtorza w przekopach obejmuje:

• łagodzenie pochylenia skarp • obniżenie poziomu wody gruntowej i poprawę odwodnienia • wykonanie ław ochronnych • wymianę i wzmocnienie gruntów.

Zagadnienie utrzymania, napraw i przebudowy podtorza powinno być zawsze wykonywane równolegle z robotami nawierzchniowymi lub wyprzedzająco, ponieważ w istotny sposób rzutuje na wielkość kosztów, bezpieczeństwo i przepustowość dróg.

2.2. Przebudowa nasypów W przypadku nasypów z gruntów niespoistych usuwa się w miejscu łączenia starego i nowego gruntu roślinność, darń i humus. Jeżeli nasyp jest wyższy od 1,0 m, wykonuje się stopnie w poszerzanej skarpie nasypu (rys. 11), względnie spulchnia się wierzchnią warstwę gruntu na głębokość 10-15 cm. Dla nasypów o wysokości większej od 6,0 m projektuje się indywidualne rozwiązania zapewniające stateczność podtorza (mury oporowe, przypory itp.).

Rysunek 11. Poszerzanie nasypu

Górne warstwy poszerzanych nasypów wykonuje się z gruntów przepuszczalnych i z pochyleniem na zewnątrz (rys. 12).

Rysunek 12. Przekrój nasypu poszerzanego




46

Technologia robót poszerzania polega na sypaniu gruntu od podstawy nasypu, warstwami o grubości 0,5-0,8 m przy zastosowaniu spycharek lub zgarniarek i transportu samochodowego z jednoczesnym nacinaniem stopni w starej skarpie (rys. 13a). Drugi sposób polega na sypaniu gruntu z góry, używając do tego celu wagonów samowyładowczych (rys. 13b).

Rysunek 13. Poszerzanie nasypu: a) od podstawy; b) od góry




47

VIII. TECHNOLOGICZNE WYKONYWANIE BUDOWLI ZIEMNYCH

1. Ogólne zasady wykonywania przekopów i nasypów Podstawową zasadą wykonywania przekopów jest wykonywanie ich w kierunku wznoszenia się niwelety osi torowiska, co umożliwia naturalny odpływ wód opadowych z przekopu. Sposoby odspajania gruntów w przekopach: • przy użyciu koparek lub koparko-ładowarek • przy użyciu zgarniarek spycharek i równiarek

2. Wykonywanie budowli ziemnych w warunkach typowych

2.1. Budowa przekopów Sposób wykonywania przekopów zależy od posiadanych przez wykonawcę środków technicznych oraz rodzaju i ilości gruntów na trasie robót. Sposoby te to: • warstwowy podłużny • czołowy • głębokich wcięć. Wybór sposobu zależy od jego długości i głębokości, właściwości geotechnicznych gruntu, ukształtowania terenu i układu geologicznego warstw. Wybór środków mechanicznych jak spycharki, zgarniarki, koparki i równiarki zależy od spójności, ciężaru i ilości gruntu do wydobycia.

2.1.1. Wykonanie przekopów sposobem warstwowym Prace wykonuje się warstwami o niewielkiej grubości (ok. kilkunastu centymetrów – rys. 1) albo grubymi warstwami o grubości do 2,0 m i więcej (rys.2). Budowa przekopu cienkimi warstwami polega na zastosowaniu koparek lub koparko-ładowarek, które przekopują wzdłuż odcinek trasy warstwami (rys. 2), ładując urobek na środki transportowe.

2.1.2. Wykonanie przekopów sposobem czołowym Sposób czołowy stosowany jest w terenie mocno pofałdowanym oraz w terenie podgórskim i górskim, przy wykonywaniu krótkich i głębokich wykopów (rys. 3). Najczęściej prowadzi się je na stokach bocznie pochylonego terenu, w tzw. przekrojach odcinkowych (rys 4).




48

Rysunek 1

Rysunek 2

Rysunek 3




49

Rysunek 4

2.2. Budowa nasypów

2.2.1. Wykonywanie nasypów metodą warstwową Jest to najczęściej stosowana metoda wykonania nasypów. Grunty wbudowane są warstwami o różnej grubości (8-35 cm) w przypadku zastosowania spycharek lub zagniatarek oraz 50-100 cm w przypadku zastosowania koparko-ładowarek i samochodów. Nasyp jest formowany w kierunku podłużnym od razu na całej długości szerokości, a równocześnie jest zagęszczany wskutek przejazdu środków dowożących grunt. Rys 5 przedstawia dwa sposoby budowy nasypów metodą warstwową: • kiedy środki transportu dojeżdżają na niższy poziom w danym przekroju poprzecznym o

wysypują grunt obok siebie z dołu (sposób wyprzedzający) • lub wjeżdżają na warstwę nawiezionego gruntu i wysypują go z góry (sposób nadążający).

Rys. 5




50

2.2.2. Wykonywanie nasypów metodą boczną i czołową Nasypy wykonywane tymi metodami formuje się od razu na całą wysokość, niezależnie od miąższości urabianych warstw. Dowożone grunty sypane są z góry nasypu w bok (metoda boczna – rys. 6) lub od czoła (metoda czołowa – rys 7), względnie jako kombinacja tych metod. Metoda czołowa jest najczęściej stosowana, gdy nasyp przekracza głębokie kotliny lub jary oraz na podejściach do rzek.

Rys. 6

Rys. 7

3. Wykonywanie budowli ziemnych w trudnych warunkach

3.1. Wykonywanie w trudnych warunkach geotechnicznych Jeżeli przekop przebiega w gruntach wysadzinowych, pogłębia się go na głębokość przemarzania licząc od projektowanej niwelety, a grunt wysadzinowy zastępuje siępiaskiem lub żwirem. Jeżeli w przekopie występują grunty nawodnione lub kurzawki, to grunty takie należy osuszyć, ulepszyć (np. poprzez stabilizację cementem) lub wymienić.




51

3.1.1. Wykonywanie przekopów w gruntach wysadzinowych Grunty ilaste, ilasto-gliniaste, lessowe lub z domieszkami pyłów mające zdolność zatrzymywania lub podciągania kapilarnego wody zaliczane są do grupy gruntów wysadzinowych. Właściwość ta ujawnia się wtedy, gdy są poddane w strefie przemarzania działaniu mrozu dostatecznie długo i mają możliwość zasilania w wodę. Grunty takie powinny być usunięte na głębokość przemarzania stwierdzoną dla danej okolicy i zastąpione materiałem niewysadzinowym (piasek, żwir, pospółka). Najlepsze wyniki osiąga się stosując wymianę gruntu i obniżenie zwierciadła wody gruntowej. Przy wymianie warstw wysadzinowych nadaje się poprzeczne pochylenia rzędu 5 % w kierunku ułożonych pod rowami bocznymi drenów (rys. 8).

Rys. 8

3.1.2. Nasypy na słabych gruntach W praktyce robót ziemnych stosuje się dwie metody budowy nasypów na gruntach bagnistych: • z pozostawieniem warstw słabych gruntów pod nasypem lub częściowym tylko ich

usunięciem (stosuje się zazwyczaj na trasach o drugorzędnym znaczeniu komunikacyjnym)

• z całkowitym ich usunięciem z podstawy nasypu (stosuje się na drogach o dużym znaczeniu komunikacyjnym oraz gdy stosuje się konstrukcje nawierzchni wymagające trwałego i nośnego podłoża)

Na rys. 9 pokazany jest nasyp posadowiony na gruncie mineralnym po uprzednim całkowitym usunięciu pokładu torfu. Rozwiązanie takie zaleca się stosować jeżeli grubość pokładu torfu nie przekracza 2-3 m. Daje ono gwarancję pełnej stateczności nasypu, który będzie oparty na stałym podłożu nośnym.

Rys. 9




52

Rys. 10 przedstawia przykład nasypu częściowo zanurzonego w pokładach torfu, po jego częściowym usunięciu. Rozwiązanie takie znajduje zastosowanie przy miąższości torfu większej niż 2-3 m.

Rys. 10

Częściowe usunięcie słabonośnych gruntów można uzyskać również przez wykonanie w nich przecięć bocznych do mineralnego dna błota wzdłuż obu krawędzi podstawy nasypu (rys 11).

Rys. 11

3.1.3. Wykonanie nasypów na terenach zalewowych Nasypy na terenach zalewowych, do których zalicza się sąsiedztwo rzek i zbiorników wodnych buduje się według specjalnych zasad. Z reguły projektuje się w takich przypadkach zmienne pochylnie skarp: inne od strony wody, a inne w przeciwnej stronie, a wystającą ponad wielką wodę koronę torowiska umieszcza się na wysokości nie mniejszej niż 0,5-1,0m. Część podwodna skarpy jest zabezpieczona narzutem kamiennym, brukiem lub faszyną. W celu uniemożliwienia przesączania się wody na drugą stroną nasypu stosuje się wewnątrz korpusu ziemnego rdzeń z nieprzepuszczalnych gruntów, takich jak gliny i iły, lub nasącza się środkami chemicznymi grunty, z których wykonano nasyp (rys. 12).




53

Rys. 12

3.1.4. Inne sposoby wzmacniania słabych podłoży budowli ziemnych W praktyce inżynierskiej często zachodzi konieczność lokalizacji budowli ziemnych na gruntach o niewystarczającej nośności. Dotyczy to zarówno gruntów naturalnych na obszarach zalewowych, jak też utworzonych przez człowieka (antropogenicznych) np. nasypy w wyrobiskach gliny, żwiru, torfu. Obiekty wywierające duże obciążenie jednostkowe, wrażliwe na nierównomierne osiadanie, jak: mosty, zbiorniki wieżowe, kominy itp., zazwyczaj posadawia się bezpośrednio na gruncie rodzimym o wystarczającej nośności, usuwając grunty nasypowe. Jeżeli warstwy nasypowe mają dużą grubość oraz niewystarczającą nośność do bezpośredniego posadowienia, to budowle fundamentuje się za pośrednictwem pali. Natomiast urządzenie odwadniające, oraz obiekty typu lekkiego, jak: osadniki, zbiorniki, komory napowietrzania, kanały, kolektory i inne obiekty wywierające niewielkie obciążenia jednostkowe na podłoża, nie wymagają takich kosztownych rozwiązań. W wielu przypadkach jednak wzmacnia się istniejące podłoża stosując:

• wstępne obciążenie • wibrowanie powierzchniowe i wgłębne • pale gruntowe i ze spoiwami hydraulicznymi • iniekcje cementowe i spoiw chemicznych • drenowanie głębokie • wtłaczanie tłucznia i żwiru.




54

Wstępne obciążenie podłoża gruntowego stosuje się w wypadku gruntów spoistych i organicznych (namuły, torfy). Polega ono na usypaniu na miejscu przyszłej budowy odpowiedniego nasypu z gruntu lub kamienia o obciążeniu przekraczającym nieco przewidywane naciski, ale nie powodującym naruszenie równowagi podłoża (wypierania torfu). W zależności od rodzaju gruntu, obciążenie wstępne trwa kilka miesięcy lub dłużej. Skuteczność tej metody jest większa, jeśli uprzednio zostaną wykonane w podłoży pale (dreny) pionowe piaskowe lub żwirowe, co zapewnia szybsze oraz skuteczniejsze zagęszczenie.

W podłożach, gdzie występują grunty niespoiste, można uzyskać odpowiednie wyniki stosując wibrowanie przy użyciu wibratorów o masie od 0,3 ÷ 3,5 t. Tymi też urządzeniami wykonuje się tzw. wibroflotację. Wibratory takie pogrąża się w grunt w strefie wypłukiwania. Podczas ich wyciągania następuje zagęszczenie gruntu w strefie o średnicy 1,5 ÷ 2,5 m. w wyniku takiej operacji powstaje lej, który zasypywany jest piaskiem, o dobranym odpowiednio uziarnieniu. Wibratory o masie 0,3 t. mogą zagęścić grunt do głębokości 5 m., natomiast o masie 2,5 ÷ 3,5 t. nawet do 35 m. Ilość gruntu uzupełniającego podczas zagęszczania wibratorami dochodzi do 20 % zagęszczonej masy. Ten sposób wzmacniania gruntu jest również stosowany do zwiększenia kąta tarcia wewnętrznego, np. przy ściankach szczelnych, w ścianach oporowych, co może być wykorzystane do zmniejszenia parcia gruntu i zwiększenia oporu gruntu.

Wibrowanie jest stosowane również do zagęszczenia gruntów spoistych powyżej zwierciadła wody. Wibrator wytwarza w gruncie otwór o średnicy 25 ÷ 30 cm, który wypełnia się żwirem lub tłuczniem i również zagęszcza tym samym wibratorem. Wtłoczony w grunt żwir lub tłuczeń tworzy pal (słup) o średnicy około 50 cm.




55

IX. ODWADNIANIE BUDOWLI ZIEMNYCH

Podstawowym tworzywem do konstrukcji budowli ziemnych jest grunt budowlany. W większości przypadków są to kruszywa naturalne, zawierające pewne ilości wody, w różnej postaci. Ponadto w warunkach zewnętrznych, następuje ciągła zmiana zawartości wody w gruncie, przy znacznych zmianach temperatur. Szczególnie w warunkach zimowych, przy przewilgoceniach gruntu mogą powstać istotne destrukcje budowli ziemnej. Dlatego też, zadaniem podstawowym przy ich eksploatacji jest odwodnienie, lub co najmniej kontrolowanie ilości wody znajdującej się w obrębie danej budowli. W tym zakresie posługujemy się budową określonych urządzeń odwadniających. Urządzenia te, wzajemnie powiązane i współpracujące tworzą integralny system obiektów inżynierskich odwadniania budowli ziemnych.

W przypadku komunikacyjnych budowli ziemnych wszelkie obiekty inżynierskie, w tym obiekty odwodnienia, muszą spełniać określone warunki techniczne i być stosownie usytuowane. (Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000r.). W sposób szczegółowy zagadnienia te reguluje PN-S-02204 - Odwodnienie dróg. Kwestie odwodnień w budownictwie kolejowym oprócz regulacji specyficznych, odpowiadają zasadom ogólnym. Do podstawowych urządzeń odwadniających należą; rowy, dreny i przepusty. W zakresie podstawowych zasad budowy nie różnią się istotnie przy poszczególnych rodzajach budowli ziemnych. Są nawet wspólne w innych dziedzinach gospodarczych, np. w rolnictwie gdzie stosuje się meliorację. Nie mniej, odmienne warunki techniczne jakie powinny spełniać budowle autostradowe, drogowe i kolejowe determinują różnice kryteriów konstrukcyjnych urządzeń odwadniających. Odwodnienie budowli ziemnych to głównie rowy, przepusty, dreny oraz odwodnienie techno-logiczne. Sposoby ochrony budowli ziemnych przed działaniem wody mogą być podzielone na dwie grupy:

a) ujęcie i odprowadzenie wód powierzchniowych b) odwodnienie wgłębne podłoża gruntowego.

Odwodnienie powierzchniowe przeprowadza się przez: - nadanie powierzchniom robót ziemnych odpowiednich spadków podłużnych i

poprzecznych - wykonanie ścieków oraz rowów przydrożnych i stokowych - założenie kanalizacji - wykonanie rowów melioracyjnych - wykonanie przepustów dla odprowadzenia wód.




56

4. Rowy

4.1. Rowy trapezowe Przekroje poprzeczne rowów trapezowych przedstawia rysunek l.

Rysunek 1. Przekroje trapezowe rowów przydrożnych

4.2. Rowy trójkątne Przekroje poprzeczne rowu trójkątnego przedstawia rysunek 2.

Rysunek 2. Przekroje poprzeczne rowów trójkątnych

4.3. Rowy opływowe Rowy opływowe są to płytkie rowy trójkątne o wyokrąglonych kształtach. Kształt i wymiary rowów opływowych zgodnie z wymaganiami normatywnymi pokazano na rysunku 3.




57

Rysunek 3. Rów opływowy

4.4. Ścieki brukowane Zaleca sieje stosować w wykopach. Są to płytkie utwardzone łożyska przeznaczone dla małych strug wodnych. Przekroje poprzeczne ścieków dwuskrzydłowych i jednoskrzydłowych są pokazane na rysunku 4.

Rys. 4. Ścieki brukowane

4.5. Ścieki betonowe Ścieki tego rodzaju układa się z gotowych elementów prefabrykowanych. Kształt i wymiary ścieków betonowych przedstawia rysunek 5.

Rysunek 5. Betonowe elementy ścieków (a - ściek trapezowy; b - ściek segmentowy)

4.6. Rowy skarpowe górne (stokowe) Stosuje się na odcinkach dróg przebiegających po zboczach górskich lub w głębokich wykopach. Przekrój poprzeczny drogi z rowem stokowym przedstawia rysunek 6.




58

Rysunek 6. Przekrój poprzeczny drogi z rowem stokowym

4.7. Warunki techniczne Ilość wody odprowadzanej rowem każdego rodzaju zależy od powierzchni jego przekroju poprzecznego, stopnia szorstkości dna i skarp na obwodzie zwilżonym oraz od spadku podłużnego. Gdy spadek podłużny jest za duży, grozi to rozmyciem dna rowu, a jeśli zbyt mały - zamuleniem. Przeciwdziałanie rozmyciu polega na umacnianiu dna i skarp rowów poprzez darniowanie, brukowanie, układanie elementów prefabrykowanych itp., bądź wykonanie ścieków, rynien lub kaskad. Rozmycie nie wystąpi, jeśli spadki podłużne nie przekroczą wielkości krytycznych dla danego rodzaju gruntu, w którym wykonany jest rów

Największe dopuszczalne pochylenia podłużne rowów w zależności od rodzaju gruntu i sposobu umocowania dna rowu zestawiono w tablicy l. Zamulenie rowu następuje przy szybkości wody mniejszej od 0,4 m/s, a zarastanie roślinnością - przy szybkości mniejszej od 0,6 m/s. Szybkość ta występuje przy pochyleniu podłużnym rowu mniejszym od 2%. Obowiązuje zasada, że w większości przypadków spadek rowu powinien odpowiadać lub powinien być zbliżony do spadku niwelety trasy. Tablica 1. Największe pochylenie podłużne rowów w zależności od rodzaju gruntów i

sposobu umocowania

Rowy bez zabezpieczenia dna i skarp

Pochylenie [%]

Rowy z umocnionymi: dnem i skarpami

Pochylenie [%|

Grunty piaszczyste 1,5 Darniną 3,0 Grunty piaszczysto- 2,0 Faszyną 4,0 gliniaste, pylaste i pyłowe Brukiem 6,0 Grunty gliniaste i ilaste 3,0 Brukiem na warstwie podsypki

cemen- 15,0

Grunty skaliste 10,0 towo-piaskowej z wypełnieniem spoin zaprawą cementową Betonowymi elementami prefabryko 13-16 wanymi bez zalania spoin zaprawą Z zalaniem spoin do 20 Przykłady sposobów umocnienia rowów przedstawiają rysunki 6, 7 i 8.




59

Rysunek 7. Umocnienie rowu darniną

Rysunek 8. Umocnienie rowu brukiem

Rysunek 9. Umocnienie rowu ściekowymi elementami betonowymi

4.8. Konstrukcja rowów Pochylenie podłużne i kształt poprzeczny rowów wynika z klasy technicznej drogi lub kategorii kolei. Zależy także od ukształtowania terenu, rodzaju gruntu oraz od wykorzystanych przez wykonawcę środków technicznych do umocnienia dna i skarp przed rozmywaniem. Ponadto, aby rowy spełniały swą funkcję, musi istnieć należyty spływ wody. Zaznaczyć należy, że projektowanie niwelety trasy w stosunku do wymienionych uwarunkowań może spowodować wzrost objętości robót ziemnych lub zwiększenie szerokości pasa wywłaszczenia.




60

Konstrukcja rowów dla dróg samochodowych i dla kolei jest nieco odmienna. Przekroje rowów dróg samochodowych mają z powodów bezpieczeństwa łagodniejsze pochylenia skarp i mniejsze głębokości niż rowy kolejowe. W obu przypadkach chodzi o dobór takich kształtów i wymiarów rowów, aby uzyskać w każdych warunkach odwodnienie zlewni ciążącej do danego rowu. Uwzględniając wspomniane czynniki mogące podrożyć koszty odwodnienia, stosuje się albo minimalne spadki dna rowów, aby ich nie umacniać, albo maksymalne - dla stosowanego sposobu zabezpieczenia, bądź zmienia się ich kształt, stosując rynny i kaskady, najczęściej w terenie górzystym.

Największe dopuszczalne prędkości wody w rowach nie umocnionych, w zależności od gruntu, w którym zostały wykonane, podano w tablicy 2. Natomiast dopuszczalne prędkości wody w rowach w zależności od rodzaju umocnienia zestawiono w tablicy 3.

Tablica 2. Graniczne prędkości wody w rowach rozmywających grunty, w których zostały wykonane

Rodzaj gruntu Vmax [m/s] Rodzaj gruntu Vmax

[m/s] Drobnoziarniste piaski Piaski średnie i gliniaste Piaski grube Torfy Żwiry o frakcji 2-25 mm Gliny Żwir o frakcji 25-40 mm Rumosz, wietrzeliny, żwir gruby o frakcji 40-75 mm

0,35 0,50

0,6-0,7 0,4-0,8 0,8-1,2 0,8-1,2

1,4 1,7

Zwały kamieniste o frakcji 5-200 mm Łupki i margle średnio twarde Wapienie i piaskowce Skały miękkie Skały zwięzłe, granity, bazalty, porfiry itp.

2,0-2,5 2,2-2,6 3,5-4,5 4,0-5,0

15

Tablica 3. Dopuszczalne prędkości wody w rowach umocnionych

Sposób umocnienia Vmax [m/s] Sposób umocnienia

Vmax [m/s

] Darniowanie:

a) na płask, b) w płotkach wiklinowych, c) darnina podwójna w płotkach

wiklinowych, Narzut kamienny:

a) z kamieni 12-20 cm, b) z kamieni 20-25 cm, c) z kamieni w płotkach 15-20 cm, d) z kamieni w płotkach 20-25 cm

Bruki pojedyncze i podwójne: a) na mchu, b) na płotkach wiklinowych, c) podwójne na warstwie tłucznia, d) z umocnieniem górnej warstwy

zaprawą cementową

1,0 1,5

2,0-2,5

1,5-1,8 1,8-2,0 1,8-2,0 2,2-2,6

2,0-2,8 2,5-3,5 3,8-4,2 5,0-6,5

Z płyt betonowych: (brzegosłony typowe)

a) płaskie, b) kryte

Materace faszynowe, koryta:

a) drewniane, b) z kamienia łamanego, c) betonowe

Ściany oporowe z kamienia lub betonowe Umocnienia tymczasowe

a) z faszyny o grubości 15-15 cm b) z koszek faszynowych, c) kamienno-faszynowe

3,0

1,5 2,5

3,0-3,5 6,0-8,0 5,0-6,5 7,0-8,0 8,0-12,0

1,2 2,2 3,3




61

Prędkości obliczeniowe wody w rowach mogą przekraczać największe dopuszczalne wartości podane w tab. 2 i 3 o 20%, gdyż woda w pobliżu dna zmniejsza swą prędkość z powodu tarcia do 0,8 prędkości strugi.

Prędkość przepływu wody w rowach nie może powodować rozmywania dna i skarp, ani zamulania (Vmin 0,4 m/s) lub zarastania trawą (Vmin = 0,6 m/s). Dlatego należy projektować wypośrodkowane pochylenia podłużne dla danego rodzaju gruntu i unikać gwałtownych załamów lub zmiany przekroju rowów. W gruntach suchych głębokości rowów i spadki mogą być minimalne, a na wododziałach, gdy zwierciadło wody występuje poniżej l,50m od krawędzi torowiska, rowów można nie stosować. Zabezpieczenie rowu przed rozmyciem polega na umocnieniu dna i skarp w zależności od prędkości przepływu wody. Według niegdyś obowiązującej normy branżowej BN-67/8936-01 sposoby umocnienia rowów zestawiono w tab.4.

Uformowane podczas robót kształty poprzeczne przekopów (ukopów) i nasypów (odkładów) oraz rowów wymagają utrwalenia, w celu zapobiegania jakimkolwiek odkształceniom, a głównie odkształceniom z powodu erozji. Stosowane są następujące sposoby umacniania skarp:

– roślinnością (odpowiednimi trawami lub krzewami), – darniną (kilka sposobów), – płotkami wiklinowymi lub faszyną, – brukiem, – elementami betonowymi, – chemicznie.

Tablica 4. Sposoby umocnienia rowów wg normy BN-67/8936-01 w zależności od prędkości

przepływu wody

Prędkość przepływu wody [m/s]

Sposób umocnienia

do 0,2 0,2-0,6 0,6-1,5 1,5-2,0 2,0-3,0

3,0

> bez umocnień > darnina na płask > darnina rzędem > darnina na płask umocniona faszyną lub brukiem pojedynczym > brukiem podwójnym lub wiązkami faszynowymi w kratę,

wypełnionymi kamieniami > faszyna w kratę, zabrukowana obitka brzegu z narzutem

kamiennym, okładzina z płyt betonowych otworowanych lub pełnych

5. Przepusty Dla ułatwienia pracy, były Centralny Zarząd Dróg Publicznych Ministerstwa Komunikacji wydał "Projekty typowych przepustów drogowych", które zawierają typowe rysunki kon-strukcyjne przepustów drogowych rurowych o średnicach 0,60, 0,80, 1,00, 1,25, i 1,50 m. Są to powszechnie używane typy przepustów jedno, dwu- i trzyrurowych, prostych i ukoś-nych.




62

Elementy przepustów (rury betonowe i żelbetowe) układa się na zagęszczonym gruncie podłoża. Na podłoże należy stosować żwiry i grunt stabilizowany cementem o grubości warstwy zależnej od wytrzymałości gruntu rodzimego według odpowiednich typów. Przepust jako obiekt drogowy buduje się dla przepuszczenia wód opadowych zbierających się w najniższych miejscach zlewni z jednej strony drogi na drugą. Przykłady typowych przepustów przedstawiono na rys. 10 i 11.

Rysunek 10. Typowy przepust ramowy

Rysunek 11. Typowe przepusty sklepione




63

6. Dreny Bezpośrednimi lub pośrednimi odbiornikami wód podziemnych mogą być: rzeki, potoki, rowy, jeziora, stawy, zbiorniki wodne, parowy i wąwozy.

Odbiornik wód podziemnych powinien umożliwiać wytworzenie i utrzymanie takich stosunków wodnych w gruntach, jakie narzuca sposób ich zagospodarowania. Dlatego decydujące znaczenie ma utrzymanie w odbiorniku odpowiednio niskich stanów wody, umożliwiających grawitacyjny dopływ wód podziemnych.

Obniżenie zwierciadła wody w cieku odwadnia przyległy teren dzięki obniżeniu poziomu wód podziemnych. Takie rezultaty można uzyskać dzięki wyprostowaniu zatoki, skróceniu trasy, zwiększeniu spadków i pogłębieniu koryta. W pewnych szczególnych wypadkach, gdy zagadnienia melioracyjne mają duże znaczenie dla regulacji stosunków wodnych, projekt szlaku komunikacyjnego musi być poprzedzony projektem melioracji podstawowych, opracowywanym przez specjalistów budownictwa wodnego lub melioracyjnego.

Odwodnienie wgłębne obszarów chronionych może być prowadzone dwoma sposobami, a mianowicie:

– system rowów otwartych, – system drenażu.

W budownictwie komunikacyjnym do odwodnień wgłębnych najchętniej jest stosowany system drenarski.

Na terenach chronionych, nadmiernie nawodnionych i o zbyt wysokim poziomie wody podziemnej, których osuszenie następuje wyłącznie wskutek parowania, z reguły konieczne jest stosowanie systemów drenarskich, w celu szybkiego odprowadzenia nadmiaru wody. Działanie ciągu drenarskiego założonego poniżej zwierciadła wody gruntowej polega na przesączaniu się wody do wnętrza rur przez szczeliny stykowe, a częściowo przez ścianki. Zasadę działania drenów przedstawia rysunek 12.

Rysunek 12. Działanie drenów

W zależności od sposobu zakładania drenów rozróżnia się trzy rodzaje drenowania:

- drenowanie poziome (rys. 12); konstrukcję drenu przedstawia rys. 13 - drenowanie pionowe, przy którym wykonuje się pionowe otwory rozmieszczone w

odpowiednich odstępach, wypełnione materiałem drenującym. Zadaniem ich jest skierowanie wód gruntowych z odwadnianej warstwy poprzez pokłady gruntów nieprzepuszczalnych w głąb do niżej zalegającej warstwy gruntu przepuszczalnego (rys. 14)

- drenowanie kombinowane, które stanowi odpowiednie powiązanie obu rodzajów drenaży




64

Rysunek 13. Konstrukcja drenu

Rysunek 14. Dren pionowy

W budowlach komunikacyjnych odwadniające systemy drenarskie są stosowane:

– w drogownictwie - drenaż: korony drogi, skarp, koryta drogi, podstawy nasypu, odwadniający powierzchnie poślizgu dla stabilizacji osuwisk;

– w kolejnictwie - drenaż: równi stacyjnych, rozjazdów, urządzeń zabezpieczenia ruchu pociągów, terenów nawodnionych w rejonie osuwisk;

– w budownictwie lotnisk - drenaż lotniskowy służy do szybkiego odprowadzania wód podziemnych, zarówno spod nawierzchni dróg startowych, jak i nawierzchni trawiastej;

– w budownictwie tunelowym - drenaż warstw kontaktowych między górotworem a obudową;

– w budownictwie mostowym - drenaż przyczółków mostowych oraz mostów sklepionych.

Przy zastosowaniu systemu drenarskiego, w zakres odwodnienia wchodzi drenaż: – korony drogi, – nawierzchni drogowych, skarp, – ochronny, – podstawy nasypu, – płytowy.




65

7. Ceramiczne rurki drenarskie Ceramiczne rurki drenarskie są używane do wykonywania drenarskich systemów odwadniających.

Ceramiczne rurki drenarskie mogą mieć postać rurek wypalanych z gliny lub kamionkowych

perforowanych.

Ceramiczna rurka drenarska wypalana z gliny powinna mieć wewnątrz kształt cylindryczny, z

zewnątrz natomiast kształt walca, graniastosłupa równoramiennego lub dwunastobocznego. Wymiary ceramicznych rurek drenarskich wypalanych z gliny: Tablica 5.

średnica d1 [mm]

długość l [mm]

grubość ścianki s [mm]

50 8-13 62,5 9-14 75 10-16 100 330 12-18 125 13-20 150 15-22 175 17-25 200 19-28

Rury kamionkowe perforowane są produkowane z wysokogatunkowych glin, mają szklistą powłokę, są stosunkowo gładkie, odporne na działanie korozyjnych wód podziemnych. Wymiary kamionkowych rur dziurkowanych: Tablica 6.

średnica d1 [mm]

długość l [mm]

grubość ścianki s [mm]

100 600-1250 15-17 150 1000-1500 18-21 200 1000-1500 20-23 250 1000-1500 22-26 300 1000-1500 25-29

8. Odwodnienie technologiczne

Hasło to zawiera pojęcie odwodnienia terenu robót ziemnych przed i po ich wykonaniu. Najbardziej skuteczne a jednocześnie efektywne są takie rodzaje urządzeń i sposobów, które są urządzeniami stałymi, trwale przewidzianymi w projekcie. Zrealizowane w pierwszej kolejności wypełniają swoją funkcję przez cały cykl realizacji i eksploatacji danej budowli ziemnej.




66

W znaczeniu tymczasowych odwodnień -technologicznych- następują wówczas gdy część powierzchni pasa wywłaszczenia, na której będzie formowana budowla ziemna wymaga reakcji natychmiastowej.

Należyte odwodnienie terenu robot ziemnych, przed i w czasie wykonywania budowli, ma istotny wpływ na:

- zwiększenie postępu robót (wydajności), - zmniejszenie awaryjności maszyn i sprzętu, - lepszą jakość i dokładność wykonywanych budowli, - zmniejszenie zagrożenia stateczności budowli, oraz - zwiększenie bezpieczeństwa pracy.

Odwodnienie terenu robót ziemnych w przekopach można uzyskać przez wykonanie rowów stokowych (górnych) i budowanie przekopu w kierunku wzniesienia niwelety osi drogi. Zapewnić to powinno naturalny spływ wód zastoisk powierzchniowych oraz sączących się wód opadowych ze skarp .Można również nadać jednostronny spadek poprzeczny dna przekopu, jak to przedstawiono na rysunku dalej.

Odwodnienie technologiczne robót ziemnych na odcinku nasypów polega na wykonaniu przepustów w linii cieków (strumyków), względnie mostów, które umożliwiają swobodny przepływ wód, a następnie rowów, górnych i odprowadzających. Rys.

Klasycznym przykładem urządzeń do odwadniania technologicznego są igłofiltry. Są stoso-wane w przypadkach odwodnienia przekopów bądź" przecięcia" zawilgoconych warstw gruntów spoistych.

Igłofiltry to zestawy rur metalowych o średnicach od 50mm do 150mm, których zaostrzone końce pozwalają na wbijanie ich w równych odstępach w skarpę warstwy z której mogą nastąpić wypływy filtrującej wody. Ściany rur są perforowane i wypełnione porowatym materiałem filtrującym. Wytworzone przy pomocy pomp podciśnienie, przeniesione gumo-wymi przewodami do rur sprawia, że następuje "odbiór" wody z warstwy gruntu. Skuteczność igłofiltrów zależy od przepuszczalności gruntu oraz od czasu ich instalacji. Zestawy igłofiltrów są każdorazowo dobierane do zakresu wykonywanych robót ziemnych.

Igłofiltry stosowane są do doraźnego odwadniania gruntów piaszczysto-żwirowych, piasz-czystych, pylastych, a nawet gliniastych, o współczynniku filtracji w granicach l0-7 m/s < kf < 10-3 m/s i miąższości warstwy wodonośnej od 0,5 m do kilku metrów.

W drobnoziarnistych gruntach pylastych, gliniastych i ilastych o bardzo małej odsączalności i przepuszczalności, przy współczynniku k w granicach: l0-7 m/s < kf < 10-5 m/s i miarodajnej średnicy ziaren d10 rzędu 0,03 - 0,003 mm i gdzie grawitacyjny ruch wody jest utrudniony, igłofiltry działają na zasadzie wytwarzania próżni w nawodnionym gruncie. Tutaj dopływ wody do igłofiltrów jest zazwyczaj bardzo mały, a działanie ich polega tak na wysysaniu wody z gruntu jak i na zapobieganiu jej wypływowi ze ścian wykopu, a także na zagęszczeniu i stabilizacji gruntu.

Podciśnienie, wytworzone ssącym działaniem igłofiltreów w wodzie wypełniającej pory gruntu, zapobiega jej wypływowi do wykopu, gdyż na jego skarpy działa ciśnienie atmosferyczne. Różnica między ciśnieniem działającym na skarpę a podciśnieniem panującym w gruncie powoduje jego zagęszczenie i stabilizację, podobnie jak odwodnienie. Liczne doświadczenia wykazały, że skuteczność wytworzonej próżni obejmuje przestrzeń o promieniu 1,0—2,0 m od igłofiltru. Powstaje więc konieczność stosowania małych odstępów, zarówfto między poszczególnymi igłofiltrami, jak i między barierą a skarpą wykopu.




67

Zestaw igtofiltrowy składa się zazwyczaj z 50-100 sztuk igłowiftrów, tj. rur filtrowych o średnicy 37-100 mm, z filtrem o długości 1,0-2,0 m, rozmieszczonych pionowo w odstępach 0,6-1,8 m, w zależności od warunków miejscowych.

Igłofiltry zagłębia się zazwyczaj na zewnątrz wykopu, jakkolwiek możliwe jest również umieszczenie ich wewnątrz wykopu u podnóża skarpy. Igłofiltry są połączone z przewodem zbiorczym za pomocą łączników, wykonanych z rur i kształtek stalowych albo ze zbrojonych rur gumowych. Kolektor ssawny jest zazwyczaj wykonany z cienkościennych rur stalowych, o średnicy 100-200 mm, wyjątkowo 250 mm, przy czym poszczególne odcinki przewodu łączone bywają na luźne kołnierze lub na tzw. złącza "momentalne" z uszczelką gumową.

Urządzeniem czerpiącym wodę z układu i utrzymującym w nim podciśnienie może być pompa przeponowa, ewentualnie pompa wirowa samozasysająca, albo normalna pompa wirowa z przystawką samozasysająca lub najczęściej ze zbiornikiem separacyjnym - próżniowym i pompą próżniową. Czerpana woda może odpływać albo grawitacyjnie do dowolnego odbiornika albo być do niego przepompowywana pod ciśnieniem.

Przy większych instalacjach, każda pompa pracująca powinna mieć 100-procentową rezerwę wydajności. Zakres działania układu igłofiltrowego jest ograniczony wysokością ssania pompy. Na ogół obniżenie poziomu wody, uzyskiwane tą metodą, nie przekracza 4,0-4,5 m, a w wyjątkowo sprzyjających okolicznościach 5,0-5,5 m. Jeśli konieczne jest większe obniżenie poziomu wody, to instaluje się dwa lub więcej rzędów pięter igłofiltrów, umieszczonych na różnych wysokościach, lub stosuje się igłofiltry o specjalnej konstrukcji.

8.1. Zasady stosowania igłofiltrów

Wspólną cechą igłofiltrów stosowanych w budownictwie jest hydrauliczne ich zagłębienie, tj. wpłukiwanie w grunt za pomocą strumienia wody pod ciśnieniem. Możliwe jest również pogrążenie ich na sucho, za pomocą młotów wibracyjnych lub przez wkręcenie w grunt. Większość produkowanych konstrukcji igłofiltrów wpłukiwanych jest przystosowana do bezpośredniego wpłukiwania, a tylko nieliczne - do ustawienia w uprzednio wpłukiwanej rurze okładzinowej.

Konstrukcja igłofiltrów musi zapewniać: – szybkie pogrążenie w dowolnym gruncie, przy minimalnym zużyciu wody na

wpłukiwanie, – łatwy pobór wody z gruntu bez naruszenia jego struktury, – szybkie wydobycie z gruntu i wielokrotne użycie, – możliwość stosowania w różnych gruntach.

Jednocześnie spełnienie wszystkich tych warunków nie jest łatwe, czego dowodem jest istnienie wielu różnych konstrukcji igłofiltrów - od prostych do bardzo skomplikowanych.

9. Zabezpieczanie skarp wykopów i nasypów

9.1. Czynniki powodujące niszczenie skarp

Czynnikami powodującymi niszczenie skarp wykopów i nasypów są: – wody deszczowe




68

– wiatr – zamarzająca woda – woda płynąca – kra lodowa i in.

Ponadto niszczenie skarp polegające na ich obsuwaniu może zachodzić jeżeli mają one pochylenie większe od wartości kąta toku naturalnego, charakterystycznego dla danego rodzaju gruntu. Skarpy bez zabezpieczenia można pozostawić tylko w wyjątkowych przypadkach (brak erozyjnego działania wody, grunty odporne na działanie czynników atmosferycznych, możliwość szybkiego porośnięcia skarp trawą).

9.2. Sposoby zabezpieczenia skarp wykopów i nasypów

9.2.1. Obsiewanie trawą Ten sposób zabezpieczenia skarp zaleca się stosować w skarpach wysokości do 2 m, wykonanych w gruntach piaszczysto-gliniastych i pyłowych oraz w skarpach wysokości do 4 m, wykonanych w gruntach gliniasto-pyłowych i gliniastych.

Wybór gatunków traw należy dostosować do rodzaju gleby oraz stopnia jej nawilgocenia. Czynność obsiewania skarpy należy poprzedzić w najczęstszych przypadkach jej humusowaniem, czyli przykryciem warstwą ziemi roślinnej. Grubość przykrycia warstwą ziemi roślinnej wynosi od 5 do 20 cm w zależności od rodzaju gruntu skarpy. Sposób umocnienia skarpy za pomocą obsiewania trawą przedstawiają rysunki l i 2.

Rys. 15. Zabezpieczenie skarpy za pomocą obsiewania trawą

Rys. 16. Zabezpieczenie skarpy z umocnieniem warstwy humusu




69

W przypadku skarp o większych wysokościach obsiewanie trawą należy uzupełniać obsadzaniem krzewami lub drzewami. Najwłaściwszą porą do obsiewania skarp jest wczesna wiosna.

9.2.2. Darniowanie Darniowanie zaleca się stosować zwłaszcza w nasypach i wykopach średniej i dużej wysokości (głębokości). Jest to znacznie skuteczniejsze zabezpieczenie skarp aniżeli obsiewanie trawą i daje szybsze rezultaty. Rozróżnia się następujące rodzaje darniowania:

– w kratę (rys. 3) i najtańszy i najsłabszy sposób zabezpieczenia, stosuje się przy braku dostatecznej ilości darniny

– pełne, na płask pasami poziomymi (rys. 4) – rębem prostopadle do powierzchni skarp lub rębem poziomo (rys. 5) - stosuje się

głównie dla zabezpieczenia nasypów narażonych na krótkotrwałe działanie silnego prądu wody, np. na terenach zalewowych

Rys. 17. Darniowanie w kratę

Rys. 18. Darniowanie „na płask”

Rys. 19. Umocnienie skarp za pomocą darniowania „na rąb”




70

9.2.3. Wzmacnianie skarp za pomocą płotków lub siatek Zastosowanie mają zarówno płotki wiklinowe jak i z siatki drucianej. Płotki przymocowuje się do powierzchni skarpy za pomocą kołków drewnianych. Wysokość płotków wynosi ok. 20 cm nad powierzchnią skarpy. Przykłady zabezpieczenia skarp za pomocą płotków wiklinowych przedstawia rys. 6.

Rys. 20. Umocnienie skarpy za pomocą płotków

Przestrzeń pomiędzy plotkami wypełnia się ziemia urodzajną obsianą trawą, darniną, narzutem kamiennym lub brukiem w przypadku nasypów położonych na terenach zalewowych.

Skarpy o stromym pochyleniu można zabezpieczać za pomocą rusztów złożonych z elementów prefabrykowanych ze zbrojonego betonu (rys. 7). Oczka utworzonej w ten sposób siatki wypełnia się materiałem kamiennym. Ruszty takie stosuje się m. in. przy umacnianiu skarp nasypów przy mostach i wiaduktach.

Rys. 21. Umocnienie za pomocą rusztu z beleczek żelbetowych prefabrykowanych




71

9.2.4. Wzmacnianie skarp brukiem Stosuje się w przypadku skarp narażonych na silne działanie strumienia płynącej wody. Stosuje się brukowanie skarp jako pojedyncze (rys. 8) lub podwójne (rys. 9), w zależności od prędkości przepływającej wody.

Zamiast bruku można stosować również okładziny z płyt lub bloków betonowych, kostek betonowych, bloków kamiennych, rusztów żelbetowych itp.

Rys. 22. Pojedyncze brukowanie skarpy

Rys. 23. Umocnienie skarpy brukowaniem podwójnym

9.2.5. Stosowanie ścian oporowych Ściany oporowe są konstrukcjami inżynierskimi, których głównym zadaniem jest przejmowanie ciśnienia mas ziemi i przekazywanie go na grunt podłoża. Rys. 10 i 11 przedstawiają przykład zastosowania obustronnych ścian oporowych na zboczu - od strony wykopu jak i od strony nasypu.

Rys. 24. Ściany oporowe na zboczu




72

Rys. 25. Przekrój odcinkowy podtorza drogowego z murem oporowym i podporowym

Przy budowie ścian oporowych należy zapewnić należyte odprowadzenie wody powierzchniowej ze skarpy ponad ścianą oporową oraz wody, która może się przesączyć poza tylną powierzchnię ściany (rys. 12). Rysunek 13 pokazuje sposób ujęcia wody powierzchniowej spływającej ze zboczy ponad ścianą.

Rys. 26. Odprowadzenie wody ze skarpy Rys. 27. Ujęcie wody w głowicy ściany oporowej




73

X. STREFOWE WZMACNIANIE BUDOWLI ZIEMNYCH.

10. Stabilizacje warstw powierzchniowych gruntów i strefy aktywnej budowli ziemnej

10.1. Istota metody Wzmocnienie gruntu w podłożu przez mieszanie z różnymi dodatkami stanowi proces ulepszania, przekształcający grunt niespoisty lub spoisty w podłoże odznaczające się odpowiednią nośnością oraz odpornością na działanie wody i mrozu. Wzmocnienie może mieć charakter:

– fizykochemiczny: w którym istotną rolę odgrywają pewne zjawiska powierzchnio-we, jak oddziaływanie elektrostatyczne, adhezja, sorpcja i wiązania wodorowe występujące na powierzchni kontaktu ziaren lub cząstek gruntowych z materiałem wiążącym,

– chemiczny: prowadzący do powstania w gruncie trwałego szkieletu nośnego na skutek procesu wiązania spoiw z drobnymi frakcjami gruntowymi. Sztywny szkielet nadający mieszance znaczną nośność, wypełniony jest nie związanymi spoiwem cząstkami gruntowymi, które jednocześnie pełnią rolę amortyzatorów sił zewnętrznych działających na szkielet nośny i zmniejszają ogólną sztywność układu.

Dzięki zastosowaniu wzmocnienia podłoża metodą mieszania z dodatkami, uzyskuje się kilkakrotnie zwiększenie nośności granicznej gruntu pod torowiskiem w podłożu i poprawienie jego modułu sprężystości. Pozwala to na zmniejszenie grubości podsypki do takich wymiarów jakie są wymagane ze względu na prawidłowe ustabilizowanie podkładów. Dzięki zabezpieczeniu przed deformacjami powierzchni torowiska na skutek przenikania gruntu do podsypki oraz dzięki zabezpieczeniu przed infiltracją wody opadowej w podłoże, poprawiają się parametry pracy dynamicznej nawierzchni kolejowej.

10.2. Zasady stosowania Metodę wzmacniania gruntów podłoża przez mieszanie ich z różnymi spoiwami można stosować do większości gruntów z wyłączeniem gruntów organicznych. Przed przystąpieniem do prac związanych ze wzmocnieniem podłoża należy zbadać grunty na odcinkach przezna-czonych do wzmocnienia. W opracowaniu1 przewidziano stosowanie następujących spoiw:

– cementu, – wapna, – asfaltu upłynnionego, – żywic mocznikowych, – żużli granulowanych, – popiołów lotnych z węgla brunatnego, – popiołów lotnych z węgla kamiennego, – pyłów cementowych, – lignosulfonatów.

1 Poradnik wzmocnienia podłoża gruntowego dróg kolejowych. Instytut Inżynierii Lądowej Politechniki

Poznańskiej, Poznań 1986




74

W zależności od rodzaju gruntu w podłożu i jego cech fizyko-mechanicznych, zaleca się dobór spoiw zgodnie z tablicą2 .

Wybór rodzaju spoiwa winien uwzględniać także możliwości wykonania robót oraz analizę ekonomiczną. Szczególną uwagę należy zwrócić na użycie do wzmocnienia materiałów miejscowych i to w jak największej ilości.

Wymagany moduł odkształcenia podłoża określony płytą VSS o średnicy 0,16 m dla gruntów podłoża wzmocnionego spoiwami metodą mieszania winien wynieść ME >40 MPa (w "Porad-niku ..." przyjęto wartość Mo dop ≥ 30 MPa).

10.3. Technologia wykonania Proces technologiczny przy wzmocnieniu podłoża metodą mieszania z zastosowaniem spoiw hydraulicznych obejmuje następujące czynności:

– roboty wstępne (usunięcie humusu, oczyszczenie powierzchni warstwy stabilizo-wanej),

– spulchnienie i rozdrobnienie warstwy podłoża, – wstępne wyprofilowanie warstwy stabilizowanej, – rozścielenie ustalonej ilości spoiwa odpowiednio do grubości warstwy, – mieszanie gruntu ze spoiwem na sucho, aż do uzyskania jednorodnego wyglądu

całej grubości warstwy, – zwilżenie mieszanki wodą w ilości potrzebnej do uzupełnienia wilgotności

naturalnej do optymalnej, – wymieszanie na mokro, aż do uzyskania jednorodnego wyglądu całej grubości

warstwy, profilowanie mieszanki, – zagęszczanie mieszanki, – pielęgnowanie warstwy wzmacnianej.

Wzmacnianie gruntów materiałami wiążącymi można wykonać jednym z następujących sposobów:

1. mieszanie na miejscu przy zastosowaniu: – zespołu maszyn rolniczych (pługi rolnicze, brony talerzowe, kultywatory,

siewniki, beczkowozy) oraz szablonów ręcznych lub ciągnionych i walców ogumionych,

– zespołu maszyn specjalnych (rozsypywacze materiałów wiążących, mieszarki gruntowe, równiarki) i walców ogumionych,

– wieloczynnościowych maszyn jednoprzejazdowych (typu Vogele-Niemcy, D-391B-WNP, BYM-1-była NRD) wykonujących czynności wymienione w punktach od 2 do 8 łącznie ze wstępnym zagęszczeniem mieszanki. Ostateczne zagęszczenie uzyskuje się wałując wykonaną warstwę walcami ogumionymi.,

2. mieszanie składników w betoniarce i układanie gotowej mieszanki Sposób ten stosuje się często przy wykonywaniu dwuwarstwowej stabilizacji, przy której warstwę dolną wykonuje się metodą mieszania na miejscu a mieszankę na warstwę górną dowozi się z betoniarki.

2 Poradnik wzmocnienia podłoża gruntowego dróg kolejowych. Instytut Inżynierii Lądowej Politechniki

Poznańskiej, Poznań 1986, Tab. l, str. 208-209




75

Grubości stabilizowanych warstw zależą od metody wykonywania i sprzętu. Maszynami rolniczymi wykonuje się warstwę grubości 10 do 15 cm, mieszarkami gruntowymi warstwy grubości 15 do 18 cm. Grubość warstw układanych z betoniarki dochodzi do 20 cm. W czasie mieszania zarówno na sucho jak i na mokro, należy zwracać szczególną uwagę na uzyskanie jak najlepszej jednorodności mieszanki. Przy mieszaniu na mokro zwykle wystarczają 2 do 3 przejazdy mieszarki po każdym miejscu, względnie 4 do 6 przejść brony talerzowej i kultywatora. Zagęszczanie specyfikowanej mieszanki prowadzi się do uzyskania minimalnej wartości wskaźnika zagęszczenia wynoszącego 0,98 według normalnej próby Proctora.

Na jakość stabilizowanej warstwy wpływa również staranność pielęgnacji. Grunty stabilizo-wane spoiwem przez 7 do 10 dni utrzymuje się w stanie wilgotnym przez pokrycie ich warstwą piasku grubości 5 cm i zwilżenie wodą. Innym sposobem jest skropienie gotowej warstwy emulsją asfaltową, która chroni mieszankę przed utratą wody. Wykonawstwo wzmocnienia gruntów winno przebiegać pod stałą kontrolą laboratoryjną.

11. Podstawowe zasady stabilizacji cementem

11.1. Istota metody Istotę metody przy działaniu małej ilości cementu na grunt można wyjaśnić tworzeniem się skupień o dużej wytrzymałości, rozłożonych w masie gruntu. Powstają one wskutek wiązania zaczynu cementowego z rozproszoną frakcją pyłową i piaskową. W miarę wzrostu zawartości cementu skupienia powiększają się, tworząc ciągłą strukturę szkieletową, która podtrzymuje nie związane agregaty cząstek gruntowych. Cząstki gruntowe wypełniające szkielet nośny są równocześnie amortyzatorami sił zewnętrznych i nadają cementogruntowi znaczną podatność, dzięki czemu jest on znacznie mniej wrażliwy na skurcz, niż betony cementowe. Warstwa z gruntocementu nie wymaga więc dylatacji, pod warunkiem jednak, że ilość cementu nie będzie zbyt duża. Wytrzymałość cementogruntu zależy głównie od ilości krzemianów, które w procesie wiązania tworzą trudno rozpuszczalne, łańcuchowe, kwaśne krzemiany wapnia.

11.2. Zasady stosowania Do wzmacniania cementem nadają się grunty o bardzo szerokim zakresie uziarnienia. Należą do nich grunty niespoiste oraz grunty mało i średnio spoiste. Oprócz właściwego uziarnienia, grunty powinny wykazywać następujące właściwości:

– granica płynności wL < 40%, – wskaźnik plastyczności lp do 15%, – odczyn pH = 5,0 do 8,0%, – zawartość części organicznych < 2%, – zawartość siarczanów SO3 < 1%.

Dodatkowym kryterium stopnia przydatności gruntów jest wskaźnik piaskowy. Najlepsze wyniki uzyskuje się dla 20 ≤ WP < 50. Grunty o granicy płynności wL = 40 do 60% i wskaźniku plastyczności lp = 15 do 30% lub charakteryzujące się zawartością cząstek mniejszych od 0,002 mm w granicach 10 do 30% mogą być wzmacniane pod warunkiem wstępnego ulepszenia wapnem, lub popiołami lotnymi oraz zastosowania specjalnych maszyn do rozdrobnienia i przemieszania z dodatkami i cementem. Szczegółową przydatność gruntów




76

gliniastych do wzmocnienia cementem w zależności od składu mineralogicznego przytoczono w pracy3 (przypis 3).

Nie nadają się do wzmacniania cementem grunty organiczne, iły i gliny pylaste zwięzłe. Ilość cementu potrzebna do wzmacniania gruntów winna wynosić od 4 do 6%. Nie należy stosować ilości cementu większych od 6%, gdyż powodują one powstanie spękań podobnych do szczelin dylatacyjnych. Szczegółowe warunki techniczne projektowania mieszanek oraz wykonania i badania warstw gruntów określa norma.

11.3. Technologia wykonania Technologia wzmocnienia gruntu cementem polega na wykonaniu czynności wymienionych wcześniej. Szczególnie ważnym zagadnieniem jest dobre rozdrobnienie i wymieszanie gruntu z cementem. Nie związane z cementem cząstki gruntowe mogą stanowić bryłki rozsadzające cementogrunt przy zamoczeniu lub zamrożeniu. Tablica l. Przydatność gruntów gliniastych do wzmocnienia cementem w zależności od ich

składu mineralnego. Skład mineralogiczny gruntu Stopień

przydatności Rodzaj gruntu Ocena ilościowa

efektywności na podstawie zużycia cementu marki 500

w % masy gruntu

Frakcje gliniaste 0,001 mm Frakcje piaszczysto-pylaste

gliny 18-12 gliny piaszczyste 12-10

Najbardziej przydatne

piaski gliniaste 10-6

minerały grupy linkowej, kwarc, węglany, tlenki metali, galluazyt

przeważa kwarc, występuj ą rudy (hematyt, ilmenit), kalcyt, kianit

gliny 24-16 gliny piaszczyste 16-12

Przydatne


minerały grupy kaolinitu uwodnionych łyszczy-ków montmorylonitów, składniki organiczne nasycone Ca2+'

przeważa kwarc, i w mniejszych ilościach szpaty; porowate blendy, mika; mogą występować węglany we wszystkich przypadkach

gliny 24 gliny piaszczyste 24-16

Mało przydatne


minerały grupy mon-tmorylonitowej i mikowej, humusy i przypo-wierzchniowe grupy organiczne, nasycone Ca2+ gliny szczątkowe

przeważ kwarc i mika, występuj ą znaczne ilości gipsu, mogą występować węglany lub ich ślady

gliny

24

gliny piaszczyste

24

Nieprzydatne

piaski gliniaste 24

przeważają minerały grupy montmo-rylonitowej, występują związki organiczne, nasycone Ca2+ oraz nieduże ilości pirytu

przeważa kwarc i mika, występuje piryt i gips; mogą występować węglany we wszystkich postaciach

Minimalną grubość konstrukcyjną warstwy gruntu wzmacnianego przyjmuje się 10 cm a maksymalną 20 cm. Bardzo istotne jest ustalenie wilgotności optymalnej mieszanki cementogruntu, gdyż zapewnia to najbardziej efektywne jej zagęszczanie. Okres czasu od momentu rozłożenia cementu na gruncie do momentu zakończenia mieszania nie powinien być dłuższy od l godziny. Zagęszczenie mieszanki winno odbywać się walcami ogumionymi 15 do 25 Mg i powinno być zakończone nie później niż w ciągu 5 godzin licząc do 3 Makowski J., Wzmacnianie torowiska linii kolejowych przeznaczonych do jazd z dużą prędkością.

Politechnika Warszawska, 1978. Tablica 2.




77

rozpoczęcia mieszania gruntu z cementem. Wskaźnik zagęszczenia mieszanki cemento-gruntowej winien być > 0,98, Pielęgnacja gotowej warstwy cementogruntu powinna trwać 15-20 dni. Świeżo wykonana warstwa powinna być chroniona od uszkodzeń i nadmiernego wysychania.

Wymagania techniczne obejmujące wzmacnianie gruntów wapnem zawiera PN-S-96012 Podbudowa i ulepszone podłoże z gruntu stabilizowanego cementem.

12. Podstawowe zasady stabilizacji wapnem

12.1. Istota metody W mieszance wapienno-gruntowej zachodzą reakcje pucolanowe, czyli reakcje tworzenia hydratów krzemianów wapnia i glinianów wapnia. Procesy powstawania i krystalizacji hydratów krzemianów wapnia, jak również krystalizacji węglanu wapnia przy wiązaniu przez wodorotlenek wapnia dwutlenek węgla z powietrza, powodują z biegiem czasu narastanie wytrzymałości i trwałości mieszanek wapienno-gruntowych. Dodatek wapna do gruntu zmienia jego wilgotność optymalną.

12.2. Zasady stosowania Do wzmacniania wapnem nadają się grunty spoiste zawierające minerały iłowe, które wcho-dzą w reakcję z dodanym wapnem. Wzmacnianie jest najbardziej efektywne dla gruntów, których wskaźnik plastyczności l > 10. Nieprzydatne do wzmacniania są grunty o zawartości części organicznych powyżej 10%. Nie nadają się także piaski a w szczególności piaski równoziarniste jak i grunty o zawartości frakcji kamienistej powyżej 15% ze względu na utrudnione mieszanie z wapnem. Jako spoiwo stosowane jest wapno niegaszone CaO oraz wapno suchogaszone (hydratyzowane) Ca(OH)2 . Zaleca się stosować wapno w ilości od 4 do 8%. Zastosowanie wapna w ilości większej niż 8% nie jest ekonomicznie opłacalne.

Wzmacnianie gruntów wapnem winno być stosowane do gruntów podłoża charak-teryzujących się utratą nośności w warunkach nadmiernego zawilgocenia oraz działania mrozu. Winno być także stosowane jako wstępne ulepszenie gruntów nieprzydatnych do bezpośredniej stabilizacji cementem. Szczegółowe warunki techniczne projektowania mieszanek oraz wykonania i badania warstw gruntów określa norma.

12.3. Technologia wykonania Technologia wzmacniania gruntu wapnem wymaga wykonania czynności wymienionych wcześniej. Podczas zagęszczania, zaleca się wstępne zagęszczenie mieszanki i pozostawienie jej na okres do 24 godzin, co pozwoli na uwodnienie pozostałości nie zagęszczonego tlenku wapnia w wapnie hydratyzowanym (w wapnie palonym konieczne jest tutaj całkowite uwodnienie), a pełne zagęszczenie osiąga się na drugi dzień bez trudności. Mieszankę należy zagęszczać walcami ogumionymi przy wilgotności optymalnej. Grubość warstwy wzmacnianej nie powinna być mniejsza od 15 cm a uzyskany wskaźnik zagęszczenia powinien być ≥ 0,98.




78

Aby zabezpieczyć górną powierzchnię przed wpływem obciążeń dynamicznych oraz przed działaniem wody należy ją pokryć emulsją bitumiczną o grubości 2 cm. Do wzmacniania gruntów należy używać wapno niegaszone nie później niż po upływie dwóch miesięcy od daty jego produkcji.

Wymagania techniczne obejmujące wzmacnianie gruntów wapnem zawiera PN-S-96011 Stabilizacje gruntów wapnem dla celów drogowych.

13. Wzmocnienie gruntów asfaltem upłynnionym

13.1. Istota metody

Poprawa nośności w gruncie wzmacnianym asfaltem następuje w wyniku otoczenia ziaren i cząstek gruntu lepiszczem i zagęszczenia otrzymanej mieszanki. Asfalt upłynniony tracąc składniki lotne, gęstnieje i wiąże otoczone cząstki ze sobą. Decydujący wpływ na efektywność wzmacniania mają adhezja lepiszcza do gruntu i kohezja całego układu. Maksymalny efekt wzmocnienia uzyskuje się przy takiej ilości lepiszcza, która łącznie z wodą zawartą w gruncie umożliwia największe zagęszczenie oraz zapewnia taką grubość otoczki bitumicznej, przy której cząstki wiązane są siłami kohezji asfaltu, przy czym zachowane jest wewnętrzne tarcie pomiędzy cząsteczkami. Wzmocnienie gruntu asfaltem ma na celu nie tylko zwiększenie wytrzymałości gruntu, ale także zabezpieczenie od nasiąkliwości wodą.

13.2. Zasady stosowania Do wzmocnienia asfaltem upłynnionym nadają się grunty mało i średni spoiste, o uziarnieniu ciągłym i zawartości frakcji iłowej poniżej 18%. Wskaźnik plastyczności l winien być mniejszy od 10%, wskaźnik piaskowy w zakresie WP = 5 do 22% a zawartość części organicznych nie powinna przekraczać 8%. Dla poprawienia przyczepności lepiszcza do gruntu celowe jest uprzednie dodanie do gruntu 3% wapna hydratyzowanego, które aktywizuje powierzchnie cząstek i ziaren. Do wzmocnienia najlepsze są grunty o uziarnieniu i granicach konsystencji jak najbardziej zbliżonych do mieszanek optymalnych. Najlepsze rezultaty uzyskuje się dla piasków gliniastych, piasków pylastych oraz glin piaszczystych.

Orientacyjne ilości asfaltu upłynnionego można przyjąć w zależności od rodzaju gruntu: – - dla piasków i piasków pylastych 6 do 8%, – - dla glin pylasto-piaszczystych 8 do 10%, – - dla glin 10 do 14%.

Nie należy stosować lepiszcza asfaltowego dla piasków gliniastych i glin o granicy plastycz-ności Wp < 3 oraz dla gruntów zasolonych zawierających > 1% soli CaCO2 i Na2CO3.

Szczegółowe wymagania dotyczące projektowania mieszanki, obliczenia zawartości asfaltu oraz wykonania i badania warstw stabilizowanych asfaltem AUG podane są w normie.




79

13.3. Technologia wykonania W celu wzmocnienia gruntu asfaltem upłynnionym należy wykonać czynności wymienione wcześniej. Wzmocnienie należy wykonać w dniach bezdeszczowych przy temperaturze minimum 15°C. Dozowanie asfaltu upłynnionego powinno odbywać się po doprowadzeniu mieszaniny gruntu z aktywizatorem do wymaganej wilgotności4 . Ziarna gruntu należy otoczyć asfaltem upłynnionym podgrzanym do temperatury 40°C. Bezpośrednio po wymie-szaniu mieszankę należy zagęścić walcami ogumionymi. Dopuszczenie ruchu po wykonanej warstwie może nastąpić bezpośrednio po zagęszczeniu mieszanki. Grubość warstwy wzmacnianej nie powinna być mniejsza niż 14 cm. Ze względu na możliwość zagęszczenia, maksymalna grubość warstwy nie powinna przekraczać 18 cm. Specyficzną cechą mieszanek gruntu z bitumem jest potrzeba ograniczenia czasu mieszania. Przedłużając czas mieszania ponad optymalny, doprowadza się do zmniejszenia grubości błonek, co powoduje zwiększoną adsorpcję wody. Przy mieszaniu bitumu na podłożu gruntowym, zaleca się kilkukrotne dozowanie lepiszcza, przy czym po każdym rozlaniu bitumu powinno nastąpić wymieszanie.

14. Pale żwirowe5

Szczególnie interesująco w świetle ostatnich rozważań rysuje się stosowanie pali żwirowych, a przede wszystkim kolumn kamiennych. Choć mechanizmy ulepszania słabego podłoża są w obu metodach zbliżone, różnią się one istotnie nie tylko składem granulometrycznym tworzy-wa, lecz również, a może przede wszystkim, technologią wykonania.

Przez pojęcie pali żwirowych rozumie się tutaj formowanie przy użyciu tradycyjnych technik palowych (np. Franki) słupy z kruszywa 0,5 cm - 2,0 cm, o średnicy 30 cm - 50 cm. Kolumny kamienne są słupami o średnicy 80 cm - 100 cm, wykonywanymi z materiału o ziarnach 2,0 cm - 10 cm techniką wibrowymiany.

Wiele cennych zalet potwierdzonych bogatymi, kilkunastoletnimi doświadczeniami Katowickiego Przedsiębiorstwa Budownictwa Przemysłowego "BUDUS", osiągniętymi w ścisłej współpracy z prof. Jerzym Przystańskim z Politechniki Poznańskiej, sprawia, że metoda wibrowymiany godna jest szczególnej rekomendacji i to właśnie w odniesieniu do autostrad. Warto ją nieco przybliżyć dokonując przy tym bilansu jej przymiotów i niedostatków.

Obecnie używa się do wibrowymiany nowoczesnego, niezwykle wydajnego wibroflota śluzowego, produkcji firmy niemieckiej Geka Sondemaschinenbau GmbH. Całość urządzenia przypomina kafar o napędzie gąsienicowym, do którego podwieszony jest właściwy wibroflot o standardowej długości 12,0 m. Wibroflot zakończony jest u dołu potężnym wibratorem zwanym głowicą Kellera. U góry przytwierdzony jest do niego zasobnik z kruszywem o pojemności ok. l m3. W pierwszej fazie wykonawstwa następuje głębienie otworu w efekcie łącznego działania ciężaru opuszczanego wibroflota, drgań głowicy Kellera i strumienia sprężonego powietrza wydobywającego się z dyszy umieszczonej w dolnym końcu głowicy.

Elementem wykonawstwa o kluczowym znaczeniu, zasadniczo odróżniającym kolumny kamienne od pali żwirowych, jest formowanie ich trzonów, realizowane po osiągnięciu projektowanej głębokości otworu. Odbywa się to w sposób następujący: unosi się wibroflot 4 BN-69/8933-09 Stabilizacja gruntów i kruszyw asfaltami upłynnionymi. 5 Fragment artykułu dr hab. inż. Macina Gryczmańskiego, profesora Politechniki Śląskiej, kierownika Katedry

Geotechniki




80

na wysokość kilkudziesięciu cm i podaje prowadnicami kruszywo, które wypełnia pustkę pod głowicą. Następnie opuszcza się wibroflot i wzbudza silne drgania wahadłowe głowicy, które powodują wbijanie ziarnistego materiału w miękkie otoczenie gruntowe otworu. Tym sposobem, przy otworze o średnicy ok. 60 cm powstaje kolumna kamienna, której średnica jest tym większa, im bardziej ściśliwy otaczający grunt. Opisany cykl powtarza się, aż do osiągnięcia powierzchni terenu.

Pierwsze ważne zalety kolumn kamiennych wiążą się z przedstawioną wyżej technologią formowania. Pod wpływem obciążenia przekazywanego przez nawierzchnię autostrady kolumny nieco "pęcznieją" wywierając poziomy nacisk na wzmacniany grunt, w wyniku następuje filtracja wody do ich wnętrza i konsolidacja wzmacniająca i usztywniająca słabe podłoże.

W kolumnach kumulują się więc efekty wymiany słabego gruntu na nieporównywalnie wytrzymalszy i sztywniejszy oraz drenu i równocześnie bocznego docisku przyspieszającego i potęgującego konsolidację słabego gruntu. Do tego trzeba dodać takie zalety, jak prostota technologii, krótki czas realizacji (do 150 mb kolumn, tj. np. 30 kolumn 5-metrowej długości dziennie), odporność na agresywne działanie wody, niezależność od warunków hydrogeologicznych.

Wyliczając pozytywy kolumn kamiennych wymienia się zwykle relatywnie niski koszt wzmocnienia. Zależy on w sposób oczywisty od rozstawu kolumn. W przypadku autostrad, które przekazują na wzmacniane podłoże małe naciski, rozstaw ten powinien być kompromisem między wzrostem a skutecznością ulepszenia. Wraz z jego kosztem zwiększa się niejednorodność podłoża w planie. Pojawia się problem nośności nawierzchni, jako płyty na podatnych podporach. To zagadnienie wymaga indywidualnej analizy i stanowi jedyny dyskusyjny aspekt stosowania wibrowymiany pod autostradami.

15. Pale z niegaszonego wapna Metoda wykonania takich pali polega na wywierceniu w nasypie otworów i następnie wypełnienie ich wapnem niegaszonym. Przy tym sposobie wzmocnienie nasypu polega na wzajemnym działaniu wapna niegaszonego i wody znajdującej się w nasypie. Dla hydratacji wapna trzeba trzy razy więcej wody niż dla cementu. Wapno, pochłaniając wodę z otaczających mas ziemnych nasypu, powoduje osuszenie i stwardnienie gruntu. Podczas hydratacji, wapno niegaszone wydziela również znaczną ilość ciepła i powiększa swoją objętość 2-3,5 razy, co powoduje wyparowywanie wody i jednocześnie zespolenie i wzmocnienie nasypu.

Pale wapienne nie pracują na ścinanie!




81

XI. GEOWŁÓKNINY I GRUNT ZBROJONY

16. Włóknina drogowa

Ostatnio włóknina jest powszechnie stosowana jako: dreny, filtry i przepony w robotach ziemnych, drogowych, kolejowych, w budownictwie wodnym i komunalnym.

Włókninę otrzymuje się w wyniku plątania ciągłych włókien poliestrowych, w postaci mat, które o określonych szerokościach stanowią materiał rolowy. Charakteryzuje się ona całko-witą odpornością na gnicie w kontakcie z wodą i gruntem, a także dużą wytrzymałością. Są to bardzo istotne cechy materiału budowlanego, które zapewniaj ą budowli długotrwałość.

Główną cechą włókniny jest jej wodoprzepuszczalność, którą można rozpatrywać jako wodoprzepuszczalność normalną - gdy przenikanie wody następuje prostopadle do powierz-chni włókniny - oraz wodoprzepuszczalność styczną - przy równoległym przenikaniu wody do powierzchni.

Jak wykazały dotychczasowe badania, wodoprzepuszczalność włókniny jest jednakowa niezależnie od kierunku przenikania wody. Podobnie jak w gruntach, wodoprzepuszczalność włókniny wyrażamy współczynnikiem filtracji k. Jeżeli włóknina nie jest poddana żadnemu obciążeniu, to współczynnik filtracji leży w przedziale od k = l·l0-3 m/s do 3·l0-3 m/s.

Wartości te są około 2 razy mniejsze wówczas, gdy włóknina jest poddana obciążeniu rzędu 1961,32 hPa (2 kG/cm2). Przytoczone wartości wskazują, że wodoprzepuszczalność włókniny jest bardzo duża i odpowiada wodoprzepuszczalności piasku średniego a znacznie większa od wodoprzepuszczalności gruntu, który posiadałby te same wymiary średnic, co włókno poliestrowe np. 27-28 mikronów. Grunt taki należałby do kategorii pyłów, dla których współczynnik filtracji leży w przedziale od k = 1·10-5 m/s do 1·10-6 m/s. Taka duża wodoprzepuszczalność włókniny wynika z jej struktury, dzięki której porowatość przekracza 90%, podczas gdy porowatość gruntów pylastych jest znacznie mniejsza i wynosi ok. 30%.

Należy podkreślić, że dzięki dużej wytrzymałości włóknin poliestrowych porowatość włókniny pozostaje bardzo duża, nawet wówczas, gdy jest ona poddana znacznemu ściskaniu; np. przy obciążeniu 1961,32 hPa (2 kG/cm2) jej porowatość wynosi jeszcze 80% i mało się zmniejsza przy obciążeniach większych.

Włóknina ma zdolność zatrzymywania cząstek gruntu przy jednoczesnej możliwości prze-puszczania

wody, może ona także wodę transportować - spełnia wówczas rolę drenażu. Właściwości te są wykorzystywane w różnych systemach odwadniających.

Inną cechą włókniny jest jej duża wytrzymałość na rozciąganie, a także znaczna odkształ-calność.

Włóknina należy do materiałów izotropowych, dzięki czemu zarówno wytrzymałość, jak i odkształcalność są praktycznie jednakowe we wszystkich kierunkach.

Charakterystykę techniczną krajowej włókniny drogowej podano w tablicy l.

W wielu krajach zachodnich włóknina znalazła wszechstronne zastosowanie w różnych dziedzinach budownictwa, i tak:




82

o w obiektach komunikacyjnych jest stosowana do odcinania podłoża gruntowego od podbudowy drogowej,

o w kolejnictwie używa się włókniny do rozdzielania podsypki tłuczniowej od podłoża gruntowego,

o w ubezpieczaniu brzegów rzek i kanałów - jako warstwę chroniącą przed zjawiskami sufozji (wymywania cząstek gruntu)

o w systemach odwadniających włóknina jest stosowana jako ochrona przed zamula-niem drobnymi cząsteczkami gruntu drenów ceramicznych lub drenów uformowanych z grysów lub żwirów.

Rys. 1. Schematy przykładów zastosowania geotekstyliów




83

Rys. 2. Struktury kierunkowe geotekstyliów

Tablica l. Charakterystyka techniczna krajowej włókniny drogowej

WD2 WD3 WD5 Masa powierzchniowa g/m2 357 381 317 Masa właściwa g/m3 0,068 0,075 0,068 Wytrzymałość na rozciąganie – wzdłuż - wszerz

MN/m2

kG/cm2

MN/m2

kG/cm2

3,07 31,35 7,18 73,25

3,77 38,5 7,57 77,2

2,63 26.8 5,28 53.9

Wydłużenie po rozerwaniu - wzdłuż - wszerz

% %

155 87

150 92

127 136

Tworzywo poliprop. poliester




84

17. Grunt zbrojony

Na początku lat 1960-tych H. Yidal opatentował we Francji pomysł zbrojenia gruntu cięgnami metalowymi.

Grunt zbrojony powstaje więc w wyniku połączenia gruntu ze zbrojeniem. Zbrojenie ma najczęściej postać elementów liniowych (metalowe taśmy), zdolnych do przenoszenia znacznych sił rozciągających. Zazwyczaj elementy zbrojenia rozmieszczane są w masywie gruntu zbrojonego w taki sposób, że może być on praktycznie traktowany jako ośrodek jednorodny. Elementy zbrojenia umieszcza się tylko w tych kierunkach, w których na grunt działają siły rozciągające. Ze względu na sposób działania tych sił, zbrojenie najczęściej ułożone jest poziomo, równomiernie w całym masywie gruntu zbrojonego.

W murze oporowym z gruntu zbrojonego, elementy zbrojenia ułożone są w warstwach poziomych, równoległych do siebie. Grunt zbrojony może być zatem traktowany jako materiał złożony (kompozyt), względnie jednorodny, ale wzmocniony anizotropowo. Podstawowym zjawiskiem w gruncie zbrojonym jest tarcie pomiędzy gruntem i elementami zbrojenia. Siły powstające w masywie przekazywane są z gruntu na zbrojenie za pośrednictwem tarcia. Zbrojenie poddane jest działaniu sił rozciągających, a całość zachowuje się tak, jak gdyby grunt w kierunku zbrojenia miał spójność proporcjonalną do wytrzymałości zbrojenia na rozciąganie. Zasada działania gruntu zbrojonego opiera się zatem na istnieniu tarcia pomiędzy gruntem i zbrojeniem. Konieczne jest, aby materiał używany do nasypu w obrębie zbrojenia (zasypka) charakteryzował się dobrym tarciem wewnętrznym, w celu zapewnienia prawidłowego wykorzystania sił normalnych, które powstają na długości warstw zbrojenia. Wyklucza to z góry stosowanie do tego celu gruntów o dużej spoistości, takich jak np. iły.

W masywie grunty zbrojonego znajdującym się w stanie równowagi to znaczy takim, w którym nie występują przemieszczenia gruntu względem zbrojenia, naprężenia rozciągające powstające w warstwach zbrojenia, są wynikiem naprężeń ścinających przekazywanych przez grunt na powierzchni zbrojenia. W stanie równowagi lokalnej w każdym punkcie zbrojenia znamy następujące zależności pomiędzy naprężeniem stycznym T a siłą rozciągającą T

asdldT

21

⋅=τ

gdzie: T - siła rozciągająca w zbrojeniu, l - odcięta punktu wzdłuż zbrojenia, sa - szerokość zbrojenia.

Jak widać na rys. maksymalna wartość sił rozciągających nie przypada w miejscu przymoco-wania zbrojenia do osłony masywu, lecz występuje wewnątrz masywu dzieląc go na dwie strefy:




85

- pierwsza strefa umiejscowiona w sąsiedztwie ścianki, gdzie naprężenie ścinające T zwrócone jest w kierunku ścianki, a grunt dąży do przemieszczenia zbrojenia w kierunku na zewnątrz; jest to strefa parcia, lub strefa aktywna,

- strefa druga, w której naprężenie ścinające T zwrócone jest do wnętrza masywu grun-towego i dąży do utrzymania zbrojenia; jest to strefa zakotwienia lub strefa oporu.

Do wykonania konstrukcji z gruntu zbrojonego konieczne jest zabezpieczenie swobodnych ścian konstrukcji za pomocą osłony w celu uniemożliwienia wysypywania się gruntu spomiędzy zbrojenia i dla nadania ścianie wymaganej formy. Osłona odgrywa pewną rolę w działaniu gruntu zbrojonego, chociaż znacznie mniejszą niż zbrojenie, ze względu na jej lokalne oddziaływanie.

17.1. Zasady stosowania Obecnie grunt zbrojony znajduje zastosowanie przede wszystkim jako konstrukcje oporowe, przyczółki mostowe oraz nabrzeża.

W budownictwie komunikacyjnym można go również wykorzystywać do wzmacniania konstrukcji nasypów posadowionych na gruntach słabonośnych oraz wzmacniania podłoża gruntowego.

Wzmacnianie nasypów polega na wprowadzeniu zbrojenia do całego nasypu lub jego dolnej partii.

Takie zazbrojenie spowoduje usztywnienie nasypu na jego długości, a pracować on będzie jak wiotka belka ciągła na podłożu odkształcalnym. Zabezpieczy to nasyp przed dużym nierównomiernym osiadaniem. Zbrojenie nasypów wykorzystywać można przede wszystkim przy posadawianiu ich na podłożu; z nasypów niekontrolowanych, rumoszy skalnych oraz słabonośnych gruntów aluwialnych, gdzie oszczędność w stosunku do tradycyjnych metod posadawiania wynosi 30-45%.

Grunt zbrojony można również zastosować przy częściowej wymianie (górnej partii) gruntu

słabonośnego w podłożu albo jako warstwa podłoża oparta na palach kamiennych lub piaskowych.

17.2. Technologia wykonania – zbrojenie Zbrojenie jest podstawowym elementem konstrukcji i w sposób zasadniczy decyduje o jakości i walorach eksploatacyjnych obiektu. W oparciu o powyższe - dobór zbrojenia jest zdeterminowany:

a) - zapewnieniem stateczności konstrukcji, b) - warunkami pracy (oddziaływanie korozji, pH kwasowość środowiska, woda morska

itp.), c) - przeznaczeniem i zadaniami konstrukcji, d) - przewidywanym okresem użytkowania,

Uwzględniając te warunki można wyróżnić następujące rodzaje zbrojenia: a) - z wkładkami stalowymi, b) - z wkładkami plastykowymi, c) - z wkładkami z włókien filtracyjnych.




86

17.3. Wkładki stalowe Wybór rozstawu i długości zbrojenia wynika z obliczeń stateczności wewnętrznej masywu. Zasadniczymi elementami tej stateczności są wytrzymałość na rozciąganie zbrojenia, jak również jego giętkość.

Trwałość zbrojenia powinna być uwzględniona we współczynniku bezpieczeństwa, przyjętym dla danej konstrukcji.

Zbrojenie składa się na ogół z płaskowników, lecz w pewnych przypadkach można zastosować siatki.

Płaskowniki wykonywane są najczęściej ze stali cynkowanej, czasem ze stopu aluminium AG 4MC, a w najbliższej przyszłości przewiduje się zastosowanie stali nierdzewnej, zawierającej 17% chromu (ZSC 17). Elementy zbrojenia mają szerokość od 40 do 120 mm z przewier-conymi na końcach otworami w celu połączenia śrubami z osłoną.

Właściwości różnych materiałów zastosowanych do zbrojenia zestawiono w tablicy 2 i 3. Dane materiałowe zamieszczone w tablicach pochodzą z literatury francuskiej. Tablica 2

Materiał Grubość

walcowana [mm]

Wytrzymałość na zrywanie σar [MPa]

Granica sprężystości

[MPa] Wydłużenie

[%]

Stal cynkowana metodą Sędzimira 3 360 240 25 Stal nierdzewna ZSC 17 1,5 650 500 7+5 Stop aluminium AG4MC 2 300 230 6

Tablica 3 Materiał Stal cynkowa Stop aluminium Stal nierdzewna Gatunek Ochrona p-korozyjna

HR cynkowanie na gorąco

AGS - utlenianie anodowe - dwuchromianowanie

ZSC 17

Przy projektowaniu masywu z gruntu zbrojonego opartego na polskim materiale należałoby z uwagi na wytrzymałość i trwałość obiektu dokładnie określić parametry wytrzymałościowe, właściwości reologiczne oraz odporność korozyjną stali aktualnie produkowanych w kraju. Norma PN-83/B-03010 "Ściany oporowe" - obliczenia statyczne i projektowanie" podaje w tablicy Z5-4 orientacyjny zakres stosowalności zbrojenia.

Odległość między warstwami zbrojenia zależy od wymiarów elementów ściany i wynosi 33 cm przy elementach metalowych oraz 37,5 cm przy elementach betonowych. Rozstaw cięgien zbrojenia w warstwie jest zwykle od 50 do 100 cm.

Wykorzystanie wkładek plastykowych i włóknin filtracyjnych jako elementów zbrojenia jest jeszcze mało zbadane i trudno określić możliwości stosowania i trwałość takich konstrukcji.




87

17.4. Technologia wykonania - materiał nasypu Wybór materiału nasypowego zależy od czynników ekonomicznych i technicznych. Parametrem decydującym o przydatności materiału nasypowego jest współczynnik tarcia pomiędzy gruntem a zbrojeniem. W warunkach francuskich, bogatych w doświadczenia ze stosowaniem tego materiału, proponowana wartość współczynnika tarcia wynosi 0,35. Stosuje się obecnie proste kryterium składu uziarnienia materiału. Zawartość ziaren drobnych, mniejszych od 0,08 mm, powinna być mniejsza od 15% w stosunku wagowym.

Wymiary ziaren największych zależą jedynie od technologii układania gruntu zbrojonego, grunt nie powinien zawierać więcej niż od 25% w stosunku wagowym ziaren o wymiarach 0,15-0,35 mm, przy czym wymiar 0,35 mm jest wartością maksymalną. W niektórych szczególnych przypadkach może się okazać ekonomiczne nie stosowanie tego samego materiału nasypowego w całej konstrukcji. Na przykład materiał o dobrej jakości, to znaczy o dużym tarciu, można stosować w obszarach wymagających największego tarcia pomiędzy gruntem i zbrojeniem.




88

Wykaz norm dla przedmiotu Budowle i roboty ziemne

[1] PN-S-02205 (styczeń 1998r.) Roboty ziemne; zamiast BN-72/8932-01 Roboty

ziemne.

[2] BN-88/8932-02 Roboty ziemne i BN-88/8930-03

[3] PN – B-06050 Roboty ziemne

[4] PN-S-96011 Stabilizacja gruntów wapnem dla celów drogowych

[5] PN- S-96012 Podbudowa i ulepszone podłoże z gruntu stabilizowanego cementem

[6] PN-B-02481 (styczeń 1998) Geotechnika

[7] PN-S-02204 (styczeń 1997) Odwodnienie dróg; zamiast BN-67/8936-01 Odprowadzenie wód opadowych z drogi.

[8] PN-B-02479 (sierpień 1998) Dokumentowanie geotechniczne. oraz Dz. U. Nr 63 poz. 735 z 2000 r. ...w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie




89

Pytania kontrolne

1. Wymienić rodzaje budowli ziemnych wnikające z ich funkcji użytkowych i gabarytów.

2. Jakie dodatkowe funkcje użytkowe może spełniać wał przeciwpowodziowy i na jakich warunkach. Które normy i akty prawne określają warunki techniczne i usytuowania wałów?

3. Podać właściwości konstrukcyjno-funkcjonalne i klasę przenoszonych obciążeń, :poddroża, podtorza i podłoża.

4. Wymienić (poza gabarytowe) różnice warunków technicznych autostradowych i kolejowych budowli ziemnych

5. Wymienić (poza gabarytowe) różnice warunków technicznych autostradowych i drogowych budowli ziemnych

6. Wymienić (poza gabarytowe) różnice warunków technicznych drogowych i kolejowych budowli ziemnych

7. Które grunty są absolutnie nie przydatne w konstrukcji budowli ziemnych. Wymienić w/g PN/B-02481. i podać główny parametr dyskwalifikujący.

8. Jakie grunty należą do grupy niepewnych i wątpliwych pod względem wysadzinowości. Podać wszelkie znane kryteria.

9. Podać sposób oznaczania wskaźnika nośności gruntu – wnoś (CBR) w/g PN-S-02205. Podać zakres tego wskaźnika dla suchego Pg i wilgotnego Pśr

10. Określić ilościowo przyrosty objętości gruntów pozyskiwanych (po urobieniu) w znaczeniu normy PN-B-06050.i podać kategorie urabialności gruntów budowlanych.

11.Jakie rodzaje gruntu i o jakich parametrach (wymienić co najmniej dwa parametry) mogą stanowić rdzeń zapory lub wału przeciw powodziowego.

12 Zidentyfikować co najmniej jeden rodzaj gruntu (nazwa, parametry, w/g normy) z którego nie można wykonać nasypu o wysokości 1,90 m. Uzasadnić.

13 W jaki sposób w bilansie robót ziemnych - wykresie objętości mas uwzględnić objętość mas gruntu pozyskanych z wykopu obustronnych rowów? Uzasadnić analitycznie, biorąc pod uwagę; -nasyp o stałej wysokości 4,75 m i wykop o stałej głębokości rowów 0,65m.

14. Podać objętość niewykonanych robót ziemnych ze względu na wykonanie przepustu szczelinowego o świetle 0,40m w nasypie o wysokości 3,20m wykonanego z piasku gliniastego.




90

15. Jaką wysokość powinien nasyp wykonany z Pπ na podłożu nieodkształcalnym aby w rezultacie przewidywanego zagęszczenia poziom prawej krawędzi znalazł się na wysokości 5,25 m. Szerokość korony nasypu 10,40 m.

16. Podać relacje analityczne pomiędzy stopniem zagęszczenia Id a wskaźnikiem zagęszczenia Is(Wz )dla wybranego typu gruntu budowlanego.

17. Podać relacje analityczne pomiędzy wskaźnikiem zagęszczenia Is (Wz ) a współczynnikiem spulchnienia p[%] (lub k) dla dowolnego typu gruntu budowlanego.

18. Podać relacje analityczne pomiędzy stopniem zagęszczenia Id a współczynnikiem spulchnienia p[%] dla pewnego typu gruntu budowlanego.

19. Wymienić parametry od których zależy wydajność (przepływ) rowu w kontekście PN-S-02204.

20. Wymienić parametry od których zależy wydajność (przepływ) drenu wgłębnego w kontekście PN-S-02204

21. Wymienić parametry od których zależy wydajność (przepływ) przepustu w kontekście Dz.U. Nr.63 poz735 z sierpnia 2000r.

22. Jaka jest zasada działania studni chłonnych. Od czego zależy ich wydajność („wpływ”).

23.Z jakich podzespołów i urządzeń składają się igłofiltry. W jakim przypadku muszą być koniecznie zastosowane.

24. Na czym polega zastosowanie drenu szczelinowego a na czym drenu „bezrowkowego”.

25. Jaki rodzaj urządzeń odwadniających może być zastosowany w podłożu pasa startowego.

26. Podać trzy schematy zastosowania geowłóknin w strefir aktywnej budowli komunikacyjnej budowli ziemnej.

27. Wymienić różnice właściwości technicznych geomembran i geowłóknin.

28. Podać zakresy głównych parametrów geotekstylii stosowanych w budownictwie drogowym tj. gramatury, wydłużenie przy zerwaniu, wodoprzepuszczalność (KDarcy)

29. Podać zasady i zarys technologii wykonania pali z wapna niegaszonego. W jakich przypadkach mogą mieć zastosowanie w budowlach ziemnych.

30. Podać zasady i zarys technologii wykonania pali żwirowych. W jakich przypadkach mogą mieć zastosowanie w budowlach ziemnych.

31. Wymienić (naszkicować) sposoby zabezpieczenia skarp budowli ziemnej przed erozją wodną cieków przepływowych (z nurtem).

32. Wymienić co najmniej dwa przypadki w których niedopuszczalne jest zastosowanie pali typu „gruntowego”.




91

33. Jakie grunty nie nadają się do stabilizacji cementem i co decyduje o ich przydatności.

34. Podać ilość potrzebnego cementu w kg/m2 stabilizowanej warstwy o grubości h.

35 Dla jakich gruntów stabilizacja wapnem jest szczególnie zalecana. Podać normowe nazwy i parametry tych gruntów..

36. Wymaganym wskaźnikiem mrozoodporności dla próbek gruntu stabilizowanego cementem jest 0,6/0,7. Podać interpretację fizyczną tego wskaźnika.

37. Od czego zależy wymagana i niezbędna ilość dodawanej wody na 1m2 warstwy stabilizowanej cementem lub wapnem.

38. Podać definicję i zasady określania; - stopnia zagęszczenia Id - wskaźnika zagęszczenia Is - wskażnika odkształcenia Io - współczynnika spulchnienia p



Budowle i roboty ziemne - Strona główna AGHhome.agh.edu.pl/~cala/papers/birz_zik_idim_pw.pdf ·...

Documents

Transcript of Budowle i roboty ziemne - Strona główna AGHhome.agh.edu.pl/~cala/papers/birz_zik_idim_pw.pdf ·...