Żelbetowe studnie opuszczane. Kszałtowanie, obliczenia, wykonawstwo, przykłady realizacji

Żelbetowe studnie opuszczane są często stosowane w budownictwie powszechnym, przemysłowym, wodno-melioracyjnym, a także przy budowie obiektów inżynierskich oczyszczalni ścieków. Głównym celem podjęcia tej tematyki było zebranie i usystematyzowanie informacji wykorzystywanych w dotychczasowej praktyce projektowania studni opuszczanych oraz uwspółcześnienie zaleceń projektowych z uwzględnieniem aktualnych norm, a także nowoczesnych metod obliczeniowych.

Pod pojęciem studni opuszczanej należy rozumieć konstrukcję złożoną ze ścian zakończonych nożem, z wykonanym później korkiem betonowym i płytą denną. Najczęściej konstrukcje te, o przekroju kołowym lub prostokątnym (niekiedy wielokątnym lub innym, na przykład owalnym), wykonywane są ze zbrojonego betonu. Pod wpływem własnego ciężaru, przy jednoczesnym wybieraniu gruntu z wnętrza, konstrukcja taka zagłębia się w grunt. Studnie opuszczane o niewielkich wymiarach przekroju poprzecznego, głównie o przekroju kołowym, od wielu lat są stosowane i użytkowane jako studnie przeznaczone w gospodarstwach rolnych do poboru wody gruntowej. Niekiedy mają też inne przeznaczenie. Po wypełnieniu wnętrza studni piaskiem lub chudym betonem, mogą stanowić one element składowy fundamentów budowli. Studnie o większym przekroju poprzecznym służą jako pomieszczenia, w których umieszcza się wyposażenie pompowni wody lub elektrowni wodnych, różnego rodzaju maszyny i urządzenia, albo przeznacza się je na garaże podziemne. Do niewątpliwych zalet stosowania studni opuszczanych należy zaliczyć stosunkowo małą objętość robót ziemnych i możliwość ich wykonania bez konieczności obniżania poziomu wód gruntowych.

W niniejszej pracy podano sposoby obliczania studni wraz z przykładami, opisano metody opuszczania studni oraz zamieszczono przykłady wykonanych studni wraz z dokumentacją fotograficzną. Niniejsza monografia łączy aspekty naukowe z wiedzą praktyczną i jest adresowana
zarówno do projektantów, jak i wykonawców studni opuszczanych,a także do studentów budownictwa, budownictwa hydrotechnicznego
i inżynierii sanitarnej.
W monografii omówiono najważniejsze zagadnienia, na które należy zwrócić uwagę przy projektowaniu studni, takie jak:
• zapewnienie studni pogrążalności,
• zagwarantowanie studni stateczności na wyparcie spowodowane ciśnieniem wody w przypadku posadowienia w gruntach nawodnionych,
• zaprojektowanie pod względem wytrzymałościowym płaszcza studni,
• zaprojektowanie zbrojenia noża studni,
• zaprojektowanie korka betonowego studni oraz żelbetowej płyty dennej.

W pierwszej części monografii w uporządkowany sposób przedstawiono zasady projektowania studni opuszczanych oraz tradycyjne
i współczesne metody obliczeniowe. Omówiono rodzaje obciążeń działających na studnie opuszczane na poszczególnych etapach ich realizacji
i eksploatacji. Podano zalecenia, poparte doświadczeniami autorki, dotyczące przyjmowania wymiarów poszczególnych elementów składowych studni oraz wymagania konstrukcyjne i materiałowe, które powinny zapewnić bezpieczne i zgodne z wymogami użytkowanie studni. Na szczególne podkreślenie zasługuje pogłębiona analiza określania współczynnika tarcia płaszcza studni o grunt, a także opisana i poparta przykładami liczbowymi metodyka obliczania studni z uwzględnieniem poszczególnych faz realizacji. W monografii zamieszczono wyprowadzone przez autorkę wzory umożliwiające uwzględnienie ścinania w gruncie, w płaszczyźnie odsadzek, w przypadku wystąpienia sił wyporu. Omówiono metody obliczania studni o przekroju kołowym i prostokątnym. Studnia opuszczana o przekroju kołowym w normalnych warunkach wykonawstwa
i eksploatacji pracuje jak grubościenny cylinder równomiernie ściskany i jako taki nie nastręcza większych trudności przy wykonywaniu obliczeń statyczno-wytrzymałościowych. Trudności wymuszające uwzględnienie w obliczeniach statyczno-wytrzymałościowych zarówno ściskania, jak
i zginania mogą się poja­wić przy studniach o większych średnicach, a także przy przechyle studni w trak­cie jej opuszczania. W związku
z powyższym, na etapie projektowania należy rozważyć także takie przypadki. Należy mieć na uwadze również to, że w trakcie opuszczania studnia stanowi rurę z końcami swobodnymi, a po wykonaniu korka dennego dolny koniec rury przechodzi w swobodnie podparty, a więc powstaje zbiornik cylindryczny.

Studnie o przekroju prostokątnym należy obliczać z uwzględnieniem prze­strzennej pracy statycznej i faz ich realizacji, najlepiej przy wykorzystaniu spe­cjalistycznych programów komputerowych.

W monografii wykazano, że w literaturze podawane są różniące się od suge­rowanych przez autorkę zalecenia dotyczące rozkładu obciążenia parciem gruntu przy zginaniu płaszcza studni w przekroju kołowym oraz zasad obliczania noża studni na zginanie. Wskazano również na możliwość równoważenia sił wyporu za pomocą pierścienia kotwiącego i spoczywającego na nim gruntu.

W monografii przestawiono także zalecenia dotyczące projektowania studni opuszczanych na podstawie Eurokodów.

Projektowanie studni opuszczanych według norm i wytycznych obowiązu­jących przed wejściem w życie Eurokodów oraz gdy te zaczęły już obowiązywać niewiele się różni. Tok postępowania nie uległ zmianie. Obliczenia statycz­ne wykonywane są według tych samych zasad i wzorów. Zasadnicze różnice przy aktualnym projektowaniu studni opuszczanych według wymagań i zale­ceń Eurokodów polegają na stosowaniu wyższych współczynników obciążenia. Stosując wyższe współczynniki do oddziaływań, uzyskuje się wyższe wartości obliczeniowe momentów zginających, sił tnących (poprzecznych) i normalnych, na które należy zaprojektować zbrojenie w celu ich bezpiecznego przeniesienia. Wytrzymałość obliczeniowa stali po wejściu do użycia Eurokodów nie uległa zmianie, gdyż wytrzymałość obliczeniową uzyskuje się, dzieląc wytrzymałość charakterystyczną (granicę plastyczności) przez współczynnik γa = 1,15, który nie uległ zmianie. Przy stosowaniu Eurokodów brana jest do obliczeń wyższa o 7% wytrzymałość betonu na ściskanie fcd, wynikająca ze zmniejszenia współczynni­ka bezpieczeństwa γc,
z wartości 1,5 (w normie żelbetowej PN-B-03264) do 1,4. Według Eurokodu 7 (EC7) studnie opuszczane zaliczyć można do trzeciej kate­gorii geotechnicznej. Charakterystyczne wartości parametrów geotechnicznych należy wybrać na podstawie wyników oraz wartości wyprowadzonych z badań laboratoryjnych i terenowych, uzupełnionych ogólnie uznanym doświadczeniem. W przypadku korzystania z tablic normowych wartości charakterystycznych, zależnych od parametrów z badań gruntu, wartość charakterystyczną należy wy­znaczać jako wartość możliwie najbezpieczniejszą.

Biorąc powyższe pod uwagę, można stwierdzić, że projektowanie studni opuszczanych według poprzednio obowiązujących norm i przepisów
i projekto­wanie według Eurokodów jest zbliżone, a wyniki obliczeń statycznych i wymia­rowania różnią się ze względu na inne współczynniki bezpieczeństwa.

W wyniku obliczeń studni opuszczanych wykonanych zgodnie z Eurokodami przy ich wymiarowaniu uzyskuje się większą wymaganą powierzchnię zbrojenia, niż uzyskano by z obliczeń wykonywanych na podstawie wcześniejszych Polskich Norm.

Spis treści:

1. Wprowadzenie

2. Obciążenia występujące podczas realizacji i eksploatacji studni opuszczanych

2.1. Rodzaje obciążeń

2.2. Zasady obliczania parcia gruntu na płaszcz studni

2.2.1. Klasyczne podejście do obliczania parcia gruntu

2.2.2. Obliczanie parcia gruntu według Eurokodu 7

3. Założenia i wytyczne do wykonywania obliczeń statycznych

3.1. Wprowadzenie

3.2. Zapewnienie pogrążalności studni

3.3. Zapewnienie stateczności studni na wypłynięcie

3.3.1. Wprowadzenie

3.3.2. Podejście tradycyjne

3.3.3. Sprawdzenie stateczności na wypłynięcie według zaleceń Eurokodu 7

3.3.4. Uwzględnienie ścinania w gruncie w płaszczyźnie odsadzek

3.3.5. Rozwiązania zwiększające stateczność studni na wypłynięcie

3.4. Obliczanie sił wewnętrznych w płaszczu studni

3.4.1 Wprowadzenie

3.4.2. Charakterystyka pracy statycznej studni w kolejnych fazach realizacji

3.4.3. Obliczanie sił wewnętrznych w studniach o przekroju kołowym

3.4.4. Obliczanie sił wewnętrznych w studniach o przekroju prostokątnym

3.4.5. Podsumowanie podrozdziału 3.4

3.5. Dodatkowe siły wewnętrzne występujące w czasie opuszczania studni

3.5.1. Zabezpieczenie przed możliwością poziomego rozerwania studni

3.5.2. Zabezpieczenie przed skutkami zginania ścian studni w płaszczyźnie pionowej

3.6. Obliczenia noża studni

3.7. Obliczanie korka betonowego i płyty dennej

3.7.1. Wprowadzenie

3.7.2. Obliczenia momentów zginających w korku i płycie dennej

3.7.3. Obliczanie grubości korka betonowego

4. Założenia do kształtowania, wymiarowania i wykonawstwa studni

4.1. Zalecenia dotyczące przyjmowania wymiarów elementów studni

4.1.1. Ściany studni opuszczanych

4.1.2. Nóż studni

4.2. Beton hydrotechniczny

4.3. Zbrojenie studni

4.3.1. Założenia do obliczenia zbrojenia studni

4.3.2. Okucia i zbrojenie dodatkowe

4.4. Przerwy technologiczne przy betonowaniu segmentów studni

4.5. Betonowanie żelbetowych ścian studni

5. Opuszczanie studni

5.1. Metody opuszczania

5.1.1. Wprowadzenie

5.1.2. Opuszczanie studni i wydobywanie urobku w gruntach nienawodnionych

5.1.3. Opuszczanie studni i wydobywanie urobku w gruntach nawodnionych w połączeniu z pompowaniem wody

5.1.4. Opuszczanie studni metodą czerpania podwodnego

5.1.5. Opuszczanie studni w osłonie z zawiesiny tiksotropowej

5.2. Trudności przy opuszczaniu studni

5.3. Kontrola w trakcie opuszczania studni

5.4. Prostowanie studni skrzywionej w trakcie opuszczania

5.5. Betonowanie korka w studniach opuszczanych

5.6. Wypompowywanie wody z wnętrza studni

6. Przykłady studni opuszczanych

6.1. Studnie opuszczane w Bydgoszczy  

6.2. Studnia na Bulwarze Nadwarciańskim w Koninie

6.3. Studnia w Suchym Lesie k. Poznania

6.4. Studnie w hali produkcyjnej firmy Poz-Bruk w Sobocie k. Poznania

Literatura

Normy