Siły wyporu działające na kanalizację

Marcel Roelfsema - doradca techniczny Wavin w Holandii. 
Specjalizuje się w tematyce zachowania w gruncie oraz w technikach montażu systemów rurowych z termoplastycznych tworzyw sztucznych (PP, PE i PVC-U) takich jak rury, studzienki inspekcyjne i włazowe używanych do wykonania systemów kanalizacyjnych. 

Czy sieć kanalizacyjna wykonana z tworzyw sztucznych może być zagrożona wypchnięciem z gruntu na skutek wysokiego poziomu wód gruntowych? Choć wydaje się to prawdopodobne, to jednak nie zachodzi. Poniżej zamieszczamy wyjaśnienie, w oparciu o analizę sił przezwyciężających siły wyporu działające na przewody kanalizacyjne w gruncie nawodnionym i bazujących na niej obliczeniach.  

W naszej gminie, dość duża część infrastruktury kanalizacyjnej musi być wkrótce wymieniona. Jesteśmy otwarci na użycie systemów z tworzyw sztucznych, ale nie jesteśmy do końca pewni, czy ze względu na mały ciężar elementów nie zostaną wyniesione one przez wody gruntowe? Ewentualnie  czy w przypadku wysokiego poziomu wody gruntowej rury i studzienki kanalizacyjne należy  zabezpieczyć przed działaniem siły wyporu?

Pytanie przedstawione powyżej, ilustruje wątpliwości z jakimi często spotykamy się podczas rozmów z inwestorami na temat nowych sieci kanalizacyjnych. Marcel Roelfsema - doradca techniczny Wavin, wyjaśnia, dlaczego nie trzeba się martwić o wynoszenie systemów rurowych z tworzyw. “Podczas projektowania odwodnień i sieci kanalizacyjnych, które składają się głównie z rur, studzienek włazowych i inspekcyjnych, a także zbiorników  retencyjnych czy rozsączających lub separatorów – zawsze uwzględniamy kwestię ich wyporu przez wodę gruntową. Warto pamiętać, że elementy systemów odwadniania i kanalizacji nie są zamontowane luźno w gruncie. Zawsze rurociągi, studzienki włazowe i inspekcyjne oraz komory lub zbiorniki połączone są w jeden ciągły system. To jeden z czynników mających wpływ na utrzymanie w gruncie elementów wypieranych przez wodę.  
Warto też pamiętać, że  w przypadku zmontowanego w gruncie systemu siła wyporu, tj. siła skierowana w górę musi pokonać opór jaki daje ciężar zmontowanych materiałów oraz ciężar gruntu powyżej ułożenia rur oraz ciężar nawierzchni drogowej lub chodnika.”

Należy wziąć również pod uwagę opór tarcia wewnętrznego gruntu

Rys1. Siły utrzymujące rurę w gruncie (siły przeciwdziałające sile wyporu) zależą od szeregu czynników, w tym od kąta tarcia wewnętrznego gruntu.

 

Podczas, gdy ciężar przykrywającego sieć kanalizacyjną gruntu, w tym warstw obsypki górnej oraz zasypki wstępnej i głównej mają duże znaczenie dla stateczności i utwierdzenia sieci kanalizacyjnych w gruncie, to kąt tarcia wewnętrznego gruntu (α) jest kluczowy zwłaszcza dla długoterminowego zabezpieczenia przed siłami wyporu. 

Kąt tarcia wewnętrznego gruntu (α) sprawia, że do równoważenia siły wyporu skierowanej w górę bierze się pod uwagę ciężar gruntu o zwiększonej objętości,  w tzw. klinie odłamu. Tym samym działanie sił wyporu jest znoszone, tj. nie tylko przez ciężar gruntu bezpośrednio nad rurą, lecz również ciężar warstwy gruntu o większej szerokości, a rurom nie grozi wynoszenie z gruntu. Chociaż kąt tarcia wewnętrznego (α) dla większości gruntów wynosi między 30o a 35o, to  aby uwzględnić wszelkie niepewności i uzyskać wysoki współczynnik bezpieczeństwa w swoich obliczeniach sił wyporu i ich równoważenia zakładam wartość 20o. 

Lepiej zapobiegać niż naprawiać

W Wavin, jesteśmy świadomi, że zmiany klimatyczne  mogą powodować w gruncie zmiany, w skutek których następuje dominacja ekstremalnie trudnych warunków gruntowo-wodnych, które mogą zaburzać funkcjonowanie sieci kanalizacyjnych. 
Coraz częściej występujące deszcze nawalne mogą zmieniać warunki gruntowo-wodne - np. powodować gwałtowny wzrost poziomu wód gruntowych, erozję gruntu, osiadanie i inne czynniki. Staramy się to z góry przewidzieć tworząc należyte rozwiązania zarządzania wodą deszczową. Pozwalają one na odprowadzanie nawet ogromnych ilości wody deszczowej w możliwie najlepszy sposób.”