Wydawnictwo
Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu

Jako autor lub współautor kilku publikacji cytowanych w monografii Żelbetonowe studnie opuszczane. Kształtowanie, obliczenia, przykłady realizacji z zaciekawieniem zapoznałem się z jej treścią. Autorka nie tylko zebrała i podsumowała dotychczasowe osiągnięcia i zalecenia dotyczące projektowania oraz wykonawstwa studni opuszczanych, lecz także twórczo je rozwinęła i uwspółcześniła. Skompletowała opracowania, z których część jest mało znana lub publikowana w czasopismach o niewielkim zasięgu. Mimo że studnie opuszczane są konstrukcjami bardzo często stosowanymi, co Autorka wykazała przykładami z własnej praktyki, w tekstach naukowych od lat nie podejmowano tego tematu. W monografii odniesiono się także do wejścia w życie Eurokodów i ich wpływu na podjęte zagadnienie.
Gratulując Autorce pomysłu i realizacji, żywię nadzieję, że monografia ta będzie życzliwie przyjęta przez krąg odbiorców oraz przyczyni się do bezpiecznego projektowania studni opuszczanych.

na podstawie opinii

prof. dr. hab. inż. Wiesława Buczkowskiego

Wprowadzenie
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.

Projektowanie studni opuszczanych według dotychczasowych zasad
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.

Projektowanie studni według zasad podanych w Eurokodach

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.

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

Żelbetowe studnie opuszczane. Kształtowanie, obliczenia, wykonawstwo, przykłady realizacji. Abstrakt

Reinforced concrete sunk wells. Design, calculations, execution, implementation examples. Abstract

Introduction

Reinforced concrete sunk wells are frequently used in general, industrial, water-drainage construction as well as in building engineering facilities for sewage treatment plants. The main purpose of dealing with this topic was to collect and systematize information used in the previous practice of designing sunk wells, modernize design recommendations considering current standards and modern calculation methods.

The term of a sunk well should be understood as a structure consisting of walls finished with a cutting edge, a concrete bottom plug (made at a later stage) and a bottom plate. Due to its own weight, with simultaneous extraction of soil within it, such a structure sinks into the ground. Most often these structures have a circular or rectangular cross-section (sometimes polygonal, oval or other) and are made of reinforced concrete. Structures of this type with small cross-sectional dimensions, predominantly with a circular cross section, have been used for many years as wells intended for groundwater intake on farms. Yet, they may also have other purposes. Structures filled with sand or lean concrete can be used as an ele­ment of building foundations. Wells with a larger cross-section are constructed in order to provide space for the equipment of water pumping stations or hydropower plants, various types of machines and devices, or they are intended as underground garages. The undoubted advantages of sunk wells are a relatively limited scope of excavation works and the possibility of their implementation without lowering the groundwater level. The paper includes design calculations for sunk wells with numerical examples, methods of construction and examples of completed wells with photographic documentation.

The monograph integrates scientific aspects with practical knowledge and is addressed both to designers and contractors whose domain are sunk wells, as well as to students of construction, hydrotechnical construction and sanitary engineering.

It also discusses the key issues to be considered when designing sunk wells, which are:

• proper sinkability of the well,
• buoyancy stability of the well when it is implemented in wet soils,
• design with reference to the strength of the steining,
• design of reinforcement of the cutting edge,
• design of a concrete bottom plug and a reinforced concrete bottom plate.

Design of sunk wells according to the rules applied so far

The first part of the monograph presents in an orderly manner design rules for sunk wells and calculation methods that have been used for years, and still are today, despite the introduction of new regulatory requirements in the form of the Eurocodes. It discusses the types of loads acting on sunk wells at various stages of their implementation and operation, provides recommendations, supported by own experience, regarding the dimensions of individual components, together with design and material requirements that should ensure safe and compliant use.

Worthy of special mention is the in-depth analysis of the determination of friction coefficient between the steining and soil, as well as calculation methodol­ogy described and supported by numerical examples, accommodating individual stages of implementation.

The monograph includes formulas, derived by the author, which allow for tak­ing into account the shear parameter in soil, in the plane of offsets, in the event of buoyancy forces. It also discusses the methods of calculating wells with a circular or rectangular cross-section.

A well with a circular cross-section, under normal conditions of execution and operation, works as a thick-walled cylinder, evenly compressed, and as such does not present any major problems in static and strength calculations. However, some difficulties forcing the inclusion of compressive and bending forces in static and strength calculations may appear at calculating wells with larger diameters, and when wells tilt during sinking. Therefore, at the design stage, such cases should also be considered. It should also be borne in mind that during the stage of sink­ing, the well is a pipe with free ends, and after making the bottom plug, the lower

end of the pipe becomes freely supported, so a cylindrical tank is formed. Wells with a rectangular cross-section require calculations taking into consideration their spatial static work and implementation stages, preferably with the use of specialised computer programs.

As the monograph demonstrates the literature provides recommendations for the distribution of soil pressure load during bending the well steining of a circular cross-section and rules for calculating the bending strength of the cutting edge that differ from those suggested by the author. It was also indicated that it is possible to balance buoyancy forces by means of the anchor ring and the material resting on it.

Design of sunk wells according to the rules specified in the Eurocodes

The monograph includes also design recommendations for sunk wells with refer­ence to the Eurocodes.

Design of sunk wells according to standards and guidelines in force before the introduction of the Eurocodes and according to the Eurocodes does not differ much. The course of action hasn’t changed. Static calculations follow the same rules and formulas. Basically, the differences in the current design of sunk wells according to the requirements and recommendations of the Eurocodes consist in the use of higher values of load factors. By applying higher values of coefficients relating to actions, higher design values of bending moments, shear forces and normal forces are obtained for which reinforcement must be designed in order to transfer them safely. The design strength of steel after the introduction of the Eurocodes has not changed, because the design strength is obtained by dividing the characteristic strength (yield point) by the coefficient γa = 1,15, which has not changed. When using the Eurocodes, calculations take the compressive strength of concrete fcd higher by 7%, based on safety factor γc reduced from the value of 1.5 (reinforced concrete standard PN-B-03264) to 1.4. According to EC7, sunk wells can be classified as structures of the 3rd geotechnical category. The values of characteristic geotechnical parameters should be selected based on results and data derived from laboratory and field tests, supported with generally recognised experience. When using standard tables of characteristic values depending on parameters from soil tests, the characteristic value should be determined as the safest possible. EC7 does not provide precise recommendations regarding the use of soil-to-concrete friction coefficients.

Considering the above, it can be concluded that the design of drop wells according to the previous standards and regulations and the design according to the Eurocodes are similar, and the results of static calculations and dimensioning differ due to different safety factors.

With the figures obtained by calculations made in accordance with the Eurocodes, sunk wells require a larger area of reinforcement than it would be obtained from calculations made on the basis of the previous Polish Standards.