Ciężar i opór tarcia wewnętrznego gruntu przezwyciężają siły wyporu działające na systemy kanalizacyjne.
Z jednej strony ciężar wyrobów z tworzyw sztucznych jest stosunkowo niski, co sprawia, że produkty z tworzyw sztucznych są łatwe w transporcie i przenoszeniu oraz umożliwiają prosty i szybki montaż. Z drugiej jednak strony zgodnie z Prawem Archimedesa każde ciało, które jest zanurzone w wodzie (nawet częściowo), podlega działaniu siły skierowanej do góry, równej ciężarowi objętości wypartej wody. Aby przewód z tworzywa sztucznego pozostał na miejscu w gruncie w przypadku występowania wody gruntowej, siła wyporu skierowana ku górze musi zostać zrównoważona przez siłę skierowaną przeciwnie.
Obliczenia dotyczące równoważenia sił wyporu pokazują, że w przypadku podziemnych systemów kanalizacyjnych z tworzyw sztucznych większa część siły działającej w przeciwnym kierunku wynika z ciężaru gruntu, który znajduje się ponad przewodami (lub w przypadku studzienek z ciężaru otaczających je gruntów). Ciężar przewodów stanowi tylko niewielką część tej siły.
Ponieważ naziom nad rurą ma względnie wysoki ciężar właściwy już nawet w przewodach ułożonych płytko, ciężar gruntu łatwo przewyższa nawet kilkukrotnie siły wyporu skierowane ku górze. Dodatkowo z powodu oporu tarcia wewnętrznego gruntu ciężar gruntu nad rurą powiększony jest o ciężar gruntu znajdującego się w t.zw. stożku tarcia.
Ta właściwość gruntu jest szczególnie cenna dla utrzymania studzienek w gruncie. W sytuacji wysokiego poziomu wód gruntowych ciężar objętości gruntu w stożku tarcia, uniemożliwia wynoszenie studzienki przez siły wyporu, a podczas montażu już małe otoczenie gruntem brzegu studzienki z tworzywa sztucznego jest wystarczające do ustabilizowania jej położenia.
Wielkość stożka tarcia zależy od kąta tarcia wewnętrznego (). Średni kąt tarcia wewnętrznego () większości gruntów nasypowych jest bliski 33o.
W obliczeniach równoważenia sił wyporu, które wykonuje Wavin, na przykład dla przewodów odwodnienia i kanalizacji przyjmujemy kąt tarcia wewnętrznego 20o. Takie podejście uwzględnia najgorszy możliwy przypadek (patrz: diagram 1) i gwarantuje bardzo niezawodne rozwiązanie.
Utrzymaniu systemów z tworzyw w gruncie nawodnionym sprzyja również fakt, że wszystkie elementy systemu kanalizacyjnego są ze sobą połączone. Zakotwienie to stanowi dodatkowy aspekt zapewniający bezpieczeństwo, którego jednak nie uwzględnia się w obliczeniach.
Podsumowując, w warunkach poprawnego wypełnienia wykopu nie występuje zjawisko wynoszenia przewodów (i studzienek) kanalizacyjnych) ułożonych w gruncie przy wysokim poziomie wody gruntowej. Ten stan jest stabilny i dotyczy całego cyklu życia określanego na co najmniej 100 lat niezależnie od zmiany poziomów wody gruntowej.
Diagram 1. Wąskie obrzeże gruntowe wokół dna studzienki podlega ciężarowi stożka tarcia gruntu.
Przykład obliczeniowy:
Dane:
• D = 1000mm= 1,0 m
• H = 5,0 m
• H (H2O) = 5,0 m
• kąt tarcia wewnętrznego α = 20° (dla piasków, żwirów - 33°)
• ρ (H2O) = 1000 kg/m³
• ρ (gruntu) = 1800 kg/m³
• ρ (gruntu nawodnionego) = 800 kg/m³
• g = 10 N/kg
Obliczenia sił wyporu i ciężaru gruntu utrzymującego studzienkę w gruncie:
• Siła wyporu Fw = ciężar wypartej wody:
Fw = π/4 * D² * H * ρ(H2O) * g =
π/4 * 1² * 5,0 * 1000 = 3925 kg * 10 N/kg = 39250 N = 39,3 kN
• Ciężar gruntu G = ρ (gruntu nawodnionego) * V (gruntu) * g
Objętość gruntu V (gruntu) = (Vwalca1 – Vwalca2) / 2
(objętość walca o średnicy (D+2x) - objętość walca o średnicy D) / 2
przy czym x wyliczone jest z funkcji:
X = H * tan(α) => 5,0 * tan 20° = 5,0 * 0,364 = 1,8m
V(gruntu) = (Vwalca1 – Vwalca2) / 2 =
(π/4 * ( 2 * X + D)2 * H) – π/4 * D2 * H) / 2 =
(π/4 * ( 2 * 1,8 + 1)2 * 5 – π/4 * 12 * 5) / 2 =
(π/4 * 4,62 * 5 – π/4 * 12 * 5) / 2 =
(83,05 – 3,93) / 2 = 79,1 / 2 m3 = 39,6 m3
G = ρ (gruntu nawodnionego) * V (gruntu) * g = (1800-1000) * 39,6 * 10 = 316800 N = 316,8 kN
Wniosek
G = 316,8kN > Fw = 39,3kN– ciężar gruntu w strefie stożka tarcia wewnętrznego utrzymuje studzienkę w gruncie
Przyjęto duże współczynniki bezpieczeństwa:
- kąt tarcia 20o zamiast 33o
- wypełnienie gruntu wodą – do poziomu terenu – 5 m, a nie częściowe
