Encyklopedia

W Polsce dość powszechnie pokutuje błędna praktyka, że dla potrzeb budowlanych należy wykonać badania geologiczne, które zgodnie z Prawem geologicznym i górniczym wykonuje geolog. Bezpodstawnie są one utożsamiane z badaniami geotechnicznymi – co stanowi dziś anachronizm. Przedstawienie tych niepra­widłowości wymaga przybliżenia związanych z tym pojęć:

W żadnym z tych pojęć nie za­wiera się zatem działalność mająca na celu określanie skompliko­wanych parametrów technicznych gruntów do potrzeb budowlanych, badanych specjalistycznym sprzę­tem geotechnicznym, co przede wszystkim wymaga bardzo dobrej znajomości mechaniki gruntów. Zajmującą się tym dyscypliną, będą­cą obecnie specjalizacją uprawnień konstrukcyjno-budowlanych, jest geotechnika - interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki dotycząca badań podłoża gruntowego do celów projektowania, wykonywania i kon­troli: budowli ziemnych i podziem­nych, fundamentowania konstrukcji budowlanych, dróg, linii kolejowych, lotnisk itp., a powiązana z tym inżynieria geotechniczna zajmuje się projektowaniem i realizacją konstrukcji geotechnicznych. Natomiast dokumentacja geotechniczna to dokumen­tacja  zawierająca szczegółowe wyniki badań geotechnicznych gruntu z określeniem obliczeniowych para­metrów geotechnicznych, analizą i obliczeniami oraz ustaleniem geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budow­lanych we wszystkich kategoriach geotechnicznych. Zagad­nienia te są tak bardzo obszerne i istotne, że poświęcono im 2 tomy jednej z 10 ogólnoeuropejskich norm Eurokod 7 - „Projektowanie geotechniczne". Rolą dokumentacji geologiczno-inżynierskiej, wykony­wanej dodatkowo w koniecznych przypadkach, jest uzupeł­nienie dokumentacji geotechnicznej, jeśli wystąpi potrzeba określania zjawisk i zagrożeń podanych w definicji. Podłoże gruntowe jest częścią przestrzeni znajdującą się w zasięgu oddziaływania budowli, która wraz z fundamentem stanowi integralną całość, a w której rządzą prawa mechaniki, wytrzymałości materiałów i hydrauliki. Określane w badaniach właściwości fizyczne i mechaniczne gruntów mają zatem bezpośredni wpływ zarówno na stateczność obiektu, jak i jego osiadania czy warunki realizacji. Zasięg tej strefy w każdym przypadku może być inny, ale generalnie dla obiektów naziemnych głębokość ta jest nie mniejsza niż 5 m i na ogół nie przekracza 30 m. Dlatego grunty tej strefy stanowią materiał budowlany, który musi być badany w podobny sposób jak inne mate­riały. Jednak w odróżnieniu od materiałów wytworzonych przez człowieka są one wytworem przyrody, przez co mają szczególnie złożone i skomplikowane właściwości, jakich nie da się ująć w tabelach, wykresach czy aprobatach. Było to powodem kształtowania, a potem powstania mechani­ki gruntów będącej gałęzią mechaniki technicznej, której początki datowane są od ok. 230 lat. W ten sposób wraz z rozwojem inżynierii i budownictwa powstała nowa spe­cjalność inżynierii nazwana początkowo geotechnologią, następnie geotechniką, a od wczesnych lat 70. inżynierią geotechniczną, w której mechanika gruntów i skał jest na­uką podstawową i z której wywodzi się nowa specjalność  zawodowa - inżynier geotechnik.

Rys. 1. Schemat synergii nauk przyrodniczo-technicznych i budownictwa.

Do tego należy jeszcze dodać, że wykonywanie badań właściwości gruntów dla potrzeb budowlanych wymaga odpowiedniego wykształcenia i odpowiednich uprawnień. Tym samym ustalanie geotechnicznych warunków posadowienia jest całkowicie wyłączone z jurysdykcji Prawa geologicznego i górniczego, a ściśle techniczne uprawnienia w zakre­sie budownictwa nie mogą być nadawane w Ministerstwie Środowiska przez komisje geologiczne nieprzygotowanym do tych zadań absolwentom geologii. Dokumentacje geologiczno-inżynierskie nie mogą przejmować funkcji dokumentacji geotechnicznych, lecz zgodnie z ich zadaniem powinny ograniczać się do prog­nozy zjawisk i procesów geologicznych mających związek z projektowanym obiektem. Jest to obecnie główne przesłanie do wszystkich Stron inwestycji. Do podstawowych przy­czyn nieprawidłowości przy opracowywaniu dokumentacji geotechnicznych i geologiczno-inżynierskich można również zaliczyć niezbyt powszechną znajomość różnicy między zawodem geotechnika a zawodem geologa inży­nierskiego.  Zawód inżyniera geotechnika został wyraźnie okre­ślony w rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 10 grudnia 2002 roku w sprawie klasyfikacji zawodów i specjalności na potrzeby rynku pracy. Jest on sklasyfiko­wany pod numerem 214206 na liście inżynierów budownictwa i ochrony środowiska. Na liście tej bezskutecznie można szukać zawodu geologa inżynierskiego. Sylwetkę inżyniera geotechni­ka zdefiniowano w załączniku do tego rozporządzenia. Geolo­dzy inżynierscy od wielu lat wykonują badania gruntu na po­trzeby budownictwa, ale mają prawo jedynie do wykonywania badań gruntu i przedstawienia wyników tych badań. Natomiast od kilkunastu lat wyraźne wykazują skłonności do przejmowa­nia typowych czynności projektowych, do których wykonywa­nia są niezbędne uprawnienia projektowe. Z racji wykształcenia przyrodniczego geolodzy inżynierscy nie mogą zdobyć upraw­nień projektowych i dlatego często sami nazywają się geotechnikami, naruszając wyraźnie przepisy rozporządzenia.

1. Badania podłoży gruntowych. Oczywistą rzeczą jest, że badania podłoża budowli mają kardynalne znaczenie w powodzeniu całej inwestycji. Wyniki badań decydują o poprawności obliczeń nośności i stateczności konstrukcji i powinny dać odpowiedź: czy wzmacnianie podłoża jest w ogóle potrzebne ? Na podstawie tych obliczeń podejmuje się też decyzje o zakresie wzmocnień, wyborze technologii oraz posadowień. W odróżnieniu od typowej praktyki, badania powinny objąć swoim zakresem także właściwości warstw określanych zwykle ogólnikowo jako „nienośne” (szczególna praktyka stosowana przez geotechników dla np. nasypów niekontrolowanych lub gruntów organicznych), gdyż to one przecież podlegają wzmocnieniu. A ich właściwości fizyko-mechaniczne przed i po wzmocnieniu są podstawą projektowania, wyboru sposobu wzmocnienia podłoża, zbrojenia podstawy nasypu i ustalenia jego optymalnego kształtu poprzecznego. Te same właściwości są niezbędne przy określaniu nośności granicznej zgodnie z normami posadowień bezpośrednich, gdzie używa się modeli sztywno-plastycznych z powierzchnią C-M → f(c,Ø) lub sprężysto-plastycznych z powierzchnią D-P → f(E, υ).  Przedstawione w nawiasach właściwości gruntów muszą być znane projektantowi przed przyjęciem jakiejkolwiek koncepcji posadowienia. Z kolei, przy określaniu deformacji podłoża gruntowego, trudno wyobrazić sobie pracę projektanta bez parametrów wytrzymałościowych podłoża ( τf, Mo, M, Ø’, c’). Tym samym dokładne określenie parametrów fizyko-mechanicznych gruntów podłoża, szczególnie na próbkach klasy jakości A1 (NNS), wykonanych z pełną świadomością celu okazuje się nieodzowne. Próbki o nienaruszonej strukturze (NNS)  klasy A1 służą do wykonania wszystkich badań przy próbkach o naturalnym uziar­nieniu i o naturalnej wilgotności oraz do:

Do pobierania tego typu gruntów, bardzo często będących w stanie miękkoplastycznym lub płynnym stosowane są próbniki rdzeniowe. Konstrukcja wszystkich tego rodzaju przyrządów polega na zamknięciu cylindra od góry zaworem, który uniemożliwia dostęp powietrza do komory znajdującej się nad próbką. Zawór umożli­wia odpływ powietrza i wody w czasie wciskania stalowego cylin­dra w grunt. Utrzymanie próbki gruntu w cylindrze w czasie je­go wyciągania z otworu wiertniczego możliwe jest wskutek tarcia gruntu o ścianki cylindra oraz różnicy ciśnień pod i nad próbką.

Fot. 1. Widok próbnika rdzeniowego

Wobec trudności w pobieraniu próbek gruntów organicznych dobrej jakości i odtworzeniu ich naturalnej struktury w laboratorium, zaleca się w jak najszerszym zakresie wykonywanie badań gruntów organicznych metodami polowymi. W badaniach terenowych do określania parametrów mechanicznych przydatna jest sonda obrotowa FVT, świder talerzowy, sonda wciskana CPT oraz sonda z pomiarem ciśnienia wody w porach CPTU. Każdy typ gruntów organicznych charakteryzuje się odmiennymi właściwoś­ciami inżyniersko-geologicznymi. Wynika to przede wszystkim z innych warun­ków sedymentacji, co sprawia, że charakter substancji organicznej oraz ich właści­wości strukturalne, chemiczne, fizykochemiczne, mineralne, fizyczne i wynikające z nich mechaniczne są bardzo zróżnicowane. Każdy z gruntów musi być zatem rozpatrywany indywidualnie, zarówno z punktu widzenia oceny ich właściwości, jak i przyczyn ich kształtowania się. Natomiast kwasy humusowe związane z procesami zachodzącymi w substancji organicznej mają wpływ na korozyjność w stosunku do konstrukcji budowlanych – betonowych, żelbetowych i stalowych.

Tab. 1. Własności korozyjne gruntu w zależności od składu chemicznego i domieszek organicznych wg normy BN-66/2330-01

Nasyp posadowiony na gruntach słabonośnych  (wysadzinowych), np. gruntach spoistych w stanie plastycznym i miękkoplastycznym lub gruntach organicznych, powoduje znaczne odkształcenia, które w przypadkach krytycznych przybierają postać wyparcia podłoża związanego z osuwiskiem skarp lub jego zatonięciem ( pogrążaniem się ). Szczególnym przypadkiem są grunty organiczne. Budowie nasypu na gruntach organicznych zawsze towarzyszy intensywne osiadanie, niespotykane przy gruntach mineralnych. Przebieg, charakter i zakres odkształceń zależy od stanu i układu warstw gruntów słabych w podłożu, od wielkości i rozkładu obciążeń przekazywanych przez nasyp, jego kształtu oraz intensywności ich przyrostu.

Rys.2.  Schemat odkształcenia słabego podłoża pod nasypem.

Samo określenie słaby grunt lub podłoże jest pojęciem względnym. W opracowanych wielu wytycznych słabe podłoże  definiowane jest jako warstwy gruntu  nie spełniające wymagań wynikających z warunków nośności lub stateczności albo warunków przydatności do użytkowania w odniesieniu oczywiście do rozpatrywanego obiektu lub elementu konstrukcji. Nie istnieje tym samym jedno kryterium określające podłoże jako wymagające wzmocnienia. Konieczność wzmocnienia podłoża zależy przede wszystkim od cech podłoża, rodzaju budowli oraz stawianych wymagań. W praktyce inżynierskiej, w przypadku występowania korzystnych warunków gruntowo – wodnych, projektowano fundamenty bezpośrednie: stopy, ławy, a dla większych obiektów – płyty lub ruszty fundamentowe. Występowanie gruntów słabonośnych było najczęściej przyczynkiem do projektowania i realizacji fundamentów głębokich. Na przestrzeni minionych, ponad dwudziestu pięciu lat, dynamiczny rozwój geotechniki i geoinżynierii, zarówno w zakresie szczegółowych badań „in-situ” podłoża gruntowego jak i technik posadawiania spowodowały, że podział na fundamentowanie bezpośrednie i pośrednie jest już dziś częściowo anachroniczny. Coraz częściej, wykorzystując nowoczesne technologie fundamentowania,  budynki i budowle inżynierskie posadawiane są bezpośrednio na podłożu wzmocnionym, przy czym wzmacnianiu i stabilizacji podlegają zarówno słabonośne grunty rodzime jak i antropogeniczne łącznie z nasypami budowlanymi. Nadrzędnym celem wzmacniania podłoża jest dostosowanie jego parametrów do  wymogów eksploatacyjnych posadawianych obiektów.

Rys. 3. Porównanie efektywności technologii wzmacniania podłoży.

Obecnie, w praktyce inżynierskiej, po wprowadzeniu szeregu aktów prawnych  i normalizacji, dokonuje się swoista rewolucja. Dotyczy to szczególnie zmiany sposobów badań podłoża gruntowego, projektowania w tym także geotechnicznego, pomiarów parametrów, monitoringu obiektów wznoszonych, a przede wszystkim zmiany mentalności stron procesów inwestycyjnych. Ogólnie, zakres badań powinien umożliwiać określenie i wydzielenie na ich podstawie warstw geotechnicznych z dokładnością odpowiadającą wymaganiom obliczeń nośności       i stateczności budowli. Podłoże powinno być rozpoznane do głębokości strefy aktywnej oddziaływania budowli i zakończyć się  w warstwie gruntów nośnych. Cechy podłoża należy ustalać każdorazowo na podstawie wierceń lub wykopów badawczych, sondowań  i innych badań polowych, badań makroskopowych oraz szczegółowych badań laboratoryjnych. Musimy zdawać sobie sprawę, że to na podstawie tych badań wybieramy odpowiednią technologię wzmocnienia podłoża lub jego uzdatnienie. Od jakości tych badań zależy poprawność wyboru technologii i obliczeń jak również bezawaryjna eksploatacja projektowanych obiektów.

 Tab.2.  Zalecane metody badań gruntu do wzmocnienia podłoża i fundamentów.

Tab. 3. Zalecane metody badań podłoża i określania parametrów gruntu.

Badania laboratoryjne powinny objąć swoim zakresem przede wszystkim właściwości fizyko-mechaniczne warstw określanych zwykle ogólnikowo w różnego typu opracowaniach jako „nienośne”. Pozostawianie w tabelach zbiorczych parametrów geotechnicznych warstw słabych bez podania konkretnej wielkości np. kąta tarcia wewnętrznego (Ø), kohezji (c) lub edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej (Mo) uniemożliwia w sposób oczywisty lub co najmniej zaburza normalny proces projektowy ze wszystkimi tego konsekwencjami. W ostatnim czasie następuje zasadnicze przegrupowanie w proporcji badań in situ w stosunku do badań laboratoryjnych. O tym fakcie zadecydował znaczny postęp w konstrukcji nowych urządzeń do badań in situ, poziom interpretacji wyników uzyskiwanych z tych testów oraz badania przeprowadzane w komorach kalibracyjnych. Obecnie badania in situ stanowią zasadniczą część planowanych prac badawczych, umożliwiając ograniczenie kosztownych i czasochłonnych badań laboratoryjnych. Ich zakres i udział w ogólnej liczbie prac jest częstokroć określany na podstawie ekonomicznej analizy ryzyka oraz w zależności od potrzeb wynikających z przeprowadzenia symulacji obciążeń, które będzie przenosiła konstrukcja na podłoże.  Powszechność stosowania testów in situ wymaga jednak zrozumienia sensu parametrów, jakie się na ich podstawie wyznacza. Niezbędna jest także orientacja w ograniczeniach stosowanych testów , wynikająca z analizy czynników, które mogą wpływać na mierzone parametry w trakcie wykonywania badań in situ. Często łatwość wykonania badania utożsamiana bywa z łatwością interpretacji dokonanych pomiarów, co jest podejściem nierzadko błędnym. Specyfika testów in situ powoduje również, że w niektórych przypadkach zastosowanie danego testu może ograniczać interpretację wyników tylko do analizy jednego parametru podłoża. Techniki badań in situ są już wszechobecne. W ostatnich latach szczególny rozwój dotyczy technik umożliwiających badanie w miejscu występowania tzw. gruntów słabych, czyli gruntów organicznych, pylastych oraz gruntów strukturalnych, w których odtworzenie rzeczywistych warunków in situ w badaniu laboratoryjnym jest niezwykle trudne.

2. Uwarunkowania prawne dotyczące procesu rozpoznania podłoża. Artykuł 34 ust. 3 pkt. 3d) ustawy Prawo budowlane sta­nowi, że projekt budowlany powinien zawierać, w zależności od potrzeb - dokumentację geologiczno-inżynierską lub geo­techniczne warunki posadowienia obiektów budowlanych. Uzupełniającym zapisem jest p. 6 w tym artykule : "Minister właściwy do spraw budownictwa, planowania i zagospodarowania przestrzennego oraz mieszkalnictwa określi, w drodze rozporządzenia:

Przy opracowywaniu projektu pierwszego rozporządzenia z dnia 24 września 1998 roku w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych, pr Pozostało jeszcze 90% tekstu