Wykop jest to postać odpowiednio ukształtowanej przestrzeni powstałej w wyniku usunięcia z niej gruntu. Głębokie wykopy to nierozłączny element zarówno budownictwa komunikacyjnego, ogólnokubaturowego, hydrotechnicznego i podziemnego. Tematyka związana z wykorzystaniem głębokich wykopów z racji uwarunkowań jest dziedziną interdyscyplinarną. Łączy w sobie interpretację parametrów fizyko-mechanicznych gruntów zalegających w podłożu, wymiarowanie obiektów, statykę budowli, stateczność ustrojów podpierających jak i stateczność graniczną formowanych skarp. Od projektanta i wykonawcy robót ziemnych i fundamentowych wymagane jest doświadczenie, znajomość parametrów wybranego typu obudowy oraz zakres jego przydatności w określonych specyficznych warunkach terenowych. Jeżeli do tego dodamy jeszcze problem odwodnienia wykopów, zabezpieczenia dna i skarp oraz wpływu na obiekty sąsiadujące lub istniejące uzbrojenie podziemne otrzymujemy układ, w którym wszystkie strony procesu inwestycyjnego powinny być świadome potencjalnych zagrożeń.
Katastrofą budowlaną jest niezamierzone, gwałtowne zniszczenie obiektu budowlanego lub jego części, a także konstrukcyjnych elementów rusztowań, elementów urządzeń formujących, ścianek szczelnych i obudowy wykopów – art. 73.1 ustawy Prawo budowlane.
1. Przepisy, normy i wytyczne w zakresie wykonywania i zabezpieczania wykopów.
Projektowanie i wykonawstwo głębokich wykopów wymagają dogłębnej wiedzy nt. prawa: przepisów, norm związanych, wytycznych lub odpowiednich instrukcji i zaleceń. Pod względem prawnym proces budowy i projektowania reguluje Ustawa z dnia 7 lipca 1994 Prawo budowlane (Dz,U. z 2006 r. nr 156, poz. 1118), zmieniona Ustawą z dnia 27 sierpnia 2009 r. z późn. zm. o zmianie ustawy – Prawo bydowlane oraz Ustawy o gospodarce nieruchomościami (Dz.U. z 2009 r.,nr 161, poz. 1279). Kolejny dokument, którego znajomość jest niezbędna to Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z 25.04.2012 r. W myśl zawartych tam definicji wszystkie obiekty budowlane są zaliczane do pierwszej, drugiej lub trzeciej kategorii geotechnicznej, w zależności od warunków gruntowych i złożoności konstrukcji. Zwykle dla potrzeb projektowania i wykonawstwa głębokiego wykopu jest niezbędne opracowanie dokumentacji geologiczno-inżynierskiej zgodnie z wymogami Ustawy z dnia 9.06.2011 r. Prawo geologiczne i górnicze. Nalezy zwrócić uwagę, że wykonanie takiej dokumentacji, oprócz wiedzy fachowej, wymaga również przestrzegania terminów narzuconych przez ustawodawcę. Projekt prac geologicznych (np. rozmieszczenie i liczba otworów wiertniczych), opracowany zgodnie ze szczegółowymi wymaganiami zawartymi w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2011 r. w sprawie dokumentacji hydrogeologicznej i dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. Przed rozpoczęciem robót budowlanych należy na podstawie dokumentacji geotechnicznej ocenić położenie wód gruntowych w stosunku do projektowanego dna wykopu i podjąć decyzję o sposobie realizacji prac, w tym konieczności odwadniania gruntów. Jeżeli zasięg leja depresji będzie wykraczać poza granice działki, na której będzie prowadzony wykop, wówczas należy uzyskać pozwolenie wodnoprawne zgodnie z wymaganiami Ustawy Prawo wodne (D.U. z 2012 r. poz.145). Według wytycznych ITB 427/2007 ,, Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych część A Roboty ziemne i konstrukcyjne” wszystkie rodzaje wykopów powinny być wykonane na podstawie dokumentacji projektowej. W dokumentacji tej do właściwego zaprojektowania i bezpiecznego wykonania wykopu, oprócz informacji o warunkach gruntowo-wodnych są potrzebne dane dotyczące infrastruktury podziemnej oraz obiektów (budynków, dróg) sąsiadujących z wykopem. Niezbędne jest także uzyskanie informacji o możliwości występowania w miejscu wykopu zabytków archeologicznych lub gruntów skażonych. W projekcie należy wówczas przestrzegać przepisów ochrony środowiska. Zakres projektu budowlanego powinien być zgodny z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego z 3 lipca 2003 r. (Dz.U. z 2003 r., nr 120, poz. 1133), zmienionym Rozporządzeniem z 6 listopada 2008 r. (Dz.U. z 2008 r., nr 201, poz. 1239 z późn. zm.). Do tego dochodzi jeszcze znajomość przepisów dotyczących poszczególnych branż, tj: Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z 2.03.1999 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (zmienione rozp. z 17.02.2015 r.) i Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Natomiast całość spraw dotyczących bhp w zakresie omawianym obejmuje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 lutego 2003 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy podczas wykonywania robot budowlanych (DzU z 2003 r., nr 47, poz. 401).
2. Problematyka głębokich wykopów.
Głębokie wykopy są pojęciem względnym zależnym od ustalenia głębokości granicznej. W literaturze zagranicznej za głębokie wykopy uznaje się wykopy o pionowych ścianach i dnie posadowionym min. 6,0 m ppt. Natomiast w Polsce wystarczy już 3,0 m ppt. Zgodnie z definicją normy PN-S-02205:1998 wykop to przestrzeń odpowiednio ukształtowana w wyniku usunięcia z niej gruntu. Ze względu na wymiary i czas trwania robót rozróżnia się :
wykop szerokoprzestrzenny – wykop, którego głębokość jest mniejsza od szerokości dna lub wykop o szerokości dna większej od 1,5 m; wykop wąskoprzestrzenny – wykop, którego głębokość jest większa od szerokości dna lub wykop o szerokości dna mniejszej od 1,5 m; wykop płytki – wykop o głębokości mniejszej niż 1 m; wykop głęboki – wykop o ścianach pionowych, zabezpieczonych obudową o głębokości większej od 3 m; wykop tymczasowy – wykop o przewidywanym okresie użytkowania nie dłuższym niż 1 rok; wykop trwały – wykop o przewidywanym okresie użytkowania dłuższym niż 1 rok.W zależności od głębokości wykop wykonuje się ze skarpami lub w obudowie, która jest konstrukcją zabezpieczającą ściany przed utratą stateczności. Budowa obiektów w terenie zabudowanym stwarza ograniczenia techniczne, z którymi musi się liczyć projektant oraz wykonawca. Trudności te potęgują się, gdy zachodzi potrzeba wykonania paru kondygnacji podziemnych, a co za tym idzie posadowienia głębokiego. Jedynym plusem takiego rozwiązania jest zazwyczaj znaczna wartość dopuszczalnego obciążenia podłoża gruntowego. Po stronie minusów lista jest znacznie dłuższa [19]:
konieczność wykonania skomplikowanego, a przede wszystkim odpowiedzialnego zabezpieczenia głębokiego wykopu, konstrukcja zabezpieczająca wykop musi być na tyle sztywna, aby nie doszło do oderwania się klina odłamu gruntu, nierzadko powinna być rozpierana lub kotwiona, zakres rozpoznania podłoża oraz opracowań wykracza znacząco poza dokumentację dla inwestycji nie wymagających wykonania głębokich wykopów, obejmując dodatkowo określenie zasięgu stref oddziaływania wykopu, prognozę osiadań oraz ocenę ich wpływu na istniejącą zabudowę, budowle takie zaliczają się do III kategorii geotechnicznej, co wiąże się z potrzebą bardziej szczegółowego rozpoznania podłoża gruntowego wykonanego w formie dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz hydrogeologicznej, w większości przypadków zachodzi potrzeba obniżenia zwierciadła wody gruntowej, co dodatkowo wiąże się zarówno z obowiązkiem zrzutu odpompowywanej wody, jak i prognozą wpływu depresyjnego obniżenia zwierciadła wody gruntowej na dodatkowe osiadania istniejącej zabudowy, ze względu na technologię głębienia wykopu utrudniona jest nie tylko praca maszyn budowlanych, np. koparek, ale i wywóz gruntu z wykopu oraz dowóz materiałów i prefabrykowanych elementów konstrukcji, jeżeli sąsiadująca zabudowa znajduje się bardzo blisko projektowanej budowli, a ponadto z uwagi na swój wiek, jest zużyta fizycznie i posiada liczne uszkodzenia, wówczas zachodzi obowiązek jej zabezpieczenia, które obejmować może zarówno wzmocnienia z wykorzystaniem ściągów (tzw. ankrowania) i/lub wzmocnienia podłoża gruntowego, niezbędny jest rozbudowany monitoring obejmujący obiekty zlokalizowane w sąsiedztwie budowy, warunki gruntowo-wodne oraz konstrukcję zabezpieczającą wykop budowlany.
3.1. Metody wykonywania wykopów.
Metody wykonywania wykopów powinny być dobrane do zakresu robót, rodzaju, rozmiarów i głębokości wykopów, ukształtowania terenu, rodzaju gruntu oraz posiadanego sprzętu mechanicznego.
Ręczne odspajanie urobku należy stosować w przypadkach:
odspajania gruntów w sąsiedztwie przewodów instalacji podziemnej, jak również przy wykopach poszukiwawczych, w strefie dna wykopu, jeżeli użycie sprzętu mogłoby pogorszyć warunki gruntowe, jeśli użycie sprzętu uniemożliwia uzyskanie wymaganej dokładności wykonania, w szczególnych przypadkach, uzasadnionych względami ekonomicznymi.Jednocześnie z wykopem należy zaplanować i realizować odwodnienie. Ma to specjalne znaczenie przy gruntach spoistych lub skałach podatnych na nawodnienie i dezintegrację. Spływ powierzchniowy powinien być skierowany do rowów i rząpi z odpowiednimi spadkami poprzecznymi i podłużnymi. W koronie wykopu należy wykonać rowy przejmujące wody powierzchniowe. Na rozległych skarpach należy projektować półki i wzdłuż nich zabezpieczone przed rozmywaniem rowy odwadniające. Powierzchnie skarp w gruntach podatnych na rozmywanie należy zabezpieczać.
3.2. Wymiary wykopów [6]
Wymiary wykopu w planie powinny być dostosowane do:
wymiarów fundamentów w planie lub średnicy przewodu, głębokości wykopu, zakresu i technologii robót, które mają być wykonywane w wykopie, rodzaju gruntu i sposobu zabezpieczenia ścian wykopu (obudowa, bezpieczne nachylenie skarp), szerokości potrzebnej przestrzeni roboczej.
W szczególnych przypadkach poza wymiarami fundamentów należy uwzględniać również wymiary wyżej usytuowanych elementów części podziemnej konstrukcji, wystających poza rzut fundamentów. Szerokość potrzebnej przestrzeni roboczej określa się jako minimalną odległość pomiędzy skarpą wykopu lub obudową a licem skrajnych elementów obiektu lub instalacji, które mają być wykonane w wykopie. Przy ustalaniu wymiarów potrzebnej przestrzeni roboczej należy uwzględniać nie tylko usytuowanie elementów konstrukcji lub instalacji, ale również sposób ich wykonania (np. grubość szalunków). Należy również uwzględniać grubość warstw izolacyjnych i ocieplających przewidzianych do wykonania na elementach konstrukcji lub przewodach oraz sposób ich wykonania.
Szerokość przestrzeni roboczej „a” [6] nie powinna być mniejsza od:
w płytkich wykopach instalacyjnych - 0,3 m pozostałych wykopach otwartych - 0,4 m w wykopach obudowanych (bez robót izolacyjnych) - 0,5 m w wykopach obudowanych, jeśli na ścianach ma być izolacja - 0,8 m minimalna szerokość przejść do miejsca robót - 0,3 mNominalne wymiary w planie wykopu należy ustalać uwzględniając przyjęte w projekcie usytuowanie skrajnych elementów konstrukcji lub położenie przewodu instalacyjnego, potrzebną szerokość przestrzeni roboczej oraz dopuszczalne odchyłki wykonania robót ziemnych lub obudowy oraz przy wykopach otwartych -bezpieczne pochylenie skarp.
Wymiary wykopów należy ustalać z zależności: Bdolne = lk + a + u, Bgórne = Bdolne + 2h · n,
w których : Bdolne – wymiar wykopu w dnie, Bgórne - wymiar wykopu w poziomie terenu, h - głębokość wykopu otwartego, lk - skrajny wymiar konstrukcji, a - szerokość przestrzeni roboczej, (u) - odchyłki wykonania, 1 : n - stosunek podający nachylenie skarpy, np. 1 : 3.
W uzasadnionych przypadkach przy ustalaniu wymiarów wykopu można uwzględniać również dopuszczalne odchyłki wykonania konstrukcji. Rzędna dna wykopu powinna być dostosowana do:
przyjętego w projekcie poziomu posadowienia fundamentów, przewidzianych w projekcie warstw izolacyjnych, wyrównawczych, podkładowych i podsypek.
3.3. Kształtowanie skarp wykopów otwartych [6]
Skarpy wykopów otwartych muszą być stateczne przez cały przewidywany okres użytkowania wykopu. Stateczność skarpy należy zapewniać przede wszystkim poprzez wykonanie jej z odpowiednim, bezpiecznym pochyleniem. W przypadkach szczególnego zagrożenia stateczności skarp bezpieczne pochylenie skarp powinno być określone w dokumentacji projektowej. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie BHP do przypadków tych zalicza wykonanie wykopów:
w gruncie nawodnionym, w iłach pęczniejących, na terenach osuwiskowych, na terenach o deniwelacji przekraczającej 4 m, gdy teren przy skarpie wykopu może być obciążony w pasie o szerokości równej głębokości wykopu.
Przy ustalaniu bezpiecznego pochylenia skarp należy mieć na uwadze:
rodzaj gruntów, w których wykonywana będzie skarpa, wielkość przewidywanych obciążeń w sąsiedztwie skarpy, przewidywany czas użytkowania wykopu, skutki ewentualnej utraty stateczności skarpy.
W wykopach tymczasowych skarpy pionowe można wykonywać w przypadkach, jeżeli głębokość wykopu nie przekracza: 1,0 m - w nienawodnionych piaskach, rumoszach, zwietrzelinach i spękanych skałach, 1,25 m - w gruntach spoistych, 4,0 m - w skałach litych odspajanych mechanicznie. W gruntach zwięzłospoistych i bardzo spoistych głębokości wykopu można zwiększyć do 1,5 m. W pozostałych przypadkach należy wykonywać skarpy o bezpiecznym pochyleniu. Jeżeli projekt nie stanowi inaczej, w przypadku wykopów tymczasowych dopuszcza się następujące bezpieczne pochylenia skarp: 1 : 0,5 - w gruntach od średnio spoistych do bardzo spoistych (iłach, glinach), w stanie co najmniej twardoplastycznym, 1:1 - w skałach spękanych i rumoszach zwietrzelinowych, 1 : 1,25 - w gruntach mało spoistych (piaskach gliniastych, pyłach, lessach, glinach zwałowych) oraz w rumoszach zwietrzelinowych gliniastych, 1 : 1,5 - w gruntach niespoistych oraz w gruntach spoistych w stanie plastycznym.
Dla podanych wyżej pochyleń skarp muszą być spełnione dodatkowe warunki:
w pasie przylegającym do górnej krawędzi skarpy, o szerokości równej trzykrotnej głębokości wykopu, powierzchnia terenu powinna mieć spadki umożliwiające łatwy odpływ wody opadowej od krawędzi wykopu, podnóże skarpy wykopów w gruntach spoistych powinno być zabezpieczone przed rozmoczeniem wodami opadowymi przez wykonanie w dnie wykopu, przy skarpie, spadku w kierunku środka wykopu, naruszenie stanu naturalnego gruntu na powierzchni skarpy, np. rozmycie przez wody opadowe, powinno być usuwane z zachowaniem bezpiecznych nachyleń w każdym punkcie skarpy, stan skarp należy okresowo sprawdzać w zależności od występowania czynników działających destrukcyjnie (opadów, mrozu itp.).W przypadku wykopów trwałych bezpieczne pochylenie skarp powinno być określone w projekcie. Nachylenie skarp wykopów stałych nie powinno być mniejsze niż: 1:1,5 - przy głębokości wykopu do 2 m, 1:1,75 - przy głębokości wykopu od 2 m do 4 m, 1:2 - przy głębokości wykopu od 4 m do 6 m. Większe nachylenie skarp należy potwierdzić obliczeniami stateczności. Stateczność skarp i dna wykopu głębszego niż 6 m zawsze powinna być sprawdzona obliczeniowo (Fs min. ≥ 1,3).
Bezpieczne pochylenie skarp wykopów trwałych w gruntach spoistych można kształtować również według tablicy 1. Sprawdzenie obliczeniowe stateczności skarpy powinno obejmować:
analizę możliwości poślizgu po powierzchni kołowo-walcowej lub powierzchni dowolnej, najbardziej prawdopodobnej, nośność podłoża poniżej dolnej krawędzi skarpy, sprawdzenie bezpieczeństwa przebicia hydraulicznego i erozji wewnętrznej spowodowane nadmiernym spadkiem hydraulicznym (w skarpie, dnie wykopu lub nasypie).
Tab. 1. Kąty nachylenia zboczy wykopów różnych wysokości w gruntach spoistych oraz wskaźnikowe parametry do obliczeń stateczności wykopów [6]:
4. Stateczność nasypów, skarp i zboczy – metody obliczeń.
Samoczynne ruchy mas gruntu na zboczach i skarpach zwane osuwiskami uważa się za jeden z istotnych procesów w inżynierii geotechnicznej. Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych, następuje w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż dowolnej powierzchni poślizgu. Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie :
sił grawitacyjnych pochodzących od ciężaru gruntu i ewentualnej zabudowy, sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt, podniesieniem się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernym zawilgoceniem zbocza .Przyczyny powstawania osuwisk :
układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza, rozmycie lub podkopanie zbocza, niekontrolowane dociążenie naziomu, nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych, wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu, napór wody od dołu na górne warstwy gruntu z reguły mało przepuszczalne powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie, nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych co powoduje pęcznienie gruntu a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie, zniszczenie struktury gruntu poprzez rozluźnienie, istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu np. w iłach, drgania wywołane np. ruchem drogowym, sufozja tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez infiltrującą wodę powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów, przebicie hydrauliczne z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy, cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji wody gruntowej co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie, wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu, niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu.Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wyżej wymienionych przyczyn.
Na zboczach i skarpach mogą występować następujące rodzaje przemieszczeń mas gruntowych
spełzywanie, spływy, obrywanie, zsuwy i osuwiska
Problem zabezpieczenia przed osuwiskami można rozpatrywać w dwóch różnych stanach :
gdy osuwisko się uaktywniło, osuwisko nie jest aktywne, ale potencjalnie możliwe.W pierwszym przypadku problem jest oczywisty, natomiast w drugim przypadku konieczna jest ocena stanu zagrożenia.
Można się posłużyć współczynnikiem stanu równowagi F, obliczanym ze wzoru:
gdzie:
U1 – uogólnione siły utrzymujące, wywołane tarciem i spójnością materiału, Z1 – uogólnione siły zsuwające wywołane siłami grawitacji, siłami filtracji oraz obciążeniami zewnętrznymi.
Ze względu na postać powierzchni poślizgu można wyróżnić :
Pozostało jeszcze 90% tekstu