Encyklopedia

Historia budownictwa łączy się nierozerwalnie z fundamentowaniem na słabonośnych podłożach oraz modyfikacją właściwości tych gruntów. W poszukiwaniu coraz skuteczniejszych i ekonomiczniejszych metod posadawiania obiektów inżynierskich rozwinięto wiele technik polepszających podłoże: od klasycznej wymiany gruntu i wstępnego obciążenia począwszy do rozwiązań nowoczesnych, jak zagęszczanie za pomocą wybuchów, wibroflotacji, konsolidacji dynamicznej czy silikatyzacji. Potrzeba coraz większego uprzemysłowienia procesów budowlanych zmusza do stosowania pewnych materiałów w celu zupełnie różnych od znanych z życia codziennego oraz współpracy z nowymi gałęziami przemysłu, które dotychczas nie były związane z budownictwem. Obiekty infrastrukturalne takie jak nasypy drogowe, kolejowe, wały ppow. itp. są sytuowane z racji uwarunkowań lokalnych coraz częściej na terenach uznawanych jeszcze nie tak dawno za nieprzydatne do zabudowy. Do tego, jeżeli jeszcze dodamy warunki przetargowe oparte na kryterium 100% ceny otrzymujemy konieczność dokonania optymalizacji kosztowo-organizacyjnej całego przedsięwzięcia inwestycyjnego. Powyższe względy, pomijając racjonalność i zdrowy rozsądek, narzucają  wykorzystywanie w nasypach niemal wszystkich gruntów miejscowych, a niejednokrotnie materiałów odpadowych. Musimy pamiętać, że grunt to szeroko wykorzystywany materiał konstrukcyjny o zróżnicowanej wytrzymałości na ściskanie, ale właściwie nie mający żadnej wytrzymałości na rozciąganie. W celu zwiększenia tej wytrzymałości, albo jak kto woli – likwidacji tej „przypadłości”, grunt tak samo jak beton może być zbrojony lub uzdatniany (modyfikowany). Stąd też bierze się postulat o dokładne badania podłoża gruntowego oraz o dogłębną interpretację wyników tych badań przed podjęciem jakichkolwiek decyzji. 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 i wyborze technologii. 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, M0, M, Ø, c).

Tym samym dokładne określenie parametrów fizyko-mechanicznych gruntów podłoża, szczególnie na próbkach NNS, wykonanych z pełną świadomością celu okazuje się nieodzowne. Dla gruntów organicznych, gdy dochodzi dodatkowo reologia i konsolidacja (przyśpieszenie drenażem pionowym), należy wykonać badania:

Kąt tarcia wewnętrznego i kohezji, wilgotności naturalnej, modułów odkształcenia, współczynników konsolidacji Cv , Ch parametrów ciśnienia wody porowej i współczynników Ψ, υ.

Nasyp posadowiony na gruntach słabonośnych  (wysadzinowych), np. gruntach spoistych w stanie plastycznym i płynnym 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.1 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. Wymóg ulepszenia słabego podłoża, jego wzmocnienia lub modyfikacji przekroju poprzecznego nasypów wraz z technologią ich wznoszenia pojawia się, gdy :

w podłożu nawierzchni drogowych grunty nie spełniają określonych kryteriów odnośnie rodzaju gruntów i uziarnienia, wskaźnika zagęszczenia Is, modułu odkształcenia E2 oraz stosunku modułów E2 / E1, w podłożu budowli ziemnych zalegają grunty bardzo ściśliwe, o małej lub nietrwałej wytrzymałości oraz niestabilnej strukturze, grunty o małej wytrzymałości ( cu do 50 kPa ) i bardzo ściśliwe ( moduł do 5 MPa ), przede wszystkim grunty organiczne i nasypowe ( antropogeniczne ) ; grunty o niestabilnej strukturze ( pęczniejące, zapadowe – lessowe i ulegające deformacjom filtracyjnym – sufozji, podatne na upłynnienie itp. ), tereny osuwiskowe, krasowe i zagrożone deformacjami górniczymi, w podłożu fundamentów budowli zalegają grunty o wytrzymałości i ściśliwości nie zapewniających spełnienia wymagań dotyczących stanów granicznych nośności i użytkowania konstrukcji

 

1. Badania podłoży gruntowych.

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. 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 (M0) 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. Zasady wykonywania badań geotechnicznych i geologicznych – aktualny stan prawny.

Zgodnie z aktualnym prawodawstwem, warunki geotechniczne na potrzeby procesu inwestycyjnego należy dokumentować, opracowując geotechniczne warunki posadowienia obiektów budowlanych (w formie opinii geotechnicznej, dokumentacji badań podłoża gruntowego i projektu geotechnicznego z dokumentacją geologiczno-inżynierską) na bazie uregulowań prawnych.

Wykaz aktów prawnych: 

Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r.- Prawo budowlane (Dz. U. z 1994 r. Nr 89, poz. 414 z późn. zm.), Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. – Prawo geologiczne i górnicze (Dz. U. z 2011 r. Nr 163, poz. 981), Obwieszczenie Prezesa Rady Ministrów z dnia 9 października 2000 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy - Kodeks postępowania administracyjnego (Dz.U. z 2000 r. Nr 98, poz. 1071), Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz.U. z 2012 r. poz. 463), Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (Dz.U. z 2012 r. poz. 462), Rozporządzenie MIiR z dnia 17.02.2015 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz. U. z 10.03.2015 r., poz. 329). Rozporządzenie MI w sprawie szczegółowego zakresu i formy dokumentacji projektowej, specyfikacji technicznych i odbioru robót budowlanych oraz programu funkcjonalno-użytkowego (Dz. U. Nr 202 z dnia 2.09.2004 r.), Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2011 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących projektów robót geologicznych, w tym robót, których wykonywanie wymaga uzyskania koncesji (Dz.U. z 2011 r. Nr 288, poz. 1696), Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 8 maja 2014 r. w sprawie dokumentacji hydrogeologicznej i dokumentacji geologiczno-inżynierskiej (Dz.U. z 9.05.2014 r.    Nr  596), Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 16 grudnia 2011 r. w sprawie kwalifikacji w zakresie geologii (Dz.U. z 2011 r. Nr 275, poz. 1629), Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 15 grudnia 2011 r. w sprawie gromadzenia i udostępniania informacji geologicznej (Dz.U. z 2011 r. Nr 282, poz. 16567), Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2011 r. w sprawie korzystania z informacji geologicznej za wynagrodzeniem (Dz.U. z 2011 r. Nr 292, poz. 1724), PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne, PN-EN 1997-2:2009 Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne. Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego. PN-B-02479: 1998.  Geotechnika. Dokumentowanie geotechniczne. Zasady ogólne. PN-B-03007:2013. Konstrukcje budowlane. Dokumentacja techniczna.

 

3. Planowanie badań podłoża.

Rozpoznanie geotechniczne należy planować w taki sposób, żeby istotne informacje oraz dane geotechniczne były dostępne na każdym etapie projektowania. Informacje geotechniczne należy dostosować do wymagań obiektu i przewidzianego ryzyka. Na etapie projektu budowlanego i wykonawczego informacje te i dane powinny zapewnić uniknięcie ryzyka wypadków, opóźnień i szkód. Celem badań geotechnicznych jest ustalenie warunków geotechnicznych ( gruntów, skał i wody gruntowej), aby określić właściwości gruntów i skał i aby zebrać dodatkową istotną wiedzę o danym terenie. Należy dokładnie zebrać, zapisać i zinterpretować informację geotechniczną. Informacja ta zależnie od potrzeb, powinna obejmować warunki występujące w podłożu, charakterystykę geologiczną, geomorfologiczną, aktywność sejsmiczną oraz warunki wodne. Należy uwzględnić zmienność warunków podłoża. Warunki występujące w podłożu, które mogą mieć wpływ na wybór kategorii geotechnicznej, powinny zostać określone w pierwszym etapie badań podłoża.

W roku 1998 ukazały się dwa dokumenty zmieniające w istotny sposób  zasady prowadzenia badań podłoża gruntowego. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 września 1998 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz. U. Nr 126, poz. 839)  wprowadziło pojęcia trzech kategorii geotechnicznych zależnych od warunków gruntowych (proste – złożone – skomplikowane) w powiązaniu z charakterem projektowanych obiektów. Jest to nawiązanie do europejskiej normy geotechnicznej, tzw. Eurokodu 7. Ważnym zapisem Rozporządzenia było zdefiniowanie „dokumentacji geotechnicznej” jako opracowania różnego od dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. W § 8.2. Rozporządzenia stwierdza się bowiem, że dla trzeciej kategorii geotechnicznej, a w złożonych warunkach gruntowych także dla drugiej „poza dokumentacją geotechniczną należy wykonać dokumentację geologiczno-inżynierską, opracowaną zgodnie z odrębnymi przepisami”.  W ten sposób w nowej wersji wróciły techniczne badania podłoża gruntowego zlikwidowane  poprzez uchwalenie w 1994 r. nowego Prawa geologicznego (Ustawa z dn. 4 lutego 1994 r. Prawo geologiczne i górnicze; Dz. U. Nr 27, poz. 96). Zarówno badania geotechniczne, jak i kategorie geotechniczne znalazły się również w wydanej także w roku 1998 obszernej „Instrukcji badań podłoża gruntowego budowli drogowych i mostowych” .  Na zmiany legislacyjne w tych zakresach nie trzeba było długo czekać. Szereg nowych wytycznych i charakterystycznych dla budownictwa drogowego definicji przyniosło Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 43, poz. 430). Następowały kolejne nowelizacje Prawa geologicznego, aż do aktualnej ustawy z dnia 9 czerwca 2011 r. (Dz. U. Nr 163, poz. 981). Odpowiednim zmianom ulegały rozporządzenia wykonawcze, w szczególności Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinny odpowiadać dokumentacje hydrogeologiczne i geologiczno-inżynierskie (ostatnia wersja z 8 maja 2014 r.; Dz. U. Nr 596 ).

Rys. 2. Przepisy prawa w zależności od rodzaju dokumentowania

Zmieniono również w 2012 r. rozporządzenie w sprawie ustalenia geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz. U. z 27.04.2012 r., poz. 463). Działalność gospodarczą w geologii stosowanej regulują zapisy Prawa geologicznego i rozporządzeń wydanych na jego podstawie, zaś ustalenie geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych – ustawa 1994 r. ( z późniejszymi zmianami ) Prawo budowlane ( Dz. U. Nr 89, poz. 414), a w szczególności Rozporządzenie MSWiA.

Warunki gruntowe w zależności od stopnia skomplikowania dzieli się na:

proste – występujące w przypadku warstw gruntów jednorodnych genetycznie i  litologicznie, zalegających poziomo, nieobejmujących mineralnych gruntów słabonośnych, gruntów organicznych i nasypów niekontrolowanych, przy zwierciadle wody poniżej projektowanego poziomu posadowienia oraz braku występowania niekorzystnych zjawisk geologicznych; złożone – występujące w przypadku warstw gruntów niejednorodnych, nieciągłych,  zmiennych genetycznie i litologicznie, obejmujących mineralne grunty słabonośne, grunty organiczne i nasypy niekontrolowane, przy zwierciadle wód gruntowych w poziomie projektowanego posadawiania i powyżej tego poziomu oraz przy braku występowania niekorzystnych zjawisk geologicznych; skomplikowane – występujące w przypadku warstw gruntów objętych występowaniem niekorzystnych zjawisk geologicznych, zwłaszcza zjawisk i form krasowych, osuwiskowych, sufozyjnych, kurzawkowych, glacitektonicznych, gruntów ekspansywnych i zapadowych, na obszarach szkód górniczych, przy możliwych nieciągłych deformacjach górotworu, w obszarach dolin i delt rzek oraz na obszarach morskich.

Zgodnie z Rozp. Min. Trans. Gosp. Mor. § 4.1. rozróżnia się 3 kategorie geotechniczne (patrz załącznik – Rozporządzenie Ministra Transportu, budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25.04.2012 r. w sprawie us Pozostało jeszcze 90% tekstu