Diagnostyka podłoża budowlanego według Eurokodu 7. Wybrane zagadnienia

Postanowienia Eurokodu 7 [8], [9], [10] są już podstawą projektowania geotechnicznego w Polsce od kilku lat, jednak proces stosowania tych zapisów w praktyce jest ciągle często na etapie wdrażania, między innymi ze względu na niejednoznaczność niektórych zapisów (obecnie trwają już prace nad drugą poprawioną wersją Eurokodu) czy też przyzwyczajenia związane ze stosowaniem (nieraz nieuprawnionym) dotychczasowych norm PN-B.

Diagnostyka obiektów budowlanych w ujęciu geotechnicznym (diagnostyka geotechniczna) pozwala na uzyskanie podstawowych danych o geotechnicznych warunkach posadowienia, niezbędnych zarówno do projektowania i wykonawstwa konstrukcji budynków i budowli inżynierskich [1], jak również oceny stanu istniejącego obiektu (w przypadku awarii eksploatowanego obiektu lub oceny oddziaływania np. w tzw. budownictwie plombowym).

W przypadku oceny warunków gruntowo-wodnych chodzi o określenie rodzaju i stanu podłoża budowlanego oraz ustalenie parametrów materiałowych

(geo)technicznych gruntów na podstawie badań polowych i laboratoryjnych w zakresie podstawowych charakterystyk fizycznych, wytrzymałościowych i odkształceniowych. Wyniki badań geotechnicznych stanowią dane do projektowania fundamentów konstrukcji budynków i wykonawstwa budowli naziemnych, podziemnych, lądowych i wodnych, prowadzenia robót ziemnych (wykopy ziemne, drogowe, nasypy i obwałowania, ustalenie stateczności skarp, zagęszczanie gruntów i ich wzmacnianie). Mamy zatem dwa obszary, które wymagają szczególnej wiedzy o podłożu budowlanym i procesach geologicznych – pierwszy obejmuje ustalenie warunków geotechnicznych na potrzeby współpracy podłoża z obiektem budowlanym, drugi to ocena możliwości wykorzystania gruntów do zastosowania ich w budownictwie jako materiału konstrukcyjnego.

Właściwe i dokładne rozpoznanie podłoża gruntowego stanowi podstawę podejmowania decyzji o zastosowaniu odpowiedniego w danych warunkach (poprawnego i ekonomicznego) rozwiązania dotyczącego konstrukcji i sposobu posadowienia obiektu. Ma to kluczowe znaczenie i przesądza często o późniejszych ewentualnych kosztach napraw. Kompleksowe badania podłoża decydują o tym, czy możliwe jest bezpieczne posadowienie obiektu i czy wzmocnienie podłoża jest w ogóle potrzebne, a także pozwalają ustalić niezbędny jego zakres i ocenić przydatności różnych metod.

Ogólne wymagania Eurokodu 7 dotyczące badań podłoża

Ustawa – Prawo budowlane [15] wskazuje w art. 34 ust. 3 pkt 4, że projekt budowlany powinien zawierać w zależności od potrzeb wyniki badań geologiczno-inżynierskich oraz geotechniczne warunki posadowienia obiektów budowlanych. Potrzeby te zostały zdefiniowane w rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 25 kwietnia 2012 r. [14].

Eurokod 7 obejmuje zagadnienia projektowania konstrukcji obiektów ze względu na specyficzną grupę materiałów, jakim są grunty będące podłożem budowlanym. Na potrzeby projektowania geotechnicznego niezbędne jest rozpoznanie warunków geotechnicznych w podłożu. Wynik tego rozpoznania stanowi podstawę do oceny parametrów obliczeniowych i oddziaływań oraz związanych z nimi zagrożeń przy projektowaniu konstrukcji. Eurokod 7 stanowi zbiór dwóch norm: PN-EN 1997-1 [8] i PN-EN 1997-2 [9], do których opracowany został załącznik krajowy [10]. Eurokod 7 reguluje dwa zakresy działań:

– badania geotechniczne obejmujące planowanie badań, określenie modelu geologicznego, badania polowe i laboratoryjne oraz dokumentację badań podłoża;

– projektowanie obejmujące interpretację wyników badań, m.in. określenie parametrów geotechnicznych i współczynników (modelu geotechnicznego), projektowanie geotechniczne i konstrukcyjne oraz specyfikacje robót, program kontroli i nadzoru.

Zgodnie z normą PN-EN 1997-2 [9] rozpoznanie podłoża powinno dostarczyć danych na potrzeby planowanych prac i stanowić podstawę do określenia wartości obliczeniowej parametrów geotechnicznych. Informacje o podłożu powinny umożliwić ocenę:

– przydatności danej lokalizacji dla projektowanej budowli i ocenę poziomu ryzyka geotechnicznego;

– odkształceń podłoża wywołanych przez budowlę lub roboty budowlane, ich rozkładu przestrzennego i przebiegu w czasie;

– bezpieczeństwa w odniesieniu do stanów granicznych;

– obciążeń przekazanych na budowlę przez podłoże (np. boczne parcie na pale);

– wyboru metod posadowienia i kolejności prac fundamentowych;

– oddziaływania budowli, prac budowlanych i jej użytkowania na otoczenie;

– dodatkowych zabezpieczeń konstrukcyjnych (np. podparcie wykopu, zakotwienie, usuwanie przeszkód);

– zanieczyszczenia podłoża w miejscu lokalizacji i w jego sąsiedztwie oraz skuteczności środków zapobiegawczych;

– przydatności badanych gruntów i skał do wykorzystania ich jako materiałów budowlanych.

Elementy te są konieczne do prawidłowego opracowania dokumentacji projektowej wymaganej w Prawie budowlanym [15].

Głównym celem normy [9] jest zapewnienie odpowiedniej jakości wykonywania badań i ich interpretacji do określenia miarodajnych do projektowania wartości wyprowadzonych parametrów geotechnicznych, adekwatnych do coraz bardziej zaawansowanych metod obliczeniowych (MES). Parametry wyprowadzone stanowią podstawę do ustalenia wartości charakterystycznych właściwości podłoża zgodnie z zasadami i regułami podanymi w normie PN-EN 1997-1 [8]. Norma wyraźnie podkreśla, że wyprowadzone wartości parametrów geotechnicznych mogą być uzyskiwane na podstawie teorii, korelacji lub doświadczenia, bazując na wynikach badań polowych i laboratoryjnych. Rozpoznanie podłoża na każdym z etapów powinno być oparte na badaniach polowych lub ich kombinacjach z innymi metodami w celu uzyskania „wiarygodnego parametru geotechnicznego” [6]. Odpowiednia kombinacja i właściwy dobór badań dla różnych warunków pozwala uzyskać pełną charakterystykę podłoża gruntowego. Norma [9] zawiera wybrane badania polowe i laboratoryjne, uznane za powszechnie stosowane w krajach europejskich (tab. A1 normy). Postanowienia zawarte w normie [9] stosuje się głównie dla dokumentacji o II kategorii geotechnicznej. Wymagania odnośnie do stopnia rozpoznania podłoża dla dokumentacji I kategorii są najczęściej ograniczone (bazuje się na doświadczeniach lokalnych), natomiast w przypadku kategorii III zakres i ilość wymaganych badań musi być co najmniej taki sam jak dla kategorii II.

Rozpoznanie warunków podłoża budowlanego

Ustalenie geotechnicznych warunków posadowienia reguluje rozporządzenie w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych [14]. Zakres badań niezbędnych do tego celu oraz forma, w jakiej należy je przedstawić, zależą od kategorii geotechnicznej obiektu budowlanego, a o tej kategorii decydują: stopień skomplikowania warunków gruntowych, konstrukcja obiektu budowlanego, stopień złożoności oddziaływań, stopień zagrożenia życia i mienia awarią konstrukcji, wartości zabytkowe lub techniczne obiektu budowlanego, możliwości jego oddziaływania na środowisko.

Przykłady światowe [4] wskazują, że powinno się jeszcze brać pod uwagę inne ważne czynniki, tj. klasę konsekwencji zniszczenia, poziom georyzyka (analiza geozagrożeń) czy też wartość inwestycji, do której odnoszona jest wartość minimalnych nakładów na badania geotechniczne. Zwłaszcza ten ostatni aspekt jest ważny dla jakości rozpoznania podłoża gruntowego. Większe nakłady na dokumentacje badań podłoża to minimalizacja ryzyka związanego z niedoszacowaniem trudnego w ocenie ośrodka przyrodniczego, jakim jest grunt (skała). Na świecie normą jest koszt badań geotechnicznych na poziomie ~0,4-4% (przy założeniach kosztów projektów na poziomie 5-10%) wartości inwestycji, w Polsce 0,1% to rzadkość, najczęściej to ułamek promila.

W zależności od ustalonej w porozumieniu z konstruktorem kategorii geotechnicznej badań podłoża gruntowego opracowuje się różne dokumenty końcowe, mające odmienny status prawny. I tak geotechniczne warunki posadowienia, zgodnie z [14], sporządza się w formie:

– opinii geotechnicznej (art. 8) dla wszystkich kategorii geotechnicznych;

– dokumentacji badań podłoża gruntowego dla II i III kategorii geotechnicznej (art. 9);

– projektu geotechnicznego dla II i III kategorii geotechnicznej (art. 10).

Tab. 2 Zestawienie wybranych znormalizowanych metod badań podłoża, uzyskiwanych pomiarów oraz wyprowadzonych na ich podstawie parametrów gruntów wg [9] i [2]

Projektowanie badań podłoża

Badania podłoża należy planować uwzględniając: warunki geologiczne, stratygrafię i genezę gruntów, typ budowli, rodzaj posadowienia i przewidywane prace podczas budowy, wymagany do obliczeń rodzaj parametru geotechnicznego, przyjętą metodę projektowania. Według normy [9] rozpoznanie podłoża powinno być wykonywane etapowo, zależnie od problemów powstających w trakcie planowania, projektowania i wykonawstwa realizowanego obiektu. Wyróżnia się następujące etapy rozpoznania podłoża:

– badania wstępne: mają na celu wybór lokalizacji i koncepcji budowli;

– badania do celów projektowych: określają charakterystykę warunków podłoża niezbędną do zaprojektowania obiektu;

– badania związane z kontrolą i monitoringiem: sprawdzenie zgodności podłoża w wykopie z wynikami badań do celów projektowych; badania kontrolne i odbiorcze podłoża są niezbędne w przypadku wykorzystania metody obserwacyjnej.

W zależności od etapu procesu inwestycyjnego zmieniają się cele i potrzeby rozpoznania oraz forma wymaganych opracowań.

Punkty dokumentacyjne projektuje się w zależności od: rodzaju inwestycji (modernizacja, budowa nowej), etapu realizacji inwestycji (etap studium lub koncepcji, etap projektu budowlanego, etap realizacji, etap eksploatacji) i kategorii geotechnicznej uwzględniającej stopnień skomplikowania warunków gruntowych.

Zalecany rozstaw punktów dokumentacyjnych dla obiektów podaje norma [9] w załączniku B3. Są to zalecenia ogólne, które mogą być modyfikowane w zależności od potrzeb i sytuacji. Przykład takiej modyfikacji nawiązującej do ustaleń ogólnych podanych w Eurokodzie 7, dotyczący minimalnych rozstawów dla obiektów inżynierskich przy liniach kolejowych, można znaleźć w wytycznych PKP [18].

Eurokod 7 podaje również zalecane głębokości rozpoznania dla punktów dokumentacyjnych dla różnego typu obiektów budowlanych. Projektując zakres rozpoznania głębokościowego, należy uwzględnić rodzaj budowli, wartości obciążeń przekazywanych na podłoże oraz stopnień skomplikowania warunków gruntowych (opisane szczegółowo w załączniku B3 [9]).

Dobór metod badań

Różnorodność i dostępność metod badań jest obecnie coraz większa i nadal rozwijana. Sprzęt i procedury do badań powinny odpowiadać wymaganiom zawartym w normie [9] i przywołanych w niej specyfikacjach technicznych. Norma [9] wymaga także, aby przy ocenie wyników badań uwzględniać opis próbek gruntów i skał z wierceń i wykopów, wpływ sprzętu i zmienności gruntów na mierzone parametry. Głównym celem punktów dokumentacyjnych jest ustalenie następstwa warstw w podłożu oraz pobór próbek gruntów i skał do badań laboratoryjnych. Projektując punkty dokumentacyjne, należy pamiętać o doborze odpowiedniej techniki wiercenia, dostosowanej do rodzaju gruntu/skały oraz wymaganej klasy jakości próbek (72 b.1). Szczegółowe informacje na temat poboru próbek i technik wiercenia przedstawiono w normie PN-EN ISO [11]. Jest to podstawowy czynnik mający wpływ na koszt udokumentowania warunków gruntowych oraz opracowania końcowego w zależności od etapu badań. Główne czynniki wpływające na dobór metody wiercenia to: wymagana głębokość, rodzaj gruntów/skał w podłożu, warunki terenowe wiercenia (na lądzie, na wodzie), minimalna wymagana średnica rdzenia, wymagana klasa próbki. Z punktu widzenia poprawnej oceny i wiarygodnego opisu właściwości podłoża właśnie pozyskana klasa próbki ma podstawowe znaczenie. Próbki klasy pierwszej (dawne NNS) należy pobierać z tych warstw, dla których planowane są badania wytrzymałościowe i odkształceniowe. Dotyczy to w szczególności gruntów drobnoziarnistych (dawniej spoistych) w stanie twardoplastycznym i słabszym.

Warto przypomnieć, że zgodnie z klasyfikacją metod wiercenia wg normy [11] powszechnie ciągle stosowane (bo najtańsze) wiercenie obrotowe świdrem ciągłym (najczęściej bez rur osłonowych) pozwala na pobieranie próbek gruntu w kategorii C, co wg tabeli podanej w normie [9] odpowiada piątej klasie jakości, na podstawie której możliwe jest jedynie określenie następstwa warstw.

Według doświadczeń ITB próbki gruntu i skał zaleca się pobrać z każdej warstwy gruntu różniącej się litologią, stanem lub wilgotnością, lecz nie rzadziej niż co 3-5 m w warunkach prostych i złożonych oraz co 2 m w warunkach skomplikowanych. Ponadto minimalny zakres badań laboratoryjnych do wykonania dla obiektów liniowych to 20% pobranych próbek dla badań klasyfikacyjnych i 2% pobranych próbek dla badań mających na celu oznaczenie parametrów geotechnicznych. W przypadku obiektów inżynieryjnych jest to odpowiednio 15% pobranych próbek (badania klasyfikacyjne) i 5% pobranych próbek (badania mechaniczne) w odniesieniu do ogólnej liczby pobranych próbek.

Postanowienia Eurokodu 7 [9] i rozporządzenia [14] wymagają dla II i III kategorii geotechnicznej pozyskania danych ilościowych. W tym celu należy projektować sondowania w liczbie nie mniejszej niż 50% ogólnej liczby punktów dokumentacyjnych, jednocześnie profile sondowań należy odnosić do profili wierceń.

Wyniki sondowań powinny być umieszczane na przekrojach geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych w celu wykorzystania ich do właściwej interpretacji modelu budowy geologicznej oraz poprawnego wydzielenia poszczególnych warstw i serii dla stworzenia modelu geotechnicznego. W tab. 2 (za załącznikiem A do normy [9]) zestawiono najczęściej stosowane w praktyce krajowej metody badań geotechnicznych i ich stosowalność.

Przy interpretacji wyników badań zaleca się posługiwać zależnościami podanymi w załącznikach informacyjnych (nieobligatoryjne) od D do K normy [9] i należy się upewnić, czy warunki w podłożu (rodzaj gruntu, współczynnik jednorodności, wskaźnik konsystencji itd.) są zgodne z warunkami brzegowymi dla danych korelacji. Należy tu dodatkowo wykorzystywać lokalne doświadczenia, które potwierdzą poprawność zastosowanych zależności lub pozwolą na ich weryfikację [16].

Stosowane obecnie metody projektowania podane wg EC7 opierają się głównie na parametrach określonych za pomocą znanych metod zestandaryzowanych. Obok nich istnieje też cała grupa metod specjalnych wykorzystujących techniki geofizyczne np. do pomiaru prędkości przejścia fali podłużnej i poprzecznej w gruncie (sejsmiczne metody polowe CSWS/ SASW czy laboratoryjne BET). Metody te są niezbędne w projektowaniu obiektów trzeciej kategorii geotechnicznej (np. tunele, obiekty mostowe) lub w badaniach związanych z oceną właściwości dynamicznych podłoża. Metody geofizyczne powinny być stosowane wspólnie z innymi tradycyjnymi. Badania laboratoryjne stanowią uzupełnienie i weryfikację wyników badań polowych, a także umożliwiają scharakteryzowanie właściwości fizyczno-mechanicznych gruntów przy dowolnych warunkach naprężeń i obciążeń (modelowanie pracy podłoża). Norma [9] zawiera informacje w zakresie najbardziej powszechnie stosowanych metod laboratoryjnych wraz z załącznikami informacyjnymi odnośnie do możliwych metodologii i interpretacji. Integralną częścią Eurokodu 7 są specyfikacje techniczne opisujące szczegółowo procedury badawcze dla danej metody.

W Eurokodzie 7 [8], [9] stosowane jest nowe nazewnictwo i zasady klasyfikacji gruntów i skał. Ze względu na wymagania podstawowe stawiane Eurokodom konieczne jest ujednolicenie opisu geotechnicznego i stosowanie klasyfikacji gruntów, opierając się na normach [10], [12], [13]

Ze względu na stan przepisów i norm krajowych, a także dostępnych materiałów i literatury niezbędne jest w okresie przejściowym równoległe

podawanie nazewnictwa i klasyfikacji gruntów zgodnie z dotychczasowymi normami PN-B [7].

Diagnostyka geotechniczna wymaga nie tylko sprawdzenia warunków gruntowo-wodnych obejmujących badania podłoża, ale powinna też się odnosić do oceny samej konstrukcji (projektowanej lub istniejącej) ze szczególnym uwzględnieniem analizy wzajemnych oddziaływań [5].

Należy w tym miejscu zakończyć podanym w Eurokodzie 7 stwierdzeniem, że „prawidłowo opracowane parametry geotechniczne oraz kontrola jakości wykonania robót na budowie ma większe znaczenie dla spełnienia podstawowych wymagań projektu niż dokładność modeli obliczeniowych i wartości współczynników częściowych”. To ważne i prawdziwe z punktu widzenia całego procesu projektowania, ponieważ badania podłoża to etap związany z pozyskiwaniem danych geotechnicznych do dalszych prac związanych z modelowaniem interakcji grunt-konstrukcja. W tym celu niezbędne dla projektowania geotechnicznego jest określenie prawidłowego (najbliższego rzeczywistości) modelu podłoża i wyznaczenie wiarygodnych parametrów geotechnicznych to podłoże opisujących. Praktyka wskazuje, że stosowanie zaleceń Eurokodu 7 w zakresie rozpoznawania podłoża jest konieczne nie tylko ze względu na uwarunkowania prawne, ale przede wszystkim z uwagi na nowe, bardziej otwarte podejście do projektowania. Nowe pojęcia wykorzystywane w projektowaniu geotechnicznym, takie jak reliability base design, metoda obserwacyjna czy doświadczenie porównywalne, wymagają zmiany w sposobie myślenia i szerszego otwarcia na nowe wymagania stawiane geotechnice i budownictwu w Polsce. Oznacza to większą odpowiedzialność projektanta, w zamian daje jednak niekiedy znacznie lepszy efekt ekonomiczny przy zachowaniu wymaganego poziomu bezpieczeństwa konstrukcji.

dr inż. Tomasz Godlewski

dr Stanisław Łukasik

mgr inż. Małgorzata Wszędyrówny-Nast

Instytut Techniki Budowlanej, Zakład Konstrukcji Budowlanych i Geotechniki

Uwaga: Tekst opiera się na referacie prezentowanym na konferencji naukowo-technicznej „Warsztaty Rzeczoznawcy Budowlanego” w Cedzynie w 2016 r.

Bibliografia

1.  L. Brukarski, L. Runkiewicz, Diagnostyka obiektów budowlanych, „Materiały Budowlane” nr 2/2011 (462).

2.  T. Godlewski, Wykonywanie i interpretacja badań polowych wg PN-EN 1997-2, XXIV Ogólnopolskie WPPK, t. 1, 2009.

3.  T. Godlewski, Interpretacja badań potowych a Eurokod 7, „Acta Scientiarum Polonorum, Architectura” nr 3/2013, tom 12.

4.  B.G.Look, Handbook of Geotechnical Investigation and Design Tables,Second