Projektowanie geotechniczne w świetle przepisów norm światowych i europejskich

Dr inż. Włodzimierz Cichy - Politechnika Gdańska

Normalizacja europejska stanowi dla polskich konstruktorów budowlanych bardzo duże wyzwanie. Zespół norm wchodzących w zakres dziesięciu Eurokodów (dodatkowy Eurokod 0 Basis of design) liczy kilka tysięcy stron formatu A4. Eurokody, oprócz zaleceń dotyczących obliczeń konstrukcyjnych, zawierają bardzo dużo zaleceń z zakresu tak zwanej „sztuki inżynierskiej” (po francusku l'art d'ingénieur). Po wielu latach doświadczeń przekonano się, że o bezpieczeństwie konstrukcji budowlanych w równym stopniu decydują obliczenia konstrukcyjne, jak i zespół praktycznych doświadczeń zdobytych dotychczas w konkretnej dziedzinie konstrukcji budowlanych. Stąd tak bardzo rozbudowana część opisowa norm europejskich. Normy europejskie stanowią więc rodzaj bardzo precyzyjnych przewodników dla konstruktora budowlanego. Różnica w stosunku do zwykłych przewodników polega na dyrektywnym charakterze zaleceń normowych. Myli się jednak ten, który sądzi, że w normach europejskich znajdzie gotowe recepty na wszystkie problemy związane z projektowaniem konstrukcji budowlanych.

Do podstawowych norm geotechnicznych, opracowanych w ramach Eurokodu 7, należą:

1. ENV 1997 Part 1 Geotechnical design. General rules (Projektowanie geotechniczne. Zalecenia ogólne), 1994 r.,

2. ENV 1997 Part 2 Geotechnical design assisted by laboratory testing. (Projektowanie geotechniczne za pomocą badań laboratoryjnych), 1999 r.,

3. ENV 1997 Part 3 Geotechnical design by field testing. (Projektowanie geotechniczne za pomocą badań polowych), 1999 r.,

Normami podstawowymi do projektowania geotechnicznego są również:

1. Pr EN 1990 Basis of design. (Podstawy projektowania),

2. PrEN 1991 Actions on structures. (Oddziaływania na konstrukcje),

3. EN 1992 Part 3 Design of concrete structures. Concrete foundations. (Projektowanie konstrukcji betonowych. Fundamenty betonowe),

4. EN 1993 Part 5 Design of steel structures. Piling. (Projektowanie konstrukcji metalowych. Fundamenty palowe),

5. EN 1998 Part 3 Design of structures for earthquake resistance. Foundations, retaining structures and geotechnical aspects. (Projektowanie konstrukcji odpornych na trzęsienia ziemi. Fundamenty, konstrukcje oporowe i aspekty geotechniczne).

Do tego dochodzą normy opracowane w ramach specjalnego komitetu TC288 - Execution of special geotechnical works (Wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych):

1. EN 1536 Bored piles (Pale wiercone),

2. EN 1537 Ground anchors (Kotwy gruntowe),

3. EN 1538 Diaphragam walls (Ściany szczelinowe),

4. EN 12063 Sheet pile walls (Ścianki szczelne),

5. EN 12699 Displacement piles (Pale przemieszczeniowe),

6. EN 12715 Grouting (Iniekcja),

7. EN 12716 Jet grouting (Iniekcja strumieniowa),

8. EN 12794 Precast concrete foundation piles (Prefabrykowane pale betonowe),

9. EN 288008 Micropiles (Mikropale).

Wymienione wyżej normy obejmują wszystkie aspekty geotechniki i stanowią olbrzymi zasób bardzo specjalistycznej wiedzy do opanowania (ponad tysiąc stron formatu A4). Stanowić to będzie niewątpliwe wyzwanie dla konstruktorów budowlanych i geotechników.

Największym wyzwaniem będzie jednak dla konstruktorów budowlanych wprowadzenie obliczeń konstrukcyjnych opartych na zasadach prawdopodobieństwa (lub niezawodności) konstrukcji budowlanych. Bardzo dobrze się stało, że nie czekając na ustanowienie odpowiedniej normy europejskiej (EN 1990) Polski Komitet Normalizacyjny wprowadził latem tego roku do Polskich Norm normę PN-ISO 2394 „Ogólne zasady niezawodności konstrukcji budowlanych”[2].

Wprawdzie norma ta nie jest jeszcze normą obowiązującą, wprowadza jednak konstruktora budowlanego w nowe podejście do problemu bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych, zapewniające odpowiedni poziom ich niezawodności. Norma ta ma więc charakter koncepcyjny i stanowi przewodnik dla Normalizacyjnych Komisji Problemowych, które zajmują się problemami konstrukcyjnymi w budownictwie, w tym NKP Nr 254 ds. Geotechniki. Ze względu na wprowadzenie nowych definicji i bardzo przejrzyste potraktowanie problemu niezawodności konstrukcji budowlanych stanowi swego rodzaju podręcznik, z którym powinien już teraz zapoznać się każdy konstruktor budowlany, aby wiedzieć co go czeka za parę lat, kiedy Polska stanie się członkiem Wspólnoty Europejskiej.

Wprowadzenie problemu niezawodności do oceny bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych dla wielu polskich konstruktorów budowlanych nie powinno stanowić zaskoczenia. Wszak już w połowie lat dziewięćdziesiątych ukazało się polskie tłumaczenie prenormy (normy wprowadzonej do próbnego stosowania) europejskiej ENV 1991-1:1994 „Podstawy projektowania i oddziaływania na konstrukcje. Część 1 Podstawy projektowania”[1]. Na łamach czasopism specjalistycznych, w tym głównie „Inżynierii i Budownictwa”, ukazało się też sporo artykułów poruszających tą tematykę. Jednak fakt wprowadzenia latem tego roku normy PN-ISO 2394 stanowić powinien swego rodzaju przełom, podobny do tego, jaki stanowiła w Polsce norma PN-76/B-03001 wprowadzająca powszechną zasadę obliczeń konstrukcyjnych opartych na częściowych współczynnikach bezpieczeństwa.

Trudno będzie teraz odkładać problem niezawodności konstrukcji budowlanych do czasu ukazania się normy europejskiej EN 1990 „Podstawy projektowania”. Jak widać chociażby z numeracji wagę tego Eurokodu postanowiono pokreślić przez wyodrębnienie go z grupy norm ENV 1991. Fakt, że dotychczas nie może się ukazać podstawowa norma europejska, dotycząca projektowania konstrukcji budowlanych, wskazuje na brak jednomyślności wśród krajów Wspólnoty co do celowości szybkiego wdrażania nowych zasad projektowania konstrukcji budowlanych. Jednakże grubym błędem byłoby założenie, że proces ten potrwa jeszcze wiele lat i tak naprawdę nas nie dotyczy. NKP Nr 102 ds. Podstaw projektowania konstrukcji budowlanych, zajmująca się tymi zagadnieniami, bardzo dobrze sobie zdaje sprawę z faktu nieuchronności wprowadzenia nowych zasad projektowania do normalizacji europejskiej i dlatego już teraz wprowadziła do Polskich Norm normę PN-ISO 2394.

Zagadnienia niezawodności konstrukcji budowlanych dotyczą szczególnie tak zwanego projektowania geotechnicznego. Jest to pojęcie, które dotychczas nie istniało w powszechnej świadomości konstruktorów budowlanych. Zostało na początku lat dziewięćdziesiątych zdefiniowane przez autorów pierwszego projektu Eurokodu 7 „Geotechnical design”.

Zarówno w polskim prawie budowlanym, jak i w normalizacji, trudno znaleźć definicję tego pojęcia. Stwierdzenie, że projektowanie geotechniczne polega na projektowaniu fundamentów konstrukcji budowlanych jest nadmiernym uproszczeniem i narusza w sposób wyraźny dotychczas ustalone kompetencje konstruktora budowlanego.

Projektowanie geotechniczne jest pojęciem znacznie wychodzącym poza zakres samych obliczeń fundamentów konstrukcji, chociaż szczególnie w przypadku konstrukcji należących do trzeciej kategorii geotechnicznej na pewno dotyczy również projektowania fundamentów konstrukcji.

Na rys. 1 przedstawiono schemat projektowania geotechnicznego, przedstawiający wzajemne powiązania poszczególnych elementów tego projektowania. Do podstawowych elementów należą:

Rys.1. Projektowanie geotechniczne

1. prawo budowlane, normy i instrukcje projektowania,

2. wiercenia oraz badania polowe i laboratoryjne gruntów,

3. ustalenie obciążeń i geometrii układu konstrukcyjnego: konstrukcja budowlana - podłoże gruntowe,

4. technologia wykonawstwa robót,

5. model obliczeń konstrukcyjnych,

6. zagadnienia ochrony środowiska w geotechnice,

7. geosyntetyki.

O tym, że istnieją liczne, bardziej lub mniej skomplikowane zależności między tymi elementami projektowania geotechnicznego nie trzeba nikogo przekonywać. Najważniejszymi elementami tego schematu są wpływy przyjętego modelu obliczeniowego, rodzaju obciążeń działających na podłoże, ograniczeń ruchu konstrukcji, sposobu wykonawstwa i oczywiście norm i instrukcji na sposób badań laboratoryjnych i polowych gruntu. We współczesnej geotechnice niemożliwe jest prawidłowe rozpoznanie podłoża gruntowego bez wcześniejszych uzgodnień między geotechnikiem, geologiem inżynierskim i konstruktorem obiektu budowlanego. Niestety praktyka w tej dziedzinie w Polsce pozostawia wiele do życzenia.

Innym istotnym elementem jest wybór modelu obliczeniowego. Jeżeli chcemy sprawdzić zachowanie się konstrukcji we wszystkich fazach wznoszenia i eksploatacji nie jest możliwe zbudowanie modelu obliczeniowego bez metod numerycznych, a te z kolei stawiają bardzo ostre wymagania co do sposobu przeprowadzania badań gruntu. Oddziaływania środowiskowe stanowią przedmiot bardzo prężnie rozwijającej się w ostatniej dekadzie, tak zwanej geotechniki środowiskowej. Podstawą tej dziedziny jest ograniczenie wpływów środowiska gruntowego na konstrukcje budowlane, ale również wpływu konstrukcji budowlanych na środowisko gruntowe. Równie prężnie rozwija się w ramach geotechniki dziedzina geosyntetyków - nowoczesnych, syntetycznych wyrobów budowlanych współpracujących bezpośrednio z gruntem.

Zacznijmy jednak od prawa budowlanego. Pojęcie geotechniki z dużym wysiłkiem przecierało sobie drogę do polskiego prawa budowlanego. Krokiem milowym jest tu rozporządzenie MSWiA z 24 września 1998 r.[6] w sprawie ustalania tak zwanych warunków geotechnicznych posadowienia obiektów budowlanych. Rozporządzenie to przybliża niewątpliwie polskie prawo budowlane do normalizacji europejskiej w zakresie projektowania geotechnicznego, a tym samym do spełnienia podstawowego warunku koordynacji prawa i normalizacji europejskiej sformułowanego w Dyrektywie 83/189/EEC [5]. Niestety rozporządzenie to jest kontestowane z różnych stron i podejmowane są próby cofnięcia prawa wstecz. Wydaje się to jednak niemożliwe w świetle przedstawionych w niniejszym artykule faktów. Normalizacja europejska jest tutaj jak najbardziej niezaprzeczalnym faktem i nie da się już cofnąć metod projektowania geotechnicznego o kilkadziesiąt lat wstecz.

W rozporządzeniu z września 1998 r. po raz pierwszy sformułowano pojęcie kategorii geotechnicznej obiektu budowlanego, która określa niejako stopień trudności projektowania geotechnicznego w zależności od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, ale i od stopnia złożoności konstrukcji samego obiektu budowlanego. Wprowadzono trzy kategorie geotechniczne. Ze względu jednak na brak w prawie budowlanym takich podstawowych pojęć jak geotechnika, projektowanie geotechniczne i geotechnik trudno było, w sposób nie budzący wątpliwości prawnych, ustalić kompetencje osób zaliczających dany obiekt budowlany do danej kategorii geotechnicznej. Biorąc pod uwagę tylko i wyłącznie racje merytoryczne powinien to być na pewno geotechnik z przygotowaniem konstrukcyjnym.

W celu prawidłowego, wyjściowego określenia kategorii geotechnicznej obiektu budowlanego potrzebna jest bezpośrednia współpraca geotechnika z geologiem inżynierskim i konstruktorem obiektu budowlanego. Kategoria geotechniczna obiektu budowlanego może jednak ulec zmianie w poszczególnych etapach projektowania i wykonawstwa obiektu budowlanego, kiedy okaże się, że przyjęte pierwotnie założenia co do stopnia skomplikowania warunków gruntowych uległy zmianie.

Tymczasem zakres prowadzonych badań geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych podłoża gruntowego zależy w dużym stopniu od przyjętej kategorii geotechnicznej obiektu budowlanego. Stąd bardzo istotną rolę odgrywać będą badania wstępne podłoża gruntowego. Projekt badań wstępnych powinien być uzgodniony z posiadającym odpowiednie doświadczenie geotechnikiem, który jest w stanie określić strefę wzajemnego oddziaływania konstrukcji z podłożem gruntowym. W ten sposób uniknie się wielu projektów badań, w których głębokość wierceń przyjmuje się na miarę możliwości przedsiębiorstwa geologicznego, a nie rzeczywistych potrzeb projektowania geotechnicznego konstrukcji. Jako przykład można podać wiercenia do 3 lub 4 m głębokości w przypadku fundamentów zbiornika o 20 - metrowej średnicy. Jeszcze gorzej to wygląda w przypadku konieczności posadowienia fundamentu tego zbiornika na 20 metrowych palach.

Są powszechnie znane naciski inwestora (lub działającego w jego imieniu architekta budowlanego) w celu wprowadzania drastycznych oszczędności w zakresie badań geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych. Otóż taka opinia geotechniczna do projektu badań geologiczno-inżynierskich mogłaby ustalić ścisłą zależność bezpieczeństwa projektowanego obiektu budowlanego od zakresu wykonywanych badań, zarówno geologiczno-inżynierskich jak i geotechnicznych, podłoża gruntowego. Opinia taka wydaje się niezbędna szczególnie w przypadku obiektów trzeciej kategorii geotechnicznej.

Bardzo ważny jest nie tylko zasięg badań, ale również sposób pobierania, wielkość i rodzaj próbek do badań laboratoryjnych oraz rodzaje badań „in situ” niezbędnych do prawidłowego rozpoznania podłoża gruntowego. Sposób pobierania próbek ma ogromny wpływ na wyniki badań gruntów słabych. Tymczasem powszechna praktyka pobierania próbek do stalowych gilz prowadzi do naruszenia delikatnej struktury gruntu i w rezultacie otrzymuje się wyniki znacznie odbiegające od rzeczywistości. Powszechne wprowadzenie do praktyki budowlanej, szczególnie w przypadku gruntów spoistych i organicznych, sondowań statycznych z bezpośrednim pomiarem ciśnienia wody w porach gruntu (CPTU) powinno nie tylko ułatwić wyprowadzenie parametrów obliczeniowych gruntu, ale w równie istotnym stopniu ułatwić ustalenie prawidłowego zasięgu warstw geotechnicznych złożonych z gruntów o podobnych właściwościach wytrzymałościowych. Uniknie się wtedy wcale nie rzadkich sytuacji, kiedy projektant konstrukcji otrzymuje dokumentację geologiczno-inżynierską z wydzielonymi dwudziestoma warstwami geotechnicznymi. Dla geotechnika mniejsze znaczenie ma bowiem ścisłe określenie rodzaju badanego gruntu, natomiast podstawowe znaczenie ma zasięg warstw geotechnicznych o podobnych właściwościach wytrzymałościowych. Czy konstruktor budowlany jest w stanie sam poradzić sobie z tym problemem?

Niezwykle istotną zmianą wprowadzaną przez normy europejskie jest zasada obliczeń posadowienia konstrukcji budowlanych w naprężeniach efektywnych, czyli na podstawie efektywnych wartości kąta tarcia wewnętrznego Φ' i spójności c' gruntu. Obliczenia w naprężeniach całkowitych, przy wykorzystaniu wytrzymałościowych parametrów całkowitych Φ i c, są jedynie wyjątkiem od tej reguły. Potwierdzenie tej reguły znajdujemy już w najnowszych podręcznikach geotechnicznych, na przykład w Grundbau -Taschenbuch [4].

Wprowadzenie tej zasady będzie miało istotny wpływ na sposób przeprowadzania badań laboratoryjnych parametrów podłoża gruntowego. Bowiem sposób przeprowadzania badania będzie w olbrzymim stopniu zależał od sposobu przekazywania obciążenia z fundamentu na podłoże (statyczne, dynamiczne lub cykliczne), zakresu naprężeń, stopnia skonsolidowania i stopnia nasycenia badanego gruntu, przewidywanego zakresu zmian ciśnienia wody w porach gruntu, czasu trwania badania oraz technologii wykonywania fundamentu konstrukcji. Udział geotechnika w planowaniu zakresu i sposobu przeprowadzania badań geotechnicznych podłoża będzie w tej sytuacji niezbędny.

W tym miejscu należy ustosunkować się do dotychczasowej praktyki ustalania parametrów geotechnicznych podłoża gruntowego. Otóż najczęściej polega ona na przeprowadzeniu sondowań dynamicznych w terenie i ustaleniu na podstawie liczby uderzeń stopnia zagęszczenia I_D lub stopnia plastyczności I_L badanego gruntu, a następnie odczytywaniu z wykresów w normie PN-81/B-03020, tak zwanych parametrów Φ_u i c_u podłoża gruntowego.

O ile takie postępowanie nie ma większego wpływu na bezpieczeństwo realizowanego obiektu w przypadku jednorodnych, średniozagęszczonych, zagęszczonych i bardzo zagęszczonych gruntów niespoistych oraz twardoplastycznych, półzwartych i zwartych gruntów spoistych (pod warunkiem, że zwierciadło wody gruntowej występuje poniżej poziomu posadowienia), to w przypadku pozostałych gruntów jednorodnych i uwarstwionych takie postępowanie prowadzi do mniej lub bardziej niebezpiecznych sytuacji awaryjnych na budowie, a w niektórych przypadkach wręcz do katastrof budowlanych. Spotkałem się niestety w swojej praktyce z wyznaczaniem obliczeniowych parametrów geotechnicznych gruntów organicznych na podstawie książek i podręczników nawet w przypadku obiektów trzeciej kategorii geotechnicznej. Dane takie mogą być bardzo przydatne przy określaniu reprezentatywnych wartości obliczeniowych parametrów gruntowych, ale podstawą muszą być zawsze badania laboratoryjne gruntów organicznych.

Istnieje również tak zwana „druga strona medalu”, to znaczy skutki ekonomiczne wprowadzenia efektywnych parametrów wytrzymałościowych gruntu do projektowania geotechnicznego. Otóż parametry Φ_u i c_u w PN-81/B-03020 nie mają nic wspólnego z rzeczywistymi parametrami Φ' i c' gruntu. Są od nich znacznie niższe, nie mówiąc już o tym, że są w niektórych wypadkach niższe od parametrów całkowitych Φ i c. Są to raczej parametry wyprowadzone na podstawie tak zwanej analizy wstecznej z wartości naprężeń dopuszczalnych, czyli dobrze znanym geotechnikom wartości k₂. Parametry te same w sobie zawierają duży zapas bezpieczeństwa, a norma PN-81/B-03020 dodatkowo wprowadziła do nich częściowy współczynnik bezpieczeństwa, tak zwany współczynnik materiałowy γ_m, który najczęściej przyjmował w obliczeniach geotechnicznych wartość 0.9. Stąd wartość obliczeniową parametru geotechnicznego wyprowadza się z następującej zależności:

X^(r) = γ_m X⁽ⁿ⁾

Tymczasem norma europejska wprowadza zupełnie inne częściowe współczynniki bezpieczeństwa do efektywnych, wytrzymałościowych parametrów gruntu:

- w przypadku efektywnego kąta tarcia wewnętrznego gruntu,

- w przypadku efektywnej spójności gruntu

Oznacza to w rzeczywistości znaczne zwiększenie częściowych współczynników materiałowych. Na szczęście w ostatnim projekcie normy europejskiej zmniejszono współczynnik materiałowy dla spójności gruntu do 1.25. Nie zmienia to jednak faktu, że bez laboratoryjnego badania efektywnych parametrów wytrzymałościowych gruntów trudno będzie uzyskać, porównywalny do uzyskiwanego na podstawie PN-81/B-03020, efekt ekonomiczny projektowania geotechnicznego fundamentów.

W projekcie normy europejskiej ENV 1997-1 nie ma żadnych zestawień tabelarycznych, czy też wykresów parametrów geotechnicznych gruntu. Wynika to z prostego rachunku ekonomicznego, ale też z właściwej oceny niezawodności konstrukcji budowlanej. Uproszczone metody badań parametrów geotechnicznych podłoża prowadzą z reguły do przewymiarowania fundamentów konstrukcji, jeżeli chcemy zachować porównywalny stopień jej niezawodności.

Zagadnieniom wyznaczania obliczeniowych parametrów wytrzymałościowych gruntu poświęcono w artykule dużo miejsca, gdyż one będą decydować w dużym stopniu o określeniu właściwego stopnia niezawodności projektowanej konstrukcji. Metody obliczeń nośności i przemieszczeń podłoża gruntowego są ogólnie znane. Znany jest również poziom dokładności poszczególnych metod obliczeniowych. Szerokie wprowadzanie metod numerycznych (na przykład metoda elementu skończonego) pozwala na w miarę dokładne modelowanie poszczególnych etapów wznoszenia i eksploatacji konstrukcji, umożliwiając tym samym znacznie bardziej niezawodne projektowanie geotechniczne konstrukcji.

Najnowszy projekt normy europejskiej EN 1997-1 „Projektowanie geotechniczne. Zasady ogólne” [3] wprowadza konieczność znacznie bardziej obszernej analizy stanów granicznych nośności i użytkowalności fundamentów konstrukcji budowlanych. Wprowadzono następujące, podstawowe stany graniczne nośności podłoża gruntowego:

1. STR - zniszczenie lub nadmierna deformacja fundamentów, w którym decydującą rolę odgrywa wytrzymałość fundamentów lub elementów konstrukcji współpracujących z podłożem gruntowym,

2. GEO - zniszczenie lub nadmierna deformacja podłoża gruntowego, w którym podstawowe znaczenie ma wytrzymałość podłoża,

3. STA - utrata stateczności globalnej lub nadmierne deformacje gruntu, w którym również decydujące są parametry wytrzymałościowe gruntu,

4. UPL - zniszczenie przez wypiętrzenie fundamentu, np. na skutek wyporu wody, gdzie decydujące znaczenie ma ciężar konstrukcji,

5. HYD - zniszczenie spowodowane ciśnieniem spływowym (nadmiernym spadkiem hydraulicznym).

Wprowadzenie dwóch ostatnich stanów granicznych wskazuje na dużą wagę jaką przywiązuje się w normie EN 1997-1 do wpływu wody gruntowej na nośność i stateczność fundamentów. Problem ten został zaledwie muśnięty w normie PN-81/B-03020. Już znacznie lepiej przedstawia się pod tym względem norma ścian oporowych PN-83/B-03010. Poszczególnym stanom granicznym przypisane są różne, częściowe współczynniki materiałowe do parametrów geotechnicznych podłoża, różne częściowe współczynniki oddziaływań do oddziaływań pochodzących od gruntu i różne częściowe współczynniki materiałowe do oporu granicznego podłoża gruntowego. Ogólny warunek stanów granicznych nośności podłoża gruntowego przyjmuje postać następującą:

E_d ≤ R_d

gdzie:

E_d - wartość obliczeniowa efektu oddziaływań (składowa, wypadkowa, moment, naprężenie itp.),

R_d - wartość obliczeniowa oporu granicznego podłoża gruntowego.

Warunek obliczeniowy jest w zasadzie bardzo prosty. Problem zaczyna się, gdy zaczniemy rozpatrywać różne sytuacje obliczeniowe. Projekt normy EN 1997-1 rozróżnia trzy podstawowe sytuacje obliczeniowe:

1. sytuacja obliczeniowa 1, w której warunek nośności można przedstawić w zapisie formalnym w sposób następujący:

E (γ_f F_rep, γ_f G_k, X_k/ γ_m) ≤ R (X_k/ γ_m)

Zapis ten oznacza, że przy wyznaczaniu wartości obliczeniowej efektu oddziaływań od gruntu (na przykład parcie lub odpór gruntu) stosować się będzie zarówno wartości obliczeniowe parametrów geotechnicznych podłoża jak i współczynniki częściowe oddziaływań do oddziaływań od gruntu. Wartości obliczeniowe pozostałych oddziaływań należy wyznaczyć zgodnie z zaleceniami EN 1990 i EN 1991. Przy wyznaczaniu oporu granicznego podłoża stosowane będą wartości obliczeniowe parametrów geotechnicznych.

2. sytuacja obliczeniowa 2, w której warunek nośności przyjmuje postać

E (γ_f F_rep, γ_f G_k) ≤ R (X_k)/ γ_m

Zapis ten oznacza, że przy wyznaczaniu wartości obliczeniowych oddziaływań gruntowych stosować się będzie jedynie częściowy współczynnik oddziaływania, a wartość charakterystyczna oddziaływania gruntu wyznaczona będzie jedynie na podstawie wartości charakterystycznych parametrów gruntowych. Również opór graniczny gruntu wyznaczany będzie na podstawie wartości charakterystycznych parametrów gruntu, a jego wartość charakterystyczna będzie dzielona przez częściowy współczynnik materiałowy do oporu granicznego gruntu.

3. sytuacja obliczeniowa 3, w której warunek nośności przyjmuje postać

E (γ_f F_rep, X_k/ γ_m) ≤ R (X_k/ γ_m)

Wartości obliczeniowe oddziaływań gruntowych wyznacza się na podstawie wartości obliczeniowych parametrów geotechnicznych, a współczynnik oddziaływań gruntowych jest równy jedności. Jednocześnie graniczny opór podłoża gruntowego wyznacza się na podstawie wartości obliczeniowych parametrów geotechnicznych.

Warunek stanu granicznego użytkowalności przedstawia się również bardzo prosto:

E_d ≤ C_d

gdzie:

E_d - obliczeniowy efekt oddziaływań wyznaczony na podstawie częściowych współczynników oddziaływań i częściowych współczynników materiałowych równych 1,

C_d - wartości graniczne przemieszczeń lub odkształceń fundamentów.

Istotną nowością jest wyraźne odróżnienie przemieszczeń i odkształceń trwałych od przejściowych (krótkotrwałych).

Dobór właściwej sytuacji obliczeniowej do sprawdzenia konkretnego stanu granicznego gruntu zależeć będzie w dużym stopniu od doświadczenia projektanta geotechnika. W każdym rozpatrywanym przypadku stanu granicznego nośności jedna z wymienionych wyżej sytuacji obliczeniowych okazuje się krytyczna. Niestety nie ma tutaj ściśle określonych reguł i w zasadzie za każdym razem trzeba będzie sprawdzać wszystkie przypadki stanów granicznych i wszystkie sytuacje obliczeniowe. Zwiększy to znacznie zakres obliczeń i spowodować może również niewłaściwą interpretację podejścia do obliczeń, prowadzącą do sprawdzania fikcyjnych przypadków obliczeniowych i do zbędnego przewymiarowania konstrukcji lub co gorzej obliczeń po stronie niebezpiecznej dla konstrukcji. Zapobiec temu ma wprowadzona do normy ENV 1991-1 zasada „oddziaływań z tego samego źródła”. Doskonałym przykładem tej zasady jest sprawdzanie stateczności skarp jedną z metod równowagi granicznej, na przykład metodą Felleniusa (rys. 2). Kiedy wprowadzana była metoda Felleniusa nikomu nie śniło się o metodzie częściowych współczynników bezpieczeństwa. Obliczenia prowadzono na podstawie tak zwanych projektowych parametrów geotechnicznych, którymi najczęściej były parametry charakterystyczne. Wiadomo skądinąd, że metoda Felleniusa sama w sobie zawiera bardzo duży zapas bezpieczeństwa, stąd bardzo niskie, wymagane wartości globalnego współczynnika bezpieczeństwa np. 1.05. W zależności od położenia względem środka obrotu ciężary poszczególnych pasków mogą korzystnie lub niekorzystnie wpływać na stateczność zbocza.

Rys.2. Stateczność skarpy - metoda Felleniusa

Stosowanie współczynników oddziaływań mniejszych od jedności do ciężarów korzystnych i większych od jedności do ciężarów niekorzystnych doprowadziłoby do powstania zupełnie fikcyjnej sytuacji utraty stateczności w przypadku większości zaprojektowanych dotychczas skarp, które nie mają jednak najmniejszej ochoty ulegać katastrofie, mając wystarczający zapas bezpieczeństwa wynikający z samej metody obliczeń. Wniosek jest tutaj tylko jeden: ciężary poszczególnych pasków muszą mieć taki sam częściowy współczynnik oddziaływań, jako „oddziaływania pochodzące z tego samego źródła”. Innym argumentem może być fakt, że niezmiernie trudno byłoby się jednocześnie pomylić w różnych kierunkach w ocenie ciężaru objętościowego danej warstwy gruntu, to znaczy jednocześnie zawyżyć i zaniżyć jego wartość. Stąd z pełną satysfakcją, jako jeden ze współautorów normy ścian oporowych PN-83/B-03010, odnotowuję zalecenie tej normy odnośnie do przyjmowania współczynników materiałowych i współczynników obciążenia równych jedności przy sprawdzaniu stateczności skarp. Zalecenie to zostało wprowadzone do wyżej wymienionej normy mimo ogromnych sprzeciwów purystów normalizacyjnych.

Z przedstawionego powyżej przykładu wynika jedno, niezwykle istotne ostrzeżenie, że nie można w sposób dowolny żonglować częściowymi współczynnikami bezpieczeństwa. Aby uniknąć sytuacji fikcyjnych, prowadzących zarówno do przewymiarowania jak i do uproszczeń na niekorzyść bezpieczeństwa projektowanej konstrukcji, należy dysponować odpowiednim zasobem wiedzy geotechnicznej, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej dawki zdrowego rozsądku.

Przed środowiskiem geotechnicznym stoją w chwili obecnej poważne zadania polegające na sprecyzowaniu skutków ewentualnego wprowadzenia projektowania konstrukcji budowlanych opartego na teorii niezawodności. Możliwość stosowania metod bezpośrednich np. metody Monte Carlo, ze względu na trudności w określeniu zmiennych losowych, wydaje się mało prawdopodobna. Jednak w chwili obecnej niezbędne jest wykorzystanie teorii niezawodności do kalibrowania metody częściowych współczynników bezpieczeństwa w odniesieniu do fundamentów obiektów budowlanych w warunkach polskich, na podstawie konkretnych przykładów już zrealizowanych obiektów budowlanych, poddanych stałemu monitoringowi osiadań.

Powinien powstać program prac badawczych, realizowany przez kilka wyspecjalizowanych ośrodków, mających już osiągnięcia naukowe w tej dziedzinie. Program ten powinien mieć charakter wybitnie utylitarny i dać odpowiedź na kilka niezwykle istotnych kwestii:

1. Czy obecny poziom badań laboratoryjnych i polowych gruntu dla przemysłu umożliwia wprowadzenie teorii niezawodności do projektowania geotechnicznego?

2. Czy możliwe jest sprecyzowanie zakresu badań podłoża gruntowego, który umożliwi osiągniecie odpowiedniego poziomu niezawodności konstrukcji, zgodnie z wymaganiami EN 1990?

3. Jakie skutki ekonomiczne pociąga za sobą prowadzenie badań „uproszczonych” i badań dokładnych podłoża gruntowego konstrukcji w celu osiągnięcia tego samego poziomu niezawodności konstrukcji?

4. Jaki jest możliwy do uzyskania stopień niezawodności konstrukcji przy stosowaniu metody B określania parametrów gruntowych według normy PN-81/B-03020?

Zdaję sobie sprawę z tego, że pytań takich może być znacznie więcej. Nie chciałbym jednak wyręczać osób znacznie lepiej ode mnie przygotowanych do realizacji tego rodzaju zadań.

Literatura:

1. 1. Wersja polska ENV 1991-1:1994 Eurokod 1: Podstawy projektowania i oddziaływania na konstrukcje. Część 1: Podstawy Projektowania. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, listopad 1994 r.

2. PN-ISO 2394 Ogólne zasady niezawodności konstrukcji budowlanych, Polski Komitet Normalizacyjny, kwiecień 2000 r.

3. Projekt EN 1997-1 Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne. Część 1 Przepisy ogólne. Materiały konferencji w Mrągowie, Instytut Techniki Budowlanej, październik 2000 r.

4. Grundbau-Taschenbuch Teil 1,2, 3, wydawnictwo Ernst und Sohn (Wiley Group), 2000 r.

5. Council Directive 83/189/EEC of 28 March 1983 (najnowsza wersja z 1997 r., OJ No C 78/97, p. 4).

6. 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)

6

4

---