Lech WYSOKIŃSKI
prof. dr hab. inż. - Instytut Techniki Budowlanej

 

BADANIA GEOTECHNICZNE OCENIAJĄCE PODŁOŻE BUDOWLANE

1. Wstęp

Wkrótce zacznie obowiązywać nowa europejska norma geotechniczna dotycząca projektowania. Będzie nią PN-EN 1997.1. Równocześnie pojawiły się normy ENV 1997.2 Badania laboratoryjne i ENV 1997.3 Badania polowe. Zespół tych norm tworzy zasadnicze ramy pozwalające badać i oceniać grunty oraz projektować dowolne posadowienie obiektu (bezpośrednie, palowe, zabezpieczać skarpy, wykonywać nasypy itp.). Normy dotyczą całego budownictwa, więc budynków, dróg, zbiorników itp.

Trzeba zaznaczyć, że geotechnika jest jedną z trudniejszych dziedzin do normalizacji, znalazło to odbicie w kilkakrotnym przesuwaniu terminów ukończenia opracowania norm dotyczących geotechniki, mimo, że prace komisji nad główną normą (EC 7) trwały 20 lat.

Prace dotyczące harmonizacji polskich norm i norm europejskich trwają od 1995 r. i doprowadziły już do powstania następujących norm:

        PN/B-02481 Geotechniczna terminologia podstawowa

        PN/B-02479 Geotechnika. Dokumentowanie geotechniczne

        PN/B-06050 Geotechnika. Roboty ziemne

        PN-EN 1536 Pale wiercone

        PN-EN 12063 Ścianki szczelne

        PN-EN 1537 Kotwy gruntowe

        PN-EN 1538 Ściany szczelinowe

Przekazano do ustanowienia normę Badania polowe w wersji zharmonizowanej z ENV 1997.3. Przekazano środowisku, na odbywających się co 2 Ⴘ 3 lata konferencjach, przetłumaczone materiały dotyczące norm geotechnicznych.

W momencie, kiedy pojawi się EN 1997.1 jako norma europejska, tj. ok. 2003 r., a na pewno już w 2005 r., powinna ona stać się normą obowiązującą w Polsce dotyczącą projektowania posadowień. Równolegle będą mogły jeszcze przez 5 lat być stosowane dawne normy krajowe (zasada Unii Europejskiej). Należy sądzić, że życie i rynek nie zezwolą na tak długie stosowanie norm polskich, zatem w momencie ustalania norm EN 1997 trzeba będzie projektować wg zasad Eurokodu.

Należy zaznaczyć, że w wielu punktach EN 1997.1 odsyła do załączników krajowych. Specyfika budowy geologicznej oraz poszanowanie lokalnych tradycji budowania w różnych rejonach Europy „landach” powoduje, że są konieczne dodatkowe ustalenia w stosunku do jednolitego tekstu normy.

W przeciągu minionych 20 lat od wydania polskich norm geotechnicznych 03020, 03010 zaszły duże zmiany, zmienił się stan prawny (nowe ustawy o normalizacji 1994, prawo budowlane 1994 oraz wydane zostało rozporządzenie w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych 1998). Analizując tekst norm europejskich można zaryzykować stwierdzenie, że przejście na normy europejskie będzie dla nas prawdopodobnie mniejszym szokiem niż wprowadzenie norm 03010, 03020 w latach osiemdziesiątych. Trzeba przypomnieć, że dokonana została wtedy konsekwentna zmiana obliczeń na stany graniczne. Zmiana, którą niektóre państwa wspólnoty europejskiej wdrażają dopiero dziś w wyniku wprowadzenia normy EN 1997.1 Projektowanie geotechniczne.

Zasadnicza różnica między podejściem prezentowanym w polskich normach z lat 80., a stanem dzisiejszym bierze się ze zmiany ustrojowej i zmiany roli inżyniera w procesie budowlanym, pełnieniu przez niego samodzielnych funkcji w procesie budowy. Znajduje to odbicie w dobrowolności stosowania norm. Trzeba zaznaczyć, że normy, o których mówimy są z grupy bezpieczeństwa i będą obligatoryjne.

Nowa, w procesie projektowania, jest też postać projektanta geotechnicznego. Osoba ta nie tylko bada grunty, interpretuje ich wyniki i podaje wartości parametrów geotechnicznych do projektowania, ale może też zapewniać warunki współpracy gruntu i fundamentu projektując posadowienie obiektu.

 

2. Kategorie geotechniczne

Eurokody przyjmują zasady obliczeń wg stanów granicznych. Ocena danych dotyczących warunków w podłożu gruntowym zależy od zakresu i jakości badań geotechnicznych, zatem w zależności od jakości badań dla tego samego terenu możemy mieć podane wartości parametrów z różną dokładnością. Eurokod podkreśla, że prawidłowo opracowane parametry geotechniczne i kontrola jakości wykonania robót na budowie ma znaczenie większe znaczenie dla spełnienia podstawowych wymagań projektu niż dokładność modeli obliczeniowych i wartości współczynników częściowych.

Norma EN 1997.1 zakłada, że:

      konstrukcje są projektowane przez osoby z odpowiednim wykształceniem i doświadczeniem;

      istnieje stała współpraca między osobami pracującymi przy zbieraniu danych geotechnicznych, projektami konstrukcji i pracującymi w wykonawstwie;

      zapewniony jest odpowiedni nadzór i kontrola jakości wyrobów budowlanych w fabrykach, warsztatach i na placu budowy;

      budowa jest prowadzona zgodnie ze stosownymi normami i przepisami, przez personel mający odpowiednie kwalifikacje i doświadczenie;

      materiały i elementy budowlane są używane zgodnie z określonymi wymaganiami i odpowiednimi przepisami;

      konstrukcje będą odpowiednio konserwowane;

      konstrukcje będą eksploatowane zgodnie z przeznaczeniem określonym w projekcie.

Zasadą analizy geotechnicznej jest to, że stosowany model musi prawidłowo opisywać zachowanie się podłoża gruntowego w rozpatrywanych stanach granicznych. Zatem główną sprawą jest ocena i ustalenie prawidłowego mechanizmu deformacji obiektu na podłożu w analizowanym zadaniu. Stany graniczne opisujące mechanizm nośności i stateczności w podłożu gruntowym (ścinanie na powierzchni poślizgu) pozwalają na łatwe sprawdzenie obliczeniowe. Dla stanów granicznych określonych wartościami przemieszczeń gruntu z uwzględnieniem obiektu (uwzględnienie współpracy budowli z podłożem) obliczenia są trudniejsze.

Normy europejskie wprowadzają pojęcie kategorii geotechnicznych. Istnieje ono już w nowych normach polskich PN/B-02479 oraz przepisach wykonawczych do Prawa Budowlanego Rozporządzenie z dnia 24 września 1998 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (rys. 1).

 

Rys. 1. Schemat czynności podczas projektowania geotechnicznego 

            Schemat (rys. 1) podaje drogę, którą zawsze należy przejść podczas projektowania posadowienia. Ze względu na niewielki relatywnie koszt badań geotechnicznych często lekceważone są pokazane na schemacie pierwsze kroki. Obecnie obowiązujące procedury mają temu zapobiec. Zlekceważenie informacji ogólnych jest zwykle przyczyną kłopotów czy nawet późniejszych awarii na budowie.

Rysunek 2 pokazuje grupy obiektów zaliczanych do poszczególnych kategorii geotechnicznych. Zaliczenie do określonej kategorii związane jest z ryzykiem budowlanym i kosztami.

Rysunek 3 pokazuje zakresy odpowiedzialności. Dla I kategorii geotechnicznej problemy posadowienia, po uzyskaniu danych o gruncie i wodzie, może rozwiązać sam konstruktor. Kategoria II to przeważająca liczba obiektów, gdzie konieczne są badania gruntów, w tym badania laboratoryjne i sondowania oraz współpraca geotechnika ustalającego parametry z konstruktorem projektującym fundamenty. Kategoria III, gdzie problemy współpracy z podłożem powinien rozwiązywać projektant geotechniczny.

Rys. 2. Wydzielanie kategorii geotechnicznych 

 

Rys. 3. Zakres odpowiedzialności za obiekt w zależności od kategorii geotechnicznej

3. Dane do projektowania - wydzielanie warstw, przypisywanie parametrów geotechnicznych

  Nie ma dotychczas europejskiej propozycji klasyfikacji gruntów. W Polsce obowiązuje wprowadzona przez Z. Wiłuna [1] klasyfikacja gruntów, której fragment pokazuje tabl. 1. Jest ona różna od klasyfikacji „międzynarodowych” stosowanych w USA, Anglii, Francji, Niemczech i wielu innych krajach. W klasyfikacji tej grunty spoiste podzielone są bardzo drobiazgowo, np. występuje aż 9 różnych nazw glin. Nazwy gruntów w praktyce od ok. 40 lat zaczęły funkcjonować jako wydzielenia warstw. Poniżej przeanalizujemy skutki tego błędu.

Tablica 1. Wydzielenia gruntów przy stosowaniu analizy makroskopowej

Spoistość gruntu (zawartość frakcji iłowej)	Grupy gruntów
		I piaszczyste	II pośrednie	III pylaste
		frakcji piaskowej > 50% pyłowej < 30%	frakcji piaskowej > 30% pyłowej < 30%	frakcji piaskowej > 50% pyłowej < 30%
		Próba rozcierania w wodzie
		wyczuwa się dużo ostrego piasku	wyczuwa się pojedyncze drobne ziarenka	nie wyczuwa się ziarenek piasku
Mało spoiste fi < 5%	piasek gliniasty (m. sp.)	pył piaszczysty (m. sp.)	pył (m. sp.)
Mało spoiste fi = 5 Ⴘ 10%	piasek gliniasty	pył piaszczysty	pył
Średnio spoiste fi = 10 Ⴘ 20%	glina piaszczysta	glina	glina pylasta
Spoiste zwięzłe fi = 20 Ⴘ 30%	glina piaszczysta zwięzła	glina zwięzła	glina pylasta zwięzła
Bardzo spoiste fi > 30%	ił piaszczysty	ił	ił pylasty

            Wyróżnianie makroskopowe gruntów zgodnie z tabl. 1 jest możliwe, ale dokładność tego ustalenia budzi już wątpliwości [2]. Wskazują na to np. wykresy (rys. 4a, b). Punkty ● pełne pokazują na trójkącie Fereta wyniki badań laboratoryjnych z trzech różnych laboratoriów, a punkty ○ puste oznaczenia makroskopowe dokonane przez doświadczone w badaniach gruntoznawczych osoby. Należy podkreślić, że oznaczenie makroskopowe nazwy gruntu służy często do narysowania granic na przekrojach geotechnicznych, a zmianę nazwy gruntów traktuje się niesłusznie jako granice geologiczne i warstw.

 

Rys. 4. Wyniki badań laboratoryjnych (● punkty zakreślone) i makroskopowych (○ punkty puste) dla dwu próbek tego samego gruntu - gliny morenowej 

            Z wykresu 4a wynika, że badana glina była nazywana 5 nazwami glin - znajduje się w 5 różnych polach, a druga próbka gliny była nazywana na 3 sposoby, przy czym nazwy te nie były zgodne w ani jednym przypadku z wynikami analizy granulometrycznej (punkty czarne).

Badania te dokumentują brak sensowności w tak dokładnym nazywaniu. Lepsze rozwiązanie z pewnością podaje klasyfikacja międzynarodowa. Klasyfikacja ta opracowana w USA przyjęta została przez wiele krajów świata (tabl. 2).

W zakresie gruntów niespoistych klasyfikacja polska zgodna jest z klasyfikacją Casagrandé.

 

Tablica 2. Klasyfikacja gruntów według A. Casagrandé

Zasadniczy podział			Grupy gruntu i typowe nazwy	Symbole grup	Główne cechy rozpoznawcze
										Wytrzymałość gruntu w stanie suchym	Inne badania
Grunty grubo-ziarniste	Piaski i grunty piaskowe	8	Piaski z cząstkami drobnymi, piaski gliniaste, źle uziarnione mieszanki piasku i iłu	SF	od bardzo małej do wysokiej	uziarnienie, kształt ziarn, badanie zaprawy gruntowej w stanie wilgotnym i wysuszonym
Grunty drobnoziarniste o nieznacznej zawartości lub nie zawierające frakcji gruboziarnistej	Grunty drobno- spoiste i średniej ściśliwości	9	Pyły nieorganiczne, bardzo drobne piaski, drobnoziarniste piaski pylaste lub gliniaste o małej plastyczności	ML	od bardzo małej do średniej	badanie w stanie wilgotnym (wstrząsanie i plastyczność)
				10	Gliny nieorganiczne o plastyczności od niskiej do średniej, gliny piaszczyste, gliny pylaste, iły chude (gliny ciężkie)	CL	od średniej do wysokiej	badanie wskaźnika plastyczności
				11	Pyły organiczne i gliny pylaste organiczne o małej plastyczności	OL	od małej do średniej	badanie wskaźnika plastyczności, zapach
			Grunty spoiste o wysokiej ściśliwości	12	Mikowe i okrzemkowe grunty drobnopiaszczyste i pylaste oraz sprężyste pyły	MH	od bardzo małej do wysokiej	badanie w stanie wilgotnym (wstrząsanie i plastyczność)
				13	Iły nieorganiczne o wysokiej plastyczności, iły tłuste	CH	wysoka	badanie wskaźnika plastyczności
				14	Organiczne iły o plastyczności od średniej do wysokiej	OH	wysoka	badanie wskaźnika plastyczności, zapach

            Przez ISO została ostatnio przedstawiona nowa geotechniczna klasyfikacja gruntów i skał. W klasyfikacji tej w pierwszym polu podawana jest nazwa geologiczna gruntu, dalej opis granulometryczny, barwa, stan gruntu, badania ścinarką, penetrometrem tłoczkowym. Ilustruje to przykładowy opis: glina zwałowa, zlodowacenie Odry, ClSa (piasek gliniasty), brązowa, twardoplastyczna, pp. 2,0.

Przykład niewłaściwego wydzielania warstw geotechnicznych pokazuje rys. 5 wzięty z bardzo rzetelnie wykonanej dokumentacji geotechnicznej wykonanej w trudnym terenie. Zgubna okazała się tu stosowana jako wydzielenie geologiczne klasyfikacja litologiczna gruntów. Wykonane w drugim etapie rozpoznania sondowania statyczne wykazały brak dokumentowanej w I etapie zmienności profilu. Stwierdzona wytrzymałość gruntów statycznym sondowaniem (CPTU) nie znajduje odbicia w zmienności nazw w przypadku stwierdzonych tu lessopodobnych utworów czwartorzędowych. Z powodzeniem można mówić o jednym gruncie z pewną (nawet nie dużą) zmiennością uziarnienia w obrębie warstwy.

 a)

Tabela parametrów geotechnicznych 

Warstwa	Grunty	Stopień plastyczności IL	Gęstość ၧ	Spójność c kPa	Kąt tarcia ၪ	Moduł ściśliwości M0 kPa
Ia	Gၰ	0,6	1,94	7,016	8,60	5700
Ib	Gၰ	0,32	2,02	9,48	10,72	22700
Ic	Gၰ	0,15	2,08	15,58	14,49	38000
IIa	Gၰz	0,59	1,88	6,69	8,37	5600
IIb	Gၰz	0,3	2,0	10,05	11,18	23600
IIc	Gၰz	0,16	2,0	18,80	15,50	32200
VIb*	I	0,0	2,07	60,00	12,90	39300

 * z normy 03020

b)
 

AI_L = 0,5/0,6; obl. - ၧ_d = 1940; ၪ_d = 8,6Ⴐ; c = 7,0 kPa; M₀ = 8500

B I_L = 0,24; obl. -  ၧ = 2000; ၪ = 12Ⴐ; c = 12 kPa; M₀ = 20000

C nie sondowano

 Rys. 5. Przykład zadania geotechnicznego podziału na warstwy i przypisanie im parametrów geotechnicznych
a)       rozwiązany metodą „polską” wydzielenia nazw gruntów, parametry z normy i z badań laboratoryjnych tabela parametrów charakterystycznych
b) z uwzględnieniem sondowań CPTU i informacji z dokumentacji (powyżej). W odróżnieniu od tabeli powyżej podano tu od razu parametry obliczeniowe

 

 
 

 

 Rys. 6. Przykładowe 3 sondowania CPTU z terenu zilustrowanego przekrojem na rys. 5.

Objaśnienia: q_c  wartości oporu na stożku sondy

ratio stosunek oporu na stożku do oporu na pobocznicy, małe różnice stosunku wskazują na dużą jednorodność gruntu (patrz przekrój rys. 5a)

pp. ciśnienie porowe; pomiar ciśnienia porowego za końcówka sondy

Interpretacja:

H - gleba i nasypy; A - grunty (gliny) miękkoplastyczne i plastyczne (słabe) I_L = 0,5 Ⴘ 0,65; B - Grunty (gliny) twardoplastyczne i plastyczne (mocne) I_L = 0,2 Ⴘ 0,3

Możliwość nowego podejścia do wydzieleń wynika z coraz powszechniejszego stosowania sondowań statycznych CPTU, dylatometrów, sond dynamicznych oraz badań geofizycznych metodami radarowymi, mikrosejsmicznymi. W badaniach tych uzyskujemy od razu profil wytrzymałości gruntów.

Rysunek 6 przedstawia wykresy sondowań z przedstawionego na rys. 5 problemu.

Trudną sprawą, z którą musimy się uporać dla gruntów polskich jest znalezienie korelacji między wartościami uzyskiwanymi z sondowań, a parametrami geotechnicznymi (np. ၪ, c, E).

 

4. Badania polowe

  Dla obiektywizacji ocen podłoża podstawową sprawą jest stosowanie w całej Europie jednakowych procedur w badaniach polowych i laboratoryjnych. Jest oczywiste, że metoda wykonania badania ma istotne znaczenie dla wartości uzyskiwanego wyniku. Procedury badań polowych w ENV 1997.3 zostały ustalone, procedury badań laboratoryjnych z ENV 1997.2 też. Wkrótce otrzymamy je jako zestawy norm EN w postaci norm na poszczególne badania, na które rozpadnie się ENV. Nie ma w nich większych zmian w stosunku do dotychczasowej polskiej praktyki..

Normy badań polowych i laboratoryjnych 1997.2, 1997.3 są obszerne, każda z nich liczy po ok. 100 stron. Poniżej podajemy opracowany na ich podstawie rys. 7 - zasady doboru metody badania gruntu.

ROZPOZNANIE

Badania studialne na podstawie map topograficznych, geologicznych i hydrogeologicznych. Interpretacja zdjęć lotniczych danego obszaru. Przegląd materiałów archiwalnych.

   

BADANIA WSTĘPNE
GRUNTY SPOISTE	GRUNTY NIESPOISTE	SKAŁY
CPT, SS, DP lub SPT Pobieranie próbek (PS, TP, CS, OS) PMT, GW	SS, CPT, DP lub SPT, SR Pobieranie próbek (AS, OS, SPT, TP) PMT, DMT, GWO	Inspekcja danego obszaru. Mapa nieciągłości, SE. W słabych skałach: DP, CPT, SPT, SR lub CS
Wstępny wybór metody posadowienia

BADANIA DO PROJEKTOWANIA
GRUNTY SPOISTE		GRUNTY NIESPOISTE			SKAŁY
Fundamenty na palach	Fundamenty bezpośrednie	Fundamenty na palach	Fundamenty bezpośrednie		Fundamenty na palach	Fundamenty bezpośrednie
SS, CPT, DP, SPT lub SR Pobieranie próbek (PS, OS CS) FYT, PMT, GWC, PIL	SS lub CPT, DP Pobieranie próbek (PS, OS, CS, TP) FYT, DMT, lub PMT, GW	CPT, DP, lub SPT Pobieranie próbek (PS, OS, AS) PMT, DMT, GWO, PIL	CPT+DP,SP T Pobieranie próbek (PS, OS, AS, TP) Możliwość PMT, lub DMT, (PLT) GWO		SR Mapa szczelin w TP, CS, RDT (PMT w zwietrzałych skałach) GWO
Projekt budowlany
OBJAŚNIENIA
Badania terenowe:				Pobieranie próbek:
SR sondowanie gruntu i skał,				PS próbka o nienaruszonej
SS sondowanie statyczne,				strukturze
CPT(U) sonda wciskana (z pomiarem				CS próbka rdzeniowa,
ciśnienia wody w porach),				AS próbka ze świdra spiralnego,
DP sondowanie dynamiczne,				OS próbnik otwarty,
SPT badanie sondą SPT,				TP próbka z wykopu otwartego,
PMT badanie presjometryczne,
DMT badanie dylatometrem gruntów, FYT badanie sondą obrotową, PLT próbne obciążenie płytą, SE badania sejsmiczne, PIL próbne obciążenie pali, GWC pomiar w systemie zamkniętym RDT badanie dylatometrem skał				Pomiar wody gruntowej

Rys. 7. Zasady doboru metod badań polowych podłoża wg ENV 1997.3 i ENV 1997.2

            Zainteresowanych wymiarami sprzętu i procedurami badawczymi odsyłamy do [3] [4] [5]. Zwłaszcza opracowana na podstawie ENV 1997.3 polska norma PN-B-04452 Badania polowe z polskimi oryginalnymi załącznikami, która została przekazana już do ustanowienia powinna zmieniać i unowocześniać polską praktykę geotechniczną.

Koszt badań geotechnicznych, mimo że zwykle nieistotny w stosunku do kosztów całej inwestycji jest adekwatny do dokładności informacji. Dokładność badań geotechnicznych jest często lekceważona i może przy typowych obiektach nie ma większego znaczenia, ale można wskazać grupę obiektów II i III kategorii geotechnicznej, gdzie koszt posadowienia stanowi już 20 - 30 % kosztów inwestycji. W tych przypadkach należy wykonać badania gruntów różnymi sondami i wykonać badania laboratoryjne parametrów.

Procedury eurokodowe nie niwelują niestety istotnego elementu wszystkich badań geotechnicznych, którą jest konieczność interpretacji otrzymanych wyników.

 

  Rys. 8. Zestawienie metod badań polowych i laboratoryjnych gruntów

 

 5. Doświadczenie porównywalne, parametry wyprowadzone

  Wyznaczanie wartości parametrów, mających służyć jako wartości charakterystyczne, materiału - do modelu obliczeniowego (wartości obliczeniowe) przy doświadczalnym, w badaniach terenowych i laboratoryjnych, wyznaczaniu tych wartości wymaga szerszej dyskusji i zmienia nasze dotychczasowe przyzwyczajenia (PN/B-03020).

W normie 03020 z 1981 roku parametry geotechniczne podane na wykresach (A, B, C, D) określone zostały z obliczeń „od końca”. Wartości tam podane są bardzo wysokie i nie udaje się ich potwierdzić wynikami badań laboratoryjnych [8].

 

Rys. 9. Wyniki badań laboratoryjnych dla niektórych typowych gruntów Polski
1. iły mioceńskie; 2a. seria poznańska typ a (iły); 2b. seria poznańska typ b (pyły), 3. gliny zwałowe zlodowacenia środkowopolskiego, 4. gliny zwałowe zlodowacenia Wisły.
Linie pionowe - średnie wartości I_L dla zbiorów

W Polsce od 1981 r. projektanci budowlani stosują normę PN/B-03020. W normie tej parametry geotechniczne dla warstw wydzielonych zgodnie z zasadami geologicznymi ustalać można 3 metodami:

Metoda A - polega na bezpośrednim oznaczaniu wartości parametru za pomocą polowych lub laboratoryjnych badań gruntów;

Metoda B - polega na oznaczaniu wartości parametru na podstawie ustalonych zależności korelacyjnych między parametrami fizycznymi lub wytrzymałościowymi a innymi parametrami, (np. I_L lub I_D) wyznaczonymi metodą A;

Metoda C - polega na przyjęciu wartości parametrów określonych na podstawie praktycznych doświadczeń budownictwa na innych podobnych terenach uzyskanych dla budowli o podobnej konstrukcji i zbliżonych obciążeniach.

Metodę A należało stosować, gdy brak było zależności korelacyjnych (dla gruntów miękkoplastycznych, organicznych, luźnych), przy dużej sile poziomej większej niż 10 % pionowej, dla budowli na zboczach lub, gdy w sąsiedztwie projektuje się wykopy, albo dodatkowe obciążenia.

W praktyce w 95 % przypadków stosowana była metoda B, w której wartości parametrów geotechnicznych ustalane były z wykresów zawartych w treści normy (mogłyby być w załącznikach, wtedy ich ważność byłaby mniejsza). Informacje służące do wyznaczania wartości parametrów (nazwy gruntów i stany) określane są w badaniach terenowych zwykle tylko metodą makroskopową.

Dla gruntów spoistych symbole ustalone zostały bez uwzględniania nazw gruntów, tylko na podstawie genezy i stopnia konsolidacji, i tak:

A - to grunty spoiste morenowe skonsolidowane,

B - inne grunty spoiste skonsolidowane oraz grunty spoiste morenowe nieskonsolidowane,

C - inne grunty spoiste nieskonsolidowane,

D - iły niezależnie od pochodzenia geologicznego.

Podział ten od samego początku był dyskusyjny. Można założyć, że podjęto wiele decyzji projektowych przy przyjęciu linii B zamiast A.

Fakt ten wynika ze specyfiki budowy geologicznej Polski. Od morza do Karpat mamy zasięgi czterech zlodowaceń. Niejednoznaczność stwierdzenia, czy gliny morenowe powstałe na obszarach najmłodszego zlodowacenia są skonsolidowane czy też nie, dotyczy ok. ¹/₃ powierzchni kraju. Gliny powstałe w wyniku wytopienia podczas deglacjacji mogą być zarówno skonsolidowane jak i nieskonsolidowane. Istnieje możliwość badań OCR (over consolidation ratio) w edometrze, ale była ona rzadko podejmowana dla wyjaśnienia tego problemu, częściej decydowano ostrożnościowo wskazując symbol B (zwykle niesłusznie).

Mimo znacznie wyższych niż wynikają z badań ścinania i ściśliwości wartości w tabeli parametrów dla gruntów polskich, nie ma z tego powodu żadnych awarii czy katastrof. Zatem wartości podane w normie 03020 charakteryzujące grunty nie są nieprawidłowe.

Katastrof i awarii związanych z wytrzymałością gruntów jest na świecie tak mało, że nie ma wiarygodnego zbioru, który pozwalałby weryfikować dokładność obliczeń nośności. Także zgodność obliczeń odkształceń z wynikami pomiarów obiektów jest niska. Można to wykazać w przypadku osiadań obiektów [9]. Uzyskane różnice między wartościami pomiarowymi, a obliczeniowymi różnią się Ⴑ 200 % [10].

Prowadzona w ITB przez ponad 40 lat analiza osiadań budynków w Polsce [9] [11] głównie w Warszawie, Poznaniu, Gdańsku, wskazuje także na prawie zupełny brak korelacji pomiędzy obserwowanymi osiadaniami, a realizowanymi średnimi naciskami na podłoże wynikającymi z obliczeń pierwszego stanu granicznego [12].

Należy jeszcze zwrócić uwagę na następujące terminy w EN 1997-1 i ENV 1997-3, które dotąd w naszych normach nie były stosowane, a z punktu widzenia praktyki geotechnicznej są bardzo istotne. Są to:

-         doświadczenie porównywalne: udokumentowane lub w inny sposób jednoznacznie określone informacje, dotyczące podłoża gruntowego, którego zachowanie i właściwości były wykorzystywane w projektowaniu podobnych konstrukcji. Doświadczenie porównywalne może być wystarczającą podstawa ustalania parametrów do projektowania;

wartości wyprowadzone: Parametry geotechniczne uzyskiwane w wyniku korelacji (badań pośrednich) nazwano „wartościami wyprowadzonymi parametrów geotechnicznych”. Pojęcie „wartości wyprowadzonych” wprowadzono do EN 1997-1, aby mogło służyć do określania wartości charakterystycznych.

 

Przykładowo załóżmy, że mamy jednorodną warstwę gruntu. Wykonano dwa rodzaje badań polowych, np.: pięć pomiarów sondą CPT i pięć pomiarów presjometrem. Wykonano także pięć badań laboratoryjnych w celu określenia wytrzymałości na ścinanie przy szybkim ścinaniu. Na podstawie wartości q_c z sondowania sondą CPT i wartości P_LM z badania presjometrycznego uzyskano zbiory wartości, które można skorelować z wytrzymałością na ścinanie bez odpływu.

Określone z tych trzech zbiorów wartości służą do określenia wartości charakterystycznych przyjmowanych w projektowaniu, np. w tym przypadku c_u. Podana przez geotechnika wartość c_u nie musi być zgodna z dokładnym wynikiem któregoś z badań.

Właściwie oba te terminy inaczej nazywane stosowaliśmy i stosujemy. Wartości wyprowadzone to znowu nic innego jak korelacje między danymi określonymi w terenie, np. N₁₀ - z sondowań, a wartościami I_D. W zasadzie wartości wyprowadzone są wartościami ekspertskimi parametrów geotechnicznych. Zmienia to bardzo dotychczasową praktykę i sposób myślenia geotechnika. Nie ma potrzeby ani obowiązku podawania jako parametru geotechnicznego dokładnie tych wartości, które uzyskano z badań laboratoryjnych próbek jako wyników charakteryzujących warstwę np. ၦ i c. Odchodzimy od stosowanej w naszych normach (np. 03020) praktyki określania wartości średnich np. z 5 badań. Ta próba konsekwentnego stosowania teorii stanów granicznych, która ma korzenie w statystyce, w takim wydaniu jak to podawała wersja 03020 z 1981 r. była niemożliwa do potwierdzania badaniami.

 

6. Stany graniczne - obliczenia sprawdzające

 

Na początek stwierdzenie, że Eurokod EN 1997.1 wyróżnia więcej niż 03020 stanów granicznych.

Wyróżnia się 5 stanów granicznych:

STR - Utrata wytrzymałości lub nadmierne odkształcenia konstrukcji lub elementów konstrukcji łącznie z fundamentami (ławy, stopy, pale, ściany fundamentowe itp.), które mają wystarczającą wytrzymałość

GEO - Ścięcie albo nadmierne deformacje w gruntach lub skałach w obszarze oddziaływania obiektu

STA - Utrata stateczności ogólnej lub nadmierne deformacje masywu gruntowego

UPL - zniszczenie przez wypór wywołany pionowymi siłami (naruszenie pionowej równowagi sił)

HYD - zniszczenie w gruncie wywołane przepływem wody wskutek spadku hydraulicznego

Stany graniczne GEO i STA są najczęściej miarodajne do projektowania fundamentów.

W mechanice gruntów mamy obecnie różne modele gruntów i metody obliczeń. Ten sam grunt może być zatem opisany w zależności od stosowanego modelu obliczeniowego różnymi parametrami.

Przyjęte modele do analizy obliczeniowej zawsze zawierają uproszczenia, a wyniki uzyskane z obliczeń powinny być po stronie bezpiecznej. Należy zatem poznać przedział pewności wyników metody oraz błędy systematyczne związane z metodą analizy. Model obliczeniowy należy zawsze korelować z obserwacjami zrealizowanych obiektów, badaniami modelowymi lub danymi z literatury.

Model obliczeniowy może także składać się z doświadczalnych zależności pomiędzy wynikami badań gruntu, a pomierzonymi zachowaniami obiektu. W takim przypadku zależności empiryczne muszą być jednoznacznie ustalone dla przyjmowanych warunków gruntowych.

Z modelem obliczeniowym łączą się wymagania konstrukcyjne, których zadaniem jest usunięcie uproszczeń i niedostatków modelu. Zatem należy zawsze sobie zdawać sprawę z ograniczeń teorii (stosowanego wzoru). Zwłaszcza ma to miejsce przy występowaniu wysokich stanów wód gruntowych. Ocena bezpieczeństwa konstrukcji geotechnicznej, w której dominującymi siłami są siły hydrostatyczne musi być prowadzona szczególnie starannie.

Sprawą trudną, której trzeba się będzie nauczyć to nowe zasady koniunkcji obciążeń i ustalania współczynników cząstkowych. Wartości współczynników cząstkowych jest bardzo dużo i są one zupełnie inne niż stosowane przez polskie normy lat osiemdziesiątych.

Przykładowo podajemy tablicę 3 wartości dla obciążeń i tablicę 4 wartości współczynników materiałowych.

Tablica 3. Współczynniki częściowe (ၧ_f) oddziaływań lub skutków oddziaływań dla STR i GEO

Parametr	Symbol	S1(B)	S1(C)^1	S2^2	S3^3
stały, niekorzystny	ၧG	1,35	1,00	1,35	1,35
zmienny, niekorzystny	ၧQ	1,50	1,30	1,50	1,50
stały, korzystny	ၧG;fav	1,00	1,00	1,00	1,00
zmienny, korzystny	ၧQ;fav	0	0	0	0

¹ Patrz także Tablica 4

² Niniejsze współczynniki stosuje się do wszystkich oddziaływań i skutków oddziaływań

³ Jeżeli stosuje się S3 dla oddziaływań na lub od konstrukcji, to równocześnie S1(C) dla oddziaływań od podłoża

Tablica 4. Częściowe współczynniki materiałowe (ၧ_m) dla STR i GEO

Parametr	Symbol	S1(B)	S1(C)^1	S2	S3
tan ၪ'	ၧၪ_	1,00	1,25	1,00	1,25
spójność efektywna c'^2	ၧc	1,00	1,25	1,00	1,25
wytrzymałość na ścinanie bez odpływu cu	ၧcu	1,00	1,40	1,00	1,40
wytrzymałość na ściskanie qu	ၧqu	1,00	1,40	1,00	1,40
ciężar objętościowy gruntu	ၧg	1,00	1,00	1,00	1,00

¹ Niniejszy współczynnik 1(C) stosuje się do parametrów materiałowych w celu wyznaczania wartości obliczeniowych zarówno oddziaływań jak i nośności

² Gdy wartość charakterystyczna jest ustalona bierze się pod uwagę większą zmienność c' porównaną do jednego z tan ၪ'

Symbole S1, S2, S3 określają „podejście”, litery (B), (C) określają przypadki obliczeń A, B, C wg EN 1991.

Schuppener (1999) [13] przeprowadził ankietę wśród niemieckich geotechników, którzy mieli za zadanie na podstawie laboratoryjnych wyników badań gruntu morenowego (tablica 5) określić charakterystyczne wartości kąta tarcia wewnętrznego i spójności tego gruntu.

 

Tablica 5.

Próbka nr	fi %	fၰ %	fp %	fżwirowa %	Ip	ၧ kN/m^3	ၪ Ⴐ	c kN/m^2
1	17	37	45	0	0,25	20,7	23	55
2	11	17	67	5	0,17	19,7	27	15
3	8	39	52	1	0,20	21,3	29	16
4	10	30	60	0	0,17	21,9	33	13

Według metod statystycznych podanych w EC-7 powinno się wyznaczać wartości charakterystyczne jako 5 % kwantyl dla rozkładu wartości średniej. Tak, więc wartość charakterystyczna x_k jest dolną granicą 90-cioprocentowego przedziału ufności dla wartości średniej danej wielkości x. Ta dolna granica może być wyliczona za pomocą następujących wzorów:

    (1)

gdzie

(2)

jest wartością średnią, i

² (3)

jest odchyleniem standardowym. Powyższe wartości dla wyników z tablicy wynoszą:

ၪ_m = 28Ⴐ, s_ၪ =4,2Ⴐ, c_m = 24,8 kN/m², s_c = 20,2 kN/m².

Wartość t_n,ၡ wynika z rozkładu STUDENTA i wynosi dla n = 4 próbek i wybranego prawdopodobieństwa ၡ = 90 %, t_n,ၡ = 2,253. Tak, więc wyznaczone statystycznie wartości charakterystyczne dla podanej gliny wynoszą ၪ_k = 23Ⴐ, c_k = 1 kN/m².

Niemieccy geotechnicy zostali poproszeni o podanie na podstawie znajomości gruntu i wyników z tabeli, wartości kąta tarcia wewnętrznego i spójności do oceny skarpy wykopu w gruntach morenowych. W sumie w ankiecie uczestniczyło 90 geotechników. Wyniki ankiety wykazują duży rozrzut proponowanych wartości charakterystycznych.

Wartości kąta tarcia wewnętrznego zawierają się w przedziale od 25Ⴐ do 35Ⴐ, przy czym najczęściej podawaną wartością była wartość 27Ⴐ. Podane wartości spójności podlegają większym wahaniom, w zakresie od 0 do 27 kN/m², z 10 kN/m² jako najczęściej podawaną wartością. Nie jest znane, jak powyższe wartości zostały wyznaczone. Podobnie jak w przypadku dokumentacji geotechnicznych są to więc wartości wyprowadzone.

Dalszą analizę wyników przeprowadził W. Fellin [14], który na podstawie tych wyników obliczył szerokość kwadratowej stopy fundamentowej.

Dla najczęściej podawanych wartości ၦ_k = 27^Ⴐ i c_k = 10 kN/m² szerokość wynosi b = 1,5 m.

Rys. 10. Rozkład szerokości fundamentów dla przykładu z Niemiec W. Fellin [14]

Z rozkładu prawdopodobieństwa wartości charakterystycznych parametrów gruntowych może być określona względna częstość występowania ustalonych szerokości fundamentu. Rozkład prawdopodobieństwa został przedstawiony na rysunku 10.

Fundament z b = 1,5 m był najczęstszym wynikiem obliczeń, których podstawą są najczęściej podawane wartości parametrów geotechnicznych. Ale także wymiary fundamentu pomiędzy b = 1,3 m a b = 1,6 m byłyby z podobną częstością wynikiem obliczeń. Natomiast wartości graniczne wymiarów fundamentu byłyby podawane bardzo rzadko. Obliczenia na podstawie statystycznie wyprowadzonych wartości charakterystycznych ၦ_k = 23^Ⴐ i c_k = 1 kN/m² dają szerokość fundamentu b = 2,71 m.

Które wymiary są wiec „dobre”? Największy wyliczony fundament ma bądź, co bądź około sześć razy większą powierzchnię od najmniejszego. Jeżeli nawet założymy, że żaden fundament nie utraci nośności, to przynajmniej osiągnięte poziomy bezpieczeństwa różnią się znacznie.

Widzimy jak wielką rolę odgrywa wybór wartości charakterystycznych parametrów gruntu i jaki ma wpływ na wyniki wymiarowania fundamentów.

Z danych statystycznych parametry mogą być wyznaczane rzadko, gdyż przeważnie istnieje za mało potrzebnych badań. Dlatego wartości te wyznaczane są często jako tzw. „ostrożne oszacowanie wartości”. Ta niedokładna definicja prowadzi do bardzo różniących się wyników, podawanych przez różnych geotechników.

Geotechnik podejmuje podczas wyznaczania wartości decyzję o poziomie bezpieczeństwa dla konstrukcji. „Ostrożne szacowanie” zawiera więc w sobie determinowanie ryzyka zniszczenia konstrukcji. Ważne informacje dotyczące tego procesu decyzyjnego są tracone, jeżeli na końcu własności gruntu są podane w postaci jednych liczb.

Byłoby lepiej, gdyby parametrów nie podawać w postaci konkretnych liczb, tylko w postaci zakresu możliwych wartości, z zaznaczeniem różnych przypadków i różnych odpowiadających im parametrów. Wtedy konstruktor mógłby ustalać, w zależności od projektowanej budowli, jaki chce mieć poziom bezpieczeństwa.

Na zakończenie należy podkreślić, że normy nie powinny być traktowane jak „czarne-skrzynki”. Pomimo probabilistycznych podstaw nowej normy, wyznaczenie parametrów charakterystycznych gruntu (jako rzekomo stałych wielkości) i szczegółowe algorytmy obliczeniowe prowadzą do sytuacji, w której zapomina się o rozrzucie wartości tych parametrów i jego wpływie na wymiarowanie.

 

7. Porównanie wyników projektowania

 

Zakres stosowania EN 1997.1 oraz komentarze [15][16], które zostały opracowane do wersji ENV pozwala na zaprojektowanie wymiarów fundamentu.

Przykładowe obliczenia zostały zrobione. Pokazują one z jednej strony praktycznie brak różnic przy przyjęciu tych samych parametrów wejściowych przy zastosowaniu EN i naszych starych PN. Jest to wniosek zaskakujący, bo wartości współczynników cząstkowych uległy dużym zmianom. Baliśmy się, że projektowanie wg EN będzie o wiele mniej oszczędne niż nasze dawne, sprawdzone i przecież bezawaryjne. Wychodząc z tych samych wyników badań okazuje się, że mimo różnych procedur i innej metody obliczania wartości charakterystycznych, parametry obliczeniowe nie różnią się mocno, w każdym razie znacznie mniej niż są na to możliwości, na co wskazuje przykład niemiecki.

Należy nadmienić, że EN 1997 pozwala podawać bezpośrednio wartości obliczeniowe parametrów geotechnicznych. Prawdopodobnie ta zasada w praktyce będzie przeważająca i upraszczająca analizę ułatwiającą życie i omijającą rafy przejścia z parametrów charakterystycznych na obliczeniowe metodami statystycznymi.

Przykład wymiarowania stopy fundamentowej wg PN-81/B-03020 i EC7,
oparty na wynikach badań gliny zwałowej zlodowacenia Odry 
z pracy naukowo-badawczej ITB nr 122/3356/NG-21/98

 

Rysunek wymiarowanej stopy

 

Obliczenia wg EC7

 

Do obliczeń przyjęte zostały następujące parametry charakterystyczne:

 

ၧ_k = ၧ_śr = 21,6 kN/m³

ၦ_k = ၦ_śr - t_ၡ * ၳ_ၦ /
= 24,0 - 1,66 * 0,4 /
= 23,90 ⁰

c_k = c_śr - t_ၡ * ၳ_c /
= 38,4 - 1,66 * 5,1 /
= 37,55 kPa

 

Obliczenia wg PN

 

Do obliczeń przyjęte zostały następujące parametry charakterystyczne:

 

ၧ_k = ၧ_śr = 21,6 kN/m³

ၦ_k = ၦ_śr = 24,0 ⁰

c_k = c_śr = 38,4 kPa

 

Przyjęte wymiary fundamentu

 

h = 0  G_vk = 1220 kN

h_f = 1,50 m Q_vk = 300 kN

h_s = 1,00 m Q_hk = 100 kN

B_s1 = B_s2 = 0,50 m

L = B

 

8. Wnioski

 

1.        Przejście na nowe normy europejskie nie eliminuje podstawowych problemów, które występują w geotechnice i są związane ze specyfiką właściwości podłoża gruntowego. Wiarygodność i dokładność dokumentacji geotechnicznej stanowiącej podstawę projektowania fundamentów zależy od prawidłowości podziału podłoża budowlanego na warstwy i przypisania im odpowiednich parametrów geotechnicznych.

2.        Nowe rodzaje badań polowych (sondowań) zezwalają lepiej, niż to było robione dotychczas, wydzielać warstwy gruntu różniące się nie nazwą gruntu, ale wartością jego wytrzymałości mierzonej oporem końcówki sondy, liczbą udarów na 10 czy 30 cm przelotu sondy, czy cechami jednorodności wykazywanymi w badaniach geofizycznych. Trzeba podkreślić, że sondowania nie muszą być obecnie droższe niż tradycyjne wiercenia, a dają znacznie bogatszą informację.

3.        W nowym „europejskim” systemie dokumentowania geotechnicznego, główna rola przypada rzeczoznawcy - geotechnikowi, który podając parametry wyprowadzone odpowiada za ich wartość przeprowadzonymi badaniami, ale i doświadczeniem potwierdzonym swoim nazwiskiem i podpisem. Nie ma obecnie ścisłych procedur, które zezwalałyby wskazać, jak należy uzyskiwać parametry geotechniczne. Geotechnik dobiera je do zadania (kategoria geotechniczna), metody obliczeń (trad., MES inne), rodzaju fundamentów, w końcu znanej mu zmienności i właściwości gruntów w danej warstwie.

4.        Metoda projektowania wymiarów fundamentów z wykorzystaniem metod podanych w projektach nowych norm europejskich nie różni się, co do zasady do metod stosowanych dotychczas w normach polskich. Różne są tylko wartości współczynników cząstkowych i zasady superpozycji uwzględnianych w obliczeniach obciążeń.

5.        Wartości obliczonych wymiarów fundamentów przy przyjętych tych samych wartościach parametrów obliczeniowych różnią się nieznacznie. Bardzo duże różnice mogą powstać przy przyjmowaniu parametrów charakterystycznych i obliczeniowych, gdy mamy małe zbiory danych. Po wejściu PN-EN do praktyki przez jakiś czas obliczenia projektowe trzeba będzie wykonywać 2 metodami - stara i nową - w celu uzyskania doświadczenia.

6.        Należy także zwrócić uwagę na fakt, że wydzielona dla obiektu kategoria geotechniczna powinna znaleźć odbicie w projektowaniu. Wymaga to przeniesienia rozumowania dotyczącego ryzyka i dokładności ustalania wymiarów fundamentów na podstawie bardziej lub mniej dokładnych parametrów do projektowania konstrukcyjnego.

 

Piśmiennictwo

 

[1]      Wiłun Z., Hückel S., Kowalewski Z.: PN-59/B-03020 Wytyczne wyznaczania dopuszczalnych obciążeń jednostkowych. 1959

[2]      Wysokiński L.: Wymagana a osiągana dokładność rozwiązań problemów geotechnicznych w aspekcie projektowania budowlanego. Archiwum ITB tem. 2630/NG-47. Warszawa 1988

[3]      Final draft prEN 1997.1 Eurocode 7. Geotechnical design 9.10.2001

[4]      ENV 1997.3 Eurocode 7. Projektowanie geotechniczne, cz. 3 Projektowanie z zastosowaniem badań polowych prPN-B-04452. Materiały Konferencyjne ITB, Mrągowo 2000

[5]      ENV 1997.2 Eurocode 7. Projektowanie geotechniczne, cz. 2 Projektowanie z wykorzystaniem badań laboratoryjnych. Materiały Konferencyjne ITB, Mrągowo 2000

[6]      Konferencja ITB: Harmonizacja polskich norm geotechnicznych z systemem europejskim. Pułtusk 1998

[7]      Konferencja ITB: Harmonizacja polskich norm geotechnicznych z systemem norm europejskich. Referaty. Mrągowo 2000

[8]      Wysokiński L.: Podstawy projektowania konstrukcji geotechnicznych w świetle norm i doświadczeń. Konferencja naukowo-techniczna: 50 lat geotechniki w ITB. Warszawa 1995

[9]      Pogorzelska J.: II stan graniczny w świetle obserwacji budowli. Materiały konferencyjne ITB. Wyszków 1989

[10]      Kowalewski Z., Pogorzelska J.: Posadowienie bezpośrednie budowli, obliczenia statyczne i projektowanie PN-81/B-03020

[11]      Boleński M.: Osiadanie nowowznoszonych budynków w zależności od podłoża gruntowego. ITB 1973

[12]      Wysokiński L.: Uszkodzenia budynków w Warszawie na tle pomiarów odkształceń podłoża. Konferencja Krynica 1987, T1

[13]      Schuppener B.: Die Festlegung charakteristischer Bodenkennwerte - Empfehlungen des Eurocodes 7 Teil 1 und die Ergebnisse einer Umfrage. Geotechnik - Sonderheft, 1999

[14]      Fellin W.: Zur Auswirkung der Festlegung charakteristischer Bodenkennwerte am Beispiel einer Grundbruchberechnung. Geotechnik 24 nr 3, 2001

[15]      Simpson B., Driscoll R.: Eurocode 7 a commentary. London 1998

[16]      Orr, Trevor L.L., Eric R., Farrell I.: Geotechnical Design to Eurocode 7. London 1999

 

 

Podziękowanie

 

Autor dziękuje p.p. mgr inż. W. Kotlickiemu i mgr inż. T. Dobrowolskiemu za wykonanie przykładów obliczeń fundamentu.

 

---