Bezpieczeństwo statyczne budowli a badanie podłoża gruntowego

Sondowanie gruntu – cele i zastosowania

Badania geotechniczne gruntu przeprowadza się w celu dokonania analizy warunków wodno-gruntowych na danym terenie, ze szczególnym uwzględnieniem układu warstw podłoża, ich charakterystyki oraz zwierciadła wód gruntowych. W tym celu przed rozpoczęciem inwestycji budowlanej wykonuje się badania geotechniczne.

Uzyskane w ten sposób informacje, stanowiące podstawę dokumentacji geotechnicznej, pozwalają zaplanować przebieg inwestycji i dobrać odpowiednie technologie, metody i materiały, które są później wykorzystywane do budowy podpiwniczenia, wzniesienia fundamentów oraz wykonania zbrojenia.Zapewnia to bezpieczeństwo i stabilność posadowionego na danym terenie obiektu. Pod tym względem istotne znaczenie ma opór gruntu. Aby uzyskać pożądane informacje na temat właściwości podłoża przeprowadza się wiercenia – sondowania geotechniczne.

Sondowania geotechniczne należą do polowych metod badania jakościowego oraz ilościowego gruntu, w szczególności jego zagęszczenia. Wykonuje się je w celu analizy wskaźników oporu, który grunt może stawiać przy próbach wbicia lub wiercenia. Te właśnie techniki wykorzystuje się w sondowaniu, które pozwala nie tylko ocenić zagęszczenie i spójność gruntu, ale też szczegółowo przeanalizować układ i typ warstw podłoża. Metoda ta jest również wykorzystywana jako uzupełnienie innych badań i pozwala wyznaczyć miejsca do ich przeprowadzania.
 

Metody sondowania gruntu

Jak już wspomniano, sondowanie geotechniczne polega na wykorzystaniu specjalistycznych narzędzi wbijanych, wkręcanych bądź wciskanych w grunt. Wyróżniamy przy tym następujące metody sondowania:

• sondowanie dynamiczne – to metoda wykorzystywana do oceny stopnia zagęszczenia gruntów niespoistych. W tym celu wykorzystuje się sondy o symbolach DPM, DPL, DPH i DPSH, różniące się pomiędzy sobą stopniem ciężkości, co przekłada się na energię wbijania. Ich działanie polega na zagłębianiu końcówki sondy w gruncie, by sprawdzić jego opór.
• sondowanie statyczne – w tej metodzie końcówka sondy wciskana jest w podłoże. Pomiary dokonywane na podstawie analizy oporu występującego na stożku pozwalają przeanalizować szerokie spektrum właściwości gruntu, uwzględniając przy tym takie parametry jak wytrzymałość czy ściśliwość podłoża.
   

Oprócz tego w sondowaniach geotechnicznych wykorzystuje się metodę VSS, czyli z wykorzystaniem tzw. płyty statycznej. Jest ona przeznaczona do oznaczania nośności podłoża gruntowego poprzez wyznaczanie modułu odkształcenia gruntu Ev. Badanie przeprowadzane jest w naprzemiennych cyklach obciążania i odciążania gruntu.
 

Pomiar trójpunktowy:

• odczyt obciążenia bezpośrednio z manometru;
• odczyt osiadania bezpośrednio z precyzyjnych czujników pomiarowych.
   

Zastosowanie:

• pomiar osiadania gruntu pod wpływem obciążenia statycznego;
• wyznaczanie pierwotnego modułu odkształcenia EV1;
• wyznaczanie wtórnego modułu odkształcenia EV2;
• obliczanie wskaźnika odkształcenia gruntu Io;
• wyznaczanie nośności podłoża gruntowego.
   

Kompatybilność z normami:

• BN-64/8931-02 – drogi samochodowe. Oznaczanie modułu odkształcenia nawierzchni podatnych i podłoża przez obciążenie płytą.
• PN-S-02205 – drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania.
   

Co to jest sondowanie statyczne?

Sondowanie statyczne to podstawowy typ badań polowych gruntu na terenie UE. Badanie polega na wciskaniu w grunt stożka elektrycznego z systemem czujników rejestrujących parametry gruntu „in situ” (w stanie pierwotnym) w sposób ciągły. Jest to jedno z niewielu badań gruntu nie zaburzających jego struktury – a wiec najbardziej miarodajne. Podczas sondowania statycznego rejestrowane są:

• opór pod stożkiem [Qc];
• tarcie na pobocznicy stożka [Fs];
• ciśnienie porowe gruntu [U] (w zależności od rodzaju stożka);
• głębokość [cm];
• prędkość penetracji;
• inklinacja (odchylenie od pionu).
   

Sondowanie statystyczne pozwala określić między innymi:

• stopień zagęszczenia gruntów niespoistych (ID);
• stopień plastyczności gruntów spoistych (IL);
• współczynnik prekonsolidacji gruntu (OCR);
• wytrzymałość gruntu na ścinanie w warunkach bez odpływu (Su);
• wskaźnik plastyczności gruntu (Ip);
• współczynnik tarcia spoczynkowego (Ko);
• moduł ściśliwości wtórnej (M);
• moduł odkształcenia (Younga) w warunkach bez odpływu (EU);
• współczynnik konsolidacji (c);
• współczynnik filtracji w kierunku poziomym (kh);
• efektywny kąt tarcia wewnętrznego (fi’);
• edometryczny moduł ściśliwości (M0).
   

Wymienione wyżej parametry są wykorzystywane przez inżynierów-konstruktorów przy projektowaniu fundamentowania budowli.
 

Stosowane są dwa rodzaje wykonywania otworów sondowych: CPT i CPTU. Czym się różnią?

Sonda CPT oraz CPTU różni się od siebie rodzajem wykorzystywanego stożka pomiarowego. Sondowanie CPTU pozwala na pomiar ciśnienia porowego gruntu. Dzięki dodatkowym pomiarom ciśnienia porowego sondowanie CPTU pozwala określić więcej parametrów gruntu (m.in. spójność, niedrenowaną wytrzymałość na ścinanie).

Analiza wyników obu rodzaju sondowań pozwala na określenie typu gruntu w podłożu, a w przypadku sondowań CPTU – również poziomu zwierciadła wody gruntowej. To, czy charakter poziomu wodonośnego jest naporowy, swobodny i czy pojawia się sączenie, można określić w korelacji z otworem wiertniczym. Aby precyzyjnie i jednoznacznie określić rodzaj gruntu oraz warunki wodne w podłożu i wykonać tzw. korelację lokalną, należy punktowo potwierdzić założenie interpretacyjne otworem badawczym. Należy przyjąć, że sondowanie CPTU jest procesem, dzięki któremu są dostarczone większe ilości materiału dla konstruktora-projektanta niż sondowanie CPT, co ma znaczenie przy projektowaniu fundamentów budowli o większej skali skomplikowanych rozwiązań. Sondowanie CPT daje bardzo dobry materiał wiedzy o gruncie, na którym projektuje się fundamenty dla prostszych rozwiązań architektonicznych.
 

Zastosowanie sondowań statycznych

Sondowanie statyczne to jedna z najnowocześniejszych metod badania gruntu na świecie. Pozwala ona bardzo precyzyjnie określić parametry gruntów. Badania sondą statyczną nie posiada ograniczeń ze strony rodzaju badanego gruntu. Sondowania można wykonywać w gruntach sypkich, spoistych, organicznych oraz nasypowych, dzięki czemu jest uniwersalnym rodzajem badania gruntu.

Analiza wyników sondowań pozwala także na określenie typu gruntu w podłożu, a w przypadku sondowań CPTU również poziomu zwierciadła wody gruntowej. To, czy charakter poziomu wodonośnego jest naporowy, swobodny i czy pojawia się sączenie, można określić w korelacji z otworem wiertniczym. Aby precyzyjnie i jednoznacznie określić rodzaj gruntu oraz warunki wodne w podłożu i wykonać tzw. korelację lokalną, należy punktowo potwierdzić założenie interpretacyjne otworem badawczym (czyli wykonać wiercenie badawcze).
 

Badanie gruntu sondą cylindryczną, jako kolejna metoda

Badanie polega na określeniu oporu gruntu przy zagłębianiu końcówki sondy w dnie otworu oraz identyfikacji gruntu na podstawie pobieranych próbek o naruszonej strukturze.

Zasadą tego badania jest wbicie w grunt końcówki przez uderzanie młotem o masie 63,5 kg w kowadło lub podbabnik. Wysokość spadania młota wynosi 760 mm. Liczba uderzeń potrzebna do zagłębienia końcówki w grunt na głębokość 300 mm (po 150 mm zagłębieniu pod wpływem własnego ciężaru i wbicia wstępnego) stanowi opór penetracji (N).

Badanie jest stosowane głównie do określenia wytrzymałości i odkształcalności gruntów niespoistych, ale także do wyznaczania rodzaju gruntu i stanu pozostałych rodzajów gruntów.
 

Kategorie geotechniczne – dokumentacja geotechniczna

Opinia geotechniczna (OG)to pierwszy krok przy dokumentowaniu podłoża. Jest ona stosunkowo prostym i tanim opracowaniem, które ocenia przydatność gruntu na potrzeby budownictwa i wskazuje kategorię geotechniczną obiektu. Powinny się w niej znaleźć informacje o poszczególnych warstwach gruntu, ich miąższości, stanie oraz o poziomie wód podziemnych, jak również orientacyjne obliczenia nośności gruntu i ogólne zalecenia co do poziomu posadowienia, stateczności zboczy, konieczności obniżenia poziomu wód gruntowych w trakcie budowy czy potrzeby wzmocnienia podłoża. Sporządza ją geotechnik lub geolog, głównie na podstawie archiwalnych map, przekrojów, kart otworów wiertniczych itp. oraz własnego doświadczenia. Czasem wykonuje się płytkie, kilkumetrowe otwory wiertnicze lub inne badania potrzebne do uszczegółowienia materiałów archiwalnych.

Opinia geotechniczna decyduje o zakresie koniecznych badań oraz szczegółowości dokumentacji. W trakcie badania podłoża, na etapie projektowania, a czasem nawet wykonawstwa, może nastąpić zmiana kategorii geotechnicznej, co wydłuża czas realizacji inwestycji i zwiększa jej koszty.
 

Dokumentacja badań podłoża gruntowego (DBP) zawiera program i charakterystykę zalecanych badań laboratoryjnych i/lub polowych, ich wyniki i analizę. Powinien być w niej opisany model geologiczny podłoża, zawierający informacje o poszczególnych warstwach wraz z ich parametrami ważnymi dla projektanta.
 

Projekt geotechniczny (PG) zawiera prognozę zmian właściwości podłoża gruntowego w czasie, oszacowanie częściowych współczynników bezpieczeństwa i obliczeniowych wartości parametrów geotechnicznych, określenie oddziaływań (obciążeń) od gruntu, przyjęcie modelu geotechnicznego podłoża, obliczenie nośności i odkształcalności podłoża oraz ogólnej stateczności, ustalenie danych niezbędnych do projektu fundamentów, specyfikację badań służących do zapewnienia wymaganej jakości robót, określenie szkodliwości działania wód gruntowych na obiekt budowlany i metod zapobiegania tym zagrożeniom oraz wyznaczenie zakresu monitoringu koniecznego do zapewnienia bezpieczeństwa w trakcie wykonywania i późniejszego użytkowania budynku. W zależności od obiektu poziom szczegółowości PG może się różnić. Wyżej wymienione rodzaje dokumentacji podlegają prawu budowlanemu, ale nie wymagają zatwierdzania przez żaden organ administracji.
 

Najbardziej skomplikowana jest dokumentacja geologiczno-inżynierska (DGI), której wykonanie wymaga wcześniejszego sporządzenia projektu robót geologicznych (PRG). Oba te dokumenty podlegają prawu geologicznemu i górniczemu oraz musi je zatwierdzić odpowiedni dla danej lokalizacji organ administracji geologicznej. Muszą być one opracowane przez geologa z odpowiednimi uprawnieniami.
 

Do przygotowania DGI konieczne jest wykonanie wielu badań laboratoryjnych i terenowych. Procedury administracyjne oraz ogrom badań sprawiają, że jej sporządzenie jest znacznie droższe, długotrwałe i niechętnie wykonywane przez inwestorów. Okazuje się jednak, że solidnie przygotowana DGI, najlepiej we współpracy z doświadczonym geotechnikiem, może ograniczyć koszty i czas realizacji inwestycji (np. wzmocnienia podłoża czy stabilizacji zboczy), a także zwiększyć bezpieczeństwo wykonawstwa i użytkowania obiektów.
 

Obiekty, takie jak np. hale przemysłowe należą do obiektów II lub III kategorii geotechnicznej, dlatego przy ich projektowaniu konieczne jest wykonanie DBG i PG, a jeżeli są one budowane w złożonych lub skomplikowanych warunkach gruntowych – również DGI.
 

Czy badanie geotechniczne gruntu przed budową obiektu ma sens i czy jest to uzasadniony koszt?

Dzięki przeprowadzonemu badaniu podłoża gruntowego uniknie się częstych problemów występujących w trakcie użytkowania obiektu budowlanego: pękających ścian, zapadających się fundamentów itp. Posadowienie budowli na nieznanym gruncie może doprowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń jej konstrukcji.

Jeżeli interesują Was dodatkowe informacje, dotyczące tego tematu, zapraszamy do kontaktu z Rafałem Biernackim: Rafal.Biernacki@warta.pl.