Kategorie geotechniczne gruntu - jakie są i jakie obiekty budowlane obejmują?

Określenie kategorii geotechnicznej, która zależy od rodzaju i wielkości konstrukcji oraz warunków gruntowych, jest jedną z pierwszych decyzji, jakie musi podjąć projektant obiektu budowlanego. Wytyczne można znaleźć w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Wodnej w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych.

Spis treści

1. I kategoria geotechniczna
2. II kategoria geotechniczna
3. III kategoria geotechniczna
4. Uwaga na grunty antropogeniczne
5. Kategorie geotechniczne - dokumentacja geotechniczna

I kategoria geotechniczna

I kategoria geotechniczna obejmuje niewielkie obiekty budowlane o statycznie wyznaczalnym schemacie obliczeniowym, posadawiane w prostych warunkach gruntowych, występujących wtedy, gdy spełnione są poniższe warunki:

• podłoże zbudowane jest z poziomych warstw gruntów jednorodnych i dobrze poznanych,
• grunty niespoiste są co najmniej średnio zagęszczone, a spoiste – co najmniej plastyczne,
• zwierciadło wody gruntowej znajduje się poniżej poziomu posadowienialub można je łatwo obniżyć,
• brak warstw o małej nośności (np. gruntów organicznych), nasypów niekontrolowanych oraz niekorzystnych zjawisk geologicznych.

Tylko w przypadku obiektów pierwszej kategorii projektowanie może opierać się na analizie materiałów archiwalnych, dotychczasowego doświadczenia projektanta i jakościowych badań terenowych obejmujących np. wiercenia lub sondowania dynamiczne, których wynikiem jest profil podłoża określający nazwy i stany fizyczne gruntów w sposób uproszczony. Obiekty, mimo często statycznie wyznaczalnego schematu obliczeniowego, nie kwalifikują się do pierwszej kategorii z uwagi na duże gabaryty. Projektant ma wtedy do wyboru kategorię II lub III.

• Prawidłowe rozpoznanie podłoża gruntowego pod budowę obiektów komercyjnych

II kategoria geotechniczna

II kategoria geotechniczna obejmuje większe obiekty budowlane (niezależnie od schematu obliczeniowego) posadawiane na terenie o prostych lub złożonych warunkach gruntowych. Złożone warunki gruntowe to takie, w których przy braku niekorzystnych zjawisk geologicznych spełniony jest co najmniej jeden z warunków:

• poniżej poziomu posadowienia obiektów występują grunty mineralne zróżnicowane co do rodzaju, miąższości i stanu (czyli o różnym stopniu zagęszczenia i wilgotności),
• przypowierzchniowo występują grunty o małej nośności albo nasypy niekontrolowane,
• zwierciadło wody gruntowej występuje okresowo bądź stale w poziomie posadowienia (dna wykopów) lub powyżej, a odwodnienie jest trudne.

III kategoria geotechniczna

III kategoria geotechniczna obejmuje obiekty:

• nietypowe, niezależnie od stopnia złożoności podłoża, których wykonanie lub użytkowanie może stwarzać poważne zagrożenie dla użytkowników lub znacząco wpływać na środowisko; w przypadku hal przemysłowych są to np. te w rafineriach i obiektach energetyki czy zakładach chemicznych,
• infrastruktury krytycznej,
• których projekty budowlane zawierają nieznajdujące podstaw w przepisach nowe, niesprawdzone w krajowej praktyce rozwiązania techniczne,
• budowlane, posadawiane w skomplikowanych warunkach gruntowych, czyli wtedy, gdy spełniony jest co najmniej jeden z warunków:

– projektowany obiekt zlokalizowany jest na obszarze występowania niekorzystnych zjawisk geologicznych (kras, ruchy masowe,sufozja, deformacje glacitektoniczne, nieciągłości, kurzawki);

– projektowany obiekt zlokalizowany jest na obszarach morskich lub szkód górniczych, a także w dolinach i deltach rzek;

– w podłożu występują grunty ekspansywne (pęczniejące), tiksotropowe lub zapadowe.

W II i III kategorii geotechnicznej, a więc praktycznie zawsze w przypadku hal przemysłowych, zakres badań podłoża musi być rozszerzony o wyniki badań polowych i laboratoryjnych. Zgodnie z Eurokodem 7 niewystarczające jest określenie tylko geologicznego i hydrogeologicznego profilu podłoża z oszacowaniem rodzaju, gęstości i stanu gruntów (stopień plastyczności IL lub wskaźnik konsystencji I_C dla iłów i pyłów, stopień zagęszczenia I_D dla piasków i żwirów).

Należy też oznaczyć wartości mechanicznych parametrów geotechnicznych, takich jak np.:

• efektywny kąt tarcia wewnętrznego φ’,
• efektywna spójność c’,
• wytrzymałość na ścinanie w warunkach bez drenażu cu, moduły sztywności gruntu: E (moduł sprężystości Younga), K (moduł ściśliwości), G (moduł ścinania), M (moduł edometryczny).

Lista parametrów, których wartości należy określić, zależy od modelu konstytutywnego (matematycznego, numerycznego) gruntu, jaki ma być wykorzystywany w obliczeniach projektowych. Przedstawia on zależność między obciążeniem gruntu a jego zachowaniem w wyniku tego obciążenia, tzn. np. między przyłożonym naprężeniem a obserwowanym odkształceniem. Aktualnie wielu projektantów dysponuje specjalistycznym oprogramowaniem geotechnicznym wykorzystującym metodę elementów skończonych (programy MES), w którym mogą wybrać różne modele konstytutywne: od najprostszego, tzw. Coulomba-Mohra, do bardziej zaawansowanych, np. Modified Cam Clay czy Hardening Soil Small. Każdy z nich wymaga innego zestawu parametrów.

Wartości ww. parametrów mechanicznych oznacza się albo bezpośrednio w testach laboratoryjnych albo pośrednio z badań polowych – na podstawie korelacji między wielkościami mierzonymi in situ a parametrami mechanicznymi. Niezbędna jest tu współpraca między geologiem a geotechnikiem oraz projektantem fundamentów.

Jeśli chodzi o badania polowe, standardowym uzupełnieniem klasycznych wierceń i sondowań dynamicznych są dziś sondowania statyczne piezostożkiem CPTU i dylatometrem Marchettiego DMT. Na podstawie wielkości otrzymanych bezpośrednio z badań (np. oporu pod stożkiem czy ciśnienia potrzebnego do wepchnięcia membrany dylatometru w kierunku podłoża) oraz odpowiednich procedur i korelacji można wnioskować o wartościach podstawowych parametrów mechanicznych.

Badania laboratoryjne zleca się w celu doprecyzowania informacji o tych warstwach podłoża, które wpływają na wybór metody posadowienia obiektu czy konieczność wzmocnienia podłoża. Laboratoria geotechniczne zwykle mają w swojej ofercie badania w edometrze i aparacie bezpośredniego ścinania, pozwalające określić wartości parametrów modelu Coulomba-Mohra.

Jeśli projektant zadecyduje o zastosowaniu w obliczeniach bardziej zaawansowanych modeli konstytutywnych, niezbędne okażą się badania w aparacie trójosiowego ściskania, dające zdecydowanie większą kontrolę nad warunkami drenażu i pozwalające obserwować zachowanie gruntu w stanie przed zniszczeniem. Ma to ogromne znaczenie, jeśli inwestor określił szczególne wymagania odnośnie do stanu granicznego użytkowania (np. dopuszczalnych wartości osiadań fundamentów projektowanego obiektu). W przypadkach gdy w zasięgu oddziaływania obiektu w podłożu występuje woda gruntowa, niezbędne będą również badania wodoprzepuszczalności gruntów, a w wielu przypadkach także składu chemicznego wody, gdyż może ona zawierać substancje powodujące korozję zagłębionych w gruncie elementów konstrukcyjnych.

Wykonanie oraz interpretację badań laboratoryjnych i polowych należy powierzyć wykonawcom mającym duże doświadczenie w tym zakresie. Inwestycja w solidne rozpoznanie podłoża gruntowego zawsze się opłaca. Prawidłowe określenie miąższości i zasięgu warstw w podłożu projektowanej hali oraz wartości opisujących je parametrów geotechnicznych znacznie zwiększa prawdopodobieństwo uniknięcia przykrych niespodzianek na etapie realizacji i eksploatacji obiektu, co ma przecież bezpośrednie przełożenie na koszty jego zaprojektowania i wykonania. Oszczędności w postaci ograniczenia liczby punktów badawczych czy doboru tańszych, ale mniej wiarygodnych metod badawczych, mogą być tylko pozorne.

Uwaga na grunty antropogeniczne

Obiekty wielkokubaturowe, np. hale często sytuuje się na terenach poprzemysłowych, gdzie w podłożu gruntowym, oprócz gruntów naturalnych, można znaleźć również antropogeniczne w postaci np. odpadów pobudowlanych i poprzemysłowych (gruz, cegła, żużle, popioły lotne odpady pogórnicze, pohutnicze, poprzeróbcze i inne). Swoista moda na recykling oraz względy ekonomiczne powodują, że stosowane są one zamiast typowych kruszyw do wypełniania lub wyrównywania terenu. Materiały takie wymagają jednak szczególnych metod rozpoznania, ponieważ typowy sprzęt polowy nie nadaje się do badań gruntów antropogenicznych (brak korelacji pozwalających na określenie parametrów geotechnicznych, delikatna konstrukcja końcówek sond nieprzystosowana do wciskania w silnie niejednorodne grunty antropogeniczne itp.). Czasami jedyną metodą jest wzmocnienie takiego podłoża przez ciężkie ubijanie lub jego wymianę.

Konieczność właściwego rozpoznania właściwości gruntów nie ogranicza się tylko do obszaru pod fundamentami, lecz także pod posadzkami hal w strefie między fundamentami. Coraz częściej zdarzają się awarie wynikające z niekorzystnych zjawisk związanych z użyciem w tych miejscach tańszych gruntów antropogenicznych, np. żużli. Jeśli warstwy te są niedostatecznie długo sezonowane przed wbudowaniem, mogą zwiększać swoją objętość na skutek wzrostu nowych kryształów w przestrzeniach międzyziarnowych, a tym samym powodować wyniesienie posadzki i obniżyć walory użytkowe obiektu.

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.

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 posadawiane są w złożonych lub skomplikowanych warunkach gruntowych – również DGI.