Badania geotechniczne gruntu - na czym polegają? Jakie ryzyko dla inwestycji niesie trudny grunt budowlany?

Z badań technicznych gruntu wielu inwestorów rezygnuje. A to poważny błąd. Grunt budowlany często kryje problemy, które mogą znacząco wpłynąć na koszty budowy, geotechniczne warunki posadowienia, także bezpieczeństwo użytkowania obiektu. Dlatego badania geotechniczne gruntu są tak ważne przy wyborze danego terenu budowlanego.

Spis treści

1. Badania geotechniczne gruntu - najpierw wizja lokalna
2. Opinia geotechniczna od specjalisty
3. Kategorie geotechniczne
4. Badania geotechniczne gruntu - warunki gruntowo-wodne
5. Kategorie geotechniczne obiektu obiektu budowlanego
6. Badania geotechniczne gruntu - dokumentacja podłoża
7. Badania geotechniczne gruntu - na czym polegają?
8. Trudny grunt budowlany
9. Niebezpieczne warunki geotechniczne
10. Badania geotechniczne gruntu - podsumowanie

Czym zazwyczaj kieruje się inwestor, wybierając teren pod wielorodzinne osiedle? Dobra lokalizacja – bliskość lub łatwy dojazd do centrum miasta, spokojna, zielona okolica i cena gruntu to kwestie najczęściej brane pod uwagę. Niewielu inwestorów myśli natomiast o tym, co znajduje się pod ziemią. I to jest błąd.

Badania geotechniczne gruntu - najpierw wizja lokalna

W przypadku gdy inwestycja ma być zlokalizowana w niezagospodarowanym wcześniej miejscu, pierwsze wnioski o warunkach gruntowych można wysnuć, obserwując roślinność na przyszłym placu budowy. Obecność roślin wilgociolubnych, jak łoza, podbiał, rdest, jaskier czy skrzyp polny, świadczy o podmokłym terenie, co oznacza, że w podłożu mogą zalegać grunty nieprzepuszczalne, a poziom wody podziemnej jest płytki. Babka, koniczyna, szczaw czy mak rosną na glebach dobrze przepuszczalnych, zatem w podłożu zapewne znajdują się piaski, a zwierciadło wody podziemnej leży głęboko.

Przed podjęciem decyzji o lokalizacji inwestycji warto porozmawiać z okolicznymi mieszkańcami, m.in. dowiedzieć się, czy ten teren robi się grząski jesienią, czy w okolicy nie tworzą się zapadliska, jaki jest poziom wody w pobliskich studniach i jak się zmienia, a nawet zorientować się, dlaczego nikt tu się jeszcze nie pobudował. Jeśli budowa miałaby być prowadzona w miejscu, gdzie wcześniej stał jakiś obiekt, warto zainteresować się, dlaczego został rozebrany. Możliwe, że ten sam proces, który spowodował zniszczenie poprzedniego budynku, będzie groził również naszej inwestycji.

Opinia geotechniczna od specjalisty

Profesjonalnych badań geotechnicznych gruntu może dokonać geotechnik lub geolog inżynierski. Polskie prawo budowlane nie przewiduje dodatkowych uprawnień do wykonywania prac geotechnicznych, może je zatem prowadzić każdy inżynier budownictwa, niezależnie od doświadczenia i wyuczonej specjalności. Geolog inżynierski z kolei musi posiadać kwalifikacje o odpowiedniej kategorii (VI lub VII), potwierdzone przez Ministra Środowiska. Warto dopilnować, aby osoba wykonująca rozpoznanie i dokumentację podłoża nie była przypadkowa, ale miała doświadczenie i odpowiednią wiedzę. Najlepsze efekty uzyskuje się, gdy geolog i geotechnik pracują w duecie.

Kategorie geotechniczne

Podstawy prawne do wykonywania dokumentacji i badań podłoża znajdują się w prawie budowlanym oraz prawie geologicznym i górniczym. Są to ustawy:

• Prawo budowlane (DzU z 1994 r. nr 89, poz. 414, z późn. zm.) i powiązane rozporządzenia: DzU z 2012 r., poz. 463,
• Prawo geologiczne i górnicze (DzU z 2019 r., poz. 868) i powiązane rozporządzenia: DzU z 2016 r., poz. 2033, DzU z 2011 r. nr 288, poz. 1696, z późn. zm.

Badania geotechniczne gruntu - warunki gruntowo-wodne

Rozpoznanie podłoża budowli oznacza określenie warunków gruntowo-wodnych, występujących w obszarze oddziaływania projektowanego obiektu budowlanego. Należy stwierdzić, jakie grunty zalegają w podłożu, jaki jest ich stan i sposób ułożenia oraz zbadać ich parametry jakościowe. Bardzo ważne informacje dotyczą wód gruntowych, np. na jakiej głębokości się znajdują i w jaki sposób (chemiczny bądź fizyczny) mogą oddziaływać na obiekt w trakcie jego budowy i późniejszejeksploatacji. Trzeba także przewidzieć możliwości występowania dynamicznych procesów geologicznych (np. osuwisk), które mogą zagrozić obiektowi. Efektem badania podłoża jest wykonanie dokumentacji pomagającej projektantowi w:

• wyborze konstrukcji i sposobu posadowienia oraz odpowiednich metod wzmocnienia podłoża i zabezpieczenia przed niekorzystnymi procesami geologicznymi,
• zabezpieczeniu fundamentów i podziemnych kondygnacji przed wodą gruntową,
• opracowaniu technologii robót ziemnych,
• ocenie stateczności zboczy, nasypów i wykopów,
• ocenie oddziaływania obiektu na środowisko.

Zakres prac, jakie trzeba wykonać przy konkretnej inwestycji, zależy od stopnia złożoności warunków gruntowych oraz spodziewanego wpływu inwestycji na otoczenie. Wyróżnia się następujące warunki gruntowe:

• skomplikowane, jeżeli istnieje prawdopodobieństwo występowania trudnych gruntów lub niekorzystnych zjawisk geologicznych albo woda gruntowa znajduje się ponad poziomemprojektowania,
• złożone, jeśli podłoże zbudowane jest ze zróżnicowanych, nieciągłych i zmiennych przestrzennie warstw lub istnieje prawdopodobieństwo występowania gruntów organicznych, słabonośnych bądź nasypów niekontrolowanych albo woda gruntowa znajduje się w poziomie projektowania lub ponad nim,
• proste, gdy podłoże składa się z położonych poziomo grubych warstw gruntów o wystarczającej nośności, a woda gruntowa występuje poniżej poziomu posadowienia.

Kategorie geotechniczne obiektu obiektu budowlanego

W zależności od stopnia skomplikowania warunków gruntowych oraz konstrukcji obiektu budowlanego projektant ustala jego kategorię geotechniczną.

Kategoria I – obejmuje niewielkie obiekty budowlane, o statycznie wyznaczalnym schemacie obliczeniowym, posadawiane w prostych warunkach gruntowych (lub gdy wykonanie wykopu poniżej zwierciadła wody nie będzie trudne), takie jak:

• jedno- i dwukondygnacyjne budynki mieszkalne oraz gospodarcze,
• ściany oporowe i rozparcia wykopów, jeżeli różnica poziomów nie przekracza 2 m,
• wykopy do głębokości 1,2 m i nasypy budowlane do wysokości 3 m.

Kategoria II – należą do niej obiekty budowlane o typowych konstrukcjach i fundamentach, w prostych i złożonych warunkach gruntowych, które wymagają oceny i analizy danych geotechnicznych, takie jak:

• fundamenty bezpośrednie i głębokie (np. palowe),
• konstrukcje oporowe utrzymujące grunt lub wodę, jeżeli różnica poziomów przekracza 2 m,
• wykopy i nasypy inne niż w kategorii pierwszej oraz inne budowle ziemne,
• przyczółki, filary mostowe, nabrzeża,
• systemy kotwiące.

Kategoria III obejmuje:

• wszelkie obiekty budowlane posadawiane w skomplikowanych warunkach gruntowych,
• nietypowe i mogące oddziaływać na środowisko obiekty budowlane, np. rafinerie i obiekty energetyki, zakłady chemiczne, zapory wodne i duże obiekty hydrotechniczne, budowle stoczniowe, skomplikowane budowle morskie lub obiekty, których projekty zawierają nowe, niesprawdzone w krajowej praktyce rozwiązania techniczne lub niemające podstaw w przepisach polskiego prawa,
• obiekty wysokie i wysokościowe (ponad 9 kondygnacji lub ponad 25 m wysokości),
• obiekty, których głębokość posadowienia bezpośredniego przekracza 5 m lub które mają więcej niż jedną kondygnację zagłębioną w gruncie,
• tunele, obiekty infrastruktury krytycznej, zabytkowe i monumentalne.

Przykładowo, jednopiętrowy niepodpiwniczony dom jednorodzinny posadowiony na podłożu gruntowym, w którym do głębokości 10 m występuje glina pochodzenia morenowego, bez przewarstwień gruntów gruboziarnistych, zarówno suchych, jak i nawodnionych, może być przyporządkowany do pierwszej kategorii geotechnicznej. Jeżeli taki sam obiekt miałby być posadowiony na podłożu, w którym np. na głębokości 3 m stwierdzono obecność soczewy torfu lub warstwy miękkoplastycznego iłu, wówczas należałoby go zaliczyć do kategorii drugiej. Jeśli natomiast dom ten miałby stanąć na obszarze szkód górniczych, wtedy – niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych – projektant powinien przypisać ten obiekt do kategorii trzeciej. W zależności od kategorii geotechnicznej konieczne jest wykonanie odpowiedniego zakresu i rodzaju badań polowych oraz laboratoryjnych, a także niezbędnej dokumentacji.

Badania geotechniczne gruntu - dokumentacja podłoża

Pierwszym krokiem przy dokumentowaniu podłoża jest zawsze opinia geotechniczna. Niektórzy inwestorzy wymagają wcześniejszego wykonania innych, specyficznych form dokumentacji (rys. 2).

• Opinia geotechniczna (OG) – to stosunkowo proste (i względnie tanie) opracowanie, które ocenia przydatność gruntu na potrzeby budownictwa i wskazuje kategorię geotechniczną obiektu. W takiej opinii powinny się znaleźć informacje o poszczególnych warstwach gruntu (ich miąższość i opis z podaniem parametrów jakościowych), o poziomie wód podziemnych, a także orientacyjne obliczenia nośności gruntu i ogólne zalecenia dotyczące poziomu posadowienia, stateczności zboczy, konieczności obniżenia poziomu wód gruntowych w trakcie budowy czy wzmocnienia podłoża. Opinię sporządza geotechnik lub geolog, głównie na podstawie dostępnych (archiwalnych) map, przekrojów, kart otworów wiertniczych oraz własnego doświadczenia. Czasami na jej potrzeby wykonywane są płytkie otwory wiertnicze lub inne badania konieczne do uszczegółowienia materiałów archiwalnych.

Opinia geotechniczna determinuje zakres badań do realizacji oraz stopień szczegółowości opracowywanej dokumentacji. W trakcie badania podłoża, na etapie projektowania, a czasem nawet wykonawstwa, może nastąpić zmiana kategorii geotechnicznej, a to oznacza wydłużenie czasu realizacji inwestycji i zwiększenie jej kosztów. Dlatego warto zainwestować w solidne opracowanie OG.

• Dokumentacja badań podłoża gruntowego (DBP) – zawiera program, opis metodyki zalecanych badań laboratoryjnych i/lub polowych, ich wyniki oraz analizę. Powinien znajdować się w niej model geologiczny podłoża, opisujący poszczególne warstwy i ich parametry ważne dla projektanta. Opracowanie to nie podlega procedurom administracyjnym.
• Projekt geotechniczny (PG) – obejmuje z kolei mnóstwo obliczonych parametrów, określających zachowanie gruntu pod wpływem obciążenia obiektem inżynierskim, a także ich zmienność w czasie, częściowe współczynniki bezpieczeństwa oraz ocenę szkodliwości wód podziemnych dla obiektu i metody zapobiegania jej negatywnym skutkom. Poziom szczegółowości PG zależy od rodzaju danego obiektu.

Wymienione powyżej typy dokumentacji podlegają prawu budowlanemu. Nie muszą one być zatwierdzone przez organ administracji.

Do najbardziej skomplikowanych należy dokumentacja geologiczno-inżynierska (DGI), której wykonanie wymaga wcześniejszego sporządzenia projektu robót geologicznych (PRG). Oba te dokumenty podlegają prawu geologicznemu i górniczemu oraz powinny zostać zatwierdzone przez właściwy dla danej lokalizacji organ administracji geologicznej, a także należy je archiwizować w archiwach samorządowych i państwowych. Muszą być sporządzone przez geologa z odpowiednimi uprawnieniami. W celu wykonania DGI konieczne jest przeprowadzenie wielu badań laboratoryjnych i terenowych.

Procedury administracyjne oraz ogrom prac badawczych sprawiają, że przygotowanie dokumentacji geologiczno-inżynierskiej jest znacznie droższe i długotrwałe, a przez to niechętnie wykonywane przez wielu inwestorów. Okazuje się jednak, że solidnie sporządzona DGI, najlepiej we współpracy z doświadczonym geotechnikiem, może ograniczyć koszty i czas realizacji inwestycji (np. wzmocnienia podłoża czy stabilizacji zboczy), a także zwiększyć bezpieczeństwo budowy i użytkowania obiektów. Dla obiektów I kategorii geotechnicznej OG jest opracowaniem wystarczającym do sporządzenia projektu budowlanego. Natomiast dla obiektów II kategorii, czyli większości budynków wielorodzinnych, konieczne jest wykonanie DBP i PG, a jeżeli obiekt taki ma być posadowiony w złożonych, a nie prostych warunkach gruntowych, należy również opracować DGI. Dokumentacja geologiczno-inżynierska jest niezbędna dla wszystkich obiektów III kategorii geotechnicznej, niezależnie od warunków gruntowych.

Badania geotechniczne gruntu - na czym polegają?

Badania polowe, czyli wiercenia, sondowania i badania geofizyczne, wykonuje się w terenie. Absolutnym minimum potrzebnym do najprostszego oszacowania warunków gruntowych jest wykonanie kilku lub kilkunastu wierceń. Ich liczba, rozmieszczenie i głębokość powinny być dostosowane do przewidywanych warunków podłoża oraz do projektowanego obiektu. W polskich realiach zwykle wystarczą wiercenia o głębokości nie większej niż 10 m, lecz jeżeli budynek będzie wysoki, ciężki lub ma zaplanowane podziemne parkingi – muszą być głębsze. W trakcie wierceń można rozpoznać i opisać grunty zalegające w podłożu oraz określić głębokość występowania wody gruntowej. Na tej podstawie wykonuje się przekroje i mapy potrzebne do opracowania dokumentacji.

Do badań laboratoryjnych często pobiera się także próbki gruntu i wody z różnych głębokości. Uzupełnieniem wierceń bywają sondowania (przeprowadzane np. przy użyciu sondy dynamicznej, krzyżakowej, dylatometru lub presjometru), które umożliwiają uzupełnienie wyników wiercenia o parametry jakościowe.

Jednym z nowocześniejszych badań terenowych jest sondowanie statyczne, polegające na wciskaniu w podłoże sondy naszpikowanej czujnikami. Na podstawie informacji z czujników doświadczony geotechnik lub geolog może odczytać wiele istotnych parametrów podłoża. Informacje o podłożu gruntowym pojawiają się również podczas realizacji inwestycji, np. wykonywania wykopów fundamentowych. Dobrze, jeśli w trakcie tych prac na budowie jest obecny geolog lub geotechnik (dozór geologiczny), który może zareagować, gdy w wykopach pojawi się niebezpieczna niespodzianka. Podczas badań laboratoryjnych można określić wiele parametrów gruntu. Najczęściej wykonuje się badania podstawowych cech fizycznych (uziarnienie, wilgotność, granice konsystencji, zagęszczalność, porowatość, wodoprzepuszczalność, zawartość substancji organicznej) i mechanicznych (kąt tarcia wewnętrznego i spójność, moduł ściśliwości). Można je przeprowadzać zgodnie z najnowszymi normami ISO (tzw. Eurokod) lub ze starymi normami PN-B, które wprawdzie formalnie zostały wycofane, lecz są nadal użytkowane, gdyż nie istnieją normy wykonawcze oparte na Eurokodzie.

Trudny grunt budowlany

Tematyka trudnych gruntów wykracza daleko poza zakres tego artykułu. Należy tu jednak wymienić kilka najważniejszych.

• Grunty organiczne – to mieszanina substancji mineralnej oraz organicznej, czyli niecałkowicie rozłożonych szczątków roślinnych. Takie grunty są bardzo niekorzystne dla budownictwa ze względu na swoją porowatość i ściśliwość, mają ogromną zdolność wchłaniania wody, w wyniku czego zwiększają objętość, przy czym jest to proces odwracalny (schnąc, zmniejszają objętość i powodują osiadanie terenu). Grunty organiczne zwykle są nieprzepuszczalne dla wody.
• Lessy – to grunty składające się z ziarenek o wielkości 0,002–0,063 mm, spojonych węglanem wapnia, i o specyficznej strukturze wewnętrznej, która powoduje ich dużą porowatość. Często zachowują się jak miękka skała, a jeśli ulegną zawilgoceniu, ich struktura niszczeje i grunt może osiadać w sposób nagły.
• Grunty spoiste – zbrylają się w stanie wilgotnym, a po wyschnięciu są trudne do rozkruszenia. Problematyczność tych gruntów zależy od składu mineralnego oraz zawartości wody. Niektóre z nich zawierają minerały, które pod wpływem wody mogą nawet dziewięciokrotnie zwiększać swoją objętość. Ich siła podczas pęcznienia może być tak duża, że są w stanie podnieść kilkukondygnacyjny budynek. Dodatkowo rozmieszczenie tych pęczniejących minerałów w warstwie gruntu nie jest równomierne, co powoduje, że teren podnosi się i opada nieregularnie. Wzrost obecności wody w gruntach spoistych natomiast sprawia, że zmienia się ich konsystencja ze zwartej nawet do płynnej, błotnistej, w wyniku czego taki grunt nie jest w stanie przenieść obciążenia budynkiem.

Niebezpieczne warunki geotechniczne

Wiele katastrof budowlanych wiąże się z niewłaściwym lub niedostatecznym rozpoznaniem niebezpieczeństw geologicznych lub też ich zignorowaniem. Poniżej opisano najbardziej niebezpieczne zjawiska.

• Ruchy masowe (nazywane często osuwiskami) – jeżeli obiekt ma być zlokalizowany na stoku lub w malowniczym miejscu u stóp wzgórza, istnieje ryzyko, że grunt lub skały obsuną się pod wpływem obciążenia lub podcięcia zbocza. W takim przypadku konieczne jest obliczenie stateczności zbocza i jego zabezpieczenie, np. kotwami gruntowymi czy siatkami.
• Procesy krasowe – to rozpuszczanie skał węglanowych i gipsowo-solnych przez wody gruntowe. W rezultacie wewnątrz masywu skalnego powstają pustki, które na skutek obciążenia budynkiem mogą się zapaść. Płytko leżące pustki powinny być rozpoznane na etapie badań podłoża (np. badań geofizycznych) lub wykonawstwa i odpowiednio zabezpieczone. Również procesy krasu powierzchniowego, czyli nieregularna, można rzec fantazyjna powierzchnia skał, przykryta młodszymi osadami, może stwarzać niebezpieczeństwo nierównomiernego osiadania.
• Sufozja – to „młodsza siostra” procesów krasowych. Zjawisko to polega na wynoszeniu drobnych ziarenek z gruntu przez płynącą wodę gruntową. Może latami rozwijać się w podłożu, aż do momentu jego zapadnięcia się, a wraz z nim – samochodów czy nawet placów zabaw. Niestety to niedbała działalność inżynierska jest matką większości procesów sufozyjnych w obszarach zurbanizowanych. Ze źle wykonanych studzienek kanalizacyjnych i nieszczelnych rur woda może wypływać pod zwiększonymciśnieniem, tworząc pustki, które z czasem przybierają ogromne rozmiary.
• Deformacje tektoniczne – to zdeformowanie i popękanie skał. Na obszarze płytkiego występowania skał (m.in. w okolicach górskich) należy wyeliminować ryzyko pojawiania się w podłożu uskoków, które mogą ulec odmłodzeniu, czyli uaktywnić się, np. w wyniku obciążenia budowlą.
• Podziemna eksploatacja górnicza – ma ogromny wpływ na obiekty znajdujące się na powierzchni. Lokalizowanie większych budynków mieszkalnych na terenach czynnych górniczo oraz pogórniczych jest ryzykowne, o czym przekonali się mieszkańcy Bytomia, Zabrza czy Rybnika.
• Obszary zaburzone glacitektonicznie – są to miejsca, w których przesuwający się w plejstocenie lodowiec zniszczył swoim ciężarem wcześniejsze osady. Mogą tam występować bardzo zróżnicowane grunty, zalegające w najmniej spodziewany sposób i często zawierające wodę pod zwiększonym ciśnieniem. Na takie grunty napotykano wielokrotnie np. w trakcie budowy warszawskiego metra, co znacząco utrudniło i opóźniło jej ukończenie.

Badania geotechniczne gruntu - podsumowanie

Polskie prawo nie stwarza przyjaznych warunków do solidnego rozpoznania podłoża gruntowego. Projekt geotechniczny, a czasem nawet dokumentację geologiczno-inżynierską, często wykonuje się przed ogłoszeniem przetargu na wykonawstwo. Rozwiązaniem może być praca w systemie „zaprojektuj i wybuduj”, w którym kosztami badań podłoża obciążony jest wykonawca inwestycji, lecz jednocześnie dobre rozpoznanie może przyczynić się do znaczącego zmniejszenia kosztówwzmocnienia podłoża i posadowienia budynków. Mamy wiele takich przykładów na świecie i w Polsce. Niezależnie jednak od systemu najważniejsza jest dobra współpraca między projektantem, geotechnikiem i geologiem oraz odrobina respektu dla procesów geologicznych.