Awarie w budownictwie

Transkrypt

1 Awarie w budownictwie ( Materiały szkoleniowe ) Opracował: Piotr Jermołowicz tel p.jermolowicz@wp.pl Warszawa, 16 lutego 2015 r.

2 1. Wstęp. Tematyka związana z budownictwem z racji uwarunkowań jest dziedziną interdyscyplinarną. Łączy w sobie interpretację parametrów fizyko-mechanicznych gruntów zalegających w podłożu, wymiarowanie obiektów, statykę budowli, stateczność ustrojów podpierających jak i stateczność graniczną formowanych skarp. Od projektanta i wykonawcy robót ziemnych, fundamentowych i konstrukcyjnych wymagane jest doświadczenie, znajomość parametrów wybranego typu konstrukcji oraz zakres jego przydatności w określonych specyficznych warunkach terenowych. Jeżeli do tego dodamy jeszcze problem właściwego rozpoznania i interpretacji wyników badań podłoża, odwodnienia wykopów, zabezpieczenia wznoszonych elementów konstrukcji i rusztowań, przestrzegania procedur i receptur, wpływu czynników atmosferycznych, rozpoznania uzbrojenia podziemnego jak i właściwych warunków eksploatacji otrzymujemy układ, w którym wszystkie strony procesu inwestycyjnego powinny być świadome potencjalnych zagrożeń. Stan techniczny i trwałość konstrukcji budowlanej odnosi się zawsze do niezawodności tegoż obiektu w czasie jego realizacji i użytkowania. Wyróżniamy tutaj : stan zerowy, stan surowy, stan początkowy, w którym mieszczą się parametry techniczne i ekonomiczne obiektu nowego, stan użytkowy, po którego przekroczeniu obiekt powinien być poddany zabiegom profilaktycznym, ponieważ w przeciwnym razie wystąpi uznane za niekorzystne pogorszenie parametrów technicznych i ekonomicznych procesu użytkowania, stan graniczny to stan, w którym określone parametry osiągnęły wartości uznane za niedopuszczalne ze względów technicznych, funkcjonalnych i (lub) ekonomicznych; po przekroczeniu stanu granicznego obiekt przestaje być użytkowany na skutek braku fizycznych możliwości funkcjonowania albo w wyniku decyzji użytkowania, stan remontowy, w którym mieszczą się parametry obiektu po naprawie gruntownej (remoncie kapitalnym). Stan graniczny to stan, poza którym konstrukcja przestaje spełniać obliczeniowe wymagania użytkowe (stany graniczne oddzielają stany pożądane od stanów niepożądanych). W 1994 r. po raz pierwszy w Polsce, w akcie rangi ustawowej, została uregulowana sprawa katastrof budowlanych. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (Dz. U. z 2010 r. Nr 243, poz. 1623, z późn. zm.) wprowadziła definicję katastrofy budowlanej, przyjmującą założenie, że zdarzenie musi nosić wszystkie ustawowe znamiona katastrofy budowlanej, aby możliwe było przeprowadzenie postępowania wyjaśniającego zgodnie z przepisami rozdziału 7 ww. ustawy. Katastrofą budowlaną jest niezamierzone, gwałtowne zniszczenie obiektu budowlanego lub jego części, a także konstrukcyjnych elementów rusztowań, elementów urządzeń formujących, ścianek szczelnych i obudowy wykopów art ustawy Prawo budowlane.

3 Ustawodawca określił zbiór obiektów, których zniszczenie może być uznane za katastrofę budowlaną zaliczając do tego zbioru, oprócz obiektów budowlanych, pewne obiekty wykorzystywane podczas realizacji robót budowlanych, takie jak: konstrukcyjne elementy rusztowania, urządzenia formujące, ścianki szczelne, obudowy wykopów. Wymienione obiekty (niestanowiące obiektów budowlanych) zostały włączone do pojęcia katastrofy budowlanej ze względu na ich znaczenie w wykonywaniu robót budowlanych. Są to obiekty wpływające na bezpieczeństwo wykonywanych robót budowlanych oraz jakość tych robót. Uznano, że zagrożenia dla ludzi wykonujących pracę na rusztowaniach i w wykopach nie mogą pozostać poza zakresem zainteresowania odpowiednich służb. Nie jest katastrofą budowlaną: 1. uszkodzenie elementu wbudowanego w obiekt budowlany, nadającego się do naprawy lub wymiany, 2. uszkodzenie lub zniszczenie urządzeń budowlanych związanych z budynkami. 3. awaria instalacji. Ponadto ustawa Prawo budowlane używa pojęć uszkodzenia i awarie, ale ich nie definiuje. W związku z powyższym można opierać się na określeniach podanych przez ITB na potrzeby opinii i ekspertyz: Jako awarię budowlaną rozumiemy zdarzenie, w wyniku którego konstrukcja obiektu uległa uszkodzeniom (np. rysy, pęknięcia, nadmierne ugięcia) lub przemieszczeniom w stopniu utrudniającym lub uniemożliwiającym dalszą bezpieczną eksploatację całości lub fragmentu obiektu. Zagrożenie awaryjne jest to taki stan elementu lub obiektu, w którym zaistniałe uszkodzenia lub inne występujące nieprawidłowości wskazują na możliwość zagrożenia eksploatacji lub bezpieczeństwa konstrukcji, a także obniżenia warunków eksploatacji w przypadku zachowania dotychczasowych wymagań eksploatacji. Analizując Rejestr Katastrof Budowlanych można dokonać podziału awarii i katastrof w sposób następujący: 1. Awarie i katastrofy budowlane w 2009 r. wynikłe z przyczyn błędów ludzkich 15 % 5 % 29 % 1. zły stan techniczny 2. błędy projektowe wadliwe wykonanie 23 % 18 % 4. błędy w trakcie rozbiorki 5. wadliwa eksploatacja 6. inne

4 2. Przyczyny złego projektowania wywołujące awarie i katastrofy w ostatnich 50 latach. 7 % 25 % 15 % 8 % 10 % 12 % 6 % 17 % 1. błędy rachunkowe 2. ndst. stopień wiedzy 3. złe normy i wytyczne 4. złe założenia projektowe 5. źle przyjmowane założenia 6. niedbałość projektantów 7.błędy rysunkowe 8.inne 3. Awarie i katastrofy w ostatnich 50 latach powstałe z powodu złego wykonawstwa 13 % 5 % 15 % 1. odstępstwo od projektu 20 % 18 % 2. ndst. stan wiedzy 3. zła jakość elem. 4. ndst. kwalifikacje 5.niedbałość wykonaw. 16 % 13 % 6. zła jakość połączeń 7. inne Bardzo istotne do zapewnienia trwałości konstrukcji jest stworzenie na wszystkich większych obiektach systemu obserwacji, który pozwalałby ocenić zachowanie się konstrukcji w miarę upływu czasu. Badania te powinny być realizowane przez odpowiednio przygotowane do tego laboratoria. Osoby winne za wystąpienie katastrofy budowlanej podlegają odpowiedzialności zawodowej oraz karnej. Odpowiedzialność zawodowa dotyczy osób pełniących samodzielne funkcje techniczne w budownictwie, które posiadają odpowiednie uprawnienia budowlane i są członkami właściwej okręgowej izby lub zawodowej, tj. projektanta, kierownika budowy (robót), inspektora nadzoru inwestorskiego.

5 2. Przepisy, normy i wytyczne w zakresie projektowania. Projektowanie i wykonawstwo w budownictwie wymagają dogłębnej wiedzy nt. prawa: przepisów, norm związanych, wytycznych lub odpowiednich instrukcji i zaleceń. Pod względem prawnym proces budowy i projektowania reguluje Ustawa z dnia 7 lipca 1994 Prawo budowlane (Dz,U. z 2006 r. nr 156, poz. 1118), zmieniona Ustawą z dnia 27 sierpnia 2009 r. o zmianie ustawy Prawo budowlane oraz Ustawy o gospodarce nieruchomościami (Dz.U. z 2009 r.,nr 161, poz. 1279). Kolejny dokument, którego znajomość jest niezbędna to Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z r. W myśl zawartych tam definicji wszystkie obiekty budowlane są zaliczane do pierwszej, drugiej lub trzeciej kategorii geotechnicznej, w zależności od warunków gruntowych i złożoności konstrukcji. Zwykle dla potrzeb projektowania i wykonawstwa głębokiego wykopu jest niezbędne opracowanie dokumentacji geologiczno-inżynierskiej zgodnie z wymogami Ustawy z dnia r. Prawo geologiczne i górnicze. Należy zwrócić uwagę, że wykonanie takiej dokumentacji, oprócz wiedzy fachowej, wymaga również przestrzegania terminów narzuconych przez ustawodawcę. Projekt prac (powinno być: robót) geologicznych (np. rozmieszczenie i liczba otworów wiertniczych), opracowany zgodnie ze szczegółowymi wymaganiami zawartymi w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2011 r. w sprawie dokumentacji hydrogeologicznej i dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. Przed rozpoczęciem robót budowlanych należy na podstawie dokumentacji geotechnicznej ocenić położenie wód gruntowych w stosunku do projektowanego dna wykopu i podjąć decyzję o sposobie realizacji prac, w tym konieczności odwadniania gruntów. Jeżeli zasięg leja depresji będzie wykraczać poza granice działki, na której będzie prowadzony wykop, wówczas należy uzyskać pozwolenie wodnoprawne zgodnie z wymaganiami Ustawy Prawo wodne (D.U. z 2012 r. poz.145). Według wytycznych ITB 427/2007,, Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych część A Roboty ziemne i konstrukcyjne wszystkie rodzaje wykopów powinny być wykonane na podstawie dokumentacji projektowej. W dokumentacji tej do właściwego zaprojektowania i bezpiecznego wykonania wykopu, oprócz informacji o warunkach gruntowo-wodnych są potrzebne dane dotyczące infrastruktury podziemnej oraz obiektów (budynków, dróg) sąsiadujących z wykopem. Niezbędne jest także uzyskanie informacji o możliwości występowania w miejscu wykopu zabytków archeologicznych lub gruntów skażonych. W projekcie należy wówczas przestrzegać przepisów ochrony środowiska. Zakres projektu budowlanego powinien być zgodny z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego z 3 lipca 2003 r. (Dz.U. z 2003 r., nr 120, poz. 1133), zmienionym Rozporządzeniem z 6 listopada 2008 r. (Dz.U. z 2008 r., nr 201, poz. 1239).

6 Do tego dochodzi jeszcze znajomość przepisów dotyczących poszczególnych branż, tj: Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie i Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Natomiast całość spraw dotyczących bhp w zakresie omawianym obejmuje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 lutego 2003 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy podczas wykonywania robot budowlanych (DzU z 2003 r., nr 47, poz. 401). 3. Dokumentowanie geotechniczne i geologiczno-inżynierskie. Wszystkie ostatnio dokonane działania związane ze zmianami legislacyjnymi w zakresie geotechniki, podporządkowane są dążeniu do pełnej zgodności stanu polskiego prawa z Eurokodem 7. Należy podkreślić, że Ustawa Prawo budowlane w art. 4, ust 3, pkt 4 już wcześniej definiowała zawartość projektu budowlanego, wprowadzając pojęcie geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych jako integralnej części projektu architektoniczno-budowlanego. Począwszy od 2011 r. regulacjom prawnym poddano praktycznie cały proces rozpoznania podłoża i przygotowania inwestycji na podstawie projektowania geotechnicznego wyznaczając odpowiednie grupy zawodowe odpowiedzialne za poszczególne fazy i etapy procesu inwestycyjnego. Geotechniczna ocena warunków posadowienia stanowi integralną część projektu budowlanego, służącą do właściwego i bezpiecznego zaprojektowania obiektu na podstawie przeprowadzonego rozpoznania podłoża. Jest ona ustalana na podstawie wszystkich dostępnych danych geologicznych i geotechnicznych, obejmując : - określenie kategorii geotechnicznej budowli lub jej fragmentów, - zestawienie informacji i danych liczbowych właściwości gruntów, - zestawienie wartości charakterystycznych i obliczeniowych parametrów geotechnicznych gruntów w podłożu i w bezpośrednim otoczeniu obiektu. Warunki posadowienia powinny zawierać zalecenia konstrukcyjne, dotyczące: - wykonawstwa robót ziemnych i fundamentowych, - prognozy współoddziaływania konstrukcji z podłożem, - zachowania się podłoża w czasie budowy i eksploatacji, - danych koniecznych do ochrony gruntów i wód gruntowych przed zanieczyszczeniem. Ocena geotechnicznych warunków posadowienia może być zawarta w jednej z form opracowania: - opinii geotechnicznej, gdy jest dostępne wystarczające rozpoznanie podłoża, - opinii geotechnicznej z uzupełniającymi badaniami (bez robót geologicznych), jeżeli dostępne rozpoznanie podłoża nie jest wystarczające, - projektu geotechniczno - konstrukcyjnego stanowiącego część projektu budowlanego.

7 Zgodnie z zapisami Rozporządzenia MTB i GM w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z dn. 25 kwietnia 2012 r. (Dz. U z 2012 r. poz. 463), dla obiektów budowlanych wymagających wykonania robót geologicznych, zaliczonych do III kategorii geotechnicznej oraz w złożonych warunkach gruntowych do II kategorii geotechnicznej, poza dokumentacją geotechniczną należy wykonać dokumentację geologiczno-inżynierską, opracowaną według odrębnych przepisów. Istotnym zadaniem jest określenie wartości parametrów geotechnicznych (charakterystycznych i obliczeniowych) wszystkich warstw podłoża (także nienośnych") z oceną potrzeby redukcji czy modyfikacji tych parametrów w dostosowaniu do konstrukcji i zachowania budowli. Dokumentacja może też zawierać zalecenia rozwiązań konstrukcyjnych lub projekt fundamentów, poparty odpowiednimi analizami obliczeniowymi, oraz prognozę współdziałania konstrukcji z podłożem i jej zachowania w czasie budowy i eksploatacji, ewentualnie wskazówki dotyczące sposobu poprawy lub modyfikacji warunków podłoża oraz wytyczne rozwiązywania problemów geotechnicznych mogących pojawić się w trakcie robót. Zgodnie z 3 ust 1 rozporządzeniem MTB i GM w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z dn. 25 kwietnia 2012 r. zakres czynności przy ustalaniu geotechnicznych warunków posadawiania (w zależności od sytuacji projektowej) obejmuje: kwalifikację obiektu budowlanego do odpowiedniej kategorii geotechnicznej, projektowanie odwodnień budowlanych, barier lub ekranów uszczelniających, ocenę przydatności gruntów na potrzeby wykonywania budowli ziemnych, określenie nośności, przemieszczeń i ogólnej stateczności podłoża gruntowego, ocenę stateczności zboczy, skarp i wykopów i nasypów, ustalenie wzajemnych oddziaływań obiektu budowlanego i podłoża gruntowego, obiektu budowlanego i wód gruntowych, obiektu budowlanego i sąsiadujących z nim innych obiektów budowlanych na różnych etapach budowy i eksploatacji, wybór metody wzmacniania podłoża gruntowego i stabilizacji zboczy, skarp wykopów i nasypów, ocenę stopnia zanieczyszczenia podłoża gruntowego i dobór metody oczyszczenia gruntu. Paragraf 3 ust. 3 rozporządzenia MTB i GM w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z dn. 25 kwietnia 2012 r. określa formy przedstawienia geotechnicznych warunków posadowienia, wprowadzając pojęcia: opinii geotechnicznej, dokumentacji badań podłoża gruntowego i projektu geotechnicznego. Zarówno forma przedstawienia geotechnicznych warunków posadowienia, jak i zakres niezbędnych czynności dla ich określenia uzależnione są od kategorii geotechnicznej obiektu budowlanego ( 3 ust. 2 i 4). Pojęcie kategorii geotechnicznej jest kluczowe w przedmiotowym rozporządzeniu MTB i GM w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z dn. 25 kwietnia 2012 r. Kategorię geotechniczną ustala się w zależności od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, konstrukcji obiektu budowlanego, wartości technicznej i zabytkowej obiektu budowlanego oraz możliwości znaczącego oddziaływania obiektu na środowisko ( 4 ust. 1). W 4 ust. 2 określone zostały warunki gruntowe w

8 zależności od stopnia ich skomplikowania (proste, złożone, skomplikowane), natomiast 4 ust. 3 rozporządzenia MTB i GM w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z dn. 25 kwietnia 2012 r. określa zasady zaliczania obiektów budowlanych do pierwszej, drugiej i trzeciej kategorii geotechnicznej, z uwzględnieniem stopnia skomplikowania warunków gruntowych i pozostałych kryteriów. W zależności od przyjętej kategorii geotechnicznej rozporządzenie MTB i GM w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z dn. 25 kwietnia 2012 r. określa zakres niezbędnych badań geotechnicznych ( 6). Wyniki badań geotechnicznych, zgodnie z uregulowaniami niniejszego rozporządzenia ( 7), sporządza się w formie: opinii geotechnicznej (zdefiniowanej w 8 rozporządzenia) dla wszystkich kategorii geotechnicznych; dokumentacji badań podłoża gruntowego (zdefiniowanej w 9 zgodnej z PN-EN : 2009) dla drugiej i trzeciej kategorii geotechnicznej; projektu geotechnicznego (zdefiniowanego w 10) dla drugiej i trzeciej kategorii geotechnicznej. Ponadto w 7 ust.3 rozporządzenia MTB i GM w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z dn. 25 kwietnia 2012 r. dla obiektów zaliczonych do drugiej kategorii geotechnicznej w złożonych warunkach gruntowych oraz obiektów zaliczonych do trzeciej kategorii geotechnicznej ustawodawca określił konieczność sporządzenia odrębnej dokumentacji geologiczno-inżynierskiej zgodnie z przepisami Ustawy Prawo geologiczne i górnicze z r. Przykłady konstrukcji, które mogą być zaliczone do kategorii I : wykopy powyżej zwierciadła wody lub poniżej, gdy doświadczenia miejscowe wskazują, że wykonanie ich będzie łatwe, posadowienia bezpośrednie obiektów mostowych ze swobodnie podpartymi przęsłami rozpiętości do 15 m w prostych warunkach podłoża, nasypy wysokości do 3 m oraz ściany oporowe i zabezpieczenia wykopów, gdy różnica poziomów nie przekracza 2 m, płytkie wykopy przy układaniu przepustów lub przewodów, rowów odwadniających itp., budynki jedno- lub dwukondygnacyjne o prostej konstrukcji, posadowione na fundamentach bezpośrednich lub na palach. Przykłady konstrukcji, które mogą być zaliczone do kategorii II : typowe posadowienia bezpośrednich i palowych podpór mostowych i budynków o złożonej konstrukcji, ściany oporowe lub inne konstrukcje oporowe, utrzymujące grunt i wodę oraz zabezpieczenia wykopów, gdy różnica poziomów jest większa od 2 m, nasypy budowli ziemnych wysokości ponad 3 m, kotwy gruntowe i podobne systemy, przyczółki i filary mostowe oraz nabrzeża, wykopy i przekopy na zboczach w złożonych warunkach podłoża, tunele w twardych i niespękanych skałach, nieobciążonych wodami naporowymi i nie

9 wymagające szczególnej szczelności, tunele odkrywkowe itp. Przykłady konstrukcji, które mogą być zaliczone do kategorii III : - autostrady i drogi ekspresowe (klasy I i II), - mosty przez rzeki o świetle ponad 100 m lub rozpiętości przęseł powyżej 100 m, - głębokie wykopy poniżej zwierciadła wody, - nietypowe fundamenty głębokie i specjalne, - urządzenia służące do czasowego lub trwałego obniżania poziomu wody gruntowej, wywołujące ryzyko dużych przemieszczeń mas gruntu i zniszczenia konstrukcji, - przekopy i przejścia pod terenami o dużym natężeniu ruchu drogowego, - konstrukcje nabrzeży, - konstrukcje narażone na wstrząsy sejsmiczne lub położone na terenach górniczych kategorii II i wyższych, - konstrukcje posadowione na gruntach pęczniejących i zapadowych, - wykopy prowadzone w trudnych warunkach, zwłaszcza wśród zabudowy, - tunele w skałach miękkich i spękanych, obciążonych wodami naporowymi, wymagające szczelności.

10 4. Znaczenie badań in situ w projektowaniu geotechnicznym i stany graniczne. Przed przystąpieniem do projektowania posadowienia obiektu budowlanego należy zaplanować i dobrze rozpoznać rodzaj i stan podłoża gruntowego, z analizy, którego wyniknie rodzaj i kształt fundamentu bezpośredniego. Przed przystąpieniem do badań należy odbyć wizje lokalne w terenie, zaznajomić się z wynikami wcześniejszych badań na tym terenie, przeanalizować mapy geologiczne, geologiczno-inżynierskie, a także historie rozbudowy na danym terenie. Liczba i głębokość otworów wiertniczych musi być dobrana do oceny przydatności danej lokalizacji dla proponowanej budowli i oceny poziomu dopuszczalnego ryzyka. Badania podłoża powinny obejmować badania polowe, laboratoryjne oraz dodatkowe prace kameralne. Dla stanu budowlanego ustala się wytrzymałość podłoża, która jest definiowana poprzez wytrzymałość na ścinanie bez odpływu wody, c u. Dla stanu końcowego (stan użytkowania) w obliczeniach stateczności stosuje się parametry efektywne gruntu: c, Ø (spójność i kąt tarcia wewnętrznego). Sprawdzenie stateczności ogólnej budowli ziemnych zaliczanych do I i II kategorii geotechnicznej w prostych warunkach gruntowych wymaga określenia między innymi charakterystycznych wartości parametrów wytrzymałości na ścinanie wyróżnionych warstw gruntowych. Ustalenia wartości takich parametrów geotechnicznych dokonuje się na podstawie dostępnych źródeł informacji jakimi mogą być wyniki badań polowych (in situ),

11 wyniki badań laboratoryjnych próbek gruntów, dokumentacje archiwalne, zależności korelacyjne podane w normach i dane literaturowe. W dotychczasowej praktyce projektowej, dla omawianych przypadków budowli ziemnych, i nie tylko wykorzystywano niemal powszechnie zależności korelacyjne podane w normie PN-81/B-03020, przy czym dotyczyły one całkowitych parametrów wytrzymałości gruntu na ścinanie wg hipotezy Coulomba - Mohra oznaczonych symbolami φ u - kąt tarcia wewn. i c u spójność. Parametry te można stosować w analizach stateczności dla warstw występujących powyżej zwierciadła wód gruntowych w których ciśnienie wody w porach gruntu jest pomijalne. Obecnie w zalecanych metodach obliczeniowych,wymaga się wprowadzenia wartości efektywnego kąta tarcia wewnętrznego φ i efektywnej spójności c' odnoszących się do wytrzymałości szkieletu gruntowego. Na rysunkach 1 i 2 podano propozycję sposobu ustalenia wyprowadzonych wartości i efektywnych parametrów wytrzymałości opracowaną na podstawie danych literaturowych w formie podobnych zależności korelacyjnych jak ma to miejsce w normie przy czym uwzględniono nową klasyfikację nazw i stanów gruntu według standardu ISO. Rys.1. Rekomendowane wartości charakterystyczne parametrów wytrzymałości na ścinanie gruntów gruboziarnistych. [22]

12 Rys.2. Rekomendowane wartości charakterystyczne parametrów wytrzymałości na ścinanie gruntów drobnoziarnistych.[22]

13 Tab.1. Frakcje gruntów nieskalistych ( wg PN-86/B-02480) Tab.2. Klasyfikacja gruntów nieskalistych mineralnych wg PN-86/B-02480

14 Tab. 3. Zawartość frakcji, symbole i proponowane polskie nazwy gruntów wg PN-EN ISO Nadziemne i podziemne części konstrukcji inżynierskich wykonywane są z materiałów budowlanych takich jak stal, żelbet lub beton, cegła ceramiczna, drewno. Każdy z tych materiałów posiada wytrzymałość co najmniej parędziesiąt razy większą niż grunt, też będący materiałem budowlanym. Grunt jest materiałem bardzo niejednorodnym, a jego właściwości mają charakter losowy. W tym stanie rzeczy identyfikacja gruntu i określenie jego właściwości dla potrzeb projektowania posadowienia staje się zadaniem bardzo złożonym.

15 Awaryjność sytuacji może wprowadzać również norma PN-EN ISO 14688:2006, która zawiera bardzo dużo niedopowiedzeń, błędów i jest zredagowana w sposób mało czytelny. Istniejąca klasyfikacja wg PN-86/B była i jest prostą i klarowną w naszym układzie glacitektonicznym. Tab. 4. Rodzaje gruntów i odpowiadające im symbole Jak łatwo zauważyć, nie jest możliwe stworzenie klucza ułatwiającego inżynierowi łatwe przejście z nazwy gruntu wg PN na nazwę gruntu wg ISO lub odwrotnie. Główną przyczyną tego stanu są różnice w granicach frakcji w obu klasyfikacjach. Analizując tablicę 4, dochodzimy do wniosku, że nazwa gruntu wg PN ma od 1 5 odpowiedników nazw gruntów wg ISO. Na uwagę zasługuje pospółka gliniasta posiada aż 26 odpowiedników. W tym przypadku wynika to z przyjęcia w klasyfikacji ISO kryterium zawartości frakcji żwirowej > 20 %. Wprowadzając nową klasyfikację gruntów chciano zunifikować ją dla wszystkich krajów UE. Jak się okazało nowa klasyfikacja jest pod każdym względem gorsza od dotychczasowych, jest niespójna i w wielu przypadkach rozbieżna. Zdaniem środowiska inżynierskiego, klasyfikacja ta powinna być wycofana, a w celu osiągnięcia konsensusu w unifikacji należałoby rozważyć ujęcie odmienności poszczególnych krajów i regionów geograficznych ukształtowanych przecież odmiennie w procesach geologicznych.

16 Rys.3. Przekrój geologiczno-inżynierski: a) wykonany na podstawie profili z oznaczeniem gruntów według normy PN-86/B-02480, b) wykonany na podstawie profili z oznaczeniem gruntów według normy PN-EN ISO bez uwzględnienia genezy gruntów, c) wykonany na podstawie profili z oznaczeniem gruntów według normy PN-EN ISO z uwzględnieniem genezy gruntów. Fundament to część obiektu, którego zadaniem jest bezpieczne przekazanie obciążeń z konstrukcji na podłoże gruntowe. W zależności od wielkości przekazywanych obciążeń a także rodzaju i stanu gruntu, posadowienie może być realizowane jako: bezpośrednie gdy obciążenia są nie duże" a parametry wytrzymałościowe (γ, ϭ, c) charakteryzujące przypowierzchniową warstwę gruntu są o dużej wartości,

17 pośrednie jeżeli obciążenia są duże" lub warstwa o potrzebnej nośności zalega na głębokości większej niż 2,0-3,0 m p.p.t. (wymagane jest specjalne zabezpieczenie ścian wykopu). Jednym z podstawowych kryteriów poprawnej pracy fundamentu jest spełnienie warunków stanu granicznego nośności. EC 7 w p wyróżnia następujące stany graniczne: utrata równowagi konstrukcji lub podłoża, rozpatrywanych jako ciało sztywne, gdy wytrzymałość materiałów konstrukcyjnych i gruntu ma znaczenie nieistotne dla zapewnienia nośności (EQU), wewnętrzne zniszczenie albo nadmierne odkształcenie konstrukcji lub jej elementów, gdy wytrzymałość elementów konstrukcyjnych (wykonanych z żelbetu) jest istotna w zapewnieniu nośności (STR), zniszczenie albo nadmierne odkształcenie podłoża, gdy wytrzymałość gruntu lub skały jest decydująca dla zapewnienia nośności (GEO), utrata stateczności konstrukcji albo podłoża spowodowana ciśnieniem wody lub innymi oddziaływaniami pionowymi (UPL), hydrauliczne unoszenie cząstek gruntu spowodowane spadkiem hydraulicznym (HYD). Dla fundamentów bezpośrednich najczęściej zasadniczym kryterium jest stan graniczny (GEO) lub (STR). Kształt i wielkość fundamentu bezpośredniego powiązany jest z kształtem elementu konstrukcji przekazującego obciążenie z konstrukcji. Najpopularniejszą formą posadowienia jest ława fundamentowa przejmująca zazwyczaj obciążenia ze ścian nośnych budynków. Wówczas gdy, nadziemną część budynku stanowi konstrukcja szkieletowa to fundamenty bezpośrednie można zaprojektować w postaci stóp fundamentowych. Przy dużych obciążeniach (głównie skupionych) i gruntach o niskich parametrach wytrzymałościowych stosujemy: ławy szeregowe obciążone rzędem słupów, ruszty fundamentowe stanowiące zespół ław fundamentowych połączonych ze sobą, płyty fundamentowe wówczas gdy wykorzystujemy całą powierzchnię rzutu budynku. W budownictwie mostowym lub przemysłowym konstruujemy fundamenty masywne obciążone dużymi siłami poziomymi lub siłami działającymi w sposób dynamiczny. Istotną cechą fundamentu bezpośredniego jest jego sztywność własna ustalana w relacji do sztywności podłoża, na które przekazuje obciążenie. Biorąc pod uwagę to kryterium, fundamenty dzielimy na sztywne i odkształcalne. Deformacje fundamentów sztywnych w stosunku do deformacji (osiadań) podłoża gruntowego, na które przekazują obciążenia, są znikomo małe i w konsekwencji nie powstają dodatkowe siły wewnętrzne w fundamencie. Odkształcenia fundamentów sprężystych (np. ławy szeregowe pod rząd słupów) skutkują zmianą rozkładu naprężeń na kontakcie gruntpodstawa fundamentu bezpośredniego, a w konsekwencji wywołują dodatkowe siły wewnętrzne. Stopy i ławy fundamentowe traktujemy jako fundamenty sztywne.

18 Norma PN-81/B wymienia dwa stany graniczne: I stan graniczny ze względu na nośność (stateczność) podłoża i II stan graniczny ze względu na przemieszczenia (odkształcenia) podłoża gruntowego konstrukcji. Do I stanu granicznego w normie PN-81/B zaliczono następujące jego rodzaje: wypieranie podłoża przez pojedynczy fundament lub przez całą budowlę, usuwisko albo zsuw fundamentów lub podłoża wraz z budowlą, przesunięcie w poziomie posadowienia fundamentu lub w głębszych warstwach podłoża. Do II stanu granicznego w normie PN-81/B zaliczono: średnie osiadanie fundamentów budowli, przechylenie budowli jako całości lub jej części wydzielonej dylatacjami, wygięcie (ugięcie) budowli jako całości lub jej części między dylatacjami, różnicę osiadania fundamentów. Tab.5. Dopuszczalne wartości przemieszczeń i odkształceń obiektów w fazie eksploatacji wg PN-81/B Lp. Rodzaj budynku s śr [mm] Przechył i u Strzałka ugięcia Względna różnica f 0 [mm] osiadań s/l i * { max }* {θ }* lub { ɷ}* 1 Hale przemysłowe ,003 2 Budynki do 11 kondygnacji naziemnych 70 0, Budynki powyżej 11 kondygnacji 80 0, Budynki smukłe o wysokości >100 m 150 0,001 - s oznacza różnicę osiadań fundamentów[m], których odległość wynosi L i *- w nawiasach { } symbole wg EN :2008

19 Tab.6. Wartości graniczne przemieszczeń i odkształceń w fazie eksploatacji obiektu wg EN :2008 Oznaczenia do tabeli 6: Wytrzymałością gruntu na ścinanie nazywa się opór, jaki stawia grunt naprężeniom stycznym w rozpatrywanym punkcie ośrodka. Opór gruntu τ f działa w tej samej powierzchni co i naprężenie styczne τ, lecz w przeciwnym kierunku. Wartość oporu wyznacza się ze wzoru Coulomba : τ f = Ϭn tgø + c

20 Rys.4. Wytrzymałość gruntu na ścinanie w zależności od wartości naprężeń normalnych Ϭ n oraz Ø i c Rys.5. Rozkład naprężeń przy ścinaniu próbki gruntu w aparacie trójosiowym: schemat naprężeń, b) wyznaczanie Ø i c za pomocą granicznych kół Mohra. Rys.6. Składowe naprężenia efektywnego w badaniu w aparacie trójosiowego ściskania. Jeśli grunt jest całkowicie nasycony wodą i ścinanie odbywa się bez odsączania wody z porów gruntu, to wartość oporu ścinania jest niezależna od całkowitego naprężenia normalnego przyłożonego do gruntu i będzie wynosiła τ = c u. W tym przypadku c u ( tzw. spójność niedrenowana) nie charakteryzuje wewnętrznej właściwości gruntu, a jest oporem tylko ścinania przy stałej jego wilgotności. Tym samym naprężenia efektywne są równoważne naprężeniom całkowitym pomniejszonym o ciśnienie wody w porach.

21 Ich wpływ jest decydujący na właściwości gruntu, a szczególnie na ściśliwość i wytrzymałość. Z tego też powodu naprężenie efektywne Ϭ często nazywane jest naprężeniem międzyziarnowym. Geosyntetyk (GS) Nośność gruntu (GS) (GS) Stateczność ogólna Odkształcenie sprężyste (GS) (GS) (GS) Wyrywanie lub zakotwienie Poprzeczne rozszerzanie Rys.7. Podstawowe problemy związane z posadawianiem nasypów na gruntach słabonośnych. Utrata nośności podłoża pod podstawą nasypu powoduje powstanie pod nim strefy uplastycznienia, w której wystąpił stan graniczny. Za stan graniczny naprężenia w podłożu gruntowym uważa się taki stan, gdy w każdym punkcie obszaru występują naprężenia styczne równe wytrzymałości na ścinanie. Grunt w tym stanie nie może stawiać oporu wzrastającym naprężeniom ścinającym. Wraz ze wzrostem obciążenia zewnętrznego zakres stref uplastycznienia rośnie, co może w końcu doprowadzić do wyparcia gruntu. Stan ten pociąga za sobą przyrost osiadania pod nasypami. Kształt i zakres strefy uplastycznienia nie są dokładnie znane, stąd w zależności od przyjętej teorii lub kryterium mogą być zastosowane różne metody obliczeń obciążeń granicznych. Zanim w podłożu zostaną osiągnięte naprężenia graniczne, co najczęściej kończy się wyparciem gruntu uplastycznionego spod budowli, narasta proces osiadania wskutek ściśliwości i wypierania odkształcalnych warstw. Przyjmuje się, że w przypadku gruntów silnie odkształcalnych zniszczenie podłoża pod nasypem jest podobne do zniszczenia podłoża pod ciągłym fundamentem sztywnym. Stąd bierze się wykorzystywanie schematów Terzaghiego, Prandtla, Meyerhoffa i in. Ry.8. Schemat stref sprężysto-plastycznych w warunkach granicznego stanu naprężeń [30]

22 W praktyce nasypy najczęściej budowane są z gruntów mineralnych niespoistych, które charakteryzują się modułami odkształcenia kilkaset razy większymi od modułów gruntów silnie odkształcalnych ( szczególnie organicznych ). W związku z tym odkształcenia własne nasypów są tak małe w stosunku do odkształceń bardzo ściśliwego podłoża, że wydaje się uzasadnione w pewnych przypadkach traktować nasypy właśnie jak sztywny fundament. W przypadkach występowania bezpośrednio pod fundamentami słabych gruntów spoistych w stanie plastycznym lub namułów organicznych i wykonywania budowli o konstrukcji mało wrażliwej na nierównomierne osiadania, często stosuje się częściową wymianę gruntu na bardziej nośne podłoże z zagęszczonego żwiru lub piasku. Rys.9. Schemat wymiany gruntu słabonośnego, M-namuł, P-piasek, B-warstwa chudego betonu. Głębokość wymiany gruntu określa się poprzez wyznaczenie obciążenia granicznego na podsypkę, a następnie obciążenia dopuszczalnego. Szerokość wymiany należy wyznaczyć według rys. 9. W dnie wykopu należy wykonać warstwę ok. 10 cm z chudego betonu, która umożliwi dobre zagęszczenie podsypki. Zamiast chudego betonu można zastosować geosyntetyk ułożony w dnie wykopu i na skarpach (do połowy wysokości wymiany) w formie zamkniętej poduszki. Grunt nasypowy należy równomiernie zagęszczać do wymaganego wskaźnika zagęszczenia I s 1,0. W przypadku fundamentowania na luźnych i nawodnionych piaskach należy zagęścić je, stosując wibroflotację lub za pomocą kolumn żwirowych. Jest to szczególnie ważne pod fundamentami maszyn wywołujących drgania. Rozstaw kolumn lub wibroflotacji mieści się w granicach 1,5 2,2 m. Nawodnione grunty spoiste lub organiczne konsoliduje się za pomocą pali piaskowych lub syntetycznych drenów pionowych. W przypadku bardziej przepuszczalnych gruntów małospoistych lub spoistych, lecz przewarstwionych piaskiem (co cm), najtańszym sposobem ich wzmocnienia jest prekonsolidacja za pomocą czasowego nadnasypu

23 wywołującego w poziomie posadowienia naprężenia o około 30% większe od projektowanego, co przyspiesza konsolidację podłoża. W praktyce bardzo często mamy do czynienia z układami gruntów uwarstwionych. Najczęściej są to przypadki występowania słabszej warstwy bezpośrednio pod fundamentem, a bardziej wytrzymałych gruntów w głębszych warstwach. Zdarza się również i odwrotnie. W przypadku występowania słabszej warstwy bezpośrednio pod fundamentem (rys. 10 a) należy przy obliczaniu obciążeń granicznych przyjąć, że całe podłoże składa się ze słabego gruntu, co pozwala zapewnić korzystniejsze warunki bezpieczeństwa. Rys. 10. Fundamenty na podłożu uwarstwionym.[30] W przypadku występowania słabszego gruntu nie bezpośrednio pod fundamentem, lecz głębiej (rys.10 b), należy obciążenie graniczne w poziomie posadowienia wyznaczyć z uwzględnieniem rozkładu naprężeń w warstwie nośnego gruntu pod warstwą słabego gruntu: gdzie: c- kohezja gruntu słabszej warstwy, B i L wymiary podstawy fundamentu, γ D ciężar objętościowy gruntu obok fundamentu i powyżej słabszej warstwy D głębokość posadowienia fundamentu poniżej powierzchni terenu, z odległość od spodu fundamentu do stropu słabsze warstwy, γ 1 ciężar objętościowy słabszego gruntu Przykład obliczeniowy: Dane: wymiary fundamentu i grubości warstw według rysunku 10 b. Charakterystyka gruntów: - ponad linią AB piasek drobny, średnio zagęszczony I D = 0,4, - poniżej linii AB namuł (glina pylasta) plastyczny I L = 0,45, - poniżej linii CD glina piaszczysta twardoplastyczna I L = 0,05, - poziom wody gruntowej w poziomie posadowienia.

24 Właściwości fizyko-mechnaiczne gruntów budujących podłoże: piasek γ D = 19 kn/m 3, γ D = 10 kn/m 3, Ø = 30 o namuł γ 1 = 8 kn/m 3, Ø = 6 o, c = 20 kpa glina γ 2 = 11 kn/m 3, Ø = 25 o, c = 70 kpa Należy wyznaczyć obciążenie graniczne w poziomie posadowienia fundamentu. Najsłabszą warstwą w podłożu jest namuł ( do obliczeń przyjmujemy wzór na q gr ) : - dla kąta Ø 6 o wyznaczono współczynniki nośności: N c = 7,5, N q = 1,8, N γ = 0,12, - ciężar objętościowy piasku ponad zw.w.gr.: γ D = 19 kn/m 3, i pod- γ D = 10 kn/m 3, - ciężar objętościowy namułu pod wodą γ 1 = 8 kn/m 3. - głębokość posadowienia poniżej najniższego poziomu terenu D = 2,2m γ D D = 19 x 2,2 = 41,8 kpa. - głębokość stropu namułu poniżej poziomu posadowienia fundamentu: z = 1,1 m stąd: z : B = 1,1 : 3,0 = 0,37; dla L : B = 10 i dla z : B = 0,37 przyjmujemy η = 0,90 q gr = [(1+0,3 0,1) 20 7,5 +19(2,2 + 1,1)1,8 19 2,2+(1 0,2 0,1) 8 3,0 0,12]! ",$ = 253 kpa gdzie: q &'( q +, F F- współczynnik pewności (2 3), zazwyczaj przyjmuje się F = 2, ponieważ grunt w miarę wznoszenia budowli podlega stopniowej konsolidacji, co powoduje wzrost wytrzymałości podłoża. q &'( = 126 kpa Dla mniej ważnych budowli na ściśliwych gruntach naprężenia pionowe pod fundamentami można obliczyć, przyjmując rozkład naprężeń pod kątem 22 o od pionu czyli z nachyleniem 2,5 : 1 (rys.11). Na piaskach i małościśliwych gruntach rozkład naprężeń można przyjmować pod kątem 30 o.

25 Rys. 11. Przybliżony sposób wyznaczenia naprężeń pionowych. [30] Podłoże warstwowe Gdy w podłożu występuje słabsza warstwa geotechniczna na głębokości mniejszej niż 2B poniżej poziomu posadowienia fundamentu, wtedy warunek obliczeniowy przy sprawdzaniu I stanu granicznego Q r m Q f normy PN-81/B należy sprawdzić również w podstawie zastępczego fundamentu cd. wg rys. 12. Rys.12. Konstrukcja fundamentu zastępczego. We wzorach normowych (Z1-1) i (Z1-2) dotyczących obliczeniowej wartości pionowej składowej obciążenia i pionowej składowej obliczeniowego oporu granicznego podłoża gruntowego, należy uwzględnić: - obciążenie - wielkości geometryczne D' min = Dmin + h;

26 - parametry geotechniczne, c (r) u, ρ (r) B dla słabej warstwy, ρ D - średnia gęstość objętościowa gruntu ponad podstawą zastępczego fundamentu, ρ (r) h - średnia gęstość objętościowa gruntu między podstawami fundamentów rzeczywistego i zastępczego [kn/m 3 ] Φ u (r) przy czym: - dla gruntów spoistych - dla gruntów niespoistych. h - zagłębienie stropu słabszej warstwy, mierzone od poziomu posadowienia rzeczywistego fundamentu, m. Dla gruntów słabonośnych nieskonsolidowanych Terzaghi proponuje zmniejszać wartość kąta Ø u i spójności c u o 1/3. Wówczas wzór przybiera postać : q f = 7 8 c un c '+γ D D min N q ' + 0,5γ B BN γ ' gdzie : N c ', N q ', N γ ' współczynniki nośności odczytywane z odpowiednich wykresów, W przypadku gdy kąt tarcia wewnętrznego jest mały ( Ø u 0 ), można posługiwać się wzorem uproszczonym : q f = 5,7 c u + γ D D gdzie : q f - naprężenie graniczne, kpa, c u spójność gruntu słabego, kpa, γ D ciężar objętościowy gruntu znajdującego się między powierzchnią terenu a stropem słabej warstwy, kn/m 3, D - zagłębienie stropu słabej warstwy w stosunku do powierzchni terenu, m.

27 Z przedstawionych przykładów obliczeniowych wynika podstawowy wniosek, że podstawą do wyboru metody posadowienia obiektu w danych warunkach gruntowych jest jego szczegółowe rozpoznanie. Powinno ono spełniać ogólne wymagania ustaw, rozporządzeń i instrukcji oraz uwzględniać w szczególności lokalne warunki i specyficzne niejednokrotnie potrzeby na rzecz wyselekcjonowania metody wzmocnienia. W każdym przypadku należy zwrócić uwagę na : budowę geologiczną i właściwości geotechniczne podłoża, a szczególnie miąższość i rodzaj warstw słabych oraz poziom stropu podłoża nośnego, niejednorodności budowy podłoża i występowanie lokalnych gniazd lub soczewek słabych gruntów, rodzaj i uziarnienie gruntów, parametry geotechniczne, szczególnie słabych warstw mogących ulec zsuwom, prognozowane zmiany właściwości gruntów w wyniku ich wzmocnienia, warunki hydrologiczne: poziomy wód gruntowych, nawierconych i ustabilizowanych, kierunek ich przepływu, prognoza zmian stanów wód gruntowych z bilansem hydrologicznym, właściwości chemiczne, zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych oraz ich agresywność, przeszkody w podłożu mogące utrudnić roboty. Badania powinny wyjaśnić, czy wzmocnienie rzeczywiście jest potrzebne? Jeśli tak, to należy możliwie dokładnie ustalić zakres występowania słabych gruntów, by uniknąć zbędnych robót wzmacniających. Należy pamiętać, że wiercenia i sondowania są zawsze tańsze od samego wzmacniania. Dokładnego rozpoznania wymagają szczególnie warstwy określane zwykle jako nienośne, gdyż ich właściwości fizyko mechaniczne decydują o wyborze zabiegów oraz o ich efektach. Zbadanie warunków gruntowych powinien zapewnić inwestor. Pełne wyniki badań powinny być dostępne dla projektanta i wykonawcy przed sfinalizowaniem warunków kontraktu. Jednak regułą jest, że dane te są dalece niewystarczające tak do projektu, jak i do przygotowania inwestycji. 4.1.Rozbieżność i błędy w rozpoznawaniu podłoży gruntowych. Dlaczego poruszam ten problem? Za dużo jest praktyk w tym zakresie, których źródłem jest powszechność przyzwolenia i rozstrzygania przetargów za 100 % ceny. W programowaniu badań geotechnicznych powinno uwzględniać się zasady: bezpieczeństwo konstrukcji, bezpieczeństwo wykonania i ekonomikę. Typowym zjawiskiem jest to, że inwestor zainteresowany jest głównie bezpieczeństwem ale za najniższą cenę badań geotechnicznych. Ta podstawowa sprzeczność prowadzi często do znacznego ograniczenia badań terenowych i laboratoryjnych, a w konsekwencji do

28 przeszacowania spodziewanych osiadań fundamentów bezpośrednich lub niedoszacowania nośności pali. Fakt ten wynika również ze słabej wiedzy projektantów, często i geotechników o prawidłowościach w doborze odpowiednich technik badań in situ i o różnicowaniu parametrów mechanicznych, które opisują właściwości podłoża gruntowego. Zasadnicze mankamenty wielu dokumentacji geotechnicznych wynikają z błędów popełnianych już na etapie programowania badań oraz przy ich realizacji. Niewłaściwie zaprogramowane badania prowadzą do: ograniczenia do minimum zakresu prac terenowych, co skutkuje nadinterpretacją uzyskanych informacji i przeoczeniami geotechnicznymi, wykonywania dużej liczby płytkich otworów (np. pod fundamenty palowe), rozplanowania otworów na rzucie projektowanych podpór (pominięcie w badaniach terenu poza obrysem fundamentu miejsc ewentualnych podpór tymczasowych), pomijania w badaniach gruntów nienośnych, bez podania szczegółowego opisu i nieustalenia ich parametrów geotechnicznych. Błędy w realizacji badań terenowych dotyczą: niewłaściwego rozmieszczania otworów badawczych (np. co 800 m!), niewłaściwego sposobu wykonania otworów badawczych, wykonywania wierceń bez orurowania, co daje zafałszowany obraz stosunków wodnych i stanu gruntów (zwłaszcza spoistych), kurczowego trzymania się ustalonego umową zakresu robót, co często ogranicza możliwość precyzyjnego określenia zasięgu gruntów słabych (w planie i z głębokością), kończenia wierceń w gruntach nienośnych, co czyni badania nieprzydatnymi do projektowania, bądź prowadzi do znacznego przewymiarowania elementów posadowienia, kończenia wierceń na głębokościach, które pozwalają na obliczenie nośności pojedynczego pala, a nie pozwalają na obliczenie osiadań grup palowych. braku analiz zmiennego położenia zw. wody gruntowej z wielolecia i obliczeń statycznych. Błędy powstałe na etapie badań laboratoryjnych i prac kameralnych wynikają z: wykonywania badań laboratoryjnych, które nie odpowiadają potrzebom norm, niewykonywania badań granicy skurczalności w gruntach w stanie półzwartym, co uniemożliwia właściwe projektowanie według normy, pomijania wyznaczania cech gruntów nienośnych (nasypów, namułów, torfów), co uniemożliwia projektowanie ich wzmacniania oraz obliczanie parć przy projektowaniu zabezpieczeń wykopów, niestosowania zaawansowanych metod badawczych, unikania nowoczesnych metod badań podłoża na rzecz stosowania zależności korelacyjnych; niewłaściwego pobierania i ograniczania liczby próbek do badań laboratoryjnych.

29 Wyniki rozpoznania terenu są podstawą do obliczeń prowadzonych przez osobę, której doświadczenie związane z geologią czy geotechniką nie jest duże i nie ma ona podstaw do podważenia wiarygodności badań. Taki jest ekonomiczny aspekt problemu związanego z rozpoznaniem podłoża. Przesadą byłoby stwierdzenie, że oszczędności, które mogą wystąpić dzięki dobremu rozpoznaniu, są na poziomie kilku tysięcy procent. Jest to wręcz rzadkość. Niemniej jednak regułą jest oszczędność lub przynajmniej pozostawienie kosztów na podobnym poziomie przy jednocześnie bardziej racjonalnym projektowaniu. Dotyczy to zwłaszcza obiektów zaliczonych do wyższej niż pierwsza kategorii geotechnicznych lub posadowionych w złożonych lub skomplikowanych warunkach gruntowych. Przy okazji warto dodać, że niejednokrotnie przeprowadzania rozpoznania podłoża podejmują się osoby, które bądź nie mają w danych warunkach wystarczających kwalifikacji, bądź też nie dysponują odpowiednim sprzętem. Zdarza się przekonywanie projektanta, że proponowane rozpoznanie będzie wystarczające do racjonalnego projektowania. Autor niejednokrotnie zetknął się z badaniami, w których bazą do określenia cech wytrzymałościowych gruntu były tzw. parametry wiodące określone za pomocą wałeczkowania na placu budowy. Przy tym próbki pobrane były z wierceń wykonanych bez użycia rur obsadowych. Oznacza to, że próbki te nie tylko mają naruszoną strukturę, ale często również wilgotność. Podobnie zdarza się, że osoba wykonująca badania gruntu dokumentuje występowanie gruntów oznaczonych symbolem C, chociaż w opracowaniu pisze, że są to gliny pochodzenia lodowcowego, a więc skonsolidowane lub częściej prekonsolidowane. Odrębnym zagadnieniem jest to, że parametry wytrzymałościowe przepisane dokładnie z normy są przeznaczone do projektowania posadowień bezpośrednich. Oczywiście osoba posiadająca pewne doświadczenie jest zwykle w stanie określić rodzaj i wielkość koniecznego zabezpieczenia wykopu również z wykorzystaniem takich parametrów. Coraz częściej też firma wykonawcza we własnym zakresie zleca przeprowadzenie badań laboratoryjnych z wykorzystaniem aparatu trójosiowego. W świetle poczynionych uwag można spróbować powiedzieć coś o przyczynach takiego stanu rzeczy. Pierwszym problemem jest sposób, w jaki praktykuje się w Polsce planowanie rozpoznania warunków gruntowych. Opracowanie programu rozpoznania podłoża leży po stronie projektanta. Zwykle dzieje się to we współpracy z geologiem. Projekt czy program jest później podstawą do sporządzenia dokumentacji geologiczno-inżynierskiej bądź geotechnicznej. I również projektant ponosi koszt wszelkich badań wykonywanych na potrzeby tej dokumentacji. Najczęściej stanowi to część kosztów projektowania i siłą rzeczy projektant jest zainteresowany, aby koszt ten był możliwie najniższy. Ten najniższy koszt rozpoznania warunków geologicznych związany jest niejednokrotnie z pewną ilością założeń upraszczających. Z oczywistych względów założenia te czynione są po stronie bezpiecznej (np. założenie, że glina jest nieskonsolidowana). Efektem jest przerzucenie kosztów na inwestora, ponieważ otrzymuje on konstrukcję przewymiarowaną. Pojawiają się tutaj dwa pytania. Po pierwsze, kto lub co ponosi odpowiedzialność za tą sytuację? I po drugie, jak wyeliminować problem? Niesprawiedliwością byłoby stwierdzenie, że przyczyną jest wyłącznie sposób działania biur projektowych. Kryterium wyboru projektanta jest bardzo często cena, a biura projektów, jako podmioty gospodarcze, zmuszone są dostosować się do realiów rynku. Zdaniem autora jednym z głównych problemów jest przyjęta w Polsce praktyka zlecania badań terenowych w ten

30 sposób, że ich koszt jest częścią kosztów projektowania. Na to nakłada się nieświadomość inwestorów, którzy ze zrozumiałych względów starają się obniżyć koszty inwestycji, a w istocie z reguły je zawyżają. Są też inne czynniki, np. normowa metoda określania parametrów gruntu. W niektórych wypadkach (na szczęście rzadkich) dodatkowy problem stanowi nierzetelność geologów podających parametry gruntu z kapelusza!!! 4.2. Konsekwencje złych badań. Bardzo duża część projektantów opiera się właśnie na tego typu dokumentacjach geotechnicznych. Pozostawianie szczególnie warstw słabych lub nienośnych, przekraczających miąższością 6 i więcej metrów w tabelach zbiorczych bez konkretnych wartości Ø, c, M 0 dyskredytuje projekt i naraża w konsekwencji konstrukcje na awarie lub ich przewymiarowanie. Pod względem prawnym, legislacja w zakresie rozpoznawania podłoża, projektowania i budowy w ostatnich latach usystematyzowała działania poszczególnych grup zawodowych. Zostały też unormowane procedury badawcze i dokumentacyjne. a) Tab.7. Przykłady niekompletnego zestawienia właściwości fizykomechanicznych

31 b) Musimy zdawać sobie sprawę z tego, że obowiązują nas akty prawne jak również to, że grunty słabe lub nienośne podlegają wzmacnianiu. Właściwości fizyko-mechaniczne gruntów słabych przed i po wzmocnieniu są podstawą projektowania, wyboru sposobu wzmocnienia podłoża, zbrojenia podstawy nasypu i ustalania jego optymalnego kształtu poprzecznego. Te same właściwości są rownież niezbędne przy określaniu nośności granicznej zgodnie z normami posadowień bezpośrednich, gdzie używa się modeli sztywno-plastycznych z powierzchnią Coulomba Mohra f(c,ø) lub sprężystoplastycznych z powierzchnią Drukera-Pragera f(e, υ). Przedstawione w nawiasach właściwości gruntów muszą być znane projektantowi przed przyjęciem jakiejkolwiek koncepcji posadowienia. Z kolei, przy określaniu deformacji podłoża gruntowego, trudno wyobrazić sobie pracę projektanta bez parametrów wytrzymałościowych podłoża ( τ f, M 0, M, Ø, c). Przykłady praktyczne: a) naprężenie graniczne dla gruntów słabonośnych i nieskonsolidowanych wg Terzaghiego oblicza się według wzoru: q f = 2 3 c un c '+γ D D min N q ' + 0,5γ B BN γ ' gdzie : N c ', N q ', N γ ' współczynniki nośności odczytywane z odpowiednich wykresów na podstawie kąta tarcia wew., W przypadku gdy kąt tarcia wewnętrznego jest mały ( Ø u 0 ), można posługiwać się wzorem uproszczonym : q f = 5,7 c u + γ D D

32 gdzie : q f - naprężenie graniczne, kpa, c u spójność gruntu słabego, kpa, γ D ciężar objętościowy gruntu znajdującego się między powierzchnią terenu a stropem słabej warstwy, kn/m 3, D - zagłębienie stropu słabej warstwy w stosunku do powierzchni terenu, m. b) wyznaczanie wielkości osiadania: s = σ z h i M 0 Obliczanie naprężeń granicznych i osiadania według podanych wzorów, przy braku parametrów Ø, c, M 0 jest niemożliwe. W takim układzie bez sprawdzenia I i II stanu granicznego żaden projekt nie powinien być opatrzony oświadczeniem projektantów: Na podstawie art. 20 ust.4 ustawy Prawo budowlane z dnia 7 lipca 1994 r. jako Projektant oświadczam iż niniejszy projekt budowlany sporządzony został zgodnie z obowiązującymi przepisami oraz zasadami wiedzy technicznej i jest w stanie kompletnym z punktu widzenia celu, któremu ma służyć. Praktycznie większość realizowanych obiektów nie posiada prawidłowych wyników z badań podłoża. Po pierwsze jest to niezgodne z literą prawa, szczególnie z Rozp. dotyczącym ustalania geotechnicznych warunków posadawiania jak i dbałością o odporność projektowanych i budowanych obiektów. Naruszenie warunków prawnych dyskwalifikuje dany projekt i naraża na odmowę wydania decyzji o pozwoleniu na budowę lub realizacji obiektu. Natomiast zaistnienie awarii lub uszkodzenia naraża uczestników procesu budowlanego na odpowiedzialność prawną i zawodową oraz z tytułu gwarancji i rękojmi. Obecnie zauważa się trend wśród ubezpieczycieli do odchodzenia od udzielonej gwarancji z powodu winy umyślnej. 5. Awarie i uszkodzenia geneza przyczyn. Spotykane najczęściej w praktyce inżynierskiej przyczyny awarii i uszkodzeń w konstrukcjach drogowych można podzielić na następujące grupy: 1. geologiczne budowa geologiczna: bliskość terenów z procesami związanymi ze szkodami górniczymi, występowanie w podłożu rodzimym gruntów słabonośnych, ściśliwych, zwietrzelinowych, zapadowych i wysadzinowych, niekorzystne ułożenie warstw geotechnicznych, np. układ warstw zgodny z pochyleniem i przemieszczeniem skarpy lub stoku naturalnego;

33 2. hydrologiczne i hydrogeologiczne: działalność filtracyjna wód gruntowych, w szczególności przy niewłaściwie zastosowanym odwodnieniu, erozja rzeczna, powierzchniowa, podtopienia, sufozja, przebicia hydrauliczne; 3. wykonawcze: niedbałość i niewiedza zarówno ekip wykonawczych jak i projektantów, błędy wykonawcze, np. wykorzystanie niewłaściwych materiałów przy budowie nasypu, zagęszczanie; 4. eksploatacyjne, konserwatorskie: obciążenia dynamiczne (ruch kołowy, kolejowy), brak odpowiednich remontów konstrukcji, działalność ludzka, np. zmiana warunków wodnych, podkopanie zbocza, obciążenie naziomu. 6. Podstawowe awarie skarp, nasypów i wykopów. Samoczynne ruchy mas gruntu na zboczach i skarpach zwane osuwiskami uważa się za jeden z istotnych procesów w inżynierii geotechnicznej. Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych, następuje w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż dowolnej powierzchni poślizgu. Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie : sił grawitacyjnych pochodzących od ciężaru gruntu i ewentualnej zabudowy, sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt, podniesieniem się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernym zawilgoceniem zbocza. Przyczyny powstawania osuwisk : układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza, rozmycie lub podkopanie zbocza, niekontrolowane dociążenie naziomu, nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych, wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu, napór wody od dołu na górne warstwy gruntu z reguły mało przepuszczalne powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie, nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych co powoduje pęcznienie gruntu a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie, zniszczenie struktury gruntu poprzez rozluźnienie, istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu np. w iłach, drgania wywołane np. ruchem drogowym,

34 sufozja tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez infiltrującą wodę powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów, przebicie hydrauliczne z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy, cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji wody gruntowej co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie, wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu, niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu. Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wyżej wymienionych przyczyn. Na zboczach i skarpach mogą występować następujące rodzaje przemieszczeń mas gruntowych spełzywanie, spływy, obrywanie, zsuwy i osuwiska Problem zabezpieczenia przed osuwiskami można rozpatrywać w dwóch różnych stanach : gdy osuwisko się uaktywniło, osuwisko nie jest aktywne, ale potencjalnie możliwe. W pierwszym przypadku problem jest oczywisty, natomiast w drugim przypadku konieczna jest ocena stanu zagrożenia. Można się posłużyć współczynnikiem stanu równowagi F, obliczanym ze wzoru: F = ΣU! ΣZ! gdzie: U 1 uogólnione siły utrzymujące, wywołane tarciem i spójnością materiału, Z 1 uogólnione siły zsuwające wywołane siłami grawitacji, siłami filtracji oraz obciążeniami zewnętrznymi. Ze względu na postać powierzchni poślizgu można wyróżnić : 1. Przypadki predysponowane budową geologiczną, gdy powierzchnia poślizgu jest w zasadzie ustalona i obliczenia można prowadzić wg tej określonej powierzchni, 2. brak jest predyspozycji, a ze względu na jednorodność gruntów budujących masywy zbocza lub podobieństwa cech wytrzymałościowych gruntów, analizę stateczności prowadzi się metodami, z których oblicza się najniekorzystniejszą kołowo cylindryczną powierzchnię poślizgu. Obliczenie stateczności zboczy i skarp w przypadku możliwości przyjęcia założenia płaskiego stanu odkształceń sprowadza się do sprawdzenia warunku równowagi rzutów sił i przybiera postać nierówności, w której siła utrzymująca (T) powinna być większa od siły zsuwającej (S).

35 Przy ustalaniu stateczności skarpy posługujemy się współczynnikiem stanu równowagi F s. siły utrzymujące F F = siły powodujące osunięcie Rys.13. Stateczność skarpy w gruncie niespoistym bez obciążenia naziomu. W warunkach równowagi granicznej przy β max. możemy zapisać: S = T tgβ max = tgø czyli maksymalny kąt nachylenia skarpy w gruncie niespoistym równy jest kątowi tarcia wewnętrznego gruntu budującego skarpę. W zależności od kąta nachylenia płaszczyzny osłabienia w stosunku do płaszczyzny stoku i kąta tarcia rozpatrywać można różne przypadki. Mechanizmy przemieszczania mas skalnych i zasady obliczeń stateczności w różnych przypadkach budowy geologicznej można uporządkować następująco: 1. jeśli warstwy zapadają się w kierunku zbocza, stateczność zbocza zależy wyłącznie od układów warstwowych i parametrów wytrzymałościowych tych układów; należy niezależnie rozpatrywać stateczność zbocza dla obu układów powierzchni osłabienia zbocza kontaktów warstw i kontaktów szczelin, 2. jeśli warstwy zapadają się w kierunku zbocza, stateczność zbocza zależy wyłącznie od orientacji szczelin poprzecznych i wytrzymałości na ścinanie wzdłuż tych płaszczyzn, 3. mechanizmy zsuwania i obrotu odbywających się łącznie należy rozpatrywać, jak w przypadkach dla gruntów nieskalistych. Przy niezbyt wysokich zboczach, tzn. niedużych wartościach naprężeń normalnych, można założyć, że kąt tarcia wewnętrznego masywu skalnego jest równy kątowi tarcia na płaszczyznach spękań lub płaszczyznach kontaktów warstw. W przypadku ogólnym wartość kąta tarcia wewnętrznego masywu skalnego zależy od : szorstkości szczelin, rozstawu szczelin, ciągłości szczelin, wytrzymałości materiału, z którego zbudowany jest masyw, rozwarcia i wypełnienia szczelin.

36 Wartości kąta tarcia i spójności określa się najczęściej w badaniach bezpośredniego ścinania w terenie lub w laboratorium. Gdy budowa geologiczna nie pozwala na przyjęcie płaskiej powierzchni poślizgu obliczenia należy prowadzić przyjmując wynikający z pomiarów model budowy. W przypadku gruntów spoistych określenie bezpiecznego nachylenia skarp jest trudniejsze: Przykład (wg Z. Wiłun): Wysokość pionowego odcinka: Z nomogramu (Rys.14) dla z i Φ F otrzymuje się x = 15,2 m

37 Rys.14. Nomogram wg Sokołowskiego.[30] Zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 15 na masyw potencjalnego osuwiska w ogólnym przypadku działają trzy siły, a mianowicie: Q wypadkowa sił pochodzących od ciężaru gruntu, od obciążeń zewnętrznych i ciśnienia spływowego, P wypadkowa reakcji podłoża na powierzchni poślizgu, S wypadkowa sił oporu tarcia i spójności, działających wzdłuż powierzchni poślizgu.

38 Rys.15. Uogólnione siły działające na masyw osuwiska [30]. Z analizy stosowanych w praktyce metod obliczeniowych wynika, że każda z nich niezależnie od przyjętego modelu ośrodka gruntowego, mechanizmu osuwiska i sposobu rozwiązania, sprowadza się do wyznaczenia tych sił i określenia wynikającego stąd zapasu bezpieczeństwa w zboczu. Takie podejście daje zadowalające wyniki przy rozwiązywaniu większości problemów inżynierskich, tym niemniej należy liczyć się z przypadkami, w których zastosowanie konwencjonalnych metod obliczeniowych może prowadzić do istotnych błędów i stanowić zagrożenie stateczności zbocza. Specjalnego potraktowania w analizie stateczności zboczy wymaga między innymi, zjawisko postępującego niszczenia zbocza i wpływ drgań sejsmicznych. Postępujące niszczenie może rozwinąć się w zboczach zbudowanych z prekonsolidowanych lub spękanych iłów, jak również w tych zboczach gdzie istnieją powierzchnie osłabienia, będące pozostałością dawnych ruchów osuwiskowych. W takich przypadkach stwierdzono powstawanie osuwisk, mimo to że analiza stateczności wykazała istnienie odpowiedniego zapasu bezpieczeństwa. W zależności od wartości współczynnika F wystąpienie osuwiska można uznać za : bardzo mało prawdopodobne - F > 1,5, mało prawdopodobne - 1,3 F 1,5, prawdopodobne - 1,0 F 1,3, bardzo prawdopodobne - F < 1,0. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że obliczenia wartości współczynnika F są obarczone licznymi błędami począwszy od złego rozpoznania gruntów podłoża, ich właściwości fizyko mechanicznych, zastosowanych współczynników redukcyjnych i materiałowych i przyjętej metody obliczeń kończąc. Wartości współczynników stateczności zboczy i skarp powinny być większe od 1,5. Dla takiej wartości F określa się na etapie projektowania zasięg potencjalnej powierzchni poślizgu na koronie drogi. W zależności od posiadanego oprogramowania i od rodzaju uwzględnianych sił oraz sprawdzanych warunków równowagi stosuje się następujące metody: Feleniusa nie uwzględnia sił między paskami. Wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów, przyjmuje powierzchnię poślizgu kołowo cylindryczną,

39 Bishopa uwzględnia pionowe i poziome oddziaływanie sąsiednich pasków. Również wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów, powierzchnia poślizgu kołowo cylindryczna, Nonveillera - uwzględnia oddziaływania międzypaskowe. Korzysta z warunków równowagi momentów, umożliwia obliczenia przy dowolnej powierzchni poślizgu, Janbu uwzględnia oddziaływania międzypaskowe. Warunek równowagi opiera się na sumie rzutów sił na oś poziomą, umożliwia obliczenia dla dowolnego kształtu powierzchni poślizgu, Morgensterna-Price a w równowadze pojedynczych pasków uwzględnia siły poziome i pionowe. Korzysta z warunków na sumę momentów i sil poziomych, umożliwia obliczenie dla dowolnej powierzchni poślizgu. Barera-Garbera, Spencera korzysta z trzech warunków równowagi. Jest więc pierwszą do końca poprawną pod względem statyki metodą analizy stateczności zboczy, umożliwia obliczenia dowolnej powierzchni poślizgu. Pomijając metodę Felleniusa stosowanie pozostałych metod powinno być co najmniej dublowane dla wyeliminowania nałożenia się różnych błędów i stwierdzenia zbieżności wyników obliczeń. W trakcie wykonywania wykopów o skarpach niepodpartych narażeni jesteśmy na niekorzystnie działające zjawiska geofiltracyjne. W przypadku gdy rozpoznanie podłoża jest przeprowadzone w stopniu niedostatecznym i pominięto zarówno pomiar zwierciadła wody gruntowej nawierconej i ustabilizowanej, w projektach pojawiają się rozwiązania z tzw. błędem systematycznym. W wyniku tego typu działań, późniejsze skarpy wykopów ulegają zsuwom, spływom i deformacjom kształtu. Szczególnie przy przecięciu warstwy wodonośnej. 7. Osuwiska komunikacyjne. Poza osuwiskami naturalnymi występują również osuwiska wywołane zmianami lokalnych warunków gruntowo wodnych, a także błędami technicznymi: zbyt strome pochylenie skarp, zbyt duże podcięcie zboczy, zastosowanie niewłaściwych gruntów do budowy nasypów, niewłaściwe zagęszczenie nasypów, nieodpowiednia technologia wykonywania robót, niewłaściwe odwodnienie.

40 Do najczęstszych przyczyn osuwiskowych w wykopach można zaliczyć : zwiększenie kąta nachylenia skarpy w stosunku do kąta nachylenia zbocza naturalnego i kąta stoku naturalnego jakim charakteryzuje się dany grunt w podłożu, zmniejszenie spójności gruntu na skutek odciążenia, zdjęcia części nadkładu lub dopuszczenia do nadmiernego zawilgocenia, zwiększenie erozji gruntów przez ich odsłonięcie i nie zabezpieczenie przed spływającą wodą, zmianę warunków wodno gruntowych. Tendencje osuwiskowe w nasypach występują przede wszystkim na skutek nie właściwego ich wykonania tj. : minimalizacja robót ziemnych i zajętości terenu zbyt duże pochylenia skarp, zbyt grube warstwy przeznaczone do zagęszczania uniemożliwiają osiągnięcie właściwego stopnia lub wskaźnika zagęszczenia, użycia niewłaściwego gruntu z którego nasyp jest wykonany ( U poniżej 5), niezabezpieczenie skarp przed erozją powierzchniową, nadmierne obciążenie naziomu taborem samochodowym lub kolejowym. Szczególnie charakterystyczne są uszkodzenia takie jak: łukowate pęknięcia nawierzchni dróg i poboczy, lokalne uskoki w nawierzchni bitumicznej, przemieszczenia poziome osi drogi lub toru kolejowego, lokalna zmiana niwelety ( drogowej lub kolejowej). Ocenia się również, że w Karpatach występuje średnio jedno osuwisko na 5 km drogi kołowej i na 10 km linii kolejowej. Zjawisko zsuwu obejmując potężne kompleksy pakietów gruntów i skał sięgające w głąb do 35 m powodują w inwestycjach infrastrukturalnych olbrzymie straty. Należy zauważyć, że szybkość zsuwu w tego typu obiektach jest bardzo różna i można ją porównać do szybkości przemieszczania się lodowców i płynących wód rzecznych Osuwiska w wykopach. Wykonywanie wykopów podczas budowy dróg samochodowych lub linii kolejowych może powodować podcięcia naturalnych stoków. Wiąże się to z kolei z ryzykiem powstania lub uaktywnienia ruchów mas gruntów. W szczególności wykonywanie wykopów powoduje zmiany parametrów i zjawiska opisane wyżej. Skutki wykonywania wykopów w aspekcie zagrożenia osuwiskowego zależą nie tylko od pierwotnej i wtórnej ( po wykonaniu wykopów) konfiguracji terenu, ale także od budowy litologicznej. Niskie wartości kąta tarcia wewnętrznego takich gruntów jak iły, iłołupki z wietrzeliny gliniastej powodują, że trudno jest utrzymać stateczność skarpy nawet przy ich nachyleniu 1 : 3. Podobną uwagę można poczynić w przypadku konsekwentnego uławicenia łupków lub ich podatności na wietrzenie. W wymienionych przypadkach łatwo powstają spływy, obrywy i osuwiska.

41 Generalnie elementy morfologii osuwiskowej ograniczają się do górnej strefy odrywania i dolnej strefy nagromadzenia przemieszczonych gruntów. Koryto osuwiska jest najczęściej tak krótkie, że trudno je wyodrębnić. Zasięg ruchu mas gruntu jest na ogół ograniczony do wykonywanej skarpy. Tylko w wyjątkowych przypadkach zasięg ten może obejmować znaczną część zbocza. Skarpy wykopów otwartych muszą być stateczne przez cały przewidywany okres użytkowania wykopu. Stateczność skarpy należy zapewniać przede wszystkim poprzez wykonanie jej z odpowiednim, bezpiecznym pochyleniem. W przypadkach szczególnego zagrożenia stateczności skarp bezpieczne pochylenie skarp powinno być określone w dokumentacji projektowej. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie BHP do przypadków tych zalicza wykonanie wykopów: w gruncie nawodnionym, w iłach pęczniejących, na terenach osuwiskowych, na terenach o deniwelacji przekraczającej 4 m, gdy teren przy skarpie wykopu może być obciążony w pasie o szerokości równej głębokości wykopu. Przy ustalaniu bezpiecznego pochylenia skarp należy mieć na uwadze: rodzaj gruntów, w których wykonywana będzie skarpa, wielkość przewidywanych obciążeń w sąsiedztwie skarpy, przewidywany czas użytkowania wykopu, skutki ewentualnej utraty stateczności skarpy Osuwiska w nasypach. Osuwiska w nasypach występują na ogół wskutek niewłaściwego ich wykonania. W celu minimalizacji robót ziemnych skarpom nasypów nadaje się duże pochylenia, a w trakcie wykonawstwa nie osiąga się właściwego zagęszczenia. Istotną rolę odgrywa także grunt, z którego nasyp jest wykonany. W nasypach najczęściej spotyka się płytkie spływy oraz osuwiska typu insekwentnego. Występować też mogą zapadliska i osiadania, w tym także z przemieszczeniami bocznymi ( prostopadłe do osi drogi lub torowiska). Ewidentną przyczyną tych deformacji jest mała nośność gruntu i niewłaściwe ich zagęszczenie. Zasięg omawianych osuwisk jest bardzo ograniczony. Obejmuje on strefę od oderwania, rozpoczynającego się na jezdni lub poboczu do podnóża nasypu. Objawem osuwisk występujących w nasypach są niewielkie garby gruntowe, wynikające z przemieszczeń mas gruntu. Brak jest zazwyczaj wyraźnych krawędzi bocznych jęzora. Oddzielny problem stanowią osuwiska powstałe na zboczach, wywołane dociążeniem nasypem. Mogą one powstać nawet na obszarach, na których ruchy mas gruntu nie były wcześniej notowane. Dodać przy tym należy, że wraz z obciążeniem nasypem pojawia się w tym przypadku dynamiczne obciążenie taborem samochodowym lub kolejowym.

42 7.3. Trasy stokowe. Trasy stokowe mogą być usytuowane między innymi na zboczach : górskich, wzniesień morenowych, wąskich dolin rzecznych. Budowa dróg stokowych wiąże się zazwyczaj z wykonywaniem trawersów, które stanowią kombinację wykopów podcinających naturalny stok ( przy okazji odciążając go ) i nasypów (dociążających stok). Budowa tak kształtowanej półki może powodować naruszenie równowagi zboczowej. Prace takie są szczególnie niebezpieczne, gdy trasa przebiega przez tereny osuwiskowe, na których bardzo szybko może dojść do naruszenia stateczności skarp. Dodatkowo sytuację może pogorszyć zmiana warunków wodno gruntowych. Stąd też w przypadku budowy tras stokowych badania geologiczne powinny być prowadzone nie tylko w osi przyszłej drogi, ale także dodatkowo po obydwu jej stronach w celu rozpoznania układu warstw. Wobec powyższego i analizując dostępne opisy awarii i katastrof, występujące osuwiska w budownictwie drogowo kolejowym można podzielić na 5 charakterystycznych grup w zależności od sytuacji, ukształtowania i położenia terenów zagrożonych osuwiskiem: 1. osuwiska położone powyżej korony dróg, czoła osuwiska stykają się z koroną drogi lub zajmują częściowo powierzchnię jezdni, 2. osuwiska występujące poniżej korony dróg, a obszary oderwane osuwiskiem obejmują częściowo lub w całości pas drogowy, 3. osuwiska występujące na stokach położonych powyżej potoków lub rzek, których obszary wpływu obejmują korony dróg, a czoła osuwisk obejmują brzegi, a niekiedy i dna potoków lub rzek, schodzące masy gruntów mogą także blokować odpływ wód i pozwalając tym samym na lokalne podtopienia, 4. osuwiska na terenach położonych powyżej i poniżej konstrukcji drogowej łącznie z ich jezdniami, 5. osuwiska występujące na zboczach położonych poza pasami drogowymi i poza korytami potoków lub rzek, w tych przypadkach osuwiska deformują tereny rolnicze i ekologiczne, budowlane i infrastrukturę podziemną ( gazową, wodną i ściekową) dodatkowo propagując przyczyny i nawadniając głębiej leżące warstwy gruntów. W opisanych przypadkach bezwzględnie należy dokonywać obliczeń współczynnika stateczności, najlepiej kilkoma metodami. W trakcie wykonywania wykopów o skarpach niepodpartych narażeni jesteśmy na niekorzystnie działające zjawiska geofiltracyjne.

43 7.4. Zabezpieczenia przeciwerozyjne. Wody opadowe w postaci intensywnych lub nawalnych deszczy infiltrujące w warstwy obsypki przykrywające geomembrany powodują niejednokrotnie olbrzymie zniszczenia szacowane na poziomie przekraczającym 10 % kosztów robót ziemnych, Stąd bierze się potrzeba wszelkiego rodzaju umocnień i zabezpieczeń. Tradycyjne rodzaje zabezpieczeń przeciwerozyjnych można zestawić następująco: biologiczne zadarnienie skarp, hydroobsiewy, biowłókniny, przestrzenne maty przeciwerozyjne, materace geokomórkowe 8. Utrata stateczności i nośności podłoża. Każda zmiana naprężenia w ośrodku gruntowym wywołuje zmianę jego porowatości. W przypadku mało ściśliwych zagęszczonych piasków można nie brać pod uwagę zmian porowatości wskutek zmiany nacisków, gdyż odkształcenia są małe. Jednak w bardzo ściśliwych gruntach, np. miękkich iłach, namułach, torfach itp. zmiany naprężeń wywołują duże odkształcenia podłoża. W gruntach ściśliwych i podmokłych pory zazwyczaj są całkowicie wypełnione wodą i każda zmiana naprężeń wywołuje zmianę zawartości wody. Proces równoczesnego zmniejszania się zawartości wody i objętości porów w gruncie po zaistnieniu przyrostu naprężeń nazywa się konsolidacją gruntów. Odwrotny proces przyrostu zawartości wody przy jednoczesnym przyroście objętości porów nazywa się pęcznieniem. Grunty ściśliwe mają bardzo małą wodoprzepuszczalność, w związku z czym procesy konsolidacji, pęcznienia lub odprężenia przebiegają w nich bardzo powoli. Powolnemu odkształceniu się tych gruntów towarzyszy po ich obciążeniu zmiana naprężeń efektywnych w szkielecie gruntu i ciśnień w wodzie w porach gruntu. Bezpośrednio po zwiększeniu obciążenia gruntu cały przyrost nacisku przejmuje woda w porach gruntu jako nadciśnienie, a przyrost naprężeń efektywnych jest znikomy. W miarę upływu czasu nadciśnienie w wodzie maleje wskutek odpływu wody poza strefę obciążoną; równolegle następuje przyrost naprężeń efektywnych w szkielecie gruntu. Po zakończeniu procesu konsolidacji ciśnienie w wodzie równe jest ciśnieniu hydrostatycznemu, jakie istniało przed zwiększeniem obciążenia gruntu, a naprężenia efektywne zwiększają się w stosunku do poprzedniego stanu o cały przyrost nacisku na grunt. Zastosowany nacisk ϭ na powierzchnię rozkłada się na przyrost ciśnienia w wodzie u i przyrost ciśnienia w szkielecie gruntowym ϭ jako naprężenia efektywnego: ϭ = u + ϭ

44 Zastosowany nacisk ϭ jest stały, natomiast wartości przyrostu ciśnienia porowego i w szkielecie gruntowym zmieniają się w miarę upływu czasu t w procesie konsolidacji: bezpośrednio po przyłożeniu nacisku: ϭ = 0, a u = ϭ, po zakończeniu konsolidacji : ϭ = ϭ, a u = 0. Wzmocnienie podłoża poprzez konsolidację związane jest ze wzrostem naprężeń efektywnych ( tj. naprężeń przenoszonych przez szkielet gruntowy ). Z tego względu wytrzymałość gruntów organicznych często opisuje się równaniem Coulomba Hvorsleva : τ t = (σ n u (t) ) tgø' + c' (1) gdzie : σ n normalne naprężenie całkowite, u (t) ciśnienie porowe ( przenoszone przez wodę ), Ø - efektywny kąt tarcia wewnętrznego, c' efektywna spójność. Opis wytrzymałości z użyciem naprężeń efektywnych ( σ n u (t) ) dla słabych podłoży, zwłaszcza dla gruntów organicznych jest znacznie utrudniony. Występują bowiem trudności przy prognozowaniu rozkładu ciśnień wody w porach gruntu i wartości efektywnych parametrów wytrzymałościowych oraz kontrolowaniu ciśnienia wody w podłożu podczas budowy nasypu. Z tego względu opis wytrzymałości gruntów organicznych przeprowadza się z użyciem naprężeń całkowitych. Przy szybkim obciążeniu gruntu, gdy σ n = u (t), z równania (1) widać, że : τ f = c u gdzie : c u spójność Przy takim założeniu wartość τ fmax wyznaczona sondą krzyżakową w badaniach terenowych odpowiada spójności c u określonej w aparacie trójosiowym. Wartość wytrzymałości na ścinanie torfów, wyznaczona w terenie sondą krzyżakową zależy między innymi od niejednorodności strukturalnej torfów, wobec czego zaleca się (r) przyjmowanie obliczeniowej wartości τ f τ (r) f = µ τ tmax gdzie : µ = 0,45 dla torfów słabo rozłożonych µ = 0,55 dla torfów średnio rozłożonych τ tmax - wytrzymałość uzyskana z badań sondą krzyżakową. Nośność graniczna słabego podłoża, tym samym stateczność nasypu wg Wiłuna można obliczyć ze wzoru : q f = 5,7 c u + γ h h t lub wg Janbu : q f = 5,55 c u

45 gdzie : c u = τ t wytrzymałość przy szybkim ścinaniu ( bez odpływu ) słabego podłoża, γ h ciężar objętościowy gruntu między rzędną terenu a stropem słabej warstwy, kn/m 3 h t - zagłębienie stropu słabej warstwy od powierzchni terenu. Wiłun zaleca przyjmować globalny współczynnik bezpieczeństwa F = 1,2 1,5. Naprężenia graniczne porównuje się z naprężeniem σ z działającym w stropie słabej warstwy, wyznaczając współczynnik pewności F : F = σ +, σ [ Przy projektowaniu nasypu w końcowej fazie jego budowy w wartości σ z oprócz ciężaru własnego nasypu należy również uwzględnić obciążenie użytkowe. Według Eurokodu 7 dla obciążenia pionowego i nasypu ( B/L 0 ) opór graniczny słabego podłoża (Ø u 0 ) wynosi: q f = 5,14 c u + Dγ D gdzie : D - zagłębienie nasypu poniżej poziomu terenu, m, γ D ciężar objętościowy gruntu w strefie D, kn/m 3. Opór graniczny pod nasypem dla gruntu normalnie skonsolidowanego wg Eurokodu 7 q f = γ D DN q + 0,5Bγ B N γ gdzie : N q, N γ - współczynnik nośności B szerokość podstawy nasypu, m, γ B - ciężar objętościowy słabego gruntu, kn/m 3. Opór graniczny gruntu prekonsolidowanego ( c' 0, Ø' 0 ) według Eurokodu 7 wynosi q f = c' N c +γ D DN q + 0,5Bγ B Nγ W przypadku gdy Ø > 10 o należy stosować wzór : q f = c N c +γ h h t N q + γ b Nγ γ h ciężar objętościowy gruntu między pow. terenu, a stropem słabej warstwy, h t zagłębienie stropu słabej warstwy od pow, terenu, γ ciężar objętościowy gruntu słabej warstwy (z uwzględnieniem wyporu wody) b rzut poziomy skarpy nasypu Wielu specjalistów wyodrębnia z grupy gruntów słabych ( silnie odkształcalnych ), grunty organiczne, w których zjawiska wynikające z ich obciążenia przebiegają w sposób bardziej skomplikowany niż w gruntach mineralnych.

46 Pod wpływem obciążeń podłoże organiczne ulega znacznie większym odkształceniom niż podłoże mineralne. Znacznie większe są również zmiany właściwości fizyko mechanicznych gruntu obciążonego. Badania wykazują kilkakrotny wzrost wytrzymałości gruntów organicznych w procesie konsolidacji. Grunty organiczne wykazują jednak duży spadek wytrzymałości po osiągnięciu stanu granicznego w wyniku propagacji strefy uplastycznienia. Dlatego bardzo ważne jest w ocenie nośności granicznej uwzględnienie takich zjawisk jak wzmocnienia konsolidacyjnego i osłabienia po ścięciu. W przypadku współczynnika F < 1 powinno nastąpić wypieranie słabego gruntu spod nasypu. Gdy dno błota jest w poziomie, wypierane będzie obustronne; gdy dno błota nie jest poziome, następuje wypieranie jednostronne w kierunku większej głębokości. Grunt wypierany spod nasypu powoduje podnoszenie się terenu obok nasypu, co prowadzi do zwiększenia się h t, a więc oczywiście i do pewnego, chociaż nieznacznego zwiększenia się σ gr ; zaleca się tu uwzględnić, że grunt wyparty ponad zwierciadło wody zwiększa ciężar objętościowy o około 10 kn/m 3. Wiłun [30] proponuje w przypadku stwierdzenia, że współczynnik stateczności jest za mały zaprojektować boczne ławy dociskowe u dołu nasypu o szerokości równej miąższości słabej warstwy. 9. Wpływ odwodnienia podłoża na awaryjność wznoszonych obiektów. Jak już wcześniej zauważono, woda w swoim obiegu jest najbardziej agresywnym czynnikiem wywołującym i potęgującym erozyjność gruntu. Erozja jest więc procesem naturalnym, a nasze działania powinny iść w kierunku jej ograniczenia lub wyeliminowania. Filtracja wody powodować może odkształcenia miejscowe obejmujące na ogół niewielkie masy gruntu (przemieszczenia ziaren lub bryłek) oraz zmiany jego stanu i wewnętrznej budowy, głównie składu granulometrycznego. Miejscowe odkształcenia spowodowane filtracją w gruncie można podzielić umownie na sufozję i wyparcie oraz na przebicia hydrauliczne będące rezultatem sufozji lub wyparcia. Sufozją nazywane jest zjawisko przemieszczania się pod wpływem ruchu wody drobnych cząstek gruntu w porach jego szkieletu. Cząstki mogą być przesunięte do innego miejsca w gruncie lub mogą być wyniesione poza jego obszar. W rezultacie sufozji powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość wody. Z kolei woda o większej prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy przebicia hydraulicznego. Sufozja występuje w gruntach sypkich, przede wszystkim różnoziarnistych. W gruntach spoistych sufozja nie występuje, co tłumaczy się małą wielkością porów, przez które nie mogą przecisnąć się oderwane od szkieletu agregaty (bryłki) cząstek ilastych.

47 Wyparcie gruntu jest to zjawisko polegające na przesunięciu wszystkich cząstek pewnej objętości gruntu podłoża w kierunku ruchu wody. Wskutek wyparcia grunt ulega rozluźnieniu, a jego właściwości - pogorszeniu. Wyparcie występuje na ogół w sposób nagły. Przebicie hydrauliczne są to odkształcenia gruntu polegające na utworzeniu się ciągłego przewodu (kanału) w podłożu, wypełnionego wodą lub gruntem o naruszonej strukturze ( w końcowej fazie zjawiska zawiesiną) i łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach, np. kawerny. Zewnętrznym objawem przebicia są kratery (źródła) z gotującą się zawiesiną gruntową. W gruntach sypkich przebicie występuje na ogół w wyniku sufozji, jest to jej końcowy, najgroźniejszy rezultat. W gruntach spoistych przebicie hydrauliczne może mieć przebieg nieco bardziej złożony. W najprostszym przypadku będzie to wyparcie gruntu na niewielkiej przestrzeni i wytworzenie kanału. W innych przypadkach na pewnych uprzywilejowanych kierunkach, wskutek występowania np. znacznego gradientu hydraulicznego, odrywają się bryłki gruntu w miejscu wypływu wody, w następstwie czego tworzy się zagłębienie. W dalszej fazie obserwuje się postępujące w kierunku przeciwnym do ruchu wody rozluźnienie gruntu, mające reologiczny charakter płynięcia objętościowego. W ten sposób tworzy się przewód, w którym grunt jest w stanie miękkoplastycznym lub płynnym. Stąd też, wykopy wykonywane w różnych gruntach, wymagają różnego podejścia na etapie projektowym i wykonawczym. Kilka uwag praktycznych. Na terenie Polski, w przeszłości geologicznej mieliśmy 4 okresy zlodowaceń i odwilży. Doprowadziło to do zdeformowania istniejącego układu warstw geologicznych i powstania zaburzeń podłoża zwanych deformacjami glacitektonicznymi.wiąże się to bezpośrednio z genezą i skonsolidowaniem gruntów. W grupie gruntów spoistych (zgodnie z normą PN-81/B-03020) wydzielono 4 genezy dla gruntów spoistych: A- grunty spoiste morenowe skonsolidowane, B- inne grunty spoiste skonsolidowane oraz grunty spoiste morenowe nieskonsolidowane, C- inne grunty spoiste nieskonsolidowane, D- iły niezależnie od genezy. Grunty gliniaste Zmieniają swoją wytrzymałość głównie wskutek procesów fizycznego i chemicznego wietrzenia, co ujawnia się po wcięciu w podłoże i odsłonięciu go wzdłuż powierzchni skarpy. Proces ten intensyfikuje się, gdy nie wykonano odpowiedniego odprowadzenia wód podziemnych i powierzchniowych. Szczególnie intensywnie występuje wówczas ich odprężenie. Wiązać je należy z odciążeniem glin np. wskutek obniżenia zwierciadła wody. Ogólnie można stwierdzić, że odprężenie związane jest z filtracją wody, gdyż pod wpływem sił hydrodynamicznych występuje zwiększenie porowatości glin. Ujawnia się ono szczególnie w dolnej partii warstwy glin. Ponieważ proces odprężenia związany jest z filtracją wody, najbardziej intensywnie zachodzi on w glinach piaszczystych i pylastych, najmniej

48 intensywnie w glinach bez zawartości frakcji piaszczystych i pylastych. Prędkość odprężenia wzrasta przy tym ze wzrostem spadków hydraulicznych. Bardzo intensywne odprężenie występuje przy spływie wód powierzchniowych po skarpie, gdy woda porowa znajduje się pod działaniem sił kapilarnych. Proces odprężenia intensyfikuje się, gdy składowe naprężenia stycznego zbliżają się do wartości granicznych. Gliny zalegające powyżej zwierciadła wody w przypadku gdy zachodzi ich zawilgocenie, zawsze zmniejszają swoje właściwości wytrzymałościowe wskutek odprężenia, rozpuszczania związków cementujących i utraty napięcia powierzchniowego. Piaski / żwiry Praktycznie nie zmieniają swych własności wytrzymałościowych na ścianie pod wpływem nawodnienia lub odwodnienia. Natomiast ciśnienie hydrodynamiczne może powodować zmniejszenie sił tarcia wewnętrznego tych gruntów, co mylnie bywa utożsamiane z występowaniem kurzawek (tzw. płynny piasek). W rzeczywistości tylko niektóre piaski pylaste i pyły piaszczyste mają sposobność do tworzenia kurzawek. Obniżenie wytrzymałości piasków może wystąpić w wyniku sufozji mechanicznej. Właściwość ta ujawnia się przy wskaźniku różnoziarnistości U > 15 20, a równocześnie spadek hydrauliczny wynosi około 0,5 1,0 a nawet więcej. Takie przypadki dla skarp są mało prawdopodobne z uwagi na małe gradienty hydrauliczne. Z tego powodu procesy sufozyjne przy projektowaniu skarp nie muszą być brane pod uwagę. Ograniczone wymywanie piasków z najdrobniejszymi frakcjami nie przekracza 1 2% i nie jest niebezpieczne dla stateczności skarpy. Gliny Podlegają intensywnemu odprężeniu jedynie w pobliżu powierzchni skarp, gdyż siła odprężenia ujawniająca się w nich nie jest wielka. Odprężenie to powoduje jednakże utratę spójności i przejście w stan płynny, co w efekcie prowadzi do spływów warstwy o grubości cm już przy kącie nachylenia skarpy 18 o 20 o. Gliny piaszczyste i piaski pylaste Posiadają swoją specyfikę, gdyż wokół cząsteczek pyłów wykształca się otoczka dipolowo zorientowanych molekuł silnie związanej wody, co prowadzi do procesów tiksotropowego zwiększenia wytrzymałości. Piaski pylaste w odróżnieniu od piasków drobnych po wyschnięciu tworzą lekko spojone grudki, które po dotknięciu palcem rozsypują się pozostawiając na palcu jasną mączkę. Grunty zalegające poniżej zwierciadła wody podlegają działaniu sił ciśnienia hydrostatycznego (wyporu hydrostatycznego). Jeżeli skarpa jest częściowo podtopiona to ciśnienie hydrostatyczne prowadzi do zmniejszenia ciężaru pryzmy obciążającej spągową część skarpy i w rezultacie do obniżenia jej stateczności Wpływ sił ciśnienia hydrostatycznego sprowadza się do zmniejszenia sił tarcia, dlatego też objawia się to głównie w gruntach posiadających duży kąt tarcia wewnętrznego. Powoduje to, że dopuszczalny kąt nachylenia skarpy w przypadku podtopienia może się różnić o 6 8 od kąta przyjmowanego

49 dla gruntu suchego. Najniekorzystniejsze warunki następują, gdy podtopienie skarpy sięga 0,2 0,3 jej wysokości. Należy także pamiętać, że w przypadku, gruntów o małej porowatości nawet średnie opady mogą już powodować dość znaczne podniesienie się poziomu wody gruntowej. Celowe jest wówczas odprowadzenie wód deszczowych. Ciśnienie hydrostatyczne jest jednym z głównych powodów zsuwów. W przypadku przecięcia warstwy wodonośnej i wypływu wody gruntowej ze skarpy możemy: 1. zmienić kąt nachylenia skarpy na mniejszy, gdyż do siły zsuwającej S dochodzi dodatkowo siła ciśnienia spływowego lub 2. obciążyć podnóże skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. Rys. 16. spadek hydrauliczny i = = sinβ ]^ - do siły zsuwającej S dochodzi dodatkowo siła S ciśnienie spływowe : S = V Ɣ w sinβ max S = V Ɣ w sinβ max przyjmując, że Ɣ = Ɣ w = 10 kn/m 3 S + S = T tgβ max = 0,5 tgø Bardziej złożony przypadek spływu skarpy piaszczystej występuje wówczas, gdy nieprzepuszczalne podłoże jest podcięte.

50 Rys 17. Spływanie piaszczystej skarpy przy podciętym podłożu nieprzepuszczalnym.[ 29 ] Spływ piasku może także powodować deformacje warstwy gliny, przykrywającej piaski niżej leżące. Wypłukanie piasku generuje kolejne etapy erozji poprzez stworzenie nawisu warstwy gruntów spoistych, która z czasem ulega oberwaniu. Rys.18. Spływanie warstw piasku i obsunięcie się warstwy gliniastej. [29 ] 9.1. Drenaże skarp Skarpy wykopów budowlanych trwałych, czyli o przewidywanym okresie użytkowania dłuższym niż 1 rok dla dużych obiektów i z głębokimi fundamentami, powinny być poddane szerokiej analizie wstępnej, dobremu rozpoznaniu podłoża w ich rejonie, prawidłowemu zaprojektowaniu jak i niezbędnemu nadzorowi przy wykonawstwie. Ochrona skarp głębokich wykopów powinna zabezpieczać je przed niszczeniem, utratą stateczności oraz przed utratą narzuconego projektem profilu. Jedną z najbardziej efektywnych metod ochrony skarp jest ich drenaż, stosowany gdy w obrębie skarpy znajduje się poziom wypływu wody podziemnej trwały lub okresowy. Rozróżnia się dwa rodzaje drenażu skarp: 1) drenaże zlokalizowane u podnóża skarpy, oraz 2) drenaże zlokalizowane na całej wysokości skarp.

51 Drenaż składa się z dwóch elementów, tj. pryzmy obciążającej (rys.19) oraz systemów odprowadzenia wody (rys.20). Pryzmę obciążającą daje się na wysokości odcinka wysączania się wody ze skarpy. Pryzmę daje się w przypadku skarp piaszczystych, w których może wystąpić spływanie wierzchniej warstwy. Jeżeli chroniona skarpa wykonana jest ze żwiru i otoczaków, projektowanie pryzmy obciążającej jest zbyteczne. Rys. 19. Oobciążenie podnóża skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. [29 ] Rys.20. Przykłady drenażu stopy skarpy. [29 ] Materiał stosowany na pryzmy obciążające nie wymaga wysokiej jakości, powinien jednak spełniać kryterium:

52 D 10 d 50 < oraz U 5 D 10 średnica miarodajna ziaren obsypki d 50 średnia średnica ziaren gruntów budujących skarpę U wskaźnik różnoziarnistości Innym typem drenażu jest drenaż obejmujący całą wysokość skarpy. Jest to szczególnie ważne, gdy występuje konieczność ochrony antyerozyjnej skarpy związanej ze spływem powierzchniowym wód deszczowych oraz z dużymi wahaniami zwierciadła wody gruntowej. Rys.21. Drenaż na całej wysokości skarpy. [29 ] Rys.22. Przykład drenażu (ostrogi) widok od czoła [29 ] Rys.23. Dreny zabijane. [29 ]

53 Rys.24. Ochrona skarpy przed wodami podwodnymi za pomocą studni pionowych. [29 ] Tylko w przypadkach, gdy istnieje niebezpieczeństwo intensywnej sufozji materiału ziarnistego ze skarpy, pryzmę obciążającą projektuje się jako filtr odwrotny. Filtry odwrotne są to warstwy gruntu o odpowiednio dobranym uziarnieniu zabezpieczające przed szkodliwymi odkształceniami filtracyjnymi. Filtry odwrotne, zwane czasami warstwami ochronnymi, stosowane są np. wokół rur lub pryzm drenażowych, w miejscach ewentualnego wypływu wody na skarpę, między dwoma warstwami gruntów o znacznie różniącym się uziarnieniu lub przy rdzeniach zapór. Obniżenie zwierciadła wody podziemnej powoduje przyrost naprężenia w gruncie, a w rezultacie także wystąpienie osiadania dodatkowego. Zwrócić, należy uwagę na szereg kwestii inżynierskich z tym procesem związanych. Pierwszym z nich jest kwestia przyczyn osiadania gruntów budowlanych wskutek obniżenia poziomu wody podziemnej. Wynikają one mianowicie z ustania działania na osuszonej partii wyporu wody oraz w niektórych przypadkach wzrost ciężaru pochodzącego od wody kapilarnej i błonkowatej. Ten ostatni jest jednakże na ogół mały, rzadko kiedy jest on bowiem większy po odwodnieniu. Wynika to z tego że najczęściej w stopie warstwy wodonośnej zalegają grunty o większej wysokości podnoszenia kapilarnego (h k ) aniżeli na poziomie obniżonego zwierciadła wody, przy czym najczęściej obniżenie wynikające z różnicy ciężaru wody kapilarnej i błonkowatej jest bardzo małe. Z tego też względu w obliczeniach jest ono najczęściej pomijane. Drugim problemem jest sufozja gruntu występująca w sąsiedztwie urządzeń odwadniających wskutek występowania dużej prędkości filtracji. Sufozja ma jednakże charakter lokalny, bardzo rzadko obejmuje większą strefę gruntu i w przypadku gdy urządzenia odwadniające (studnie, dreny) są od obiektu oddalone nie powoduje występowania szkodliwych osiadań. Natomiast w przypadku gdy urządzenia odwadniające są zbliżone do obiektu budowlanego, sufozją może w sposób istotny wpływać na jego osiadanie. Trzecim zagadnieniem wiążącym się z prognozą osiadania wywołanego przez obniżenie zwierciadła wody jest przewidywanie ich przebiegu w czasie. Można tu wyróżnić dwa odrębne zjawiska. Po pierwsze depresja w otoczeniu urządzeń odwadniających zmienia się w czasie (rośnie). Przebieg rozwoju leja depresyjnego w czasie zależy od całokształtu warunków hydrogeologicznych jednakże szczególnie należy tu uwypuklić rolę granic obszaru geofiltracji. Istnienie bliskiej granicy z zasilaniem (np. rzeki) prowadzi na ogół do utrwalenia się warunków równowagi i stabilizacji leja. Znaczne oddalenie granic zasilania prowadzi natomiast do powolnego rozprzestrzeniania się i pogłębiania leja depresji w efekcie czego depresja a więc i osiadanie stopniowo narastają.

54 Po drugie, nawet w przypadku osiągnięcia od razu ustalonej depresji w obrębie leja depresyjnego dodatkowe osiadanie nie nastąpi momentalnie lecz będzie rozłożone w czasie. Natomiast przebieg tego osiadania jest diametralnie różny dla gruntów piaszczystych i gruntów gliniastych. W piaskach osiadanie następuje szybko i po osiągnięciu w krótkim czasie swej wartości maksymalnej, przyrostu osiadania nie obserwuje się. Natomiast w glinach początek osiadania jest nieco przesunięty, a przyrosty osiadań obserwuje się długo po zakończeniu procesu przyrostu naprężeń. Czwartym problemem, który należy mieć na uwadze jest możliwość okresowego np. wskutek awarii urządzeń odwadniających podnoszenia się zwierciadła wody podziemnej. W takim przypadku ujawnia się pęcznienie gruntu, prowadzące do zwiększania się objętości gruntu i zmniejszania się jego wytrzymałości. Generalnie można stwierdzić, że prognozowanie osiadań wskutek obniżenia zwierciadła wody jest zagadnieniem trudnym. Rys.25. Nierównomierne osiadanie budynku wskutek odwodnienia [29]. 10. Fundamentowanie. Najbardziej istotnym zagadnieniem dla pracy fundamentów budowli i nawierzchni drogowych są odkształcenia gruntu. Małe odkształcenia podłoża nie powodują nawet minimalnych rys w konstrukcji; duże natomiast, zazwyczaj nierównomierne, kończą się zwykle poważnym uszkodzeniem budowli lub nawierzchni drogowej. Odkształcalność ośrodka gruntowego zależy przede wszystkim od ściśliwości gruntu i rozwoju stref uplastycznienia gruntu pod fundamentem.

55 W związku z powyższym projektowanie posadowień jest zagadnieniem interdyscyplinarnym i powinno przebiegać według poniższego schematu: 1. Przyjęcie schematu obliczeniowego podłoża. 2. Ustalenie głębokości posadowienia. Usytuowanie fundamentu w rzucie ściany, słupa lub obiektu. 3. Wstępne przyjęcie wymiarów podstawy fundamentu. 4. Sprawdzenie, czy spełnione są warunki stanu granicznego nośności podłoża. 5. Sprawdzenie, czy spełnione są warunki stanu granicznego użytkowania budynku lub obiektu. 6. Wymiarowanie elementów konstrukcyjnych fundamentu obciążonych odporem gruntu i obciążeniami przekazywanymi z budowli. 7. Wykonanie rysunków konstrukcyjnych ilustrujących wymiary fundamentu, w przypadku fundamentu żelbetowego także zbrojenie. 8. Opracowanie opisu technicznego informującego o zastosowanej metodzie obliczeń, założeniach konstrukcyjnych oraz sposobie i kolejności wykonawstwa. Na podstawie dokumentacji geologiczno-inżynierskiej należy ustalić profil geotechniczny w miejscu projektowanego fundamentu: podać poziom terenu istniejącego i projektowanego, zaznaczyć rzędne zalegania poszczególnych warstw, wartości parametrów geotechnicznych gruntów w warstwach, podać rzędne poziomów piezometrycznych wód gruntowych nawierconych i ustabilizowanych oraz ich wahania. Dokładna analiza zjawisk związanych z występowaniem wód gruntowych ma podstawowe znaczenie dla poprawnego projektowania i wykonawstwa fundamentów. W nawiązaniu do profilu geotechnicznego należy na schemacie obliczeniowym podłoża zaznaczyć: poziomy posadowienia fundamentów w sąsiedztwie, poziom posadzki w projektowanym obiekcie poziomy ewentualnych kanałów instalacyjnych, mogących mieć wpływ na poziom posadowienia projektowanego fundamentu oraz sposób i zakres obliczeń Ustalenie głębokości posadowienia i usytuowania fundamentu w rzucie wynika z: głębokości przemarzania (gdy w podłożu występują grunty wysadzinowe, tj. takie, które zawierają więcej niż 10% cząstek o średnicy zastępczej mniejszej niż 0,002 mm oraz wszystkie grunty organiczne), głębokości, do której występują zmiany objętościowe (pęcznienie lub kurczenie się gruntu),

56 poziomu posadzki piwnic, kanałów i urządzeń w budownictwie przemysłowym, usytuowania fundamentów sąsiednich konstrukcji, uzbrojenia terenu, przewidywanych w przyszłości zmian konstrukcyjnych, robot ziemnych w sąsiedztwie itp., głębokości rozmycia dna rzeki i podmycia jej brzegów, poziomu wód gruntowych, niekorzystnych zjawisk i procesów geologicznych zachodzących w podłożu (grunty wietrzelinowe, zapadowe, procesy krasowe, osuwiskowe, deformacje górnicze), specjalnych wymagań dotyczących poszczególnych rodzajów budowli i ich konstrukcji (konstrukcje mostowe, ściany oporowe, konstrukcje hydrotechniczne, fundamenty maszyn), wymagań dotyczących warunków eksploatacji obiektów powodujących niekorzystne zjawiska i procesy (np. infiltracja wód lub substancji chemicznych w podłoże gruntowe, filtracja wód pod zaporami, wysuszenie podłoża pod fundamentami kotłów, pieców i urządzeń z gorącym procesem produkcyjnym, zamarzanie podłoża w chłodniach składowych). Wymiary podstawy fundamentu ustala się z zachowaniem następujących założeń i warunków normowych : a) przyjmuje się liniowy rozkład obliczeniowych obciążeń jednostkowych q w poziomie posadowienia. W obliczeniach q należy uwzględniać fakt, że w przypadku gdy wypadkowa obciążeń znajduje się poza rdzeniem przekroju podstawy fundamentu, powstaje szczelina między podłożem i podstawą fundamentu. Oznacza to, że nie mogą wstąpić naprężenia rozciągające między podłożem i podstawą fundamentu.) b) wypadkowa sił od obliczeniowych obciążeń stałych oraz zmiennych długotrwałych nie powinna wychodzić poza rdzeń podstawy fundamentu, c) jeżeli wypadkowa sił od wszystkich obciążeń obliczeniowych stałych i zmiennych działa poza rdzeniem podstawy fundamentu, to - C B/4 (oznaczenia jak na poniższym rysunku). Należy sprawdzić, czy nie występuje możliwość wystąpienia następujących zjawisk: wypierania podłoża spod fundamentu lub budowli,

57 powstania usuwiska lub zsuwu podłoża wraz z budowlą w razie posadowienia budowli w pobliżu krawędzi zbocza lub skarpy, przesunięcia w poziomie posadowienia fundamentu lub w podłożu (gdy warstwa gruntu słabego nie występuje bezpośrednio w poziomie posadowienia), powstania obrotu wokół krawędzi fundamentu lub wzdłuż walcowej powierzchni poślizgu w gruncie. Należy sprawdzić, czy nie przekraczają dopuszczalnych wartości: średnie osiadania fundamentów budowli, przechylenie budowli jako całości lub jej części wydzielonej dylatacjami, różnice osiadań fundamentów. Wymiarowanie elementów konstrukcyjnych polega na: dobraniu materiału (beton, stal, cegła, kamień) sprawdzeniu wstępnie przyjętych wymiarów fundamentu (jego wysokości, wysokości wsporników przy fundamentach schodkowych) z warunków wytrzymałościowych na zginanie, ścinanie i przebicie, obliczeniu wymaganego przekroju zbrojenia w fundamentach żelbetowych. Generalnie projektowanie fundamentów bezpośrednich należy prowadzić przy zachowaniu następującej kolejności działań: 1. Podstawą dobrego projektu posadowienia (właściwe wymiary, głębokość posadowienia, nośność) jest wykonanie badań podłoża gruntowego w odpowiednim zakresie i na wystarczającą głębokość. Dane te pozwolą na sporządzenie przekroju geotechnicznego, dla projektowanych fundamentów, z naniesionymi rzędnymi terenu i poszczególnych warstw gruntu, poziomu zwierciadła wody gruntowej (swobodnego lub napiętego) oraz poziomu terenu po zakończeniu inwestycji. 2. Na przekroju geotechnicznym nanosimy projektowany fundament to znaczy ustalamy głębokość posadowienia, wysokość fundamentu i układ warstw obok fundamentu (posadzka, izolacje, ocieplenie, zasypka). Przy przyjmowaniu głębokości posadowienia należy brać pod uwagę następujące zalecenia: a) fundamenty posadawiamy poniżej strefy przemarzania gruntu. Grunt przemarzający to grunt o zawartości ponad 10% cząstek ilastych i pylastych (średnica 0,002 mm). Tego rodzaju grunty to wszystkie grunty spoiste oraz piaski pylaste, gliniaste i ilaste a także grunty organiczne. b) staramy się posadawiać fundamenty powyżej zwierciadła wody gruntowej aby uniknąć dodatkowych kosztów izolacji ciężkiej, c) przy posadawianiu musimy uwzględnić usytuowanie już istniejących fundamentów sąsiednich budynków i budowli. Nie można posadawiać nowo projektowanych fundamentów poniżej poziomu posadowienia już istniejących, bez uprzedniego wykonania właściwego systemu zabezpieczeń funkcjonujących fundamentów, d) poziom posadowienia powinien uwzględnić specyfikę pracy projektowanego fundamentu takie jak: głębokość rozmycia dna rzeki w przypadku fundamentów podpór

58 mostowych czy zagłębienie poniżej poziomu posadzki fundamentów urządzeń przemysłowych. 3. Dobór wymiarów fundamentu należy prowadzić metodą prób, ponieważ nie da się jej obliczyć, wpisując dane do równania na opór graniczny. Wymiary są właściwe wówczas, gdy zapas nośności nie przekracza 10% oporu granicznego podłoża gruntowego. 4. Sprawdzamy dla przyjętych wymiarów fundamentu warunki stanu granicznego użytkowania (osiadania, odkształcenia) fundamentu lub zespołu fundamentów. 5. Przeprowadzamy wymiarowanie konstrukcyjne fundamentu przez wyznaczenie sił wewnętrznych (momentów zginających) konstrukcję fundamentu. W zależności od klasy betonu i wymiarów fundament może być betonowy lub żelbetowy. Procedura obliczeń wynika z zasad stosowanych w konstrukcjach żelbetowych. 6. Na podstawie przeprowadzonych wyliczeń sporządzamy rysunki konstrukcyjne i opis techniczny. Opis zawiera informację o sposobie wykonywania fundamentu, jego izolacji i połączeniu z konstrukcją nadziemną. Podłoże warstwowe Gdy w podłożu występuje słabsza warstwa geotechniczna na głębokości mniejszej niż 2B poniżej poziomu posadowienia fundamentu, wtedy warunek obliczeniowy przy sprawdzaniu I stanu granicznego Q r m Q f normy PN-81/B należy sprawdzić również w podstawie zastępczego fundamentu cd. (wg rys. 12 ze str. 25) Konstrukcje oporowe. Konstrukcje oporowe mogą występować w szczególności jako: elementy konstrukcji tuneli i przepustów, stanowiące ich głowicę, samodzielne konstrukcje związane z drogą budowane wzdłuż dróg prowadzonych w nasypach lub wykopach lub wzdłuż cieków w celu uformowania przyległych tarasów, po których prowadzona jest droga, elementy konstrukcji obiektów mostowych obramowujących korpus drogi przyczółki mostowe, W zależności od kąta pochylenia skarpy czołowej β konstrukcje oporowe można podzielić na: strome skarpy w których zachodzi β n < β < 70 o, gdzie β n oznacza bezpieczny kąt nachylenia skarpy nasypu niewymagający zbrojenia, ściany oporowe w których zachodzi 70 o < β < 90 o. Ściany oporowe to budowle utrzymujące w stanie statycznym uskok naziomu gruntów rodzimych lub nasypowych, albo innych materiałów rozdrobnionych, które można scharakteryzować parametrami geotechnicznymi. Dla wszystkich rodzajów konstrukcji oporowych w normie PN-EN :2008 zaleca się jako minimum rozpatrzenie następujących stanów granicznych:

59 utrata ogólnej stateczności, zniszczenie elementu konstrukcyjnego (ściana, kotwa, rozpora) lub połączenia między elementami, łączne wyczerpanie oporu podłoża i zniszczenie elementu konstrukcyjnego, zniszczenie spowodowane wypiętrzeniem lub przebiciem hydraulicznym, przemieszczenia konstrukcji oporowej, mogące spowodować zniszczenie, wpływające na wygląd lub utratę właściwości użytkowych samej konstrukcji, albo sąsiednich konstrukcji, lub instalacji, na które wpływa zachowanie konstrukcji oporowej, nadmierne przenikanie wody przez ścianę lub pod nią, nadmierne przenikanie cząstek gruntu przez ścianę lub pod nią, niedopuszczalne zmiany warunków wodnych. Konstrukcje oporowe powinny być odpowiednio zabezpieczone przed napływem wód opadowych i gruntowych, zarówno na etapie wykonywania ściany jak i w okresie użytkowania. Jest to konieczne z uwagi na szkodliwe skutki parcia wody i ciśnienia spływowego. Rys.26. Podstawowe mechanizmy zniszczenia zbrojonych konstrukcji oporowych a) poślizg bryły odłamu, b) poślizg zbrojenia, c) wyparcie gruntu, d) utrata stateczności zbocza.