Projektowanie geotechniczne w świetle przepisów norm światowych i

europejskich

Dr inż. Włodzimierz Cichy – Politechnika Gdańska

Normalizacja europejska stanowi dla polskich konstruktorów budowlanych bardzo duże

wyzwanie. Zespół norm wchodzących w zakres dziesięciu Eurokodów (dodatkowy Eurokod 0

Basis of design) liczy kilka tysięcy stron formatu A4. Eurokody, oprócz zaleceń dotyczących

obliczeń konstrukcyjnych, zawierają bardzo dużo zaleceń z zakresu tak zwanej „sztuki

inżynierskiej” (po francusku l’art d’ingénieur). Po wielu latach doświadczeń przekonano się,

że o bezpieczeństwie konstrukcji budowlanych w równym stopniu decydują obliczenia

konstrukcyjne, jak i zespół praktycznych doświadczeń zdobytych dotychczas w konkretnej

dziedzinie konstrukcji budowlanych. Stąd tak bardzo rozbudowana część opisowa norm

europejskich. Normy europejskie stanowią więc rodzaj bardzo precyzyjnych przewodników

dla konstruktora budowlanego. Różnica w stosunku do zwykłych przewodników polega na

dyrektywnym charakterze zaleceń normowych. Myli się jednak ten, który sądzi, że w

normach europejskich znajdzie gotowe recepty na wszystkie problemy związane z

projektowaniem konstrukcji budowlanych.

Do podstawowych norm geotechnicznych, opracowanych w ramach Eurokodu 7, należą:

a) ENV 1997 Part 1 Geotechnical design. General rules (Projektowanie geotechniczne.

Zalecenia ogólne), 1994 r.,

b) ENV 1997 Part 2 Geotechnical design assisted by laboratory testing. (Projektowanie

geotechniczne za pomocą badań laboratoryjnych), 1999 r.,

c) ENV 1997 Part 3 Geotechnical design by field testing. (Projektowanie geotechniczne za

pomocą badań polowych), 1999 r.,

Normami podstawowymi do projektowania geotechnicznego są również:

a) Pr EN 1990 Basis of design. (Podstawy projektowania),

b) PrEN 1991 Actions on structures. (Oddziaływania na konstrukcje),

c) EN 1992 Part 3 Design of concrete structures. Concrete foundations. (Projektowanie

konstrukcji betonowych. Fundamenty betonowe),

d) EN 1993 Part 5 Design of steel structures. Piling. (Projektowanie konstrukcji metalowych.

Fundamenty palowe),

e) EN 1998 Part 3 Design of structures for earthquake resistance. Foundations, retaining

structures and geotechnical aspects. (Projektowanie konstrukcji odpornych na trzęsienia

ziemi. Fundamenty, konstrukcje oporowe i aspekty geotechniczne).

Do tego dochodzą normy opracowane w ramach specjalnego komitetu TC288 – Execution of

special geotechnical works (Wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych):

a) EN 1536 Bored piles (Pale wiercone),

b) EN 1537 Ground anchors (Kotwy gruntowe),

c) EN 1538 Diaphragam walls (Ściany szczelinowe),

d) EN 12063 Sheet pile walls (Ścianki szczelne),

e) EN 12699 Displacement piles (Pale przemieszczeniowe),

f) EN 12715 Grouting (Iniekcja),

g) EN 12716 Jet grouting (Iniekcja strumieniowa),

h) EN 12794 Precast concrete foundation piles (Prefabrykowane pale betonowe),

i) EN 288008 Micropiles (Mikropale).

Wymienione wyżej normy obejmują wszystkie aspekty geotechniki i stanowią olbrzymi zasób

bardzo specjalistycznej wiedzy do opanowania (ponad tysiąc stron formatu A4). Stanowić to

będzie niewątpliwe wyzwanie dla konstruktorów budowlanych i geotechników.

Największym wyzwaniem będzie jednak dla konstruktorów budowlanych wprowadzenie

obliczeń konstrukcyjnych opartych na zasadach prawdopodobieństwa (lub niezawodności)

konstrukcji budowlanych. Bardzo dobrze się stało, że nie czekając na ustanowienie

odpowiedniej normy europejskiej (EN 1990) Polski Komitet Normalizacyjny wprowadził

latem tego roku do Polskich Norm normę PN-ISO 2394 „Ogólne zasady niezawodności

konstrukcji budowlanych”[2].

Wprawdzie norma ta nie jest jeszcze normą obowiązującą, wprowadza jednak konstruktora

budowlanego w nowe podejście do problemu bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych,

zapewniające odpowiedni poziom ich niezawodności. Norma ta ma więc charakter

koncepcyjny i stanowi przewodnik dla Normalizacyjnych Komisji Problemowych, które

zajmują się problemami konstrukcyjnymi w budownictwie, w tym NKP Nr 254 ds.

Geotechniki. Ze względu na wprowadzenie nowych definicji i bardzo przejrzyste

potraktowanie problemu niezawodności konstrukcji budowlanych stanowi swego rodzaju

podręcznik, z którym powinien już teraz zapoznać się każdy konstruktor budowlany, aby

wiedzieć co go czeka za parę lat, kiedy Polska stanie się członkiem Wspólnoty Europejskiej.

Wprowadzenie problemu niezawodności do oceny bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych

dla wielu polskich konstruktorów budowlanych nie powinno stanowić zaskoczenia. Wszak

2

już w połowie lat dziewięćdziesiątych ukazało się polskie tłumaczenie prenormy (normy

wprowadzonej do próbnego stosowania) europejskiej ENV 1991-1:1994 „Podstawy

projektowania i oddziaływania na konstrukcje. Część 1 Podstawy projektowania”[1]. Na

łamach czasopism specjalistycznych, w tym głównie „Inżynierii i Budownictwa”, ukazało się

też sporo artykułów poruszających tą tematykę. Jednak fakt wprowadzenia latem tego roku

normy PN-ISO 2394 stanowić powinien swego rodzaju przełom, podobny do tego, jaki

stanowiła w Polsce norma PN-76/B-03001 wprowadzająca powszechną zasadę obliczeń

konstrukcyjnych opartych na częściowych współczynnikach bezpieczeństwa.

Trudno będzie teraz odkładać problem niezawodności konstrukcji budowlanych do czasu

ukazania się normy europejskiej EN 1990 „Podstawy projektowania”. Jak widać chociażby z

numeracji wagę tego Eurokodu postanowiono pokreślić przez wyodrębnienie go z grupy norm

ENV 1991. Fakt, że dotychczas nie może się ukazać podstawowa norma europejska,

dotycząca projektowania konstrukcji budowlanych, wskazuje na brak jednomyślności wśród

krajów Wspólnoty co do celowości szybkiego wdrażania nowych zasad projektowania

konstrukcji budowlanych. Jednakże grubym błędem byłoby założenie, że proces ten potrwa

jeszcze wiele lat i tak naprawdę nas nie dotyczy. NKP Nr 102 ds. Podstaw projektowania

konstrukcji budowlanych, zajmująca się tymi zagadnieniami, bardzo dobrze sobie zdaje

sprawę z faktu nieuchronności wprowadzenia nowych zasad projektowania do normalizacji

europejskiej i dlatego już teraz wprowadziła do Polskich Norm normę PN-ISO 2394.

Zagadnienia niezawodności konstrukcji budowlanych dotyczą szczególnie tak zwanego

projektowania geotechnicznego. Jest to pojęcie, które dotychczas nie istniało w powszechnej

świadomości konstruktorów budowlanych. Zostało na początku lat dziewięćdziesiątych

zdefiniowane przez autorów pierwszego projektu Eurokodu 7 „Geotechnical design”.

Zarówno w polskim prawie budowlanym, jak i w normalizacji, trudno znaleźć definicję tego

pojęcia. Stwierdzenie, że projektowanie geotechniczne polega na projektowaniu

fundamentów konstrukcji budowlanych jest nadmiernym uproszczeniem i narusza w sposób

wyraźny dotychczas ustalone kompetencje konstruktora budowlanego.

Projektowanie geotechniczne jest pojęciem znacznie wychodzącym poza zakres samych

obliczeń fundamentów konstrukcji, chociaż szczególnie w przypadku konstrukcji należących

do trzeciej kategorii geotechnicznej na pewno dotyczy również projektowania fundamentów

konstrukcji.

Na rys. 1 przedstawiono schemat projektowania geotechnicznego, przedstawiający wzajemne

powiązania poszczególnych elementów tego projektowania. Do podstawowych elementów

należą:

3

Rys.1. Projektowanie geotechniczne

a) prawo budowlane, normy i instrukcje projektowania,

b) wiercenia oraz badania polowe i laboratoryjne gruntów,

c) ustalenie obciążeń i geometrii układu konstrukcyjnego: konstrukcja budowlana – podłoże

gruntowe,

d) technologia wykonawstwa robót,

e) model obliczeń konstrukcyjnych,

f) zagadnienia ochrony środowiska w geotechnice,

4

g) geosyntetyki.

O tym, że istnieją liczne, bardziej lub mniej skomplikowane zależności między tymi

elementami projektowania geotechnicznego nie trzeba nikogo przekonywać.

Najważniejszymi elementami tego schematu są wpływy przyjętego modelu obliczeniowego,

rodzaju obciążeń działających na podłoże, ograniczeń ruchu konstrukcji, sposobu

wykonawstwa i oczywiście norm i instrukcji na sposób badań laboratoryjnych i polowych

gruntu. We współczesnej geotechnice niemożliwe jest prawidłowe rozpoznanie podłoża

gruntowego bez wcześniejszych uzgodnień między geotechnikiem, geologiem inżynierskim i

konstruktorem obiektu budowlanego. Niestety praktyka w tej dziedzinie w Polsce pozostawia

wiele do życzenia.

Innym istotnym elementem jest wybór modelu obliczeniowego. Jeżeli chcemy sprawdzić

zachowanie się konstrukcji we wszystkich fazach wznoszenia i eksploatacji nie jest możliwe

zbudowanie modelu obliczeniowego bez metod numerycznych, a te z kolei stawiają bardzo

ostre wymagania co do sposobu przeprowadzania badań gruntu. Oddziaływania

środowiskowe stanowią przedmiot bardzo prężnie rozwijającej się w ostatniej dekadzie, tak

zwanej geotechniki środowiskowej. Podstawą tej dziedziny jest ograniczenie wpływów

środowiska gruntowego na konstrukcje budowlane, ale również wpływu konstrukcji

budowlanych na środowisko gruntowe. Równie prężnie rozwija się w ramach geotechniki

dziedzina geosyntetyków - nowoczesnych, syntetycznych wyrobów budowlanych

współpracujących bezpośrednio z gruntem.

Zacznijmy jednak od prawa budowlanego. Pojęcie geotechniki z dużym wysiłkiem

przecierało sobie drogę do polskiego prawa budowlanego. Krokiem milowym jest tu

rozporządzenie MSWiA z 24 września 1998 r.[6] w sprawie ustalania tak zwanych warunków

geotechnicznych posadowienia obiektów budowlanych. Rozporządzenie to przybliża

niewątpliwie polskie prawo budowlane do normalizacji europejskiej w zakresie projektowania

geotechnicznego, a tym samym do spełnienia podstawowego warunku koordynacji prawa i

normalizacji europejskiej sformułowanego w Dyrektywie 83/189/EEC [5]. Niestety

rozporządzenie to jest kontestowane z różnych stron i podejmowane są próby cofnięcia prawa

wstecz. Wydaje się to jednak niemożliwe w świetle przedstawionych w niniejszym artykule

faktów. Normalizacja europejska jest tutaj jak najbardziej niezaprzeczalnym faktem i nie da

się już cofnąć metod projektowania geotechnicznego o kilkadziesiąt lat wstecz.

W rozporządzeniu z września 1998 r. po raz pierwszy sformułowano pojęcie kategorii

geotechnicznej obiektu budowlanego, która określa niejako stopień trudności projektowania

geotechnicznego w zależności od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, ale i od

5

stopnia złożoności konstrukcji samego obiektu budowlanego. Wprowadzono trzy kategorie

geotechniczne. Ze względu jednak na brak w prawie budowlanym takich podstawowych

pojęć jak geotechnika, projektowanie geotechniczne i geotechnik trudno było, w sposób nie

budzący wątpliwości prawnych, ustalić kompetencje osób zaliczających dany obiekt

budowlany do danej kategorii geotechnicznej. Biorąc pod uwagę tylko i wyłącznie racje

merytoryczne powinien to być na pewno geotechnik z przygotowaniem konstrukcyjnym.

W celu prawidłowego, wyjściowego określenia kategorii geotechnicznej obiektu

budowlanego potrzebna jest bezpośrednia współpraca geotechnika z geologiem inżynierskim i

konstruktorem obiektu budowlanego. Kategoria geotechniczna obiektu budowlanego może

jednak ulec zmianie w poszczególnych etapach projektowania i wykonawstwa obiektu

budowlanego, kiedy okaże się, że przyjęte pierwotnie założenia co do stopnia

skomplikowania warunków gruntowych uległy zmianie.

Tymczasem zakres prowadzonych badań geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych

podłoża gruntowego zależy w dużym stopniu od przyjętej kategorii geotechnicznej obiektu

budowlanego. Stąd bardzo istotną rolę odgrywać będą badania wstępne podłoża gruntowego.

Projekt badań wstępnych powinien być uzgodniony z posiadającym odpowiednie

doświadczenie geotechnikiem, który jest w stanie określić strefę wzajemnego oddziaływania

konstrukcji z podłożem gruntowym. W ten sposób uniknie się wielu projektów badań, w

których głębokość wierceń przyjmuje się na miarę możliwości przedsiębiorstwa

geologicznego, a nie rzeczywistych potrzeb projektowania geotechnicznego konstrukcji. Jako

przykład można podać wiercenia do 3 lub 4 m głębokości w przypadku fundamentów

zbiornika o 20 - metrowej średnicy. Jeszcze gorzej to wygląda w przypadku konieczności

posadowienia fundamentu tego zbiornika na 20 metrowych palach.

Są powszechnie znane naciski inwestora (lub działającego w jego imieniu architekta

budowlanego) w celu wprowadzania drastycznych oszczędności w zakresie badań

geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych. Otóż taka opinia geotechniczna do projektu

badań geologiczno-inżynierskich mogłaby ustalić ścisłą zależność bezpieczeństwa

projektowanego obiektu budowlanego od zakresu wykonywanych badań, zarówno

geologiczno-inżynierskich jak i geotechnicznych, podłoża gruntowego. Opinia taka wydaje

się niezbędna szczególnie w przypadku obiektów trzeciej kategorii geotechnicznej.

Bardzo ważny jest nie tylko zasięg badań, ale również sposób pobierania, wielkość i rodzaj

próbek do badań laboratoryjnych oraz rodzaje badań „in situ” niezbędnych do prawidłowego

rozpoznania podłoża gruntowego. Sposób pobierania próbek ma ogromny wpływ na wyniki

badań gruntów słabych. Tymczasem powszechna praktyka pobierania próbek do stalowych

6

gilz prowadzi do naruszenia delikatnej struktury gruntu i w rezultacie otrzymuje się wyniki

znacznie odbiegające od rzeczywistości. Powszechne wprowadzenie do praktyki budowlanej,

szczególnie w przypadku gruntów spoistych i organicznych, sondowań statycznych z

bezpośrednim pomiarem ciśnienia wody w porach gruntu (CPTU) powinno nie tylko ułatwić

wyprowadzenie parametrów obliczeniowych gruntu, ale w równie istotnym stopniu ułatwić

ustalenie prawidłowego zasięgu warstw geotechnicznych złożonych z gruntów o podobnych

właściwościach wytrzymałościowych. Uniknie się wtedy wcale nie rzadkich sytuacji, kiedy

projektant konstrukcji otrzymuje dokumentację geologiczno-inżynierską z wydzielonymi

dwudziestoma warstwami geotechnicznymi. Dla geotechnika mniejsze znaczenie ma bowiem

ścisłe określenie rodzaju badanego gruntu, natomiast podstawowe znaczenie ma zasięg

warstw geotechnicznych o podobnych właściwościach wytrzymałościowych. Czy konstruktor

budowlany jest w stanie sam poradzić sobie z tym problemem?

Niezwykle istotną zmianą wprowadzaną przez normy europejskie jest zasada obliczeń

posadowienia konstrukcji budowlanych w naprężeniach efektywnych, czyli na podstawie

efektywnych wartości kąta tarcia wewnętrznego Φ’ i spójności c’ gruntu. Obliczenia w

naprężeniach całkowitych, przy wykorzystaniu wytrzymałościowych parametrów całkowitych

Φ i c, są jedynie wyjątkiem od tej reguły. Potwierdzenie tej reguły znajdujemy już w

najnowszych podręcznikach geotechnicznych, na przykład w Grundbau –Taschenbuch [4].

Wprowadzenie tej zasady będzie miało istotny wpływ na sposób przeprowadzania badań

laboratoryjnych parametrów podłoża gruntowego. Bowiem sposób przeprowadzania badania

będzie w olbrzymim stopniu zależał od sposobu przekazywania obciążenia z fundamentu na

podłoże (statyczne, dynamiczne lub cykliczne), zakresu naprężeń, stopnia skonsolidowania i

stopnia nasycenia badanego gruntu, przewidywanego zakresu zmian ciśnienia wody w porach

gruntu, czasu trwania badania oraz technologii wykonywania fundamentu konstrukcji. Udział

geotechnika w planowaniu zakresu i sposobu przeprowadzania badań geotechnicznych

podłoża będzie w tej sytuacji niezbędny.

W tym miejscu należy ustosunkować się do dotychczasowej praktyki ustalania parametrów

geotechnicznych podłoża gruntowego. Otóż najczęściej polega ona na przeprowadzeniu

sondowań dynamicznych w terenie i ustaleniu na podstawie liczby uderzeń stopnia

zagęszczenia ID lub stopnia plastyczności IL badanego gruntu, a następnie odczytywaniu z

wykresów w normie PN-81/B-03020, tak zwanych parametrów Φu i cu podłoża gruntowego.

O ile takie postępowanie nie ma większego wpływu na bezpieczeństwo realizowanego

obiektu w przypadku jednorodnych, średniozagęszczonych, zagęszczonych i bardzo

zagęszczonych gruntów niespoistych oraz twardoplastycznych, półzwartych i zwartych

7

gruntów spoistych (pod warunkiem, że zwierciadło wody gruntowej występuje poniżej

poziomu posadowienia), to w przypadku pozostałych gruntów jednorodnych i uwarstwionych

takie postępowanie prowadzi do mniej lub bardziej niebezpiecznych sytuacji awaryjnych na

budowie, a w niektórych przypadkach wręcz do katastrof budowlanych. Spotkałem się

niestety w swojej praktyce z wyznaczaniem obliczeniowych parametrów geotechnicznych

gruntów organicznych na podstawie książek i podręczników nawet w przypadku obiektów

trzeciej kategorii geotechnicznej. Dane takie mogą być bardzo przydatne przy określaniu

reprezentatywnych wartości obliczeniowych parametrów gruntowych, ale podstawą muszą

być zawsze badania laboratoryjne gruntów organicznych.

Istnieje również tak zwana „druga strona medalu”, to znaczy skutki ekonomiczne

wprowadzenia efektywnych parametrów wytrzymałościowych gruntu do projektowania

geotechnicznego. Otóż parametry Φu i cu w PN-81/B-03020 nie mają nic wspólnego z

rzeczywistymi parametrami Φ’ i c’ gruntu. Są od nich znacznie niższe, nie mówiąc już o tym,

że są w niektórych wypadkach niższe od parametrów całkowitych Φ i c. Są to raczej

parametry wyprowadzone na podstawie tak zwanej analizy wstecznej z wartości naprężeń

dopuszczalnych, czyli dobrze znanym geotechnikom wartości k2. Parametry te same w sobie

zawierają duży zapas bezpieczeństwa, a norma PN-81/B-03020 dodatkowo wprowadziła do

nich częściowy współczynnik bezpieczeństwa, tak zwany współczynnik materiałowy γm,

który najczęściej przyjmował w obliczeniach geotechnicznych wartość 0.9. Stąd wartość

obliczeniową parametru geotechnicznego wyprowadza się z następującej zależności:

X(r) = γm X(n)

Tymczasem norma europejska wprowadza zupełnie inne częściowe współczynniki

bezpieczeństwa do efektywnych, wytrzymałościowych parametrów gruntu:

- w przypadku efektywnego kąta tarcia wewnętrznego gruntu,

- w przypadku efektywnej spójności gruntu

Oznacza to w rzeczywistości znaczne zwiększenie częściowych współczynników

materiałowych. Na szczęście w ostatnim projekcie normy europejskiej zmniejszono

8

współczynnik materiałowy dla spójności gruntu do 1.25. Nie zmienia to jednak faktu, że bez

laboratoryjnego badania efektywnych parametrów wytrzymałościowych gruntów trudno

będzie uzyskać, porównywalny do uzyskiwanego na podstawie PN-81/B-03020, efekt

ekonomiczny projektowania geotechnicznego fundamentów.

W projekcie normy europejskiej ENV 1997-1 nie ma żadnych zestawień tabelarycznych, czy

też wykresów parametrów geotechnicznych gruntu. Wynika to z prostego rachunku

ekonomicznego, ale też z właściwej oceny niezawodności konstrukcji budowlanej.

Uproszczone metody badań parametrów geotechnicznych podłoża prowadzą z reguły do

przewymiarowania fundamentów konstrukcji, jeżeli chcemy zachować porównywalny stopień

jej niezawodności.

Zagadnieniom wyznaczania obliczeniowych parametrów wytrzymałościowych gruntu

poświęcono w artykule dużo miejsca, gdyż one będą decydować w dużym stopniu o

określeniu właściwego stopnia niezawodności projektowanej konstrukcji. Metody obliczeń

nośności i przemieszczeń podłoża gruntowego są ogólnie znane. Znany jest również poziom

dokładności poszczególnych metod obliczeniowych. Szerokie wprowadzanie metod

numerycznych (na przykład metoda elementu skończonego) pozwala na w miarę dokładne

modelowanie poszczególnych etapów wznoszenia i eksploatacji konstrukcji, umożliwiając

tym samym znacznie bardziej niezawodne projektowanie geotechniczne konstrukcji.

Najnowszy projekt normy europejskiej EN 1997-1 „Projektowanie geotechniczne. Zasady

ogólne” [3] wprowadza konieczność znacznie bardziej obszernej analizy stanów granicznych

nośności i użytkowalności fundamentów konstrukcji budowlanych. Wprowadzono

następujące, podstawowe stany graniczne nośności podłoża gruntowego:

a) STR – zniszczenie lub nadmierna deformacja fundamentów, w którym decydującą rolę

odgrywa wytrzymałość fundamentów lub elementów konstrukcji współpracujących z

podłożem gruntowym,

b) GEO - zniszczenie lub nadmierna deformacja podłoża gruntowego, w którym podstawowe

znaczenie ma wytrzymałość podłoża,

c) STA – utrata stateczności globalnej lub nadmierne deformacje gruntu, w którym również

decydujące są parametry wytrzymałościowe gruntu,

d) UPL – zniszczenie przez wypiętrzenie fundamentu, np. na skutek wyporu wody, gdzie

decydujące znaczenie ma ciężar konstrukcji,

e) HYD – zniszczenie spowodowane ciśnieniem spływowym (nadmiernym spadkiem

hydraulicznym).

9

Wprowadzenie dwóch ostatnich stanów granicznych wskazuje na dużą wagę jaką przywiązuje

się w normie EN 1997-1 do wpływu wody gruntowej na nośność i stateczność fundamentów.

Problem ten został zaledwie muśnięty w normie PN-81/B-03020. Już znacznie lepiej

przedstawia się pod tym względem norma ścian oporowych PN-83/B-03010. Poszczególnym

stanom granicznym przypisane są różne, częściowe współczynniki materiałowe do

parametrów geotechnicznych podłoża, różne częściowe współczynniki oddziaływań do

oddziaływań pochodzących od gruntu i różne częściowe współczynniki materiałowe do

oporu granicznego podłoża gruntowego. Ogólny warunek stanów granicznych nośności

podłoża gruntowego przyjmuje postać następującą:

Ed Rd

gdzie:

Ed – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań (składowa, wypadkowa, moment, naprężenie

itp.),

Rd – wartość obliczeniowa oporu granicznego podłoża gruntowego.

Warunek obliczeniowy jest w zasadzie bardzo prosty. Problem zaczyna się, gdy zaczniemy

rozpatrywać różne sytuacje obliczeniowe. Projekt normy EN 1997-1 rozróżnia trzy

podstawowe sytuacje obliczeniowe:

a) sytuacja obliczeniowa 1, w której warunek nośności można przedstawić w zapisie

formalnym w sposób następujący:

E (γf Frep, γf Gk, Xk/ γm) R (Xk/ γm)

Zapis ten oznacza, że przy wyznaczaniu wartości obliczeniowej efektu oddziaływań od gruntu

(na przykład parcie lub odpór gruntu) stosować się będzie zarówno wartości obliczeniowe

parametrów geotechnicznych podłoża jak i współczynniki częściowe oddziaływań do

oddziaływań od gruntu. Wartości obliczeniowe pozostałych oddziaływań należy wyznaczyć

zgodnie z zaleceniami EN 1990 i EN 1991. Przy wyznaczaniu oporu granicznego podłoża

stosowane będą wartości obliczeniowe parametrów geotechnicznych.

b) sytuacja obliczeniowa 2, w której warunek nośności przyjmuje postać

E (γf Frep, γf Gk) R (Xk)/ γm

Zapis ten oznacza, że przy wyznaczaniu wartości obliczeniowych oddziaływań gruntowych

stosować się będzie jedynie częściowy współczynnik oddziaływania, a wartość

charakterystyczna oddziaływania gruntu wyznaczona będzie jedynie na podstawie wartości

charakterystycznych parametrów gruntowych. Również opór graniczny gruntu wyznaczany

będzie na podstawie wartości charakterystycznych parametrów gruntu, a jego wartość

10

charakterystyczna będzie dzielona przez częściowy współczynnik materiałowy do oporu

granicznego gruntu.

c) sytuacja obliczeniowa 3, w której warunek nośności przyjmuje postać

E (γf Frep, Xk/ γm) R (Xk/ γm)

Wartości obliczeniowe oddziaływań gruntowych wyznacza się na podstawie wartości

obliczeniowych parametrów geotechnicznych, a współczynnik oddziaływań gruntowych jest

równy jedności. Jednocześnie graniczny opór podłoża gruntowego wyznacza się na podstawie

wartości obliczeniowych parametrów geotechnicznych.

Warunek stanu granicznego użytkowalności przedstawia się również bardzo prosto:

Ed Cd

gdzie:

Ed – obliczeniowy efekt oddziaływań wyznaczony na podstawie częściowych

współczynników oddziaływań i częściowych współczynników materiałowych równych 1,

Cd – wartości graniczne przemieszczeń lub odkształceń fundamentów.

Istotną nowością jest wyraźne odróżnienie przemieszczeń i odkształceń trwałych od

przejściowych (krótkotrwałych).

Dobór właściwej sytuacji obliczeniowej do sprawdzenia konkretnego stanu granicznego

gruntu zależeć będzie w dużym stopniu od doświadczenia projektanta geotechnika. W

każdym rozpatrywanym przypadku stanu granicznego nośności jedna z wymienionych wyżej

sytuacji obliczeniowych okazuje się krytyczna. Niestety nie ma tutaj ściśle określonych reguł

i w zasadzie za każdym razem trzeba będzie sprawdzać wszystkie przypadki stanów

granicznych i wszystkie sytuacje obliczeniowe. Zwiększy to znacznie zakres obliczeń i

spowodować może również niewłaściwą interpretację podejścia do obliczeń, prowadzącą do

sprawdzania fikcyjnych przypadków obliczeniowych i do zbędnego przewymiarowania

konstrukcji lub co gorzej obliczeń po stronie niebezpiecznej dla konstrukcji. Zapobiec temu

ma wprowadzona do normy ENV 1991-1 zasada „oddziaływań z tego samego źródła”.

Doskonałym przykładem tej zasady jest sprawdzanie stateczności skarp jedną z metod

równowagi granicznej, na przykład metodą Felleniusa (rys. 2). Kiedy wprowadzana była

metoda Felleniusa nikomu nie śniło się o metodzie częściowych współczynników

bezpieczeństwa. Obliczenia prowadzono na podstawie tak zwanych projektowych

parametrów geotechnicznych, którymi najczęściej były parametry charakterystyczne.

Wiadomo skądinąd, że metoda Felleniusa sama w sobie zawiera bardzo duży zapas

bezpieczeństwa, stąd bardzo niskie, wymagane wartości globalnego współczynnika

11

bezpieczeństwa np. 1.05. W zależności od położenia względem środka obrotu ciężary

poszczególnych pasków mogą korzystnie lub niekorzystnie wpływać na stateczność zbocza.

Rys.2. Stateczność skarpy – metoda FelleniusaStosowanie współczynników oddziaływań mniejszych od jedności do ciężarów korzystnych i

większych od jedności do ciężarów niekorzystnych doprowadziłoby do powstania zupełnie

fikcyjnej sytuacji utraty stateczności w przypadku większości zaprojektowanych dotychczas

skarp, które nie mają jednak najmniejszej ochoty ulegać katastrofie, mając wystarczający

zapas bezpieczeństwa wynikający z samej metody obliczeń. Wniosek jest tutaj tylko jeden:

ciężary poszczególnych pasków muszą mieć taki sam częściowy współczynnik oddziaływań,

jako „oddziaływania pochodzące z tego samego źródła”. Innym argumentem może być fakt,

że niezmiernie trudno byłoby się jednocześnie pomylić w różnych kierunkach w ocenie

ciężaru objętościowego danej warstwy gruntu, to znaczy jednocześnie zawyżyć i zaniżyć jego

wartość. Stąd z pełną satysfakcją, jako jeden ze współautorów normy ścian oporowych PN-

83/B-03010, odnotowuję zalecenie tej normy odnośnie do przyjmowania współczynników

materiałowych i współczynników obciążenia równych jedności przy sprawdzaniu stateczności

skarp. Zalecenie to zostało wprowadzone do wyżej wymienionej normy mimo ogromnych

sprzeciwów purystów normalizacyjnych.

Z przedstawionego powyżej przykładu wynika jedno, niezwykle istotne ostrzeżenie, że nie

można w sposób dowolny żonglować częściowymi współczynnikami bezpieczeństwa. Aby

uniknąć sytuacji fikcyjnych, prowadzących zarówno do przewymiarowania jak i do

uproszczeń na niekorzyść bezpieczeństwa projektowanej konstrukcji, należy dysponować

12

odpowiednim zasobem wiedzy geotechnicznej, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej

dawki zdrowego rozsądku.

Przed środowiskiem geotechnicznym stoją w chwili obecnej poważne zadania polegające na

sprecyzowaniu skutków ewentualnego wprowadzenia projektowania konstrukcji

budowlanych opartego na teorii niezawodności. Możliwość stosowania metod bezpośrednich

np. metody Monte Carlo, ze względu na trudności w określeniu zmiennych losowych, wydaje

się mało prawdopodobna. Jednak w chwili obecnej niezbędne jest wykorzystanie teorii

niezawodności do kalibrowania metody częściowych współczynników bezpieczeństwa w

odniesieniu do fundamentów obiektów budowlanych w warunkach polskich, na podstawie

konkretnych przykładów już zrealizowanych obiektów budowlanych, poddanych stałemu

monitoringowi osiadań.

Powinien powstać program prac badawczych, realizowany przez kilka wyspecjalizowanych

ośrodków, mających już osiągnięcia naukowe w tej dziedzinie. Program ten powinien mieć

charakter wybitnie utylitarny i dać odpowiedź na kilka niezwykle istotnych kwestii:

a) Czy obecny poziom badań laboratoryjnych i polowych gruntu dla przemysłu umożliwia

wprowadzenie teorii niezawodności do projektowania geotechnicznego?

b) Czy możliwe jest sprecyzowanie zakresu badań podłoża gruntowego, który umożliwi

osiągniecie odpowiedniego poziomu niezawodności konstrukcji, zgodnie z wymaganiami

EN 1990?

c) Jakie skutki ekonomiczne pociąga za sobą prowadzenie badań „uproszczonych” i badań

dokładnych podłoża gruntowego konstrukcji w celu osiągnięcia tego samego poziomu

niezawodności konstrukcji?

d) Jaki jest możliwy do uzyskania stopień niezawodności konstrukcji przy stosowaniu

metody B określania parametrów gruntowych według normy PN-81/B-03020?

Zdaję sobie sprawę z tego, że pytań takich może być znacznie więcej. Nie chciałbym jednak

wyręczać osób znacznie lepiej ode mnie przygotowanych do realizacji tego rodzaju zadań.

Literatura:

1. Wersja polska ENV 1991-1:1994 Eurokod 1: Podstawy projektowania i oddziaływania na

konstrukcje. Część 1: Podstawy Projektowania. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa,

listopad 1994 r.

2. PN-ISO 2394 Ogólne zasady niezawodności konstrukcji budowlanych, Polski Komitet

Normalizacyjny, kwiecień 2000 r.

3. Projekt EN 1997-1 Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne. Część 1 Przepisy ogólne.

Materiały konferencji w Mrągowie, Instytut Techniki Budowlanej, październik 2000 r.

13

4. Grundbau-Taschenbuch Teil 1,2, 3, wydawnictwo Ernst und Sohn (Wiley Group), 2000 r.

5. Council Directive 83/189/EEC of 28 March 1983 (najnowsza wersja z 1997 r., OJ No C

78/97, p. 4).

6. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 września 1998 r.

w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz. U.

Nr 126, poz. 839)

14