Geotechnika – co to jest?
Geotechnika jest dziedziną inżynierii lądowej, która zajmuje się badaniem właściwości gruntów oraz ich zachowaniem pod wpływem obciążeń. Jest to jedna z najważniejszych gałęzi inżynierii, ponieważ grunty stanowią podstawę dla większości konstrukcji inżynierskich, takich jak budynki, mosty, drogi czy tunele.
Według Z. Wiłuna w książce „Zarys Geotechniki” (1976), geotechnika obejmuje zarówno teoretyczne, jak i praktyczne aspekty związane z badaniem gruntów. Obejmuje również projektowanie i analizę fundamentów oraz innych elementów konstrukcji, które mają bezpośredni kontakt z podłożem gruntowym (Wiłun, 1976, ISBN 83-206-1354-X).
Żródło: Wiłun Z., „Zarys Geotechniki” (1976)
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej, specjalistyczne roboty geotechniczne to zespół specjalistycznych robót budowlanych, które mają na celu wzmocnienie podłoża gruntowego, wzmocnienie istniejących fundamentów, wykonawstwo skomplikowanych robót fundamentowych i ziemnych oraz zapewnienie bezpiecznej realizacji obiektu budowlanego. Specjalistyczne roboty budowlane mają szeroki zakres działań, w tym między innymi: Iniekcja klasyczna i strumieniowa, kotwy gruntowe, pale i mikropale, kolumny konsolidacyjne, grunty zbrojone, ścianki szczelne i ściany szczelinowe, tunele, studnie i kesony, inne specjalistyczne metody wykonawstwa robót ziemnych i fundamentowych.
Źródło: Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych § 6.
Zagadnienia geotechniczne
Geotechnika koncentruje się na kilku najważniejszych obszarach, takich jak:
- Grunty i ich właściwości – badanie właściwości fizycznych i mechanicznych gruntów, takich jak gęstość, porowatość, konsystencja i nośność.
- Badania geotechniczne – Wykonywanie badań terenowych i laboratoryjnych w celu oceny właściwości gruntów oraz przewidywania ich zachowania pod wpływem obciążeń.
- Analiza gruntów – Zastosowanie metod analitycznych i numerycznych do przewidywania zachowania gruntów w różnych warunkach inżynierskich.
Geotechnika jest nieodzowna w procesie projektowania i budowy infrastruktury, ponieważ właściwe zrozumienie i uwzględnienie właściwości gruntów może znacząco wpłynąć na bezpieczeństwo, trwałość i ekonomiczność konstrukcji.
Zakres badań geotechnicznych
Zakres badań geotechnicznych jest niezwykle ważnym elementem w procesie ustalania geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych. W Polsce, określany jest on zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r., i zależy od kategorii geotechnicznej obiektu budowlanego.
Dla obiektów budowlanych pierwszej kategorii geotechnicznej zakres badań geotechnicznych może być ograniczony do wierceń i sondowań oraz określenia rodzaju gruntu na podstawie analizy makroskopowej. Wartości parametrów geotechnicznych można określać przy wykorzystaniu lokalnych zależności korelacyjnych.
Dla obiektów budowlanych drugiej i trzeciej kategorii geotechnicznej zakres badań, poza badaniami przewidzianymi dla pierwszej kategorii, powinien być zależny od przewidywanego stopnia skomplikowania warunków gruntowych oraz specyfiki i charakteru obiektu budowlanego lub rodzaju planowanych robót geotechnicznych. Powinien obejmować określenie rodzaju gruntów, a także fizycznych i mechanicznych parametrów gruntu takich jak: kąt tarcia wewnętrznego, spójność, wytrzymałość na ścinanie bez odpływu, moduł ściśliwości lub odkształcenia. Parametry te uzyskuje się w badaniach laboratoryjnych lub terenowych, w szczególności za pomocą metod takich jak: sondowania statyczne i dynamiczne, badania presjometryczne i dylatometryczne, badania sondą krzyżakową oraz badania próbnych obciążeń gruntu. W zależności od potrzeb określa się również fizykochemiczne właściwości wód gruntowych.
Dla obiektów budowlanych trzeciej kategorii geotechnicznej zakres badań, poza wymienionymi wcześniej, należy dodatkowo uzupełnić badaniami niezbędnymi do przeprowadzenia obliczeń analitycznych i numerycznych dla przyjętego modelu geotechnicznego podłoża, w uzgodnieniu z wykonawcą specjalistycznych robót geotechnicznych.
W przypadku budowli ziemnych i składowisk odpadów, zaliczanych do drugiej i trzeciej kategorii geotechnicznej, zakres badań, poza wcześniej wymienionymi, należy dodatkowo uzupełnić o badania: przepuszczalności hydraulicznej gruntów wykonane w terenie i laboratorium, zagęszczalności podłoża gruntowego i gruntów stosowanych do budowy, materiałów stosowanych do uszczelnień oraz materiałów stosowanych w konstrukcjach drenażowych.
W przypadku wzmacniania podłoża gruntowego dla obiektów zaliczanych do drugiej i trzeciej kategorii geotechnicznej, poza badaniami wcześniej wymienionymi, zakres badań należy dodatkowo uzupełnić o badania efektów wzmocnienia gruntów oraz materiałów stosowanych do wzmocnienia gruntów.
Zakres badań wymienionych w powyższych kategoriach, w zależności od potrzeb, może być rozszerzony o dodatkowe badania gruntu, takie jak: badania geofizyczne, badania na poletkach doświadczalnych, odkrywki fundamentów, badania zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych, badania właściwości dynamicznych gruntu oraz badania teledetekcyjne.
Źródło: Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych § 6.
Geotechnika w projektowaniu budynków
Geotechnika odgrywa jedną z najważniejszych ról w projektowaniu budynków, a jej znaczenie jest szczególnie podkreślone w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych. Proces ustalania tych warunków jest złożony i obejmuje kilka istotnych kroków, powołując się na wcześniej wspomniany dokument scharakteryzujemy je w skrócie:
Pierwszym krokiem jest zaliczenie obiektu budowlanego do odpowiedniej kategorii geotechnicznej (§ 3.1.1). To działanie decyduje o rodzaju i zakresie dalszych badań oraz analiz geotechnicznych. Następnie należy zaprojektować odwodnienia budowlane (§ 3.1.2), które są niezbędne do zabezpieczenia terenu budowy przed niekorzystnym wpływem wód gruntowych.
Kolejnym istotnym aspektem jest ocena przydatności gruntów stosowanych w budowlach ziemnych (§ 3.1.3). Ważne jest, aby grunty te miały odpowiednie właściwości nośne i były stabilne w różnych warunkach eksploatacyjnych. W niektórych przypadkach konieczne jest także zaprojektowanie barier lub ekranów uszczelniających (§ 3.1.4), które zapobiegają migracji zanieczyszczeń i chronią konstrukcje przed infiltracją wody.
Ważnym elementem w procesie geotechnicznym jest określenie nośności, przemieszczeń i ogólnej stateczności podłoża gruntowego (§ 3.1.5). Jest to kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji, ponieważ niewłaściwie oceniona nośność może prowadzić do awarii budowli.
Ustalanie geotechnicznych warunków posadawiania obejmuje także ocenę wzajemnego oddziaływania obiektu budowlanego i podłoża gruntowego w różnych fazach budowy i eksploatacji (§ 3.1.6). Ważne jest także uwzględnienie wpływu obiektu budowlanego na sąsiadujące budynki oraz analizę stateczności zboczy, skarp wykopów i nasypów (§ 3.1.7), aby zapobiec osunięciom i erozji. W przypadku stwierdzenia skomplikowanych warunków gruntowych, konieczne może być zastosowanie specjalistycznych metod wzmacniania podłoża gruntowego oraz stabilizacji zboczy i skarp (§ 3.1.8). To działanie ma na celu poprawę nośności i stabilności gruntu, co jest kluczowe dla bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych.
Ocenie podlega także wzajemne oddziaływanie wód gruntowych i obiektu budowlanego (§ 3.1.9), ponieważ wody gruntowe mogą wpływać na stabilność i nośność gruntu. W razie potrzeby przeprowadza się również ocenę stopnia zanieczyszczenia podłoża gruntowego i dobór odpowiednich metod oczyszczania gruntów (§ 3.1.10). Wszystkie te czynności składają się na kompleksowe ustalanie geotechnicznych warunków posadawiania, które jest nieodzownym elementem procesu projektowania budynków. Geotechniczne warunki posadowienia przedstawia się w formie opinii geotechnicznej, dokumentacji badań podłoża gruntowego oraz projektu geotechnicznego (§ 3.3). Forma i zakres tych dokumentów zależą od kategorii geotechnicznej obiektu budowlanego (§ 3.4).
Kategorię geotechniczną ustala się w opinii geotechnicznej, biorąc pod uwagę stopień skomplikowania warunków gruntowych oraz konstrukcji obiektu budowlanego, jak również potencjalne zagrożenia dla życia i mienia (§ 4.1). Warunki gruntowe dzieli się na proste, złożone i skomplikowane, zależnie od ich jednorodności, obecności niekorzystnych zjawisk geologicznych oraz poziomu wód gruntowych (§ 4.2).
Źródło: Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych.
Poznaj produkty używane w pracach geotechnicznych:
Geotechnika w Budowie Infrastruktury – Modele BIM
Modele BIM (Building Information Modeling) coraz częściej stają się jednym z podstawowych narzędzi w budownictwie, ich zastosowanie jest bowiem coraz bardziej powszechne. Prof. dr hab. inż. Michał Topolnicki w książce „GeoBIM, czyli geotechnika w BIM” (Keller Polska Sp. z o.o.) podkreśla, że rozwój modeli BIM idzie w parze z ulepszaniem programów do wprowadzania danych, ich automatycznego przetwarzania, wizualizacji przestrzennej, symulacji oraz wymiany informacji. Modele BIM stają się coraz pojemniejsze, a zakres gromadzonych i przetwarzanych danych obejmuje różne branże budowlane oraz cały proces przygotowania i realizacji inwestycji. Sukcesywnie dodawane są także inne elementy składowe, takie jak oddziaływanie na środowisko, zarządzanie inwestycją w fazie eksploatacji oraz geotechnika.
Dodanie informacji geotechnicznych do modeli BIM (GeoBIM) umożliwia uwzględnienie wpływu warunków gruntowo-wodnych, podziemnej infrastruktury oraz robót geotechnicznych w zintegrowanym procesie planowania, realizacji i użytkowania inwestycji. Geotechnicy zyskują szerszy dostęp do informacji o całym projekcie i planie jego realizacji, to natomiast pozwala im na analizowanie podłoża i wariantów posadowienia w odniesieniu do całościowych wymagań funkcjonalnych i technicznych już we wczesnym etapie przygotowania inwestycji, razem z oceną ryzyka, kosztów i czasu realizacji robót geotechnicznych.
Jedną z najważniejszych korzyści zastosowania GeoBIM w praktyce jest możliwość uzyskania lepszej kontroli robót geotechnicznych i zmniejszenia ryzyka, zwłaszcza dzięki wizualizacji 3D. Usprawnienia te dotyczą także planowania sekwencji robót i ich koordynacji z innymi wykonawcami, organizacji pracy sprzętu i ludzi na ograniczonej przestrzeni, poprawiając bezpieczeństwo i higienę pracy (BHP), unikania kolizji oraz szybkiej reakcji na zmiany lub imperfekcje wykonawcze. Ma to istotne znaczenie dla całej inwestycji, a nie tylko dla bezpośrednich wykonawców tych robót.
Źródło: GeoBIM, czyli geotechnika w BIM, Czerwiec 2016, str 23
Poznaj produkty używane w budowie infrastruktury:
Problemy i Wyzwania Geotechniczne
Osuwiska i erozja
Osuwiska to gwałtowne ruchy masowe ziemi, które stanowią jedno z najniebezpieczniejszych i najczęściej występujących geozagrożeń w Polsce. Powodują one znaczne zniszczenia w infrastrukturze, uprawach rolnych, drzewostanie oraz prowadzą do ogólnej degradacji terenów objętych tym zjawiskiem. Osuwiska co roku przynoszą ogromne straty materialne, ale przede wszystkim zagrażają zdrowiu i życiu mieszkańców.
Szczególnie niszczycielski charakter osuwisk można było zaobserwować w 2010 roku, kiedy to w trzech województwach na południu Polski uaktywniło się ponad 1300 osuwisk. W wyniku tych zdarzeń ponad tysiąc domów zostało zniszczonych lub uszkodzonych, a infrastruktura komunikacyjna doznała poważnych zniszczeń. Jedno z osuwisk spowodowało nawet wykolejenie się pociągu, na szczęście bez ofiar.
Najbardziej zagrożonym regionem w Polsce jest rejon karpacki, gdzie występuje ponad 90% wszystkich osuwisk w kraju, mimo że ten teren stanowi jedynie kilka procent powierzchni Polski. Geolodzy cały czas prowadzą intensywne działania w ramach Systemu Osłony Przeciwosuwiskowej (SOPO). System ten, utworzony w 2006 roku, ma na celu skuteczne zapobieganie zniszczeniom infrastruktury budowlanej i komunikacyjnej.
Jednym z głównych zadań projektu SOPO jest szczegółowe rozpoznanie terenów zagrożonych i ich dokumentacja. Geolodzy z Centrum Geozagrożeń Państwowego Instytutu Geologicznego – Państwowego Instytutu Badawczego (PIG-PIB) oraz kilkunastu firm geologicznych zlokalizowali i zinwentaryzowali już ponad 70 tysięcy osuwisk oraz ponad 6,5 tysiąca terenów zagrożonych w trzech południowych województwach: śląskim, małopolskim i podkarpackim.
Dane, które są ciągle przekazywane przez geologów są podstawą do zwracania uwagi na racjonalne planowanie zabudowów oraz stosowania stosownych zabezpieczeń na terenach zagrożonych osuwiskami. Pozwala to ograniczyć szkody materialne i wczesne informowanie mieszkańców o zagrożeniach.
Źródło: Państwowy Instytut Geologiczny – Osuwiska, https://www.pgi.gov.pl/osuwiska.html.
Zjawiska sejsmiczne
Sejsmiczność, czyli występowanie trzęsień ziemi, jest ściśle związana z geologią i ruchami tektonicznymi w skorupie ziemskiej. Zgodnie z danymi Państwowego Instytutu Geologicznego, obszary można podzielić na trzy kategorie w zależności od częstotliwości występowania trzęsień ziemi:
Obszary sejsmiczne
Charakteryzują się wysoką częstotliwością odczuwalnych trzęsień ziemi, które są niemal codziennym zjawiskiem. Do najważniejszych stref sejsmicznych należą:
- Strefa śródziemnomorska i transazjatycka: Obejmuje pas rozciągający się od zachodnich Chin, przez Himalaje, Iran, aż do regionów położonych na północ i południe od Morza Śródziemnego. W tej strefie notuje się około 15% wszystkich światowych trzęsień ziemi.
- Strefy rozciągania w obrębie ryftów (grzbiety oceaniczne): Te obszary są miejscem intensywnej aktywności sejsmicznej z powodu rozciągania się skorupy ziemskiej.
- Rów Afrykański: Znajduje się we wschodniej części Afryki i jest znanym miejscem częstych trzęsień ziemi związanych z procesami tektonicznymi.
Obszary pensejsmiczne
W tych rejonach silne wstrząsy występują stosunkowo rzadko. Obejmują między innymi:
- Zachodnia i środkowa Europa: Regiony te doświadczają umiarkowanej sejsmiczności.
- Północno-wschodnia Azja: Obszar ten również jest uważany za stosunkowo stabilny sejsmicznie w porównaniu z najbardziej aktywnymi regionami świata.
Obszary asejsmiczne
Obszary te charakteryzują się bardzo rzadkimi umiarkowanymi wstrząsami. Do takich regionów zaliczają się: Skandynawia, Środkowo-zachodnia Rosja, Sahara, Północno-wschodnia Kanada, Grenlandia, Brazylia
Wpływ trzęsień ziemi na geologię
Trzęsienia ziemi mają znaczący wpływ na geologię obszarów, w których występują
Trzęsienia ziemi powodują powstawanie uskoków i deformacji skorupy ziemskiej. Mogą to być uskoki przesuwcze, odrywające lub nasuwcze, w zależności od kierunku ruchu płyt tektonicznych. Silne trzęsienia ziemi mogą prowadzić do powstania nowych struktur geologicznych, takich jak rowy tektoniczne, góry fałdowe, a nawet nowe linie brzegowe.
W regionach, gdzie znajdują się wulkany, trzęsienia ziemi mogą prowadzić do zwiększenia ich aktywności. Wstrząsy mogą otworzyć nowe kanały magmowe, co prowadzi do erupcji. Trzęsienia ziemi mogą wpływać na poziomy wód gruntowych, powodując ich nagłe wzrosty lub spadki. Wstrząsy mogą również otworzyć nowe źródła wody lub zamknąć istniejące. W regionach górskich trzęsienia ziemi mogą wywołać osuwiska i lawiny, które mogą mieć katastrofalne skutki dla lokalnej infrastruktury i środowiska.
Procesy zachodzące w strefach kontaktu płyt tektonicznych, takie jak nasuwanie, odsuwanie czy przesuwanie się płyt względem siebie, są głównymi przyczynami trzęsień ziemi. Ruchy te prowadzą do nagromadzenia napięcia w skorupie ziemskiej, które jest uwalniane w postaci fal sejsmicznych podczas trzęsienia ziemi.
Żródło: https://www.pgi.gov.pl/mogepl-home/monitoring-geodynamiczny/sejsmologia/9725-sejsmicznosc-a-geologia.html
Problemy związane z wodami gruntowymi
W geotechnice wody gruntowe stanowią istotny czynnik wpływający na stabilność konstrukcji oraz warunki gruntowe. Problemy związane z wodami gruntowymi obejmują:
Podmakanie terenów budowlanych
Podnoszenie się poziomu wód gruntowych może prowadzić do podmakania fundamentów budynków i innych konstrukcji, obniżąjąc ich stabilność i wytrzymałość. Nadmiar wody w gruncie powoduje osłabienie właściwości nośnych podłoża.
Problemy z zalewaniem wykopów budowlanych
Wykopy budowlane mogą być zalewane przez wody gruntowe, utrudniając prace budowlane i zwiększając koszty ich odwadniania. W niektórych przypadkach konieczne jest stosowania pomp i specjalnych systemów odwodnieniowych, które zwiększają koszty, a także czas realizacji projektów budowlanych.
Wpływ na tunele i podziemne struktury
Wysokie ciśnienie wód gruntowych może powodować przecieki i infiltrację wody do tuneli, piwnic oraz innych podziemnych struktur. Stosowania specjalnych uszczelnień i systemów odwadniających również może zwiększać koszty budowy, a także złożoność projektu.
Wpływ na stabilność budynków
Zmiany poziomu wód gruntowych mogą wpływać na osiadanie gruntu, to z kolei wpływa na stabilność budynków i innych struktur inżynierskich. Ruchy gruntu wywołane zmianami w poziomie wód gruntowych mogą prowadzić do pękania fundamentów i ścian, powodując uszkodzenia konstrukcyjne.
Bibliografia:
- Państwowy Instytut Geologiczny – Osuwiska, https://www.pgi.gov.pl/osuwiska.html.
- https://www.pgi.gov.pl/mogepl-home/monitoring-geodynamiczny/sejsmologia/9725-sejsmicznosc-a-geologia.html.
- GeoBIM, czyli geotechnika w BIM, Czerwiec 2016, str 23.
- Wiłun Z., „Zarys Geotechniki” (1976).
- Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych.
