Dlaczego na południu Polski warto wykonać szczegółowe badania geotechniczne?

Cztery sondowania CPTU na linii Wielkopolska – Mazowsze – Śląsk, porównane na tej samej głębokości 5,0–8,0 m p.p.t. Ten sam opis gruntu w dokumentacji, a opór stożka i wskaźnik prekonsolidacji różnią się diametralnie. Przyczyna ma 700 tysięcy lat.

Projektanci pracujący w całej Polsce przenoszą intuicję z północy na południe: glina zwałowa to grunt nośny, q_c rzędu 5–8 MPa, moduł ściśliwości: kilkadziesiąt MPa - na podstawie normy PN03020, posadowienie bezpośrednie bez dyskusji. W Opolskiem, na Śląsku, w Małopolsce i na Podkarpaciu ta intuicja bywa kosztowna. Poniżej cztery nasze sondowania CPTU — jedno z Wielkopolski, jedno z Mazowsza i dwa ze Śląska — oraz geologiczne wyjaśnienie, skąd bierze się różnica i dlaczego stosowanie jednej normy, a tym bardziej korzystanie z jednej kolumny konsolidacji, zazwyczaj C, nie ma sensu.

Wszystkie cztery profile to grunty spoiste — w klasyfikacji Robertsona (1990) materiał o I_c w przedziale 2,3–3,0, czyli mieszaniny pylasto-ilaste i gliny piaszczyste. Wszystkie leżą płytko, w zasięgu fundamentów typowego obiektu kubaturowego. Na tym podobieństwa się kończą. Cztery lokalizacje ułożyliśmy według tego, kiedy ostatni raz przykrył je lądolód: Swarzędz — 19 tys. lat temu (trzykrotnie), Belsk Duży — ok. 150 tys. (dwukrotnie), Gliwice i Katowice — ok. 450 tys (jednokrotnie).

Żeby porównanie było uczciwe, wszystkie statystyki policzyliśmy z jednego przedziału głębokości: 5,0–8,0 m p.p.t. — a w Katowicach od 5,0 m do końca sondowania na 6,48 m. We wszystkich czterech profilach jest to glina, a naprężenie pierwotne σ′_v0 mieści się w zakresie 59–81 kPa. Różnice, które zobaczysz niżej, nie biorą się więc z tego, że jedno sondowanie liczono płycej, a drugie głębiej.

Mediany oporu stożka w tym oknie układają się w szereg: Swarzędz 6,6 MPa, Belsk Duży 4,0 MPa, Gliwice 2,4 MPa, Katowice 1,4 MPa. Tarcie na tulei w profilach południowych jest relatywnie wyższe przy znacznie niższym q_c, co przesuwa materiał w stronę gruntów pylasto-ilastych — typowy zapis zwietrzeliny glin, a nie świeżej gliny bazalnej.

Różnica nie bierze się z „lepszego” lub „gorszego” gruntu. Bierze się z tego, co i kiedy stało na tym gruncie. Suwak poniżej przesuwa zasięg lądolodu od najstarszego zlodowacenia do najmłodszego.

Cztery wnioski z powyższej mapy:

Rachunek czasu jest tu bezlitosny. Opole i Lubliniec są bez obciążenia lodem od ok. 130 tys. lat. Katowice, Gliwice i Tychy — od ok. 450 tys. lat. W tym czasie podłoże przeszło kilka pełnych cykli glacjalno-interglacjalnych w warunkach peryglacjalnych: wieloletnia zmarzlina i jej degradacja, wietrzenie chemiczne i odwapnienie, soliflukcja, spełzywanie, denudacja nadkładu. Struktura nadana glinie pod lodem została w dużej mierze skasowana — a im dalej na południe od linii odrzańskiej, tym bardziej.

Belsk Duży jest w tym zestawieniu ogniwem pośrednim. Leży pod zasięgiem lądolodu warciańskiego, ale poza zasięgiem lądolodu Wisły — od ostatniego obciążenia lodem minęło tam ok. 150 tys. lat, czyli mniej więcej jeden interglacjał i jedno zlodowacenie w warunkach peryglacjalnych. Nie pięć cykli jak na Śląsku i nie dwadzieścia tysięcy lat jak w Wielkopolsce. I pomiędzy wypada zmierzony OCR: 18, wobec 29,5 w Wielkopolsce i 7–10 na Śląsku.

Gliwice i Katowice leżą obie po południowej stronie linii odrzańskiej i obie dają ten sam obraz: glinę o OCR rzędu 7–10, a nie 30. To jest poziom, którego należy się w tej części regionu spodziewać — i który trzeba potwierdzić badaniem, a nie przyjąć z tabeli jak dla pozostałych części kraju.

To, ile obciążenia grunt „pamięta”, czytamy z badań geotechnicznych polowych lub laboratoryjnych. Na przykład dla gruntów spoistych i sondowania CPTU używamy korelacji Kulhawy'ego i Mayne'a:

Pozostałe korelacje, które warto zestawić na tym samym profilu: Robertson (2009) — OCR = 0,25·Q_t^1,25, wrażliwa na przyjęty ciężar objętościowy; Mayne (2017) — σ′_p = 0,33·(q_t−σ_v0)^m′ z wykładnikiem m′ zależnym od I_c (m′ ≈ 1,0 dla iłów, 0,72 dla piasków); oraz z dylatometru Marchetti (1980) — OCR = (0,5·K_D)^1,56.

Ile lodu odpowiada zmierzonemu σ′_p?

Przy ciężarze objętościowym lodu ok. 9,0 kN/m³ i założeniu pełnego drenażu podłoża:

Swarzędz leży tuż za maksymalnym zasięgiem fazy leszczyńsko-poznańskiej, gdzie rekonstruowana miąższość lodu to 200–400 m, a strefa krawędziowa była stosunkowo dobrze drenowana. Zmierzone σ′_p mieści się w tym przedziale — zapis obciążenia glacjalnego jest tam zachowany.

Belsk Duży: σ′_p = 1 320 kPa, co odpowiada 146 m lodu w warunkach drenowanych, a przy realistycznym ciśnieniu wody pod lodowcem — lądolodowi o miąższości 440–660 m. Rekonstruowana miąższość lądolodu warciańskiego nad Mazowszem to 700–1000 m, więc zachowane zostało mniej więcej dwie trzecie pierwotnego zapisu. Po 150 tys. latach denudacji i wietrzenia to jest wynik, którego należało się spodziewać.

W Gliwicach i Katowicach jest odwrotnie. Lądolód Sanu miał nad Wyżyną Śląską rekonstruowaną miąższość rzędu 300–600 m, co dawałoby σ′_p co najmniej 2 700–5 400 kPa w warunkach drenowanych. Mierzymy 730 kPa w Gliwicach i 430 kPa w Katowicach. Od 75 do ponad 85% pierwotnej prekonsolidacji nie istnieje. Zniszczyły ją: denudacja nadkładu, wietrzenie chemiczne i odwapnienie, wielokrotne cykle zamarzania i rozmarzania w strefie peryglacjalnej, soliflukcja i przemieszczenia stokowe, a lokalnie — na Górnym Śląsku szczególnie — znaczne osiadania i deformacje nad wyrobiskami górniczymi.

Posadowienie bezpośrednie

Przy M ≈ 11 MPa zamiast 53 MPa osiadania tej samej stopy pod tym samym obciążeniem rosną około pięciokrotnie. Dla hali z posadzką przemysłową i dopuszczalnym osiadaniem różnicowym 1/500 to różnica między konkretnymi zmianami projektowymi ciągnącymi za sobą znaczące koszty. Przyjęcie tabelarycznych parametrów dla „gliny zwałowej” bez sondowania jest tu podstawowym źródłem błędu, szczególnie, że różnice w ściśliwości mogą wynikać jeszcze w rejonie jednej konkretnej działki.

Naprężenie prekonsolidacji jako próg projektowy

Dopóki naprężenie w podłożu od obiektu nie przekracza σ′_p, osiadania są małe i odwracalne. σ′_p = 430 kPa przy σ′_v0 ≈ 62 kPa oznacza rezerwę ok. 370 kPa naprężenia dodatkowego. Stopa 2×2 m pod obciążeniem 1400 kN daje 350 kPa — jest tuż pod progiem, w strefie, w której wynik zależy od tego, czy σ′_p wyznaczono na 430 czy na 330 kPa. To jest dokładnie powód, dla którego opłaca się badania geotechniczne zamiast przyjmować wartości z normy.

Głębokie posadowienie

Nośność pobocznicy pali w gruntach o niskim OCR i dużym udziale frakcji iłowej jest istotnie mniejsza. W warunkach śląskich dochodzi kwestia zmiennej głębokości stropu utworów nośnych — triasowych dolomitów i wapieni, karbońskich piaskowców — których strop potrafi zmieniać się o kilka metrów na dystansie kilkunastu metrów, często z zaznaczonym krasem.

Jakie badania geotechniczne wykonać na południu Polski?

Minimalny zestaw, który ma sens dla obiektu kubaturowego w naszym regionie: wiercenia z makroskopowym opisem i poborem prób z badaniem konsystencji, CPTU do rozpoznania zmienności między otworami, DMT lub SDMT tam, gdzie kluczowe są moduły i prekonsolidacja (o tym w następnej sekcji), oraz ewentualnie badania laboratoryjne na próbach NNS dla kalibracji korelacji.

Wszystkie liczby powyżej — σ′_p, OCR, M, s_u — wyprowadziliśmy z CPTU przez korelacje. To jest ich słaby punkt. Sonda stożkowa mierzy opór penetracji w kierunku pionowym: stożek wciska się w grunt, doprowadza go do zniszczenia i rejestruje siłę. Jest to znakomite narzędzie do rozpoznania budowy podłoża i jego ciągłości, ale sztywność i prekonsolidację widzi tylko pośrednio, przez zależności empiryczne.

Dylatometr płaski działa inaczej. Łopatka wciskana jest pionowo, ale pomiar odbywa się w płaszczyźnie poziomej: membrana rozpręża się poziomo, prostopadle do powierzchni łopatki, i wciska w grunt o 1,1 mm. Odczytujemy dwa ciśnienia — p₀ w momencie oderwania membrany i p₁ po rozprężeniu o 1,1 mm. Z nich liczy się trzy wskaźniki:

Różnica jest zasadnicza. K_D to bezpośrednia miara naprężenia poziomego w gruncie, a prekonsolidacja jest właśnie historią naprężeń zapisaną w składowej poziomej: grunt odciążony po zdjęciu nadkładu zatrzymuje w sobie naprężenie boczne, którego nie oddaje. CPTU musi korzystać z korelacji, DMT pośrednio ją mierzy. Dlatego dla glin zwałowych DMT jest metodą pierwszego wyboru do wyznaczenia OCR i modułu ściśliwości.

Cztery sytuacje, w których DMT zmienia projekt

Parcie na konstrukcje oporowe. Ścianki szczelne, ściany szczelinowe, obudowy wykopów, przyczółki — wszystkie liczone są od naprężenia poziomego. Przyjęcie K₀ = 1 − sin φ′ w gruncie przekonsolidowanym zaniża parcie spoczynkowe nawet kilkukrotnie: w glinie o OCR rzędu 7–10 rzeczywiste K₀ bywa 1,0–1,5 zamiast zakładanych 0,45. Moment zginający w ściance liczony z błędnego K₀ jest zaniżony po niebezpiecznej stronie. DMT daje K₀ z pomiaru, a nie z założenia.

Moduły do osiadań. M_DMT jest wyznaczany przy odkształceniu odpowiadającym warunkom eksploatacyjnym, a nie przy zniszczeniu. W gruntach przekonsolidowanych, gdzie sztywność silnie maleje z odkształceniem, moduł z CPTU liczony przez α_M potrafi rozminąć się z rzeczywistym o rząd wielkości. Osiadania to jest ta wartość, na której najbardziej zależy projektantom.

Stateczność skarpy. Tu wprost DMT jest w stanie pomóc w wyznaczeniu strefy osłabienia w gruncie.

Anizotropia gruntów fliszowych i zwietrzelin. Na Pogórzu i Podkarpaciu grunty mają wyraźną teksturę kierunkową — łupkowatość, laminację, powierzchnie nieciągłości. Sztywność pionowa i pozioma różnią się istotnie, a zestawienie CPTU z DMT pozwala tę anizotropię w ogóle zobaczyć.

SDMT — pełna krzywa sztywności

W wersji sejsmicznej (SDMT) łopatka ma dodatkowo dwa geofony i mierzy prędkość fali poprzecznej V_s. Z V_s wyznaczamy moduł przy bardzo małych odkształceniach: G₀ = ρ · V_s². Mając jednocześnie G₀ (odkształcenia rzędu 10⁻⁶) i M_DMT (odkształcenia eksploatacyjne) z tej samej głębokości i tego samego wciśnięcia, dostajemy w jednym sondowaniu dwa punkty krzywej degradacji sztywności — a to jest to, czego wymaga każda porządna analiza osiadań i każda analiza dynamiczna. V_s jest też wprost potrzebne do wyznaczenia klasy podłoża wg PN-EN 1998-1 tam, gdzie liczymy oddziaływania sejsmiczne lub parasejsmiczne.

Zestawienie opiera się na czterech sondowaniach i ma charakter poglądowy — nie jest statystycznie reprezentatywne dla żadnego z regionów. Zwierciadło wody gruntowej przyjęto jednakowo na 2,0 m p.p.t.; realne położenie zwierciadła wpływa na σ′_v0 i tym samym na OCR. Okno 5,0–8,0 m wybrano dlatego, że we wszystkich czterech profilach występuje w nim glina; w Katowicach obejmuje ono odcinek 5,0–6,48 m, bo na tej głębokości sondowanie zakończono, co przy tej samej liczbie pomiarów na metr daje tam mniejszą próbę (149 wobec 301). Korelacja Kulhawy'ego–Mayne'a ma rozrzut rzędu ±30% nawet w gruntach, dla których była kalibrowana. Wartości s_u i M podano wyłącznie jako rzędy wielkości. Do projektu parametry wyznaczamy każdorazowo dla konkretnej lokalizacji, z kalibracją laboratoryjną.

Geologia czwartorzędu i zasięgi zlodowaceń

1. Marks L., 2005 — Pleistocene glacial limits in the territory of Poland. Przegląd Geologiczny 53 (10/2), 988–993.
2. Marks L., 2011 — Quaternary glaciations in Poland. [w:] Ehlers J., Gibbard P.L., Hughes P.D. (red.), Developments in Quaternary Science 15, 299–303.
3. Lindner L., Marks L., 2012 — Climatostratigraphic subdivision of the Pleistocene of Poland. Przegląd Geologiczny 60 (1), 36–45.
4. Hughes A.L.C., Gyllencreutz R., Lohne Ø.S., Mangerud J., Svendsen J.I., 2016 — The last Eurasian ice sheets — a chronological database and time-slice reconstruction, DATED-1. Boreas 45 (1), 1–45.
5. Patton H., Hubbard A., Andreassen K., Auriac A., Whitehouse P.L. i in., 2017 — Deglaciation of the Eurasian ice sheet complex. Quaternary Science Reviews 169, 148–172.
6. Wysota W., Molewski P., Sokołowski R.J., 2009 — Record of the Vistula ice lobe advances in the Late Weichselian glacial sequence in north-central Poland. Quaternary International 207, 26–41.
7. Boulton G.S., Dobbie K.E., 1993 — Consolidation of subglacial sediment by subglacial meltwater drainage. Journal of Glaciology 39 (131), 26–44.
8. Kaczyński R., 2017 — Warunki geologiczno-inżynierskie na obszarze Polski. PIG-PIB, Warszawa.

Interpretacja CPTU i DMT

9. Kulhawy F.H., Mayne P.W., 1990 — Manual on Estimating Soil Properties for Foundation Design. EPRI EL-6800, Cornell University.
10. Robertson P.K., 1990 — Soil classification using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal 27 (1), 151–158.
11. Robertson P.K., 2009 — Interpretation of cone penetration tests — a unified approach. Canadian Geotechnical Journal 46 (11), 1337–1355.
12. Robertson P.K., Cabal K.L., 2010 — Estimating soil unit weight from CPT. 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing, Huntington Beach.
13. Lunne T., Robertson P.K., Powell J.J.M., 1997 — Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. Blackie Academic / Spon Press, Londyn.
14. Mayne P.W., 2007 — Cone Penetration Testing: A Synthesis of Highway Practice. NCHRP Synthesis 368, TRB, Waszyngton.
15. Marchetti S., 1980 — In situ tests by flat dilatometer. ASCE Journal of the Geotechnical Engineering Division 106 (GT3), 299–321.
16. Marchetti S., Monaco P., Totani G., Calabrese M., 2001 — The Flat Dilatometer Test (DMT) in soil investigations. Raport Komitetu Technicznego TC16, ISSMGE.
17. Marchetti S., Monaco P., Totani G., Marchetti D., 2008 — In situ tests by seismic dilatometer (SDMT). ASCE Geotechnical Special Publication 180, 292–311.

Normy i przepisy

18. PN-EN 1997-1 i PN-EN 1997-2 — Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne.
19. PN-EN ISO 22476-1 — Badania polowe: sondowanie statyczne stożkiem elektrycznym i piezostożkiem.
20. PN-EN ISO 22476-11 — Badania polowe: badanie dylatometrem płaskim.
21. PN-EN 1998-1 — Eurokod 8: Projektowanie konstrukcji poddanych oddziaływaniom sejsmicznym.
22. PN-B-02479:1998 — Dokumentowanie geotechniczne. Zasady ogólne.
23. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz.U. 2012 poz. 463).