W skrócie: pierwotny model podłoża zakładał jednorodną warstwę glin pylastych twardoplastycznych o M₀ ≈ 48 MPa (na podstawie PN03020). Nasze badania — CPTU, SDMT, wiercenie rdzeniowe, ERT i model 3D stropu skały — pokazały podłoże dwudzielne: tuż pod poziomem posadowienia po iły o M₀ = 5–7 MPa w zagłębieniu krasowym do stropu skały. Różnica w prognozie osiadań: ok. 5 mm wg modelu pierwotnego vs 23–28 mm w strefie iłów przy niemal zerowym osiadaniu na skale, czyli osiadanie różnicowe rzędu 1/220–1/270 rozstawu słupów. Dla stóp najbardziej obciążonych — do 48–59 mm i 1/133, a dla stopy trafiającej na samą granicę stref przechył podstawy 1/62 do 1/30. Projektant skorygował założenia bezpośrednio przed rozpoczęciem robót. W obliczeniach pominięto wpływ eksploatacji lub możliwej deformacji od powstania leju krasowego. Nie analizowano także problematyki posadzki.
Punkt wyjścia: model z jedną warstwą
Obiekt: hala przemysłowa na terenie pogórniczym w województwie śląskim, fundamentowanie bezpośrednie na stopach, poziom posadowienia −1,20 m względem zera posadzek.
Pierwotny projekt geotechniczny opierał się na archiwalnej opinii z 11 otworów o łącznym metrażu 38,8 mb. Do obliczeń posadowienia przyjęto model sprężysty (na podstawie wycofanej normy PN03020), w praktyce sprowadzony do jednego wydzielenia nośnego:
| Warstwa | Grunt | Stan | c [kPa] | φ [°] | γ [kN/m³] | M0 [MPa] | M [MPa] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | glina pylasta | tpl, IL = 0,10 | 35,5 | 20,1 | 21,0 | 47,9 | 63,9 |
| 2 | glina pylasta | pzw, IL = 0,00 | 40,0 | 22,0 | 21,0 | 63,3 | 84,4 |
Wnioski projektu: warunki gruntowe proste, qult > 610 kPa, osiadanie dopuszczalne 50 mm. Przy takich parametrach każda stopa w hali ma te same osiadania i tak też została zaprojektowana.
Problem nie leżał w błędzie obliczeniowym, tylko w rozdzielczości rozpoznania i podejścia obliczeniowego. Skromne rozpoznanie nie pozwoliło określić, pod którymi stopami mogą zajść nadmierne osiadania. W dodatku przyjęcie jednej poziomej warstwy nie umożliwia zweryfikowanie różnic osiadania.
Co pokazały badania in situ
Zakres wykonany przed rozpoczęciem budowy:
- 6 otworów geotechnicznych
- wiercenie rdzeniowe — 27,0 m, z oznaczeniem Rc na próbkach skalnych
- CPTU , sondowania kończone na stropie zwietrzeliny
- SDMT (dylatometr Marchettiego z pomiarem fal Vs)
- ERT , 4 przekroje głębokościowe, opracowany model 3D
- badania laboratoryjne — badania konsystencji i wytrzymałości na ściskanie
- model 3D stropu triasu w odniesieniu do projektowanych stóp
Geometria, której nie było w modelu pierwotnym
Strop skały triasowej okazał się silnie zróżnicowany — ponad 4,3 m deniwelacji na obrysie jednej hali. Przy jednej krawędzi skała występuje praktycznie od powierzchni terenu, przy przeciwnej rozpoznano zagłębienie typu krasowego wypełnione iłami. ERT potwierdziła ciągłość tej granicy między otworami.
To nie jest niuans stratygraficzny. To oznacza, że ta sama hala stoi jednocześnie na podłożu o module rzędu 1000 MPa i na podłożu o module rzędu 7 MPa, co w żadnym wypadku nie zostało uwzględnione.
Parametry z CPTU
| Wydzielenie | Grunt | qc [MPa] | IL / ID | M0 [MPa] | su [kPa] |
|---|---|---|---|---|---|
| I | piaski średnie | 5,79 | ID = 0,35 | 22,9 | — |
| II | iły pylaste, gliny zwięzłe | 1,74 | IL = 0,10 | 14,0 | ~85 |
| III | iły w zagłębieniu krasowym | 0,90 | IL = 0,26 | 6,95 (min. 4,75) | ~40 |
| III | przewarstwienia zwietrzeliny kamienistej | 8,30 | — | — | — |
Warstwa III to nie jednorodny pakiet, tylko naprzemianległe iły (qc = 0,65–1,23 MPa) i zwietrzelina kamienista (qc = 3,1–33,6 MPa) w interwałach 0,15–0,35 m. Takiego układu nie rozpozna wiercenie — wiertło daje uśredniony opis makroskopowy, CPTU daje granice warstw co 1 cm.
Parametry z dylatometru SDMT
SDMT dał niezależną kontrolę modułu i historii naprężenia:
- M wg Marchettiego (1980), M = RM·ED: 16,5–20 MPa w warstwie II, lokalnie do 77–123 MPa w przewarstwieniach piaszczysto-kamienistych
- OCR = (0,5·KD)1,56 → 2,6–10,1, czyli grunty od nieskonsolidowanych do silnie prekonsolidowanych w zależności od genezy
Wniosek z zestawienia obu metod: grunty są częściowo prekonsolidowane, ale prekonsolidacja nie przekłada się na sztywność tam, gdzie w profilu dominuje ił. Rozbieżność względem modelu pierwotnego wynosi w strefie iłów 7–10-krotność.
Obliczenia osiadań: przed i po badaniach
Metoda: naprężenia wg Boussinesqa, sumowanie odkształceń wg PN-81/B-03020, s = Σ Δσz,i·hi/M0,i, krok całkowania 5 cm. Stopa reprezentatywna 2,60 × 2,60 m, poziom posadowienia −1,20 m, trzy poziomy nacisku. Dla stopy na granicy stref osiadanie liczone w środku każdej połówki podstawy, z superpozycją naprężeń od całej powierzchni obciążonej.
| qnetto [kPa] | NSLS [kN] | A — model pierwotny | B — iły wg CPTU | B′ — najsłabszy profil | C — skała | Stopa na granicy: połowa ilasta / skalna | D — po korekcie |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 108 | ~900 | 4,9 mm | 23,0 mm | 28,1 mm | 0,26 mm | 21,3 / 0,24 mm | 8,5 mm |
| 160 | ~1250 | 7,3 mm | 34,1 mm | 41,7 mm | 0,38 mm | 31,6 / 0,36 mm | 12,5 mm |
| 225 | ~1690 | 10,3 mm | 47,9 mm | 58,6 mm | 0,53 mm | 44,4 / 0,50 mm | 17,6 mm |
Wariant D to warstwa gruntu rodzimego stabilizowanego cementem o grubości 2,5 m, przyjęta do obliczeń zachowawczo jako M0 = 60 MPa.
Osiadanie różnicowe: właściwa miara ryzyka
Osiadanie bezwzględne w wariancie podstawowym mieściło się w dopuszczalnych 50 mm. Przy najwyższym nacisku i najsłabszym rozpoznanym profilu kryterium to jednak zostaje przekroczone (58,6 mm). Zasadniczym problemem było zróżnicowanie osiadań przy rozstawie słupów 6,32 m.
| qnetto [kPa] | Δs: stopa na iłach ↔ stopa na skale | Odkształcenie kątowe β | β dla najsłabszego profilu | Przechył stopy na granicy stref (na 1,30 m) | β po korekcie |
|---|---|---|---|---|---|
| 108 | 22,7 mm | 1/278 | 1/227 | 1/62 (najsłabszy 1/50) | 1/770 |
| 160 | 33,7 mm | 1/188 | 1/153 | 1/42 (1/34) | 1/520 |
| 225 | 47,4 mm | 1/133 | 1/109 | 1/30 (1/24) | 1/370 |
Wartości graniczne β dla konstrukcji szkieletowych przyjmuje się zwykle jako 1/500. Wariant bez korekty przekracza tę granicę nawet czterokrotnie, przy czym cała różnica zbiera się na przejściu strefa skalna – strefa ilasta, a nie rozkłada równomiernie po hali.
Stopa posadowiona na samej granicy stref to już nie zagadnienie osiadania, tylko obrotu. Przechył 1/62 do 1/30 na szerokości podstawy oznacza, że stopa przestaje pracować jako element osiowo obciążony: pojawia się mimośród, podstawa częściowo się odrywa.
Konkretny przypadek: dwie sąsiednie stopy przy krawędzi hali
Najczytelniejszy przykład nie jest teoretyczny. To dwie stopy w skrajnej osi przy wschodniej krawędzi obiektu, odległe o jeden rozstaw — 6,32 m.
- Stopa nr 1 (2,00 × 2,00 m) trafia w strefę płytko występującej skały: strop triasu praktycznie na poziomie posadowienia, moduł podłoża rzędu 1000 MPa.
- Stopa nr 2 (2,70 × 1,40 m), 6,32 m dalej, jest już nad wypełnieniem zagłębienia krasowego: warstwa II o M0 = 14 MPa, pod nią iły o M0 = 6,95 MPa, strop skały dopiero ~3,8 m poniżej podstawy.
Strop skały zapada w kierunku południowym i przy tej krawędzi robi to najostrzej. Obie stopy mają zbliżoną powierzchnię podstawy (4,00 i 3,78 m²), więc przy porównywalnym obciążeniu słupa naciski jednostkowe są niemal identyczne. Model pierwotny traktował je jako bliźniacze.
| Wariant | Stopa nr 1 (skała) | Stopa nr 2 (iły) | Δs | β na 6,32 m |
|---|---|---|---|---|
| Model pierwotny, N = 600 kN | 4,7 mm | 4,7 mm | 0,0 mm | — |
| Wg badań, N = 600 kN | 0,24 mm | 21,2 mm | 20,9 mm | 1/302 |
| Wg badań, profil najsłabszy, N = 600 kN | 0,24 mm | 25,3 mm | 25,1 mm | 1/253 |
| Wg badań, N = 800 kN | 0,34 mm | 29,5 mm | 29,2 mm | 1/216 |
| Wg badań, profil najsłabszy, N = 800 kN | 0,34 mm | 35,2 mm | 34,9 mm | 1/181 |
| Po stabilizacji 1,9 m, N = 800 kN | 0,34 mm | 10,1 mm | 9,8 mm | 1/649 |
Na tym przykładzie widać istotę problemu w jednej liczbie: model pierwotny przewidywał między tymi stopami różnicę 0,0 mm. Nie z powodu błędu rachunkowego — w modelu z jedną warstwą ta różnica nie mogła się pojawić. Jedyny sposób, żeby ją wykazać, to rozpoznać geometrię stropu skały, a nie tylko parametry gruntu.
Co ta różnica oznacza w praktyce akurat w tym miejscu: jest to krawędź obiektu, więc różnicowe osiadanie sąsiednich stóp przenosi się bezpośrednio na obudowę, orynnowanie i osadzenie bram — elementy, w których 20–30 mm jest od razu widoczne. Dodatkowo rama przekazuje obciążenie w stronę stopy sztywnej, więc stopa na skale przejmuje większą część reakcji, niż wynika z obliczeń z jednym modułem.
Co zmienił projektant
Rewizja rzutu fundamentów wydana bezpośrednio przed rozpoczęciem robót fundamentowych wprowadziła:
- Dwa modele podłoża zamiast jednego. Dla stóp w strefie ilastej przyjęto M0 = 6 MPa, M = 10 MPa, c′ = 3,5 kPa, φ′ = 17°, γ = 21 kN/m³ — wartości zgodne z wynikami badań dla warstwy III. Dla strefy skalnej pozostał model z gliną pylastą IL = 0,10.
- Dwie rodziny stóp o różnej geometrii, przypisane do stref geologicznych, a nie tylko do funkcji słupa.
- Zróżnicowane wzmocnienie podłoża stabilizacją cementem — warstwa gruntu rodzimego wymieszanego ze spoiwem, układana pod chudym betonem: 2,5 m pod stopą najbardziej obciążoną, 1,9 m pod stopami w zagłębieniu krasowym, 0,3 m pod pozostałymi, brak wzmocnienia w strefie skalnej.
- Korektę wymiarów stóp w rzędzie przylegającym do strefy skalnej.
Stóp na samej granicy stref nie pozostawiono: zostały albo przesunięte w strefę jednorodną, albo posadowione na warstwie stabilizacji przechodzącej przez całą podstawę, co eliminuje różnicę sztywności pod jednym fundamentem.
Gdzie jeszcze na Śląsku należy się spodziewać takiego układu
Opisany przypadek nie jest lokalną osobliwością. Wynika z budowy geologicznej powtarzającej się na dużych powierzchniach województwa śląskiego: płytko zalegające skały węglanowe podatne na krasowienie, przykryte niegrubą, nieskonsolidowaną pokrywą czwartorzędową.
Garb Tarnogórski i obrzeżenie triasowe GZW
Pas utworów triasowych obrzeżających Górnośląskie Zagłębie Węglowe od północy i wschodu: wapienie i dolomity wapienia muszlowego oraz dolomity kruszconośne, w których rozwinął się kras kopalny i współczesny lub tzw. paleokras.
- Tarnowskie Góry, Radzionków, Bytom, Piekary Śląskie, Siemianowice Śląskie, Chorzów, Świętochłowice
- Bobrowniki, Będzin, Czeladź, Sosnowiec, Dąbrowa Górnicza (szczególnie rejon Strzemieszyc i Ząbkowic)
- Sławków, Jaworzno, dalej na wschód Trzebinia i Chrzanów
- Woźniki i próg woźnicki — północna krawędź wychodni triasu
Dodatkowym czynnikiem jest wielowiekowa eksploatacja rud Zn-Pb, prowadzona właśnie w dolomitach kruszconośnych. Płytkie wyrobiska i zroby wchodzą w te same partie skał, w których występują kawerny i kominy krasowe. Odwodnienie górnicze, obniżając zwierciadło wód krasowych, sprzyja uruchamianiu sufozji i powstawaniu zapadlisk.
Jura Krakowsko-Częstochowska i jej przedpole
Wapienie górnej jury — masywne wapienie skaliste sąsiadujące z wapieniami płytowymi, o bardzo nieregularnej powierzchni stropowej przykrytej piaskami i glinami.
- Częstochowa, Mstów, Olsztyn, Janów, Poraj
- Myszków, Zawiercie, Włodowice, Ogrodzieniec, Kroczyce
Charakterystyczne są tu ostańce pogrzebane — izolowane wychodnie wapienia skalistego tkwiące w osadach czwartorzędowych. Ostaniec o wymiarach kilkunastu metrów mieści się w całości pod obrysem jednej hali, dając dokładnie ten układ: kilka stóp na skale, reszta na piaskach i glinach o module kilkunastokrotnie niższym.
Południowe i wschodnie obrzeżenie GZW
Wychodnie i płytkie zaleganie utworów węglanowych triasu na południe i wschód od Katowic: Mikołów i okolice, Ornontowice, Łaziska, Imielin, Chełm Śląski, Lędziny, Bieruń, wschodnie dzielnice Mysłowic. Skala zjawisk jest tu na ogół mniejsza niż w rejonie tarnogórskim, ale mechanizm jest identyczny.
Skały karbońskie i strefy uskokowe
Ten sam kontrast sztywności pod jednym obiektem powstaje bez udziału krasu wszędzie tam, gdzie strop karbonu został rozcięty uskokiem tektonicznym o znacznym zrzucie. GZW jest gęsto pocięte dyslokacjami o zrzutach od kilku do kilkudziesięciu metrów. Po jednej stronie uskoku piaskowce i mułowce karbonu mogą zalegać tuż pod pokrywą czwartorzędową, po drugiej kilkanaście metrów niżej, a przestrzeń nad zrzuconym skrzydłem wypełniają piaski, namuły i gliny zwałowe.
Efekt geotechniczny jest identyczny jak przy zagłębieniu krasowym, z dwiema różnicami: granica jest liniowa i ostra, co paradoksalnie ułatwia rozpoznanie, o ile w ogóle szuka się jej celowo. Strefa przyuskokowa bywa natomiast zbrekcjowana i rozluźniona, więc przejście skała – grunt obejmuje pas osłabionego materiału.
Podobnie zachowują się kopalne doliny rzeczne wcięte w karbon — rynny erozyjne wypełnione luźnymi osadami, przebiegające w dużej części pod zabudowanymi obszarami aglomeracji.
Kiedy zlecać rozpoznanie pod tym kątem
Sygnał ostrzegawczy to zestaw trzech przesłanek naraz:
- w podłożu występują utwory węglanowe (trias lub jura) albo znany jest przebieg uskoku w karbonie,
- pokrywa czwartorzędowa jest cienka, rzędu kilku metrów,
- obiekt jest rozległy w planie, a jego fundamenty rozstawione na kilkadziesiąt metrów.
Przy takim zestawie rozpoznanie wyłącznie wierceniami, w siatce typowej dla prostych warunków gruntowych, z dużym prawdopodobieństwem nie wykryje formy o średnicy kilkunastu metrów lub nie wskaże różnicy w parametrach. Sensowna metodyka to badania geofizyczne dla ustalenia geometrii stropu skały, zagęszczone sondowaniami CPTU i dylatometrem w strefach anomalii, plus wiercenie rdzeniowe dla kontroli charakteru samej skały oraz jej stopnia spękania.
Wnioski
Rozdzielczość rozpoznania, nie tylko jego metraż. Archiwalne 38,8 mb wierceń dało poprawny opis makroskopowy i błędny model obliczeniowy. Dopiero CPTU i dylatometr SDMT pokazały, że glina pylasta twardoplastyczna to w rzeczywistości pakiet iłów o IL do 0,33 z wkładkami okruchów skalnych. Badania geofizyczne znacznie ułatwiają typowanie tego typu miejsc.
Geometria granic jest parametrem projektowym. Model 3D stropu triasu ujawnił deniwelację 4,3 m pod obrysem hali. Bez tego żaden zestaw parametrów wytrzymałościowych nie dałby poprawnej prognozy, bo problemem nie była wartość osiadania, tylko jego zmienność w planie.
Koszt badań wobec kosztu korekty. Korekta na etapie projektu to zmiana rysunku. Ta sama korekta po stwierdzeniu zarysowań w konstrukcji to wzmacnianie podłoża pod gotowym obiektem warte kilkaset tysięcy złotych.
Badania in situ mają sens także tam, gdzie warunki są proste. Pierwotnie teren kwalifikował się do prostych warunków gruntowych i II kategorii geotechnicznej z uwagi na brak zauważonej strefy krasowej. Zagłębienie krasowe pod krawędzią hali nie zmieściło się w tej kwalifikacji z uwagi na okrojony zakres badań. Niemniej identyczne parametry mechaniczne na takiej odległości występują niezwykle rzadko, a dopuszczalne różnice osiadania są konsekwencją projektowanych rozwiązań.
Najgroźniejszy nie jest grunt słaby, tylko grunt słaby obok bardzo mocnego. Sam ił o M0 = 6 MPa nie jest problemem nierozwiązywalnym: daje osiadanie przewidywalne i równomierne, pod które można zaprojektować konstrukcję. Sama skała o module odkształcenia rzędu 1 GPa też nie jest problemem. Problemem jest ich sąsiedztwo pod jednym obiektem, a kontrast sztywności wynosi tu około 1000 MPa do 6 MPa, czyli blisko 170-krotnie.
Praktyczne konsekwencje tego stosunku są cztery:
- Osiadanie różnicowe równa się w przybliżeniu całemu osiadaniu strony słabszej. Strona skalna osiada 0,2–0,5 mm, czyli niemal w ogóle. Reguła wyniesiona z podłoża jednorodnego, gdzie osiadanie różnicowe przyjmuje się jako 50–75% całkowitego, w tym układzie nie obowiązuje.
- Przejście jest skokowe. Strop skały krasowej czy powierzchnia uskoku to granica o zasięgu centymetrów. Cała różnica odkształceń zbiera się na jednym rozstawie słupów, a w skrajnym przypadku na szerokości jednej stopy.
- Podłoże sztywne przyciąga obciążenie. Układ statyczny przekazuje reakcje w stronę mniej podatną, więc konstrukcja pracuje w schemacie, którego nikt nie sprawdzał.
- Korekta przekroju tego nie naprawi. Rozwiązaniem jest ujednolicenie warunków posadowienia: zejście do skały na całym obrysie, wzmocnienie lub wymiana w strefie słabej doprowadzająca moduły do porównywalnego poziomu, albo świadome rozdzielenie obiektu dylatacją po granicy stref.
Stąd wskazówka projektowa dla całego opisanego obszaru: na terenach skał węglanowych i w strefach uskokowych pytaniem podstawowym nie jest, jaka jest nośność podłoża, tylko czy pod obiektem podłoże jest jednorodne. To pierwsze rozstrzyga wiercenie. To drugie — dopiero geofizyka z sondowaniami i model geometryczny stropu skały.
Obliczenia osiadań wykonano dla obciążenia reprezentatywnego i mają charakter porównawczy: służą pokazaniu wpływu przyjętego modelu podłoża, nie zastępują obliczeń projektowych dla konkretnych stóp.
GEOdev — badania in situ i geotechnika
Wykonujemy sondowania statyczne CPTU, badania dylatometryczne DMT i SDMT z pomiarem fal Vs, sondowania dynamiczne, wiercenia geologiczno-inżynierskie i rdzeniowe, profilowania ERT oraz modele 3D podłoża. Opracowujemy opinie geotechniczne, dokumentacje badań podłoża gruntowego i dokumentacje geologiczno-inżynierskie. Działamy w województwie śląskim i małopolskim oraz na terenie całej Polski.
