Projekt nowego eurokodu geotechnicznego (EC7-3) w zakresie wzmocnienia podłoża gruntowego
Karolina Trybocka, Piotr Kanty, Jakub Saloni, Menard Sp. z o.o.
Druga generacja Eurokod 7, która obecnie jest opracowywana, będzie zawierała obszerny rozdział poświęcony w całości wzmocnieniu podłoża (ang. ground improvement). Wiele osób zadaje pytanie co będzie zawierał rozdział 10 należący do nowego Eurocodu 7 – Część 3. Prezentowany artykuł częściowo udziela odpowiedzi na to pytania, przy czym należy podkreślić, że na ten moment rozdział ciągle podlega ewolucji i pełną odpowiedź poznamy po zakończeniu prac związanych z opracowywaniem znowelizowanej normy.
Obecnie w normie PN-EN 1997-1: Eurokod 7 (Projektowanie geotechniczne; Cześć 1: Zasady ogólne) zagadnienie wzmocnienie gruntu ujęte jest w rozdziale 5: Nasypy i zasypki, odwodnienie, ulepszanie i wzmocnienie podłoża.
Przy czym treść tego rozdziału jest na tyle uboga (cały rozdział obejmuje 5 stron), że czytelnik nie jest nawet w stanie odróżnić pojęcia „ulepszanie” od „wzmacnianie”. Z jednej strony, tak mało precyzyjne zapisy pozostawiają swobodę i wymagają od projektanta szukania innych źródeł wytycznych projektowych, z drugiej strony powodują, że wzmocnienie gruntu nie jest traktowane jako poważna alternatywa dla posadowienia głębokiego (np. palowanie gruntu).
Na całym świecie wzmocnienie podłoża jest powszechnie stosowane. Nieuchronna stała się potrzeba objęcia tego szerokiego działu geotechniki normatywem projektowym.
Należy mieć na uwadze, że wzmocnienie podłoża gruntowego obejmuje bardzo szeroki zakres zagadnień geotechnicznych oraz szeroki zakres technologii (metod). Z tego względu jednym z podstawowych zagadnień jest wyodrębnienie pewnych grup wzmocnienia (klasyfikacja) w odniesieniu do przyjętego modelu obliczeniowego.
W projekcie EC7-3 wyodrębniono dwie rodziny (ang. family) w zależności od tego czy obszar wzmacniany jest objętościowo czy dyskretnie (w sposób nieciągły):
A – rozproszone/ objętościowe (ang. diffused) wzmocnienie podłoża;
B – dyskretne/ nieciągłe (ang. discrete) wzmocnienie podłoża.
Dodatkowo wyodrębniono trzy klasy (ang. class) w zależności od efektu otrzymanego dzięki wzmocnieniu (od parametrów wiodących jakimi charakteryzuje się produkt wzmocnienia).:
I – grunt wzmocniony (A) lub elementy wzmacniające grunt (B) posiadają zwiększone parametry wytrzymałościowe oraz sztywność, ale nie posiadają mierzalnej wytrzymałości na ściskanie;
II – grunt wzmocniony (A) lub elementy wzmacniające grunt (B) posiadają pewną mierzalną wytrzymałość na ściskanie;
III – grunt wzmocniony (A) lub elementy wzmacniające grunt (B) posiadają zredukowaną lub zwiększoną przepuszczalność.
Macierz powstałą na podstawie powyższej klasyfikacji zobrazowano w poniższej tabeli.
W dziesięciu głównych podpunktach rozdziału poświęconego wzmocnieniu podłoża ujęto kolejno:
- Podstawową klasyfikację wzmocnienie podłoża gruntowego oraz zakres stosowania rozdziału 10.
- Podstawy projektowania wzmocnienia podłoża takie jak: sytuacje obliczeniowe, odchyłki wykonawcze, oddziaływania, stany graniczne, niezawodność, rozpoznanie podłoża gruntowego, miarodajność modelu geotechnicznego.
- Materiały – trwałość materiałów oraz w sytuacjach uzasadnionych konieczność uwzględnienia pogorszenia parametrów materiałowych w czasie, zasady przyjmowania parametrów opisujących grunt wzmocniony. Dla wzmocnień, które posiadają mierzalną wytrzymałość na ściskanie podano formuły do wyznaczenia charakterystycznej wartości wytrzymałości na ściskanie, przy czym dopuszczalna wartość prawdopodobieństwa uszczegółowiona zostanie w załączniku krajowym. Podano również wzór oraz współczynniki częściowe potrzebne do wyznaczenia wytrzymałości obliczeniowej (tu pozostawiono również pewien margines dowolności, który poszczególne kraje uszczegółowią w załączniku krajowym).
- Woda gruntowa – oddziaływanie wody na wzmocnione podłoże a także wpływ wzmocnionego podłoża na przepływ wody gruntowej.
- Analiza geotechniczna – metody obliczeniowe. Formuła opisująca nośność podłoża wzmocnionego sztywnymi inkluzjami.
- Stan graniczny nośności (ULS). Wyodrębniono kluczowe aspekty analizy geotechnicznej rekomendowane do weryfikacji stanów granicznych nośności – są one uzależnione od klasyfikacji podanej na początku artykułu. Podano rekomendowane współczynniki częściowe potrzebne do weryfikacji stanu granicznego nośności wzmocnionego podłoża gruntowego (z dopuszczalnymi zmianami wartości w załączniku krajowym).
- Stan graniczny użytkowania (SLS).
- Aspekty wykonawcze, kontrola, monitoring, utrzymanie.
- Badania sprawdzające.
- Wytyczne dotyczące dokumentowania, w odniesieniu do głównych dokumentów związanych ze wzmocnieniem podłoża gruntowego: Dokumentacja Badań Podłoża, Projektu Geotechnicznego oraz Dokumentacji Powykonawczej.
W podrozdziałach 5 oraz 6 wyeksponowana została koncepcja (idea) projektowania wzmocnienia podłoża. Analiza geotechniczna musi odbywać się każdorazowo z uwzględnieniem wzajemnych interakcji poszczególnych elementów układu: gruntu, elementów wzmacniających, warstwy transmisyjnej posadowionej konstrukcji przy jednoczesnym zapewnieniu nie przekroczenia wytrzymałości wewnętrznej każdego z tych elementów. Należy podkreślić, że rekomendowana formuła do wyznaczenia nośności podłoża wzmocnionego sztywnymi inkluzjami jest sumą nośności kolumn oraz gruntu pomiędzy nimi. Dopuszcza się osiągnięcie geotechnicznego stanu nośności granicznej pojedynczej kolumny, pod warunkiem, że nie zostanie przekroczona ani nośność w globalnym systemie wzmocnienia ani nośność strukturalna kolumny.
Projektując wzmocnienie podłoża należy pamiętać, co podkreśla norma. Wzmocnienie podłoża nie może być analizowane bez uwzględnienie wpływu wyznaczonych przemieszczeń na konstrukcję, przemieszczenia te nie mogą być nadmierne a niejednorodność sztywności podparcia powinna być dostosowana do wrażliwości konstrukcji. Podczas gdy wzmocnienie objętościowe można analizować na zredukowanych parametrach materiałowych oraz odpowiednio przeskalowanych obciążeniach (MFA – material factor approach) lub z odpowiednio przeskalowanymi wartościami obciążeń i współczynnikiem na nośność (RFA – resistance factor approach), o tyle dla dyskretnego wzmocnienia podłoża wprost podano zalecenie stosowania podejścia wytrzymałościowego (RFA). W przypadku elementów dyskretnych dystrybucja obciążeń powinna być analizowana z przyjęciem reprezentatywnych parametrów materiałowych, niewłaściwe stosowanie współczynników częściowych może doprowadzić do całkowitego zaburzenia równowagi sił i błędnych obliczeń.
Uwaga: W artykule przytoczono nazwy angielskie dla pewnych terminów w celu precyzyjnego odniesienia do obecnej wersji roboczej dokumentu (który nie posiada jeszcze tłumaczenia polskiego).