Zabezpieczanie skarp i dna wykopu fundamentowego

W celu poprawnego zaprojektowania fundamentów, wykonuje się dokumentację badań podłoża gruntowego, lub geologiczno - inżynierską. W dokumentacji przedstawiona zostaje budowa geologiczna podłoża. Na przekrojach zilustrowany jest przebieg warstw i poziom wody gruntowej.

W części tekstowej każdej warstwie przypisane są parametry geotechniczne. Parametry te często określane są na podstawie precyzyjnych badań terenowych i laboratoryjnych. W wyniku przeprowadzonych sondowań sondą statyczną CPT, dylatometrem lub w oparciu o badania wytrzymałościowe w aparatach trójosiowych, wyprowadza się wartości parametrów, które umożliwiają zaprojektowanie posadowienia obiektu.

Badania takie są pracochłonne, wymagają nowoczesnego sprzętu, co powoduje, że są kosztowne.

Niestety często żdaża się, że przeprowadzone badania nie są w pełni przydatne, gdyż z dużym trudem określone parametry geotechnczne zmieniają się w wyniku niewłaściwie wykonywanych robót ziemnych.

Woda w wykopie

Najczęściej problemy pojawiają się gdy wykopy realizowane są w gruntach spoistych, glinach czy iłach, przykrytych warstwą piasków pokrywowych. W okresie wiosennych roztopów i intensywnych opadów, piaski przewodzą wodę. Woda spływa po stropie gruntów spoistych i wypełnia wykop, rozlewając się po jego dnie. Po krótkim czasie grunty spoiste przykryte wodą znacznie się uplastyczniają i nie nadają się do posadowienia fundamentów.

Wykop w gruntach spoistych wypełniony wodą opadową
Wykop wypełniony wodą opadową
Zebrana woda opadowa uplastycznia grunt. Konieczna będzie jego wymiana
Zebrana woda opadowa uplastycznia grunt. Konieczna będzie jego wymiana

Gdy woda przykrywa dno wykopu cienką warstwą 10 - 20 centymetrów, trudno jest ją odpompować. Na nic zdają się wykonane studnie, bo woda nie ma możliwości swobodnego przepływu. Studnie wykonane w gruntach spoistych nie spełniają swego założenia. Trudno jest odpompować wodę bezpośrednio z dna wykopu, gdyż dwudziestocentymetrowa warstwa wody nie pozwala na pełne zanurzenie pompy. Często czeka się aż woda wyparuje z wykopu. Póżniej trzeba usunąć z dna warstwę zniszczonego gruntu. Roboty przeciągają się, a koszty rosną.

Po lewej niezabezpieczony wykop zalany wodą deszczową. Po prawej: studnia wykonana w gruntach spoistych nie spełnia swojego założenia.
Po lewej niezabezpieczony wykop zalany wodą deszczową. Po prawej: studnia wykonana w gruntach spoistych nie spełnia swojego założenia.

Zabezpieczenie dna wykopu

Jak należy zapobiegać i chronić dno wykopu fundamentowego przed wodą?

W przypadku gdy podłoże zbudowane jest z gruntów spoistych najlepszym rozwiązaniem jest ukształtowanie dna wykopu z niewielkim spadkiem. Przy nachyleniu 5 promili, woda swobodnie spływa do krawędzi wykopu. Przy ścianie na całej jej szerokości wykonuje się niewielki wykop,wypełniony żwirem. Dno wykopu profiluje się lekko nachylone w kierunku studni zbiorczej, usytuowanej w narożniku wykopu. Woda zbiera się w studni, skąd łatwo jest odpompowywana na zewnątrz wykopu.

Przykład prawidłowo zabezpieczonego wykopu z studnią zbiorczą
Przykład prawidłowo zabezpieczonego wykopu z studnią zbiorczą

Osuszanie wykopu jest szczególnie trudne do wykonania gdy roboty ziemne prowadzi się przy pomocy koparki wyposażonej w łyżkę z zębami. Zęby zwiększają powierzchnię wchłaniania, a nierówność dna utrudnia spływ wody.

Wykop wykonany za pomocą koparki wyposażonej w łyżkę z zębami jest trudny do osuszania
Wykop wykonany za pomocą koparki wyposażonej w łyżkę z zębami jest trudny do osuszania

Niezależnie od rodzaju podłoża gruntowego nie jest zgodne ze sztuką budowlaną zdejmowanie ostatnich warstw gruntu przy pomocy zębatych łyżek. Niestety jest to zjawisko powszechne. Koparka z łyżką z zębami niszczy strukturę gruntu w dnie wykopu. Z powodzeniem udaje się przygotować podłoże pod fundamenty prostymi łyżkami. Jest to szczególnie przydatne w wykopach wykonywanych w twardoplastycznych i półzwartych gruntach, w których ręczne przygotowanie dna wykopu jest praktycznie niemożliwe do wykonania.

Ostatnie warstwy gruntu należy zdjąć przy pomocy koparki z prostą łyżką
Ostatnie warstwy gruntu należy zdjąć przy pomocy koparki z prostą łyżką

Wykop w nawodnionych piaskach

W wielu projektach przewiduje się budowę podziemnych parkingów. Dla wykorzystania podziemnej przestrzeni fundamenty posadawia się nieznacznie powyżej poziomu wody gruntowej. Często zdarza się też, że część fundamentów schodzi poniżej zwierciadła. W obu przypadkach ostatnia część wykopu musi być wykonana ręcznie. Mechaniczne głębienie wykopu przy lustrze wody powoduje zniszczenie struktury gruntu. Dzieje się tak ponieważ łyżka koparki odsysając grunt zasysa głębiej leżące warstwy.

Należy pamietać że piaszczyste podłoże w poziomie zwierciadła wody gruntowej jest praktycznie nie do zagęszczenia. Dzieje się tak gdyż całą energię zagęszczenia przejmuje woda gruntowa.

Zagęszczenie gruntu w dnie wykopu położonego nieznacznie powyżej lustra wody jest praktycznie niemożliwe. Poprawnie zagęścić grunt można jedynie obniżając poziom wody gruntowej. Szczególnie trudno jest zagęścić piaski tarasów rzecznych które są słabiej zagęszczone z natury rzeczy.

Skarpy wykopu

Oddzielny problem stanowią skarpy wykopów. W ostatnich latach coraz częściej obserwuję wykopy z wysokimi skarpami, realizowanymi bez żadnych zabezpieczeń. Zazwyczaj dzieje się tak z powodów ekonomicznych. Firmy wykonawcze ograniczone budżetem - w konkursie ofert trzeba było podać dobrą cenę, żeby otrzymać zlecenie - nie mają pieniędzy na wykonanie odpowiednich zabezpieczeń.

Skarpy kształtowane są pod niebezpiecznym nachyleniem. W gruntach spoisyych zdażają się skarpy o pionowym przebiegu. Działanie takie jest bardzo niebezpieczne i prędzej czy póżniej będziemy świadkami groźnego wypadku.

Przykład niezabezpieczonej skarpy o dużym nachyleniu
Przykład niezabezpieczonej skarpy o dużym nachyleniu
W gruntach spoisyych zdażają się skarpy o pionowym przebiegu. Działanie takie jest jednak bardzo niebezpieczne.
W gruntach spoisyych zdażają się skarpy o pionowym przebiegu. Działanie takie jest jednak bardzo niebezpieczne.

Osuwisko na skarpie

Na zdjęciach przedstawiona jest ściana wykopu, usytuowana w pobliżu ulicy osiedlowej na Ursynowie w Warszawie. Ściana ta o wysokości blisko pięć metrów wykonana została bez żadnego zabezpieczenia. W podłożu występowały twardoplastyczne i półzwarte gliny piaszczyste, które początkowo bez trudu utrzymywały stateczność.

Pięciometrowa skarpa z twardoplastycznych i półzwartych glin początkowo utrzymywała bez trudu
Pięciometrowa skarpa z twardoplastycznych i półzwartych glin początkowo utrzymywała bez trudu

Z biegiem czasu w wyniku odprężenia gruntu i opadów nastąpiło osuwisko. Konieczne stało się wykonanie zabezpieczenia skarpy. Ubytki w skarpie uzupełniono, a powierzchnię skarpy przykryto siatkami pokrytymi betonem natryskowym (torkretowanie). Na szczęście wypadek nie spowodował ofiar. Osuwisko było powierzchniowe i nie pociągnęło biegnącej po koronie skarpy drogi.

Z biegiem czasu w wyniku odprężenia gruntu i opadów nastąpiło osuwisko
Z biegiem czasu w wyniku odprężenia gruntu i opadów nastąpiło osuwisko
Koszty naprawy przewyższały znacznie koszty zabezpieczeń
Koszty naprawy przewyższały znacznie koszty zabezpieczeń
Koszty naprawy przewyższały znacznie koszty zabezpieczeń
Koszty naprawy przewyższały znacznie koszty zabezpieczeń.
Inne przykłady niezabezpieczonych skarp na których nastąpiły osuwiska
Inne przykłady niezabezpieczonych skarp na których nastąpiły osuwiska

Nadzór geotechniczny

Niezmiernie istotne jest, aby w czasie prowadzonych robót ziemnych i fundamentowych budowę nadzorował geotechnik.

Nadzór geotechniczny na budowie
Nadzór geotechniczny na budowie

Rola geotechnika nie sprowadza się jedynie do dokonywania odbiorów gruntu w dnie wykopu. Geotechnik musi czuwać nad całością zagadnień związanych z robotami ziemnymi. Gdy skarpy wykopu nachylone są pod zbyt ostrym kątem, geotechnik powinien dokonać odpowiedni wpis do dziennika budowy. O takim zdarzeniu trzeba także poinformować kierownika budowy i inspektora nadzoru.

Najprostszym, choć jedynie częściowym, zabezpieczeniem jest przykrycie skarpy folią. Folia zabezpiecza grunt przed wodą opadową.

Inżynier geotechnik, przed rozpoczęciem nadzoru na budowie, musi zapoznać się z dokumentacją badań podłoża gruntowego i projektową, dotyczącą posadowienia obiektu. W zasadzie najbardziej korzystne jest zatrudnienie na budowie osoby, która wykonywała dokumentację badań podłoża gruntowego.

Na jednej z budów prowadzonych na Mokotowie w Warszawie rozebrano dźwig posadowiony na krawędzi wykopu w obudowie typu "ścianka Larsena". Przeprowadzone, po zmontowaniu dźwigu, pomiary wykazały nierównomierne osiadanie fundamentu rzędu kilku centymetrów.

Geotechnik nadzorujący budowę nie zwrócił uwagi, że w miejscu posadowienia dźwigu, w podłożu zalegają nie zagęszczone grunty nasypowe o miąższości kilku metrów. Na szczęście na budowie pojawił się autor dokumentacji badań podłoża gruntowego i on odpowiednim wpisem do dziennika budowy spowodował zmianę niefortunnej lokalizacji.

Wnioski

Przedstawione powyżej przypadki pozwalają sformułować następujące wnioski:

  • Na etapie projektowania należy opracować i przedstawić w projekcie sposób zabezpieczenia dna wykopu przed wodą gruntową i opadową.
  • Ostatnie fragmenty wykopu należy wykonywać ręcznie lub koparkami z gładkimi łyżkami.
  • Na tarasach rzecznych, gdy poziom posadowienia znajduje się w pobliżu poziomu wody gruntowej, ostatnie centymetry wykopu należy wykonywać ręcznie.
  • Nie ma możliwości skutecznego zagęszczenia piasku znajdującego się w poziomie wody gruntowej bez obniżenia poziomu lustra wody
  • Skarpy wykopów należy kształtować pod kątem zapewniającym ich stateczność. Skarpy o większym nachyleniu muszą być odpowiednio zabezpieczone.
  • Roboty ziemne i fundamentowe należy prowadzić pod stałym nadzorem geotechnicznym.
  • Geotechnik prowadzący nadzór musi zapoznać się z dokumentacją geotechniczną i projektową.

dr inż. Krzysztof Traczyński