Jak ušetřit miliony na základových konstrukcích aneb k čemu jsou nám geotechnické normy

Úvod

Projektant je potom pod dvojím tlakem. Za prvé chce být odborníkem a svoji práci odvést co nejpřesněji, neboť za to má zákonem danou zodpovědnost. Na druhé straně si uvědomuje, že tato geologická subdodávka bude značným zásahem do jeho rozpočtu. Při podrobnějším pohledu zjistíme, že je to možná i dobře – zatímco stavebník nemá takové znalosti, aby rozhodoval o rozsahu průzkumných prací, projektant si umí nadefinovat kritéria, podle kterých volí – nejen to, zda jsou průzkumné práce žádoucí, ale také v jakém rozsahu a kvalitě, jak jsou nákladné nebo časově náročné. Původ zmíněného dilematu spočívá v nekompatibilitě zákona o geologických pracích a stavebního zákona. Pokud jsou průzkumné práce pro projekt realizovány, potom rozsah ze strany stavebníka často odráží požadavky zákona geologického, nikoli zákona stavebního. Návrh rozsahu a realizace průzkumných prací potom provádí odborně způsobilý geolog podle svého nejlepšího vědomí a svědomí, bez nutnosti dodržovat normy (zákon č. 62/1988 Sb., ve znění pozdějších předpisů, ukládá geologům pouze pracovat „odborně“, míra odbornosti není dána). Výsledkem jsou obvykle dlouhé kapitoly textu o geologickém vývoji, krátké geologické vrty a odhad mechanických vlastností základové půdy. Ve stavebním zákoně geotechnický průzkum vůbec není definován.

V následujícím textu si přiblížíme, podle jakých kritérií lze poznat, že projektant nebo stavebník uvažuje nad rozsahem stavebních prací správně. Kromě financí vstupují do hry také osobní etické normy toho, kdo průzkumné práce realizuje, a zkušenost projektanta. V konečné fázi však výstupy průzkumů musí poskytnout podklady pro dostatečně bezpečný a zároveň i ekonomický návrh geotechnických konstrukcí, pro které se průzkum prováděl.

Geolog není projektant základových konstrukcí

Málokdo ví, jak v současnosti probíhá běžná praxe v každodenní realitě. Pro investice za stovky milionů korun jsou běžně získávány informace o základové půdě tím nejlevnějším způsobem. Ten obsahuje pouze několik mělkých vrtů a převážně výsledky zrnitostních rozborů zemin se slovním popisem. Namísto skutečných mechanických vlastností zemin pak bývá předložen odhad na základě zkušenosti geologa (podrobněji dále), což není normový postup. Vlastnosti stanovené tímto způsobem mohou dosahovat 30–75 % skutečných hodnot. V případě pouze odhadnutých vlastností zemin statik založení a suterén stavby z bezpečnostních důvodů předimenzuje a realizaci tak významně zdraží. K nalezení odpovídajícího řešení rozsahu průzkumných prací a požadavku na sestavení geotechnického modelu je doporučeno využití norem a služeb auto­rizovaných inženýrů-geotechniků, kteří mají požadované znalosti a také profesní zodpovědnost.

Proto se nabízí otázka: Proč by se neměl projektant informovat u geologa? Bývala to běžná praxe. Odpovědí je, že průzkumné geologické práce mohou provádět pouze osoby odborně způsobilé na MŽP. Geolog je sice odborníkem na popis přírodního prostředí, ale až na výjimky rozhodně není projektantem a nemá pro projektování staveb technické vzdělání ani zkušenosti. Odborná způsobilost z geologických prací spadá pod Ministerstvo životního prostředí, nespadá pod autorizační zákon (geolog není členem ČKAIT, zákon č. 360/1992 Sb.) a na základě své profese, specializace a českých zákonů není proto geolog nikterak nucen dodržovat normy a technologické předpisy. Velké množství českých geologů totiž ani Eurokódy jakožto normy pro svou práci neuznává (geologické zákony a obdobné vyhlášky MŽP nepožadují dodržování technických norem). Rozsah průzkumných prací a požadované výsledky tedy musí stanovit projektant, který dokáže definovat požadavky pro statické výpočty prováděné konkrétní metodikou.

Průzkumné práce je nutné volit podle statické náročnosti stavby

Rozsah průzkumných prací je podle platných norem a předpisů (harmonizované ČSN EN 1997-1, ČSN EN 1997-2 a české ČSN P 73 1005, SŽ S4:2021, ŘSD TP76A, odkazující na zmíněné normy) závislý na statické náročnosti konstrukce a složitosti přírodních poměrů, což unifikují tzv. geotechnická kategorie (GK), které jsou tři. První GK (ČSN EN 1997-1, odst. 2.1) značí jednoduché přírodní poměry, při kterých je pozemek rovný, vrstvy základové půdy jsou průběžné a projektuje se staticky nenáročná konstrukce (např. jeden přízemní nepodsklepený rodinný dům). Pro získání informací o základové půdě zpravidla postačuje rešerše dříve provedených průzkumných prací z internetového portálu České geologické služby a informace pro návrh jednoduchých plošných základových konstrukcí z přílohy nově sestavené normy ČSN 73 1004. Nejdůležitější informace jsou v tomto případě (ne)přítomnost záplavového území, poddolování, geodynamické jevy a pro případ budování suterénu i přítomnost volné hladiny podzemní vody. Takové informace dokáže sestavit inženýrský geolog za cenu do 10 000 Kč.

Naproti tomu 3. geotechnická kategorie kombinuje staticky náročné stavby – těmi jsou např. výškové budovy a většina výrobních hal a mostů, vysoké náspy, budovy s více suterény apod. – a složité přírodní poměry, jako např. brownfieldy, vysoké navážky, parcely s přítomností sesuvů nebo záplavová území. V takovém případě kvalita průzkumných prací a přesnost vlastností pro výpočty často určuje, zda daný pozemek koupit, a určuje samotnou rentabilitu investice. Jedná se často o velkoobjemové zemní práce, stabilizace zemin, hluboké velkoprůměrové ŽB piloty apod. Odhadnuté vlastnosti zemin pro výpočty na základě „zkušenosti geologa“ potom zřejmě nebudou požadovanými vstupními podklady.

Etapovitost průzkumných prací

Průzkumné práce by podle ČSN EN 1997-1 měly být prováděny ve více etapách, což se většinou dodržuje pouze u státních zakázek tak, že geolog, navrhující průzkumné práce, objem prací rozmělní do více etap. Takový postup, kdy se místo skutečných analýz přinášejících numerické poznatky pro výpočty provádějí vrty a zrnitostní rozbory zemin, je však dávno překonán. Správným řešením by bylo, aby každá navazující etapa průzkumu doplňovala požadavky na zpřesnění informací získané v předešlé etapě projektové dokumentace. Z toho ovšem vyplývá nutnost postupy průzkumných prací konzultovat přímo s projektantem, což se však v praxi provádí velmi zřídka.

První etapou je provedení rešerše dostupných informací, která přináší základní podklady pro rozhodnutí, zda je záměr projektu rentabilní. Vzhledem k tomu, že se již málokdy staví na zelené louce, je nutné znát, jaký vývoj krajiny lze v blízkém časovém horizontu předpokládat (zvětrávání hornin, sesuvy, skalní řícení nebo třeba vydatné srážky). Neméně důležité je rovněž předem posoudit, jak nově vybudovaná konstrukce ovlivní přírodní poměry a ty posléze i zpětně okolní zástavbu. Příkladem může být velká stavba se dvěma podzemními podlažími ve staré okolní nepodsklepené zástavbě, kdy změna hydraulického režimu zásadně ovlivní založení sousedních staveb. Praxe bývá poněkud odlišná a objednatel inženýrskogeologické rešerše takové informace většinou neobdrží, ale zato se seznámí s názvoslovím geomorfologických jednotek, geologickým vývojem prostředí a stářím geologických vrstev. Informací využitelných pro projektování bývá jen velmi omezené množství. Je to důsledkem vyhlášky MŽP č. 206/2001 Sb., ze které vyplývá, že odborně způsobilý geolog (realizátor průzkumných prací) nemusí mít žádné geotechnické vědomosti.

Do další etapy průzkumu (předběžná, podrobná…) by proto měl zasáhnout geotechnik, který je na základě informací o přírodním prostředí a vlastnostech podloží schopen rozhodovat o způsobu založení (tedy zda jsou pod podlahovou deskou suterénu ­piloty skutečně nutné) a může se statikem konzultovat charakter horní stavby. Samozřejmostí jsou průkazné numerické podklady pro statické výpočty (nikoliv odhady), kdy se rozhoduje o způsobu zajištění zářezů, zlepšování podloží, podchycení stávajících základů i založení staveb a zejména o ceně konstrukcí. Určitě by se mělo jednat o kombinaci penetračních sond s vrtnými průzkumy, což přinese požadované výsledky pro projektování staticky náročných konstrukcí. Sestavit geotechnický model mechanických vlastností, které se vyvíjejí s narůstající hloubkou, potom bude úkolem geotechnika.

Návrh rozsahu průzkumných prací podle platných norem

Rozsah průzkumných prací pro všechny typy staveb specifikují oba díly normy ČSN EN 1997 (dále EC7). EC7-2 doporučuje počet sond (odst. 2.4.1.3), hloubky sond potom příloha B, tab. 2.1 doporučuje typ sond a specifikaci laboratorních analýz pro jednotlivé typy základové půdy. Počty sond by měly reflektovat plošný rozsah stavby a nehomogenitu podloží. Předepsané hloubky sond zase mají za úkol prozkoumat podloží do míst, kde jsou zeminy podzákladí ovlivněny umístěním základové konstrukce (převážně deformací). To se většinou neděje a krátké vrty provedené šnekem bez průkazných laboratorních testů jsou potom důsledkem soutěží za nejnižší cenu bez správně vypsaného zadání.

Názornou ukázkou nesprávného průzkumu a předimenzovaného navazujícího projektu může být námi provedené přepracování projektové dokumentace základových konstrukcí spojené s doplňkovým průzkumem, které v konečném důsledku vedly k ušetření 40 % stavebního materiálu. V dokumentaci DPS založení pavilonu CH FN v Českých Budějovicích (článek o rea­lizaci byl publikován ve Stavebnictví č. 09/2022) se původně uvažovalo s extrémně dlouhými pilotami délky až 36 m a průměru 1 200 mm. Návrh byl důsledkem průzkumných prací, kdy byly realizovány pouze mělké vrty s tím, že základová půda je homogenní od povrchu až do značné hloubky. Projektant tak byl nucen pracovat s informacemi z krátkých vrtů a neměl k dispozici informace o hlubším podloží, kde lze očekávat lepší mechanické vlastnosti zeminy. Námi byl proveden doplňkový průzkum – tři statické penetrace a jeden vrt – hluboké až 30 m, kdy již od hloubky 15 m byly ověřeny výrazně únosnější zeminy, kam bylo možné piloty opřít.

V projektové praxi se bohužel stává, že na základě 6 m hlubokého vrtu se projektuje hlubinné založení na pilotách dlouhých 15 m. Jak je to možné? Je to způsobeno právě tím, že není proveden projekt geologických prací, který by reflektoval potřeby projektanta pro danou stavbu. Geologická firma se pokusí zakázku vyhrát nejnižší cenou a projekt záměrně klasifikuje 1. geotechnickou kategorií, kde jsou nízké požadavky na kvalitu průzkumu. Geolog bez technického vzdělání stavebního směru by ale v prvé řadě neměl o způsobu založení vůbec rozhodovat (nebo způsob založení doporučovat). Podle přílohy B EC7-2 by alespoň některé sondy měly být hlubší, než je délka piloty stanovená orientačním výpočtem, plus deset průměrů takové piloty. Odhad délky sond v takovém rozsahu průzkumu vám geolog zkrátka nezpracuje. Počty jednotlivých mechanických laboratorních a terénních vrtů a testů (penetrační sondy) musí odpovídat nehomogenitě podloží.

Stávající postupy a typické chyby versus modernější technologie

Průzkumné postupy se rozlišují na metody přímé (vrty), kdy lze odebírat vzorky zemin, a na metody nepřímé (penetrační sondy, geofyzika). K dispozici máme velké množství technologií realizace vrtů, nejdůležitějším aspektem je však možnost odebírání neporušených vzorků zemin zejména pro stanovení stlačitelnosti a smykové pevnosti, kdy jejich výsledky dále slouží projektantovi. Typickým výsledkem ze strany geologa je zrnitostní rozbor zeminy, což je popisná vlastnost. Ještě hůře je ta provedená vrtáním spirálovým vrtákem, kdy získáme pouze rozvrtanou zeminu k popisu – vrtné jádro nelze použít pro mechanické testování. Technologie spirálovým vrtákem pak pod hladinou podzemní vody zeminu kompletně rozmíchá s vodou a rozvrtané zeminy mohou zcela nesprávně budit dojem kašovité konzistence (což je také častou chybou geologického popisu). Geolog následně na základě popsané „kašovité zeminy“ doporučuje hlubinné založení (na velmi dlouhých pilotách), které mnohdy stavebník akceptuje. V případě nesoudržných zemin stanovení ulehlosti na základě jádra vysypaného do vzorkovnice opravdu není normovým postupem. Pro testování zejména hrubozrnných zemin a zvětralých hornin se i v ČR využívají stále častěji výsledky dynamických penetrací. Primárním výstupem je počet úderů nutných k zaražení testovacího soutyčí v závislosti na hloubce. Zkušený interpretátor dokáže stanovit přetvárné charakteristiky, neodvodněnou smykovou pevnost a konzistenci jemnozrnných zemin a k tomu také ulehlost i úhel vnitřního tření hrubozrnných zemin (tab. 1). U vyhodnocení málo únosných zemin a jílů je však nutné být velmi obezřetný!

Dynamické penetrace jsou výborným pomocníkem, pokud je nutné překonat hrubozrnnou navážku a ověřit hloubku a míru zvětrání skalního podloží (kdy by vrtná souprava zvětralou skálu rozemlela na štěrkopísek). Obvykle se měří počet úderů na 10 cm a horní limit počtu úderů není technologicky stanoven. Problematické je testování v jílovitých zeminách, které jsou tuhé, až pevné, a lepivé. S rostoucí hloubkou totiž výrazně narůstá tření mezi zeminou a zaráženým soutyčím, neboť na zaráženou tyč se lepí přítomný jíl. Dynamická energie úderů se pak spotřebovává na překonání tření a z toho důvodu enormně narůstá jejich potřebný počet. Pro eliminaci se požívá měření torzního momentu, což funguje dobře u mělkých sond. Významným problémem k řešení je, jak se dá z torzního momentu získat počet „falešných úderů“ pro redukci (doporučuje EC7). Korekce je nezbytná, ale jednoduchý postup je analytický a není doporučen žádnou normou.

Například při testování neogenního jílu pevné konzistence v Brně tření exponenciálně narůstá s délkou testovacích tyčí a z původních tří úderů na 10 cm (orientačně Edef = 4 MPa) již v hloubce 8 m často dosahujeme bez korekce hodnoty více než 100 úderů/10 cm (Edef = 120 MPa). Takový výsledek bez korekce potom může odpovídat velmi ulehlému štěrku a využitím takových dat se projektant vystavuje velkému riziku. Po korekci se počet úderů sníží např. na 9 (Edef = 10 MPa). Projektant je nyní před dilematem, zda geologem představené výsledky jsou skutečně reálné a zda je pro projektování založení může vůbec použít. Odevzdání pouhého počtu úderů (i bez stanovení torzních momentů pro korekci) nebo odevzdání dynamického penetračního odporu je ze strany geologických firem běžnou praxí, a to i přesto, že se evidentně jedná o nedostatečný výsledek, který může vést k výrazným pochybením. Při projektování je proto nutné postupovat obezřetně a výsledky nepřímých metod mít kalibrované s pozorováním z vrtů a mechanickými výsledky laboratoře (doporučuje norma EC7-2). Špatným příkladem využití nesprávně interpretovaných dynamických penetrací může být havárie nosných konstrukcí na nově postavené rozlehlé skladové hale nedaleko za Brnem, kde právě vlivem poddimenzování založení došlo k nerovnoměrnému sedání základů až o 260 mm. Primárním problémem bylo využití pouze mělkých dynamických penetrací bez dosažení únosné zeminy a bez korelace výsledků s vrty (falešné zvýšení únosnosti). Završením byla zřejmě nesprávná dokumentace vývrtu z realizace pilot ze strany realizační firmy, kdy pravděpodobně stavbyvedoucí nebo TDS nesprávně stanovil původ a konzistenci zeminy. Vzniklá škoda dosahuje desítek milionů a soud za náhradu škody stále běží.

Královnou v testování zemin jsou sondy statické penetrace (CPT), které netrpí triviálními dětskými nemocemi dynamických penetrací a dokážou vcelku přesně stanovit přetvárné a smykové vlastnosti zemin. Oproti dynamickým penetračním sondám přinášejí „statiky“ mnohem více a dokážeme díky nim získat i objemovou hmotnost, propustnost nebo dynamický pórový tlak v zemině (tab. 2). Zkušený interpretátor dokáže na základě vyhodnocení penetračních záznamů provést rovněž klasifikaci zeminy (což je sice nenormový postup, ale ve světě existuje velké množství dobře fungujících modelů). Metodika interpretace křivek statické penetrace pro české geologické podloží však neexistuje a geologové, kteří mají vzdělání vhodné pro popis přírodního prostředí, nejsou schopni tyto matematické interpretace provádět. Panuje tedy zvláštní situace – v ČR se z 90 % realizují vrty s popisem barvy zeminy, občasným stanovením vlastností pro jednu vrstvu i jednu hloubku a ulehlost štěrku určuje vrtmistr. Kdežto v zahraničí převládají statické penetrace, které interpretují autorizovaní inženýři pro geotechniku. V České republice panuje bizarní situace, že realizace 1 bm statické penetrace (a to včetně interpretace) je výrazně levnější než 1 bm vrtu (aniž by zeminu z vrtu vůbec viděl geolog, kterého je také nutné platit). Velkou výhodou výsledků CPT je možnost přímého využití dat pro projektování plošných a hlubinných základových konstrukcí, což v ČR nemá tradici (postupy např. v příloze D normy EC7-2). Takový postup projektování v moderní době dodání dokumentace značně zrychluje. Přiznejme si, že čekání na závěrečnou zprávu o IG průzkumu bývá často velmi dlouhé a stavbu zdržuje.

Projekt průzkumných „geo“ prací by měl provádět geotechnik

Projekt průzkumných prací by měl optimálně zpracovávat geotechnik, který dokáže stanovit požadavky na délky a typy jednotlivých sond (ne jenom vrty), ale také na laboratorní analýzy, které přinesou geotechnické parametry kontinuálně pro celé dotčené geologické podloží, jež bude projektant pro výpočty potřebovat. Návrh délky sond stanoví na základě předběžného výpočtu (např. pro pevný jíl s Vd = 1 000 kN průměru 600 mm je délka piloty cca 8 m, délka sondy by měla být 14 m), typy analýz a metodiku sondování potom vyčte z normy. Smutným přežitkem z minulosti je rovněž to, že i v současné době projektanti (zejména statici) po geolozích požadují sestavení geotechnických modelů mechanických vlastností základové půdy. Geolog bez nutnosti pracovat podle norem tak v závěrečné zprávě o IG průzkumu totiž pouze často vykopíruje tabulky z dnes už dávno neplatné normy ČSN 73 1001.

Mechanické vlastnosti zemin z tabulek této normy lze získat buď pouze na základě subjektivního popisu zeminy geologem zdarma, nebo zrnitostní analýzou pořízenou v laboratoři (za cca 1 200 Kč). Tímto sice klient ušetří přibližně 7 000 Kč za nerealizované průkazné mechanické analýzy, ale průkaznost dodaných informací potom odpovídá způsobu jejich získání. Pro stavebníky by měl být červeným vykřičníkem fakt, že tato čísla ze zrušených tabulek mohou být běžně o 20–50 % nižší, než je skutečnost, což se výrazně projeví na výsledcích vypočtené únosnosti základové nebo geotechnické konstrukce a na financích za realizaci základové konstrukce. Takovéto postupy získání informací o zeminách jsou však ze strany inženýrských geologů možné, neboť inženýrský geolog nenese žádnou profesní zodpovědnost za doporučení charakteristických hodnot základové půdy do výpočtů, což už samotné by pro projektanty mělo být alarmující. Děkujeme České agentuře pro standardizaci (ČAS), že je tato norma už více než třináct roků zrušena, protože tabulky mechanických vlastností zemin neodpovídají moderním požadavkům na geotechnické projektování. 

Závěr

Závěrem tohoto příspěvku je apelování na projektanty, aby využívali geotechnické normy (EC7, díl 1 a 2, zavedené v ČR již v roce 2006) a požadovali takové postupy po geolozích. Za použití získaných geotechnických vlastností zemin mají totiž projektanti profesní odpovědnost. V Eurokódu 7 je uveden návod k navržení průzkumných prací, které přinesou ucelený obraz o přírodním prostředí a vlastnostech základové půdy pomocí více metodik (penetrační sondy, presiometr aj., kombinované s mechanickými testy v laboratoři). Takové informace jsou potom použitelné pro projektování bez rizika a vedou k bezpečnému užívání stavby bez zbytečných vícenákladů. Jak bylo popsáno výše, správně provedené průzkumné práce a projektování podle platných normových postupů ve výsledku ušetří investorům i miliony korun a zabrání haváriím.

K získání mechanických vlastností zemin by měly být prováděny převážně průkazné mechanické laboratorní analýzy kombinované s terénním testováním (penetrační sondy, které přinášejí informace o mechanice zemin průběžně). Zrnitostní rozbory, jež dodávají geologické průzkumy, slouží pro klasifikaci (popis) zemin, nikoliv ke stanovení mechanických vlastností. Hloubky sond by měly odpovídat charakteru budovy, typu založení a přírodním poměrům. Optimálním poměrem jednotlivých typů sond by měla být cca třetina vrtů (ve ­vrtech lze provádět mimo odběrů vzorků i další exaktní testy), třetina dynamických penetrací a třetina statických penetrací. Výsledky zejména dynamických penetračních sond je následně nutné kalibrovat s průkaznými mechanickými analýzami z laboratoře. V místě velmi složitého geologického podloží (místa sesuvů či poddolování) je doporučeno sondy kombinovat také s geofyzikálními měřeními (pozor, bez vrtů je geofyzika často slepá).Vlastně je to velmi jednoduché – pokud si při návrhu průzkumných prací nejste jisti, stačí se v tomto ohledu vždy řídit normou EC7, pomůže vám. Určitě by bylo v budoucnu vhodné dospět do stavu, kdy ČAS prosadí dodržování Eurokódů také v průzkumné praxi. Samotné nedodržování mezinárodních dohod mezi ČR a EU o harmonizovaných normách a nedodržování geotechnických norem ze strany českých úřadů, projektantů a zejména geologů ve stavebnictví je skandální.