Polowe badania gruntów na potrzeby projektowania obiektów energetyki wiatrowej

Polowe badania gruntów na potrzeby projektowania obiektów energetyki wiatrowej

 

dr inż. Bartłomiej Czado

 

1 Wstęp

W ostatnich latach w naszym kraju obserwować można intensywny rozwój energetyki wiatrowej. Trend ten wynika z konieczności spełnienia przez Polskę wymagań wynikających z założeń pakietu klimatycznego na rok 2020, zatem w najbliższych latach zostanie on najprawdopodobniej utrzymany lub nawet wzmocniony.

Z danych GUS wynika, że osiągnięcie 15-procentowego udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) w tzw. miksie energetycznym Polski do roku 2020 wydaje się nadal możliwe. Wypełnienie założeń pakietu klimatycznego obecnie byłoby już prawdopodobnie nierealne, gdyby nie produkcja energii z biomasy, z której pochodzi zdecydowana większość produkowanej w naszym kraju „zielonej energii” [GwZ]. Statystyki dla produkcji energii elektrycznej w roku 2010 wyglądały nienajlepiej: zaledwie 7% tej energii pochodziło z OZE, w tym około 25% z elektrowni wiatrowych, co stanowi poniżej 2% całości [SEP].

1.png

Rys. 1. Udział odnawialnych źródeł energii w zużyciu energii w Polsce w roku 2010 oraz prognoza na rok 2020, [SEP] za [PIGEO]

 

W roku 2013 energetyka odnawialna pokryła 11,3% końcowego zużycia energii brutto w Polsce.

W porównaniu do roku 2012 udział OZE w polskim miksie energetycznym wzrósł nieznacznie, bo zaledwie o 0,3%, ale jeszcze w 2005 r. wynosił tylko 7,2% [GwZ]. W roku 2013 największy udział w produkcji energii elektrycznej z OZE miał wciąż sektor biopaliw stałych (46,4%), na drugim miejscu znalazła się energetyka wiatrowa (35,2%), dalej energetyka wodna (14,3%) i biogazowa (4%) [ISB].

 

2.png

Rys. 2. Struktura wytwarzania energii elektrycznej w Polsce w roku 2012 według źródeł, [SEP] za [PER]

 

Nasuwa się zatem generalny wniosek, że w zakresie produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem siłowni wiatrowych wciąż jest dużo do zrobienia, a do roku 2020 czasu pozostaje coraz mniej.

Bardzo istotny będzie zatem czas realizacji inwestycji tego typu. Zależy on od bardzo wielu czynników, takich na przykład jak wymogi formalne związane z przeprowadzeniem badań środowiskowych, konsultacji ze społecznościami lokalnymi, itp. Oszczędności czasowych można jednak szukać już na etapie projektowania inwestycji, a w szczególności w fazie rozpoznania podłoża pod posadowienie fundamentów siłowni.

Zastąpienie części wierceń geotechnicznych sondowaniami może znacznie skrócić czas przygotowania dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. Dodatkową zaletą badań typu CPTU/DMT jest fakt, że są one niemalże „nieinwazyjne” – prowadzone są bez wydobywania urobku, przez co nie wymagają likwidacji otworu (pozostawiony otwór o średnicy 36-44 mm sam się zamyka po relatywnie niedługim czasie), nie wpływają też istotnie na warunki wodne.

 

2 Wymogi projektowe dla fundamentów siłowni wiatrowych

2.1 Kategoria geotechniczna

Zgodnie z aktualnym Rozporządzeniem MTBiGM [R12] obiekty energetyki wiatrowej stanowią „nietypowe obiekty budowlane”, a jednocześnie „obiekty wysokie”, zaliczyć je zatem należy do trzeciej kategorii geotechnicznej, niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych. Podobna klasyfikacja wynikałaby również z zapisów polskiej normy PN-B-02479 [2479], jak i Eurokodu 7 [EC7]. Konsekwencją tego faktu jest konieczność wykonania dla tego rodzaju inwestycji, oprócz opinii geotechnicznej i projektu geotechnicznego, również dokumentacji geologiczno-inżynierskiej.

Dość szeroki jest w tym wypadku wymagany prawem zakres robót geotechnicznych, który powinien uwzględniać co najmniej określenie „fizycznych i mechanicznych parametrów gruntu takich jak: kąt tarcia wewnętrznego, spójność, wytrzymałość na ścinanie bez odpływu, moduł ściśliwości lub odkształcenia, uzyskanych w badaniach laboratoryjnych lub w terenie”, co jest wymogiem dla kategorii drugiej, a w zależności od potrzeb powinien być rozszerzony, chociażby o „badania właściwości dynamicznych gruntu” [R12].

2.2 Obciążenia

Charakter obciążeń przekazywanych na fundament siłowni z wirnika, poprzez gondolę i wieżę, jest szczególny. W zestawieniu obciążeń dla środka podstawy fundamentu znaczącą rolę odgrywają siły poprzeczne oraz momenty działające w trzech płaszczyznach (skręcanie w osi wieży). Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że obciążenia od wiatru mają charakter dynamiczny (cykliczny), co sprawia, że zakres danych o podłożu należy rozszerzyć o parametry opisujące jego zachowanie pod tego rodzaju obciążeniem.

Dla prawidłowego zaprojektowania posadowienia siłowni, a w szczególności wykazania spełnienia warunków sztywności dynamicznej podłoża, jako minimum należy określić wartości początkowego modułu ścinania G0.

2.3 Zakres badań

Większość fundamentów pod wieże siłowni wiatrowych posadowiona jest na rozległych w rzucie fundamentach, o kształcie kołowym, pierścieniowym (Rys. 3) lub ośmiokątnym, często wspartych na głębokich palach (Fot. 1 i 2). Również rozpoznanie podłoża musi zatem sięgać na odpowiednio dużą głębokość. Podstawowe wymogi w tym zakresie zawarto chociażby w podręczniku opracowanym przez Ministerstwo Środowiska [ZAS] (nie uwzględniono tu jednak szczegółowych wymogów dla elektrowni wiatrowych) oraz  normie PN-B-02479:1998 [2479], w której sformułowano ogólne wymogi dla fundamentów bezpośrednich i pośrednich (por. Tab. 1).

3.png

Rys. 3. Przykład geometrii fundamentu bezpośredniego (pierścieniowego) siłowni wiatrowej, proj. L. Lao

 

4.png  5.png

Fot. 1 i 2. Przykład realizacji fundamentu kołowego pod siłownię wiatrową, opartego na palach [bop]

 

Niejako z tradycji projektowania badań geologiczno-inżynierskich w Polsce wynika przykładanie większej wagi do wykonywania wierceń geotechnicznych jako podstawowych punktów badawczych. Jednak, ze względu na brak specjalistycznych zaleceń i wytycznych projektowania geotechnicznego farm wiatrowych, czy wchodzących w ich skład pojedynczych siłowni, korzysta się coraz częściej z doświadczeń firm zagranicznych [Batog]. Z tych z kolei wynika, że większy nacisk powinien zostać położony na wykonywanie sondowań geotechnicznych (głownie CPTU i S-CPTU).

W takim podejściu wiercenia wykorzystywane są głównie do celów: wstępnego rozpoznania potencjalnych zagrożeń (grunty organiczne, zapadowe, pęczniejące, wysadzinowe); pobierania materiału gruntowego do badań laboratoryjnych; monitoringu poziomu zwierciadła wód gruntowych. Mają one także istotne znaczenie dla precyzji interpretacji sondowań CPTU (lokalna kalibracja zależności korelacyjnych).

Tab. 1. Porównanie wymogów co do zakresu rozpoznania podłoża pod pojedynczą siłownię wiatrową

Podstawa

Ilość i rodzaj punktów badawczych

Uwagi, dodatkowe wymogi

Sposób posado-wienia

Wymagana głębokość rozpoznania

Rodzaj

Kryterium

Ilość

Specyfikacja ENERCON, za [Batog]

wiercenia

średnica fundamentu

< 20 m:
1 odwiert

zlokalizowany w środku fundamentu

bezpo-średnie

równa co najmniej
średnicy fundamentu

20-30 m:
2 odwierty

jeden na krawędzi
od strony placu dźwigowego,
drugi naprzeciwko

na palach

minimum 3 m
lub 3 średnice pala
poniżej jego podstawy

sondowania
statyczne

CPTU

średnica fundamentu

< 15 m:
min. 2 sondowania

w odległości 1 m
od krawędzi fundamentu

bezpo-średnie

minimum 1,5 średnicy
fundamentu

> 15 m:
min. 3 sondowania

na palach

minimum 1,5 m
lub 3 średnice pala
poniżej jego podstawy

sondowania dynamiczne DPH/DPSH

-

-

tylko gdy nie da się wykonać CPTU

-

jak dla sondowań CPTU

PN-B-2479:1998, [ZAS]

nie określono

stopień złożoności warunków gruntowych

proste:
nie rzadziej niż co 40m

wokół obrysu obiektu,
co w praktyce oznacza

minimum 3 lub 4 punkty badawcze

bezpo-średnie

głębokość posadowienia
+ krótszy wymiar płyty

złożone:
nie rzadziej niż co 20 m

na palach

minimum 3 m lub 5 średnic pala poniżej jego podstawy;

co najmniej jeden otwór powinien spełniać wymagania dla posadowienia na płycie

W Tabeli nr 1 zestawiono przykładowe wymogi co do zakresu rozpoznania podłoża pod pojedynczą siłownię wiatrową zestawione w specyfikacji opracowanej przez jednego z dostawców takich siłowni, firmę ENERCON [Batog], celem porównania ich z wymogami normy PN-B-02479:1998.

 

Typowy układ punktów badawczych przy rozpoznaniu podłoża pod fundament pojedynczej siłowni wiatrowej obejmuje pojedynczy otwór wiertniczy w centrum fundamentu oraz przynajmniej 3 sondowania na jego obwodzie. Badania te powinno się wykonać do głębokości co najmniej 5-ciu średnic pala (jednocześnie nie mniej niż 3 m) poniżej jego podstawy.

 

3 Parametry do projektowania z badań in-situ

W tabeli nr 2 zawarto ocenę przydatności wybranych badań in-situ do wyznaczania poszczególnych parametrów geotechnicznych, według  normy Eurokod 7 [EC7-2]. Wyróżniono w niej warianty pozwalające na uzyskanie najlepszych możliwych rezultatów – można łatwo zauważyć, że sonda CPTU jest narzędziem najbardziej uniwersalnym.

Tab. 2. Przegląd stosowalności wybranych metod badań polowych
według Eurokodu 7 [EC7]

Informacje i parametry

Możliwe do otrzymania wyniki

Metody badań polowych

CPTU

PMT

DMT

DPL/M

DPH/SH

PLT

FVT

rodzaj gruntu

C2 F2

C3 F3

C2 F2

C3 F3

C3 F3

-

-

granice warstw

C1 F1

C3 F3

C2 F1

C1 F2

C1 F2

-

-

poziom z.w.g.

C2

-

-

-

-

-

-

ciśnienie porowe

C2 F2

F3

-

-

-

-

-

gęstość

C2 F2

-

C2 F2

C2

C2

-

-

wytrzymałość na ścinanie

C2 F1

C1 F1

C2 F1

C2 F3

C2 F3

C1 F1

F1

ściśliwość

C1 F2

C1 F1

C2 F1

C2 F2

C2 F2

C1 F1

-

wodoprzepuszczalność

C3 F2

F3

-

-

-

-

-

możliwość uzyskania: 1 – wysoka, 2 – średnia, 3 – niska; w gruntach: C – gruboziarnistych, F - drobnoziarnistych

 

 Nic więc dziwnego w tym, że sondowania statyczne (głównie typu CPTU) nabierają coraz większego znaczenia w rozpoznaniu podłoża pod obiekty energetyki wiatrowej. Przy posadowieniu bezpośrednim takich obiektów, gdzie szczególne znaczenie ma dokładność określenia parametrów ściśliwości gruntu, uzupełnia się je badaniami dylatometrycznymi DMT. W ostatnich latach coraz częściej inwestorzy decydują się na wykonanie tych badań (obu typów) w wariancie umożliwiającym dodatkowo pomiar in-situ prędkości propagacji fali poprzecznej w gruncie (S-CPTU i S-DMT), ze względu na możliwość bezpośredniego wyznaczenia na tej podstawie modułu ścinania G0.

 

4 Metodyka badań polowych

4.1 Badania CPTU

Badanie CPT (ang. cone penetration test) polega na wprowadzeniu w grunt sondy (penetrometru) w kształcie stożka za pomocą zestawu żerdzi, przy zachowaniu stałej prędkości penetracji (~2 cm/s). Podczas badania rejestrowane są: opór penetracji stożka (qc) oraz opór tarcia na tulei ciernej (fs) [ISOCPT], [EC7]. W Polsce badanie to przyjeło się nazywać testem statycznej penetracji stożka lub, w skrócie, „sondowaniem statycznym”, dla odróżnienia od bardziej u nas dotychczas rozpowszechnionego sondowania dynamicznego DP (ang. dynamic probing).

Doprecyzowania wymaga fakt, że w rozumieniu normy ISO 22476-1 [ISOCPT] oznaczenie CPT odnosi się do badań prowadzonych zarówno sondami z końcówką mechaniczną (ang. mechanical cone penetration test), jak i elektryczną (ang. electrical cone penetration test). Badania sondą mechaniczną (tzw. stożkiem Begemanna [Beg]) otrzymały oznaczenie CPTM i opisane są osobno w części 12 wspomnianej normy [ISOCPTM], w odróżnieniu od tych wykonywanych stożkiem elektrycznym (Fot. 3), które oznacza się jako CPTE lub po prostu CPT.

6.png

Fot. 3. Stożki sondy statycznej: elektryczny S-CPTU (z lewej)
i mechaniczny CPTM – tzw. stożek Begemanna (z prawej), fot. B. Czado

 

Badania porównawcze przeprowadzone przez autora [Czado] wskazują, że sondowanie metodą CPTM może prowadzić do znacznych błędów i nie powinno być już w ogóle stosowane.

Obecnie najbardziej rozpowszechnioną wersją stożka sondy statycznej jest stożek typu CPTU (ang. piezocone penetration test). Badanie CPTU uwzględnia dodatkowo pomiar ciśnienia porowego w sąsiedztwie stożka (u). [ISOCPT] Metoda ta charakteryzuje się dużą dokładnością pomiaru i wrażliwością na zmienne właściwości podłoża [ZAS].

Interpretacja jakościowa sondowań statycznych obejmuje określenie:

  • jednorodności budowy podłoża,
  • granic między różnymi pod względem litologicznym warstwami,
  • granicy między gruntami nasypowymi a rodzimymi,
  • wstępnej oceny stopnia skonsolidowania gruntów spoistych [ZAS].

Interpretacja ilościowa obejmuje z kolei określenie:

  • rodzaju gruntu (najczęściej na podstawie diagramu Robertsona),
  • stanu (ID) gruntów niespoistych i konsystencji (ID) gruntów spoistych (na podstawie zależności korelacyjnych),
  • parametrów odkształceniowych (M0, E0) i wytrzymałościowych (Ф’, cu) gruntów,
  • nośności pali fundamentowych (metody bezpośrednie).

4.2 Badania dylatometryczne

Celem badań dylatometrem płaskim typu DMT (ang. dilatometer Marchetti test) jest wyznaczenie parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych gruntu in situ poprzez odkształcenie cienkiej kolistej stalowej membrany, zamontowanej w płaszczyźnie jednej strony stalowej sondy w kształcie łopatki, wprowadzonej pionowo do gruntu [EC7-2] (Fot. 4).

Badanie polega na pomiarze ciśnień (za pomocą manometrów – por. Fot. 5) w dwóch położeniach membrany: najpierw, gdy jest ona w jednej płaszczyźnie z ostrzem, mierzy się ciśnienie wymagane do rozpoczęcia przemieszczenia membrany (pomiar A), następnie ciśnienie po jej wysunięciu o 1,1 mm w kierunku gruntu (pomiar B), dodatkowo można też mierzyć ciśnienie po powrocie membrany do pozycji wyjściowej (pomiar C).

Dylatometr Marchettiego jest przyrządem umożliwiającym rozpoznanie i pomiar parametrów gruntu bezpośrednio w podłożu. Przydatny jest szczególnie do:

  • identyfikacji rodzaju gruntu,
  • ustalenia historii naprężeń w gruncie,
  • oszacowania wartości parametrów, takich jak: moduły odkształcenia (E0, E), wytrzymałość na ścinanie bez odpływu (cu), współczynnik parcia bocznego (K0), naprężenie prekonsolidacji [ZAS].

7.png  8.png

Fot. 4 i 5. Łopatka dylatometru Marchettiego (z lewej)
i zestaw pomiarowy (z prawej), fot. B. Czado

4.3 Badania sejsmiczne SCPT/SDMT

Badania sejsmiczne polegają na pomiarze czasu propagacji fali poprzecznej w guncie pomiędzy powierzchnią terenu, a końcówką sondy, w której zainstalowano dodatkowo akcelerometry lub geofony. Fala sejsmiczna generowana jest poprzez uderzenie (w kierunku poziomym – fala poprzeczna, ścinająca) w stalowy element umieszczony w gruncie na powierzchni terenu. W momencie uderzenia rozpoczyna się rejestracja sygnału (prędkości lub przyspieszeń) w końcówce sondy. Na podstawie czasu dotarcia fali sejsmicznej na głębokość, na której aktualnie znajduje się sonda, określa się średnią prędkość propagacji fali poprzecznej w gruncie (Vs). Wykonując badania np. co 1 m po głębokości i porównując ze sobą wyniki pomiarów na sąsiednich poziomach określić można prędkość propagacji fali w danej warstwie o miąższości 1 m.

9.png

Fot. 6. Stożek CPTU o powierzchni 15 cm2 wraz z sekcją do badań sejsmicznych, fot. B. Czado

 

Elementy pomiarowe systemu sejsmicznego mogą być na stałe wbudowane w stożek CPTU (por. Fot. 1) lub dołączane do niego jako osobna sekcja (Fot. 3) przewodu. System taki może być wyposażony w pojedynczy akcelerometr, ustawiony w płaszczyźnie poziomej (w jednym kierunku) lub w zestaw trzech akcelerometrów, co pozwala na pomiar niezależnie od kierunku wymuszenia w płaszczyźnie poziomej, a dodatkowo na pomiar prędkości propagacji fali podłużnej (Vp) i wyznaczenie modułu odkształcenia (E0) oraz współczynnika Poissona (v). Przykładowe wyniki takiego badania pokazano na Rys. 4.

10.png

Rys. 4. Przykładowe wyniki badania sejsmicznego wykonanego sondą SCPTU
(niezależnie uzyskano standardowy zestaw danych CPTU); opr. B. Czado

4.4 Urządzenia do wciskania sond

Duże znaczenie przy wykonywaniu badań CPTU/DMT ma też klasa sprzętu wykorzystywanego do wprowadzania w grunt zestawu żerdzi. Podstawowym parametrem podawanym przez producentów jest tu maksymalna siła wcisku (np. 150 kN, 200 kN), od niej bowiem, przynajmniej teoretycznie, w największym stopniu zależy maksymalna głębokość, na jaką udaje się wprowadzić końcówkę sondy w danych warunkach gruntowych.

Na polskim rynku najbardziej obecnie rozpowszechnionym, zapewne ze względu na przystępną cenę w wersji podstawowej, jest urządzenie włoskiej marki Pagani, o nominalnej sile wcisku 150 kN. Podstawową jego wadą jest kłopotliwy i często nieskuteczny system kotwienia, przekładający się na niską wydajność pracy (maksymalnie 4-5 sondowań w ciągu dnia). Ze względu na nośność kotew teoretyczna siła wcisku 150 kN jest w tym rozwiązaniu często niemożliwa do uzyskania, przez co osiągane głębokości sondowań bardzo rzadko przekraczają 20 m p.p.t. Po stronie zalet wymienić z kolei można łatwość transportu urządzenia i możliwość poruszania się nim w trudno dostępnym terenie.

Firma BAARS dysponuje unikatowym na polskim rynku sondowań urządzeniem typu CPT-truck (Fot. 4.). Jest to mobilne laboratorium CPT, na podwoziu samobieżnym, o masie całkowitej 20 ton, co zapewnia osiągnięcie siły wcisku do 200kN bez konieczności kotwienia. Podstawową zaletą takiego rozwiązania jest duża wydajność pracy (nawet kilkanaście sondowań o łącznym metrażu ponad 200 mb w ciągu jednego dnia). Ponadto systemy hydrauliczny oraz pomiarowy, chronione są od warunków atmosferycznych, co zwiększa ich niezawodność.

Urządzenie przystosowane jest do pracy z żerdziami o średnicach 36 mm, 44 mm oraz 55 mm typu casing, co umożliwia wykonywanie badań do nieosiągalnych dla innych systemów głębokości – nawet ponad 50 m p.p.t. Dzięki dużej (i zawsze w pełni dostępnej) sile wcisku możliwe jest stosowanie stożków CPTU o powierzchni przekroju 15 cm2 (Fot. 8), co pozwala na wykonywanie sondowań w gruntach gruboziarnistych (pospółki i żwiry, a także w gliny z domieszką frakcji kamienistej) przy zredukowanym ryzyku uszkodzenia stożka, czy wygięcia przewodu.

11.png  12.png

13.png

Fot. 6, 7 i 8. Samojezdna sonda statyczna typu CPT-truck: widok ogólny (z lewej), widok wnętrza z systemem hydraulicznym i pomiarowym (z prawej),
stożek CPTU 15 cm2 pod urządzeniem (u dołu); fot. B. Czado

 

5 Jakość badań CPT

Dla zachowania wysokiej jakości wyników badań CPT niezbędne jest przestrzeganie odpowiednich procedur  na poszczególnych etapach procesu wykonywania badań, w szczególności na etapie:

  • przygotowania stożka i zestawu pomiarowego,
  • wykonania badania,
  • korekty, interpretacji i raportowania wyników.

Na wszystkich z tych etapów często dochodzi do zaniedbań i błędów, co w konsekwencji prowadzi do braku zaufania projektantów do parametrów uzyskiwanych metodą CPT – nieuzasadnionego w przypadku właściwej ich jakości.

5.1 Wybór metodyki badania

Pierwszą i podstawową decyzją po stronie wykonawców badań CPT powinno być całkowite wycofanie z użycia mechanicznych stożków Begemanna (typu CPTM). Niestety w Polsce wciąż częste są sytuacje, w których wykonawcy, wykorzystując niewiedzę zleceniodawców, posługują się stożkiem mechanicznym.

Zaleca się prowadzenie badań stożkami elektrycznymi, z kablowym systemem rejestracji danych, wyposażonymi w czujnik inklinacji przewodu oraz ciśnienia porowego w położeniu  (typ CPTU). W razie potrzeby badanie można rozszerzyć o pomiar prędkości propagacji fali poprzecznej (typ S-CPTU).

5.2 Przygotowanie do badań, kalibracja

W normie ISO 22476-1 [ISOCPT] Zawarto szczegółowe wymogi co do konstrukcji stożka sondy CPTE/CPTU oraz parametrów, jakie powinny być zachowane, niezależnie od jego naturalnego zużywania się stożka podczas wykonywanych badań. Dotyczą one m.in.: tolerancji wymiarowych, szorstkości powierzchni stożka i tulei ciernej, przepuszczalności filtrów porowych, dokładności czujników i systemów pomiarowych, itd.

Aby zapewnić powtarzalność wyników wykonywanych badań, a co za tym idzie wiarygodność uzyskiwanych na ich podstawie parametrów geotechnicznych, stożki CPTU należy regularnie kalibrować – według normy [ISOCPT] nie rzadziej niż co 6 miesięcy, a według instrukcji ISSMGE [ISSMGE] nawet co 3 miesiące. W przypadku intensywnego użytkowania sprzętu wymagane są jeszcze częstsze kalibracje. Dla przykładu: w firmie BAARS stożki poddaje się kalibracji po każdych 1000 metrach bieżących wykonanych badań, co na ogół oznacza wykonywanie jej bezpośrednio przed każdym większym zleceniem.

Dane geometryczne, wykorzystywane przy kalibracji stożków przez holenderską firmę GeoPoint Systems, przedstawiono na Rys. 5.

14.png  15.png

Rys. 5. Geometria sondy CPT 15 cm2 – wymogi przy kalibracji

 

Bardzo istotnym elementem jest także kalibracja systemu akwizycji danych, która powinna być przeprowadzana nie rzadziej niż raz w roku.

Wykonawcy badań CPT powinni do raportu z pomiarów obowiązkowo dołączać kopie aktualnych świadectw kalibracji poszczególnych elementów zestawu pomiarowego – w interesie zleceniodawców leży ścisłe tego egzekwowanie.

5.3 Wykonanie badania

Szczególnie istotnym dla badania CPTU elementem jest filtr porowy. W naszym kraju nagminne jest niestety wielokrotne wykorzystywanie do badań zużytych (zatartych lub zakolmatowanych) filtrów, podczas gdy doświadczenie pokazuje, że dla uzyskania wiarygodnych wartości ciśnienia porowego konieczne jest stosowanie nowego, zasaturowanego filtra praktycznie dla każdego badania.

W normie [ISOCPT] zapisano podstawowe parametry, które należy monitorować podczas wykonywania badania CPTU, takie jak prędkość zagłębiania stożka, odchylenie przewodu od pionu (mierzone za pomocą wbudowanego w stożek inklinometru), czy dopuszczalne czasy przerw w badaniu (np. na dokręcenie kolejnej żerdzi, wykonanie badania dyssypacji nadwyżki ciśnienia porowego, czy też badania sejsmicznego). Należy tych zaleceń bezwzględnie przestrzegać, a ewentualne odstępstwa odnotować i wprowadzić odpowiednie korekty do wyników.

5.4 Interpretacja wyników

Znaczna ilość błędów w badaniach CPT generowana jest już na etapie interpretacji danych pomiarowych i raportowania wyników. Wciąż często popełnianym jest chociażby błąd nieuwzględnienia przesunięcia (po głębokości) wartości oporów fs względem qc.

Powierzenie interpretacji automatycznym algorytmom, stosowanym w powszechnie dostępnych programach (które na ogół dość kurczowo trzymają się tzw. diagramu Robertsona [Lunne]), również powoduje błędy. Najczęściej pojawiają się one na granicach warstw o wyraźnie różniących się własnościach, zwłaszcza przy przejściu z warstwy gruntów spoistych do niespoistych i odwrotnie. Kłopoty interpretacyjne sprawiają też np. występujące w gruncie pojedyncze ziarna frakcji kamienistej – natrafienie stożka na takie ziarno może bowiem powodować lokalne zaburzenia mierzonych wartości (zwłaszcza fs). Automatyczne algorytmy w obu opisanych wyżej sytuacjach wskażą na ogół na występowanie dodatkowej, cienkiej warstwy, której w rzeczywistości nie ma.

Błędy tego typu mogą być skorygowane jedynie poprzez „ręczną” ingerencję świadomego tego typu zjawisk interpretatora. Dodatkowo taka osoba jest w stanie w inteligentny i bezpieczny sposób zgeneralizować wynikowy profil badania, na przykład poprzez włączenie cienkich przewarstwień gruntów mocniejszych do danej (generalnie słabszej) warstwy, a nie odwrotnie – słabsze przewarstwienia w gruntach generalnie mocniejszych powinny być zawsze uwzględnione w profilu. Takie działania już na etapie interpretacji wyników sondowań znacznie ułatwiają później pracę projektanta posadowienia.

Należy pamiętać, że tylko świadomie działający, doświadczony interpretator jest w stanie (na podstawie analizy materiałów archiwalnych i wyników innych badań prowadzonych równolegle) wprowadzić dodatkowe poprawki, wynikające z lokalnej specyfiki warunków gruntowych.

5.5 Raportowanie

Raport z badań może być przedstawiony w różnych formach: najczęściej wyniki pomierzonych parametrów (qc, fs, u2) przedstawia się w postaci wykresów w funkcji głębokości [Lunne]. Wyznaczone na ich podstawie parametry geotechniczne podaje się z kolei albo w formie tabelarycznego ich zestawienia dla poszczególnych wydzielonych warstw, albo również w formie wykresów – obok wyinterpretowanego profilu podłoża.

Tabelaryczne zestawianie wyników wiąże się z koniecznością ich uśredniania dla danej warstwy, które powinno być wykonane z uwzględnieniem zmienności rejestrowanych wartości (rozrzutu, którego miarą może być np. odchylenie standardowe).

Dla przykładu: charakterystyczna wartość oporu wprowadzania stożka qc,k w danej warstwie, (potrzebna np. do obliczania nośności pali metodami bezpośrednimi) może być wyznaczona jako wartość bezpieczna według formuły:

,

gdzie:

qc min – najniższa wartość oporu stożka zarejestrowana w rozważanej warstwie,

 – średnia arytmetyczna wszystkich wartości oporu stożka zarejestrowanych w rozważanej warstwie,

 – odchylenie standardowe wartości qc zarejestrowanych w rozważanej warstwie,

z – współczynnik określający szerokość przedziału ufności.

Możliwe jest oczywiście przyjęcie innych metod wyznaczania parametrów charakterystycznych, jednak nie można się nigdy ograniczać wyłącznie do wyliczenia i podania średniej arytmetycznej wyników.

 

6 Podsumowanie

Konieczność spełnienia przez Polskę wymagań pakietu klimatycznego sprawia, że w ostatnich latach obserwować można w naszym kraju wzrost inwestycji w dziedzinie energetyki wiatrowej. Ze względu na fakt, że udział OZE w miksie energetycznym ma osiągnąć minimum 15% do roku 2020, tempo realizacji inwestycji będzie miało duże znaczenie.

Budowa fundamentów pod wieże siłowni wiatrowych wymaga szczególnego zakresu rozpoznania parametrów podłoża gruntowego, zarówno co do głębokości rozpoznania, jak i jakości uzyskiwanych parametrów podłoża. W rozpoznaniu podłoża pod tego rodzaju obiekty coraz większego znaczenia nabierają zatem sondowania, szczególnie typu CPTU, oraz badania dylatometryczne. Ze względu na dynamiczny charakter obciążeń co raz częściej projektanci wymagają od dokumentatorów podania co najmniej wartości modułu ścinania  wyznaczonego w badaniach in-situ. Niezastąpione w tym zakresie są badania S-CPTU i S-DMT.

Sondowania geotechniczne mogą stanowić dobrą alternatywę dla kosztownych i czasochłonnych badań laboratoryjnych próbek pobranych z otworów wiertniczych, jednak nie powinny ich całkowicie zastępować. Należy też pamiętać, że utrzymanie wysokiej jakości uzyskiwanych za pomocą sondowań parametrów geotechnicznych wymaga zachowania rygorystycznych procedur wykonywania badań, w szczególności dotyczących regularnego kalibrowania stożków i systemu akwizycji danych.

7 Bibliografia

7.1 Literatura

[Batog] Batog A., Hawrysz M., Projektowanie geotechniczne posadowienia turbiny wiatrowej, Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 35, Zeszyt 2, 2011

[Beg] Begemann H. K., Improoved method of determining resistance to adhesion by sounding through a loose sleeve placed behind the cone, Proceedings of the 3rd International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering, tom 1, s. 213-217, Zurich, 1953

[Czado] Czado B., Analiza nośności pali fundamentowych na podstawie polowych badań gruntów sondą statyczną, Praca doktorska, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Kraków, 2015

[Lunne] Lunne T., Robertson P. K., Powell J. J. Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice, Blackie Academic and Professional, London and New York, 1997

[ZAS] Zasady sporządzania dokumentacji  geologiczno-inżynierskich, Ministerstwo Środowiska, Warszawa, 1999

7.2 Normy, wytyczne, akty prawne

[2479] PN-B-02479:1998 Dokumentowanie geotechniczne. Zasady ogólne

[EC7] PN-EN 1997-1:2008. Eurokod 7 – Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne

[EC7-2] PN-EN 1997-2:2009. Eurokod 7 – Projektowanie geotechniczne. Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego

[ISOCPT] ISO 22476-1:2012. Geotechnical investigation and testing – Field testing – Part 1: Electrical cone and piezocone penetration test

[ISOCPTM] ISO 22476-12 (2009). Geotechnical investigation and testing – Field testing – Part 12: Mechanical cone penetration test (CPTM)

[ISSMGE] International Reference Test Procedure for Cone Penetration Test (CPT) and the Cone Penetration Test with pore pressure (CPTU), International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Rotterdam, 1999

[R12] Rozporządzenie Ministra Transportu Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych, Dz. U. RP, Poz. 463, Warszawa, 2012

7.3 Strony internetowe

[GwZ] GRAMwZIELONE.pl – Portal zielonej energii

[ISB] www.ISBnews.pl – Informacyjny Serwis Biznesowy

[bop] www.windfarmbop.com – Blog poświęcony konstrukcji turbin wiatrowych

7.4 Inne źródła

[SEP] Sektor energetyczny w Polsce (broszura), Polska Agencja Informacji i Inwestycji Zagranicznych, 2013

[PIGEO] Krajowy plan działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych, Polska Izba Gospodarcza Energetyki Odnawialnej, Ministerstwo Gospodarki, 2010

[PER] Poland Energy Report, Enerdata, lipiec 2012