Stanovování materiálových konstant hornin do geotechnických výpočtů

U každé stavby je třeba vyřešit její interakci s horninovým prostředím. Předpokladem úspěšného řešení je spolehlivá znalost jak mechanických vlastností materiálů stavební konstrukce, tak i vlastností dotčených hornin v bezprostředním okolí stavby. Potíž je v tom, že se jedná o dva naprosto rozdílné typy materiálů se zcela rozdílným původem i vlastnostmi. Oba jsou však přitom součástí jediného statického systému „stavba – základová půda (horninové prostředí)“, v němž se rozložení napětí a deformací v obou částech tohoto systému vzájemně ovlivňuje. Důsledkem je vznik geotechnických rizik, která je nutné řídit.

1 Úvod

U materiálů „horní“ části stavební konstrukce jsou mechanické vlastnosti materiálů pro statická řešení nadzemních částí konstrukcí relativně spolehlivě známy. Lze si je dokonce podle potřeby volit. Mechanické vlastnosti horninového prostředí, které tvoří „spodní“ část stavební konstrukce (zpravidla základovou půdu), jsou naproti tomu výsledkem vývoje složitých přírodních procesů. Ty vlastnosti hornin předurčují.
Před zahájením přípravy stavby je proto třeba zjistit charakter dotčeného horninového prostředí a vlastnosti hornin průzkumem. Problém však spočívá v tom, že je takto nelze stanovit se stejnou spolehlivostí, s jakou jsou známy vlastnosti standardních stavebních materiálů (beton, ocel atp.), které jsou výsledkem ověřených výrobních postupů.
Zjišťování vlastností hornin průzkumem je naproti tomu, s ohledem na jejich přírodní původ, vždy spojeno s nejistotami. Důsledkem jsou větší či menší rizika spojená s optimálním návrhem a realizací stavby. Vlastnosti hornin také závisejí významně i na řadě vnějších okolností. Mohou být například ovlivněny technologickým postupem při výstavbě. Závisejí na čase, na nahodilých jevech, například na kolísání hladiny podzemní vody, charakteru zatížení atp.
Horniny proto mívají nejen horší, ale i nahodile proměnlivější vlastnosti než běžné stavební materiály. S tím souvisí i jejich daleko komplikovanější deformační chování. Přesto oba tyto typy materiálů musí při řešení interakce stavby s jejím horninovým prostředím vstupovat společně do týchž výpočetních algoritmů. V nich je, z výše uvedených příčin, vzájemně se ovlivňující rozložení napětí a deformací v základové půdě a ve vlastní stavební konstrukci modelováno jen obtížně a se značnou nejistotou.
Při řešení interakce stavby s jejím horninovým prostředím proto na horniny nelze nahlížet stejně jako na standardní stavební materiály. K stanovování jejich materiálových konstant do geotechnických výpočtů, včetně navrhování základových konstrukcí, se proto musí přistupovat velmi obezřetně.

2 Nejistoty ve znalostech vlastností horninového prostředí

2.1 Proměnlivost vlastností hornin v prostoru a v čase

Základní charakteristickou vlastností hornin je jejich nahodilá proměnlivost nejen v prostoru samotného horninového prostředí, ale i v čase. To je třeba mít na zřeteli i při volbě hodnot geotechnických parametrů, které se k popisu jejich vlastností stanovují a které pak vstupují do geotechnických výpočtů. K jejich proměnlivosti může docházet v rámci základové půdy stavebního objektu, celého staveniště i jeho dotčeného okolí. Může mít určitý řád, anebo se může jevit jako zcela náhodná. Na proměnlivost vlastností hornin má velký vliv jejich geneze. Například tektonika, vývoj napjatosti, střídající se procesy jejich zpevňování a porušování, přeměňování, eroze, přemístění, sedimentace atp. Postupy stanovování materiálových konstant do geotechnických výpočtů musí proto tyto skutečnosti zohledňovat.

2.2 Rozdíly mezi stavebními materiály a horninami

Klasické stavební materiály lze v oboru běžného návrhového zatížení považovat za materiály homogenní, izotropní a elastické. Jejich odezva na změnu zatížení je v podstatě okamžitá, nezávislá na čase, závislost mezi zatížením a přetvořením je lineární. Nemají po odeznění zatížení zbytkové přetvoření.
Hornina je naopak zpravidla výrazně heterogenní, anizotropní a nepružná. V důsledku anizotropie její deformační i pevnostní parametry závisejí na směru působícího zatížení. Vztah mezi přetvářením a zatěžováním má téměř vždy nelineární formu i v oboru běžných návrhových zatížení. Má také vždy větší či menší zbytkové přetvoření po případném odstranění přitížení. A konečně vztah přetvoření a zatížení závisí i na době zatížení a rychlosti přitěžování, a to často i výrazně. Po navození konečného přitížení přetváření ještě značnou dobu, podle povahy horniny a samotné velikosti zatížení, může pokračovat. K mobilizaci celkové pevnosti je u hornin obvykle třeba dost značná předcházející deformace, což činí okamžik porušení heterogenních hornin obtížně předvídatelným. U hornin, vzhledem k jejich strukturním vlastnostem, také závislost deformace a zatížení podstatně výrazněji závisí na poměru svislého a vodorovného přitěžování, než je tomu u homogenních, izotropních materiálů, jako je například beton. Na rozdíl od stavebních materiálů jsou také horniny podstatně více závislé na působení vody. Například na vlhkosti, stavu nasycení, pórových tlacích. V klasických stavebních materiálech se nesetkáváme s jevy jako konsolidace, proudový tlak, ­interní eroze vodou nebo dokonce ztekucení.

2.3 Rozdíly v chování skalních hornin a zemin

Horninové prostředí je tvořeno buď skalními horninami, nebo zeminami. Oba tyto typy hornin mají výrazně rozdílnou strukturu. Z toho vyplývají i rozdíly v jejich mechanickém chování. Kromě toho táž hornina může vykazovat charakter chování skalní horniny i zeminy, v závislosti na velikosti zatížení, jeho směru, poměru svislého a vodorovného přitížení, působení vody, stavu a vývoji původní napjatosti.
„Skalní“ horniny se od zemin liší především tím, že „horninová substance“ obsahuje plochy nespojitostí (diskontinuity pukliny). Orientace ploch nespojitosti, vlastnosti jejich povrchů, jako je drsnost, zvlnění, výplň, jejich průběžnost a vzdálenost od sebe, ovlivňují vlastnosti skalních hornin jako celku podstatně více než vlastnosti horninové substance samotné (částí homogenní skalní horniny vymezených těmito nespojitostmi).
Ani jednu z charakteristik ploch nespojitostí však při průzkumu nelze jednoznačně a spolehlivě měřit. Určují se většinou odhadem na základě měření na malých částech jejich povrchů, které jsou pro taková měření v terénu přístupné, případně se odhadují ze zastižených puklin na vrtných jádrech, ale většinou bez jejich úplné prostorové orientace. Situaci navíc komplikuje to, že v dotčeném horninovém prostředí zpravidla existuje více různých systémů ploch nespojitosti.

2.4 Velikost objemu horniny zastižené přitížením

U hornin se složitou strukturou má na charakter jejího mechanického chován vliv také objem horninového prostředí, který je změnou zatížení stavbou zasažen. Strukturní prvky různého řádu (například ploch nespojitostí) se totiž mohou uplatňovat různě, v závislosti na velikosti objemu horninového prostředí, který je stavbou (velikostí plochy, kterou se do něho zatížení přenáší) dotčen. Ze stejných důvodů je problematický přímý přenos výsledků zkoušek prováděných, ve srovnání s velkým objemem horninového prostředí dotčeného stavbou, vždy na velmi malých vzorcích hornin.

2.5 Spolehlivost geologických modelů horninového prostředí

Prostorový nebo plošný geologický model horninového prostředí a jeho interpretace je standardním výstupem průzkumu. Vzniká na základě poznatků získaných z relativně malého množství průzkumných vrtů, zastihujících jen velmi omezenou část stavbou dotčeného horninového prostředí. Vlastnosti hornin jsou stanovovány na základě výsledků relativně velmi malého počtu zkoušek, prováděných na nutně velmi malých vzorcích. Ty jen teoreticky mohou reprezentovat řádově mnohonásobně větší objem skutečného horninového prostředí obsahujícího, jak bylo uvedeno výše, další typy strukturních prvků.
Geologický model zjednodušenou formou znázorňuje ve skutečnosti zpravidla daleko různorodější horninové prostředí. V geologických řezech se jednotlivé vybrané typy hornin uspořádávají podle jejich stejné geneze do litologických souvrství či do účelových quazihomogenních celků podle potřeb cílů průzkumů. Z toho důvodu je při tvorbě geologického modelu nezbytné vycházet nejen z poznatků získaných průzkumem, ale i z obecné znalosti inženýrské geologie, základní i regionální geologie i tektoniky.
Ve srovnání se skutečným stavem horninového prostředí je tak jeho geologický model vždy nutně velmi zjednodušený a jeho vý­stižnost je více či méně omezená. Model bývá ovlivněn i subjektivitou jeho zpracovatele. Ať už z důvodů jeho větší či menší osobní zkušenosti v oborech inženýrské geologie a geotechniky, anebo i apriorní nedostatečné komplexnosti, rozsahu a kvality zadání provedeného průzkumu.

Předběžný závěr odstavců 2.1–2.5

• Zjišťování vlastností horninového prostředí je předmětem geotechnického průzkumu prováděného podle zásad uvedených v ČSN EN 1997-1 a ČSN EN 1997-2, s využitím metod inženýrskogeologického, hydrogeologického a geofyzikálního průzkumu ve smyslu geologického zákona.
• Ať je zadaný průzkum jakkoliv podrobný, tak inženýrskogeologické poměry a geotechnické podmínky staveniště mohou být geologickými modely popsány jen přibližně.
• Hodnocení geologických i geotechnických vlastností horninového prostředí pro účely přípravy a realizace výstavby je proto vždy nejisté. Reakce horninového prostředí na zásah do jeho původního stavu stavbou je obtížně předvídatelná. Obvykle se spolehlivě nedá přesně předem spočítat.
• Charakteristickým rysem geotechnických řešení proto je, že ve svých postupech musí vzít v úvahu geotechnická rizika související s nejistou znalostí vlastností horninového prostředí a jeho budoucího spolupůsobení se stavební konstrukcí.
• V tom jsou geotechnické návrhy podle ČSN EN 1997-1, ve srovnání se standardními statickými řešeními ostatních typů stavebních konstrukcí horní stavby, komplikovanější. Pokud se špatně vyřeší interakce jakéhokoliv typu stavby s jejím horninovým prostředím, sebelepší statické řešení horní stavby to zpravidla nezachrání.

3 Podmínky geotechnického hodnocení výsledků průzkumů

3.1 Geotechnický model horninového prostředí

Z geologického modelu se jeho dalším zjednodušováním sestavuje geotechnický (výpočtový) model. Ten už je podkladem pro konkrétní geotechnický návrh. Obsahuje proto pouze vstupy do konkrétního geotechnického výpočtu v konkrétním místě pro konkrétní konstrukci. Obsahuje tudíž ve smyslu ČSN EN 1997-1 už jen charakteristické hodnoty těch parametrů, které budou do daného výpočtu vstupovat.
Při sestavování geotechnického modelu je nutné respektovat klasické zásady modelování komplexních systémů, kterým horninové prostředí je. To znamená na základě informací, které jsou výstupem průzkumu, co nejlépe pochopit vývoj, chování a stav horninového prostředí v celé jeho komplexnosti, a to včetně předpovědi jeho budoucí reakce na zásah stavby do jeho původního stavu. Dále určit ty prvky horninového prostředí, které jsou pro jeho budoucí chování (z hlediska daného geotechnického návrhu) klíčové a které jsou naopak nevýznamné. Klíčové prvky se pak při konstrukci geotechnického modelu zachovávají. Naopak se zanedbávají ty, jež za daných okolností mají na budoucí interakci stavby s jejím horninovým prostředím minimální vliv. Pokud výchozí geologický model nebyl zkonstruován výstižně a spolehlivě, nemůže být zpravidla ani geotechnický model dostatečně věrohodný.
Je tedy zřejmé, že i sestavování geotechnického modelu je spojeno s nezanedbatelnými nejistotami. Rozlišení klíčových a zanedbatelných prvků geologického i geotechnického modelu je možné optimálně dosáhnout jen při současném uplatnění inženýrskogeologického (přírodovědného) a geotechnického (inženýrského) hodnocení horninového prostředí a vlivu stavby na něj.

3.2 Spolupůsobení stavební konstrukce s horninovým prostředím

Nová stavební konstrukce na horninový masiv působí svým přitížením (nebo i odlehčením). Velikost nového zatížení, jeho směr, způsob jeho zavádění, rozsah zatížením zasažených oblastí horninového masivu má vliv nejen na odezvu hornin na změnu charakteru zatížení, ale i na jejich vlastní mechanické vlastnosti (viz též odst. 2.4).
Míru těchto vlivů musí v konkrétním případě identifikovat průzkum. K tomu je třeba přihlédnout už při volbě a rozsahu komplexnosti zkušebního programu a jeho provádění. Samozřejmě včetně návrhu konkrétních metod konkrétních zkoušek a míst odběru vzorků. Nedostatečná pozornost věnovaná těmto aspektům při projektování průzkumu (což je bohužel v současnosti zcela běžné) je dalším významným příspěvkem k časté nedostatečnosti znalostí o vlastnostech hornin ve faktických situacích stavby.

3.3 Ovlivnění vznikající při zkouškách v laboratoři i v terénu

Stanovení výstižných hodnot geotechnických parametrů hornin vstupujících do geotechnických výpočtů (viz odst. 4.2 Geotechnické hodnocení) závisí především na tom, do jaké míry bylo při stanovování zkušebního programu (zejména metodiky jednotlivých zkoušek mechanických vlastnost) přihlédnuto ke skutečnostem uvedeným v odst. 3.2 Spolupůsobení stavební konstrukce s horninovým prostředím. Totéž se týká dostatečného počtu jednotlivých typů zkoušek, které jsou pro daný účel a za daných okolností žádoucí, stejně jako výběru míst odběru vzorků k laboratorním zkouškám a jejich metodiky. To je věc dostatečně odborně zpracovaného projektu průzkumu. Jeho zpracovatel musí mít v tomto ohledu proto kromě přírodovědných znalostí i dostatečnou geotechnickou erudici. Návrh zkoušek, s odkazem jen na příslušné normové postupy, bude ve složitějších geologických poměrech a při ne zcela jednoduché stavební konstrukci zpravidla nedostatečný.
Existuje také řada možných zkreslení a parazitních vlivů na výsledky zkoušek způsobených odběrem, skladováním, přepravou či přípravou vzorků ke zkouškám, a to i v případě dodržování předepsaných postupů. Při hodnocení výsledků zkoušek a při určování výsledných hodnot geotechnických parametrů jednotlivých typů hornin je v každém případě třeba odborně zvážit, do jaké míry tyto skutečnosti mohly mít na jejich výsledky vliv, a zda a jak je třeba je při stanovování odvozených hodnot geotechnických parametrů zohlednit (viz odst. 3.4 v ČSN EN 1997-1).

3.4 Komplexnost zkušebního programu

Z hlediska strategie komplexnosti a rozsahu zkušebního programu je účelné vyjít ze skutečnosti, že při průzkumu se provádějí tři typy zkoušek hornin.

• Zkoušky klasifikační (identifikační)

Jejich výsledky nezávisejí na stavu horniny v době odběru vzorku, dostačující jsou pro ně proto i porušené vzorky. Klasifikační zkoušky jsou určeny ke spolehlivé klasifikaci (zatřídění) zemin a skalních hornin podle existujících normovaných klasifikačních systémů pro daný účel. Na základě provedené klasifikace lze odhadovat očekávatelné rozsahy fyzikálních i technologických vlastností dotčených zemin i skalních hornin.

• Zkoušky stavové

Zjišťují konkrétní stav zeminy či skalní horniny, který jejich vlastnosti ovlivňuje, (např. objemová hmotnost, vlhkost, nasycenost vodou, ulehlost, původní napjatost atp.). Stavovými zkouškami v kombinaci se zkouškami mechanických vlastností se zjišťuje závislost vlastností daného typu zeminy či skalní horniny na jejím aktuálním stavu. Výsledky stavových zkoušek zemin a skalních hornin lze, spolu se známými či zjištěnými korelacemi, použít k predikci jejich mechanických vlastností podle jejich potenciálně možných stavů, které mohou během výstavby a provozu stavby nastat.

• Zkoušky mechanických vlastností

Ty přesně zjišťují mechanické parametry daného typu zeminy či skalní horniny v jejím daném stavu. Podmínkou jsou zcela neporušené vzorky hornin. Základními zkouškami tohoto typu jsou zkoušky deformačních vlastností, smykové pevnosti, pevnosti v jednoosém tlaku, triaxiální zkoušky pevnosti atp.
Vzájemné vyvážení množství jednotlivých typů zkoušek, míst odběru vzorků, jejich množství a podmínek, za jakých budou prováděny, není v žádném případě (kromě projektů první geotechnické kategorie a jednoduchých geologických poměrů) primitivním problémem ani jednoduchou automatickou záležitostí. To vše musí být provedeno na základě komplexního posouzení cílů průzkumů, potřeb konkrétního geotechnického návrhu, předpokládané složitosti geologických (inženýrskogeologických) poměrů a charakteru stavební konstrukce i jejího zásahu do původního stavu horninového prostředí. Do zkušebního programu je účelné zařadit i terénní zkoušky, především geofyzikální metody. S jejich pomocí lze „místně platné výsledky zkoušek (v místě odběru vzorků) přiřadit větším částem horninového prostředí“.
Návrh zkušebního programu, zejména vyhodnocení zkoušek, je jednou z klíčových činností geotechniky. Musí se při něm zohlednit jak inženýrskogeologické poznatky o území průzkumu, tak i potřeby výpočtových postupů při návrhu geotechnické konstrukce podle ČSN EN 1997-1.
Složité situace někdy vyžadují provedení citlivostních studií vlivu změn hodnot geotechnických parametrů na chování zkoumaného systému hornina – stavba, geotechnický monitoring, případně i použití rizikových analýz. Výsledky geotechnického monitoringu při výstavbě buď s definitivní platností potvrdí, nebo umožní včas korigovat závěry z geotechnických hodnocení a návrhů na základě průběžného měření skutečného chování systému výstavba – horninové prostředí.
Problémem bývá, že stanovení strategie zkušebního programu, jeho rozsah, komplexnost i zkušební postupy se musí provést už v okamžiku projektu průzkumu. Neprovede-li se včas a kvalifikovaně, není pro geotechnické hodnocení a hodnověrný geotechnický návrh dostatek dat.
Poznámka: Kromě výše uvedených tří druhů zkoušek fyzikálních vlastností hornin se v rámci průzkumu provádějí i tzv. zkoušky technologické, jejichž cílem je optimální návrh technologie výstavby včetně založení stavby a projektu výstavby a zkoušky i terénní měření pro stanovení vodního režimu v horninovém prostředí. Patří sem i zkoušky různých typů zlepšených zemin.

Předběžný závěr odstavců 3.1–3.4

• Hornina není beton s poněkud horšími mechanickými vlastnostmi. Její deformační a pevnostní vlastností jsou podstatně složitější, komplexnější. Závisí na řadě externích faktorů, často nahodilých.
• Hodnocení výsledků zkoušek (ani jejich navrhování a předepisování jejich metodiky) nelze provádět přímočaře, bez detailního porozumění struktuře horninového prostředí, a aniž by se vzal v úvahu způsob zatěžování horninového prostředí danou stavební konstrukcí.
• Pro geotechnický návrh ve smyslu ČSN EN 1997-1 je klíčové zejména vý­stižné stanovení charakteristických hodnot pevnosti a přetvárnosti hornin.
• Posuzování míry nejistot ve znalostech vlastností horninového prostředí je třeba provést jak z inženýrskogeologického (přírodovědného), tak i z geotechnického (inženýrského) hlediska. V žádném případě nelze postupovat jednostranně a schematicky.

4 Hodnocení průzkumu podle ČSN EN 1997

Podle ČSN EN 1997 se hodnocení průzkumu provádí ve dvou na sebe navazujících krocích. Viz též ČSN EN 1997-2 st. 19, obr. 1.1 čl. 1.6. Prvním krokem je hodnocení geologické (inženýrskogeologické) a druhým krokem je pak hodnocení geotechnické.

4.1 Geologické hodnocení

Povinným výstupem hodnocení průzkumu je podle čl. 3.4 ČSN EN 1997-1 „geologický“ model vytvořený na bázi litologických rozhraní (tedy geneze hornin), doplněný o tzv. odvozené hodnoty geotechnických parametrů. Odvozená hodnota („derived value“) je v čl. 1.5.2.4 ČSN EN 1997-1 definována jako hodnota geotechnického parametru získaná z teorie, korelací, nebo empiricky na základě zkoušek. U mechanických vlastností hornin se prakticky jedná o hodnoty přímo změřené při jejich laboratorních zkouškách. Odvozené hodnoty geotechnických parametrů hornin jsou, spolu s geologickým modelem s vyznačenými litologickými rozhraními, východiskem pro geotechnické hodnocení výstupů průzkumu a základem pro výběr charakteristických hodnot geotechnických parametrů hornin (viz čl. 2.4.3 ČSN EN 1997-1).

4.2 Geotechnické hodnocení

Geotechnické hodnocení představuje především stanovení charakteristických hodnot těch geotechnických parametrů hornin, které vstoupí do výpočtů (návrhu) geotechnické konstrukce.

• Návrh charakteristické hodnoty geotechnických parametrů

Charakteristická hodnota geotechnického parametru je definována v ČSN EN 1997-1 v čl. 2.4.5.2. Stanoví se z odvozených hodnot geotechnických parametrů na základě obezřetného výběru jejich hodnot ovlivňujících výskyt mezního stavu. V tomtéž článku jsou uvedena i další hlediska související s obezřetným výběrem charakteristické hodnoty, která souvisejí s hodnocením výše uvedených nejistot týkajících se zjišťováním vlastností zemin a hornin. Vychází se z komplexních poznatků daného průzkumu, konkrétních zkušeností hodnotitele průzkumu s danou lokalitou i všeobecných znalostí oboru inženýrské geologie
a geotechniky. Nedílnou součástí ­geotechnického hodnocení výstupů průzkumu podle ČSN EN 1997-1 je stanovení charakteris­tických geometrických podmínek. Ty vymezují platnost charakteristických hodnot geotechnických parametrů v horninovém prostředí.

• Návrh charakteristických hodnot geometrických podmínek

Stanovení charakteristické hodnoty geometrických podmínek je dáno čl. 2.4.5.3 ČSN EN 1997-1. V české průzkumné praxi je v této souvislosti běžně zaveden pojem geotechnický řez, nebo výpočtový geotechnický řez (viz například slovník pojmů ve výstavbě Geotechnické inženýrství S 1.2 ČKAIT). Je třeba zdůraznit, že charakteristická hodnota geotechnického parametru musí být vždy důsledně vztažena k určitému geotechnickému typu. Ten musí být v horninovém prostředí jednoznačně vymezen právě v geotechnickém řezu. Často bývá přehlíženo to, že stanovení charakteristické hodnoty geotechnického parametru a geometrických podmínek je vzájemně provázáno. Jedna podmínka bez druhé není úplně definována.

4.3 Úskalí geotechnického hodnocení průzkumů podle ČSN EN 1997-1

Pomine-li se možnost použít pro stanovení charakteristické hodnoty geotechnického parametru statistické metody (protože pro jejich aplikaci v matematickém slova smyslu téměř nikdy nejsou splněny podmínky), největším úskalím je samotný koncept obezřetného výběru. Ten se týká jak obezřetného výběru charakteristické hodnoty geotechnického parametru, tak i charakteristických geometrických podmínek. Konceptem „obezřetného výběru“ se ČSN EN 1997-1 svým způsobem vypořádává s nejistotami a rizikem, které geotechnický návrh doprovází.
Všeobecně přijímaný výklad pojmu obezřetný je: s opatrností se vyhnout potenciálním problémům nebo ohrožením. Ve smyslu geotechnického návrhu se tím rozumí postup, jehož cílem je vyhnout se budoucím obtížím a škodám při výstavbě a provozu hotového díla, které by měly původ v nevhodně vyřešené interakci stavby s jejím horninovým prostředím, respektive v založení stavby.
Charakteristická hodnota geotechnického parametru musí být stanovena s přihlédnutím k meznímu stavu, pro který musí být podle ČSN EN 1997-1 příslušná geotechnická konstrukce navržena. Jak však bylo ukázáno výše, hodnota geotechnického parametru není inherentní vlastností hornin závislou pouze na jejím vnitřním stavu. Pro určité mezní stavy se proto v závislosti na nich může měnit.
Z toho bývá někdy vyvozováno, že charakteristickou hodnotu geotechnického parametru je možno definitivně stanovit až ve fázi geotechnického návrhu, nikoliv už ve stadiu hodnocení geotechnického průzkumu.
Na druhé straně však samotný článek 2.4.5.2 ČSN EN 1997 připomíná řadu okolností, které je třeba při stanovování charakteristické hodnoty geotechnického parametru vzít v úvahu a které však přímo souvisí s primárními nejistotami o vlastnostech dotčeného horninového prostředí, a to bez ohledu na to, pro jaké mezní stavy se geotechnická konstrukce bude posuzovat.
Stanovovat charakteristické hodnoty geotech­nických parametrů až ve fázi geotechnického návrhu subjektem (autorem geotechnického návrhu), který neprováděl ani nehodnotil průzkum, nemá zkušenost s daným horninovým prostředím, a tudíž ani cit pro nejistoty o jeho vlastnostech, ať už v důsledku omezeného průzkumu nebo komplikovanosti geneze příslušného horninového prostředí, by však de facto znamenalo podmínku ČSN EN 1997-1 obezřetné volby charakteristické hodnoty geotechnického parametru nesplnit.
Jako optimální postup se proto jeví charakteristické hodnoty geotechnických parametrů i jejich odpovídající charakteristické geometrické podmínky navrhnout již v rámci geotechnického hodnocení výsledků průzkumů ve zprávě o průzkumu, a to ve formě „návrhu“ zpracovateli geotechnického návrhu v samostatné kapitole zprávy o průzkumu. Ten si pak v rámci validace nebo verifikace výstupů geologického i geotechnického hodnocení (který mu ČSN EN 1997-1 ukládá) může podle konkrétních potřeb a okolností výpočtů charakteristické hodnoty upravit. V každém případě je to on, kdo je za projekt i volbu vstupů do geotechnických výpočtů, a tedy i konečnou volbu charakteristických hodnot geotechnických parametrů odpovědný.
Přihlédnutí k mezním stavům při zpracovávání projektu průzkumu, ani při geotechnickém hodnocení jeho výsledků nepředstavuje zvláštní problém, protože ČSN EN 1997-1 v jednotlivých kapitolách určených pro navrhování konkrétních geotechnických konstrukcí mezní stavy, pro které je třeba jejich geotechnický návrh provést, jednoznačně vyjmenovává.

Předběžný závěr odstavců 4.1–4.3

• Zásadní úskalí geotechnického hodnocení průzkumu nastane, když bude prováděno subjektem, který nemá vlastní bezprostřední zkušenost s provedením průzkumu a jeho geologickým hodnocením. Tehdy je jen obtížně splněna podmínka ČSN EN 1997-1 obezřetného přístupu k volbě charakteristických hodnot.
• Další úskalí nastává, pokud jsou geologické i geotechnické hodnocení v rozporu s požadavkem ČSN EN 1997 spojeny do jednoho kroku, a autor geotechnického návrhu tak má omezenou možnost samostatně validovat a verifikovat závěry průzkumu a dostát tak své jednoznačné odpovědnosti za konečný návrh charakteristické hodnoty geotechnického parametru.
• Z hlediska potřeb spolehlivého geotechnického návrhu je jednoznačně spolehlivější, aby „návrhy“ charakteristických hodnot geotechnických parametrů i charakteristických hodnot jejich vymezení v horninovém prostředí provedl kvalifikovaný řešitel průzkumu již v rámci samostatné kapitoly zprávy o průzkumu. Podmínkou je, že musí být splněny požadavky ČSN EN 1997-1 definované v čl. 2.4.5.2 a 2.4.5.3 pro stanovování charakteristických hodnot.

5 Řízení geotechnických rizik

Důsledkem nejistých znalostí o vlastnostech horninového prostředí a jejich očekávané reakce na zásah jejich přirozeného původního stavu stavbou jsou rizika spojená jak s návrhem, tak zejména s prováděním a v některých případech i s provozováním hotového stavebního díla.
Riziko je podle mezinárodní normy ISO 31000 obecně definováno jako vliv nejistot na dosažení cíle. Inženýrská definice riziko definuje jako souběh pravděpodobnosti vzniku jevu, který může způsobit škodu (potíže), a výši této potenciálně vzniklé škody (zpravidla i ve finančním vyjádření) v případě, že by tento jev nastal. V tomto smyslu je proto možno riziko kvantifikovat jako součin pravděpodobnosti, že škoda nastane, a výši této škody.
Je však třeba zdůraznit, že škoda může být i nehmotná (například ztráta dobré pověsti) a že riziko má vždy konkrétního nositele, toho, komu vznikne škoda, újma. Rizika se týkají všech oblastí života lidské společnosti. Existují tudíž i různé typy rizik a různé postupy, jak riziko řídit.
U geotechnických konstrukcí jde především o škody vyplývající z neočekávané reakce systému horninové prostředí – stavba na postup výstavby, případně o dlouhodobou změnu původního stavu horninového prostředí jeho přitížením stavbou. Při rizikových analýzách vzniká problém v tom, že se jedná o odhad pravděpodobnosti vzniku jevu, který ještě nenastal, a následně odhad výše vzniklé škody, která také ještě nenastala. A to v situaci, kdy, jak bylo ukázáno, znalosti o vlastnostech dotčeného horninového prostředí jsou neúplné a nejisté. Proto se v praxi geotechnické riziko většinou hodnotí relativně, prostřednictvím klasifikačních stupnic s bodovým hodnocením sestavených pro dané okolnosti (viz dále metoda FMEA).
Obecně metody řízení inženýrských rizik spočívají v hledání postupů jak:

• identifikovat a odhadovat pravděpodobnosti vzniku potenciálně možných nežádoucích jevů;
• identifikovat škody spojené s potenciálně možným vznikem nežádoucích jevů a odhadovat související velikost rizika;
• navrhovat a realizovat opatření k eliminaci či snižování pravděpodobnosti vzniku možných nežádoucích jevů;
• odhadovat náklady na řízení rizik (identifikací nežádoucích jevů a škod a zaváděním souvisejících opatření) a pak optimalizovat velikost existujícího rizika a nákladů na jejich snížení na přijatelnou mez.

Tyto postupy se podrobně samostatně zaměřují na jednotlivé klíčové segmenty stavebních či projektových činností, např. na jednotlivé stavební objekty, technologie, procesy, projektovou činnost atp.
Vždy však platí, že řízení rizik musí být nedílnou součástí řízení celé výstavby. Řízení rizik při výstavbě je z principu součástí observační metody. A jedním z jejích základních postupů, zejména v inženýrském stavitelství, je geotechnický monitoring.
V souvislosti s takto vnímaným řízením rizik je třeba zmínit, že ČSN EN 1997-1 se v logice ostatních stavebních Eurokódů přirozeně zaměřuje především na projektovou činnost, to je na bezpečné navrhování geotechnických konstrukcí. Prvoplánově se tudíž koncentruje na jejich statickou bezpečnost. To znamená navrhnout je tak, aby k nežádoucímu chování geotechnické konstrukce (především k dosažení žádného z jejích mezních stavů) vůbec nedošlo. Řízení geotechnických rizik z hlediska optimalizace nákladů při vlastní výstavbě v komplikovaném horninovém prostředí tak ponechává poněkud stranou. Pracuje však s třemi úrovněmi rizika, (zanedbatelným, běžným a abnormálním), viz ČSN EN 1997-1, články 2.1.8, 2.1.14, 2.1.17 a 2.1.21), spojenými se třemi geotechnickými kategoriemi (viz ČSN EN 1997-1, články 2.1.10, 2.1.15, 2.1.17 a 2.1.20), které ovlivňují rozsah a komplexnost průzkumů. Dále systémově zavádí koncept obezřetného přístupu k stanovování charakteristických hodnot vstupujících do výpočtů a koncept dílčích součinitelů, kterými se, s ohledem na nejistoty spojené s návrhem, redukují charakteristické hodnoty.
Pozn.: Připravovaný Eurokód 7 druhé generace rozpracovává řízení rizik o koncept tzv. tříd následků (potenciálně vzniklých poruch geotechnických konstrukcí). Na ty se pak budou vázat rozsahy hodnot předepsaných dílčích součinitelů a koeficientů.
Postup geotechnického návrhu podle ČSN EN 1997-1 vznik poruch při výstavbě jistě omezuje, ale nebere přitom zcela v úvahu ekonomické hledisko při výstavbě, kdy z důvodů rozličných externích nahodilých vlivů, a to včetně nepředpokládaných anomálií ve vlastnostech horninového prostředí a následné neočekávané reakci na výstavbu, může dojít k překvapivým nežádoucím jevům a škodám. Ty nelze nikdy během realizace geotechnických konstrukcí ani inženýrských staveb, s ohledem na nejistý charakter horninového prostředí, vyloučit. Autor geotechnického návrhu, projektant stavby, s ohledem na „tvůrčí“ charakter své činnosti a rozhodnutí, která musí činit v podmínkách neúplných informací, je tak vždy nositelem velkého rizika.
ČSN EN 1997-1 úplně nepokrývá geotechnické riziko zejména při výstavbě inženýrských staveb, jako jsou dálnice, tunely, hydrotechnické stavby a různá úložiště včetně jaderného odpadu, kde stavba zasahuje velký objem horninového prostředí s výrazně proměnlivými vlastnostmi. Všude tam je proto žádoucí standardní metodiku řízení rizik uplatnit v plném rozsahu.
V současnosti existuje celá řada standardů a publikací, které se problematice řízení rizik při výstavbě věnují. Podrobnější výklad v tomto směru jde nad rámec tohoto článku (viz například literatura [2, 3, 4, 6, 7, 8 a 9]). Pro praktické řízení geotechnických rizik na inženýrských stavbách jsou nejefektivnější postupy vycházející z metody FMEA.

Aplikace expertní metody FMEA pro řízení rizik

Expertní metoda FMEA vychází z normy ČSN EN 608 (2007) Techniky analýzy bezporuchovosti systémů. Je založena na práci skupiny expertů, kteří při identifikaci a kvantifikaci zdrojů rizik pracují na sobě nezávisle, ale podle předem jednotných postupů a klasifikací. Postup spočívá v kombinaci slovního hodnocení potenciálních nežádoucích jevů (zdrojů rizik) s jejich hodnocením číselným, a to podle jednotné klasifikace, nastavené rizikovou analýzou pro daný případ předem.
Cílem tohoto postupu je sestavit pořadí nežádoucích jevů (zdrojů rizik) podle jejich závažnosti – jak z hlediska potenciální škody, tak i pravděpodobnosti jejího vzniku. Nežádoucí jevy jsou předtím identifikovány a zapracovány do tzv. registrů nežádoucích jevů. Každý z identifikovaných nežádoucích jevů je každým expertem samostatně oceňován podle jednotné slovní klasifikace bodováním. Každý jev je klasifikován a bodován pro tři parametry, a to Z (důsledky, závažnost, výše škod nežádoucího jevu), P (pravděpodobnost vzniku nežádoucího jevu) a Dt (předvídatelnost vzniku takových nežádoucích jevů).
Pro každý nežádoucí jev se pak stanovuje index RPN (Risk Priority Numer). Ten je hodnocením míry rizika, které hodnocený nežádoucí jev v konkrétním případě představuje. Hodnota indexu RPN je dána součinem všech tří klasifikovaných parametrů, RPN = Z × P × Dt.
Tímto postupem se kompenzuje subjektivita hodnocení závažnosti jednotlivých zdrojů rizik, pokud by bylo prováděno pouze jediným expertem. Zásadním předpokladem úspěchu metody je, že zdroje rizik podle jednotných registrů nežádoucích jevů hodnotí každý člen expertního týmu samostatně, a to bez znalosti hodnocení ostatních členů expertního týmu.
Vedoucí rizikové analýzy jednotlivá hodnocení RPN od jednotlivých expertů zhodnocuje a pro každý hodnocený stavební objekt sestavuje jejich pořadí a komentář. Výsledek takové rizikové analýzy je nakonec podroben kritické diskusi všech členů expertního týmu.
Výsledkem metody není stanovení absolutní výše rizika, ale jeho indexu RPN, který umožní sestavit všechny potenciálně rizikové jevy podle jejich významu a racionálně s nimi v průběhu projektu i výstavby pracovat. Zapojení skupiny na sobě nezávisle pracujících expertů kompenzuje nemožnost exaktně stanovovat pravděpodobnost i výši možných potenciálních škod při výstavbě.

Celkové shrnutí

• Pro geotechnickou konstrukci je typické, že obsahuje jak klasické stavební materiály, tak i přírodní materiály, zeminy či skalní horniny.
• Mechanické chování, vlastnosti i charakter hornin jsou odlišné od klasických stavebních materiálů (beton, ocel). Přesto vstupují spolu do týchž výpočetních algoritmů schémat.
• Vlastnosti hornin jsou vždy proměnlivé, nahodilé a závisejí na řadě externích i nahodilých faktorů. Při stanovování charakteristických hodnot geotechnických parametrů hornin i jejich prostorového vymezení je proto tuto okolnost nutno důkladně zohledňovat.
• Vlastnosti horninového prostředí, které vstupují do geotechnických návrhů a projektů stavebních konstrukcí, se zjišťují komplexním geotechnickým průzkumem podle zásad ČSN EN 1997-1. Přitom se uplatňují i inženýrskogeologické, hydrogeologické, geofyzikální a další průzkumné metody podle geologického zákona.
• Geotechnická hodnocení průzkumů pro účely výstavby tak, aby plně respektovala požadavky ČSN EN 1997-1 o obezřetném výběru, by měla být již součástí hodnocení průzkumů. Musí být však vždy uváděna v samostatných kapitolách a důsledně respektovat věcné i formální požadavky ČSN EN 1997 na jejich provedení.
• Při geotechnickém návrhu se musí v podstatně větší míře než u klasických stavebních materiálů pracovat s nejistotami a rizikem. Při určování vlastností hornin a zemin je třeba vhodně uplatňovat i pravděpodobnostní přístup.
• ČSN EN 1997-1 řeší riziko vyplývající z nejistot ve znalostech o vlastnostech horninového prostředí především z hlediska statické bezpečnosti geotechnických konstrukcí během jejich provozu.
• Při jejich výstavbě, zejména u velkých inženýrských staveb a speciálního zakládání, je účelné provádět standardní řízení geotechnických rizik s využitím observační metody, jejíž základní metodou je geotechnický monitoring.
• Smyslem řízení rizik je hlavně identifikovat potenciální jevy, které mohou způsobit škody, seřadit je podle jejich významu (pravděpodobnosti vzniku a pravděpodobné velikosti škod) a přijímat opatření, která by existující rizika udržela v přijatelných mezích – především však vtáhnout do systematického řízení rizik všechny účastníky výstavby v každé fázi její přípravy. 

Zdroje:
[1] ČSN EN 1997-1: Navrhování geotechnických konstrukcí: Obecná pravidla.
[2] ČSN EN 608: Techniky analýzy bezporuchovosti systémů. 2007.
[3] TP 237: Geotechnický monitoring tunelů. ŘSD, 2011.
[4] ROZSYPAL, A. Inženýrské stavby – Řízení rizik. JAGA 2008.
[5] ROZSYPAL, A. a V. HORÁK. Některé otázky moderního inženýrskogeologického průzkumu. Tunel. 2021, č. 3, str. 41–54.
[6] ROZSYPAL, A. a J. PRUŠKA. Minimalizace rizik při výstavbě tunelů. CESTI, 2019.
[7] TICHÝ, M. Ovládání rizika. Praha: C. H. Beck, 2006.
[8] STAVEREN, M. Uncertainty and Ground Conditions: A Risk Management Approach. Elsevier, 2006.
[9] MASOPUST, J. a kol. Rizika prací speciálního zakládání. Praha: ČKAIT, 2011.