ГІДРОГЕОЛОГІЧНІ ТА ГЕОФІЗИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Інженерно-геологічні вишукування є фундаментальним етапом перед початком будь-якого будівництва, оскільки вони надають вичерпну інформацію про геологічну будову ділянки, фізико-механічні властивості ґрунтів та гідрогеологічний режим. Без цих даних неможливо коректно розрахувати та спроєктувати надійний фундамент, що відповідатиме несучим навантаженням споруди та забезпечить її довговічність. Відповідно до ДБН В.2.1-10:2018 ‘Основи та фундаменти будівель і споруд’, проведення інженерно-геологічних досліджень є обов’язковим для всіх видів будівництва.

Основна мета цих вишукувань полягає у визначенні: типу ґрунтів (глина, пісок, суглинок, торф), їхніх міцнісних (кут внутрішнього тертя, зчеплення) та деформаційних (модуль деформації, коефіцієнт стисливості) характеристик, а також наявності та рівня ґрунтових вод, їхньої агресивності до будівельних матеріалів. Це дозволяє не тільки обрати оптимальний тип фундаменту – стрічковий, стовпчастий, плитний або пальовий – але й визначити його глибину закладання, розміри та конструкцію.

Наприклад, на ділянках з високим рівнем ґрунтових вод або пучиністими ґрунтами, які характерні для багатьох регіонів України, особливо Київської області та північних районів, необхідно передбачати спеціальні заходи. Це може бути влаштування дренажних систем, застосування фундаментів глибокого закладання або використання теплоізоляції для захисту від морозного пучіння. Без своєчасного та якісного аналізу цих факторів, ризики аварійних ситуацій та значних фінансових втрат зростають експоненціально. Експерти наголошують, що вартість якісних інженерно-геологічних вишукувань становить лише незначну частку (0.5-2%) від загального кошторису будівництва, проте економія на цьому етапі може призвести до перевитрат, що сягають 30-50% вартості всього проєкту на етапі усунення наслідків помилкових рішень.

Для більш детального розуміння ролі фундаменту в загальній конструкції будівлі, рекомендуємо ознайомитись зі статтею про види фундаментів та їх вибір.

Процес інженерно-геологічної розвідки є комплексним і включає кілька послідовних етапів, кожен з яких має свою специфіку та використовує певні інструменти. Початковий етап – це збір архівних матеріалів, топографічних карт та аерофотознімків, що дозволяє отримати попереднє уявлення про геологічні умови ділянки. Наступний етап – польові роботи, які є найбільш відповідальними та інформативними.

Польові роботи включають: буріння інженерно-геологічних свердловин, статичне та динамічне зондування, штампові випробування. Буріння свердловин здійснюється для відбору зразків ґрунту (монолітів) з різних глибин, а також для вимірювання рівня ґрунтових вод. Глибина та кількість свердловин визначаються згідно з ДБН В.1.1-1:2009 ‘Захист від небезпечних геологічних процесів. Загальні вимоги’ та ДБН В.2.1-10:2018, залежно від категорії складності інженерно-геологічних умов ділянки та розмірів майбутньої споруди.

Статичне зондування (CPT) дозволяє отримати безперервний профіль міцнісних та деформаційних характеристик ґрунтів за допомогою конуса, що занурюється в ґрунт. Цей метод є швидким, економічним та надає високоточні дані, що особливо цінно для неоднорідних ґрунтів. Динамічне зондування (DPT) використовується для оцінки щільності піщаних ґрунтів та твердості глинистих. Штампові випробування, хоч і дорогі, забезпечують найбільш точне визначення модуля деформації ґрунту безпосередньо в польових умовах, що є критично важливим для великих та відповідальних об’єктів.

Лабораторні дослідження зразків ґрунту включають визначення гранулометричного складу, показників пластичності (для глинистих ґрунтів), щільності, вологості, а також проведення компресійних випробувань для визначення коефіцієнта стисливості та міцності на зсув. Усі ці дані є основою для розрахунку несучої здатності ґрунту та осідання фундаменту. Застосування сучасних геофізичних методів, таких як георадар (GPR) або електророзвідка, дозволяє отримати додаткову інформацію про приховані неоднорідності, карстові порожнини або старі комунікації без необхідності руйнівних втручань.

Несуча здатність ґрунту – це його здатність сприймати навантаження від фундаменту будівлі без надмірних деформацій або руйнування. Цей параметр є одним з найважливіших при проєктуванні фундаментів. Визначення несучої здатності ґрунту здійснюється на основі фізико-механічних характеристик, отриманих в результаті інженерно-геологічних вишукувань, відповідно до ДБН В.2.1-10:2018. Ключовими показниками є кут внутрішнього тертя (φ), питоме зчеплення (c), модуль деформації (E) та щільність ґрунту (ρ).

Формули для розрахунку несучої здатності є складними і враховують як властивості ґрунту, так і геометричні параметри фундаменту та глибину його закладання. Загальна формула для розрахунку граничного тиску на ґрунт під підошвою фундаменту (P_rp) враховує декілька коефіцієнтів, що залежать від форми фундаменту, глибини закладання, нахилу навантаження та інших факторів. Для стрічкових фундаментів, наприклад, розрахунок часто включає перевірку напружень під підошвою фундаменту за умовою міцності та деформації. Згідно з ДБН, допустимий тиск на ґрунт [R] розраховується як частка від граничного тиску з урахуванням коефіцієнтів надійності за ґрунтом та відповідальності споруди.

Наприклад, для піщаних ґрунтів несуча здатність значно залежить від їхньої щільності та вологості, тоді як для глинистих – від показників пластичності та консистенції. Щільні піски можуть витримувати значні навантаження, тоді як пухкі піски або водонасичені суглинки вимагають або значного збільшення площі фундаменту, або використання пальових рішень. ДСТУ Б В.2.1-2-96 (ГОСТ 25100-95) ‘Ґрунти. Класифікація’ є основоположним документом для ідентифікації ґрунтів та їхнього подальшого аналізу.

Типові помилки у розрахунках часто пов’язані з недооцінкою неоднорідності ґрунтового масиву або ігноруванням сезонних змін вологості. Наприклад, для легких каркасних будівель на щільних ґрунтах може бути достатньо мілкозаглубленого стрічкового фундаменту, тоді як для масивних цегляних споруд на слабких ґрунтах необхідні плитні або пальові фундаменти. Правильний розрахунок несучої здатності є ключовим для запобігання нерівномірним осіданням, тріщинам у несучих конструкціях та руйнуванню будівлі. Це також впливає на інженерні системи будівлі, тому варто звертати увагу на інженерні системи при загальному проєктуванні.

Рівень ґрунтових вод (РГВ) є одним із найкритичніших факторів, що визначають конструкцію та глибину закладання фундаменту. Високий РГВ або його значні сезонні коливання можуть призвести до цілого ряду проблем, включаючи зниження несучої здатності ґрунтів, морозне пучіння, капілярне підняття вологи до конструкцій фундаменту та підвальних приміщень, а також корозію арматури та руйнування бетону.

Визначення РГВ здійснюється шляхом тривалого спостереження у спеціально пробурених гідрогеологічних свердловинах. Важливо фіксувати не тільки поточний рівень, але й його сезонні зміни, особливо під час весняного водопілля та осінніх дощів, оскільки саме максимальний РГВ є розрахунковим. Згідно з ДБН В.2.1-10:2018, якщо РГВ знаходиться вище підошви фундаменту, необхідно передбачати комплекс заходів з гідроізоляції та дренажу. Це може бути зовнішня гідроізоляція фундаменту рулонними або обмазувальними матеріалами, пристінний або пластовий дренаж для відведення ґрунтових вод від основи будівлі.

Морозне пучіння ґрунтів – це збільшення об’єму ґрунту при замерзанні води в його порах, що призводить до підняття та деформації фундаменту. Це явище найбільш характерне для дрібнопіщаних, пилуватих та глинистих ґрунтів з високою вологістю. В Україні, особливо у північних та центральних регіонах, глибина промерзання ґрунту може досягати 0.8-1.5 м, залежно від регіону та типу ґрунту. Для запобігання морозному пучінню необхідно закладати фундамент нижче нормативної глибини промерзання ґрунту, або ж застосовувати спеціальні утеплені фундаменти мілкого закладання (УШП) з урахуванням теплотехнічних розрахунків.

При високому РГВ також зростає ризик вимивання дрібних частинок ґрунту, що може призвести до утворення порожнин під фундаментом та його нерівномірного осідання. Для таких умов, крім дренажу, може знадобитися ущільнення основи або застосування пальових фундаментів, що спираються на більш міцні, глибинні шари ґрунту. Вибір оптимального рішення завжди потребує комплексного аналізу гідрогеологічних даних та розрахунків.

Проєктування фундаменту – це складний інженерний процес, що інтегрує результати геологічних вишукувань з архітектурними та конструктивними рішеннями будівлі. Головна мета – забезпечити стабільність та довговічність споруди шляхом передачі всіх навантажень (власна вага будівлі, експлуатаційні, снігові, вітрові) на ґрунтову основу таким чином, щоб напруження в ґрунті не перевищували його несучої здатності, а деформації були в допустимих межах.

На основі геологічного звіту архітектор та інженер-конструктор спільно обирають оптимальний тип фундаменту. Наприклад, для будівництва на піщаних або гравійних ґрунтах з низьким РГВ часто обирають стрічкові або стовпчасті фундаменти мілкого закладання. Це дозволяє раціонально використовувати матеріали та знизити вартість робіт. Однак, якщо ділянка має неоднорідну основу, схильну до осідання або з високим РГВ, плитний або пальовий фундамент може бути єдиним надійним рішенням. Плитний фундамент, рівномірно розподіляючи навантаження по всій площі будівлі, ефективно працює на слабких та стисливих ґрунтах, мінімізуючи диференційовані осідання. Пальові фундаменти використовуються для передачі навантаження на міцніші, глибинні шари ґрунту, обходячи слабкі поверхневі ґрунти.

Розрахунок фундаменту включає не тільки перевірку на несучу здатність основи, а й розрахунок осідання фундаменту. Осідання не повинно перевищувати гранично допустимих значень, встановлених ДБН В.2.1-10:2018 (зазвичай 5-10 см для житлових будівель, залежно від типу конструкції). Метод розрахунку осідання за умовним шаром дозволяє оцінити деформації ґрунту під навантаженням. Крім того, важливо враховувати вплив підземних комунікацій та сусідніх будівель на ґрунтову основу. Це відповідальний етап, який потребує високої кваліфікації та застосування сучасних програмних комплексів для розрахунків, наприклад, BIM-систем, які дозволяють моделювати взаємодію ‘фундамент-ґрунт’. Досвідчений архітектор завжди враховує ці аспекти.

Кожний тип фундаменту має свої специфічні вузли, які необхідно проєктувати з урахуванням конкретних геологічних умов ділянки. Розглянемо детальніше ключові рішення для найбільш поширених ґрунтів в Україні.

1. Стрічковий фундамент на стабільних ґрунтах (піски середньої щільності, суглинки тверді):

• **Вузол:** Підошва фундаменту закладається нижче глибини промерзання (згідно з ДБН В.2.1-10:2018, для Київської області це приблизно 1.0-1.2 м). Під підошву влаштовується піщана підготовка товщиною 100-200 мм для вирівнювання та запобігання підсмоктуванню вологи.
• **Армування:** Горизонтальне армування складається з 4-6 поздовжніх робочих стрижнів діаметром 12-16 мм, пов’язаних хомутами діаметром 6-8 мм з кроком 200-300 мм. Це забезпечує міцність фундаменту на згин та розтягнення.
• **Гідроізоляція:** Обмазувальна або обклеювальна гідроізоляція вертикальних поверхонь та горизонтальна гідроізоляція по верхньому обрізу фундаменту для відсікання капілярного підняття вологи.

2. Плитний фундамент на слабких стисливих ґрунтах (суглинки пластичні, торф):

• **Вузол:** Монолітна залізобетонна плита товщиною 200-400 мм, що слугує одночасно основою для підлоги першого поверху. Під плитою влаштовується подушка з ущільненого піску (до 300-500 мм) та щебеню (до 100-150 мм) для розподілу навантаження та дренажу.
• **Армування:** Подвійне армування сіткою з робочих стрижнів діаметром 10-16 мм з кроком 150-250 мм у верхній та нижній зонах плити. Стрижні пов’язуються вертикальними зв’язками.
• **Гідроізоляція та утеплення:** Під плитою обов’язково укладається профільована мембрана та екструдований пінополістирол (XPS) товщиною 100-150 мм для утеплення та захисту від морозного пучіння та вологи. Ця технологія дозволяє створити високоефективний фундамент, що забезпечує низький показник U/R (теплопередача/теплоопір) і є основою для енергоефективних будівель.

3. Пальовий фундамент на ділянках з низькою несучою здатністю верхніх шарів або високим РГВ:

• **Вузол:** Палі (буронабивні, забивні) діаметром 300-600 мм заглиблюються до міцних, несучих шарів ґрунту. Поверх паль влаштовується монолітний залізобетонний ростверк, що об’єднує їх в єдину систему.
• **Армування:** Палі армуються просторовими каркасами з поздовжніх стрижнів 16-25 мм та спіральної обв’язки. Ростверк армується як стрічковий фундамент.
• **Гідроізоляція:** Для ростверків, що знаходяться нижче РГВ, потрібна посилена гідроізоляція та дренаж. Для будівель, що зводяться за сучасними технологіями, як, наприклад, бетонні конструкції, правильний вибір фундаменту є критичним.

Ретельне проєктування кожного вузла з урахуванням взаємодії ‘фундамент-ґрунт’ забезпечує довговічність та експлуатаційну надійність всієї будівлі.

В Україні діяльність з інженерно-геологічних вишукувань та проєктування фундаментів суворо регламентується низкою державних будівельних норм (ДБН) та державних стандартів (ДСТУ). Ці документи встановлюють вимоги до методології проведення досліджень, обробки результатів, розрахунків та прийняття проєктних рішень. Дотримання цих норм є обов’язковим для всіх учасників будівельного процесу та гарантує безпеку та надійність споруд.

Основними нормативними документами, на які слід орієнтуватися, є:

• **ДБН В.2.1-10:2018 ‘Основи та фундаменти будівель і споруд’**: Цей документ визначає основні положення щодо проєктування основ та фундаментів, вимоги до інженерно-геологічних вишукувань, методи розрахунку несучої здатності та осідання фундаментів, а також конструктивні рішення для різних типів ґрунтів.
• **ДБН В.1.1-1:2009 ‘Захист від небезпечних геологічних процесів. Загальні вимоги’**: Регламентує заходи щодо захисту будівель та споруд від зсувів, обвалів, карсту, підтоплень та інших небезпечних геологічних процесів, що може значно впливати на вибір типу фундаменту та необхідність додаткових укріплень.
• **ДСТУ Б В.2.1-2-96 (ГОСТ 25100-95) ‘Ґрунти. Класифікація’**: Встановлює єдину систему класифікації ґрунтів за їхнім походженням, складом, станом та фізико-механічними властивостями, що є основою для коректної інтерпретації результатів вишукувань.
• **ДСТУ Б В.2.1-12:2009 ‘Ґрунти. Методи лабораторного визначення фізичних характеристик’ та ДСТУ Б В.2.1-13:2009 ‘Ґрунти. Методи лабораторного визначення механічних характеристик’**: Ці стандарти деталізують процедури лабораторних випробувань ґрунтів, забезпечуючи достовірність отриманих даних.

Крім загальнонаціональних норм, важливо враховувати регіональні особливості України. Наприклад, для Київської області та Полісся характерні пучиністі ґрунти (суглинки, дрібні піски) з високим рівнем ґрунтових вод та значною глибиною промерзання. Для Закарпаття та Карпатських регіонів актуальні проблеми сейсмічності, зсувів та значних коливань РГВ. Південні регіони можуть стикатися з просіданням лесових ґрунтів. Ці особливості вимагають від проєктантів застосування специфічних інженерних рішень та, у деяких випадках, посилених вимог до вишукувань. Зважаючи на вибір ділянки, важливо також ознайомитись зі статтею про те, як вибрати ділянку для будівництва, щоб уникнути складних геологічних умов.