Nowe podejście do projektowania geotechnicznego podtorza kolejowego z uwzględnieniem oddziaływań dynamicznych i osiadań kumulacyjnych

Projektowanie geotechniczne podtorza kolejowego w Polsce i innych państwach Unii Europejskiej opiera się na wspólnych podstawach normowych, obejmujących TSI INF, Eurokod 1 (EN 1991-2), Eurokod 7 (EN 1997) oraz normy dotyczące robót ziemnych. Do podstawowych zagadnień projektowych należą stateczność budowli ziemnych, nośność i sztywność podłoża oraz kontrola deformacji wpływających na utrzymanie wymaganej geometrii toru. Zgodnie ze Standardami Technicznymi PKP PLK stateczność podtorza w stanie granicznym nośności należy sprawdzać według PN-EN 1997-1, stosując podejście obliczeniowe DA3 oraz zestaw współczynników częściowych A2 + M2 + R3, z uwzględnieniem stałego obciążenia nawierzchni kolejowej. Autor odniesie się również do wymagań rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 17 września 2026 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle kolejowe i ich usytuowanie (Dz. U. z 2026 r. poz. 1225), które wzmacnia kierunek proponowanego podejścia, wymagając uwzględnienia oddziaływań dynamicznych, drgań oraz trwałych i sprężystych odkształceń podtorza, nie określa jednak wprost metody oceny rezonansu ani osiadań kumulacyjnych.
Analiza rozwiązań stosowanych przez europejskich zarządców infrastruktury kolejowej — m.in. DB InfraGO, ÖBB, Banedanmark, Trafikverket, ADIF, Väylävirasto, Správa železnic i ŽSR — wskazuje, że wspólnym punktem odniesienia pozostaje model obciążenia LM71. Coraz większą uwagę poświęca się jednak trwałości eksploatacyjnej podtorza, deformacjom długotrwałym i oddziaływaniom dynamicznym. W wielu krajach europejskich kryteria użytkowalności formułuje się funkcjonalnie, odnosząc je do zachowania geometrii toru, możliwości jego regulacji oraz trwałości infrastruktury, a nie do pojedynczego kryterium osiadania.
Na tym tle polskie wymagania wyróżniają się jednoznacznym określeniem kryteriów różnic osiadań eksploatacyjnych: 4 mm/rok na odcinku 30 m oraz 10 mm/rok na odcinku 200 m. W analizach podtorza model LM71 zastępuje się zazwyczaj równoważnym obciążeniem rozłożonym, które po uwzględnieniu współczynnika klasyfikacyjnego przyjmuje wartość około 63 kPa.
Pomimo rozbudowanego systemu wymagań współczesna praktyka projektowa koncentruje się przede wszystkim na statycznej lub quasi-statycznej odpowiedzi podłoża gruntowego. Rzeczywiste oddziaływanie ruchu kolejowego ma natomiast charakter dynamiczny i cykliczny. Przejazd pociągu generuje wymuszenia o częstotliwościach zależnych m.in. od prędkości jazdy i geometrii taboru, a podłoże gruntowe charakteryzuje się własnymi częstotliwościami drgań. Doświadczenia niemieckie wskazują, że w przypadku gruntów słabonośnych o zachowaniu podtorza mogą decydować nie tylko naprężenia statyczne, lecz także ryzyko rezonansu pomiędzy wymuszeniem od ruchu kolejowego a drganiami własnymi podłoża.
W referacie zostanie przedstawiona propozycja rozszerzenia obecnej procedury projektowania geotechnicznego o dwa wzajemnie powiązane elementy.
Pierwszym z nich jest ocena ryzyka rezonansu podłoża, polegająca na porównaniu częstotliwości wymuszeń generowanych przez przejeżdżające pociągi z częstotliwościami własnymi warstw gruntowych, wyznaczanymi na podstawie badań SCPT, SDMT i innych metod geofizycznych. Na tej podstawie opracowano autorski nomogram dostosowany do warunków polskich, inspirowany metodologią stosowaną przez Deutsche Bahn do jakościowej oceny podatności dynamicznej linii kolejowych przebiegających przez grunty słabonośne. Narzędzie umożliwia wstępną identyfikację odcinków potencjalnie narażonych na rezonans i wskazanie obszarów wymagających bardziej zaawansowanych analiz.
Drugim elementem jest nowe podejście do prognozowania osiadań eksploatacyjnych. W referacie zaproponowano, aby wymaganie PKP PLK dotyczące prognozy osiadań „w eksploatacji” odnosić przede wszystkim do przyrostu deformacji po przekazaniu linii do ruchu, a nie do całkowitych osiadań obliczanych od pierwszego przyłożenia obciążenia LM71. W praktyce kryteria 4 mm/rok na odcinku 30 m i 10 mm/rok na odcinku 200 m bywają odnoszone do całkowitych różnic osiadań wywołanych statycznym odpowiednikiem obciążenia α·LM71. Podejście to jest konserwatywne, lecz nie odzwierciedla w pełni cyklu życia infrastruktury. Zaproponowana interpretacja uwzględnia kolejno budowę podtorza, konsolidację podłoża, regulację toru przed oddaniem do ruchu oraz dalszą akumulację osiadań w okresie eksploatacji. Osiadania eksploatacyjne są w tym ujęciu traktowane jako proces kumulacji trwałych odkształceń, zależny od liczby cykli obciążenia, właściwości dynamicznych gruntu oraz stopnia zbliżenia częstotliwości wymuszeń do częstotliwości własnych układu tor–podłoże.
Przedstawiona metodyka ma charakter przesiewowy i łączy klasyczną geotechnikę kolejową z elementami dynamiki gruntów. Jej celem jest zainicjowanie dyskusji nad uwzględnianiem ryzyka rezonansu i osiadań kumulacyjnych jako integralnych składników projektowania oraz oceny trwałości podtorza kolejowego, w szczególności na liniach przebiegających przez obszary występowania gruntów słabonośnych.
Główna teza referatu
Projektowanie geotechniczne podtorza kolejowego powinno ewoluować od analizy osiadań wywołanych statycznym modelem obciążenia LM71 w kierunku zintegrowanej oceny odpowiedzi dynamicznej podłoża, ryzyka rezonansu oraz kumulacji trwałych odkształceń powodowanych rzeczywistym, wielokrotnie powtarzanym ruchem kolejowym.

Dr hab. inż. Grzegorz Kacprzak, prof. PW jest profesorem uczelni na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej oraz Associate Director w ARCADIS Polska. Ukończył studia na Politechnice Łódzkiej, uzyskał stopień doktora nauk technicznych w Institut National des Sciences Appliquées (INSA) w Lyonie we Francji, a w 2020 roku stopień doktora habilitowanego nauk inżynieryjno-technicznych na podstawie monografii habilitacyjnej pt. „Współpraca fundamentu płytowo-palowego z podłożem gruntowym”. Ukończył również studia podyplomowe z zakresu zarządzania produkcją w ICAM Lille we Francji oraz programy rozwoju kompetencji przywódczych i zarządzania strategicznego realizowane przez ICAN Institute.
Od 2009 roku związany jest z Politechniką Warszawską, gdzie prowadzi działalność naukową i dydaktyczną w obszarze geotechniki, fundamentowania oraz budownictwa podziemnego. Od 1 października 2026 roku pełni funkcję profesora uczelni. Jego zainteresowania badawcze obejmują mechanikę gruntów, interakcję konstrukcji z podłożem gruntowym, projektowanie posadowień budynków wysokich i wysokościowych – ze szczególnym uwzględnieniem fundamentów płytowo-palowych – projektowanie geotechniczne obiektów infrastrukturalnych, wzmacnianie podłoża gruntowego, stateczność skarp i nasypów oraz zastosowanie zaawansowanych metod numerycznych w geotechnice. Szczególne miejsce w jego działalności naukowej zajmują zagadnienia związane z geotechniką infrastruktury transportowej, w tym projektowaniem podtorza kolejowego.
Jest autorem i współautorem licznych publikacji naukowych, referatów konferencyjnych i opracowań technicznych poświęconych geotechnice i fundamentowaniu. Jego działalność koncentruje się na integracji nowoczesnych metod badawczych, modelowania numerycznego oraz oceny niezawodności w praktyce projektowej, ze szczególnym uwzględnieniem obiektów infrastruktury transportowej i konstrukcji geotechnicznych.
Dorobek naukowy łączy z ponad 22-letnim doświadczeniem zawodowym w zakresie projektowania geotechnicznego i fundamentowego. Obecnie pełni funkcję Associate Director Geotechnical and Bridges Solutions
Hydrotechnical and Geotechnical Engineering Team Manager w ARCADIS Polska. W latach 2006-2022 związany był z WARBUD S.A., gdzie odpowiadał za rozwój i zarządzanie obszarem geotechniki oraz fundamentowania. W trakcie kariery czynnie uczestniczył w projektowaniu posadowień budynków wysokich i wysokościowych, w tym rozwiązań wykorzystujących fundamenty płytowo-palowe. Brał również udział w realizacji projektów budowlanych, projektów wykonawczych i technologicznych obejmujących konstrukcje podziemne, tunele, obiekty mostowe, infrastrukturę kolejową i drogową oraz złożone konstrukcje geotechniczne realizowane w Polsce i za granicą.
W swojej działalności naukowej i zawodowej koncentruje się na zagadnieniach bezpieczeństwa i niezawodności konstrukcji geotechnicznych oraz infrastruktury transportowej, łącząc doświadczenie akademickie z praktyką projektową przy realizacji największych inwestycji budowlanych i infrastrukturalnych w Polsce. Jego celem jest rozwój nowoczesnych metod projektowania geotechnicznego opartych na analizach numerycznych, ocenie ryzyka oraz wykorzystaniu najnowszych osiągnięć naukowych w praktyce inżynierskiej.