Wzmacnianie podłoża gruntowego – wybrana metodologia

Nie zawsze posadowienie budynku na fundamentach bezpośrednich jest łatwe, proste i przyjemne. W niektórych przypadkach, grunt jaki znajduje się w podłożu wręcz uniemożliwia takie rozwiązanie. Wzmacnianie podłoża gruntowego, stanowi atrakcyjną pod względem ekonomicznym alternatywę dla stosowania skomplikowanych fundamentów. Poniżej poznasz podstawowe metody stosowane w celu wzmocnienia podłoża gruntowego pod małe bądź średniej wielkości obiekty budowlane.

Czym się kierować przy wyborze metody wzmacniania podłoża gruntowego

Wybór metodologii jaką zastosujemy zależy od czynników takich jak:

• budowa geologiczna podłoża gruntowego,
• parametry projektowanego obiektu budowlanego, a tym samym wielkość obciążeń jakie będzie przekazywał na grunt,
• określenie przyczyny słabej nośności podłoża gruntowego,
• przekroczenie budżetu przeznaczonego na realizację danej inwestycji,
• ograniczenia technologiczne związane z wykorzystaniem niektórych metod.

Rozpoznanie warunków gruntowo-wodnych

Znajomość geologii podłoża, na którym ma powstać planowana inwestycja jest konieczna przy podjęciu odpowiednich kroków, mających na celu jego wzmocnienie. Głównie chodzi o określenie rodzaju, miąższości oraz parametrów mechanicznych gruntów jakie w nim występują.

Rozpoznanie geologiczne przeprowadzają firmy zajmujące się geotechniką. Standardowe badanie dzieli się na prace polowe, polegające na wykonaniu odwiertów geologicznych, sondowań CPT lub CPTU w celu określenia dodatkowych parametrów gruntów spoistych oraz pobór próbek gruntu do badań laboratoryjnych.

Po wykonaniu prac terenowych i badań w laboratorium, sporządza się opinię geotechniczną, w której opisana jest budowa geologiczna danego terenu oraz zalecenia dotyczące doboru odpowiednich fundamentów i dalszych kroków związanych z wykonywaniem robót ziemnych.

Zagęszczanie gruntu

W budownictwie stosuje się wiele metod na zagęszczanie gruntu. Sam proces wzmacniania podłoża gruntowego poprzez zagęszczanie, ma poprawić jego wytrzymałość na skutek statycznego bądź dynamicznego ubijania gruntu. Poniżej kilka najpopularniejszych sposobów na zagęszczenie podłoża.

Najczęściej na małych bądź średnich budowach, parametry podłoża gruntowego polepsza się zagęszczając grunt za pomocą zagęszczarek o różnej masie. Generalnie, im większa masa zagęszczarki, tym większa głębokość oddziaływania na grunt takiego urządzenia. Jest to tzw. zagęszczanie wibracyjne, które polega na wzmacnianiu podłoża za pomocą drgań mechanicznych wywoływanych przez urządzenie.

Zagęszczanie dynamiczne można wykonywać na większą skalę i do większych głębokości niż pozwalają na to zagęszczarki stosowane na budowach. Niektóre konstrukcje budowlane z racji swoich gabarytów potrzebują podłoża o ogromnej wytrzymałości. W takim celu można użyć np. ubijaków o masie 10 – 40 ton, które miarowo opuszczane z wysokości kilkunastu lub kilkudziesięciu metrów w znacznie większym stopniu zagęszczają podłoże gruntowe.

Kolejnym popularnym sposobem na zagęszczenie gruntu jest ubijanie za pomocą walca lub innych ciężkich sprzętów budowlanych tj. koparki gąsienicowe. W takim przypadku grunt jest zagęszczany nie w sposób dynamiczny, czyli poprzez wywoływanie wibracji, a w sposób statyczny. Najczęściej zagęszczanie statyczne, stosuje się na większych budowach np. pod infrastrukturę drogową, gdzie używanie zagęszczarki ze względu na dużą powierzchnię inwestycji, byłoby mało ekonomiczne.

Oczywiście są także inne metody i urządzenia na zagęszczenie podłoża gruntowego. W zależności od potrzeb można zastosować jedną z nich bądź więcej.

Wymiana gruntu

Jest to powszechnie stosowana praktyka, jeżeli w podłożu znajdują się grunty słabonośne bądź wysadzinowe o niewielkiej miąższości. W celu wzmocnienia podłoża pod fundamenty budynku, tworzy się wykop, który następnie wypełnia się piaskiem, pospółką lub żwirem. Należy pamiętać, że usypany grunt musi być odpowiednio dogęszczony.

W tym celu, najlepiej jest sypać go warstwami, o grubości nie przekraczającej 20 cm i każdą z warstw kolejno zagęszczać. Dla dodatkowego wzmocnienia podsypki, na dnie wykopu wylewa się 10 cm podkładowego betonu. Należy także zadbać o to, aby nowy grunt miał wilgotność zbliżoną do wilgotności optymalnej, co pozwoli go jak najlepiej dogęścić. Podsypkę pod fundament może także stanowić chudy beton lub piasek stabilizowany cementem.

Jeżeli grunty przeznaczone do usunięcia zalegają płytko, mają niewielką miąższość i nie ma zwierciadła wody, to można je usunąć w całości. Jednak, nie zawsze istnieje taka konieczność. Często, w przypadku gruntów wysadzinowych, usuwa się je powyżej granicy przemarzania gruntu. Jeżeli chodzi o grunty słabonośne, zazwyczaj są usuwane z wykopu do głębokości, na której znajduje się zwierciadło wód gruntowych.

Stabilizacja spoiwami

W sytuacji kiedy grunt znajdujący się na powierzchni wykazuje niekorzystne właściwości tj. brak mrozoodporności bądź nadmierne zawilgocenie, można go wzmocnić poprzez stabilizację spoiwem. Ten sposób wzmacniania podłoża gruntowego, najczęściej stosuje się na bardziej rozległych obszarach pod jakieś większe inwestycje np. drogowe.

Stabilizacja podłoża gruntowego spoiwem polega na rozdrobnieniu słabego podłoża, wymieszaniu go z cementem, wapnem lub aktywnymi popiołami lotnymi oraz odpowiednim zagęszczeniu. Aby wykonać stabilizację podłoża, przeważnie używa się koparki wyposażonej w specjalne mieszadło oraz zbiorniki na spoiwo. Mieszadło ma za zadanie zniszczyć strukturę gruntu a następnie wymieszać go ze spoiwem, które jest wylewane przez ramię mieszające.

Jeśli słabe grunty mają większą miąższość, mieszadło można zamiast na koparce zamontować na palownicy. Tego typu ciężki sprzęt umożliwi rozdrobnienie i wymieszanie gruntu ze spoiwem, nawet do głębokości kilku metrów. Przeważnie granica mieszania gruntu ze spoiwem wynika po prostu z wyraźnego oporu jaki stawia grunt nośny znajdujący się pod gruntem słabonośnym.

Stabilizacja przy użyciu cementu

Najczęściej rolę spoiwa mieszanego z gruntem pełni cement. Przy czym zawartość cementu nie powinna być większa niż 4 do 5%, w wyjątkowych sytuacjach 8%. Większa ilość cementu zbytnio usztywni stabilizację co może prowadzić do powstania spękań w wyniku przyłożenia obciążenia. Najlepsze efekty uzyskuje się kiedy mieszamy cement z gruntami piaszczystymi bądź piaszczysto-gliniastymi. Natomiast, metoda ta nie nadaje się do wykorzystania w przypadku gruntów organicznych, iłów lub glin pylastych.

Ponadto, grunty wykorzystywane do stabilizacji przy użyciu cementu powinny mieć odpowiedni odczyn. Wg. Wiłuna (2005), jeżeli grunt ma pH<5 to nie nadaje się do wykonania stabilizacji i trzeba go najpierw odkwasić. Dlatego ważne aby grunt miał odczyn pH w przedziale 5 – 8.

Stabilizacja z wykorzystaniem wapna

Innym rodzajem spoiwa, wykorzystywanym do robienia stabilizacji jest wapno. Proces mieszania i późniejszego zagęszczania gruntu z wapnem jest analogiczny do metody z wykorzystaniem cementu. Wzmocnienie podłoża gruntowego wynika z krystalizacji wodorotlenku wapnia, na skutek reakcji chemicznej jaka zachodzi między wapnem, powietrzem i wodą. W efekcie powstaje węglan wapnia, który tworzy szkielet usztywniający podłoże.

Wstępne obciążenie gruntu

Najczęściej tą metodę wzmacniania podłoża gruntowego stosuje się w przypadku gruntów niespoistych w stanie luźnym lub spoistych nieskonsolidowanych. Szczególnie dobrze, wstępne obciążenie sprawdza się w przypadku gruntów organicznych. Metoda w swoim założeniu jest bardzo prosta, w miejscu gdzie ma powstać nowa budowla usypuje się nasyp, który ma za zadanie obciążyć grunt i doprowadzić do jego konsolidacji.

Na skutek obciążenia podłoża nasypem budowlanym, następuje zmniejszenie objętości gruntu poprzez wciskanie się między siebie cząsteczek gruntu oraz niszczenie słabszych ziarn. Drugim czynnikiem wpływającym na zmniejszenie objętości podłoża gruntowego jest zmniejszenie przestrzeni porowej, na skutek wyciskania z porów wody oraz powietrza.

Kiedy osiadanie gruntu dobiegnie końca, nasyp zostaje usunięty a w jego miejscu powstaje nowy obiekt budowlany. Niestety cały proces jest bardzo czasochłonny i może trwać nawet kilka lat, dlatego sprawdza się wyłącznie w sytuacjach kiedy mamy odpowiednio dużo czasu przed rozpoczęciem budowy.

Obciążenie gruntu z użyciem drenów

Aby przyspieszyć konsolidację gruntu, w podłożu gruntowym przed budową nasypu, instaluje się pionowe dreny. Mają one za zadanie usprawnić proces przepływu wypieraniej wody z porów gruntowych. Dreny instaluje się poprzez ich wciskanie lub wwibrowywanie w podłoże gruntowe. Są one wykonane przeważnie z plastiku lub kartonu, mogą one także zostać wykonane w formie pali piaskowych.

Dreny w formie pali piaskowych mają jednak pewną zasadniczą wadę. Mianowicie spełniają trochę rolę fundamentów palowych i wzmacniają podłoże, co osłabia proces konsolidacji gruntu. Dlatego dużo efektywniejszym rozwiązaniem stosowanym w dzisiejszych czasach są dreny plastikowe, które nie stanowią żadnego oporu podczas procesu konsolidacji.