Nośność podłoża gruntowego – z czego wynika i jak ją sprawdzić

Nośność podłoża gruntowego określa możliwości gruntu do przenoszenia obciążeń generowanych przez obiekt budowlany. Określenie nośności podłoża jest bardzo ważne, ponieważ od tego zależy sposób posadowienia budynku. W tym poście przedstawione zostaną zagadnienia związane z nośnością podłoża gruntowego.

Odkształcalność podłoża gruntowego

Największe znaczenie jeżeli chodzi o użyteczność gruntów dla celów budowlanych ma odkształcalność gruntu. W przypadku ośrodka skalnego, rozdrobnionego jakim jest grunt, który dodatkowo zawiera przestrzenie porowe, odkształcenia jakim podlega w przeciwieństwie do litej skały są stosunkowo duże. Dodatkowo, czas samego odkształcania gruntu może być długotrwałym procesem sięgającym nawet kilku lat.

Niewielkie odkształcenia nie są niebezpieczne dla budynku, mogą powodować naprężenia wewnątrz jego konstrukcji, które budynek będzie w stanie przyjąć. Jednak w sytuacji kiedy odkształcenie gruntu pod wpływem obciążenia jest zbyt duże lub nierównomierne może to doprowadzić do uszkodzenia danego obiektu budowlanego.

Osiadanie gruntu

Odkształcalność podłoża gruntowego pod wpływem obciążenia prowadzi do zjawiska osiadania gruntu. Czyli procesu polegającego na obniżaniu się powierzchni terenu pod ciężarem posadowionego na nim budynku. Grunt znajdujący się pod fundamentem osiada pionowo wskutek ściśliwości tego gruntu oraz na boki w związku z jego wypieraniem.

Cały proces osiadania można podzielić na trzy fazy w zależności od wielkości przyłożonego obciążenia. W pierwszej fazie fundament osiada tylko w wyniku ściśliwości gruntu. W drugiej sam proces osiadania nie tylko jest związany ze ściśliwością gruntu ale także z wypieraniem gruntu spod fundamentu. Wypieranie jest bezpośrednio związane ze stopniowym uplastycznieniem gruntu pod krawędziami fundamentu.

W fazie trzeciej, proces osiadania zachodzi jedynie na skutek wypierania gruntu spod fundamentu wzdłuż powierzchni poślizgu. Ponadto, grunt pod fundamentem traci swoją wytrzymałość praktycznie całkowicie. Druga i trzecia faza są związane bezpośrednio z coraz większym uplastycznieniem gruntu na skutek zwiększania obciążenia. Wraz ze zwiększaniem się obszaru uplastycznienia gruntu pod fundamentem zwiększa się przyrost osiadania fundamentu.

W związku z tym, że nośność podłoża gruntowego jest jego zdolnością do przyjmowania obciążeń zewnętrznych, wiąże się to bezpośrednio ze zjawiskiem wypierania gruntu spod fundamentu. Dlatego, niezwykle istotne jest zaprojektować fundamenty tak, aby obciążenia przenoszone na grunt nie spowodowały uplastycznienia gruntu pod fundamentem.

Od czego zależy nośność podłoża gruntowego

Niektóre grunty ze względu na swoją strukturę, nie do końca rozpoznany skład, czy zawartość substancji organicznej klasyfikuje się jako grunty słabonośne. Co prawda, w dzisiejszych czasach technologia pozwala budować praktycznie na każdym podłożu ale nie zawsze jest to opłacalne.

Rodzaj gruntu

Przykładem gruntów, które w stanie pierwotnym rzadko kiedy nadają się do celów budowlanych, są grunty organiczne tj. gytie lub torfy. Tego typu grunt charakteryzuje się dużą ściśliwością i małą wytrzymałością na ścinanie. Jest to bezpośrednio związane z dużą zawartością substancji organicznej oraz cząstek koloidalnych. Sprawia to że ciężko przewidzieć jak taki grunt będzie się zachowywał pod obciążeniem.

Innym przykładem gruntów słabonośnych są wszelkiego rodzaju nasypy niekontrolowane. Czyli grunty antropogeniczne powstałe w wyniku działalności gospodarczej i bytowej człowieka. Ich skład najczęściej jest nieznany a struktura nieuporządkowana. Dlatego podobnie jak w przypadku gruntów organicznych, ciężko określić nośność takiego gruntu.

Najważniejsze parametry mechaniczne gruntów wpływające na nośność

Na obszarze Polski, podłoże gruntowe najczęściej tworzą osady piaszczyste. Ponadto nasypy budowlane na wszelkiego rodzaju budowach, są usypywane z piasków. Jeżeli piasek ma stanowić podłoże pod fundament to musi posiadać odpowiednio wysoki wskaźnik zagęszczenia (I_s). W przeciwnym razie na skutek ciężaru własnego oraz oddziaływań zewnętrznych (w postaci masy budynku), może zbyt mocno lub nierównomiernie osiadać.

Jeżeli chodzi o grunty spoiste takie jak gliny lub iły, parametrem określającym ich użyteczność budowlaną jest stopień plastyczności (I_L). Właściwości mechaniczne gruntów spoistych są ściśle związane z obecnością wody między cząsteczkami gruntu. Im więcej wody, tym większa tendencja gruntu do zachowywania się bardziej jak ciecz, a nie jak ciało stałe.

Ponadto, im większa zawartość frakcji iłowej w gruncie, tym jego plastyczność się zwiększa. Obecność substancji organicznej w gruncie również powoduje podwyższenie jego plastyczności. Z kolei zawartość frakcji piaskowej obniża plastyczność gruntu.

Wpływ wody gruntowej na nośność podłoża

Obecność wody gruntowej w podłożu może mieć wpływ na zachowanie się gruntu pod wpływem obciążenia. Niektóre grunty mogą być bardziej podatne na zmiany w ich strukturze, czy wybranych parametrach fizycznych inne mniej. W zależności od wielkości ziarn i cząsteczek gruntu oraz rodzaju wody w gruncie można wyróżnić kilka zjawisk.

Upłynnienie gruntu, proces ten zachodzi w wyniku zwiększenia ciśnienia wody w porach gruntu pod wpływem jego obciążenia statycznego lub dynamicznego. Obciążenie statyczne może być generowane przez budynek, natomiast dynamiczne przez np. przejeżdżające samochody, jeżeli mówimy tutaj o drodze. Często z upłynnieniem gruntu mamy do czynienia podczas zimowych roztopów, kiedy lud pod warstwą asfaltu zaczyna topnieć i znacznie osłabia wytrzymałość gruntu. Na skutek obciążenia kołami pojazdów zaczynają tworzyć się przełomy.

Skutkiem ww. obciążeń podłoża gruntowego jest zmniejszenie się kontaktu między ziarnami gruntu, co prowadzi do tego, że grunt zaczyna zachowywać się jak ciecz oraz rozpływać się pod ciężarem znajdujących się na nim przedmiotów lub konstrukcji budowlanych. Podłoże traci nośność a znajdujące się na nim obiekty zaczynają tonąć.

Zjawisko upłynnienia powstaje przeważnie w luźnych gruntach niespoistych, najczęściej w postaci piasków drobnoziarnistych. Najlepszym sposobem na uniknięcie występowania tego zjawiska jest odpowiednie zagęszczenie gruntu.

Innym przykładem zjawiska zachodzącego na skutek obciążenia gruntu, w którym znajduje się woda jest dyssypacja. Proces ten polega na rozproszeniu cząsteczek wody, uwięzionej w przestrzeniach porowych, pod wpływem długotrwałego obciążenia. W gruntach organicznych lub spoistych, proces ten jest znacznie bardziej wydłużony w czasie niż w przypadku gruntów niespoistych i nosi nazwę konsolidacji.

Gdy rozproszenie ciśnienia porowego dobiegnie końca, proces konsolidacji jest zakończony. W wyniku tego procesu objętość gruntu się zmniejsza, a nośność podłoża gruntowego ulega polepszeniu. W przypadku gruntów o niekorzystnych parametrach mechanicznych np. grunty organiczne, można wzmocnić podłoże poprzez wstępnie obciążenie gruntu usypując na nim nasyp budowlany.

Znaczenie badań geotechnicznych w celu ustalenia nośności podłoża gruntowego

Podsumowując, nie każdy grunt w ogóle nadaje się pod budowę. Ponadto, nośność podłoża gruntowego zależy od warunków gruntowo-wodnych oraz parametrów mechanicznych gruntu. Dlatego jeżeli jesteś inwestorem, który poważnie zastanawia się nad kupnem działki pod planowaną inwestycję lub po prostu chcesz coś wybudować na swojej działce, koniecznie dowiedz się jakie grunty znajdują się w podłożu.

Wykonywaniem tego typu badań zajmują się firmy geotechniczne. Badania geotechniczne podłoża gruntowego, najczęściej robi się na potrzeby projektu budowlanego. Aby projektant mógł dobrać odpowiednie fundamenty oraz parametry konstrukcyjne budynku, musi znać wytrzymałość podłoża, na którym ma zostać postawiony budynek.

W tym celu oblicza się tzw. stany graniczne podłoża dla projektowanej budowli, po przekroczeniu których budowla nie nadaje się do użytku lub zagraża bezpieczeństwu. Podczas obliczeń uwzględnia się najbardziej niekorzystne warunki oraz układy obciążeń budynku, który oddziałuje na podłoże. Następnie na podstawie tych obliczeń dobiera się odpowiednie fundamenty.