Podstawowe metody wzmacniania podłoża

W obecnych czasach wiele prac inżynieryjnych i robót budowlanych wymaga wzmacniania podłoża. Konieczność wykonania tego zabiegu nie tylko wynika z cech gruntu, ale też zależy zazwyczaj od rodzaju budowli i wymagań konstrukcyjnych. Z naszego artykułu dowiesz się, jakie są cele i podstawowe metody wzmacniania podłoża.

Rozpoznanie gruntu

Wzmacnianie podłoża jest niezbędnym elementem niemal każdej inwestycji budowlanej już na etapie projektowania. To zabieg polegający na takiej ingerencji w istniejący grunt, która zmienia jego charakterystykę i parametry oraz bezpośrednio wpływa na warunki posadowienia na nim określonej konstrukcji budowlanej.  Jego celem jest przede wszystkim polepszenie nośności i zapewnienie stateczności podłoża oraz bezpieczeństwa konstrukcyjnego i eksploatacyjnego budowli.

Bardzo istotnym działaniem poprzedzającym wzmacnianie podłoże jest odpowiednie rozeznanie i badanie gruntu.  To od tego procesu zależy wybór odpowiedniej metody wykonania zabiegu. Przed wykonaniem każdej inwestycji budowlanej dokonuje się analizy parametrów podłoża i stanu wód gruntowych. Na tej podstawie formułuje się opinię geotechniczną, w której ze względu na stopień skomplikowania klasyfikuje się grunty jako proste, złożone lub skomplikowane. W przypadku obiektów drugiej i trzeciej kategorii dodatkowo wymagana jest dokumentacja badań podłoża wraz z projektem geotechnicznym – wyjaśnia przedstawiciel firmy  eM-tech z Torunia, oferującej m.in. wynajem sprzętu budowlanego.

Rodzaj i stan gruntu w dużej mierze przesądza o tym, jak podłoże będzie reagowało na obciążenie mającą powstać na nim konstrukcją. Rozmiar i kształt cząstek gruntu oraz ich liczba w określonej objętości decydują o przydziale do określonej kategorii gruntów. Na ogół grunty gruboziarniste mają korzystne dla budowy właściwości. Z kolei grunty drobnoziarniste zmieniają swoje parametry pod wpływem działania wody, dlatego w wymagają w większym stopniu dodatkowych zabiegów wzmacniających.

Wymiana, konsolidacja i zagęszczenie gruntu

Istnieją różne klasyfikacje metod wzmacniania podłoża. Ze względu na stopień i zakres ingerencji w grunt, czyli głębokość wykonywanego wzmocnienia tradycyjnie wyróżniało się metody powierzchniowe i wgłębne. Z uwagi na dynamiczny rozwój geotechniki podział ten jest jednak w dzisiejszych czasach nieco anachroniczny. Obecnie często wyróżnia się metody wzmacniania podłoża w zależności od techniki wykonania.

Wśród nich najbardziej klasycznym, choć niekoniecznie najtańszym zabiegiem jest wymiana gruntu na materiał, który będzie spełniał wymogi określone w specyfikacji projektowej. Stosuje się go najczęściej w przypadku gruntów miękkoplastycznych i słabych. Znaczne ograniczenie w przypadku tej metody stanowi występowanie wód gruntowych.

Jeśli nie ma potrzeby całkowitej wymiany podłoża, można ograniczyć się do jego konsolidacji, która jest jednym z najtańszych sposobów wzmacniania gruntu. Polega ona na obciążeniu gruntu nadkładem nasypu, które powoduje wyciskanie wody z podłoża. Zabieg konsolidacji można przyspieszyć poprzez zastosowanie przeciążenia, czyli obarczenie podłoża większym obciążeniem niż jest to przewidziane.

Kolejną metodą wzmacniania podłoża jest jego zagęszczenie. Może być ono dynamiczne, czyli dokonywane poprzez ubijanie gruntu betonowym bądź stalowym ciężarem o znacznej masie, podnoszonym przez dźwig, a następnie opadającym na podłoże. Cel tego zabiegu to redukcja osiadania, likwidacja pustek gruntowych, zwiększenie nośności i ograniczenie upłynnienia gruntu oraz poprawa jego parametrów i właściwości mechanicznych i fizycznych. Można go wykonywać na gruntach słabych o różnej charakterystyce. Z kolei dynamiczna wymiana gruntu polega na wykonaniu w spoistym gruncie wielkośrednicowych słupów (kolumn) z kruszywa, formowanych przez ciężki ubijak. Każdy z tych słupów jest wykonywany przez kilka serii uderzeń, z których pierwsza formuje krater, uzupełniany potem materiałem zasypowym, zaś kolejne wykonywane są do momentu utworzenia odpowiedniej kolumny zgodnej z założeniami projektu.

Wibroflotacja natomiast to sposób wzmocnienia podłoża polegający na zagęszczeniu gruntu przy wykorzystaniu specjalnego wibratora, zwanego wibroflotem. To urządzenie zagłębia się w podłoże pod własnym ciężarem i rozpycha grunt, co prowadzi do korzystniejszego umiejscowienia i lepszego zagęszczenia jego cząstek. Dzięki temu zwiększa się nośność, a zmniejsza osiadanie konstrukcji na wzmocnionym tą metodą podłożu. Powstały otwór wypełnia się niespoistym gruntem, najczęściej tym zagęszczonym podczas wykonywania zabiegu. W podobny sposób przebiega proces wibrowymiany.  W tej metodzie do utworzenia specjalnych kolumn z kruszywa wykorzystuje się wibrator śluzowy. Dzięki stopniowemu zagłębianiu się urządzenia w podłoże formowany jest otwór, do którego, po osiągnięciu odpowiedniej głębokości, a podczas podnoszenia wibratora, sukcesywnie dosypywane jest kruszywo. Utworzone kolumny z kruszywa umożliwiają szybszy odpływ wody i przyspieszają konsolidację gruntu. Po ich powstaniu konieczne jest jeszcze zagęszczanie powierzchniowe. Wibrowymianę stosuje się szczególnie do wzmacniania gruntów wysoce plastycznych i organicznych.

Do każdej z wyżej wymienionych metod wzmacniania podłoża niezbędny jest specjalistyczny sprzęt budowlany i odpowiedni materiał.

Stabilizacja chemiczna i termiczna

Do wzmocnienia podłoża można wykorzystać również metodę stabilizacji: chemicznej lub termicznej. Dzięki niej da się uzyskać nie tylko wyraźne zwiększenie nośności i wytrzymałości gruntu, ale też znaczący i szybki spadek jego wilgotności. Najwięcej w tej kwestii zależy od tego, za pomocą jakiego spoiwa, domieszki lub środka stabilizującego dokonuje się wzmocnienia. Od lat najpopularniejszymi spoiwami są cement i beton. Obecnie często korzysta się też z wapna (palonego lub hydratyzowanego). W dzisiejszych czasach jednak równie powszechne stało się stosowanie spoiw i stabilizatorów z wykorzystaniem różnych środków chemicznych i domieszek. Pozwalają one na uzyskanie zadowalających efektów poprawy właściwości gruntu w połączeniu z funkcją jego osuszania. Można ich używać w połączeniu z tradycyjnym betonem lub cementem. Wzmacnianie podłoża metodą stabilizacji może być powierzchniowe lub wgłębne.

Użycie geosyntetyków

Wzmocnienia podłoża można dokonać także przy użyciu innych materiałów – geosyntetyków. Wśród nich do wyboru, są geotkaniny, geowłókniny, geosiatki, geokompozyty, geomembrany lub georuszty. Każdy z tych materiałów ma różne właściwości i należy go dobierać właśnie pod tym katem, w zależności od wymogów konstrukcyjnych. Geosyntetyki są rozkładane na podłożu w celu jego wzmocnienia. Często przykrywa się je kruszywem, dzięki czemu powstaje swego rodzaju materac geotekstylny, który jest dodatkowym wzmocnieniem gruntu. Na rynku dostępnych jest wiele tego typu materiałów, trzeba przy tym jednak pamiętać, by przy ich doborze nie kierować się wyłącznie ceną, lecz również odpowiednimi parametrami i stopniem potrzebnego wzmocnienia podłoża.

Grunt to rozpoznanie!

Jak widzisz, istnieje wiele metod wzmacniania podłoża, które zapewniają realizację nadrzędnego celu tego działania. Możliwe jest oczywiście w niektórych przypadkach połączenie kilku z nich, czyli skorzystanie z metody mieszanej. Najczęściej jednak inżynierowie decydują się na jeden konkretny sposób. Wybór tej jednej, odpowiedniej metody powinien być podyktowany nie tylko kosztami, ale też, a może przede wszystkim – rzeczywistymi potrzebami i wymogami, opartymi na, nomen omen, gruntownym rozpoznaniu i specjalistycznych badaniach podłoża. Te działania pozwolą uwzględnić i zaplanować wzmacnianie gruntu już na etapie projektowania. Umożliwią przy tym dobór właściwego dla danych warunków sposobu wzmacniania i odpowiednich materiałów. Sprawią również, że uniknie się ewentualnych dodatkowych kosztów, które inwestor musiałby ponieść i wielu problemów, jakie wynikłyby w przypadku niewłaściwego przygotowania terenu.