W przypadku gruntów ekspansywnych wykonawstwo prac geotechnicznych wymaga szczególnej staranności i specjalistycznej wiedzy, aby zapobiec negatywnym skutkom zjawisk pęcznienia i skurczu dla fundamentów i konstrukcji.
Cechą gruntów ekspansywnych jest ich zdolność do zmian objętości pod wpływem zmian wilgotności naturalnej. Wraz ze wzrostem wilgotności zwiększają one swoją objętość (pęcznieją), natomiast przy spadku wilgotności następuje proces odwrotny (skurcz). Jest to właściwość charakterystyczna dla gruntów bardzo spoistych, zawierających znaczną ilość cząstek iłowych z udziałem minerałów z grupy smektytu. Wystąpienie procesów ekspansywnych w podłożu jest więc uzależnione zarówno od cech materiałowych gruntu, jak również od czynników zewnętrznych, inicjujących zmianę jego wilgotności.
Zjawisko pęcznienia i skurczu gruntów ekspansywnych, wywołujące podniesienie i osiadanie podłoża fundamentowego, często o wielkości kilkunastu centymetrów, może powodować poważne uszkodzenia obiektów budowlanych (fot. 1). Planowanie i wykonywanie prac geotechnicznych ze względu na dużą wrażliwość tego rodzaju podłoża wymaga więc szczególnej uwagi oraz specjalistycznej wiedzy. Z tego też powodu w rozporządzeniu [14] ekspansywność została zaliczona do niekorzystnych zjawisk geologicznych, co przesądza o kwalifikacji do skomplikowanych warunków geotechnicznych i jednocześnie do III kategorii geotechnicznej wszystkich projektowanych w takim podłożu obiektów. Skutkuje to także obligatoryjnym sporządzeniem pełnej dokumentacji geotechnicznej, projektu geotechnicznego oraz dokumentacji geologiczno-inżynierskiej dla każdej inwestycji. Ze względu na specyfikę podłoża ekspansywnego dokumentacja powinna zawierać min.:
– dokładne głębokości występowania gruntów ekspansywnych;
– specjalistyczną ocenę potencjalnej ekspansywności podłoża;
– ustalenie nawierconych i piezometrycznych poziomów wody gruntowej oraz kierunków przepływów wody, zwłaszcza po stropie nieprzepuszczalnych gruntów ekspansywnych;
– prognozę wpływu projektowanego obiektu i ewentualnych urządzeń pomocniczych (wykopów do rurociągów, ścianek szczelnych, drenażu) na zmianę lokalnych stosunków wodnych.
Rys. 1 Zasięg występowania gruntów ekspansywnych w Polsce
Właściwości gruntów ekspansywnych w Polsce
W Polsce problem ekspansywności gruntów jest związany z obecnością w podłożu budowlanym mioplioceńskich iłów serii poznańskiej, obejmujących swoim zasięgiem północną i środkową część kraju, a także iłów mioceńskich zapadliska przedkarpackiego oraz iłów oligoceńskich w rejonie Szczecina [4] (rys. 1). Osady te najczęściej zalegają pod nadkładem gruntów czwartorzędowych, tj. gliny, gliny lodowcowe, utwory aluwialne, czy lessy, zdarza się jednak także, że występują one na powierzchni terenu. Utwory ilaste cechuje niejednorodna i zaburzona struktura. Pomiędzy warstwami iłu o bardzo małej przepuszczalności występują przewarstwienia piaszczyste i pylaste. Pierwotnie horyzontalny strop iłów i układ poszczególnych ich warstw został następnie zdeformowany przez nacisk lądolodu, a cały kompleks uległ prekonsolidacji. W praktyce ocenę stopnia ekspansywności iłu najczęściej wykonuje się, używając metod pośrednich, wykorzystując zależności cech ekspansywnych od wskaźnikowych parametrów geotechnicznych. Do oceny iłów występujących w Polsce najbardziej odpowiednia jest wieloparametrowa klasyfikacja Niedzielskiego [11]. Uwzględnia ona zarówno cechy fizyczne gruntów, takie jak udział frakcji iłowej, powierzchnia właściwa oraz granice konsystencji i wskaźnik plastyczności, jak również podstawowe wskaźnikowe parametry ekspansywności gruntu – wskaźnik swobodnego pęcznienia i wartość maksymalnego ciśnienia pęcznienia (tab.).
|
Tab. Klasyfikacja iłów serii poznańskiej wg [11] oraz ocena ekspansywności iłów z rejonu Poznania [13], Warszawy [1] i Bydgoszczy wg [3]
|
Ocena iłów serii poznańskiej na przykładzie przeciętnych wartości dla podłoża Poznania, Warszawy i Bydgoszczy (tab.) wskazuje na średni i wysoki stopień ich ekspansywności. Niemniej zaznacza się znaczne przestrzenne zróżnicowanie parametrów w obrębie kompleksu, a także znacząca lokalna zmienność cech ekspansywnych – od stopnia niskiego do bardzo wysokiego. W przypadku niektórych inwestycji prowadzonych na terenie występowania iłów ekspansywnych dokładność wskaźnikowej oceny ekspansywności iłu w podłożu może się okazać niewystarczająca. Wskazane jest wówczas wykonanie bezpośrednich laboratoryjnych lub polowych oznaczeń parametrów pęcznienia i skurczu dla konkretnego iłu oraz szczegółowych analiz potencjalnych przemieszczeń podłoża (podniesienia i osiadania ekspansywnego) dla przewidywanych zakresów naprężeń i warunków pracy projektowanej konstrukcji.
Fot. 1 Typowe uszkodzenia budynku na gruntach ekspansywnych
Czynniki aktywujące ekspansywność podłoża
Zainicjowanie i rozwój procesów ekspansywnych jest konsekwencją naruszenia stanu równowagi wilgotnościowej w podłożu ilastym.
Zmiany wilgotności wywoływane mogą być przez czynniki atmosferyczne, oddziaływanie roślinności, a także zmianę lokalnych stosunków wodnych w trakcie realizacji inwestycji. Zakres wpływu poszczególnych czynników wymaga indywidualnego podejścia w przypadku każdego obiektu budowlanego. Długotrwałe opady i okresy suszy przyczyniają się do sezonowych zmian wilgotności podłoża, głównie w przypowierzchniowej strefie iłu. Zasięg i intensywność zmian znacznie wzrasta na skutek oddziaływania systemu korzeniowego drzew. W okresie wegetacyjnym drzewa pobierają wodę z podłoża, intensywnie przesuszając je, co prowadzi do objęcia efektem skurczu coraz większych stref gruntu, a konsekwencji do wzmożonego osiadania podłoża. Ponadto na skutek silnego przesuszenia następuje naruszenie struktury gruntu spoistego, co ułatwia infiltrację wody, np. w okresie zimowo-wiosennym, i tym samym wzmocnienie efektu pęcznienia. Przyjmuje się, że zasięg znaczącego wpływu pojedynczego drzewa na podłoże gruntowe jest zwykle równy jego wysokości [7], [13], przy czym zwiększa się on wyraźnie w przypadku większej grupy drzew [2], [9]. Inicjowanie naprzemiennie skurczu i pęcznienia podłoża przez system korzeniowy drzew jest jedną z najczęstszych przyczyn awarii budynków posadowionych na gruntach ekspansywnych [2], [7], [8], [15]. Należy mieć świadomość, że realizacja inwestycji budowlanej ingerującej w podłoże gruntowe w sposób czasowy lub trwały zwykle powoduje zaburzenie miejscowych stosunków wodnych. W trakcie wykonywania wykopu zmienia się stan naprężenia w podłożu, następuje również zmiana lokalnych kierunków spływu wód opadowych. Uszczelnienie powierzchni terenu z jednej strony zmniejsza dopływ wód do gruntu, z drugiej jednak się przyczynia do ograniczenia transpiracji i tym samym zawilgocenia iłu pod budynkiem, nawierzchnią placów, ciągów komunikacyjnych czy parkingów. Znaczne nierównomierne zmiany wilgotności podłoża następują często w trakcie użytkowania obiektu na skutek wprowadzania wód deszczowych bezpośrednio do gruntu w pobliżu budynku, awarii wodociągu, oddziaływania rur ciepłociągu itp. Minimalizacja tego typu oddziaływań należy do głównych zadań projektowania, wykonawstwa i eksploatacji obiektów wykonywanych na gruntach ekspansywnych.
Rys. 2 Zasady zabezpieczeń podłoża ekspansywnego przed zmianami wilgotności dla posadowień bezpośrednich
Projektowanie fundamentów na gruntach ekspansywnych
Wrażliwość gruntów ekspansywnych na zmiany wilgotności sprawia, że przy wyborze posadowień oprócz standardowych założeń i warunków projektowych, takich jak rodzaj obiektu i warunki jego eksploatacji, rodzaj i wielkość obciążeń przekazywanych na podłoże, nośność i ściśliwość podłoża, należy także uwzględnić stopień potencjalnej ekspansywności gruntu oraz techniczne możliwości zabezpieczenia podłoża przed działaniem czynników aktywujących pęcznienie i skurcz gruntów.
Posadowienie bezpośrednie
Ze względu na korzystne parametry mechaniczne iłów ekspansywnych, które występują w podłożu najczęściej w stanie półzwartym lub twardoplastycznym i charakteryzują się w stanie naturalnym wysoką spójnością oraz małą ściśliwością, w wielu sytuacjach wybór posadowienia bezpośredniego wydaje się być najkorzystniejszy. Polskie Normy nie przewidują specjalnych zasad do obliczeń fundamentów, które uwzględniałyby potencjalne przemieszczenia podłoża w wyniku skurczu i pęcznienia. Wiele praktycznych zasad i zaleceń do wykonywania posadowień i eksploatacji obiektów na podłożu ekspansywnym zawiera instrukcja ITB [6]. Najistotniejsze z nich, ograniczające zmiany wilgotności gruntu na skutek realizacji inwestycji, to (rys. 2):
– zwiększenie głębokości posadowienia do minimum 1,5 m p.p.t., aby ograniczyć wpływ oddziaływań środowiskowych na wilgotność podłoża pod fundamentem;
– zabezpieczenie wykopu natychmiast po zakończeniu prac ziemnych przez ułożenie warstwy chudego betonu bezpośrednio bez podsypki na półzwartym lub twardoplastycznym ile lub na dobrze odwodnionej podsypce w gruntach o większej plastyczności;
– drenaż peryferyjny, czołowy lub opaskowy oraz ujęcie i odprowadzenie wód opadowych z obiektu do kanalizacji deszczowej lub poza strefę fundamentów;
– wykopy po zewnętrznej stronie ścian fundamentowych należy zabezpieczyć przed gromadzeniem się wody przez staranne uszczelnienie gruntem spoistym albo zasypanie gruntem przepuszczalnym z drenażem grawitacyjnym;
– staranne uszczelnienie wykopów instalacyjnych, aby zapobiec migracji wody w podłożu, zabezpieczenie szczelności złączy i właściwej izolacyjności ciepłociągów;
– zachowanie bezpiecznej odległości drzew i krzewów od obiektu, wynoszącej szacunkowo 1,5 przewidywanej wysokości drzewa, by uniknąć nadmiernego przesuszenia podłoża; osiadania podłoża spowodowane skurczem sięgają kilkunastu centymetrów.
Instrukcja [6] wskazuje na konieczność zwiększenia sztywności obiektu poprzez konstrukcyjne zbrojenie podłużne ław fundamentowych oraz wzmocnienie wieńców w poziomie stropów. Zaleca się także dylatowanie części obiektów o różnych układach konstrukcyjnych, aby zapewnić niezależną ich pracę oraz stosowanie dylatacji wewnętrznych. Dotyczy to zwłaszcza posadzek piwnic, które ze względu na mniejsze niż pod fundamentem obciążenie podłoża są bardziej narażone na pęcznienie gruntu.
Rys. 3 Fundamenty płytowo-belkowe na podłożu ekspansywnym
Znacznie większą tolerancję na nierównomierne odkształcenia podłoża mają płyty fundamentowe. Płyta o odpowiedniej sztywności lepiej zabezpiecza obiekt przed negatywnymi konsekwencjami wystąpienia odkształceń na skutek pęcznienia i skurczu podłoża. Obliczenia fundamentu płytowego powinny uwzględniać realne wartości ciśnienia pęcznienia generowane w gruncie oraz potencjalne nierównomierne podniesienie i osiadanie podłoża wywołane zmianą objętości iłu. Niestety brak jest krajowych wytycznych do projektowania płyt fundamentowych na podłożach ekspansywnych, uwzględniających wpływ lokalnych warunków środowiskowych oraz parametry iłów występujących w Polsce. Jako przykład rozwiązania systemowego, funkcjonującego w innych krajach (USA, Australia), można podać fundamenty płytowo-belkowe (ang. stiffened slab, slab-on-grade), rys. 3. Obliczenia takich fundamentów przeprowadza się zwykle jak dla konstrukcji na podłożu sprężystym, z uwzględnieniem przewidywanego podniesienia podłoża, które może wystąpić w wyniku ograniczenia parowania powierzchniowego pod obiektem [10]. Przedstawione założenia i opracowane procedury projektowe są właściwe przede wszystkim dla suchych stref klimatycznych i nie zakładają wystąpienia dodatkowych osiadań na skutek skurczu podłoża, co często zachodzi w polskich warunkach. Szczególnie złożonym zagadnieniem jest poprawne rozwiązanie posadowienia bezpośredniego na zboczach zbudowanych z gruntów ekspansywnych. Niejednorodność budowy masywu ilastego, liczne przewarstwienia i nieciągłości struktury w postaci spękań i zlustrzeń powodują, że zbocza te pod wpływem infiltrującej wody opadowej są bardzo podatne na naruszenie stateczności nawet przy niewielkich nachyleniach.
Rys. 4 Wpływ pęcznienia gruntu na siły działające wzdłuż pobocznicy pala
Posadowienie na palach
Posadowienie na palach, jako metoda zapobiegania negatywnym konsekwencjom zjawisk ekspansywnych, w naszych warunkach klimatycznych najczęściej nie ma uzasadnienia. Wykonawstwo pali w iłach ekspansywnych napotyka wiele problemów technicznych i często wywołuje wiele negatywnych skutków w podłożu [9], [12], [13].
W przypadku pali wbijanych wprowadzanie ich w twardoplastyczne i półzwarte iły na projektowaną głębokość stanowi dużą trudność, czasem jest po prostu niemożliwe ze względu na opory wbijania, a dodatkowo następuje naruszenie struktury iłu na pobocznicy pala, ułatwiające wnikanie wody do iłu w otoczeniu pala.
W przypadku pali wierconych do znacznego obniżenia oporu pobocznicy pala może się przyczynić zalewanie otworu wodą gruntową i jej przemieszczanie się wzdłuż rur osłonowych w czasie drążenia otworu, a także woda zarobowa z betonu, zwłaszcza przy zastosowaniu ciekłej mieszanki betonowej. Powoduje to zmiany stanu wilgotności, pęcznienie i znaczący spadek wytrzymałości na ścinanie wzdłuż pobocznicy pala. W uzasadnionych sytuacjach należy również uwzględnić wpływ spęcznienia gruntu na podnoszenie pala (rys. 4). Pogorszenie parametrów fizycznych i mechanicznych iłu następuje także często w rejonie podstawy pala, co spowodowane jest znaczącym odprężeniem podłoża w wykonanym otworze oraz wpływem świeżego betonu na ił w pierwszej fazie betonowania. W takim przypadku korzystne efekty może dać zastosowanie iniekcji podstawy pala [5].
Duże trudności techniczne związane z wykonaniem pali w iłach skłaniają najczęściej do wyboru posadowień bezpośrednich [6], [13]. Niemniej jednak może to być wskazane w przypadkach, gdy nie ma możliwości przeciwdziałania znaczącym zmianom warunków wodnych w strefie przypowierzchniowej, w przypadku posadowienia na zboczach lub gdy konieczność posadowienia głębokiego wynika z innych względów i wymagań konstrukcyjnych projektowanego obiektu.
Podsumowanie
Wybór sposobu i projekt posadowienia obiektów na podłożu o wysokim stopniu ekspansywności, które występuje na znacznym obszarze kraju w postaci iłów, muszą być wynikiem przemyślanego uwzględnienia ich wrażliwości na zmiany wilgotności. Wykonawstwo prac geotechnicznych wymaga szczególnej staranności i specjalistycznej wiedzy, aby zapobiec negatywnym skutkom zjawisk pęcznienia i skurczu dla fundamentów i konstrukcji. Podstawowym zadaniem jest minimalizacja wszelkich zmian stosunków wodnych i wilgotności iłu, zarówno tych wywołanych oddziaływaniem środowiskowym, jak i antropogenicznym, które mogłyby aktywować procesy ekspansywne odkształcenia podłoża. Dla bardziej złożonych przypadków konieczne jest uwzględnienie w projekcie fundamentów i konstrukcji odkształceń wywołanych pęcznieniem i skurczem podłoża, wyznaczonych na podstawie parametrów ekspansywnych iłu.
dr inż. Aleksandra Gorączko
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy
Bibliografia
1. I. Gawriuczenkow, E. Wójcik, Porównanie właściwości ekspansywnych iłów neogeńskich z Mazowsza, „Przegląd Geologiczny”, vol. 61, nr 4, 2013.
2. A. Gorączko, Badanie przemieszczeń pionowych podłoża ekspansywnego w Bydgoszczy na przykładzie wybranych obiektów(praca doktorska), Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, 2007.
3. A. Gorączko, M.K. Kumor, Pęcznienie mioplioceńskich iłów serii poznańskiej z rejonu Bydgoszczy na tle ich litologii, Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego nr 446(2), 2011.
4. B. Grabowska-Olszewska, R. Kaczyński, Ocena ekspansywności różnych genetycznych typów gruntów spoistych [w:] Geologia stosowana. Właściwości gruntów nienasyconych, PWN, Warszawa 1998.
5. K. Gwizdała, T. Brzozowski, Zastosowanie iniekcji cementowej pod podstawami pali wierconych posadowionych w iłach pęczniejących,XV Krajowa Konferencja Mechaniki Gruntów i Inżynierii Geotechnicznej, Bydgoszcz, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 9-10/2009.
6. Instrukcja ITB nr 296, Posadowienie budowli na gruntach ekspansywnych, 1990.
7. J. Jeż, Przyrodnicze aspekty bezpiecznego budownictwa,Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1995.
8. M.K. Kumor, Awarie budynków posadowionych na iłach trzeciorzędowych w Bydgoszczy, „Przegląd Budowlany” nr 11/1990.
9. M.K. Kumor, iły ekspansywne podłoża budowlanego Bydgoszczy, Wydawnictwa Uczelniane UTP w Bydgoszczy, 2016.
10. J.D. Nelson, D.J. Miller Expansive soils: problems and practice in foundations and pavement engineering, John Wiley, New York 1992.
11. A. Niedzielski, Czynniki kształtujące ciśnienie pęcznienia oraz swobodne pęcznienie łów poznańskich i warwowych, Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu, Rozprawy Naukowe, zeszyt 238, 1993.
12. A. Niedzielski, M.K. Kumor, Geotechniczne problemy posadowień na gruntach ekspansywnych w Polsce, „Inżynieria Morska i Geotechnika” nr 3/2009.
13. J. Przystański [red.], Posadowienie budowli na gruntach ekspansywnych, Rozprawy nr 244, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1991.
14. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz.U. z 2012 r. poz. 463).
15. A. Zawalski, Z. Woziwodzki, Dyskusja oceny zagrożenia przez drzewostan budynków posadowionych na przykładzie awarii szkół,Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, „Budownictwo Lądowe” nr 40, 1995.
