Przemarzanie gruntu a projektowanie fundamentów

21.07.2020

W projektowaniu fundamentów bezpośrednich, przebiegu instalacji i konstrukcji dróg zasadnicze jest poprawne ustalenie zasięgu przemarzania gruntu. Nie zawsze głębokość przemarzania jest taka sama jak położenie izotermy zerowej.

 

Przemarzanie gruntu jest jednym ze zjawisk będących skutkiem oddziaływań klimatycznych – w tym przypadku ujemnej temperatury powietrza. Należy je brać pod uwagę w projektowaniu fundamentów budowli naziemnych, w projektowaniu obiektów liniowych (drogi) i urządzeń podziemnych. W tym celu powszechnie wykorzystuje się mapę stref przemarzania, podaną w Polskiej Normie PN-81/B-03020 [8], która jest przeniesiona z poprzedniej edycji tej normy (z 1974 r.), bazując na ograniczonych danych dostępnych w tamtym okresie. Tym samym pomimo widocznych zmian klimatu w praktyce projektowej nadal stosujemy założenia mające swoje podstawy (dane pomiarowe) z I połowy XX w., niezweryfikowane od ponad 40 lat.

 

Fot. stock.adobe / Mr Twister
 

Podamy tutaj aktualne informacje dotyczące wyznaczania głębokości przemarzania podłoża.

Obecne efekty zmian klimatu stają się widoczne praktycznie w każdym aspekcie naszego życia, dotyczy to również budownictwa i potrzeb związanych ze zrównoważonym rozwojem. Oddziaływania klimatyczne to nie tylko chwilowe anomalie pogodowe czy ekstremalne zjawiska meteorologiczne, ale przed wszystkim długotrwałe efekty związane np. ze zmianami ilości opadów czy występowaniem ekstremalnych temperatur w poszczególnych porach roku. Częstotliwość tych zjawisk i utrzymujący się trend skłaniają do refleksji w zakresie oceny wpływu obserwowanych zjawisk na przyjmowane założenia projektowe. Zapewnienie niezawodności konstrukcji każdej budowli wymaga uwzględnienia na etapie projektowania możliwych oddziaływań w okresie użytkowania, tak aby nie wpłynęły one negatywnie na jej trwałość przy przewidzianym poziomie konserwacji. Projektowanie obiektów budowlanych, co do zasady, opiera się na aktualnych przepisach i normach, gdzie wskazane są kryteria dotyczące obliczeń nośności poszczególnych elementów i całej konstrukcji oraz wymagana niezawodność (minimum 50 lat). Właśnie kwestia trwałości konstrukcji w kontekście widocznych zmian klimatu (stały trend) oraz efektów tych zmian widocznych w postaci ekstremalnych zjawisk pogodowych (sytuacje chwilowe) wskazuje na konieczność ich uwzględnienia w projektowaniu. Wynika to między innymi z dyrektywy unijnej M/515 z 2012 r. [2], w której wskazano potrzebę budowania i utrzymania bardziej odpornej na zmiany klimatu infrastruktury przez zmiany i adaptację zapisów w zakresie standardów stosowanych w priorytetowych sektorach, tj. transport, energetyka i budownictwo. W zakresie projektowym dotyczy to norm europejskich, tzw. Eurokodów. Aktualne Eurokody to zestaw dziesięciu norm (EN 1990-1999) obejmujący zagadnienia związane z budownictwem. Eurokody nie zostały jeszcze zmodyfikowane, aby uwzględnić przyszłe zmiany klimatyczne, chociaż praca ta została zalecona w poszczególnych komitetach technicznych (w trakcie realizacji). W tym kontekście podejmowane są różne prace mające na celu dostosowanie poszczególnych norm i zapisów w aspekcie zmian klimatu. W ITB prace te zapoczątkował prof. J.A. Żurański, wydając propozycję aktualizacji zapisów dotyczących obciążeń śniegiem [13], a także opracowania dotyczące zjawiska przemarzania [16] oraz katastrofalnych oddziaływań wiatru [14].
 

Polecamy: Kontrola zagęszczenia gruntów lekką płytą dynamiczną
 

Jednym z elementów widocznych zamian klimatu jest charakter i zasięg występowania zjawiska przemarzania gruntów. Głębokość, do której sięga przemarzanie gruntu, jest najczęściej utożsamiana z położeniem izotermy zerowej w gruncie. Oprócz czynników zewnętrznych, tj. ujemnej temperatury powietrza i opadów (w tym zakresu i charakteru występowania pokrywy śnieżnej) – przemarzanie zależy również od rodzaju gruntu, jego konsystencji, składu, zawartości wody itp. W związku z tym nie zawsze głębokość przemarzania jest taka sama jak położenie izotermy zerowej. Ponieważ stacje meteorologiczne mierzą temperaturę gruntu i na tej podstawie wyznaczają położenie izotermy zerowej, to jest ona uznawana za głębokość przemarzania. W przypadku projektowania fundamentów wymagane jest przyjęcie bezpiecznego poziomu posadowienia ze względu na możliwość wystąpienia wysadzin, czyli poniżej wyznaczonej głębokości przemarzania w danej lokalizacji. Dotyczy to głównie obiektów posadawianych płytko (bez podpiwniczenia), w sposób bezpośredni. W zakresie obiektów z kondygnacjami podziemnymi oraz posadawianych pośrednio wymaganie to jest spełnione.

Niemniej problem przemarzania może dotyczyć inwestycji współtowarzyszących obiektom, jak np. realizacja przyłączy i przekładek sieci (wodociągi, kanalizacja, instalacje przemysłowe), wykonanie dróg i parkingów. Szczególnie w przypadku infrastruktury drogowej (konstrukcje nawierzchni drogowych) zjawisko przemarzania może mieć istotny wpływ na jakość i trwałość tych obiektów. W tym aspekcie stosuje się rozwiązania ochronne w postaci zastosowania odpowiednio dobranej (rodzaj materiału) i wbudowanej (wymagana miąższość) warstwy mrozoochronnej i zachowania minimalnej głębokości posadowienia na gruntach wysadzinowych. W projektowaniu fundamentów bezpośrednich, przebiegu instalacji oraz konstrukcji dróg (kołowych i kolejowych) kluczowe zatem jest poprawne ustalenie zasięgu przemarzania podłoża.

Dotychczasowe mapy przemarzania gruntu w Polsce

Pierwsza norma dotycząca gruntów budowlanych ukazała się w 1945 r. Wskazano w niej na konieczność zagłębienia fundamentów ścian zewnętrznych ze względu na przemarzanie co najmniej: 1,0-1,2 m w województwach zachodnich, 1,2-1,6 m w środkowych oraz 1,5-2,0 m we wschodnich, w zależności od gruntu i ważności (ze względu na konsekwencję zniszczenia) budynku. Należy zakładać (brak potwierdzenia w zapisach), że podane wartości zagłębienia w gruncie to nie tylko głębokość położenia izotermy zerowej, lecz także pewien zapas bezpieczeństwa [16]. Kolejne normy dotyczące gruntów budowlanych i fundamentowania (B-03020) z 1955 i 1959 r. zawierają mapę wskazującą trzy strefy głębokości przemarzania: 0,8 m, 1,0 m i 1,2 m (rys. 1a).

 

Rys. 1a. Mapa stref przemarzania gruntu z norm: a) z roku 1955 i 1959, b) z roku 1981 wg [8], [16]

 

Mapa ta została nieco zmodyfikowana w kolejnej edycji normy z roku 1974. Wskazano dodatkową strefę (1,4 m) obejmującą północno-wschodnią część Polski. W normie z 1981 r. [8] powtórzono tę samą mapę w zakresie ustalonych stref (rys. 1b), która jest stosowana do dnia dzisiejszego.

Rys. 1b. Mapa stref przemarzania gruntu z norm: b) z roku 1981 wg [8], [16]

 

Autorzy map normowych z lat 1955, 1959 i 1974 nie pozostawili informacji, jak te mapy były opracowane. Na podstawie obszernej publikacji z 1962 r. [11] i sytuacji politycznej na początku lat 50. XX w. można wnioskować, że korzystano z radzieckich wytycznych (NiTU 127-50). Według nich bez wprowadzania uaktualnień wyznaczono głębokość przemarzania (hz) obliczoną wg wzoru:

(1)

gdzie Σm oznacza wartość bezwzględną średniej wieloletniej sumy średnich ujemnych wartości temperatury powietrza z miesięcy zimowych.
 

Zobacz też: Wzmacnianie podłoża metodą ubijania, wymiana dynamiczna
 

Autorzy normy z 1955 r. mieli do dyspozycji dane klimatyczne z mniej niż 10 lat, mogli też wykorzystać pomiary sprzed 1939 r., być może korzystali również ze wzoru Dębskiego [1] i z obliczonych przez niego wartości tzw. miernika temperatury z 27 stacji meteorologicznych [16]. Jak widać, stan wiedzy w zakresie ustalonej do projektowania bezpiecznej głębokości przemarzania opiera się na słabo udokumentowanych założeniach z lat 50. (rys. 1a), a wskazane na mapie strefy głębokości przemarzania, bez dodatkowych analiz i uaktualnień (kolejne edycje norm wprowadzały jedynie drobne, wręcz kosmetyczne korekty granic), przetrwały w niezmienionej formie i są stosowane w praktyce do dzisiaj – rys. 1b.

 

W zakresie aktualnych standardów dotyczących fundamentowania i geotechniki (Eurokodu 7) nie pojawiło się również nic nowego. W normach PN-EN 1997 [9], [10] nie ma obecnie szczegółowych zapisów dotyczących metodologii czy innych informacji w zakresie oceny przemarzania, poza stwierdzeniem, że należy przy projektowaniu posadowienia konstrukcji uwzględnić jej położenie.

Potrzeba uaktualnienia i uwiarygodnienia zaleceń normowych w zakresie przemarzania gruntu w Polsce była już podnoszona wielokrotnie, szczególnie w aspekcie dostępnych pomiarów bezpośrednich [3],[5], [6]. Dotychczasowe nowe propozycje ujęcia tego zagadnienia przedstawiono w m.in. w pracach z roku 2010 [3] i [5]. Obie polegają na zastosowaniu tzw. współczynnika mrozowego AFI (Air Freezing Index), czyli liczby stopniodni ujemnej temperatury powietrza. W pracy [3] obliczeniowa wartość tego współczynnika opiera się na podstawie danych pomiarowych temperatury powietrza z 19 stacji meteorologicznych. Znając wartość AFI, na podstawie uproszczenia i modyfikacji wzoru Berggrena-Aldricha można wyznaczyć głębokość przemarzania (hz):

(2)

gdzie:  – współczynnik zależny od rodzaju gruntu: Pr, Ps (piasek gruby i średni) – 0,058; Pd, Pn (piasek drobny i pylasty) – 0,054; Π i Gp (pył i glina piaszczysta) – 0,048; I i Gπ (ił i glina pylasta) – 0,040.

Wyznaczone wartości AFI oraz ich rozkład terytorialny w Polsce niezbędny do zastosowania wzoru (2) przedstawia rys. 2a. Podane na mapie wartości AFI dotyczyły danych z zimy 1962/1963 jako maksymalne spośród wyliczonych, bez obliczeń probabilistycznych. W drugiej propozycji [5] maksymalne wartości wskaźnika mrozowego obliczono dla danych, które wystąpiły podczas zimy 1982/1983 w 13 miastach i na tej podstawie zaliczono je do proponowanych nowych trzech stref przemarzania gruntu (rys. 2b).

 

Rys. 2: a) Mapa maksymalnych wartości wskaźnika mrozowego [3] na tle stref głębokości przemarzania gruntu według normy [8], b) propozycja podziału na strefy na podstawie wskaźnika mrozowego [5]

Stan wiedzy o zjawisku przemarzania gruntów

Zjawisko przemarzania gruntu to proces wielowymiarowy, niestacjonarny i losowo zmienny [16]. Jest jednocześnie współzależny od losowo zmiennych zjawisk klimatycznych (temperatura powietrza, opady i prędkość wiatru) oraz od częściowo stałych, a częściowo także losowo zmiennych (pod wpływem warunków zewnętrznych) właściwości gruntu (rodzaju, konsystencji, składu mineralnego czy wilgotności). Podstawowym czynnikiem inicjującym jest tu temperatura powietrza (czas trwania temperatury ujemnej), ale wpływ na głębokość przemarzania mają też opady śniegu tworzące pokrywę śnieżną oraz prędkość wiatru, wpływając na jej ukształtowanie.
 

Wpływ pokrywy śnieżnej dobrze obrazują doświadczenia W. Gródeckiego [4], który przez cztery zimy (1965/67- 1968/69) prowadził badania na poletkach w okolicy Białegostoku (rys. 3). Położenie izotermy zerowej badano w dwóch sytuacjach: przy nienaruszonej pokrywie śnieżnej (takiej jaka wówczas występowała) i na sąsiednim poletku, na którym usuwano śnieg. Pomiary wykazały wyraźny wpływ grubości pokrywy śnieżnej na głębokość przemarzania gruntu. Wartości maksymalne położenia izotermy zerowej w gruncie bez pokrywy śnieżnej są nawet ponaddwukrotnie większe niż w gruncie pokrytym śniegiem. Podobne obserwacje potwierdzają też wyniki innych badaczy (np. [5]).

Rys. 3. Przebieg grubości pokrywy śnieżnej (h), położenia izotermy zerowej (z) pod śniegiem
i bez pokrywy śnieżnej dla zimy 1967/68 r. [4]

Znaczenie ma tu nie tylko sama grubość pokrywy śnieżnej, ale również jej właściwości i dalsza metamorfoza pod wpływem czynników zewnętrznych (temperatury powietrza, opadów i wiatru) zmieniających gęstości śniegu, co wpływa na jego przewodność cieplną [13].

Oprócz opisanych czynników zewnętrznych przemarzanie gruntu zależy oczywiście od jego rodzaju, konsystencji, składu mineralnego, porowatości, stopnia nasycenia oraz od układu warstw i stopnia prekonsolidowania. Kolejne czynniki, które lokalnie mogą mieć istotny wpływ na rzeczywistą głębokość przemarzania, to położenie zwierciadła wód gruntowych i jej chemizm. Inne czynniki to sytuacja morfologiczna – możliwość lokalnych anomalii, np. w kotlinach czy na wzniesieniach, oraz uwarunkowania związane z ekspozycją terenu – stoki południowe, obecność i rodzaj szaty roślinnej, rodzaj zagospodarowania itp. W zakresie opisanych czynników wewnętrznych można wskazać prace podejmowane w ITB, np. [7], dotyczące oceny wpływu rodzaju gruntu i jego wilgotności (stanu) na wartość temperatury zamarzania, czy też aktualnie prowadzone prace Bogusza i Witowskiego w zakresie wpływu niskich wartości temperatury na parametry mechaniczne różnych typów gruntów (temat badawczy nr NZK-069 na lata 2016/2019).

 

W związku z występowaniem w gruntach wody w różnej postaci (na różnych poziomach strukturalnych i w różnych stanach skupienia) nie można wskazać konkretnej temperatury zamarzania bądź topnienia gruntu [3]. Dlatego pojęcie gruntów zamarzniętych jest pojęciem umownym. Uznaje się, że stan ten dotyczy gruntów o temperaturze równej 0oC lub ujemnej, w którym przynajmniej część zawartej wody jest zamarznięta. Doświadczenia [7] wskazują, że dla gruntów piaszczystych temperatura zamarzania jest praktycznie równa 0oC, a w przypadku gruntów ilastych i gliniastych wynosi nieco poniżej 0oC. Im bardziej grunt wykazuje zwartą strukturę (grunty bardzo zagęszczone i o konsystencji zwartej) i im bardziej jest drobnoziarnisty (np. iły), tym bardziej wiąże większą ilość wody, a przez to obniża swoją temperaturę zamarzania. Wpływ wilgotności gruntu na głębokość przemarzania jest widoczny na przykładzie wyników obliczeń przepływu ciepła [6], wykonanych w zależności od rodzajów gruntu, i dwóch jego stanów, suchego i mokrego. Grunt suchy przemarza głębiej. Z tego punktu widzenia ważną informacją byłyby dane o wilgotności gruntu na obszarze Polski. Takich danych jednak na chwilę obecną brak. Wilgotność gruntu zależy od wysokości opadów, a tylko te są mierzone przez stacje meteorologiczne. Mapy średnich, wieloletnich sum opadów mogą być orientacyjnym wskaźnikiem wilgotności gruntu. Widoczne są najmniejsze sumy opadów na rozszerzającym się obszarze od Mazowsza po Wielkopolskę i zachodnią granicę Polski. Wpływ wymienionych czynników nie jest jeszcze możliwy do uwzględnienia (kolejny etap prac), jednakże powinien być uwzględniany, przynajmniej częściowo, w postaci współczynników zależnych od rodzaju gruntu do przeliczenia uzyskanych wyników analizy na jednolite gruntowe warunki odniesienia.

 

Literatura

 

  1. K. Dębski, Wstępne badania funkcji zamarzania gruntów w Polsce, Wiadomości Służby Hydrograficznej, zeszyt 5, Ministerstwo Komunikacji, Warszawa 1938.
  2. European Commission: M/515 EN 2012 Mandate for amending existing Eurocodes and extending the scope of structural eurocodes, Brussels 2012.
  3. A. Gontaszewska, Własności termofizyczne gruntów w aspekcie przemarzania, Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra 2010.
  4. W. Grodecki, Analiza niektórych czynników przemarzania gruntów w warunkach rzeczywistych, praca doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa 1971.
  5. I. Ickiewicz, Posadowienie fundamentów bezpośrednich w funkcji przemarzania gruntów, Politechnika Białostocka, Rozprawy Naukowe, Białystok 2010.
  6. T Kozłowski, Głębokość przemarzania krajowych gruntów budowlanych w aspekcie PN-81IB-03020 i projektu jej zmian, „Inżynieria i Budownictwo” nr 3/2003.
  7. A.M. Piaskowski, Badania nad temperaturą zamarzania gruntów, X Krajowa Konferencja Mechaniki Gruntów i Fundamentowania, Warszawa 1993.
  8. PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie.
  9. PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne – Cz. 1: Zasady ogólne.
  10. PN-EN 1997-2:2009 Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne – Cz. 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego.
  11. Z. Wiłun, A. Piaskowski, Z. Kowalewski, Przemarzanie gruntów, Informator Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Seria A, nr 5/1962, Warszawa.
  12. J.A. Żurański, A. Sobolewski, O pomiarach temperatury gruntu i prognozowaniu głębokości jego przemarzania, „Inżynieria i Budownictwo” nr 3/2013.
  13. J.A. Żurański, A. Sobolewski, Obciążenie śniegiem w Polsce w projektowaniu i diagnostyce konstrukcji, prace naukowe, Monografie ITB, Warszawa 2016.
  14. J.A. Żurański, M. Gaczek, S. Fiszer, Charakter i występowanie wiatrów katastrofalnych w Polsce, 55. Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB „KRYNICA 2009”, Kielce – Krynica.
  15. J.A. Żurański, T Godlewski, S. Wereski, O pracach nad nową mapą przemarzania gruntów w Polsce, Acta Scientarum Polonorum, „Architektura” nr 16/2017.
  16. J.A. Żurański, T Godlewski, O przemarzaniu gruntu w Polsce, prace naukowe, Monografie ITB, Warszawa 2017.

 

dr hab. inż. Tomasz Godlewski, t.godlewski@itb.pl

Instytut Techniki Budowlanej

www.facebook.com

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube

Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.