Wzmocnienie podłoża gruntowego

Wzmocnienie podłoża gruntowego jest często stosowane w sytuacjach, gdy naturalne warunki gruntowe nie spełniają wymagań konstrukcyjnych danej budowy. Może to obejmować sytuacje, w których grunt jest zbyt miękki, słaby, podatny na osiadanie, lub niewystarczająco nośny. Wzmocnienie może być również konieczne w przypadku obszarów podatnych na erozję lub w miejscach, gdzie istnieje ryzyko niestabilności zboczy, albo gdy badanie nośności gruntu pod fundament wskazuje zbyt niskie wartości.

Zwiększenie nośności podłoża, wzmacnianie gruntu

Wzmocnienie podłoża gruntowego jest stosowane w celu poprawy właściwości gruntów, aby umożliwić bezpieczną i stabilną budowę. To ważny aspekt inżynierii geotechnicznej, który pozwala dostosować grunt do wymagań konstrukcyjnych.

Wśród różnych metod wzmacniania gruntu istnieją proste sposoby znane od wieków, a nawet takie, które nie wymagają dodatkowych nakładów.

Najbardziej oczywistym sposobem radzenia sobie z problemem słabego gruntu jest jego wymiana na materiał odpowiedni do posadowienia nasypu lub fundamentu. Wymiana ta jest stosowana w przypadku gruntów organicznych, miękkoplastycznych gruntów spoistych czy składowisk odpadów. Głębokość wymiany gruntu może wynosić kilka metrów, a w sprzyjających warunkach nawet więcej. Trudniejsze staje się to w przypadku obecności zwierciadła wody gruntowej.

Gdy badanie nośności gruntu, np. płytą dynamiczną wskazuje, że grunty są bardzo słabe, na przykład bagna z wysoką wodą gruntową, stosuje się wypieranie słabego podłoża. Budowany nasyp "tonie" w słabym gruncie, wyciskając go jednocześnie. Ten proces nie jest całkowity, pozostawiając warstwę gruntu pod nasypem, która musi ulec konsolidacji. Wypieranie może być wspomagane mechanicznie lub za pomocą wybuchów.

Najprostszym sposobem wzmacniania słabego podłoża jest jego konsolidacja, która polega na obciążeniu go nadkładem nasypu, co wyciska wodę z porów gruntu. To jest proces długotrwały, a czas konsolidacji może być liczony nawet w latach. Skuteczność zależy od przepuszczalności podłoża. Proces ten może być przyspieszony przez przeciążenie, dreny pionowe lub wspomaganie konsolidacji ciśnieniem podciśnieniowym.

Zastosowanie drenów pionowych skraca drogę filtracji i przyspiesza konsolidację poprzez szybszy odpływ wody. Dreny prefabrykowane lub kolumny wzmacniające podłoże są popularne w tym celu. Wspomaganie konsolidacji ciśnieniem atmosferycznym lub podciśnieniem to także skuteczne metody.

Wzmocnienie podłoża gruntowego poprzez wymianę gruntów

Wzmocnienie podłoża gruntowego poprzez wymianę gruntów dokonuje się w przypadku występowania w warstwach wierzchnich gruntów słabonośnych:

• organicznych (torfów, namułów);
• gruntów spoistych w stanie miękkoplastycznym;
• niekontrolowanych nasypów,
• niekontrolowanych wysypisk materiałów lub odpadów.

Jako słabe podłoże traktowene są warstwy gruntu nie spełniające wymagań, wynikających z warunków nośności lub stateczności albo warunków przydatności do użytkowania. Stosowane warianty wzmocnienia podłoża gruntowego poprzez wymianę gruntu wykonuej się w dwu trybach:

• Wymiana gruntu częściowa - usunięcie części słabych warstw i wykonanie poduszki gruntowej, gdyby grubość warstw słabonośnych jest większa od 3 – 5 m, albo gdy do ich wybrania byłoby potrzebne odwodnienie, a także jako wstępna faza wgłębnego wzmocnienia podłoża w przypadkach zalegania wielometrowych warstw gruntu słabonośnego.
• Wymiana pełna gruntu - usunięcie z podłoża słabych warstw i budowa nasypu.

Wzmocnienie podłoża gruntowego metodami geoinżynieryjnymi

Geoinżynieryjne metody modyfikujące właściwości fizyko-mechaniczne gruntów poprzez trwałe nadanie podłożu gruntowemu właściwości zwiększających jego nośność oraz zmniejszających odkształcalność i wrażliwość na wpływ czynników atmosferycznych.

Wzmocnienie podłoża gruntowego metodami geoinżynieryjnymi to proces zwiększania nośności, wytrzymałości i stabilności gruntu. Stosowane są w celu zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych, takich jak budynki, drogi, mosty, czy tunele.

Metody geoinżynieryjne wzmocnienia podłoża gruntowego można podzielić na kilka grup:

Metody fizyczne polegają na zwiększeniu gęstości gruntu poprzez jego zagęszczanie lub stabilizowanie. Do tego celu wykorzystuje się takie metody jak:

• wibracje,
• wałowanie,
• zagęszczanie dynamiczne,
• zagęszczanie dynamiczne wibracyjne,
• zagęszczanie dynamiczne wibracyjno-uderowe.

Metody chemiczne polegają na dodawaniu do gruntu substancji chemicznych, które zwiększają jego wytrzymałość lub stabilność. Do tego celu wykorzystuje się takie metody jak:

• iniekcja,
• impregnacja,
• krzepnięcie cementowe.

Stabilizacja i ulepszenie gruntu spoiwem hydraulicznym lub wapnem

Do stabilizacji wapnem nadają się grunty spoiste zawierające minerały ilaste, które wchodzą w reakcję z dodanym wapnem.

• grunt stabilizowany spoiwem hydraulicznym - zagęszczona mieszanka: gruntu, spoiwa hydraulicznego i wody dobranych w optymalnych ilościach, a w razie potrzeby dodatkowych składników, która wiąże i twardnieje w wyniku reakcji hydraulicznej.
• grunt stabilizowany cementem - grunt stabilizowany hydraulicznie, w którym rolę spoiwa pełni cement.
• grunt stabilizowany hydraulicznym spoiwem drogowym - grunt stabilizowany hydraulicznie, w którym rolę spoiwa pełni hydrauliczne spoiwo drogowe.
• grunt stabilizowany granulowanym żużlem wielkopiecowym - grunt stabilizowany hydraulicznie, w którym rolę spoiwa pełni granulowany żużel wielkopiecowy.
• grunt stabilizowany popiołami lotnymi - grunt stabilizowany hydraulicznie, w którym podstawowym składnikiem spoiwa jest popiół lotny, krzemionkowy lub wapienny popiół lotny.
• grunt stabilizowany wapnem - zagęszczona mieszanka: gruntu, wapna i wody dobranych w optymalnych ilościach, charakteryzującą się poprawą natychmiastową właściwości użytkowych przez np. osuszenie wilgotnych gruntów i/lub zwiększenie nośności i/lub zmniejszenie plastyczności.

Metody biologiczne polegają na wykorzystaniu mikroorganizmów do wzmocnienia gruntu.

Wybór odpowiedniej metody wzmocnienia podłoża gruntowego zależy od wielu czynników, takich jak:

• rodzaj gruntu,
• głębokość posadowienia,
• obciążenia, jakim będzie poddawana konstrukcja,
• warunki gruntowo-wodne,
• możliwości techniczne i finansowe.

W Polsce metody geoinżynieryjne są powszechnie stosowane w budownictwie. Stosuje się je zarówno w budownictwie mieszkaniowym, jak i przemysłowym.

Przykłady zastosowania metod geoinżynieryjnych w Lublinie:

• wzmocnienie podłoża gruntowego pod fundamenty nowego budynku mieszkalnego na osiedlu Przyjaźń,
• wzmocnienie podłoża gruntowego pod drogę ekspresową S17,
• wzmocnienie podłoża gruntowego pod tunel pod torami kolejowymi w rejonie ulicy Narutowicza.

Poniżej przedstawiono kilka przykładowych metod wzmocnienia podłoża gruntowego metodami geoinżynieryjnymi:

Mechaniczne zagęszczanie gruntu

Zagęszczanie gruntu to jedna z najpopularniejszych metod wzmocnienia podłoża gruntowego. Polega na zmniejszeniu porowatości gruntu, co prowadzi do zwiększenia jego gęstości i nośności. Zagęszczanie gruntu można przeprowadzać różnymi metodami, takimi jak: wibracje, wałowanie, zagęszczanie dynamiczne, zagęszczanie dynamiczne wibracyjne, zagęszczanie dynamiczne wibracyjno-uderowe.

Iniekcja do gruntu

Iniekcja gruntu to metoda polegająca na wprowadzeniu do gruntu substancji chemicznej pod ciśnieniem. Substancja chemiczna wypełnia puste przestrzenie w gruntu, co prowadzi do jego wzmocnienia. Do iniekcji gruntu wykorzystuje się takie substancje jak: cement, żywice, bentonit, poliuretany.

Impregnacja gruntu

Impregnacja gruntu to metoda polegająca na pokryciu powierzchni gruntu substancją chemiczną. Substancja chemiczna tworzy na powierzchni gruntu warstwę ochronną, która zapobiega jego degradacji. Do impregnacji gruntu wykorzystuje się takie substancje jak: emulsje bitumiczno-polimerowe, żywice, bentonit.

Biostabilizacja gruntu

Biostabilizacja gruntu to metoda polegająca na wykorzystaniu mikroorganizmów do wzmocnienia gruntu. Mikroorganizmy rozkładają składniki organiczne w gruntu, co prowadzi do jego wzmocnienia. Jako biostabilizacja gruntu traktowana jest także metoda polegajaca na wykorzystaniu roślin do wzmocnienia gruntu. Rośliny zakorzeniają się w gruntu i zwiększają jego wytrzymałość. Materiały wspomagające proces biostabilizacji gruntu, to m.in. biosiatka, biowłóknina, biomata.

Geosyntetyki stosowane do wzmocnienia podłoża gruntowego

Geosyntetyki stosowane do wzmocnienia podłoża gruntowego, to m.in.:

• geowłóknina separacyjna
• geosiatka -  wzmocnienie podłoża gruntowego geosiatką
  • geosiatka do zbrojenia gruntu
  • geosiatka drogowa
• geokompozyty drogowe, np. geosiatka zespolona z geowłókniną
  
• geokrata drogowa
• beton w rolce

Uzupełniające badania geotechniczne

Przed przystąpieniem do robót Wykonawca przeprowadzi badania kontrolne (odwierty i sondowania) w celu uszczegółowienia zasięgu zaprojektowanej wymiany gruntu. Głębokość badań kontrolnych należy tak dobrać, aby zagłębiały się one minimum 2 m poniżej spągu gruntów słabonośnych podlegających wymianie. Badania geotechniczne mogą obejmować:

• Badanie plytą dynamiczną
• Sondowanie DPL
• Badanie CBR
• Pomiar nośności gruntu

Wzmacnianie warstw bitumicznych z wykorzystaniem geokompozytów to metoda stosowana w celu poprawy trwałości i odporności na uszkodzenia nawierzchni drogowych. Geokompozyty to materiały kompozytowe, które składają się z dwóch lub więcej różnych materiałów, połączonych w taki sposób, aby uzyskać pożądane właściwości. W przypadku wzmacniania warstw bitumicznych najczęściej stosuje się geosiatki lub geowłókniny.

Geokrata komórkowa to geosyntetyk z tworzywa sztucznego, najczęściej polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE). Geokrata składa się z połączonych ze sobą taśm, które tworzą trójwymiarową strukturę w kształcie plastra miodu.

Wzmocnienie skarpy ma na celu zwiększenie jej stabilności i trwałości. Jest to szczególnie istotne w przypadku skarp znajdujących się wzdłuż dróg, rzek, budynków lub terenów o nachyleniu, które mogą być narażone na erozję, osuwiska lub inne niebezpieczeństwa.