Wiele osób wykonuje odwierty geotechniczne tuż przed budową. Każdy ma już w tym czasie mniej więcej określoną koncepcję zabudowy. Dochodzi do badań gruntu, a tu klops. Grunty słabonośne lub organiczne w obrębie oddziaływania budynku na grunt. Co w takim przypadku? Zrezygnować z budowania? Takie przypadki w Polsce się dość często zdarzają. Żyjemy w kraju o bogatej sieci rzecznej – tej dzisiejszej oraz historycznej. Przecież to, że dziś moja działka jest porośnięta trawą nie oznacza, że kilka milionów lat temu nie znajdowało się tam koryto rzeki, a takie rejony predysponowane są do powstawania gruntów organicznych. Taka sytuacja jest w samym centrum Katowic. Do tego mogą dojść wysokie zwierciadła wód gruntowych, uplastycznione grunty, luźne piaski, lessy, zwałowiska odpadów antropogenicznych, torfy, namuły, górnictwo oraz warunki sejsmiczne, parasejsmiczne itd. Oczywiście odwierty geotechniczne najlepiej wykonać przed zakupem działki – wtedy można wycofać się z zakupu lub okazać sprzedawcy opinię geotechniczną i spróbować targować cenę, która zrefunduje choć trochę koszty wzmacniania podłoża. Co jednak w przypadku, gdy już kupiliśmy działkę i zostaliśmy postawieni przed faktem dokonanym?
Badania geotechniczne
Geotechniczne badania podłoża gruntowego są jednym z najistotniejszych elementów każdego projektu i inwestycji budowlanej i należy im poświęcić odpowiednią uwagę w zależności od kategorii geotechnicznej budynku. Dla obiektów II i III kategorii geotechnicznej zaleca się stałą konsultację geotechnika z projektantem. O przyjęciu danego sposobu posadowienia decyduje wielkość obciążeń przekazywanych na podłoże gruntowe.
Rodzaje posadowienia
Najbardziej klasycznym podziałem na rodzaj posadowienia jest posadowienie bezpośrednie oraz pośrednie (głębokie). W przypadku, gdy na naszej działce występują korzystne warunki gruntowo-wodne projektuje się posadowienie bezpośrednie czyli ławy, stopy, płytę lub ruszty fundamentowe. Jednak gdy warunki nie pozwalają na wybór powyższych metod, projektuje się fundamenty pośrednie lub wzmocnienie gruntu. Fundamentami pośrednimi są pale, kesony, ściany szczelinowe, kolumny, słupy oraz studnie fundamentowe. Dynamiczny rozwój geotechniki i geoinżynierii w zakresie technik posadowienia dały możliwość wykorzystania bezpośredniego posadowienia budynków na podłożu wzmocnionym, przy czym wzmacniane są słabonośne grunty rodzime i antropogeniczne. Zwykle, dla małych obiektów, opcja ta cenowo znajduje się pomiędzy bezpośrednim posadowieniem, a posadowieniem głębokim.
Klasyfikacja metod wzmacniania gruntu
- Wymiana gruntów słabonośnych na nasyp z kwalifikowanego kruszywa.
- Wzmocnienie podłoża poprzez poprawienie jego parametrów, bez stosowania domieszek innych materiałów np. kruszyw lub spoiw.
- Wzmocnienie podłoża przy zastosowaniu domieszek.
- Wzmocnienie podłoża przy użyciu geosyntetyków.
Wymiana gruntów na nasyp budowlany
Wymiana gruntu jest bardzo popularnym sposobem, który stosowany jest od bardzo dawna. Grunty słabonośne podlegają w tym przypadku częściowej lub całkowitej wymianie na nasyp budowlany. Istnieje kilka rodzajów wymiany gruntu: częściowa pod fundamentami, częściowa na całym obszarze planowanej inwestycji, pełna wymiana gruntu “na sucho” (powyżej zwierciadła wód gruntowch) oraz pełna wymiana gruntu “na mokro” (wykonywana metodą wypierania lub bagrowania).
Wzmocnienie poprzez poprawę parametrów bez stosowania innych materiałów
Wzmocnienie gruntów przez poprawienie parametrów bez stosowania innych materiałów polega na konsolidacji gruntu (poprzez przyłożenie obciążenia zewnętrznego). W pierwszym etapie obciążenie powoduje wzrost ciśnienia porowego w gruncie. Dalej następuje zmniejszenie porowatości gruntu poprzez wyciśnięcie wody z porów aż do całkowitej likwidacji nadciśnienia porowego. Konsolidacja powoduje wzrost wytrzymałości na ścinanie, a także kąta tarcia wewnętrznego oraz zwiększenie modułu ściśliwości. Konsolidację można przeprowadzić na kilka sposobów. Na przykład nasypem przeciążającym (dla gruntów słabonośnych o niewielkiej miąższości), przy wspomaganiu drenami lub przez odwodnienie i konsolidację próżniową. Do wzmocnień gruntu bez stosowania innych kruszyw zalicza się także zagęszczanie dynamiczne gruntu lub dynamiczna wymiana gruntu (w miejsce powstałego krateru po ubijniu wsypuje się kruszywo), zagęszczanie wybuchami lub wibroflotacja.
Wzmocnienie podłoża przy zastosowaniu domieszek.
Do wzmocnień gruntu przy zastosowaniu spoiw lub kruszyw zalicza się wibrowymiana, kolumny żwirowe, kolumny scementowane lub betonowe, wgłębna stabilizacja, iniekcja strumieniowa (jet-grouting), zastrzyki, powierzchniowa stabilizacja. Jedną z najbardziej nowoczesnych powyższych metod jest jet grouting polegająca na wysokociśnieniowej iniekcji strumieniowej o ciśnieniu przekraczającej niekiedy nawet 400 atmosfer. Technologia ta umożliwia zniszczenie pierwotnej struktury ośrodka i penetrację zaczynu cementowego na znaczne odległości od żerdzi. Średnice kolumn jet-grouting formowane mogą być we wszystkich gruntach. Średnia wytrzymałość takiego kompozytu waha się od 2,5 MPa (w obrębie gruntów organicznych) do 20,0 MPa (w piaskach i żwirach). Kolumny te stanowią elementy palopodobne, tworzące palisady lub ekrany wodoszczelne i mogą być zbrojone.
Wzmocnienie przy pomocy geosyntetyków
Słabonośne podłoże budowlane można wzmocnić przy pomoce geosyntetyków. Zależnie od zastosowanych materiałów oraz właściwości wyróżnia się pięć podstawowych kategorii geosyntetyków:
- Geowłókniny
- Geotkaniny
- Geosiatki
- Geomembrany
- Geokompozyty
Geowłókniny są wyrobami tekstylnymi, najczęściej igłowane, polipropylenowe. Stosowane są przy wzmocnieniu podłoża wykorzystując ich właściwości separacyjne, filtracyjne i ochronne.
Geosiatki są także wyrobem tekstylnym, mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie i stosunkowo niewielką odkształcalność. Stosowane są przy konstrukcjach ziemnych.
Geotkaniny są tkanymi materiałami syntetycznymi. Cechują ją wysoka wytrzymałość na rozciąganie. Stosowane są podobnie jak geowłókniny.
Geomembrany są nieprzepuszczalnymi geosyntetykami, stosuje się je najczęściej do uszczalniania składowisk odpadów, dna sztucznych zbiorników wodnych i magazynów środków chemicznych np. stacji paliw.
Geokompozyty stanowią połączenie dwóch lub trzech rodzajów geosyntetyków.
Posadowienie pośrednie
Posadowienie na palach
W przypadku posadowienia na palach obciążenia generowane przez budynek są przenoszone z fundamentów poprzez pale w głębsze warstwy podłoża gruntowego. Pale wykonywane są z różnych materiałów i stosowane są zwykle jako elementy podpór zapewniając stateczność budowli w przypadku:
- Jeśli w podłożu występuje wysoki poziom wody gruntowej, a nie ma możliwości odwodnienia terenu.
- W przypadku gdy konieczne jest zabezpieczenie budynku przed osuwiskiem.
- W wypadku ograniczonego miejsca na fundamenty.
- Jeżeli występują duże obciążenia.
- Jeśli na terenie występują zjawiska krasowe lub szkody górnicze.
Posadowienie na studniach
Fundamentowanie na studniach polega na zagłębieniu w grunt studni żelbetowych lub betonowych przy wykorzystaniu ciężaru studni. Po zagłębieniu studni do projektowanej głębokości zamyka się dno za pomocą tzw korka. Posadowienie obiektów na studniach jest użyteczne w przypadkach obiektów o znacznych obciążeniach pionowych-skupionych. Zastosowanie tego rodzaju posadowienia jest uzasadnione w przypadkach gdy wykonanie wymiany gruntu jest nieopłacalne, grunty zalegające nad warstwą nośną są słabe lub bardzo słabe i tarcie na pobocznicy jest niewielkie, brak jest możliwości bezpośredniego fundamentowania, w bezpośrednim sąsiedztwie studni nie ma obiektów posadowionych płycej (narusza się w ten sposób strukturę gruntu w wyniku wybierania z wnętrza studni co może mieć niekorzystny wpływ na sąsiednie budynki).
Kesony
Są to otwarte od dołu skrzynie o szczelnych ścianach i stropie, do której wnętrza doprowadza się sprężone powietrze. Wybieranie gruntu poniżej zwierciadła wody odbywa się w komorze roboczej. Ciśnienie doprowadzanego powietrza musi być tak duże, aby mogło wyprzeć wodę gruntową z wnętrza. Kesony stosowane są przy posadawianiu ciężkich i zwartych w planie konstrukcji inżynierskich oraz przy budowie obiektów podziemnych, gdy warstwa gruntu nośnego znajduje się na głębokości nie przekraczającej 35 m od poziomu zwierciadła wody gruntowej lub powierzchniowej, fundamentowanie na studniach jest niemożliwe, napływ wody jest tak duży, że nie ma możliwości pompowania jej z dna wykopu.
Podsumowanie
A teraz trochę o konkretach w kontekście cenowym. W przypadku hali produkcyjnej, posadowionej w obrębie 12 stóp (każda ze stóp oparta na 3 palach co daje 36 pali), w rejonie której wstępuje 0,8 m nasypu, 0,5 m gliny pylastej, 3,2 m namułu, 1,6 m torfu oraz blisko 9 m piasków obliczono kosztorys wykonania iniekcji “jet-grouting”, pali CFA oraz pali typu Franki. Koszty szacuje się kolejno na 828 939,44 zł, 496 914,27 zł oraz 268 362,29 zł [1].
Ceny o wiele niższe, lecz nadal są to bardzo wysokie kwoty kształtują się w przypadku posadowienia pośredniego domu jednorodzinnego (~260 m2), gdzie np. posadowienie domu na 39 palach wierconych o średnicy 40 cm do głębokości 7 m, w przypadku agresywnej wody w stosunku do betonu, wynosi około 80 000 zł netto. Koszty wymiany gruntów sięgają nawet kilkunastu tysięcy złotych.
Na podstawie powyższego artykułu można wysunąć 3 podstawowe wnioski:
- Koszty wymiany gruntu, jego wzmocnienia, odwodnienia lub posadowienie pośrednie przewyższają nawet kilkudziesięciokrotnie cenę wykonania badania gruntu.
- Istnieją sposoby zastąpienia posadowienia pośredniego – na przykład wzmocnieniem podłoża.
- Aby przestrzec się przed niespodzianką w postaci konieczności wzmacniania podłoża lub pośredniego posadowienia, najkorzystniej jest zbadać grunt przed zakupem działki.
Źródła:
[1] Posadowienie pośrednie obiektów budowlanych
[2] Problematyka oraz sposoby stabilizacji i wzmacniania gruntów budowlanych