Jednym z najważniejszych kryteriów jakimi kieruje się inwestor planując inwestycję jest jej lokalizacja. W zależności od rodzaju inwestycji priorytetami są najczęściej: dostęp do mediów, lokalna infrastruktura, dobra komunikacja, etc… Ale co zrobić, gdy znajdziemy już taką lokalizację – a w podłożu są zidentyfikowane grunty słabonośne? Lub grunty zanieczyszczone?

Jedną z powszechnie stosowanych metod uzdatnienia podłoża gruntowego jest wymiana gruntu. Jej powszechne zastosowanie bierze się stąd, że jest ona metodą intuicyjną – mamy grunt nienadający się do posadowienia i wymieniamy go na nośny.

Za tą prostą ideą kryją się tymczasem złożone problemy, które mogą negatywnie wpłynąć na efekt techniczny oraz ekonomiczny.

Poziom wody gruntowej

W przypadku gdy woda gruntowa jest poniżej poziomu posadowienia problem wymiany z technicznego punktu widzenia jest banalny. Wybieramy grunt nienadający się do bezpośredniego posadowienia zastępując go materiałem mineralnym, który układa się warstwami na dnie wykopu z jednoczesnym zagęszczeniem. Ale uwaga – materiał / grunt stosowany do wymiany gruntu pozyskiwany poza terenem budowy lub poza koncesjonowanymi kopalniami kruszyw w myśl Ustawy o Odpadach stanowi odpad, który w może zostać wykorzystany do wykonania wymiany po uprzednim przetworzeniu przez jednostki posiadające wymagane pozwolenia na przetwarzanie. Materiały / grunty stanowiące odpad należy ewidencjonować za pomocą kart przekazania odpadu zgodnie z procedura Ustawy o Odpadach. Nie wykonanie tego obowiązku grozi wysokimi karami – a mimo, że ustawa o odpadach funkcjonuje już od kilku lat, wiele osób żyje w przekonaniu, że do wykonania wymiany gruntu nie są potrzebne żadne pozwolenia ani inne formalności.

Gdy poziom wymiany gruntu jest poniżej zwierciadła wody gruntowej mamy już do czynienia z problemem utrzymania jakości wymiany. Można prowadzić wymianę stosując odwodnienie – np. poprzez system igłofiltrów. Jednakże obniżenie wody powoduje zmianę naprężeń w ośrodku gruntowym i przy tego typu pracach należy przeanalizować zasięg leja depresji. Obiekty budowlane będące w zasięgu leja depresji będą osiadały co może powodować ich uszkodzenia.

Aby ograniczyć lej depresji można zastosować tymczasową (bądź na stałe) szczelną obudowę wykopu. Zazwyczaj stosuje się ścianki szczelne. Jest to rozwiązanie technicznie bezpieczne (pod warunkiem właściwego zakotwienia ścianek szczelnych) oraz czasem niezbędne w przypadku gęstej zabudowy. Rozwiązanie to ma jednakże wadę w postaci zwiększonych kosztów.

Geometria wymiany – stateczność

Przeświadczenie o prostocie wymiany gruntu prowadzi często do tego, że wymiana gruntu jest wykonywana przed odpowiednich badań oraz opracowań projektowych. Brak okonturowania obszaru wymiany gruntu może objawić się koniecznością wykonania dodatkowych, nieplanowanych prac.

Poprawną technikę wymiany gruntu przedstawia schemat poniżej:

Schemat wykonywnia pełnej wymiany podłoża gruntowego

Rys.1 Schemat wykonywania pełnej wymiany podłoża gruntowego

Wymianę gruntu należy wykonać nie tylko pod samym obrysem obiektu budowalnego. Aby zapewnić odpowiednią stateczność trzeba wykonać odpowiednio szeroką odsadzkę.

Wydobycie gruntu słabego należy prowadzić do osiągnięcia stropu warstwy nośnej, zwracając przy tym uwagę, aby nie naruszyć struktury gruntu nośnego na osiągniętym poziomie. Ponieważ struktura gruntów (zwłaszcza spoistych) może być łatwo naruszona przy wykonywaniu robót ziemnych za pomocą sprzętu mechanicznego poruszającego się po dnie wykopu, należy zorganizować roboty tak, aby zminimalizować taką możliwość. Bezpośrednio po wykonaniu wykopów należy dno wykopu zabezpieczyć przed negatywnymi skutkami czynników atmosferycznych, mechanicznych, itp.

Powyższy schemat wymiany gruntu w większości przypadków wystarcza aby uniknąć przykrych niespodzianek. Niemniej brak opracowania projektowego i analizy stateczności, zwłaszcza przy nachyleniu stropu warstwy nośnej, może prowadzić do awarii.

Na poniższych rysunkach przestawiono analizę zasięgu wymiany przy pochylonym stropie warstwy gruntów nośnych.

Rys. 2 niedostateczny zasięg wymiany gruntu pod nasyp drogowy

Rys. 2 niedostateczny zasięg wymiany pod nasyp drogowy

Powyższy rysunek opisuje realny przypadek awarii nasypu drogowego. Brak analizy obliczeniowej spowodował, że wykonana odsadzka, o którą miał się oprzeć nasyp budowlany, okazała się niewystarczająca. Podczas budowy doszło do awarii skarpy nasypu wraz ze świeżo położoną nawierzchnią bitumiczną.

Wykonana po awarii analiza metodą elementów skończonych wykazała, że przy pochyleniu warstw oraz obecności bardzo słabych gruntów organicznych zasięg wymiany powinien być dużo większy.

Rys. 3 konieczny zasięg wymiany pod nasyp drogowy

Poszerzenie obszaru wymiany gruntu było konieczne aby zrównoważyć siły statyczne pochodzące od wybudowanego nasypu.

Sytuacja opisana powyżej nie jest rzadkością – szczególnie tam, gdzie obiekty budowlane są zlokalizowane w pobliżu zbiornika wodnego bądź torfowiska. O ile rozszerzenie wymiany gruntu z technicznego punktu widzenia byłoby być może możliwe, to granica działki może to uniemożliwić (nie można wymieniać gruntu na terenie którego nie jest się właścicielem). W takim przypadku rozwiązaniem jest użycie ścianek szczelnych celem ograniczenia powierzchni wymiany. Po wykonaniu wymiany zaleca się pozostawienie ścianek szczelnych w gruncie.

Badania powykonawcze wymiany gruntu

Badania kontrolne powinny potwierdzić czystość wymiany gruntu. Pozostawienie soczewek gruntów nienośnych może wpłynąć na zwiększenie bądź nierównomierność osiadania obiektu budowlanego. W skrajnym przypadku może prowadzić do awarii. W przypadku wykrycia soczewek niewymienionego gruntu organicznego, takie miejsca należy okonturować po czym powtórnie wykonać wymianę gruntu.

Zazwyczaj badania kontrolne przeprowadza się poprzez wykonanie odwiertów lub sondowań (sondami dynamicznymi lub statycznymi) w siatce 15×15 m. Poziom badania powinien być tak dobrany by sonda zagłębiała się minimum 0,5 m w grunt rodzimy.

Przy prowadzeniu wymiany gruntu pod poziomem wody gruntowej (np. metodą bagrowania) zaleca się sprawdzenie zagęszczenia materiału. W miejscach gdzie stwierdzi się rozluźnienie materiału zasypowego, wbudowany materiał należy zagęścić za pomocą wibroflotacji bądź zagęszczenia dynamicznego.

Podsumowanie

Przedstawione powyżej zagadnienia dotyczące wymiany gruntu ukazują techniczne podejście do wykonania wzmocnienia podłoża.  Drugi aspekt, nie mniej ważny, stanowi ekonomika rozwiązania. Jak pokazuje praktyka, opłacalność wymiany gruntu kończy się zazwyczaj do głębokości 3,5 m poniżej poziomu terenu. Z ekonomicznego punktu widzenia głębsza wymiana gruntu nie ma sensu.

Poziom opłacalności 3,5 m jest oczywiście poziomem średnim, gdyż na koszt wymiany gruntu mają wpływ następujące czynniki: poziom wody gruntowej, odległość kopalni kruszyw, miejsce wywozu (utylizacji), obszar wymiany, sposób wymiany, konieczność zastosowania ścianek szczelnych, etc… Szczególnie obecność zanieczyszczeń w gruncie ma gigantyczny wpływ na koszt wymiany gruntu.

Przy obecnym wzroście kosztów pracowników, kosztów paliw oraz kurczące się zasoby sypkich materiałów mineralnych – a w szczególności pospółek, wskazują inne metody wzmocnienia gruntu. Dobrym zamiennikiem tradycyjnych wymian gruntu są wszelkiego rodzaju wzmocnienia palami czy kolumnami betonowymi, masowa stabilizacja lub metody konsolidacyjne. Tradycyjna wymiana gruntu jest coraz częściej wypierana przez inne metody wzmocnienia podłoża gruntowego. Świadczy o tym fakt, że w ostatnich latach nastąpił duży rozrost firm zorientowanych geotechnicznie.