Stabilizacja gruntu cementem, wapnem i innymi metodami

W sytuacji kiedy grunt ma słabe parametry mechaniczne i nie jest w stanie przyjąć obciążeń generowanych przez projektowany budynek, można go wzmocnić na wiele sposobów. Jednym z takich sposobów jest stabilizacja gruntu cementem, wapnem lub innymi spoiwami, które wiążąc cząsteczki gruntu przygotowują podłoże pod budowę.

Kiedy warto wykonać stabilizację gruntu

Wzmacnianie podłoża gruntowego przez stabilizację gruntu wymieszanego z cementem, wapnem lub popiołami lotnymi, jest to tańsza alternatywa dla wykonywania bardziej skomplikowanych fundamentów. Nie oznacza to jednak, że stabilizacji podłoża nie można wykonać w celu polepszenia parametrów gruntu pod fundamenty bezpośrednie.

W zależności od masy i rozkładu obciążeń danej konstrukcji budowlanej, stabilizacja podłoża cementem lub inną metodą, może być konieczna. Wymagane kryteria stanów granicznych muszą zostać spełnione. Poza tym, zaprojektowane posadowienie powinno być również jak najbardziej korzystne finansowo dla inwestora. W tym celu warto przedyskutować różne możliwości posadowienia danej konstrukcji budowlanej i ustalić najbardziej optymalny wariant.

Wybór metody stabilizacji podłoża gruntowego

W zależności od potrzeb, do wyboru jest kilka różnych metod na stabilizację podłoża gruntowego. Czynniki jakie wpływają na wybór odpowiedniej metody to przede wszystkim warunki gruntowo-wodne jakie panują na obszarze na którym ma zostać wykonana stabilizacja oraz koszty i możliwości wykonania odpowiedniej stabilizacji gruntu.

Znajomość geologii podłoża, na którym ma powstać planowana inwestycja jest konieczna przy podjęciu odpowiednich kroków, mających na celu jego wzmocnienie. Ponadto, próbki gruntu pobierane do badań labolatoryjnych, pozwalą ustalić parametry fizyczne gruntów takie jak wytrzymałość na ścinanie czy ściśliwość.

Niezależnie od wyboru metody wykonania stabilizacji podłoża, należy pamiętać aby po wymieszaniu gruntu ze spoiwem, następnie ten grunt odpowiednio zagęścić. Zagęszczanie powinno zostać wykonane przy wilgotności gruntu jak najbardziej zbliżonej do wilgotności optymalnej.

Wykonanie stabilizacji jest tylko jednym ze sposobów na wzmocnienie podłoża gruntowego, są także inne metody które wykorzystuje się w praktyce w zależności od potrzeb.

W jaki sposób wykonuje się stabilizację gruntu

Stabilizacja podłoża spoiwem polega na rozdrobnieniu słabego podłoża, następnie wymieszaniu z cementem, wapnem lub aktywnymi popiołami lotnymi oraz odpowiednim zagęszczeniu. Aby wykonać stabilizację podłoża, przeważnie używa się koparki wyposażonej w specjalne mieszadło oraz zbiorniki na spoiwo. Mieszadło ma za zadanie zniszczyć strukturę gruntu a następnie wymieszać go ze spoiwem, które jest wylewane przez ramię mieszające.

Jeśli słabe grunty mają większą miąższość, mieszadło można zamiast na koparce zamontować na palownicy. Tego typu ciężki sprzęt umożliwia rozdrobnienie i wymieszanie gruntu ze spoiwem, nawet do głębokości kilku metrów. Przeważnie granica mieszania gruntu ze spoiwem wynika po prostu z wyraźnego oporu jaki stawia grunt nośny znajdujący się pod gruntem słabonośnym.

Mieszanki optymalne

Jednym ze sposobów stabilizacji podłoża gruntowego jest uzupełnienie składników granulometrycznych w gruncie stanowiącym obecne podłoże gruntowe, poprzez wymieszanie kilku rodzajów gruntu. Pozwoli to na skuteczne zmniejszenie przestrzeni porowych, a tym samym skuteczniejsze zagęszczenie podłoża gruntowego.

Ponadto, frakcja iłowa znajdująca się w gruntach spoistych, po wymieszaniu będzie pełnić funkcje lepiszcza dodatkowo spajając ze sobą większe ziarna i cząsteczki gruntu. Aby wykonać tego typu stabilizację najczęściej miesza się ze sobą dwa lub trzy rodzaje gruntów, różniących się między sobą składem granulometrycznym. Przykładowym rodzajem mieszanki gruntowej może być: pospółka, piasek i glina.

Przykładowa mieszanka optymalna, pod drogę o średnim natężeniu ruchu powinna zawierać:

• 10 – 45% (frakcji żwirowej 20 – 2mm)
• 40 – 70% (frakcji piaskowej 0,05 – 2mm)
• 11 – 15% (frakcji pyłowej 0,002 – 0,05mm)
• 4 – 5% (frakcji iłowej <0,002mm)

Procentowa ilość poszczególnych frakcji w przykładowej mieszance optymalnej, została podana w stosunku do uziarnienia.

Robienie mieszanek optymalnych z samej gliny i piasku (pomijając frakcję żwirową), sprawia że nie są one zbyt wytrzymałe. Uziarnienie żwirowe tworzy pewien szkielet nośny w gruncie, który znacznie poprawia jego parametry mechaniczne.

Przy doborze mieszanki optymalnej, szczególną uwagę należy zwrócić na poziom wód gruntowych utrzymujący się na danym terenie oraz zawilgocenie gruntu. Na terenach podmokłych lub takich gdzie zwierciadło wody utrzymuje blisko powierzchni, należy stosować mieszanki o mniejszej zawartości frakcji iłowej aby zapobiec pęcznieniu gruntu.

Stabilizacja gruntu cementem

Stabilizacja gruntu cementem polega na wymieszaniu gruntu z zaczynem cementowym. Ziarna frakcji piaskowej i pyłowej zostają związane tworząc razem z cementem szkielet nośny. Cząstki gruntowe nie związane cementem o frakcji iłowej oraz pyłowej, będące wypełniaczem i lepiszczem w gruncie, pełnią funkcję amortyzującą dla sił zewnętrznych, które oddziałują na stabilizację.

Z powyższych względów, niewielka zawartość frakcji pyłowej i iłowej w gruncie zmieszanym z cementem jest bardzo pożądana, w przeciwnym razie stabilizacja będzie zbyt sztywna. Zbyt duża sztywność może prowadzić do powstawania spękań pod wpływem obciążenia zewnętrznego. Jeżeli mamy do dyspozycji czysty piasek to dobrze jest do niego dodać jakiś grunt pylasty lub gliniasty przed wymieszaniem z cementem.

Innym sposobem na dodanie mniejszych frakcji do gruntu jest wymieszanie go z popiołami lotnymi stanowiącymi wypełniacz dla gruntu oraz lepiszcze. Ważne jest aby uziarnienie gruntu w odpowiednich proporcjach zostało uzupełnione o brakujące frakcje. Proporcje powinny być podobne jak w przypadku mieszanek optymalnych.

Innym czynnikiem, który powoduje efekt przesztywnienia tego typu stabilizacji, jest zbyt duża zawartość cementu. Z reguły ilość cementu w stabilizacji nie powinna przekraczać 4 do 6%, a w wyjątkowych sytuacjach 8%. Generalnie ilość cementu potrzebna do stabilizacji podłoża zależy od składu granulometrycznego gruntu, jego porowatości, aktywności i wymagań jakie musi spełniać wykonana stabilizacja.

Grunty wykorzystywane do stabilizacji przy użyciu cementu powinny mieć odpowiedni odczyn. Wg. Wiłuna (2005), jeżeli grunt ma pH<5 to nie nadaje się do wykonania stabilizacji i trzeba go najpierw odkwasić np. za pomocą wapna gaszonego. Dlatego ważne aby grunt miał odczyn pH w przedziale 5 – 8.

Zawartość substancji organicznej w gruncie, który ma zostać wymieszany z cementem wpływa niekorzystnie na wytrzymałość stabilizacji. Ponadto, duża ilość siarczanów lub innych soli szkodliwych dla betonu zawartych w gruncie, sprawia że grunt nie nadaje się do stabilizacji cementem.

Za najlepsze do stabilizacji cementem uważa się grunty mające cech zbliżone do cech mieszanek optymalnych. Czyli takie, w których skład granulometryczny ziarn i cząsteczek gruntu odpowiada poszczególnym proporcjom.

Stabilizacja z wykorzystaniem wapna

Innym rodzajem spoiwa, wykorzystywanym do robienia stabilizacji jest wapno. Proces mieszania i późniejszego zagęszczania gruntu z wapnem jest analogiczny do metody z wykorzystaniem cementu. Wzmocnienie podłoża gruntowego wynika z krystalizacji wodorotlenku wapnia, a w efekcie powstania węglanu wapnia tworzącego szkielet gruntowy.

Stabilizację przy użyciu wapna zazwyczaj wykonuje się w przypadku gruntów spoistych lub bardzo spoistych tj. iły. Grunty te mogą być nawet w stanie miękkoplastycznym. Jeżeli mamy do czynienia z gruntem, którego wilgotność znacznie przekracza wartość wilgotności optymalnej, to do wykonania mieszanki najlepiej wykorzystać wapno palone (CaO).

Ponadto, wapno palone dobrze sprawdza się w przypadku mieszania z gruntami kwaśnymi i zawierającymi niewielką ilość substancji humusowej. W przypadku gruntów średniospoistych lepiej sprawdzi się wapno sucho gaszone Ca(OH)₂ (hydratyzowane). Do gruntów małospoistych wskazane jest użycie wapna hydraulicznego (2CaOSiO₂ lub CaOAl₂O₃).

Grunty które nie nadają się do wykonania stabilizacji przy użyciu wapna to przedewszystkim grunty zawierające dużą ilość substancji organicznej (wagowo >10% masy gruntu) tj. grunty humusowe, torfy. Piaski różnoziarniste stanowiące grunty sypkie, także nie są wskazane do mieszania ich z wapnem w celu wykonania stabilizacji.

Aby ustalić ilość wapna potrzebną do utworzenia stabilizacji podłoża z danym gruntem, należy wykonać odpowiednie badania laboratoryjne. Próbki gruntu miesza się w różnych proporcjach z wapnem np. 2, 4, 6, 8% wapna. Następnie każdą próbkę należy odpowiednio zagęścić, uwzględniając przy tym jej wilgotność optymalną.

Sprawdzanie poprawności wykonania stabilizacji

Po odpowiednim zagęszczeniu mieszanki gruntów ze spoiwem, wskazane jest aby powtórnie sprawdzić parametry wytrzymałościowe podłoża gruntowego. W tym celu można wykonać badanie aparatem VSS. Według polskiej normy PN-S-02205:1998, zagęszczenie gruntu można określić poprzez wyznaczenie wskaźnika odkształcenia gruntu (I₀). Wskaźnik ten uzyskuje się wykonując badanie nośności podłoża gruntowego płytą VSS.

Badanie aparatem VSS, polega na pomiarze odkształceń pionowych podłoża gruntowego, spowodowanych obciążeniem płyty, do maksymalnej głębokości 0,5 m. Odkształcenia które powstają w wyniku obciążenia podłoża, wiążą się z przemieszczaniem między sobą cząsteczek gruntu, pękaniem ziaren, oraz odkształceniami sprężystymi.

Ocenę prawidłowości zagęszczenia badanego nasypu budowlanego, uzyskuje się poprzez porównanie wartości uzyskanych parametrów z wymaganiami zawartymi w normie drogowej PN-S-02205:1998.