Strefa przemarzania gruntu

Jedną z podstawowych rzeczy, która jest brana pod uwagę podczas projektowania fundamentów jest strefa przemarzania gruntu. Strefa ta określa granicę do jakiej grunt przemarza podczas długotrwałych mrozów. Polska jest podzielona na cztery tego typu strefy.

Strefa przemarzania gruntu w Polsce

Polska wg. normy PN-81/B-03020, została podzielona na strefy przemarzania gruntu, których głębokości do jakich dochodzą waha się w granicach 0,8 – 1,4 m pod powierzchnią terenu. Najpłytsza strefa przemarzania gruntu znajduje się w zachodniej części kraju i wynosi zaledwie 0,8 m p.p.t.. Natomiast, najgłębsza występuje na północno wschodnim krańcu Polski, w okolicach Ełku oraz Pojezierza Suwalskiego.

Głębokość do jakiej sięga mróz podczas zimy na określonym obszarze to tzw. głębokość przemarzania gruntu. Natomiast strefa przemarzania gruntu jest to wydzielony obszar na terenie kraju, gdzie grunt przemarza do takiej samej bądź zbliżonej głębokości. 

Na głębokość przemarzania gruntu wpływa wielkość i długotrwałość mrozu na danym obszarze. Dlatego warunki klimatyczne panujące w naszym kraju sprawiają, że obszar województwa wielkopolskiego, lubuskiego, czy zachodniopomorskiego są mniej narażone na silny mróz podczas zimy niż np. Suwalszczyzna.

Strefa przemarzania gruntu a wysadziny mrozowe

Przemarzania gruntu może być związane z powstawaniem wysadzin mrozowych, które z kolei mogą być niebezpieczne dla wszelkiego rodzaju konstrukcji budowlanych. Wysadziny mrozowe w gruncie tworzą się na skutek zwiększenia jego objętości poprzez nadmierne gromadzenie się wody w porach gruntowych.

Woda jest podciągana kapilarnie z płytko występujących wód gruntowych do wyższych partii gruntu. Zjawisko podciągania wody jest związane z działaniem sił molekularnych między cząsteczkami wody, a kryształkami lodu zawartymi w wyższych partiach gruntu. Owe siły molekularne są wywołane różnicami temperatur w ośrodku gruntowym.

Kryształki lodu, które się tworzą w strefie przemarzania, gdzie panuje niższa temperatura, podciągają wodę błonkowatą oraz kapilarną, która znajduje się poniżej. W sytuacji kiedy woda kapilarna ma kontakt ze zwierciadłem wody gruntowej, ubytki powodowane przez podciąganie wody kapilarnej i błonkowatej do wyższych stref gruntu są na bieżąco odnawiane.

W związku z tym tworzące się pod powierzchnią terenu soczewki lodowe cały czas się powiększają razem z wilgotnością gruntu. Kryształy lodu tworzą się głównie tuż powyżej granicy głębokości przemarzania gruntu, czyli w miejscu gdzie ubytki wody są najszybciej uzupełniane przez podciąganie kapilarne z wód gruntowych.

Czym charakteryzują się grunty wysadzinowe

Oczywiście, aby powstawanie wysadzin gruntowych miało miejsce, cały opisany powyżej proces musi odpowiednio długo trwać, a grunt spełniać określone kryteria. Sam proces powstawania wysadzin jest związany z utrzymującym się przez dłuższy okres czasu mrozem.

Natomiast grunty wysadzinowe muszą mieć odpowiednią porowatość, aby woda kapilarna mogła wędrować kanalikami do góry. Kanaliki tworzące pory muszą być ze sobą połączone i posiadać odpowiednią wielkość. Jeżeli będą zbyt szerokie jak np. w piaskach, bądź zbyt wąskie np. glina zwałowa, woda nie będzie w stanie nimi wędrować.

Jako że nie da się określić wielkości przestrzeni porowej w gruncie, to wysadzinowość określa się biorąc pod uwagę uziarnienie gruntu. W Polsce, najpopularniejszą i najnowszą klasyfikacją określającą wysadzinowość gruntów jest klasyfikacja Zenona Wiłuna z 1958 roku.

Według tej klasyfikacji, przy ocenie na ile grunt jest wysadzinowy, bierze się pod uwagę jego uziarnienie oraz kapilarność bierną gruntu (H_kb). Możemy tutaj wyróżnić trzy grupy wysadzinowości:

• Grunty niewysadzinowe, posiadające H_kb< 1,0 m. Tego typu podłoże gruntowe jest bezpieczne w każdych warunkach klimatycznych. Uziarnienie tego typu gruntów zawiera <20% cząstek o wielkości <0,05 mm, oraz <3% cząstek o wielkości <0,02 mm. Przykładowe grunty tego typu to: żwiry, pospółki oraz piaski.
• Grunty wątpliwe, których kapilarność bierna to H_kb<1,3 m, a zawartość poszczególnych frakcji wynosi <20 – 30% cząsteczek <0,05 mm, oraz <3 – 10% cząstek <0,02 mm. Do tej grupy możemy zaliczyć: bardzo drobne piaski, piaski pylaste i piaski humusowe.
• Grunty wysadzinowe, kapilarność bierna tych gruntów wynosi H_kb>1,3 m, zawartość poszczególnych frakcji wynosi >30% cząstek <0,05 mm, oraz >10% cząstek <0,02 mm. W tej grupie występują wszystkie grunty spoiste i namuły organiczne. Nie zawsze jednak grunty te posiadają odpowiedniej wielkości połączone ze sobą przestrzenie porowe.

Oczywiście są to rozważania czysto teoretyczne, najwięcej wątpliwości budzą grunty spoiste. Tak naprawdę, aby dokładnie ocenić w jakim stopniu dany grunt jest wysadzinowy trzeba zrobić badania laboratoryjne. W związku z tym z praktycznego punktu widzenia przyjmuje się istnienie głębokości przemarzania gruntu.

Budowa na gruntach wysadzinowych

W sytuacji kiedy ławy fundamentowe lub stopy zostaną wykonane powyżej granicy przemarzania gruntu, a grunty są wysadzinowe, istnieje ryzyko powstawania wysadzin mrozowych pod fundamentem. W takiej sytuacji coroczne pojawiania się wysadzin mrozowych prowadzi do uszkodzenia budynku.

Cała konstrukcja budynku zaczyna “pracować”, unosząc się podczas zimy, a następnie opadając podczas roztopów wiosennych. Tego typu generowane naprężenia skutkują najczęściej uszkodzeniem fundamentów oraz pękającymi ścianami i odspajaniem się posadzek w pomieszczeniach.

Sytuacja wygląda nieco inaczej w przypadku płyt fundamentowych, gdzie stosuje się tzw. opaski przeciwwysadzinowe. Opaski te mają za zadanie zapobiec dostaniu się mrozu pod fundament oraz dodatkowo go ocieplić, co wpłynie na korzystniejszy bilans cieplny wewnątrz budynku.