Grunty spoiste i niespoiste jako podłoże budowlane

Grunt znajdujący się w podłożu można podzielić na wiele różnych klasyfikacji w zależności od wybranych kryteriów. Cechy fizyczne, skład chemiczny oraz zawartość substancji organicznej gruntu znajdującego się w podłożu, determinują jego przydatność dla budownictwa. Jedną z podstawowych klasyfikacji gruntów budowlanych w zależności od ich cech mechanicznych jest podział na grunty spoiste i niespoiste.

Grunty spoiste i niespoiste, czym się różnią

Grunt jako rozdrobniona skała, składa się z oddzielnych ziarn i cząstek, które są delikatnie do siebie przyciągane na skutek oddziaływania sił molekularnych. Pomiędzy ziarnami i cząsteczkami tworzącymi fazę stałą, znajdują się przestrzenie porowe wypełnione wodą lub powietrzem.

Podział na grunty spoiste i niespoiste został dokonany na potrzeby geotechnik i charakteryzuje dwie grupy gruntów o skrajnie odmiennych właściwościach mechanicznych. Wspomniane odmienne właściwości gruntów, wynikają bezpośrednio z różnic w ich strukturze, która zależy od wielkości ziarn, cząstek gruntu, a także od warunków tworzenia się danego gruntu.

Grunty o mniejszej frakcji np. pyłowej bądź iłowej, tworzą się przeważnie w zbiornikach wodnych, gdzie siła z jaką przepływa woda jest niewielka. Dzięki temu mniejsze i lżejsze cząstki gruntu mają szansę opaść na dno i utworzyć warstwy osadów. Ponadto, sama wielkość ziarn i cząstek ma wpływ na ich sposób łączenia się ze sobą w środowisku wodnym o czym poniżej.

Podział gruntów ze względu na ich strukturę

Można rozróżnić trzy podstawowe struktury gruntu uwarunkowane wielkością, kształtem ziarn oraz warunkami ich deponowania:

1. Ziarnista, ta struktura charakteryzuje ziarna gruntu o frakcji żwirów oraz piasków, których ciężar jest na tyle duży, że siły przyciągania między nimi nie mają większego wpływu na tworzenie się jakiejś uporządkowanej struktury. Opadające ziarna, pod wpływem swojego ciężaru i ruchu wody, wpasowują się między siebie. Porowatość takiego gruntu wynosi zazwyczaj 20 – 50%.
2. Komórkowa, powstającą w momencie kiedy opadające cząstki o frakcji pyłowej lub iłowej, są przyciągane przez cząstki już wcześniej zdeponowane. Siła tego przyciągania jest często większa niż sam ciężar tych cząsteczek, co prowadzi do powstania struktury komórkowej szkieletu gruntowego. Tego typu struktura powoduje powstanie dużej porowatości w gruncie, przekraczającej 50%.
3. Kłaczkowa, powstaje głównie z cząstek o frakcji iłowej, które łączą się ze sobą już podczas procesu opadania tworząc kłaczki, a po opadnięciu strukturę kłaczkową. Tworzenie się tego typu struktury także wpływa na dużą porowatość gruntu.

Oczywiście grunty znajdujące się w podłożu przeważnie mają bardzo różną zawartość poszczególnych frakcji, a co za tym idzie ich struktura jest mieszana. Klasyfikację graficzną gruntów spoistych, opartą o trzy najdrobniejsze frakcje: piaskową, pyłową i iłową; przedstawia trójkąt Fereta. Na podstawie tego trójkąta i znajomości zawartości poszczególnych frakcji w próbce gruntu, można precyzyjnie ustalić z jakim gruntem mamy do czynienia.

Badanie gruntów niespoistych

Grunty niespoiste lub inaczej sypkie, występujące naturalnie tj. piaski, pospółki bądź żwiry, bada się poprzez wyznaczenie stopnia zagęszczenia gruntu (I_D). Parametr ten określa stosunek zagęszczenia gruntu istniejącego w warunkach naturalnych do największego możliwego zagęszczenia tego gruntu.

Zagęszczenie gruntów usypanych pod budowę, bada się wyznaczając wskaźnik zagęszczenia gruntu (I_S). Parametr ten jest miarą zagęszczenia gruntu nasypowego, definiuje go polska norma BN-77/8931-12.

Metody badania zagęszczenia gruntu

Jest kilka metod, na podstawie których możemy określić ww. parametry gruntów sypkich. Przeważnie zagęszczenie gruntu określa się już na etapie badań polowych. Poniżej podstawowe badania geotechniczne wykonywanych w terenie stopnia oraz wskaźnika zagęszczenia gruntu.

Sondowania dynamiczne gruntu

Podstawowym badaniem pozwalającym na sprawdzenie zagęszczenia gruntów sypkich są sondowania dynamiczne. Generalnie ten sposób badania gruntu, możemy podzielić na dwie kategorie. Sondowania dynamiczne oraz sondowania statyczne.

W Polsce, sondowania dynamiczne to najpowszechniej wykonywane badanie geotechniczne, na podstawie którego określamy stopień lub wskaźnik zagęszczenia gruntu. Rzadziej wykonuje się sondowania statyczne, są one przeznaczone przede wszystkim do badania parametrów fizycznych gruntów spoistych tj. iły.

Badanie za pomocą sondy dynamicznej polega na wbijaniu końcówki sondy w grunt. Końcówka ta ma najczęściej kształt stożka o określonych normowo parametrach i jest przykręcona do metrowych żerdzi. W miarę zagłębiania się końcówki w grunt, dokręca się kolejne żerdzie aż do uzyskania zaplanowanej głębokości badania.

Samo wbijanie jest wykonywane przy użyciu młota, który cyklicznie spada z określonej wysokości uderzając w kowadło. Podczas wykonywania badania liczy się ilość uderzeń młota, która jest potrzebna do zagłębienia się sondy na określoną głębokość. Zazwyczaj, żerdzie dokręcane do stożka są podzielone na odcinki o długości 10 cm.

Inne metody badania parametrów gruntów niespoistych

Oprócz sondowań dynamicznych, popularnymi urządzeniami służącymi do badania podłoża, w którym znajdują się grunty niespoiste są ugięciomierze. Podobnie jak w przypadku sondowań, możemy wyróżnić ugięciomierze statyczne oraz dynamiczne, rozróżnia je sposób w jaki zostaje do nich przyłożone obciążenie. Ugięciomierzem statycznym nazywamy płytę statyczną VSS.

Zgodnie z normą PN-S-02205:1998, zagęszczenie gruntu można określić poprzez wyznaczenie wskaźnika odkształcenia gruntu (I₀). Wskaźnik ten można uzyskać dzięki zbadaniu nośności podłoża gruntowego właśnie za pomocą płyty VSS.

Badanie aparatem VSS, polega na pomiarze odkształceń pionowych podłoża gruntowego. Odkształcenia te są spowodowane poprzez obciążenie stalowej płyty oraz wciskanie jej w podłoże gruntowe. Generowane w ten sposób obciążenie podłoża, powoduje przemieszczanie się między sobą ziarn w gruncie, ich pękanie oraz odkształcenia sprężyste.

Innym rodzajem ugięciomierza służącego do badania podłoża gruntowego jest lekka płyta dynamiczna. To urządzenie pozwala w bardzo szybki sposób określić dynamiczny moduł odkształcenia gruntu (E_vd). Jest to metoda pochodząca z Niemiec, w Polsce badanie podłoża przy pomocy lekkiej płyty dynamicznej nie jest normowane. Mimo tego płyta dynamiczna jest w naszym kraju powszechnie stosowana dla celów poglądowych.

Badanie gruntów spoistych

W większości przypadków, właściwości gruntów spoistych są zależne od intensywności ich współdziałania z wodą. Podstawowym wskaźnikiem, który charakteryzuje właściwości gruntów spoistych jest konsystencja gruntu. Wskaźnik ten, określa ruchliwość cząsteczek zawartych w strukturze gruntu, zależną od ilości wody związanej w gruncie oraz od stanu fizycznego tych cząsteczek.

Cząsteczki gruntu, na skutek obecności wody zawartej między nimi oddalają się od siebie, a co za tym idzie ich wzajemne przyciąganie się zmniejsza. Ponadto, woda pozwala na ruch cząsteczek względem siebie bez naruszenia ich układu. Wyróżnia się trzy rodzaje konsystencji gruntu: zwartą, plastyczną i płynną.

Grunt, który posiada konsystencję zwartą odkształca się przy dużych naciskach, czemu towarzyszy powstawanie spękań. Konsystencja plastyczna powoduje, że grunt odkształca się pod wpływem nacisku, jednak nie ulega spękaniu i zachowuje nadany kształt. Grunt posiadający konsystencję płynną przypomina w zachowaniu ciecz, jego odporność na ścinanie jest znikoma.

Im większa zawartość frakcji iłowej w gruncie, tym jego plastyczność się zwiększa. Z kolei zawartość frakcji piaskowej obniża plastyczność gruntu. Jeżeli chodzi o substancję organiczną w gruncie, to również powoduje podwyższenie jego plastyczności.

Wg. normy PN-86/B-02480, na podstawie ww. konsystencji, można wydzielić stan gruntu: zwarty, półzwarty, twardoplastyczny, plastyczny, miękkoplastyczny i płynny. Stany te, są uwarunkowane zawartością wody w gruncie spoistym. Wilgotności graniczne między stanami gruntu nazywane są granicami konsystencji.

Metody badania stanu gruntu

Parametrem służącym do wyznaczania stanu gruntu jest stopień plastyczności (I_L), który można w prosty sposób wyznaczyć za pomocą metody wałeczkowania. Jest to najpopularniejsza metoda badania stanu gruntu w warunkach polowych.

Jeżeli natrafimy na grunty spoiste podczas wiercenia, to w celu określenia ich konsystencji należy zastosować metodę wałeczkowania, która przebiega następująco:

• do badania pobieramy ze środka większej próbki grundke gruntu,
• następnie formujemy z niej kulkę o średnicy 7 mm,
• kulkę kładziemy na wyprostowanej dłoni,
• za pomocą drugiej dłoni zaczynamy formować wałeczek,
• wałkujemy do momentu aż średnica wałeczka wyniesie 3 mm,
• jeżeli na wałeczku nie pojawiają się spękania to powtórnie robimy z niego kulkę i wałkujemy jeszcze raz

Wałeczkowanie powtarzamy do momentu gdy wałeczek popęka lub rozkruszy się. Na podstawie ilości wałeczkowań oraz sposobu spękania geotechnik może ustalić stan oraz rodzaj gruntu.

Według nowej normy ISO stan gruntu określa się na podstawie odkształcalności gruntu podczas wykonywania próby manualnej i ewentualnie jednorazowego wałeczkowania. Jest to wygodniejsze rozwiązanie niż pracochłonne i czasochłonne wielokrotne wałeczkowanie wymagane według PN.

Stany gruntu wg. PN-EN ISO 14688-2:

• Miękkoplastyczny (very soft) – grunt ściskany w dłoni, wydostaje się między palcami.
• Plastyczny (soft) – grunt odkształca się przy lekkim nacisku palców.
• Twardoplastyczny (firm) – grunt nie odkształca się przy lekkim nacisku palców, ale daje się wałeczkować do wałeczka o średnicy 3 mm bez spękań i rozdrabniania się.
• Zwarty (stift) – rozpada się i pęka podczas wałeczkowania do wałeczka o średnicy 3 mm, ale daje się z niego ponownie uformować bryłkę.
• Bardzo zwarty (very stift) – wysuszony i najczęściej o jasnej barwie. Nie można z niego uformować bryłki, lecz rozdrabnia się pod naciskiem palców. Daje się zarysować paznokciem