Rodzaje gruntów budowlanych, podstawowa klasyfikacja

Rodzaje gruntów budowlanych mogą być zakwalifikowane na kilka różnych sposobów. Wiąże się to z ich zastosowaniem oraz określonymi cechami jakie posiadają np. skład granulometryczny lub plastyczność. W tym tekście przedstawione zostaną podstawowe rodzaje gruntów budowlanych, które są najczęściej wykorzystywane podczas budowy.

Podstawowe rodzaje gruntów budowlanych

W geologii podstawowy podział gruntów jest dokonywany w oparciu o ich genezę. Skały można podzielić na magmowe, osadowe i metamorficzne. Na terenie Polski, skały magmowe i metamorficzne najczęściej znajdują się na znacznych głębokościach i rzadko są wykorzystywane do bezpośredniego posadowiania na nich budynków.

Dlatego, nas interesują przede wszystkim skały osadowe, powstałe w wyniku akumulacji ziarn i cząsteczek mineralnych oraz organicznych, czyli to co nazywamy gruntem.

Wg. normy budowlanej PN-86/B-02480 (oficjalnie już nie obowiązującej), grunty budowlane dzielimy na naturalne oraz antropogeniczne. Czyli takie, które powstały w wyniku działania procesów geologicznych np. wietrzenie skał oraz wskutek działalności człowieka np. osady poflotacyjne.

Jeżeli chodzi o grunty naturalne, powstałe w wyniku procesów geologicznych, to najczęściej wykorzystywane do celów budowlanych są grunty będące efektem akumulacji lodowcowej. Można tutaj wyróżnić grunty niespoiste, czyli piaski o różnej frakcji, pospółki oraz żwiry, a także osady spoiste tj. glina, piaski gliniaste, bądź iły.

Grunty organiczne przeważnie nie są wykorzystywane do celów budowlanych. Oczywiście można je wzmocnić na różne sposoby w zależności od rodzaju danej inwestycji, jednak najczęściej jest to nieopłacalne. Dlatego nie posadawia się na nich budynków lub innych konstrukcji budowlanych. Jeżeli podczas badań geotechnicznych natkniemy się na warstwę gruntów organicznych to najczęściej zostają one usunięte podczas robienia wykopu pod fundamenty.

Grunty mineralne – spoiste i niespoiste

Jak już ustaliliśmy grunt jest to po prostu rozdrobniona skała, składająca się z ziarn oraz cząsteczek. Wolne przestrzenie między tymi cząsteczkami to pory, które mogą być wypełnione wodą lub powietrzem. Podział gruntów mineralnych na spoiste i niespoiste ma swoje uzasadnienie w geotechnice.

Grunty budowlane należące do jednej lub drugiej kategorii charakteryzują się odmiennymi cechami fizycznymi. W związku z tym, inne parametry odpowiadają za ich odkształcalność. Różnice między tymi cechami wynikają głównie z odmiennej struktury tych gruntów, zależnej od wielkości ziarn oraz warunków powstania danego gruntu.

Grunty występujące w stanie naturalnym przeważnie mają ziarna różnej wielkości, ich struktura jest mieszana. W zależności od ilości poszczególnych frakcji: piaskowej, pyłowej i iłowej, utworzono klasyfikację graficzną gruntów w formie trójkąta Fereta. Jeżeli ustalimy zawartość poszczególnych frakcji w próbce gruntu to możemy taki grunt odpowiednio zaklasyfikować.

Grunty niespoiste

Powstają kiedy większe ziarna gruntu o frakcji piasku lub żwiru gromadzą się w określonym miejscu np. zagłębieniu, przy czym nie tworzą jakiejś uporządkowane struktury. Brak struktury szkieletu gruntowego wynika ze zbyt dużego ciężaru tych ziarn, który niweluje działanie sił przyciągania między nimi na rzecz opadania pod wpływem siły ciężkości oraz ruchu wody. Opadające w ten sposób ziarna wpasowują się między siebie tworząc osady w formie piasków, żwirów lub pospółek.

Grunty sypkie bada się poprzez sprawdzanie ich zagęszczenia. Zagęszczenie gruntu przede wszystkim zależy od jego uziarnienia. Im bardziej różnorodne uziarnienie tym łatwiej dany grunt będzie można zagęścić. Kolejnym czynnikiem mającym wpływ na możliwość odpowiedniego zagęszczenia gruntu jest jego wilgotność optymalna.

Jeżeli grunt jest suchy to potrzeba dużo więcej energii oraz czasu, aby ziarna w odpowiedni sposób się między sobą poukładały, zmniejszając wielkość przestrzeni porowych. Z drugiej strony, próby zagęszczenia zbyt wilgotnego gruntu mogą prowadzić do jego upłynnienia, co wiąże się ze znacznym zmniejszeniem jego wytrzymałości.

Zagęszczanie gruntów niespoistych

Parametr który jest brany pod uwagę jeżeli mówimy o zagęszczeniu gruntu sypkiego to stopień zagęszczenia (I_D) lub wskaźnik zagęszczenia gruntu (I_S). W przypadku gruntów rodzimych bierze się pod uwagę stopień zagęszczenia, a w przypadku gruntów nasypowych wskaźnik zagęszczenia.

Jeżeli grunt który jest przeznaczony pod budowę nie będzie posiadał wystarczająco wysokiego wskaźnika bądź stopnia zagęszczenia, to może dojść do nadmiernego osiadania nowo powstałego budynku. Osiadanie jest procesem naturalnym, przypowierzchniowa warstwa gruntu zawsze będzie luźniejsza niż grunt znajdujący się poniżej.

Sam proces zagęszczania może odbywać się wieloma metodami. Najpopularniejsze na budowach są zagęszczarki posiadające różne gabaryty i ciężar. Dzięki swojej masie oraz drganiom jakie wywołują, ziarna gruntu znajdujące się pod spodem wchodzą między siebie eliminując przestrzenie porowe. Na nieco innej zasadzie działa walec drogowy, który za pomocą swojej masy wciska cząsteczki gruntu między siebie.

Oczywiście są jeszcze inne metody na zagęszczanie gruntu, które jednak są dużo mniej popularne i stosowane przy dużych inwestycjach.

Grunty spoiste

Powstają w wyniku akumulacji mniejszych cząsteczek skalnych, posiadających frakcję pyłową lub iłową. Niewielka cząsteczka opadająca w wodzie jest przyciągana przez inne, wcześniej zdeponowane cząsteczki. Siła tego wzajemnego przyciągania jest często większa niż wpływ grawitacji. Dzięki temu cząsteczki łączą się ze sobą tworząc odpowiednią strukturę gruntu.

Aby taka skała mogła się utworzyć siła przepływu wody musi być niewielka. Dzięki temu mniejsze i lżejsze cząsteczki gruntu mają szansę opaść na dno. Tego typu osady tworzą się przeważnie w strefach jeziornych bądź zastoiskowych.

Przeważnie właściwości gruntów spoistych są zależne od intensywności ich współdziałania z wodą. Im grunt spoisty jest bardziej wilgotny, tym jego podatność na odkształcenia się zwiększa. Wynika to z tego, że obecność wody w gruntach spoistych między cząsteczkami stałymi, zmniejsza ich wzajemne przyciąganie. Ponadto, woda ta pozwala na ruch tych cząsteczek względem siebie.

Norma PN-86/B-02480, pozwala wydzielić poszczególne stany gruntów spoistych:

• zwarty;
• półzwarty;
• twardoplastyczny;
• plastyczny;
• płynny.

Stany te są uwarunkowane ilością wody obecnej w gruncie spoistym. Wilgotności graniczne między stanami gruntu nazywane są granicami konsystencji.

Parametrem branym pod uwagę przy badaniu gruntów spoistych dla celów budowlanych jest ich stopień plastyczności (I_L). Ten parametr jest wyznaczany najczęściej bezpośrednio podczas badań geotechnicznych w terenie. Jeżeli chcemy określić stopień plastyczności, możemy w tym celu wykorzystać metodę wałeczkowania lub przeprowadzić badanie sondą statyczną CPT/CPTU.

Grunty organiczne i ich cechy

Zgodnie z normą PN-86/B-02480, grunty organiczne są to utwory, w których zawartość substancji organicznej przekracza 2%. Według ww. normy, do tego typu gruntów można zaliczyć:

• grunty próchniczne (I_om 2 – 5%)tj. gleba, w których zawartość substancji organicznej jest wynikiem wegetacji roślin oraz bakterii odpowiadających za procesy glebotwórcze;
• grunty mineralno-organiczne (I_om 5 – 15%), powstałe poza dolinami rzek w zagłębieniach bezodpływowych;
• namuły (I_om 5 – 30%), powstają na skutek osadzania się substancji mineralnej i organicznej w środowisku wodnym;
• gytie, są to namuły z zawartością węglanu wapnia przekraczającą 5%, powstają przeważnie na dnach jezior lub słodkowodnych zbiorników wód stojących, bogatych w tlen oraz substancję organiczną;
• kreda jeziorna (CaCO₃ >80%), jest to osad jeziorny o właściwościach podobnych do kredy piszącej, substancja organiczna często występuje w postaci fragmentów skorupek mięczaków;
• torf (I_om >30%), jest to skała osadowa powstała z obumarłych i podlegających stopniowemu rozkładowi szczątków roślin, z czasem substancja organiczna zawarta w skale ulega tak silnej karbonizacji że powstaje węgiel brunatny;
• węgiel brunatny i kamienny, są to grunty powstałe w wyniku silnej karbonizacji szczątków roślinnych.

I_om – jest to symbol oznaczający zawartość części organicznych.

Cechy fizyczne gruntów organicznych sprawiają że nie są one brane pod uwagę jako podłoże na którym będą się opierać fundamenty. Główne cechy, które za to odpowiadają to duża ściśliwość oraz mała odporność na ścinanie. Oczywiście tego typu cechy fizyczne są bezpośrednio związane z zawartością substancji organicznej oraz cząsteczek koloidalnych. 

Z powyższych względów zachowanie się gruntów organicznych znajdujących się pod obciążeniem od budynku jest nieprzewidywalne. Zwłaszcza że im mniej substancja organiczna jest zmineralizowana tym większa szansa, na zmianę parametrów fizycznych takiego gruntu w przyszłości.

Z reguły grunty organiczne występują płytko pod powierzchnią ziemi, w takiej sytuacji nie stanowią one zbyt dużego problemu. Sytuacja wygląda gorzej kiedy miąższość tego typu gruntów jest na tyle duża że trzeba postawić dom na fundamentach pośrednich. Głównie w tym celu wykonywane są pale na których stawia się ławy lub płytę fundamentową.

Jeżeli badania geotechniczne wykażą, że na działce która nas interesuje znajdują się grunty organiczne to warto zastanowić się czy nie lepiej poszukać innej lokalizacji dla naszego przyszłego domu. Zazwyczaj nie ma sensu ponosić dodatkowych kosztów związanych z pozbywaniem się niepożądanych gruntów z podłoża.

Pamiętajmy, że ilość ziemi pod zabudowę z roku na rok maleje, dlatego zagospodarowuje się coraz trudniejsze tereny. Na szczęście postępująca technologia pozwala na posadawianie konstrukcji budowlanych nawet na torfowiskach lub gytiowiskach.

Badania geotechniczne

Jest to podstawa do sprawdzenia jakiego rodzaju grunty mamy w podłożu oraz jakie mają parametry. Nie każdy grunt nadaje się pod budowę, a odpowiednie wzmocnienie takiego gruntu jest opłacalne. Wiedza na temat tego jakiego rodzaju mamy grunty w miejscu gdzie chcemy postawić dom, może pomóc nam uniknąć dodatkowych problemów oraz kosztów.

Czasami lepiej jest nie kupować danej działki budowlanej lub zmienić lokalizację budynku, który ma się na niej znajdować. Nie ma sensu płacić za dodatkowe prace ziemne lub skomplikowane rodzaje fundamentów, jeżeli po prostu można przesunąć budynek w inne miejsce.

Wykonywaniem badań geotechnicznych gruntu zajmują się wyspecjalizowane firmy. Warto w tego typu badania zainwestować. Koszt ich wykonania jest zazwyczaj niewielki w porównaniu do kosztów związanych z usuwaniem ewentualnych niespodzianek, w postaci gruntów organicznych w podłożu, czy nasypów niekontrolowanych.