Trudne warunki gruntowo-wodne. Wody gruntowe i wpływ ich poziomu na sposób posadowienia
Coraz częściej nowe inwestycje powstają w miejscach, gdzie warunki gruntowo-wodne są złożone, a nawet skomplikowane. Na związane z tym problemy mają wpływ m.in. wody gruntowe, których poziom może utrudnić prowadzenie prac ziemnych, a także wymusić konkretny sposób posadowienia obiektu. Aby zapobiec skutkom niekorzystnych zjawisk z tym związanych, warto wcześniej dokładnie zbadać podłoże.
Spis treści
- Wody gruntowe. Skąd się biorą?
- Kategorie geotechniczne i niezbędne dokumentacje
- Gdzie występują trudne warunki gruntowo-wodne?
- Metody rozpoznawania warunków gruntowo-wodnych
- Badania uzupełniające
- Odwadnianie i zabezpieczanie wykopów budowlanych
- Aspekt prawny odwadniania wykopów budowlanych
- Wpływ odwadniania na środowisko gruntowo-wodne
- Posadowienie w trudnych warunkach gruntowo-wodnych
- Podsumowanie
Trudne warunki gruntowo-wodne na danym terenie zwykle związane są z występowaniem gruntów słabonośnych, niejednokrotnie o dużej miąższości, grubą warstwą nasypów niebudowlanych oraz płytko zalegającym zwierciadłem wód gruntowych. W skrajnych wypadkach występują również ruchy masowe, kras lub szkody górnicze. Zastosowanie zebranej przez dziesięciolecia wiedzy, doświadczenia i współczesnych technologii nie wyklucza możliwości budowy obiektu na takim obszarze, pod warunkiem że inwestor dysponuje odpowiednimi środkami finansowymi niezbędnymi do realizacji przedsięwzięcia. Można rzec – okazja nabycia taniej działki zwiastuje najczęściej kłopoty ze środowiskiem gruntowym i wodą gruntową.
Wody gruntowe. Skąd się biorą?
Wodami gruntowymi nazywamy wody podziemne występujące w porach i szczelinach warstw skalnych pod powierzchnią ziemi. Pojęcie wód gruntowych można utożsamiać z pierwszym poziomem wodonośnym, czyli warstwą wodonośną znajdującą się najbliżej jej powierzchni. Formowanie wód podziemnych odbywa się poprzez infiltrację opadów atmosferycznych przez strefę aeracji do strefy saturacji. Strefa aeracji jest to warstwa utworów przepuszczalnych, niewypełnionych wodą, przez którą woda przesącza się głębiej. W momencie gdy infiltrująca woda natrafi na warstwę nieprzepuszczalną, zaczyna stopniowo wypełniać wolne przestrzenie, tworząc strefę saturacji (warstwę wodonośną).
Granicą pomiędzy tymi dwoma strefami jest zwierciadło wód podziemnych, które może mieć charakter swobodny, gdy od góry warstwa nie jest ograniczona przez utwory nieprzepuszczalne, bądź naporowy (napięty), gdy warstwa wodonośna ograniczona jest od góry gruntami półprzepuszczalnymi lub nieprzepuszczalnymi.
W strefie aeracji infiltrująca woda może natrafić na swojej drodze na nieprzepuszczalną soczewkę lub wręcz ciągłą warstwę, gdzie zatrzymuje się na jej stropie i gromadzi nad nią w wolnych porach. Zjawisko to nosi miano tzw. wody zawieszonej.
Kategorie geotechniczne i niezbędne dokumentacje
Kategorię geotechniczną ustala się w zależności od stopnia skomplikowania warunków gruntowych oraz konstrukcji samego obiektu. Projektant ustala ją na podstawie otrzymanych badań geotechnicznych, dokumentacji badań podłoża gruntowego bądź projektu geotechnicznego.
Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalenia geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych rozróżnia następujące kategorie geotechniczne:
• pierwszą kategorię geotechniczną – obejmującą niewielkie obiekty budowlane o statycznie wyznaczalnym schemacie obliczeniowym, posadowione w prostych warunkach gruntowych, nieobejmujących gruntów słabonośnych, organicznych i nasypów niekontrolowanych oraz przy zwierciadle wód gruntowych poniżej projektowanego poziomu posadowienia. W przypadku obiektów zaliczanych do tej kategorii wystarczy sporządzenie opinii geotechnicznej;
• drugą kategorię geotechniczną – obejmującą obiekty budowlane wymagające ilościowej i jakościowej oceny danych geotechnicznych i ich analizy, posadowione w prostych i złożonych warunkach, obejmujących grunty słabonośne, organiczne i nasypy niekontrolowane oraz przy zwierciadle wód gruntowych w poziomie i powyżej projektowanego poziomu posadowienia. Dla obiektów zaliczanych do tej kategorii wymagane jest sporządzenie nie tylko opinii geotechnicznej, lecz także dokumentacji badań podłoża oraz projektu geotechnicznego. W przypadku występowania złożonych warunków gruntowych wykonuje się dodatkowo dokumentację geologiczno-inżynierską;
• trzecią kategorię geotechniczną, obejmującą:
– obiekty posadowione w skomplikowanych warunkach gruntowych, gdzie występują grunty objęte niekorzystnymi zjawiskami geologicznymi, takimi jak: zjawiska i formy krasowe, osuwiskowe, sufozyjne, kurzawkowe, glacitektoniczne, grunty ekspansywne i zapadowe, a także szkody górnicze o charakterze nieciągłym,
–nietypowe obiekty budowlane, np. energetyki, zapory wodne, zakłady chemiczne, rafinerie,
– obiekty budowlane mogące zawsze znacząco oddziaływać na środowisko,
– budynki wysokościowe projektowane w istniejącej zabudowie miejskiej,
– obiekty wysokie o głębokości bezpośredniego posadowienia powyżej 5 m lub zawierające więcej niż jedną kondygnację zagłębioną w gruncie,
– obiekty infrastruktury krytycznej,
– obiekty zabytkowe i monumentalne.
Dla obiektów zaliczanych do trzeciej kategorii geotechnicznej wymagane jest sporządzenie opinii geotechnicznej, dokumentacji badań podłoża, projektu geotechnicznego, a także dokumentacji geologiczno-inżynierskiej poprzedzonej wykonaniem projektu robót geologicznych.
Gdzie występują trudne warunki gruntowo-wodne?
Na podstawie Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalenia geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych za trudne warunki gruntowo-wodne przyjmuje się warunki określone w powyższym rozporządzeniu jako złożone i skomplikowane.
Zaliczają się do nich tereny, na których występują grunty organiczne (torfy, namuły), grunty słabonośne (sypkie w stanie luźnym, spoiste w stanie miękkoplastycznym, nasypy niekontrolowane), zwierciadło wody podziemnej występujące w poziomie lub powyżej poziomu posadowienia. Trudne warunki grutowo-wodne występują także w miejscach, gdzie obserwuje się niekorzystne zjawiska geologiczne, takie jak: formy krasowe, osuwiskowe, sufozyjne, kurzawkowe, glacitektoniczne lub grunty ekspansywne (grunty spoiste z przewagą minerałów ilastych) i zapadowe (lessy).
Najbardziej niekorzystne warunki gruntowo-wodne spotyka się przeważnie w dolinach i deltach rzek, gdzie mamy do czynienia z występowaniem gruntów słabonośnych (spoistych w stanie miękkoplastycznym, organicznych, takich jak torfy, namuły i gytie, oraz luźnych gruntów niespoistych) i płytko zalegającym zwierciadłem wód podziemnych. Największe wyzwania czekają inwestora w miejscach występowania szkód górniczych, szczególnie o charakterze nieciągłym. Utrudnienia w trakcie wykonywania wykopów i fundamentów mogą wynikać nie tylko z warunków gruntowo-wodnych.
Problemy mogą być związane również z występowaniem w bezpośrednim sąsiedztwie prowadzonych robót budowlanych zwartej zabudowy, która wymusza zastosowanie zabezpieczeń wykopów metodami wykorzystywanymi w głębokim fundamentowaniu, takich jak: ściany szczelne, berlińskie, ściany z kolumn, palisady (np. system jet-grouting), barety itp.
Przeczytaj również:
- Posadowienie budynku na trudnych podłożach. Nośność podłoża gruntowego
- Budowa na terenach poprzemysłowych - wybrane problemy geotechniczne
Metody rozpoznawania warunków gruntowo-wodnych
Odpowiednie rozpoznanie warunków gruntowo-wodnych wpływa na dobór metody fundamentowania, zabezpieczenia wykopu przed dopływem wody oraz sposobu i technologii wykonania izolacji przeciwwodnej. Najbardziej wiarygodne wyniki można otrzymać przez korelację danych pochodzących z wierceń geologicznych, badań geofizycznych i sondowań statycznych (CPTU, SPTU).
Najlepszą metodą wierceń geologicznych są wiercenia rurowane lub rdzeniowane w gruncie albo wiercenia rdzeniowe w skale. Te pierwsze polegają na zagłębieniu rur wiertniczych jednocześnie z zagłębieniem urządzenia wiercącego (świdra ślimakowego, rurowego, czyli tzw. szapy, łyżki wiertniczej itp.).
Zastosowanie rur wiertniczych pozwala na odcięcie poszczególnych poziomów wodonośnych, co z kolei umożliwia dokładne określenie głębokości i charakteru zwierciadła wód gruntowych. Odcięcie poziomu lub poziomów wodonośnych pozwala również na pobór próbek do badań laboratoryjnych o nienaruszonej strukturze (dzięki wykorzystaniu próbnika np. typu Shelby) lub naturalnej wilgotności.
Uzupełnieniem wierceń geologicznych są sondowania statyczne (CPTU), polegające na stałym wciskaniu w grunt stożka elektrycznego oraz rejestracji oporu na końcówce stożka, tarcia na tulei ciernej oraz wartości ciśnienia porowego w ośrodku gruntowym.
Sondowania statyczne (CPTU) pozwalają określić rodzaj gruntu (spoisty lub niespoisty), jego parametry wytrzymałościowe oraz, w szczególnych wypadkach, poziom i charakter zwierciadła wód gruntowych. Pomocniczo wykorzystuje się też sondowanie dynamiczne (DP), SPT lub sondą krzyżakową FVT.
Wiercenia i sondowania mają charakter punktowy, dlatego w interpretacji i określeniu rozprzestrzenienia i zmienności warstw geologicznych oraz struktur wodonośnych pomocne są nieinwazyjne badania geofizyczne wykonywane metodami: elektrooporową ERT, sejsmiczną SRT i SBT oraz georadarową GPR.
Badania uzupełniające
W przypadku występowania wody gruntowej w poziomie posadowienia (i w strefie sezonowych wahań położenia zwierciadła) istotne jest jej zbadanie pod kątem agresywności wobec stali i betonu. Umożliwi to dobór i zastosowanie betonu konstrukcyjnego o odpowiednich parametrach, w tym wytrzymałości, wodoszczelności i nasiąkliwości.
Analiza agresywności wody gruntowej jest także pomocna przy projektowaniu rodzaju wzmocnienia podłoża (to szczególnie ważne przy założeniu wzmocnienia kolumnami DSM). W przypadku wykorzystania studni odwadniających lub igłofiltrów poza obrysem wykopu istotne jest określenie współczynnika filtracji, który pozwoli na oszacowanie ilości dopływającej wody do wykopu.
Na tej podstawie można dobrać niezbędną ilość studni oraz wydajność potrzebną do uzyskania zamierzonego obniżenia zwierciadła wody gruntowej, a także oszacować promień leja depresji, co ma znaczenie niebagatelne, ponieważ może wpływać na konieczność wykonania nie tylko dokumentacji hydrogeologicznej, lecz także operatu wodnoprawnego, co w konsekwencji przełoży się na koszty inwestycji i znaczne wydłużenie czasu jej realizacji. Wielkość dopływającej wody do wykopu oraz lej depresji można obliczyć z wzorów empirycznych na podstawie wyników analizy granulometrycznej, z badań laboratoryjnych lub z obliczeń na postawie wykonanych próbnych pompowań.
Odwadnianie i zabezpieczanie wykopów budowlanych
Podczas wykonywania płytkiego fundamentowania w gruntach o słabej przepuszczalności lub nieprzepuszczalnych (iły, gliny, piaski gliniaste, pyły) woda gruntowa i opadowa może prowadzić do pogorszenia parametrów geotechnicznych gruntów, obniżając ich nośność (szczególnie w przypadku gruntów makroporowatych) lub powodując ich pęcznienie (iły, szczególnie bentonitowe i montmorillonitowe).
Aby uniknąć tej sytuacji, wokół budynku wykonuje się drenaż opaskowy poniżej istniejących ław fundamentowych. Jego zadaniem jest osuszenie gruntu i niedopuszczenie do pogorszenia parametrów geotechnicznych występujących gruntów przez odbiór oraz odprowadzenie wód gruntowych i opadowych poza obszar działki.
Realizacja inwestycji wymagających głębokiego posadowienia wiąże się z wykonaniem głębokich wykopów szerokoprzestrzennych, często poniżej zwierciadła wody gruntowej. Przeprowadzenie robót fundamentowych w bezpiecznych i suchych warunkach wymaga odpowiedniego zabezpieczenia ścian wykopu przed utratą stateczności i ograniczenia dopływu wody gruntowej.
Obniżenie poziomu wody gruntowej można wykonać metodą bezpośrednią za pomocą studni wewnątrz wykopu lub przez wytworzenie depresji przez studnie bądź igłofiltry rozmieszczone poza obrysem fundamentu. W gruntach niespoistych o niskiej wodoprzepuszczalności (piaski drobne i pylaste) zasięg leja depresji będzie obejmował mniejszy obszar niż w przypadku gruntów o wysokiej przepuszczalności (piaski grube, żwiry). Jeśli zasięg ten wykroczy poza obszar należący do inwestora, to konieczne będzie uzyskanie pozwolenia wodnoprawnego (art. 389 pkt 1–3 Ustawy z dnia 20 lipca 2017 r. – Prawo wodne).
Poza tym metody te przyczyniają się do powstawania niekorzystnych zjawisk, takich jak kurzawka, sufozja lub przebicie hydrauliczne, prowadzących do osiadania i powstania uszkodzeń w obiektach znajdujących się w pobliżu. Z tych powodów poszukuje się rozwiązań alternatywnych, z których najczęściej stosowane są ścianki szczelne i palisady z pali lub mikropali (pionowe przesłony przeciwfiltracyjne).
Metody te są wystarczającym sposobem zabezpieczenia w przypadku płytko zalegających utworów nieprzepuszczalnych. Zagłębienie ścianki szczelnej w warstwie nieprzepuszczalnej umożliwia całkowite odcięcie dopływu wody oraz przyczynia się do zwiększenia szczelności pod podstawą fundamentu.
W przypadku występowania warstwy nieprzepuszczalnej na znacznej głębokości stosuje się połączone pionowe i poziome przesłony filtracyjne. W tym wypadku w sukurs idą też ściany szczelinowe, które, co prawda, są rozwiązaniem drogim, ale dzięki ich zastosowaniu zyskujemy dodatkowe elementy konstrukcyjne obiektu.
Inną techniką wykorzystywaną do zabezpieczenia ścian wykopu i jego ochrony przed dopływem wody jest mrożenie gruntu przy wykorzystaniu np. azotu. Jest to metoda efektywna zarówno przy odcinaniu poziomów wodonośnych, jak i stabilizacji gruntu, a także jako środek zaradczy przy wystąpieniu efektu kurzawki.
Aspekt prawny odwadniania wykopów budowlanych
Kwestie prawne związane z odwodnieniem wykopów i obiektów budowlanych reguluje Ustawa z dnia 30 lipca 2017 r. – Prawo wodne. Trwałe odwadnianie wykopów lub obiektów budowlanych wraz z odprowadzeniem ujętych wód jest usługą wodną, która w przypadku oddziaływania wykraczającego poza granice terenu, którego inwestor jest właścicielem, wymaga pozwolenia i zgłoszenia wodnoprawnego. Wyjątek stanowią urządzenia odwadniające o zasięgu oddziaływania niewykraczającym poza granice obszaru, którego inwestor jest właścicielem. Wtedy wymagane jest jedynie zgłoszenie wodnoprawne.
Wpływ odwadniania na środowisko gruntowo-wodne
Odwadnianie wykopów budowlanych bezpośrednio z wykopu lub za pomocą studni bądź igłofiltrów rozmieszczonych poza jego obrysem wpływa na zmianę stosunków wodnych w gruncie. Przed przystąpieniem do odwadniania wykopów zlokalizowanych w sąsiedztwie istniejących budynków kluczowe jest dokładne rozpoznanie występujących warunków gruntowo-wodnych.
Niekontrolowana zmiana stosunków wodnych może wpływać negatywnie na zachowanie gruntów ekspansywnych występujących w podłożu istniejących obiektów. Wzrost wilgotności powoduje zwiększenie ich objętości (pęcznienie), a jej spadek skurcz (zmniejszenie ich objętości). Cykliczne występowanie tych zjawisk wywołuje naprzemienne podnoszenie i osiadanie podłoża, które może przyczyniać się do uszkodzenia sąsiadujących obiektów budowlanych.
Pompowanie z wnętrza wykopu powoduje powstanie niekorzystnego działania ciśnienia spływowego (ruch wody w kierunku wykopu i do góry). W przypadku występowania w dnie wykopu gruntów sypkich ciśnienie to może wywołać ich rozluźnienie oraz prowadzić do upłynnienia i powstania zjawiska kurzawki. Obniżenie zwierciadła wody gruntowej za pomocą urządzeń rozmieszczonych poza wykopem powoduje powstanie leja depresji, który wpływa korzystnie na grunty w podłożu wykopu. Ciśnienie spływowe działające w kierunku studni sprzyja zagęszczeniu gruntów sypkich.
Odbierając wody z podłoża gruntowego, inicjuje się proces filtracji, czyli ruchu wody gruntowej, który prowadzi do przemieszczania się cząstek gruntu oraz zanieczyszczeń z okolicznych obszarów. Wymuszony ruch wody przyczynia się do powstania zjawisk stanowiących zagrożenie dla miejsca wykonywanych robót oraz dla obiektów znajdujących się w pobliżu.
Sufozją nazywa się zjawisko polegające na wymywaniu i przemieszczaniu drobnych cząstek gruntu. Występuje w gruntach sypkich, głównie różnoziarnistych. Usunięcie drobnych ziaren skutkuje zwiększeniem porowatości ośrodka, co przekłada się na zwiększenie prędkości filtracji. Poruszająca się woda o większej prędkości może przenosić coraz większe ziarna gruntu, co powoduje tworzenie się kawern (pustych przestrzeni) lub kanałów. Powstanie kanałów jest końcowym i najgroźniejszym etapem sufozji prowadzącym do wystąpienia przebicia hydraulicznego. W skrajnych przypadkach sufozja może doprowadzić do osiadania i utraty stabilności podłoża pod fundamentami obiektów znajdujących się w pobliżu.
Przebiciem hydraulicznym nazywane jest zjawisko polegające na powstaniu kanału wypełnionego wodą lub zawiesiną, który łączy miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach gruntu. W praktyce towarzyszy temu sufozja, rozmycie, rozluźnienie i wyparcie gruntu.
Równie niebezpiecznie jest zjawisko kurzawki, polegające na upłynnieniu nawodnionego gruntu drobnoziarnistego lub pylastego w trakcie prowadzenia robót ziemnych. Zjawiska te ze względu na swoją dynamikę oraz skalę przebiegu są szczególnie niebezpieczne. Mogą doprowadzić do intensywnego dopływu wody do wykopu i jego całkowitego zalania bądź przyczynić się do osiadania i utraty stabilności podłoża pod fundamentami pobliskich obiektów.
Posadowienie w trudnych warunkach gruntowo-wodnych
W trudnych warunkach gruntowo-wodnych podłoże odznacza się dużą ściśliwością i małą nośnością. Zastosowanie tradycyjnych fundamentów, takich jak stopy czy ławy fundamentowe, może powodować nadmierne osiadania mogące prowadzić do przekroczenia nośności podłoża. Niekorzystne warunki gruntowo-wodne nie wykluczają jednak możliwości budowy obiektów na takim terenie. W przypadku występowania niewielkiej miąższości gruntów słabonośnych najprostszym i najbardziej uzasadnionym ekonomicznie rozwiązaniem jest ich wymiana na grunty o odpowiednim, określonym przez projektanta uziarnieniu.
Kiedy miąższość gruntów słabonośnych jest znaczna, wtedy stosuje się posadowienie pośrednie oparte w większości przypadków na palach wbijanych lub wierconych. Pale rozmieszczane są w miejscach kumulacji obciążeń, gdzie mają za zadanie przenieść całościowe obciążenia na głębiej występujące podłoże nośne poprzez tarcie na pobocznicy i opór podstawy pala.
Podobną metodą do palowania jest technika wzmacniania gruntu za pomocą kolumn betonowych, żwirowych bądź mieszania gruntu punktowo (DSM) oraz liniowo. W sposobie tym stosuje się regularną, gęstą siatkę kolumn, która współpracując z znajdującym się między nimi gruntem (również słabonośnym), przekazuje obciążenia na niżejległe warstwy nośne. Zalety tej metody to szybkość wykonania i niskie koszty. Nie jest też traktowana jako posadowienie pośrednie, a jedynie jako wzmocnienie gruntu, co w przypadku, gdy projekt jest gotowy, a pojawiła się konieczność wykonania wzmocnienia, stanowi zmianę nieistotną.
Jeżeli mamy do czynienia z wysokim poziomem wód gruntowych i słabonośnym podłożem gruntowym, stosuje się fundament w postaci płyty fundamentowej połączonej z palami lub wzmocnionym podłożem (fundament hybrydowy). Metoda ta umożliwia wyrównanie osiadania i rozłożenie oraz przekazanie części obciążenia na większą powierzchnię (przez płytę fundamentową) i grunt nośny (przez pale).
Podsumowanie
Trudnymi warunkami gruntowo-wodnymi charakteryzują się zazwyczaj obszary zlokalizowane w dolinach rzek. Mamy tam do czynienia z występowaniem gruntów słabonośnych, organicznych oraz płytko zalegającym zwierciadłem wód gruntowych. Budowa obiektu na takim obszarze wiąże się z odpowiednim zabezpieczeniem wykopu, ograniczeniem dopływu wody oraz doborem optymalnego sposobu fundamentowania.
Odwadnianie wykopu przy pomocy studni i igłofiltrów prowadzi do powstania niekorzystnych zjawisk, takich jak sufozja, przebicie hydrauliczne czy kurzawka. Wytworzony lej depresji o zasięgu oddziaływania wykraczającym poza obszar inwestora powoduje konieczność uzyskania dodatkowych pozwoleń. Czynniki te prowadzą do tego, że coraz częściej korzysta się z alternatywnych rozwiązań, do których należą m.in. ściany szczelne i szczelinowe, pale z palisad i mikropali czy metoda zamrażania gruntu.
Nowatorską metodą, najczęściej stosowaną przy ratowaniu zabytków i likwidacji awarii budowlanych, jest wtłaczanie polimerów silnie zwiększających swoją objętość i uzyskujących dużą wytrzymałość w krótkim czasie.Wszystkie wymienione wyżej metody nie tylko zabezpieczają wykop przed dopływającą wodą, lecz także równie często pełnią funkcję elementów konstrukcyjnych lub części fundamentu.
Najbardziej powszechnym sposobem posadowienia obiektów w trudnych warunkach gruntowo-wodnych są fundamenty pośrednie oparte na palach, które pozwalają skutecznie przenieść obciążenie na grunt nośny.
Niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowo-wodnych współczesne wiedza, doświadczenie i technologia umożliwiają bezpieczne posadowienie obiektu w niekorzystnych warunkach praktycznie w każdym przypadku. Powodzenie realizacji inwestycji w dużym stopniu zależy od możliwości finansowych inwestora.
