2.1 Charakterystyka podłoża gruntowego
2.1.1 Rodzaje gruntów i ich pochodzenie 17
Obecna budowa geologiczna obszaru Polski jest w dużej mierze skutkiem działania czwartorzędowych plejstoceńskich zlodowaceń. Z uwagi na zmienność genetyczno-litologiczną podłoża związaną z działalnością lądolodu, obecnością różnorakich form akumulacji lodowcowej i rzeczno-lodowcowej oraz zaburzeń glacitektonicznych podłoża, występujące grunty charakteryzują się zmiennością właściwości wytrzymałościowych i odkształceniowych. Znaczny wpływ na cechy fizyczno-mechaniczne ma geneza i wiek osadów [37].
W literaturze najczęściej wyróżnia się cztery główne zlodowacenia, określane mianem zlodowaceń skandynawskich, nazywane również nazwami rzek, które obejmowały [37]:
Narwi (najstarsze),
południowopolskie (Sanu i Nidy),
środkowopolskie (Warty i Odry),
północnopolskie (Wisły).
Zasięg poszczególnych zlodowaceń przedstawiono na rysunkach 2.1 – 2.4.
Rysunek 2.1 Obszar zlodowacenia Narwi (źródło: [93])
Rysunek 2.2 Obszar zlodowacenia Sanu i Nidy (źródło: [93])
Rysunek 2.3 Obszar zlodowacenia Warty i Odry (źródło: [93])
Rysunek 2.4 Obszar zlodowacenia Wisły (źródło: [93])
Kaczyński [37] twierdzi, że najczęściej występującym typem genetyczno-litologicznym gruntów występujących na terenie Polski są osady lodowcowe i rzeczno-lodowcowe. Na całym obszarze można spotkać także utwory eoliczne (np. wydmy), na północy występują osady jeziorne związane z obfitością rzek polodowcowych, a w części centralnej osady zastoiskowe.
Grunty związane z akumulacją polodowcową są wykształcone w różnorodny sposób i mają zróżnicowaną miąższość. Jak oszacowano [79], grubość mas lodowcowych wynosiła od 500 m do 1 000 m, co powodowało nacisk na powierzchnię ok. 10 MPa. Omawiana masa lodowca spowodowała pofałdowanie podłoża i wypiętrzanie warstw gruntowych lub niszczenie części podłoża.
W okresie ocieplenia lodowce topniały, odkładając zawarte w nich masy skalne takie jak głazy narzutowe, gliny zwałowe, porwaki iłów, piaski i żwiry.
Verruijt [74] z uwagi na dużą różnorodność gruntów w różnych krajach i związaną z tym zmienność ich właściwości uważa, że należy precyzować nazwy oraz podziały gruntów. Nie istnieją jednolite kryteria klasyfikacji gruntów z uwagi na lokalne różnice i cechy – szczególnie genezę gruntów na różnych obszarach.
Zunifikowane klasyfikacje mają zazwyczaj niewielkie znaczenie dla określenia właściwości mechanicznych gruntów takich jak nośność i wytrzymałość. Ponadto, klasyfikacja gruntów winna uwzględniać charakterystyczne parametry istotne dla rozważanego problemu inżynierskiego.
W literaturze przedmiotu wyróżnia się następujące klasyfikacje gruntów [41, 75, 105]:
ujednolicony system klasyfikacji gruntów (USCS – ang. Unified Soil Classification System), opracowany przez Casagrande’a, który oparto na identyfikacji gruntow zgodnie z liczebnością tekstury jak i z plastycznością;
grunty uważa się za mieszaniny o różnych proporcjach, przy czym każdy składnik gruntu ma udział we właściwościach mieszaniny, które określają grunt jako materiał budowlany;
podział AASHTO (ang. American Association of State Highway and Transportation Officials – Amerykańskie Stowarzyszenie Państwowych Autostrad i Urzędników Transportu), opracowany przez Atterberga, wynikający z opisu gruntów w rolnictwie oraz rozwinięciu tematu w zagadnieniach
geotechnicznych, uwzględnia podział wielkości cząstek oraz granice konsystencji gruntów;
W Europie, opracowując przepisy klasyfikujące grunty, bazowano na systemach amerykańskich. Na podstawie USCS Casagrande’a w Wielkiej Brytanii powstał system klasyfikacji (opisany normami brytyjskimi BS) oraz w Niemczech (wprowadzony normami niemieckimi DIN). W ramach ujednolicania przepisów i norm państw Unii Europejskiej, zaproponowano w 2002 r. przez Międzynarodową Organizację Standaryzacyjną (ang. ISO) i Europejski Komitet Normalizacyjny (fr. CEN) normę EN-ISO 14688-1 uzupełnioną w 2004 r. normą EN-ISO 14688-2, w których przedstawiono własną klasyfikację podziału gruntów. W praktyce akceptacja standardów europejskich nie przełożyła się jednak na przejście do nowego systemu opisywania, identyfikowania i klasyfikacji gruntów w większości krajów europejskich. Obiektywne przyczyny tej sytuacji leżą w fakcie, iż normy europejskie EN opisują wyłącznie zasady klasyfikacji. Pojawia się również trudność w dopasowaniu nazw i rodzajów ‘krajowych’ gruntów do nowej terminologii [41].
W Polsce, w świetle przepisów Polskiego Komitetu Normalizacyjnego (PKN), obowiązującą normą klasyfikującą grunty jest norma PN-EN ISO 14688 „Badania geotechniczne. Oznaczenie i klasyfikowanie gruntów.”. Składa się ona z dwóch części:
Oznaczanie i opis [134] oraz Zasady klasyfikowania [135]. W celu dostosowania nazw gruntów zdefiniowanych dla państw europejskich, opracowano załącznik krajowy, w którym podjęto próbę przełożenia klasyfikacji na warunki polskie, aby w prosty sposób zastąpić grunty określone w polskiej normie PN-B-2480:1986 „Grunty budowlane. Określenia, symbole, podział i opis gruntów.” [115], opartej o trójkąt Fereta.
W praktyce inżynierskiej specjaliści nadal korzystają z normy polskiej, która jest prosta i odpowiednia dla krajowego układu glacitektonicznego. Zdaniem Jermołowicza [34], z uwagi na specyfikę zlodowaceń występujących na obszarze Polski, często mają miejsce zaburzenia podłoża (deformacje glacitektoniczne), dlatego nie jest możliwe opisanie charakterystyki podłoża gruntowego według zasad stosowanych w Europie Zachodniej, gdyż podanie wyłącznie nazw wynikających z właściwości gruntów z pominięciem ich genezy może prowadzić do błędnej interpretacji związanej z zachowaniem podłoża. W przypadku, gdy grunty posiadają
różną genezę, połączenie ich w jedną warstwę geotechniczną jest błędem, gdyż z uwagi na różnorodność genetyczną charakteryzują się inną historią obciążeń.
Można zatem niewłaściwie połączyć w jedną warstwę grunty o różnym skonsolidowaniu, czyli o różnych parametrach inżynierskich. Ponadto problem prostego przejścia z norm PN-B na normy PN-EN związany jest także z różnicami wynikającymi z innych granic frakcji określonych w normach europejskich.
Sulewska [69] zauważa różnice w starej i nowej klasyfikacji gruntów. Wg PN-EN 14688-1:2006 [134]:
klasyfikacji dokonuje się według inaczej określonej oceny makroskopowej niż w PN-B-04481:1988 [117],
występują nowe frakcje (o zmienionych granicach),
zmianie ulega konstrukcja nazwy gruntu – frakcja główna na końcu symbolu,
trójkąt klasyfikacyjny ISO jest różny od trójkąta Fereta,
podano podział na grunty plastyczne i nieplastyczne.
Zdaniem Gołębiewskiej [24], wprowadzone zmiany w trójkącie ISO przeniesione na trójkąt krajowy znacznie utrudniają geotechnikom poprawne określenie rodzaju gruntu. Dodatkowo nazwy zawarte w [135] nie są logicznie spójne. Wyróżnia się grupy błędów:
błędy komitetu standaryzującego – niedopowiedzenia i braki stwierdzone w podstawowej normie EN;
błędy tłumaczenia – odpowiednia redakcja treści i dostosowanie do zasad oznaczania gruntów, zamiana pojęć;
błędy w załączniku – spowodowane nieudolną próbą przeniesienia trójkąta ISO na trójkąt Fereta.
Podsumowując autor zauważa, iż terminologia i podział gruntów nie są ujednolicone z uwagi na mnogość kryteriów klasyfikacji. Obowiązujące w różnych regionach świata podziały nie powinny przysłaniać najważniejszego – wpływu cech i parametrów gruntów na ich zastosowanie inżynierskie. Autor uważa, że przy opisie cech gruntu nie jest ważne, którą klasyfikacją chcemy się posłużyć. Najważniejszym
jest natomiast właściwe określenie parametrów gruntu i umiejętność przewidywania potencjalnych zmian, które będą oddziaływać na konstrukcję budowlaną.
2.1.2 Przydatność gruntów w budownictwie
Grunt budowlany jest to część skorupy ziemskiej, mogąca współdziałać z obiektem budowlanym, stanowiąca jego element lub służąca jako tworzywo do wykonywania z niego budowli ziemnych [115]. W pracy przyjęto następujące kryteria podziału, zgodnie z polską normą PN-B-02480:1986 [115]:
z uwagi na proces powstawania:
a) grunty naturalne, których szkielet powstał w wyniku procesów geologicznych na terenie Polski,
b) grunty antropogeniczne, utworzone w ramach przemysłowej lub gospodarczej działalności człowieka;
ze względu na pochodzenie lub udział człowieka:
a) rodzime, powstałe w miejscu utworzenia w trakcie procesów geologicznych, zawsze są pochodzenia naturalnego,
b) nasypowe, powstałe w wyniku działalności człowieka, naturalne lub antropogeniczne;
z uwagi na przydatność gruntów nasypowych w budownictwie:
a) nasypy budowlane (NB), których rodzaj i stan odpowiadają wymaganiom budowli ziemnych lub podłoża pod budowle,
b) nasypy niebudowlane (NN), który nie spełnia definicji NB;
pod względem uziarnienia, w gruntach rodzimych, mineralnych, nieskalistych, wyróżnia się:
a) kamieniste:
1) zwietrzeliny i zwietrzeliny gliniaste, 2) rumosze i rumosze gliniaste,
3) otoczaki;
b) gruboziarniste:
1) żwiry i żwiry gliniaste, 2) pospółki i pospółki gliniaste;
c) drobnoziarniste (podział pod względem spoistości i uziarnienia):
1) niespoiste – piaski grube, średnie, drobne i pylaste,
2) spoiste – piaski gliniaste, pyły piaszczyste i pyły, gliny, gliny piaszczyste i pylaste, gliny zwięzłe, piaszczyste i pylaste zwięzłe oraz iły, iły piaszczyste i pylaste.
W przyjętych w 2006 roku przez Polski Komitet Normalizacyjny normach serii PN-EN 14688 [134, 135] wyróżniono następujący podział gruntów:
z uwagi na charakter powstawania:
a) grunty naturalne, b) grunty antropogeniczne,
1) nasyp kontrolowany, przydatny w budownictwie, 2) nasyp niekontrolowany, nieprzydatny w budownictwie,
z uwagi na frakcje i wymiary cząstek:
a) bardzo gruboziarniste, 1) duże głazy, 2) głazy, 3) kamienie, b) gruboziarniste,
1) żwiry – żwir gruby, średni i drobny, 2) piaski – piasek gruby, średni i drobny, c) drobnoziarniste,
1) pyły – pył gruby, średni i drobny, 2) ił.
Dodatkowo w normie wyróżniony grunty organiczne – humus, torfy i gytie.
Kaczyński [37] proponuje podział określający warunki podłoża budowlanego z uwzględnieniem charakterystyki geologiczno-inżynierskiej gruntu:
korzystne dla budownictwa:
a) grunty niespoiste, średnio zagęszczone i zagęszczone, dla których nie stwierdzono zjawisk geodynamicznych, a głębokość wody gruntowej nie przekracza 2,0 m poniżej powierzchni terenu,
b) grunty spoiste zwarte, półzwarte i twardoplastyczne;
niekorzystne, utrudniające budownictwo:
a) grunty słabonośne (organiczne, spoiste w stanie miękkoplastycznym i plastycznym, zwietrzeliny gliniaste, grunty niespoiste luźne), w których zwierciadło wody gruntowej znajduje się na głębokości płytszej niż 2,0 m poniżej powierzchni terenu,
b) tereny występowania wód agresywnych, c) tereny zalewowe podczas powodzi, d) tereny podmokłe i bagienne,
e) tereny objęte ruchami masowymi, zjawiskami krasowymi i sufozyjnymi.
Parametry gruntów budowlanych w czytelny i prosty sposób zestawiono w normie PN-B-03020:1981 „Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli.
Obliczenia statyczne i projektowanie.” [116]. W normie wyróżniono grunty niespoiste oraz spoiste, które oznaczono literami w zależności od pochodzenia geologicznego:
grunty spoiste morenowe skonsolidowane – ”A”,
inne grunty spoiste skonsolidowane oraz morenowe nieskonsolidowane – ”B”,
inne grunty spoiste nieskonsolidowane – ”C”,
iły, niezależnie od pochodzenia geologicznego – ”D”.
Dla przedstawionych gruntów w tablicach w normie zestawiono charakterystyczne wartości gęstości właściwej, wilgotności naturalnej, gęstości objętościowej, zaś na nomogramach zależności korelacyjne kąta tarcia wewnętrznego i spójności w odniesieniu do stopnia zagęszczenia i stopnia plastyczności [116].
2.1.3 Wymagania wobec podłoża w drogownictwie
Norma drogowa PN-S-02201:1987 „Drogi samochodowe. Nawierzchnie drogowe. Podział, nazwy, określenia.” [137] definiuje podłoże gruntowe jako grunt rodzimy lub nasypowy leżący pod nawierzchnią do głębokości przemarzania, nie mniej jednak niż do głębokości, na której naprężenia pionowe od największych obciążeń użytkowych wynoszą 0,02 MPa. Powyższą definicję można uzupełnić kolejną, dotyczącą podłoża gruntowego ulepszonego, które stanowi wierzchnią
warstwę podłoża znajdującego się bezpośrednio pod nawierzchnią, ulepszoną w celu umożliwienia przejęcia ruchu budowlanego i właściwego wykonania nawierzchni, spełniającą wymagania określone dla podłoża. Właściwe przygotowanie podłoża jest kluczowym elementem realizacji konstrukcji nawierzchni.
Projektując konstrukcję nawierzchni, można korzystać z katalogów typowych konstrukcji. Do 2014 roku powszechnie stosowano katalogi typowych konstrukcji nawierzchni: podatnych i półsztywnych (z 1997 r. [94]) oraz sztywnych (z 2001 r.
[96]), w których podano algorytm wyznaczania kategorii obciążenia ruchem (od KR1 do KR6), metodykę określania warunków gruntowo-wodnych podłoża nawierzchni, wymagania dla podłoża, zalecane sposoby jego wzmocnienia oraz typowe rozwiązania konstrukcyjne. Zapisy i ustalenia dotyczące oceny podłoża oraz część proponowanych typów konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych w 1999 roku przyjęto do prawa krajowego w formie ustawy, opublikowanej w Dzienniku Ustaw nr 43, pod pozycją 430 [108], jako załączniki nr 4 i 5. Omawiane rozporządzenie znowelizowano sześć razy. Część zmian wprowadzono w drodze rozporządzeń – zmieniających brzmienie poszczególnych paragrafów, dodających nowe lub je uchylających czy uzupełniających o nowe rozdziały. Najważniejsze jednak zmiany dokonano w rozporządzeniu [107], w którym, oprócz kolejnych korekt i redefinicji pewnych pojęć, uchylono ww. załączniki pochodzące z pierwotnej wersji z 1999 r. Ostatecznie, w styczniu 2016 r. (Dz.U. z 2016 r., poz. 124 [99]), ogłoszono jednolity tekst rozporządzenia, uwzględniając wcześniejsze nowelizacje [77].
W latach 2009-2013 w ramach prac naukowo-badawczych wykonanych na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad oba katalogi zostały zaktualizowane i opublikowane w 2014 r. Zdaniem autora, jako istotne zmiany wprowadzone w nowych katalogach, należy wymienić [95, 97]:
zmiana okresu projektowego dla autostrad i dróg ekspresowych,
redefiniowanie granic kategorii obciążenia ruchem oraz dodanie kategorii KR7,
zmiana wymagań nośności wobec podłoża gruntowego,
uporządkowanie pojęć związanych z podłożem gruntowym oraz konstrukcją nawierzchni.
Wprowadzono również czytelny podział na warstwy górne konstrukcji (dobierane w zależności od obciążenia ruchem oraz typu podbudowy zasadniczej) oraz warstwy dolne konstrukcji nawierzchni (dobierane w zależności od grupy nośności podłoża i wymaganej nośności na poziomie spodu górnych warstw) [95, 97].
W katalogach zwrócono szczególną uwagę na właściwe przygotowanie podłoża dla przeniesienia projektowanego obciążenia. Po obliczeniu projektowanej kategorii obciążenia ruchem, określa się warunki gruntowo-wodne. W tym celu należy wykonać badania geotechniczne. Autor rozprawy za niezbędne uważa:
odwierty gruntowe pozwalające na określenie rodzaju gruntu i poziomu zalegania wody gruntowej,
badania nośności przy zastosowaniu aparatu VSS do określenia wtórnego modułu odkształcenia E2,
badania laboratoryjne uziarnienia, wskaźnika piaskowego oraz zawartości części organicznych.
Dysponując wynikami badań, zgodnie z aktualnie obowiązującymi katalogami, określa się warunki wodne, które przedstawiono w tablicy 2.1, warunki gruntowe z uwzględnieniem wysadzinowości (por. tablica 2.2) oraz grupę nośności podłoża (por.
tablice 2.3 i 2.4).
Tablica 2.1 Klasyfikacja warunków wodnych (źródło: [95, 97]) Charakterystyka
korpusu drogowego
Warunki wodne, gdy najwyższy poziom swobodnego zwierciadła wody gruntowej występuje na głębokości poniżej spodu konstrukcji nawierzchni
< 1 m 1 m - 2 m > 2 m
*pobocza nieutwardzone ** pobocza utwardzone i dobre odprowadzenie wód
Zgodnie z katalogami [95, 97], jeśli ocena na podstawie określenia rodzaju gruntu, zawartości drobnych cząstek i wskaźnika piaskowego jest rozbieżna, to decyduje wynik najmniej korzystny.
Właściwie przygotowane, ulepszone podłoże lub podłoże gruntowe rodzime winno spełniać wymagania pod względem nośności dla wymaganej kategorii obciążenia ruchem [95, 97]:
kategorie KR 1–2: E2 ≥ 80 MPa,
kategorie KR 3–4: E2 ≥ 100 MPa,
kategorie KR 5–7: E2 ≥ 120 MPa.
Tablica 2.2 Wysadzinowość gruntów (źródło: [95, 97])
Właściwość Grupa gruntów
Niewysadzinowy Wątpliwy Wysadzinowy
Rodzaj gruntu
rumosz niegliniasty piasek pylasty mało wysadzinowe bardzo wysadzinowe
Żwir zwietrzelina
piasek gruby rumosz gliniasty glina zwięzła pył
piasek średni żwir gliniasty Ił glina piaszczysta
piasek drobny pospółka gliniasta ił piaszczysty glina
żużel nierozpadowy ił pylasty glina pylasta
ił warwowy
Zawartość cząstek Niewysadzinowy Wątpliwy Wysadzinowy
≤ 0,075 mm < 15 15 - 30 > 30
≤ 0,020 mm < 3 3 -10 > 10
Wskaźnik piaskowy > 35 25 - 35 < 25
Tablica 2.3 Grupy nośności podłoża względem warunków gruntowo-wodnych (źródło: [95, 97])
Rodzaj podłoża
Grupa nośności podłoża nawierzchni Gi gdy warunki wodne są:
* w stanie zwartym lub twardoplastycznym o IL ≤ 0,25
W przypadku niespełnienia przez podłoże parametru nośności (podłoże opisane grupą G2, G3 lub G4 z uwagi na zaniżoną nośność, wysadzinowość gruntu lub warunki wodne), w katalogach przewidziano zastosowanie dolnych warstw konstrukcji nawierzchni, dla których podano typowe rozwiązania.
Tablica 2.4 Grupy nośności podłoża względem wskaźnika CBR (źródło: [95, 97]) Grupa nośności podłoża Wskaźnik nośności CBR
po 4 dniach nasączania
Wtórny moduł odkształcenia E2
Gi [%] [MPa]
G1 CBR ≥ 10 E2 ≥ 80
G2 5 ≤ CBR < 10 50 ≤ E2 < 80
G3 3 ≤ CBR < 5 35 ≤ E2 < 50
G4 2 ≤ CBR < 3 25 ≤ E2 < 35
Oprócz katalogów, kompendium wiedzy o przygotowaniu podłoża dla drogownictwa stanowi obowiązująca norma PN-S-02205:1998 „Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania” [138]. Zawarto w niej podstawowe definicje związane z budową, przebudową i utrzymaniem nawierzchni drogowych. Określono także szczegółowe wymagania nośności i zagęszczenia dla podłoży gruntowych. Parametry podłoża określone zostały pod względem:
projektowanego obciążenia ruchem,
rodzaju budowli ziemnej – nasypu lub wykopu,
poziomu zalegania warstw względem głębokości poniżej spodu konstrukcji – co odpowiada powierzchni robót ziemnych,
rodzaju gruntu – niespoistego lub spoistego.
Wymagane wartości parametrów przedstawiono na rysunkach 2.5 i 2.6. Przydatność gruntów do wykonania budowli ziemnych określono za normą [138]
i zestawiono w tablicy 2.5.
Rysunek 2.5 Wartości parametrów wymagane w nasypach (źródło: [138])
Tablica 2.5 Przydatność gruntów do wykonania budowli ziemnych (źródło: [138] )
Rysunek 2.6 Wartości parametrów wymagane w wykopach (źródło: [138])
Zdaniem autora, aby przygotować podłoże dla wykonania konstrukcji nawierzchni, należy je rzetelnie rozpoznać. Niestety, w praktyce budowlanej zdarzają się przypadki błędnie określonej grupy nośności podłoża, na podstawie jednego typu badań (np.
wyłącznie w oparciu o makroskopowe określenie rodzaju gruntu, bez badań nośności i/lub zagęszczenia podłoża). W efekcie niewystarczającego zakresu i ilości badań, może okazać się, iż podłoże nie spełnia wymagań w zakresie nośności (określonej parametrami CBR lub E2), co oznacza, że wymaga wzmocnienia. Restrykcyjne realizowanie przez nadzór budowy kompleksowej oceny podłoża na etapie wykonywania robót ziemnych winno pozwolić na weryfikację założeń projektowych (w zakresie zgodności przyjętych grup nośności podłoża ze stanem faktycznym) i wyeliminowanie możliwości pozostawienia słabego podłoża bez wzmocnienia.
2.1.4 Wysadzinowość podłoża gruntowego
W drogownictwie, wymaga się, aby podłoże było niewysadzinowe.
W przypadku obiektów kubaturowych (budynków czy hal) zakłada się, że posadzka i fundamenty (wewnętrzne) nie będą narażone na szkodliwe działanie mrozu, z uwagi na fakt dodatnich temperatur występujących w obiekcie, co ogranicza przemarzanie posadzki i fundamentów.
Woda przechodząc ze stanu ciekłego w stały (lód) zwiększa swoją objętość o ok. 9%. Zwiększenie objętości przy zamarzaniu wody nie jest główną przyczyną wysadzin – jest nią tworzenie się soczewek lodu w gruncie. Soczewki rosną wskutek podciągania wody z zawilgoconych miejsc lub wodonośnego gruntu (zjawisko podciągania kapilarnego). Sytuacja ma miejsce w przypadku gdy grunt zawiera dużą ilość cząstek ilastych i frakcji pylastej [79]. Wysadziny występują gdy:
grunt podatny na gromadzenie wody znajduje się w strefie przemarzania,
zwierciadło wody gruntowej zalega płytko lub podłoże jest bardzo wilgotne z uwagi na znaczne opady deszczu oraz nie ma możliwości odprowadzenia wody z rejonu nawierzchni i jej otoczenia,
występują długie i intensywne okresy mrozu.
Kolejność tworzenia się wysadzin [56, 79]:
powstanie w strefie zamarzania soczewek lodowych, które zwiększają swoją objętość poprzez podciąganie wody od dołu,
po rozpuszczeniu soczewki lodowej, wzrasta wilgotność zamarzniętego gruntu, w przeciwieństwie do niżej występującego podłoża (poniżej strefy zamarzania), które wodę przekazuje wyżej,
molekuły wody poprzez siły adsorpcji, przyciągnięte do soczewki lodu, uzupełniają jego siatkę krystaliczną,
zmiana wilgotności na granicy strefy przemarzania zależy od intensywności mrozu – przy większej intensywności grunt szybciej przemarza i podciąga mniej wody.
W przypadku gruntów spoistych, w których odprowadzenie wody w głąb – z uwagi na drobne uziarnienie i niską przepuszczalność – nie jest możliwe, zwiększające się kryształy lodu powodują wypiętrzenie warstwy gruntu. Wysokość wysadziny jest zależna od ilości lodu jaka wytworzy się w gruncie. Ilość lodu zależy od wilgotności początkowej gruntu, czasu działania mrozu, gradientu temperatury, uziarnienia, wodoprzepuszczalności, przewodności cieplnej i składu chemicznego [56, 79].
Zgodnie z wymaganiami katalogów typowych konstrukcji nawierzchni [94-97], ze względu na możliwość powstania wysadzin należy sprawdzić warunek mrozoodporności konstrukcji nawierzchni, poprzez kontrolę czy całkowita grubość wszystkich warstw nawierzchni i warstwy ulepszonego podłoża, wynikająca z przyjętego rodzaju konstrukcji, jest większa niż zdefiniowana zastępcza głębokość przemarzania dla lokalizacji (tj. z uwzględnieniem współczynnika przeliczeniowego, por. tablica 2.6), w której ma zostać wykonana konstrukcja. Pod względem przemarzania gruntu, obszar Polski podzielony jest na 4 strefy (por. rys. 2.7).
Tablica 2.6 Wymagana grubość konstrukcji nawierzchni i warstwy ulepszonego podłoża ze względu na odporność na wysadziny (źródło: [95, 97])
Kategoria obciążenia ruchem
Grupa nośności podłoża z gruntów wątpliwych i wysadzinowych
G2 G3 G4
KR1 0,40 hz 0,50 hz 0,60 hz
KR2 0,45 hz 0,55 hz 0,65 hz
KR3 0,50 hz 0,60 hz 0,70 hz
KR4 0,55 hz 0,65 hz 0,75 hz
KR5 0,60 hz 0,70 hz 0,80 hz
KR6 i KR7 0,65 hz 0,75 hz 0,85 hz
Rysunek 2.7 Głębokość przemarzania gruntu (źródło: [95])
W przypadku, gdy łączna grubość konstrukcji oraz warstwy ulepszonego podłoża jest mniejsza od wymaganej wartości określonej przez głębokość przemarzania (z uwzględnieniem przeliczenia dla odpowiedniej kategorii obciążenia ruchem), należy pogrubić najniżej występującą warstwę konstrukcji lub ulepszonego podłoża.
Okresem krytycznym dla nawierzchni drogowych jest wiosna, kiedy to nośność nawierzchni – z uwagi na rozmarzanie podłoża i wysoką wilgotność oraz wysadziny – jest znacznie obniżona. Rafalski i inni [56] uważają, że przy projektowaniu konstrukcji można spróbować zapewnić wystarczającą nośność nawierzchni dla przeniesienia założonych obciążeń, nawet w okresach panujących niekorzystnych warunków atmosferycznych (np. w okresach roztopów), co może jednak spowodować przewymiarowanie konstrukcji. Inną alternatywą jest ograniczenie ruchu pojazdów ciężkich w okresie krytycznym, jednak przy aktualnym natężeniu ruchu może być to mało prawdopodobne.
Linell [45] uważa, że sztywne nawierzchnie są mniej podatne na zmianę sztywności podłoża gruntowego. Na podłożu o obniżonej w wyniku przemarzania nośności, konstrukcja sztywna zachowuje swoje parametry sztywności w ok. 75%, zaś podatna w ok. 33%, w odniesieniu do wartości nominalnych obciążeń.
Rengmark [59] twierdzi, że głębokość przemarzania w osi jezdni jest większa niż po bokach, z uwagi na fakt, iż izolacja zalegającej pokrywy śnieżnej na środku drogi jest znacznie mniejsza niż jej skraju.
W celu przeciwdziałaniu powstania wysadzin proponuje się [45, 79]:
odpowiednie podwyższenie nasypu ponad zwierciadło wody gruntowej,
obniżenie poziomu wód gruntowych lub odcięcie ich bocznego dopływu za pomocą drenażu podłużnego,
zastosowanie pod nawierzchnią podsypki z materiału niewysadzinowego,
zastosowanie wzmocnień z gruntów stabilizowanych cementem,
właściwe zagęszczenie podłoża,
dobre odwodnienie powierzchniowe, które przeciwdziała wsiąkaniu wód
dobre odwodnienie powierzchniowe, które przeciwdziała wsiąkaniu wód