Encyklopedia

W przypadku okresowego występowania temperatury powietrza poniżej 0ºC następuje zamarzanie wody w gruncie, zwane przemarzaniem gruntu. Głębokość i prędkość przemarzania zależą nie tylko od temperatury powietrza i czasu trwania, ale także od takich czynników jak: osłona terenu, struktura i tekstura gruntu oraz skład granulometryczny gruntu.

Rys. 1. Strefy przemarzania na terenie Polski ( wg PN-81/B-03020)

Po dłuższym trwaniu ujemnej temperatury powietrza granica przemarzania przesuwa się w dół. Ponad granicą przemarzania gruntu od powierzchni terenu tworzą się soczewki lodowe, które powiększają się wskutek podciągania wody od dołu. Nowe soczewki lodowe w sposób naturalny zwiększają wilgotność zamarzniętego gruntu. Bezpośrednio poniżej granicy przemarzania obserwuje się zmniejszenie wilgotności gruntu w porównaniu z wilgotnością gruntu przed przemarzaniem (rys. 2).

Rys. 2. Zjawisko przemarzania gruntu. [2]

Należy to tłumaczyć tym, że soczewki lodowe przyciągają molekuły wodne od dołu ze swojego najbliższego otoczenia. Przyciąganie molekuł wodnych przez kryształy lodu następuje wskutek istnienia na ich powierzchni sił adsorpcji. Molekuły wody, przyciągnięte do powierzchni soczewki lodowej, uzupełniają siatkę krystaliczną lodu, po czym same przyciągają nowe molekuły wody z porów gruntu, co powoduje wzrost soczewek lodowych, a więc i wzrost objętości gruntu. Ten wzrost objętości uzewnętrznia się powstawaniem tzw. wysadzin, tj. podnoszenia powierzchni terenu czy nawierzchni drogowej w miejscach, gdzie występują grunty szczególnie wrażliwe na przemarzanie.

Fot. 1. Wysadziny i przełamy nawierzchni drogowej

Badania i obserwacje wykazują, że wysadziny mogą występować w następujących przypadkach:

• ujemna temperatura powietrza utrzymuje się dość długo,
• grunt podłoża jest wysadzinowy,
• grunt podłoża jest bardzo wilgotny, a zwierciadło wody gruntowej zalega dość płytko.

Na podstawie obserwacji i bezpośrednich pomiarów z ostatnich 30 lat umowne głębokości przemarzania należy zmienić. Takie postulaty pojawiają się coraz częściej [1]. Przeprowadzone probabilistyczne analizy temperatury gruntu uwzględniające losowy charakter zjawiska i udział w nim nie tylko temperatury powietrza, lecz także pokrywy śnieżnej jak również zawartość wody w gruncie wynikającej z wcześniejszych opadów deszczu lub odwilży, spowodowały obecnie inne propozycje co do mapy przemarzania w Polsce [1] :

Rys. 3. Nowa propozycja stref przemarzania i ich głębokości [1]

Rys. 4. Propozycja zmian umownych głębokości przemarzania gruntu wg [1]

Jak wynika z ponad 25-letniego stosowania geosyntetyków w Polsce, umieszczenie odpowiednio zaprojektowanego i wbudowanego geosyntetyku, na granicy przemarzania pozwala wyeliminować efekty wysadzinowości nawierzchni na stałe. Jednak od projektantów i wykonawców robót wymagana jest doskonała wiedza i kultura techniczna.

Kryteria wysadzinowości

Kryteria wysadzinowości gruntów zależą od właściwości fizycznych gruntów. Grunty niespoiste, nie zawierające frakcji pyłowej i iłowej, przy przemarzaniu nie tworzą wysadzin nawet w stanie nasyconym wodą. Powstający w nich lód wyciska nadmiar wody ku dołowi tak, że grunty te po zamarznięciu zawierają mniej wody w porach niż przed zamarzaniem. Grunty spoiste natomiast, zawierające cząstki pylasto-ilaste, są tym bardziej wysadzinowe, im drobniejsze jest ich uziarnienie i większa ich wilgotność. Istnieje wiec zależność wysadzinowości gruntów od ich uziarnienia.
Im bardziej drobnoziarnisty  grunt, tym mniejsze są wymiary porów, tym więcej porów jest prawie całkowicie wypełnionych wodą adsorbowaną, a więc lepsze są warunki do tworzenia się wydzielonych soczewek lodowych i powstawania wysadzin. Stąd o wysadzinowości gruntów zasadniczo decyduje wymiar porów, a nie wymiar ziaren i cząstek gruntowych.

Kryteria wysadzinowości:

1. Kryterium Casagrandego  zalicza  do wysadzinowych grunty bardzo różnoziarniste (U > 15), które zawierają więcej niż 3 % cząstek mniejszych od 0,002 mm oraz grunty równoziarniste (U < 5) zawierające ponad  10 % ww. cząstek,
2. Kryterium Beskowa, wg którego uwzględnia się wpływ geologicznego pochodzenia gruntu, wielkość średnicy d₅₀, procentową zawartość o średnicy mniejszej od 0,062 mm i 0,125 mm oraz kapilarność bierną przy wilgotności równej granicy płynności,
3. Kryterium Wiłuna, wg którego uwzględnia się uziarnienie gruntu i kapilarność bierną gruntu H_kb. 

Pod względem wysadzinowości, grunty dzieli się na 3 grupy:

GRUPA A – grunty niewysadzinowe o H_kb < 1,0 m, bezpieczne w każdych warunkach wodnogruntowych i klimatycznych; są to grunty zawierające poniżej 20 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i poniżej 3 % cząstek mniejszych od 0,002 mm (należą tu czyste żwiry, pospółki i piaski).

GRUPA B – grunty wątpliwe (mało wysadzinowe) o H_kb < 1,3 m, zawierające    20 ÷ 30 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i 3 ÷ 10 % cząstek mniejszych od 0,002 mm (należą tu piaski bardzo drobne, pylaste i próchnicze).

GRUPA C – grunty wysadzinowe o H_kd > 1,3 m; są grunty zawierające powyżej 30 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i powyżej 10 % cząstek mniejszych od 0,002 mm (należą tu wszystkie grunty spoiste i namuły organiczne).

Tab. 1. Podział gruntów pod względem wysadzinowości

W związku z powyższym każdorazowo we wszystkich projektach wymagane jest sprawdzenie I i II stanu granicznego podłoża konstruowanego nasypu, tj.:

• I stan graniczny nośności i stateczności skarp,
• II stan graniczny użytkowania.

Literatura :

1. Godlewski T.: Przemarzanie gruntu a projektowanie fundamentów cz. II. Inżynier budownictwa, wrzesień 2020,
2. Wiłun Z.: Zarys Geotechniki. WKiŁ, W-wa 1982.