Artykuł z czasopisma "Magazyn Autostrady" 4/2003

Zbigniew Bukowski

Właściwa stabilizacja spoiwami gruntów podłoża to podstawa trwałej konstrukcji drogi.

Wzmacnianie podłoży tak, ale jak?

Wzmacnianie słabych podłoży jest przeprowadzane różnymi technologiami i metodami. Czy znane i stosowane sposoby wzmacniania gruntów pozwalają im na długo zachować cechy i właściwości z dnia odbioru? Czy przyjęte rozwiązania są na tyle trwałe, by nie ulec zbyt szybko destrukcji na skutek chociażby niewielkich zmian otoczenia? Czy materiał zastosowany przy wymianie słabonośnego gruntu był właściwy? Można mieć wątpliwości obserwując to, co często się dzieje z nowymi lub stale remontowanymi drogami.

Istniejące grunty w podłożach nawierzchni drogowych nie zawsze są właściwie oceniane i wykorzystywane dla przyjęcia optymalnej konstrukcji drogi. Rozwiązania konstrukcji nawierzchni drogowych przyjęte w Rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. są właściwe dla podłoży z gruntów niewysadzinowych, niewrażliwych na większe oddziaływanie wody i mrozu. Są to grunty zakwalifikowane do grupy nośności G1, np. rumosze niegliniaste, żwiry, pospółki, piaski, żużle. Grunty te nie wymagają zwykle wzmacniania ani wymiany.

Tu sprawa jest jasna i nie powinna stwarzać problemów tak w zaprojektowaniu konstrukcji drogi, jak i uzyskaniu jej niezmiennie dobrej jakości i długoletniej trwałości.

Natomiast pojawiają się problemy, gdy mamy do czynienia z gruntami, które zalegają bezpośrednio pod konstrukcją drogi, a charakteryzują się utratą nośności w razie nadmiernego nawodnienia, pęcznienia czy destrukcyjnego oddziaływania mrozu. Grunty takie, jak gliny, iły, piaski gliniaste, pospółki i zwietrzeliny gliniaste zaliczane do wysadzinowych lub wątpliwych, a zaszeregowane do grup nośności G2-G4,aby mogły stanowić właściwe podłoże - wymagają doprowadzenia do cech nośności gruntów G1.

Spełnienie podstawowego warunku, tj. niedopuszczenie do nawodnienia warstw w strefie przemarzania jest często tylko teoretyczne. Obniżenie zwierciadła wody w koronie drogi, np. poprzez rowy, dreny jest bezwzględnie konieczne, ale na nic się nie zda, gdy wystąpią skrajnie niekorzystne warunki klimatyczne, roztopy, powodzie. Ileż to razy przekonano się, że nawierzchnie drogowe zbudowane wg klasycznej konstrukcji, czyli: warstwa odcinająca z piasku, kruszywo stabilizowane mechanicznie i warstwy bitumiczne zostały zniszczone podmyciem w wyniku długotrwałych deszczy czy awarii pobliskiego wodociągu. Można więc przypuszczać, że przyjęte rozwiązania były niewłaściwe. Wszak podbudowy wykonane tylko z materiałów sypkich są mało odporne nawet na niewielkie zmiany w podłożu. A co dopiero, gdy podłoże jest zbudowane z gruntów słabonośnych, które niestety występuje dość często, szczególnie w połu­dniowej części naszego kraju.

Aby na takich gruntach zbudować właści­wą konstrukcję drogi, najczęściej przyjmu­je się następujące rozwiązania wzmocnienia istniejącego podłoża:

1. Wymiana gruntu, np. na pospółkę. Jest to wymiana sięgająca często głębokości 50±100 cm i więcej! Pomnóżmy to przez powierzchnię drogi, a otrzymamy ogrom­ne, sięgające często wielu setek tysięcy metrów sześciennych, pracochłonne, kosztowne prace ziemne i transportowa z odległych miejsc.Do tego dochodzi warstwa odcinająca z piasku (znów przywóz tysięcy m³) lub geomata, co dodatkowo podnosi koszty budowy.
2. Wzmocnienie podłoża warstwą kruszywa łamanego zastabilizowanego mechanicz­nie. Dla tej samej zasadniczej konstruk­cji drogowej trzeba przyjąć wymianę gruntu na około 30-50 cm warstwę kru­szywa łamanego oraz warstwę odcinającą z piasku lub geomatę. Wszystko to wiąże się z pracami ziemnymi i przywozem z od­ległych często miejsc niezbędnego ma­teriału.
3. Metody mieszane, tj. połączenie wymia­ny gruntu na pospółkę lub kruszywo ła­mane z wykorzystaniem geosiatek, geowłóknin czy wykonaniem stabilizacji ce­mentem (wapnem, popiołami) górnej warstwy podłoża. Tak wzmocnione pod­łoże pod właściwą konstrukcją drogową to warstwa grubości około 30±70 cm. Co też, jak poprzednia metoda, wymaga znacznych nakładów finansowych na wy­wóz słabego gruntu, przywóz materiałów zamiennych i wykonanie pracochłon­nych i kosztownych prac dla osiągnięcia wymaganej nośności podłoża.

W czasie realiza­cji robót wszyscy uczestnicy procesu inwestycyjnego do­konują starań, aby spełnić wymagania polskich norm, roz­porządzeń, aprobat, atestów, badań i od­biorów. Pozytywne oceny rozwiązań i wyniki badań po­wodują przyjęcie wzmocnień jako właściwych dla za­sadniczej konstruk­cji drogowej.

Jak można za­uważyć, za wyjąt­kiem stabilizacji spoiwami hydrauliczny­mi, najczęściej proponuje się wymianę gruntu na materiały sypkie, czasem od­separowane od niższych warstw elastycz­ną geomatą lub geosiatką.

Tym sposobem niniejszy etap robót dro­gowych uważa się za wykonany właściwie, co pozwala przystąpić do dalszej budowy zasadniczej konstrukcji drogi, ale czy za­wsze tak można sądzić? Czy tak jest rze­czywiście?

WYMIANA GRUNTÓW CZY STABILIZACJA?

Jeśli nie, to takie wzmocnienie będzie po niedługim czasie skutkować destrukcją zasadniczej konstrukcji nawierzchni. O czym możemy się przekonać na naszych drogach.

Po drugie: Jakież znaczenie ma dla sta­nu pozostałych warstw wzmocnionego podłoża, podbudowy czy górnej konstrukcji nawierzchni znana i stosowana od lat klasycz­na stabilizacja gruntu cementem, wapnem czy popiołami wykonana w warstwie 10 czy 15 cm?

Przeprowadzona nawet z dużą staranno­ścią stabilizacja cementem 10-15 cm war­stwy gruntu piaszczystego po odbiorze jest przykrywana np. 30-40 cm warstwą kruszy­wa z zaleceniem stabilizacji mechanicznej.

Już w trakcie tych prac, tj. procesu za­gęszczania pod dynamicznym obciąże­niem walca. np. 10 ton. wykonana wcze­śniej stabilizacja cementem ulega pęknię­ciom, połamaniu i nie stanowi odtąd żad­nej trwałej podstawy. Dodatkowo ewen­tualne naturalne nawodnienie powoduje już całkowitą destrukcję początkowo sca­lonej warstwy i po stabilizacji pozostaje tylko protokół odbioru.

Niestety, projektanci nagminnie stosują takie rozwiązania. Nikt nie sprawdza prze­cież stanu stabilizacji dolnych warstw po ich przykryciu!

Podobnie wygląda sprawa ze stabilizacją gruntu wapnem czy popiołami. Proponowa­ne warstwy 10-15 cm pod wpływem oddzia­ływań natury po pewnym czasie praktycz­nie stają się symboliczne i bez znaczenia. Dlaczego wobec tego są przewidywane w projektach i stosowane w realizacji? Ano dlatego, że od wielu lat nie znano innych materiałów do stabilizacji. Cement i wapno są ogólnodostępne, a mieszanie z gruntem pozornie jest proste i wynika z proponowa­nego w opisach technicznych od lat sprzę­tu, tj. w betoniarkach (!) lub sprzętem rol­niczym (!).

Ponadto są stosowane normy, metody badań laboratoryjnych, które nijak się mają do sposobu realizacji robót i wyni­ków badań w terenie. Wobec tego w kosz­torysach przetargów ujmowane są jako wytyczne archaiczne normatywy wg KNR czy KSNR, które nie uwzględniają obec­nych możliwości techniczno-technolo­gicznych. Wszystko to tworzy zamęt i sprzyja traktowaniu stabilizacji jako czynności trzeciorzędnej, a nie jako pod­stawy dla dalszych warstw konstrukcyj­nych. Nie wspominając o poziomie wy­cen niniejszych robót. A przecież od kil­kunastu już lat do stabilizacji gruntów używany jest specjalistyczny sprzęt (frezarko-mieszarki), umożliwiający zaprogra­mowane mieszanie gruntu i określonych spoiw do głębokości 40±50 cm, przy wy­dajności 2000-3000 m²/dzień.

Jak to możliwe, że w dobie ogromnego po­stępu technicznego we wszystkich branżach budowlanych, właśnie w drogownictwie z upo­rem stosuje się pozorną stabilizację gruntów, która ma stanowić podstawę dla wzmocnio­nego podłoża? Takie rozwiązania ze strony projektantów, przy akceptacji całej palestry za­twierdzających i przyjmujących do realizacji przedstawicieli inwestora przekazuje się wy­konawcom do bezdyskusyjnego wykonania w ramach dyscypliny zamówień publicznych. Równocześnie żąda się od wykonawcy gwa­rancji 5 lat! Czy projektant daje taką gwaran­cję na stabilizację 10 cm warstwy gruntu?

Przykład: ulepszanie podłoża realizowanego obecnie etapu DTS w centrum Katowic, bu­dowa kolejnego odcinka autostrady A-4. ob­wodnica Jędrzejowa droga nr 7. droga ekspresowa S-l Skoczów-Cieszyn i wiele innych bar­dzo poważnych zadań. Wszędzie zaprojektowana jest stabilizacja gruntu podłoża na 10±15 cm! Jednocześnie w specyfikacjach technicznych i projektach znajdują się propozycje mieszania w betoniarkach piasku z cementem dla ulep­szenia podłoża w ilościach często po kilkadzie­siąt tysięcy metrów sześciennych! Czy nikt nie jest władny tego zmienić?

Czyż nie można by nowoczesnym sprzętem wykonać konkretnej stabilizacji i scalić war­stwy istniejącego gruntu o grubości 35±40 cm, a tym samym zmniejszyć ogromnych ilości przywożonych materiałów sypkich wzmacnia­jących podłoże lub podbudowę, osiągnąć celu mniejszym kosztem? Miejmy nadzieję, że kie­dyś rozsądek ekonomiczny zwycięży.

KAŻDE GRUNTY G2, G3, G4 WINNY BYĆ W PIERWSZYM RZĘDZIE PODDANE TRWAŁEJ STABILIZACJI GHEMOMO-FLZYCZNEJ.

Trwałe scalanie słabonośnych. wysadzinowych gruntów podłoża winno być bezwzględnym obowiązkiem w pracach drogo­wych. Tak jak w budynku trwały i wytrzy­mały fundament decyduje najbardziej o sta­teczności i trwałości obiektu, tak w drogo­wnictwie podłoże konstrukcji nawierzchni stanowi o jej niezmiennie dobrej jakości.

Wiele czasu, opracowań i rozważań poświę­ca się, jakże oczywiście istotnym dla ruchu, górnym warstwom nawierzchni, mniej już podbudowom, a niestety najmniej wzmacnianiom podłoży. Nie przez wymianę na inny, często nie lepszy materiał, ale przez trwałe ulepszenie istniejącego gruntu należy dążyć do osiągnięcia cech G1. Dopiero w przypad­ku, gdy niemożliwe jest scalenie i ulepszenie istniejących gruntów, podejmować należy de­cyzję o wymianie. Wymieniony materiał po­winno się przynajmniej częściowo scalać i spajać w monolityczne warstwy stanowiące półsztywne lub podatne przepony. Takie so­lidne przepony o grubości 30-40 cm mogą peł­nić funkcje „kowadła" dla dalszej konstrukcji nawierzchni obciążonej ruchem drogowym.

Jeśli decydujemy się na stabilizację ce­mentem, wapnem lub popiołami aktywny­mi, to niech to będzie warstwa nie mniej­sza niż 25 cm, a dochodząca do 40 cm. W przypadku gruntów wysadzinowych do podstawowych spoiw hydraulicznych winny być dodawane środki uszlachetniające, np. jonowymienne, które nie tylko zwiększają za­gęszczenie i nośność, ale eliminują pęknię­cia skurczowe, podnosząc - dzięki cechom wodo- i mrozoodporności powstałego mate­riału - wieloletnią trwałość spojenia chemicz­nego. Zaleta rak wykonanej stabilizacji jest możliwość korzystania z niej już po 24 go­dzinach, np. przez obciążenie ograniczonym ruchem technologicznym na budowie. Tak­że po tym czasie wykonywanie na niej warstw podbudowy nie stwarza niebezpieczeństwa, że zastabilizowana warstwa popęka pod wpły­wem zagęszczania mechanicznego.

Za granicą od dawna, a w Polsce od paru lat realizowane są zadania w oparciu o konkretną stabilizację gruntów, szczególnie gliniastych. Przy zachowaniu wymogów technologicznych uzyskane wyniki przekraczają często oczeki­wania, gdyż otrzymane nośności znacznie prze­wyższające E₂,>120 MPa są standardem, a trwa­łość wykonanej stabilizacji (na przekór niedo­wiarkom) niezmienna jest od kilku lat, pomi­mo klimatycznych skrajności występujących w okresach zimowych i położenia wykonanych warstw bardzo płytko w strefie przemarzania, w wielu wypadkach także w środowisku wil­gotnym lub czasowo nawodnionym.

Ponieważ zastabilizowana warstw a jest wodo-i mrozoodporna. można myśleć o zmniejszeniu robót ziemnych, a dalej o ewentualnym uszczu­pleniu warstw podbudowy zasadniczej.

Przykłady bardziej znaczących zastoso­wań wzmocnionych podłoży poprzez stabilizację np. warstwy 30±35 cm gliny i wy­konania na niej zmniejszonej podbudowy oraz górnych warstw asfalto-betonowych w Polsce to:

•  place manewrowe magazynów Buderus w Czeladzi (1998 r.);

• droga A4 w rejonie km 104 (1999 r. - fot. 2);

• płyta postojowa samolotów na lotnisku Katowice - Pyrzowice (2000 r. - fot. 3);

• place manewrowe i drogi pod ciężki transport na tere­nie Bazy Paliw w Radzionkowie (2001 r. - fot. 1);

• poszerzenie E-8 w rejonie odcinka Polichno - Wolbórz (2002 r.).

Tak powyższe, jak i wiele innych nawierzchni, pomi­mo oszczędnego rozwiązania jest w bardzo dobrym stanie do dziś.

Jak każde nowości, u wielu budzą one nie­dowierzanie. Zawsze też kilka osób przytacza zaraz przykłady, że „tam się rozleciało". Są to półprawdy. Jak w każdej branży zdarzają się niesolidni wykonawcy upraszczający lub wykazujący tendencje do „oszczędności" nawet w najlepszej technologii. Poddali glinę stabi­lizacji cementem bez dodatku uszlachetnia­jącego lub nie zapewnili odwodnienia warstw podbudowy znajdującej się nad warstwą zastabilizowana, nawierzchnia popękała, a potem opowiadają, że stabilizacja się nie sprawdza. Tym samym blokują postęp, utwierdzając śro­dowisko w starych, sprawdzonych rozwiąza­niach, na których można więcej zarobić kosz­tem inwestora. Jakże trudno przełamać ste­reotypy przyzwyczajeń i zmienić mentalność tych, którzy za niezmienny wieczny kanon uważają następujący schemat: po wykonaniu koryta drogi najpierw musi być piaseczek, po­tem kamienie, a na górze asfalt. A nasze drogi muszą charakteryzować się koleinami, wybo­jami, dziurami i wiecznymi kosztownymi pseudonaprawami.

Miejmy nadzieję, że podejmujący nadal takie rozwiązania budowy dróg wreszcie odejdą od decydowania, a pojawiające się „jaskółki" myślenia w kategoriach postępu oraz innego podejścia do budowy dróg będą zdobywały coraz szersze uznanie.

Fot.3.  Port lotniczy Katowice – stabilizacja podłoża gliniastego dla placu postojowego samolotów (2000 r.)

NAJWYŻSZA PORA, ABY WYMIANA GRUNTU NIE BYŁA NAJCZEŚCIEJ SPOTYKANYM ROZWIĄZANIEM WZMOCNIENIA PODŁOŻA.

Obowiązkiem i ambicją projektantów win­no być najpierw ujarzmienie na miejscu istnie­jących słabonośnych gruntów podłoża (a nie prosta ich wymiana), podniesienie na trwałe jego nośności przez związanie chemiczno-fizyczne, uodpornienie na wpływ wody i mrozu, stworzenie podatnej, monolitycznej, skutecz­nej przepony pomiędzy słabonośnym podło­żem a właściwą konstrukcją nawierzchni dla lep­szego rozkładu obciążeń ruchem drogowym.

Jest to zadanie może trudne, w każdym przypadku indywidualne, ale na tym po­lega projektowanie, a nie na przepisywa­niu stereotypowych rozwiązań. Z pomocą naukowców poszukujących przydatnych rozwiązań technologicznych z pewnością osiągnie się sukces. Natomiast inwesto­rzy już przekonują się, że można bardziej ekonomicznym sposobem też osiągnąć cel dobrej jakościowo drogi przez wiele lat. Nie trzeba nikomu chyba tłumaczyć po­równania kosztów pomiędzy wymianą gruntu a jego stabilizacją dla podniesienia nośności pod­łoża. Jeśli ponadto solidna stabilizacja zapewnia trwałe oparcie dla właściwej nawierzchni i umoż­liwia zmniejszenie innych warstw kon­strukcji, to czegóż jeszcze oczekiwać?

Czy warto po­równywać koszt pseudostabilizacji na 10±15 cm z przy­noszącym trwale znaczący efekt sca­laniem gruntu na 35±40 cm? Chyba w kontekście wieloletniego użytkowania dobrej drogi warto na takie rozwiązania się decydować?

Wobec powyższego pilne staje się opra­cowanie wytycznych stosowania nowocze­snych technologii stabilizacji gruntów (także wysadzinowych) z użyciem specja­listycznego sprzętu. W przeznaczonych do realizacji lub projektowanych zadaniach drogowych należy bezwzględnie stosować wzmocnienie podłoża poprzez stabilizację spoiwami 30±40 cm warstwę istniejącego gruntu. Zmierzać do trwałego scalania dolnych warstw podbudowy pomocniczej, jeśli zdecydowano się na wymianę grun­tu podłoża. Traktować wzmacnianie pod­łoża nie mniej odpowiedzialnie, niż wi­doczne na co dzień górne warstwy na­wierzchni drogowej. Wszak nawierzchnię górną można poprawić, a wzmocnienie podłoża, które wpływa na całą konstrukcję drogi?

Miejmy nadzieję, że instytuty nauko­we, pracownicy laboratoriów drogowych, naukowcy i studenci politechnik, pracow­nicy zarządów dróg i ambitni projektanci i wykonawcy będą poszukiwali rozwiązań na „TAK" dla trwałego scalania gruntów słabonośnych. wysadzinowych czy mate­riałów; których użyto do wymiany w pod­łożu drogowym.

Wdrażanie nowych, bardziej uzasad­nionych ekonomicznie rozwiązań przy­czyni się do stworzenia trwałych funda­mentów dla nowych dróg i solidnej pod­stawy w przypadku rekonstrukcji lub re­montu starych nawierzchni. Jeśli poru­szony w tym artykule przykład wzmac­niania podłoża znajdzie poparcie i zro­zumienie, to doczekamy się trwalszych, dobrych dróg nie tylko na rok, a ograni­czone środki finansowe przeznaczone na ich budowę (remonty) nie będą musiały być aż tak ogromne.