Czym jest stabilizacja mechaniczna gruntu?
Stabilizacja mechaniczna gruntu to jeden ze sposobów wzmocnienia podłoża. Inaczej mówiąc, jest to zespół czynności prowadzących do uzyskania odpowiedniego zagęszczenia materiału gruntowego, zapewniającego trwały wzrost wytrzymałości mechanicznej gruntu. Metoda ta sprowadza się w pewnym uproszczeniu do zaprojektowania odpowiedniego składu granulometrycznego mieszanki gruntowej, czyli mieszaniny gruntu rodzimego oraz materiału doziarniającego, a następnie ich zmieszaniu, odpowiednim wyprofilowaniu i zagęszczeniu.
Projektowanie stabilizacji mechanicznej - mieszanka optymalna
Projektowanie stabilizacji mechanicznej sprowadza się w ogólnym ujęciu do opracowania tak zwanej mieszanki optymalnej, czyli mieszaniny dwu (lub nawet trzech) różniących się od siebie gruntów w taki sposób, aby spełniała ona określone warunki co do ich łącznego składu granulometrycznego.
W bardzo obrazowy sposób projektowanie mieszanki optymalnej porównuje do projektowania składu masy nawierzchni bitumicznej Z. Wiłun w Zarysie geotechniki: "Dobór optymalnych mieszanek gruntowych jest w zasadzie podobny do nastawiania masy dla nawierzchni bitumicznych. W jednym i drugim przypadku chodzi o taki dobór uziarnienia kruszywa, aby uzyskać minimum porów, i o zastosowanie odpowiedniego lepiszcza. Ziarenka żwirowe i piaskowe w nawierzchni gruntowej spełniają taką samą rolę, jak grysy w nawierzchni bitumicznej, frakcja pyłowa jest wypełniaczem, a frakcja iłowa jest podobnym lepiszczem, jak w nawierzchniach bitumicznych asfalt lub smoła".
W zależności od rodzaju gruntu rodzimego, doziarnienie powinno więc zapewnić uzupełnienie brakujących frakcji. Przeważnie sprowadza się to do zastosowania jednego lub dwóch z następujących materiałów: żwiru (kruszywa bądź pospółki), piasku i gliny.
Badania gruntu przeznaczonego do stabilizacji mechanicznej
Podstawowe: krzywa uziarnienia, wilgotność optymalna
Każda planowana stabilizacja gruntu, niezależnie od rodzaju, powinna rozpocząć się od rozpoznania i zbadania gruntu rodzimego. W przypadku stabilizacji mechanicznej, najbardziej istotne jest wykonanie badania krzywej uziarnienia. Po zaprojektowaniu mieszanki optymalnej, czyli dobraniu odpowiedniego doziarnienia, należy określić wilgotność optymalną mieszanki. Jest to wilgotność, przy której uzyskuje się najwyższe możliwe dla danego materiału zagęszczenie. Wilgotność optymalną i maksymalną gęstość objętościową wyznacza się przy wykorzystaniu metody Proctora. Podczas wykonywania prac terenowych, materiał powinien być zagęszczany w wilgotności możliwie najbardziej zbliżonej do wilgotności optymalnej.
Dodatkowe: granice plastyczności
Przy zastosowaniu stabilizacji mechanicznej dla wykonania nawierzchni gruntowej, dodatkowym kryterium zalecanym do oceny mieszanki pod kątem przydatności do zastosowania w omawianej technologii, są granice konsystencji. Należą do nich takie wskaźniki jak granica plastyczności oraz granica płynności, a także wynikający z wyżej wymienionych wskaźnik plastyczności. Zalecane wartości granicy płynności mieszanki to 14-25%, natomiast wartość wskaźnika plastyczności powininna zawierać się w przedziale 4-9%.
Odpowiednie wartości granic plastyczności mieszanki powinny świadczyć o trwałości warstwy w różnych warunkach atmosferycznych. Według tych kryteriów, dobrze zaprojektowana i wbudowana mieszanka powinna zapewnić zachowanie właściwej spoistości podczas suszy, jednocześnie w czasie deszczu substancja gliniasta powinna nasiąkać wodą tylko na tyle, żeby zapełnić pory między grubą frakcją, nie powodując przy tym rozluźnienia struktury. Przekroczenie przez mieszankę granic konsystencji może powodować między innymi zbyt wysoką nasiąkliwość wody, co może skutkować rozluźnieniem struktury, zwiększeniem jej porowatości, stopniową degradacją i w konsekwencji zniszczeniem takiej nawierzchni.
Stabilizacja mechaniczna a stabilizacja chemiczna
Stabilizację gruntu stosuje się do wykonania nawierzchni gruntowej, ale może również służyć jako warstwa konstrukcyjna w bardziej rozbudowanej konstrukcji nawierzchni. Niezależnie od jej umiejscowienia, stabilizacja mechaniczna gruntu (rozumiana jako stabilizacja gruntu bez dodatków) stosowana jest w dzisiejszych czasach bardzo rzadko. Znacznie bardziej popularne są rodzaje stabilizacji zaliczane do grupy stabilizacji chemicznej, spośród których najczęściej stosowana jest stabilizacja spoiwami hydraulicznymi. W niewielkim stopniu zwiększają one koszty wykonania, jednocześnie w sposób znaczny zwiększają trwałość wykonanej warstwy.
Zastosowanie idei mieszanki optymalnej przy stabilizacji chemicznej
Idea mieszanki optymalnej, czyli projektowania składu granulometrycznego gruntu o ciągłym uziarnieniu, jest wykorzystywana również przy innych rodzajach stabilizacji niż mechaniczna. Doziarnianie materiału gruntowego może wydawać się problematyczne, jest natomiast w określonych warunkach uzasadnione ekonomicznie i technicznie. Pozwala niejednokrotnie na wykorzystanie materiału zbędnego na jednej budowie, czy wręcz odpadu z kopalni, na pozytywne wykorzystanie go na innej budowie. Poza uzyskaniem mieszanki gruntowej przeznaczonej do stabilizacji o lepszych właściwościach niż grunt rodzimy, pozwala to na uzyskanie dodatkowej korzyści w postaci ograniczenia ilości wytwarzanych odpadów. Każdy przypadek należy rozpatrywać indywidualnie, natomiast stosowanie doziarnienia zamiast na przykład wymiany gruntu przyczynia się również do ograniczenia transportu (powodującego dodatkowo degradację dróg lokalnych w procesie budowy drogi) i składowania materiałów. Są to kwestie wysoce istotne z bardzo ważnych w dzisiejszych czasach względów środowiskowych oraz ekonomicznych.
O krok dalej w tej kwestii idzie jeden z innowacyjnych (choć coraz powszechniej stosowanych) rodzajów stabilizacji chemicznej gruntu - stabilizacja hydrofobowa. Odpowiednie zastosowanie technologii stabilizacji hydrofobowej umożliwia dodatkowo optymalizację konstrukcji nawierzchni, czyli zastąpienie przez warstwę gruntu stabilizowanego dodatkiem hydrofobowym warstw z kruszyw, bądź redukcję ich grubości przy jednoczesnym zachowaniu trwałości nawierzchni. Korzyścią zastosowania tej metody może być więc ograniczenie zużycia nieodnawialnych zasobów naturalnych (skalnych). Przy tym rodzaju stabilizacji również pośrednio wykorzystywana jest zasada mieszanki optymalnej, ponieważ materiał przeznaczony do stabilizacji w tej technologii powinien zawierać w swym składzie granulometrycznym odpowiednią ilość frakcji pylasto-ilastej, co niekiedy sprowadza się właśnie do zastosowania doziarnienia gruntami spoistymi, na przykład gliną.
