Norbert Kurek – Remea Sp. z o.o., Jakub Saloni, Szymon Światek – Menard Sp. z o.o.

Podczas realizacji inwestycji budowlanych napotyka się grunty problematyczne. Do takich należą w szczególności grunty słabe o niskich parametrach fizycznych takie jak torfy i namuły, często zlokalizowane na terenie o charakterze jeziornym, bagiennym, rzecznym lub zastoiskowym.

Kolejną grupą są  grunty o charakterze antropogenicznym tzw. nasypy nie budowalne, czy też grunty zawierające ładunek chemiczny nie spełniające wymagań dopuszczalnych poziomów związków chemicznych określonych przez rozporządzenie w sprawie sposobu prowadzenia oceny zanieczyszczenia powierzchni ziemi.  W tej sytuacji inwestorzy projektanci i generalni wykonawcy często decydują się na zastosowanie tradycyjnego rozwiązania wymiany gruntu, traktując je jako działanie najprostsze i najbardziej oczywiste. W rzeczywistości rozwiązanie tradycyjne, jakim jest wymiana gruntu, wiąże się z wieloma wadami i problemami, które nie zawsze są dokładnie analizowane na etapie wyboru rozwiązania. Poniższy artykuł podsumowuje zagadnienie w celu uświadomienia projektantom i inwestorom możliwych komplikacji związanych z wymianą gruntu.

Dlaczego metoda wymiany gruntu jest nadal bardzo popularna na budowach krajowych?

Pierwszym argumentem jest przyzwyczajenie związane ze stosowaniem tych samych technologii przez lata. Wymiana gruntów daje często fałszywe poczucie pozbycia się wraz ze słabym gruntem całego problemu i uzyskania „nowego – pewnego” podłoża. Metoda wydaje się prosta formalnie – wiele osób ją realizujących żyje w przekonaniu, że do jej realizacji niepotrzebne są żadne pozwolenia.

Istotnym powodem jest też błędna opinia inżynierów, że do wykonania wymiany gruntu wystarczy doświadczona ekipa budowlana, a opracowania projektowe są zbędne. Bardzo często wymiana gruntów przeprowadzana jest w warunkach wysokiego występowania wody gruntowej. To powoduje, że roboty ziemne muszą być prowadzone w odpowiednim reżimie technologicznym, a wymieniony grunt może wymagać  dodatkowego zagęszczenia „pod wodą”. Decyzja o obniżeniu zwierciadła wody gruntowej generuje koszty w postaci np. ścianek szczelnych i/lub odwodnienia. Natomiast wykonanie wymiany „pod wodą” wiąże się z koniecznością zastosowania odpowiednich technologii zagęszczania gruntu np. wibroflotacji lub zagęszczania dynamicznego.

Równie ważnym czynnikiem jest to, że Wykonawcy projektów budowlanych często osobiście zlecają badania gruntu. Starając się zoptymalizować swoje koszty obniżają jakość badań gruntu co w konsekwencji pozwala na wstawienie do projektu budowlanego tylko najprostszego rozwiązania czyli wymiany gruntu. Zaawansowane rozwiązania i rzeczywiste określenie charakterystyki gruntów potencjalnie słabonośnych wymagają przede wszystkim dobrej znajomości parametrów mechanicznych i odkształceniowych tych gruntów, te zaś są stosunkowo trudne i drogie do zbadania. Pozornie najłatwiejszym rozwiązaniem  wydaje  się decyzja, że tego właśnie gruntu należy się pozbyć fizycznie z budowy.

Problem ekologiczny

Projektowanie wymiany gruntu zamiast nowoczesnych metod ulepszenia podłoża na miejscu, takich jak konsolidacja gruntów, stabilizacja gruntu, kolumny wzmacniające lub oczyszczanie ich na miejscu (remediacja) stanowi olbrzymi koszt dla środowiska naturalnego.

Grunt zastosowany do wymiany  pochodzi w większości wypadków z kopalń kruszywa. Jest on  naturalnym zasobem naszego kraju, który w ostatnich latach, przy zintensyfikowanej ilości inwestycji publicznych w sektorze budownictwa, uległ znacznemu zmniejszeniu. Intensywna gospodarka wydobywania zasobów naturalnych powoduje znaczną ingerencję w środowisko naturalne na danym terenie, a dodatkowo powoduje powstanie ogromnych wyrobisk, które w ramach tzw. rekultywacji pozostają

w niezmienionym kształcie. To powoduje, że bardzo często wydobyty słaby grunt lub grunt zanieczyszczony przewożony jest na teren innych dawnych wyrobisk tj. kopalni piasku i kruszywa, gdzie jest po prostu składowany w niezorganizowany, niekontrolowany i nielegalny sposób. Należy pamiętać, że w długoletniej perspektywie obszary te staną się terenami inwestycyjnymi. Działki te podlegać będą konieczności ulepszenia, a być może oczyszczenia słabego podłoża gruntowego, które będą  stanowiły grunty antropogeniczne (nasypy niebudowlane).

Wymiana gruntu oznacza zatem nie rozwiązanie problemu tylko przeniesienie go, znacznym kosztem w inne miejsce i pozostawienie innym inwestorom lub innym pokoleniom. Dodatkowo prace związane z wydobyciem i transportem gruntu wiążą się ze znacznym zużyciem paliwa, co przyczynia się w konsekwencji do podnoszenia wskaźników emisji dwutlenku węgla CO2 a w dobie pro środowiskowych działań stoi to w sprzeczności z polityką naszego Państwa, Unii Europejskiej jak również samych przedsiębiorców, których misja i działania społecznej odpowiedzialności biznesu (CSR) bardzo często do tych polityk nawiązują. Kosztem wymiernym, ale trudno policzalnym, są dodatkowe zniszczenia dróg po których poruszają się samochody transportowe. Nadmierne stosowanie wymiany gruntu stanowi nieekologiczny element praktyki inżynierskiej, który należy eliminować tam, gdzie tylko jest to możliwe.

Problemy formalne

Problem ten pojawia się również podczas realizacji robót budowlanych. Każdy wykopany grunt opuszczający teren budowy oraz zanieczyszczony grunt pozostający na terenie inwestycji  zgodnie z literą prawa jest odpadem. To determinuje konieczność stosowania wymogów odpowiednich ustaw i rozporządzeń, które nakładają na wytwórcę czy posiadacza takich odpadów szereg obowiązków.

Na podmiotach odpowiedzialnych za etapy inwestycji, w trakcie realizacji których powstają odpady tj. przede wszystkim na inwestorach oraz wykonawcach robót budowlanych, ciąży obowiązek zaplanowania takich działań i właściwe przeprowadzanie prac, aby były one zgodne z wymogami ustawy o odpadach. Podmiot taki powinien w pierwszej kolejności zapobiegać powstaniu odpadów lub ograniczyć ich powstawanie. Konsekwencją tego jest obowiązek przygotowania projektu w taki sposób,  aby minimalizować ilość mas ziemnych które stanowią odpad.

Jeżeli działanie takie jest niemożliwe i grunty muszą zostać wykopane i wywiezione poza teren inwestycji należy wtedy przewidzieć ich odpowiednie zagospodarowanie. Sam proces rozmieszczenia nawiezionych mas ziemnych na terenie, gdzie nie zostały wytworzone, traktowany jest jako przetwarzanie opadów. Dla tego procesu ważne jest uzyskanie odpowiedniego pozwolenia na przetwarzanie odpadów przez władającego terenem działki, na który przywożony jest grunt oraz udokumentowanie w jakiej ilości i jakości transportowany jest on na jego nieruchomość.

Problem ten komplikuje się dodatkowo w przypadku chęci wbudowania gruntów, które posiadają ładunek zanieczyszczeń. Komplikacja ta wynika z konieczności uzyskania dodatkowych pozwoleń na przetwarzanie takiego odpadu w instalacji lub poza instalacją w przypadku wyłącznie gruntów zawierających substancje ropopochodne.

Dodatkowo duży problem wytwórcy przysparza klasyfikacja odpadu. W przypadku potencjalnej możliwości wystąpienia zanieczyszczeń w gruncie należy go przebadać laboratoryjne z uwagi na obecność związków chemicznych, które oddziaływają na człowieka i środowisko. Należy zwrócić uwagę, że bardzo często wytwórcy klasyfikując odpad korzystają z rozporządzenia w sprawie sposobu prowadzenia oceny zanieczyszczenia powierzchni ziemi, w którym określono limity co do poszczególnych związków chemicznych.

Pamiętać należy o tym, że lista ta nie jest zamknięta i w przypadku wykrycia związków chemicznych, których nie ujęto w rozporządzeniu należy przeprowadzić odpowiednia analizę ryzyka, dzięki której będzie możliwe określenie  zagrożenia dla ludzi i środowiska. W przypadku, gdy już wytworzono odpad, wykorzystanie w/w rozporządzenia jest błędem, ponieważ odnosi się ono do powierzchni ziemi i jest aktem wykonawczym Ustawy o Ochronie Środowiska, a nie rozporządzaniem do Ustawy o Odpadach. W celu przeprowadzenia odpowiedniej klasyfikacji odpadu należy wykorzystać  rozporządzenie komisji Unii Europejskiej nr 1357/2014 z grudnia 2014r.

Sama klasyfikacja odpadu nie determinuje możliwości przetworzenia i wbudowania tego odpadu na danej działce, ponieważ żeby wykorzystać dany odpad należy wcześniej uzyskać odpowiednie pozwolenie na przetwarzanie. Nie każdy grunt, który został wydobyty i posiada ładunek zanieczyszczeń przekraczający wartości z rozporządzenia w sprawie sposobu prowadzenia oceny zanieczyszczenia powierzchni ziemi dla danej grupy, jest automatycznie klasyfikowany jako odpady niebezpieczne 17 05 03*.

Odpad w zależności od stopnia zanieczyszczenia może zostać wbudowany w tereny o innym przeznaczeniu (inna grupa gruntów) po uprzednim uzyskaniu pozwolenia na przetwarzanie. Najwyższa tolerancja zanieczyszczeń przewidziana jest dla terenów o przeznaczeniu przemysłowym (grupa IV). Powyżej wartości dopuszczalnych dla tej grupy, grunty muszą zostać oczyszczone co wiąże się z koniecznością zdobycia bardziej skomplikowanych zezwoleń obejmujących konieczność przeprowadzenia zabiegu oczyszczania w instalacjach. Silnie zanieczyszczone grunty kwalifikowane są jako odpady niebezpieczne o kodzie 17 05 03*, czyli gleba i ziemia w tym kamienie, zawierające substancje niebezpieczne.  W takim wypadku procedury związane z pozwoleniami mogą być bardzo skomplikowane i w praktyce posiada je stosunkowo niewiele terenów, na których zorganizowano centrum przetwarzania odpadów.

Problemy jakościowe

Wymiana gruntu może być kwalifikowana jako prosta metoda jedynie w przypadku płytkich wymian i bardzo prostych warunków geologicznych, w szczególności gdy dno wymiany znajduje się powyżej poziomu wody gruntowej, a kolejną warstwę gruntu stanowią grunty niespoiste lub spoiste w stanie zwartym. Zasadniczo istnieją trzy podstawowe metody wymiany gruntu: wyparcie, bagrowanie lub wymiana z odwodnieniem i zabezpieczeń ścian wykopu.

Wyparcie gruntu słabego stosowane bywa jedynie w przypadku, gdy mamy do czynienia z warstwą gruntu organicznego o bardzo małej wytrzymałości i wilgotności rzędu kilkuset procent. Jednak nawet w takim przypadku istnieje bardzo mała szansa wyparcia słabego gruntu do końca. W praktyce po wykonaniu wyparcia należy wykonać  badania osiągniętego stanu wyparcia i ilości pozostałego gruntu organicznego a tym samym przewidzieć kolejne kroki: przeciążenie, dren pionowy, kolumny żwirowe, wibroflotacja lub inne.

Bagrowanie z uwagi na teoretycznie niski koszt stosowane jest dość często spotykane. Polega na wybieraniu gruntu koparkami pod wodą. Podstawowym problem jest brak szczegółowej kontroli głębokości wybranego gruntu. Nie ma praktycznie żadnej możliwości oceny układu warstw gruntowych stąd szansa dokonania wymiany zbyt płytko lub zbyt głęboko jest bardzo duża. Szczególnych problemów przysparza określenie granicy wydobycia gruntu słabego podścielonego gruntem spoistym w stanie półzwartym i miękkoplastycznym, ale zakwalifikowanym do pozostawienia.

Grunt tego rodzaju po wydobyciu z wody bardzo ciężko odróżnić od gruntu organicznego. Praktyka pokazuje, że decyzje w zakresie głębokości wymiany pozostawia się wyczuciu operatorów, co skutkuje najczęściej przegłębieniem.  Umieszczenie gruntu nowego w wykopie dokonuje się poprzez wpychanie go do wody i jego swobodne „topienie” w wodzie – stad często wymienione masy pozostają często zupełnie niezagęszczone.

Tak jak w przypadku technologii wyparcia, po wykonaniu bagrowania należy wykonać szczegółowe badania efektywności takie jak sondowanie CPTU lub DMT ewentualnie DPH i wiercenia  w celu  określenia skuteczności wzmocnienia i ustalenia dalszych kroków postepowania. W większości przypadków lokalnie konieczne są dodatkowe zabiegi zapewniające wzmocnienie gruntu.

Największy problem stanowią głębokie wymiany, w których efektywność jest bardzo ograniczona i często wymaga wykonania dodatkowych prac jak np. kolumny żwirowe. W przypadku bagrowania dodatkowy problem stanowi ryzyko utraty stateczności dna i ścian wykopu. W praktyce często dochodzi do przemieszczeń gruntu w  kierunku do wykopu. Powoduje to zniszczenia powierzchni terenów znajdujących się wokół wykopu. Dochodzi do osiadań i wyparć wraz z konstrukcjami znajdującymi się wokół.

W większości przypadków są to konstrukcje łatwe do naprawy takie jak chodniki znaki drogowe czy drzewa i roślinność. Należy jednak zdawać sobie sprawy, że grunt w takiej sytuacji cechują parametry wytrzymałości rezydualnej po „ścięciu” co w praktyce  w przypadku budowy obiektów na danym terenie ( np. rozszerzania pasów ruchu) będzie wymagać konieczności bardziej solidnego i tym samym kosztownego działania nad wzmocnieniem gruntu.

Najbardziej poprawną metoda jest odwodnienie i zabezpieczenie stateczności ścian wykopu np. za pomocą ścianek szczelnych, wybranie gruntu słabego, określenie bieżące poziomu wymiany za pomocą badań jakościowych dna wykopu i ułożenie oraz zagęszczanie mas ziemnych warstwami. Takie rozwiązania znacząco podwyższa pewność wykonania wymiany gruntu  i pozwala na prowadzenie robót bezpiecznie poprawnie jakościowo.

Istotną kwestią jest dokonywanie wymiany gruntu na terenie poprzemysłowym lub zanieczyszczonym wtórnie np. w wyniku przepływu zanieczyszczonych wód gruntowych i opadowych. Grunt niewydobyty należy zakwalifikować pod względem zanieczyszczenia. Wymaga to co najmniej stosowania badań laboratoryjnych zgodnie z wytycznymi rozporządzenia w sprawie sposobu prowadzenia oceny zanieczyszczenia powierzchni ziemi. Jednak przeprowadzenie badań nie zwalnia inwestora i wykonawcy z odpowiedzialności związanej z wykonaniem remediacji (oczyszczania) w przypadku niewydobywania tych gruntów lub z zagospodarowaniem  odpadów po wydobyciu ich z miejsca zalegania.

W celu minimalizacji ilości odpadu zawierającego ładunek chemiczny zaleca się zwiększenie częstości badań i zastosowania badań w terenie za pomocą przenośnych urządzeń takich jak np. PID po uprzednim skorelowaniu ich z badaniami laboratoryjnymi. Zaleca się, aby badaniom poddawać grunt znajdujący się na każdej wywożonej ciężarówce co umożliwia odpowiednie udokumentowanie jakości każdej partii odpadu i nadanie odpowiedniego kodu odpadu.

Poważny problem jakościowy wynika z częstego braku zaprojektowania wymiany gruntu w sposób poprawny lub zaprojektowania w ogóle braku projektu wymiany. Często wynika to z faktu iż wykonawcy robót ziemnych nie posiadają żadnych zasobów projektowych i polegają na własnym „wyczuciu”, zaś projektanci zewnętrzni często niezatrudnianą w swoich zespołach wyspecjalizowanych geotechników. W rzeczywistości wymiana gruntu wymaga dobrej znajomości oceny badań gruntowych, projektowania odwodnień, stateczności dna  i ścian wykopu oraz projektowania konstrukcji oporowych. Najczęściej wiedzy takiej nie posiadają projektanci drogowi, mostowi czy konstruktorzy po ogólnych kursach inżynieryjnych.

Koszt

Jak wspomniano wyżej wymiana gruntu powinna być zaprojektowana w sposób precyzyjny w celu określenia jej kosztów w sposób możliwie dokładny. Pierwszym korkiem jest zatem wykonanie odpowiedniego badania gleby.

Precyzyjne określenie kubatury wymienianego gruntu jest konieczne do poprawnej wyceny. Najbardziej oczywistym czynnikiem cenotwórczym jest koszt gruntu wbudowywanego, co  zależy od specyfikacji gruntu określonej przez projektanta, dostępności i kosztów transportu. Generalnie mniej zwraca się uwagę ile kosztuje utylizacja odpadu niepotrzebnego (tj. gruntu),  który musi być zagospodarowany zgodnie z wymogami ustawy o odpadach oraz jej aktami wykonawczymi. Dodatkowo problemy związane z klasyfikacją odpadów, procedury uzyskiwania pozwoleń na przetwarzanie

jak również zagospodarowanie odpadów wiążą się z kosztami jak również czasem, który musi być brany pod uwagę na bardzo wczesnym etapie realizacji inwestycji.

Kosztem, którego nie można pominąć, są badania odbiorcze wymiany gruntu. Szczególnie kosztochłonne są badania po wykonaniu wyparcia lub bagrowania. W przypadku ich niewykonania można liczyć się ze nieprzewidzianymi przemieszczeniami budowanej konstrukcji co w efekcie będzie skutkowało ryzykiem napraw w okresie gwarancji użytkowanej konstrukcji.

W zależności od wyniku badań,  po wykonaniu wymiany  podejmuje się, jak wspomniano wyżej, decyzje o ewentualnych kolejnych etapach wzmocnienia co powoduje, że koszty dodatkowe związane z wymianą pojawiają dopiero po jej wykonaniu, jak również wpływa na czas zakończenia procesu związanego z przygotowaniem podłoża do kolejnych etapów wznoszenia obiektu.

W przypadku wymiany gruntu poniżej poziomu wody gruntowej jedyne rozwiązanie, które w sposób konkretny predefiniuje  koszty, to wymiana przy pełnym odwodnieniu i zabezpieczeniu ścian wykopu np. ściankami szczelnymi. W praktyce nie oznacza to, że jest to rozwiązanie najdroższe, gdyż niepoprawnie wykonana wymiana metodami bardziej prymitywnymi może wiązać się z kosztami dodatkowymi przewyższającymi w sumie koszt wymiany z odwodnieniem i zabezpieczeniem ścian wykopu..

Warto wspomnieć, że bardzo często do popularyzacji wymiany słabonośnego podłoża gruntowego przyczyniają się wykonawcy specjalistycznych robót geotechnicznych, którzy starają się uatrakcyjnić swoją ofertę zmniejszając jej zakres wzmocnień wgłębnych  i rekomendując na wielu zakresach  zastosowanie „najtańszej wymiany gruntu”. Oczywiście przeważnie firmy te same nie chcą wykonać tego zakresu robót, ponieważ nie chcą brać ryzyka związanego z wykonaniem wymiany oraz odpowiedzialności związanej z odpowiednim gospodarowaniem odpadami. To powoduje, że Wykonawca często nie będąc świadomy problemów związanych z wymianą gruntu niedoszacowuje kosztów i czasu, które okazują się dużo wyższe od wycenianych. Z tego powodu zalecane jest przeprowadzenie bardzo starannej analizy ofert w sposób kompleksowy w czym ten artykuł może być pomocny.

Bezpieczeństwo

Najważniejszym zagadnieniem związanym z wykonaniem wymiany gruntu jest niebezpieczeństwo utraty stateczności ścian lub dna wykopu. Brak dobrych projektów zwiększa niebezpieczeństwo w sposób znaczny. Projektanci często nie zawsze rozumieją jak dużym zagrożeniem jest utrata stateczności dna i ścian wykopu. W praktyce dochodzi do nagłych i niekontrolowanych przemieszczeń mas ziemnych w kierunku do wykopu. Stanowi to duże zagrożenia dla maszyn i ludzi pracujących wokół nad wykopem lub w wykopie. Od wykonawców wymian gruntu należy zatem wymagać precyzyjnych dokumentów związanych z bezpieczeństwem prowadzenia robót,  a od projektantów kompletnych i wiarygodnych obliczeń stateczności z uwzględnieniem pracy ludzi i maszyn.

W przypadku wykonywania wymian gruntu, które są zanieczyszczone należy pamiętać dodatkowo o zabezpieczeniu ludzi w środki ochrony indywidualnej, które są odpowiednie do danego rodzaju zanieczyszczeń. Niestety istnieją na rynku złe przykłady, gdzie w trakcie prowadzenia wykopów nastąpiło poparzenie chemiczne osób zaangażowanych w realizację tych robót.

Jak nie wymiana gruntu to co?

Na rynku krajowym  mamy szereg technologii i ich modyfikacji, które pozwalają uniknąć wymiany słabonośnego gruntu praktycznie dla posadowienia każdej konstrukcji budowalnej.

Wzmocnienie podłoża poprzez stabilizujące kolumny betonowe CMC, kolumny DR, kolumny żwirowe, jak również konsolidacja gruntu za pomocą drenów prefabryowanych, stabilizacji, podłoża, gruntu w technologii DSM, solidyfikacja to metody doskonale znane i od lat stosowne. Ich mnogość  i wynikająca  z niej uniwersalność powodują, że w każdych warunkach gruntowych jest możliwe posadowienie na wzmocnionym podłożu, a co za tym idzie możliwość rezygnacji z wymiany gruntu. W ocenie autorów wymiana gruntów w zależności od regiony reograficznego i warunkować lokalnych  może być ekonomicznie korzystniejsza tylko w przypadku niewielkich głębokości (do 2m)  i braku konieczności odwadniania.

W przypadku remediacji konieczne jest zastosowanie w pierwszym rzędzie usunięcia ładunku chemicznego zanieczyszczającego gruntu, nie zaś samego gruntu. Metody wykonywane na miejscu zalegania zanieczyszczenia (in situ) lub na terenie budowy (on-site) zaprojektowane w sposób odpowiedni pozwalają na unikniecie nieekologicznej i często kosztownej wymiany gruntu.

Podsumowanie

W przypadku natrafienia na grunty słabe zaleca się przeprowadzenie szczegółowych badań geologicznych i geotechnicznych. Gdy mamy do czynienia z potencjalną możliwością wystąpienia zanieczyszczeń w gruncie to dodatkowo należy wymagać badań chemicznych próbek gruntu w akredytowanych laboratoriach.

Decyzja o przeprowadzeniu wymiany gruntu powinna być podjęta w sposób świadomy po uwzględnieniu wskazanych w artykule czynników. W każdym z takich przypadków wymagać należy projektów wymiany gruntu przy czym w sytuacji konieczności prowadzenia prac poniżej poziomu wody gruntowej projekty muszą być wykonane przez doświadczonego geotechnika i zakładać metodę projektowania aktywnego, uwzgledniającą badania na etapie po wymianie gruntu i ewentualne działania dodatkowe umożliwiające bezpieczne posadowienie projektowanej konstrukcji.

Należy pamiętać, że każdy grunt opuszczający teren budowy jest odpadem, a w przypadku gruntów zanieczyszczonych staje się odpadem już po jego wydobyciu (wykopaniu). Ustawa o odpadach nakłada na wytwórcę cały  szereg obowiązków, które związane są z gospodarowaniem odpadami. Jednym z takich wymogów jest chociażby rejestracja w Bazie Danych Odpadowych (BDO).