Geopásy v prefabrikovanom vystuženom múre

Systémy vystužovania zemín geosyntetickou výstužou sa pomerne často používajú pri konštrukciách oporných múrov, svahov a násypov. Geosyntetické výstužové prvky zvyšujú stabilitu konštrukcie a pri správnom návrhu obmedzujú jej deformáciu. Prvé vystužené konštrukcie na báze geosyntetiky boli postavené začiatkom 70. rokov 20. storočia. V priebehu nasledujúcich rokov sa na trhu objavili polymérové výstuže, ktoré v súčasnosti tvoria väčšinu výstužných geosyntetických materiálov. Polymérové materiály si vyžadujú podrobný výskum na stanovenie vhodných dlhodobých charakteristík. Tento príspevok opisuje systém vystužovania zemín geopásmi ParaWeb.

Skúšobná konštrukcia v mierke 1 : 1
Prvá polyesterová výstuž sa na vystužovanie použila v roku 1970. Tento materiál bol a vzhľadom na svoju vysokú pevnosť v ťahu aj je ideálny na použitie vo vystužovaní zemných konštrukcií. Jedným z faktorov, ktorý v tom čase nebol známy, boli charakteristiky dlhodobých pevností v ťahu. Keďže väčšina konštrukcií sa navrhovala na životnosť 100 rokov, uvažovali sa prísne redukčné faktory zohľadňujúce rôzne frakcie zeminy, chemizmus okolitého prostredia a takisto creepové vlastností geosyntetickej výstuže. V júli roku 1977 sa v Berkshire v Spojenom kráľovstve na skúšobné účely postavila konštrukcia vysoká 6 metrov s betónovým kolmým čelom a vystužená výstužovými geopásmi. Hlavným cieľom tejto skúšky bolo získať nové informácie o správaní geopásov na optimalizáciu ich dĺžky, horizontálneho rozmiestnenia a orientácie. V konštrukcii sa použili pásy z ocele, pozinkovaného plechu, ocele obalenej PVC, betónových predpätých dosiek a geopásov ParaWeb vyrobených z polyesterových vláken obalených v polyetyléne. Každému výstužovému pásu sa pridelila určitá časť testovacej konštrukcie. Zásypový materiál sa vyhotovil z troch vrstiev – piesčitý íl, priepustný štrk a ílovitá zemina. Pohľadové panely boli betónové, s rozmermi 450 × 450 × 80 mm. Na konštrukciu sa osadili piezometre, merače tlaku a sadania konštrukcie. Na začiatku a konci jednotlivých výstužových pásov sa osadili merače pomerných pretvorení z dôvodu kontroly ťahových napätí. Jednotlivé vzorky polymérových geopásov ParaWeb sa počas predchádzajúcich 35 rokov odkopávali v nepravidelných intervaloch, merala sa ich zvyšková ťahová pevnosť a sledovalo sa ich poškodenie. Vzorky boli vo všeobecnosti v dobrom stave, na niektorých sa zistilo povrchové poškodenie spôsobené vykopávaním.
Porovnanie jednotlivých parametrov ťahovej pevnosti a pomerného pretvorenia je uvedené v tabuľke. Ako je z nej zrejmé, mechanické vlastnosti geopásov ostali aj napriek veku 30 rokov zachované. Skúška potvrdzuje výborné vlastnosti geopásov z polyesterových vláken obalených v polyetyléne, ktoré sa týkajú ich odolnosti proti chemizmu prostredia a porušeniu pri inštalácii.

Na základe zistení presných dlhodobých charakteristík geosyntetických výstuží a vplyvu prostredia na ich správanie nastal v stavebníctve výrazný nárast použitia geosyntetických výstužových systémov pri návrhu oporných konštrukcií. Jedným s týchto systémov je aj systém vystuženej zemnej konštrukcie ­MacRES (Maccaferri Reinforced Earth System).

Teória vystužených konštrukcií na báze geosyntetiky
Nasledujúci jednoduchý príklad nám ozrejmuje koncept vystuženej zeminy a opisuje sa v ňom princíp distribúcie síl v zeminách. Na obr. 1 je znázornený element zeminy, ktorý je zaťažený rovnomerným zvislým zaťažením. Zemina sa pod zaťažením deformuje a v okolitom prostredí na základe rovnováhy síl vzniká horizontálne ťahové napätie. Ak tú istú vzorku zeminy vystužíme geopásmi, ťahové napätie v okolitom prostredí vyvolané deformáciou zeminy prenesie vložená výstuž. Ťahové napätie sa prenesie do výstuže trením medzi zeminou a výstužou. Tento princíp interakcie medzi zeminou a výstužou zabezpečuje zníženie horizontálnych napätí a vďaka tomu znižuje celkovú deformáciu zeminy, zvyšuje jej tuhosť a vytvára stabilný vystužený blok.

Obr. 1 Porovnanie fungovania elementu nevystuženej a vystuženej zeminy

Opis systému
MacRES funguje na základnom princípe trenia medzi výstužovými geopásmi a zeminou, ktorá ho priťažuje. Geopásy prenášajú ťahovú zložku napätia, ktorá v nich vzniká vplyvom zemných tlakov na lícové prefabrikáty. Materiál telesa násypu a výstuž – geopásy tvoria hlavnú časť systému a čelné prefabrikované panely slúžia na ochranu konštrukcie pred eróziou a dávajú konštrukcii atraktívny architektonický vzhľad (obr. 2). Podľa STN EN 14475 je múr klasifikovaný ako zvislá oporná zemná vystužená konštrukcia s tuhým lícovým prvkom a s kĺbovým usporiadaním. Systém je ideálny na konštrukcie vertikálnych múrov pri budovaní dopravných líniových stavieb.

Vystuženú zemnú konštrukciu tvorí kombinácia zásypového materiálu a výstužových geopásov na báze geosyntetiky. Pohľadové panely sú lícové betónové prefabrikované panely ortogonálneho tvaru, odliate v špeciálnych formách, trieda betónu minimálne C 30/37. Panely sú v závislosti od statického posúdenia buď vystužené, alebo nevystužené. Základný rozmer panelu je 1,5 × 1,5 × 0,14 m. Pod pohľadovými panelmi treba na mieste realizovať vyrovnávaciu podkladovú vrstvu z prostého betónu, ktorá slúži na správne výškové a smerové osadenie panelov. Konštrukcia sa buduje vo zvislých radoch so šachovnicovým usporiadaním, panely sa ukladajú systémom pero – drážka. Typ povrchovej úpravy panelov závisí od požiadavky projektu a investora.

Všetky realizačné práce súvisiace s týmto systémom sa vykonávajú zo zadnej strany konštrukcie, nie je teda potrebné riešiť prístup z prednej strany. Prefabrikované panely sa vyrábajú mimo staveniska, čo zjednodušuje prácu v stiesnených a ťažko dostupných podmienkach. Keďže ide o plošne pôsobiacu konštrukciu, neexistujú osobitné nároky na základové konštrukcie. Pri prácach sa nevyžaduje kvalifikovaná pracovná sila a rýchlosť výstavby je 50 až 70 m za deň. V porovnaní s tradičnými gravitačnými, prípadne uholníkovými opornými konštrukciami sa výrazne ušetrí množstvo použitého materiálu, ako aj náklady na prácu.

Spoj medzi panelmi
Horizontálne spoje sa tvoria stlačiteľnými gumovými podložka umiestnenými medzi spodný a vrchný panel, aby sa zabránilo priamemu kontaktu medzi betónovými povrchmi. Na vnútornú stranu panelu (strana násypu) sa potom zafixuje pás geo­textílie široký 40 cm na prekrytie celej dĺžky horizontálneho aj vertikálneho spoja ako ochrana proti vypadávaniu jemnejších frakcií zásypového materiálu. Stlačiteľné podložky vytvárajú z konštrukcie polotuhý systém. Pomer výšky a šírky panelu rovnajúci sa jednej v kombinácii so stlačiteľnými podložkami garantuje dobré kĺbové usporiadanie systému, z čoho vyplýva významná tolerancia pri rozdielnom sadaní v pozdĺžnom smere.

Geosyntetická výstuž
Výstužové prvky sú kľúčovou zložkou konštrukčného systému MacRES. Vyvinuli sa dva základné materiály, a to geosyntetická a oceľová výstuž. V tomto príspevku sa budeme venovať geosyntetickej výstuži.

Geosyntetická výstuž (ParaWeb) je výstužový lineárny prvok skladajúci sa z vysokopevnostných polyesterových vláken chránených vrstvou polyetylénu v tvare geopásu (obr. 3). V snahe vyhovieť a optimalizovať jednotlivé konštrukcie sa geopásy vyrábajú v rôznych šírkach, ktorým zodpovedajú rôzne únosnosti. Ťahové pevnosti jednotlivých geopásov sa pohybujú v rozpätí 20 až 100 kN. Šírka je v rozpätí od 45 do 90 mm, dĺžka balov je 100 m. Geo­syntetická výstuž sa vyrába v rôznych vyhotoveniach, ktorých geometria a povrchová úprava závisia najmä od typu zásypového materiálu.

Spoj panel – výstuž
Prefabrikované panely majú pri výrobe na rubovej strane osadené spojovacie prvky v počte a umiestnení závislom od konkrétneho projektového návrhu. Spojovacie prvky sú vyrobené na báze polyméru. Spoj medzi lícovými panelmi a výstužou je vytvorený prevlečením geopásov cez úchyty (obr. 4). Počet úchytov pri jednotlivých výškach je spolu s typom a dĺžkou geosyntetickej výstuže veľmi dôležitým prvkom správneho fungovania celej konštrukcie.

Obr. 4 Detail uchytenia geopásu (Paraweb) na pohľadový múr pomocou spojov Paraloop

Diaľnica D1 Dubná Skala – Turany
Časť diaľnice D1, ktorej výstavba je momentálne v plnom prúde, buduje v Turčianskej záhradke medzi budúcim východným portálom tunela Višňové a obcou Turany spoločnosť Váhostav – SK, a. s. Na predmetnom úseku sa plánuje výstavba 16 vystužených zemných konštrukcií systémom MacRES. Ide o sedem oporných múrov a deväť múrov tvoriacich vystužené mostné opory alebo vystužené mostné krídla. Z tohto počtu sa k dnešnému dňu zrealizovali tri objekty (207-00, 209-00 a 240-00) a v procese výstavby je ďalších päť objektov (235-00, 236-00, 237-00, 219-00 a 220-00) (obr. 5, 6 a 7). Podrobnejšie sa tejto stavbe plánujeme venovať v niektorom z budúcoročných vydaní časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.

Obr. 5 Panely na objekt 236-00

Obr. 6 Mostná opora objektu 207-00

Záver
Od začiatku 70. rokov minulého storočia sa vo svete postavilo veľa vystužených konštrukcií s vertikálnym betónovým čelom a vystuženými geopásmi. K dispozícií je množstvo referenčných stavieb, ktoré poukazujú na dobré fungovanie systému MacRES, čo vzbudzuje dôveru v tento systém. Keďže v jednotlivých krajinách sveta (vrátane Slovenska) naplno cítiť finančnú krízu a projekty výstavby cestnej a železničnej infraštruktúry sú pod enormným tlakom pre znižovanie cien (ak nie zastavené), použitie systému MacRES je ideálne z hľadiska ceny za štvorcový meter pohľadovej plochy konštrukcie. Napriek nízkej cene je riešenie architektonicky príťažlivé a z geotechnického hľadiska stabilné počas celej životnosti konštrukcie.

Literatúra
1.    Jayakrishnan, P. V.: Polymeric strip reinforced soil true bridge amutments – Maccaferri India.
2.    Naughton, P. J.: The properties of polyethylene encased high tenacity polyester linear elements – Institute of Technology, Ireland.
3.    Dlamini, S. M.: Numerical & limit state analysis of connected double-faced mechanically stabilised earth walls – Maccaferri South Africa.
4.    Balderson, T.: Durability of reinforced polyester reinforced webbing – a 28 years real time case history – Linear Composites Ltd, UK.

TEXT: Ing. Jozef Sňahničan
FOTO: MACCAFERRI CENTRAL EUROPE

Jozef Sňahničan je technický riaditeľ v spoločnosti MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.