Inžinierskogeologická a geotechnická charakteristika podložia mostných objektov rýchlostnej cesty R2 Šaca – Košické Oľšany, I. úsek

Rýchlostná cesta R2 Šaca – Košické Oľšany s dĺžkou 24 km je rozdelená na dve etapy, resp. na dva úseky, a to I. úsek Šaca – Haniska a II. úsek Košice, juh – Košické Oľšany. Celková dĺžka I. úseku rýchlostnej cesty Šaca – Haniska je 6,8 km, rýchlostná cesta sa navrhuje ako štvorpruhová, smerovo rozdelená komunikácia kategórie R 24,5 s návrhovou rýchlosťou 100 km/h.

Na tomto úseku je navrhnutých sedem mostných objektov s celkovou dĺžkou 4 025 m (Juhás a Kopčák, 2018). Možno ich rozdeliť do troch skupín. Prvú skupinu tvoria mosty v križovatke Ľudvíkov dvor (mosty 201, 202, 203, 204), druhú skupinu tvorí most 205 ponad areál USSK a tretiu skupinu tvoria mosty križovatky Haniska (mosty 206, 207).

Počas rokov 2017 a 2018 realizovala spoločnosť DPP Žilina podrobný inžiniersko­geologický a hydrogeologický prieskum obidvoch úsekov rýchlostnej cesty R2 Šaca – Košické Oľšany. Jedným z primárnych cieľov prieskumu bolo prostredníctvom terénnych a laboratórnych skúšok overiť základové pomery mostných objektov a stanoviť deformačno-pevnostné charakteristiky podložných zemín a hornín.

Inžinierskogeologická charakteristika územia

Na geologickej stavbe územia sa podieľajú horniny paleozoika, neogénne sedimentárne súvrstvia a kvartérne sedimenty. V oblasti trasy I. úseku rýchlostnej cesty R2 sú kvartérne sedimenty zastúpené deluviálnym a fluviálno-terasovým komplexom (Šamaj et al., 2018).

Deluviálny komplex sa vyskytuje iba v SZ časti križovatky Ľudvíkov dvor a tvoria ho väčšinou íly so strednou (F6/CI) a vysokou plasticitou (F8/CH). V menšej miere sú prítomné silty s vysokou plasticitou (F7/MH) a íly s veľmi vysokou plasticitou (F8/CV), s pevnou konzistenciou. Hrúbka deluviálnych sedimentov sa pohybuje v rozsahu 4,8 až 13,9 m.

Fluviálno-terasový komplex sa vyskytuje na celej trase rýchlostnej cesty R2, aj na križovatkách Ľudvíkov dvor a Haniska. Tvoria ho polohy terasových štrkov s pokryvom ílovitých až siltovitých zemín. Terasové silty a íly tvoria pokryv štrkovej terasovej akumulácie.

V zmysle STN 72 1001 sú terasové íly a silty zastúpené najmä siltom so strednou plasticitou (F5/MI), ílom so strednou plasticitou (F6/CI), ílom s vysokou a veľmi vysokou plasticitou (F8/CH-CV), s tuhou až pevnou konzistenciou. V menšej miere sú prítomné piesčité íly (F4/CS) a tiež íly s nízkou plasticitou (F6/CL). Konzistencia terasových ílov a siltov je prevažne tuhá až pevná.

Na báze so zvodnenými štrkmi majú terasové íly a silty lokálne tuho-mäkkú až mäkkú konzistenciu. Hrúbka týchto súdržných zemín je veľmi variabilná a pohybuje sa v rozsahu od 2 do 9 m. Nesúdržné zeminy štrkovitého a piesčitého charakteru vystupujú v bazálnej časti fluviálno-terasového komplexu v podloží všetkých navrhovaných mostných objektoch.

Dominujúcim inžinierskogeologickým typom sú zvodnené štrky s prímesou jemnozrnnej zeminy (G3/G-F), ílovité štrky (G5/GC), ojedinele s prechodom do dobre zrnených štrkov (G1/GW) až do zle zrnených štrkov (G2/GP), prípadne siltovitých štrkov (G4/GM).

Piesčité polohy tvoria väčšinou nepravidelné šošovky, prípadne vrstvy, zastúpené sú ílovitým pieskom (S5/SC) a siltovitým pieskom (S4/SM) s preplástkami ílu. Báza a hrúbka terasových štrkov je premenlivá, pohybuje sa od 3 do 10 m.

Predkvartérne horniny tvorí najmä komplex neogénnych sedimentov, vystupujú v podloží fluviálno-terasového komplexu. Neogénne sedimenty tvoria neogénne íly, silty, štrky, piesky, tufity, tufitické ílovce, siltovce a pieskovce.

Neogénne íly a silty sa vyskytujú na celej trase rýchlostnej cesty a sú zastúpené zeminami typu F5/ML, F5/MI, F6/CL, F6/CI, F7/MH, F7/MV, F7/ME, F8/CH, F8/CV, ktoré zodpovedajú siltom a ílom s nízkou a strednou plasticitou a siltom a ílom s vysokou, veľmi vysokou až extrémne vysokou plasticitou. Tieto súdržné zeminy majú prevažne pevnú až tuho-pevnú konzistenciu.

Neogénne súvrstvie nesúdržných sedimentov tvoria najmä polohy zvodnených štrkov s prímesou jemnozrnnej zeminy (G3/G-F), ­ílovitých štrkov (G5/GC) a siltovitých štrkov ­(G4/GM) s nepravidelnými šošovkami pieskov s prímesou jemnozrnnej zeminy (S3/S-F) a siltovitých (S4/SM) a ílovitých pieskov (S5/SC).

Neogénne ílovce až siltovce sa vyskytujú na trase rýchlostnej cesty R2 od km 2,2 po koniec úseku v km 6,8 a v križovatke Haniska. Ílovce až siltovce vystupujú obvykle od hĺbky 11,0 až 15,0 m pod povrchom terénu. Väčšinou sú prekryté vrstvami neogénnych ílov a siltov. Neogénne ílovce až siltovce vystupujú v podobe pevných polôh zemín s úlomkami (F2/CG) až sutí (G5/GC). Úlomky majú extrémne nízku až veľmi nízku pevnosť (R6-R5).

Neogénne tufy, tufity, tufitické siltovce, ílovce a tufitické pieskovce vystupujú na trase rýchlostnej cesty R2 v km 1,5 – 2,0 a v oblasti križovatky Ľudvíkov dvor. Tufy v zmysle STN 72 1001 zodpovedajú svojim zložením pevným piesčitým siltom a ílom (F3-F4/MS-CS), ďalej siltom s vysokou, veľmi vysokou až extrémne vysokou plasticitou (F7/MH-MV-ME) s pevnou konzistenciou s úlomkami s veľmi nízkou až extrémne nízkou pevnosťou (R5-R6).

Piesčité variety zodpovedajú svojim zložením pieskom s prímesou jemnozrnnej zeminy (S3/S-F), siltovitým pieskom (S4/SM) až ílovitým pieskom (S5/SC) s úlomkami s extrémne nízkou až veľmi nízkou pevnosťou (R6-R5). Úlomkové variety tufitických hornín zodpovedajú kamenito-ílovitým (F2/CG) až ílovito-kamenitým (G5/GC) sutiam s úlomkami s veľmi nízkou pevnosťou (R5).

Komplex metamorfovaných hornín reprezentujú paleozoické amfibolity a fylity, ktoré sa vyskytujú v oblasti križovatky Ľudvíkov dvor, kde vystupujú v podloží neogénnych hornín. Tvoria kupolovité telesá s priemerom do 300 m. Vo vrchnej časti horninového masívu sú amfibolity a fylity silno až úplne zvetrané, charakteru tuho-pevného piesčitého siltu (F3/MS) a kamenito-ílovitých sutí (F2/CG).

Zachované úlomky majú extrémne nízku pevnosť (R6). Hlbšie sa striedajú nepravidelné polohy silno až stredne zvetraných hornín. Silno zvetrané amfibolity a fylity majú charakter ílovito-kamenitých sutí (G5/GC) s úlomkami s nízkou až veľmi nízkou pevnosťou (R4-R5). Stredne zvetrané členy majú väčšinou strednú až nízku pevnosť (R3-R4).

Terénne skúšky

Terénne skúšky realizované v rámci podrobného inžinierskogeologického prieskumu úlohy R2 Šaca – Košické Oľšany pozostávali hlavne z presiometrických skúšok. Tieto geo­technické in situ skúšky predstavujú najvhodnejší spôsob overenia reálnych vlastností horninového masívu priamo na mieste budúceho stavebného diela.

Presiometrické skúšky boli navrhnuté na overenie deformačných vlastností hornín a zemín v presiometrických IG vrtoch, ktoré sa realizovali pod piliermi a oporami projektovaných mostných objektov. Hĺbka presiometrických vrtov bola v rozsahu od 20 do 25 m. Celkovo sa realizovalo 195 presiometrických skúšok v 56 presiometrických vrtoch. Na určenie presiometrických parametrov (Ep) sa použil Menardov presiometer firmy APAGEO.

Pri meraní sa použila meracia presiometrická sonda typu NX s priemerom 74 mm. Z vypočítaných hodnôt presiometrických modulov (Ep) sa v zmysle platných technických noriem (STN 72 1004, STN 73 1001) a vzťahov publikovaných v odbornej literatúre (Matys et al., 1990) odvodili hodnoty modulov pretvárnosti (Edef).

Moduly pretvárnosti odvodené z výsledkov presiometrických skúšok sa pri íloch a siltoch deluviálneho komplexu pohybujú v rozsahu 7,9 – 10,6 MPa, priemer je 9,2 MPa. Deluviálne íly a silty zasahujú čiastočne do vrchných častí kvartérnych sedimentov v oblasti mostných objektov 201, 202, 203 a 204.

Pri íloch a siltoch fluviálno-terasového komplexu sa hodnoty deformačných modulov (Edef) stanovených z presiometrických skúšok pohybujú v rozsahu 5,6 – 11,5 MPa, s priemerom 8,5 MPa. Pri nesúdržných fluviálno-terasových zeminách charakteru siltovitých a ílovitých štrkov sa deformačné moduly odvodené z presiometrických skúšok pohybujú v rozsahu 49,5 – 93,8 MPa, priemer je 71,0 MPa.

Pri nesúdržných fluviálno-terasových zeminách charakteru dobre zrnených štrkov, zle zrnených štrkov a prevažne štrkov s prímesou jemnozrnnej zeminy boli moduly pretvárnosti Edef od 79,2 do 296,0 MPa, s priemernou hodnotou 132,0 MPa. Fluviálno-terasové sedimenty sa vyskytujú v podloží všetkých mostných objektov na trase R2 (I. úsek).

Pri neogénnych íloch a siltoch boli ­vypočítané moduly pretvárnosti z výsledkov presiometrických skúšok v rozsahu 4,4 – 24,8 MPa, s priemerom 10,5 MPa. Na druhej strane, deformačné moduly pri neogénnych ílovcoch až siltovcoch sú od 8,6 do 77,0 MPa, s priemernou hodnotou 32,0 MPa. Ílovce až siltovce boli zistené v podloží mostných objektov 205, 206 a 207.

Vyššie hodnoty modulov pretvárnosti v rozmedzí 32,1 – 144,5 MPa, s priemernou hodnotou 67,0 MPa, boli vypočítané pre neogénne tufity, tufitické ílovce a pieskovce. Tieto sedimenty boli zastihnuté v podloží mostov 201, 202 a 203.

V komplexe metamorfovaných paleozoických hornín sa presiometrické skúšky realizovali v prostredí úplne až silno zvetraných amfibolitov, ako aj v prostredí stredne zvetraných amfibolitov. Okrem amfibolitových hornín sa presiometrické skúšky testovali v prostredí silno a stredne zvetraných fylitov.

Pri úplne až silno zvetraných amfibolitoch boli odvodené moduly pretvárnosti v rozsahu 20,4 – 108,9 MPa (priemer 71,0 MPa), zatiaľ čo moduly pretvárnosti pri stredne zvetraných amfibolitoch boli v rozmedzí 162,2 – 303,6 MPa, s priemerom 210,0 MPa.

Moduly pretvárnosti pri silno zvetraných fylitoch sa pohybovali v rozsahu od 26,2 do 133,0 MPa, s priemerom 77,0 MPa. Kvalitnejšie horninové prostredie tvorené stredne zvetranými fylitmi preukázalo moduly pretvárnosti od 179,7 do 361,4 MPa, s priemernou hodnotou 247,0 MPa.

Záver

Z výsledkov podrobného inžinierskogeologického prieskumu rýchlostnej cesty R2 Šaca – Košické Oľšany (I. úsek) vyplynula pomerne široká litologická variabilita zemín a hornín, ktoré sa odlišujú svojimi mocnosťami a fyzikálno-mechanickými vlastnosťami.

Vyššie opísané terénne skúšky prispeli k overeniu základových pomerov mostných objektov na trase rýchlostnej cesty R2 a pomohli poskytnúť prehľadný obraz o základných deformačno-pevnostných charakteristikách skúmaného územia.

Moduly pretvárnosti (Edef), odvodené z presiometrických modulov (Ep), zistené v deluviálnych, fluviálno-terasových, neogénnych a paleozoických komplexoch sú prevažne z intervalov odporúčaných hodnôt uvedených v odbornej literatúre a v príslušných technických normách. Spôsob zakladania mostných objektov bude hĺbkový, na veľkopriemerových pilótach v prostredí únosných fluviálno-terasových, neogénnych, ako aj paleozoických hornín.

Michal Kubiš, Jozef Smoleňák, Milan Šamaj a Marcel Lukács pôsobia v spoločnosti DPP Žilina, s. r. o.

Literatúra

1. JUHÁS, B. – KOPČÁK, J.: Rýchlostná cesta R2 Šaca – Košické Oľšany, I. úsek, Inžinierske stavby, 6, 28 – 30, 2018.
2. MATYS, M. – ŤAVODA, M. – CUNINKA, M.: Poľné skúšky zemín, Vyd. Alfa, Bratislava, 1990.
3. ŠAMAJ, M. – KUBIŠ, M. – LUKÁCS, M. – GAŽI, P. – MITTER, P. – SZABÓ, S. – KASPŘÍK, R. – SMOLEŇÁK, J. – MAJERČÁK, J. – HEGLAS, D. – OTRUBA, M. – CHOVANEC, M. – FLIMMEL, J. HULJAK, Š. – BENKO, M. – VLČEK, M. –ANDRISKOVÁ, O.: Rýchlostná cesta R2 Šaca – Košické Oľšany, I. úsek R2 Šaca – Haniska, podrobný inžinierskogeologický a hydrogeologický prieskum, DPP Žilina, 1 – 89, 2018.
4. STN 72 1004: 1990 Presiometrická skúška.
5. STN 73 1001: 2010 Geotechnické konštrukcie, Zakladanie stavieb.
6. STN 72 1001: 2010 Klasifikácia zemín a skalných hornín.