Návrh mostného objektu v zosuvnom území

Zakladanie mostných objektov patrí medzi prvotné práce pri stavbe diaľnic a rýchlostných ciest. Ide o práce, ktoré sa musia realizovať v dostatočnom predstihu, aby nedochádzalo k prestojom na ostatných stavebných objektoch. Problémom pri návrhu zakladania mostov sú často nevyhovujúce prírodné podmienky, pri ktorých sa vzhľadom na členitosť a zalesnenie územia nemožno dostať s vrtnými súpravami do miest budúcich opôr a podpier a realizovať podrobný inžinierskogeologický prieskum. Takýto prípad predstavuje aj zakladanie mostného objektu SO 209-00 Most na diaľnici v km 41,065 D3 „Furmanec“, ktorý je súčasťou úseku diaľnice D3 Čadca, Bukov – Svrčinovec.

Úvod do problematiky a opis mosta

Mosty patria medzi stavebné objekty, ktoré sa na území Slovenska pomerne často navrhujú. Je to spôsobené geomorfologickou stavbou územia a jeho členitosťou, v dôsledku čoho je nevyhnutné prekonávať premostením údolia, zamokrené oblasti, jestvujúce vodné toky, ostatnú infraštruktúru a v neposlednom rade aj zosuvné územia, ktoré postihujú až 5,25 % našej krajiny.

Ku každému mostnému objektu je nevyhnutné pristupovať pri návrhu konštrukcie a posúdení osobitne, keďže pri týchto zložitých inžinierskych dielach nemožno použiť rutinné spôsoby ich navrhovania. Článok sa zaoberá mostným objektom SO 209-00 Most na diaľnici v km 41,065 D3 „Furmanec“, ktorý je súčasťou stavby diaľnice D3 Čadca, Bukov – Svrčinovec.

Most v stupni dokumentácie na realizáciu stavby navrhla spoločnosť Amberg Engineering Slovakia, s. r. o., realizuje ho spoločnosť PORR, s. r. o., pre objednávateľa Národnú diaľničnú spoločnosť, a. s., na základe zmluvných podmienok „Žltý FIDIC“.

V zmysle regionálneho geomorfologického členenia Slovenska (E. Mazúr, M. Lukniš, 1980) patrí hodnotené územie na trase diaľnice D3 v úseku Čadca, Bukov – Svrčinovec do oblasti Západných Beskýd, celku Turzovskej vrchoviny. Morfológia pozdĺž celej trasy je prevažne členitá. Začiatok úseku prechádza strmými ľavostrannými svahmi rieky Kysuca, ktoré boli sanované počas stavby I/11 Čadca – obchvat mesta.

Ďalej vedie trasa diaľnice do údolnej nivy rieky Kysuca a náplavového kužeľa Bukovského potoka s rovinatým reliéfom. Najkomplikovanejší úsek diaľnice od km 37,578 po 39,156 vedie v zastavaných častiach mesta Čadca vo svahoch, ktoré sú lokálne porušené výraznými svahovými deformáciami rôznej aktivity a rôznych typov.

V km 39,156 – 40,100 nasleduje mostný objekt, ktorý je situovaný v rovinatom teréne s erózno-akumulačnými formami. V km 40,100 – 41,770 sa nachádza mostný objekt a križovatka Podzávoz. Až po koniec úseku vedie trasa striedavo svahmi, resp. preklenuje údolia s bezmennými potokmi.

Medzi rizikové faktory v záujmovej lokalite mostného objektu SO 209-00 sa radia tieto významné vplyvy:

• prítomnosť zosuvu,
• vysoká heterogenita horninového prostredia,
• nestálosť ílovcov v dôsledku vplyvu exogénnych činiteľov,
• tektonické porušenie masívu,
• lokálne zamokrenie územia,
• lokálna úroveň hladiny podzemnej vody blízko povrchu,
• vztlakové účinky podzemných vôd,
• zvýšená až veľmi vysoká agresivita prostredia na železo (III. – IV. stupeň agresivity),
• lokálne zistená prítomnosť agresívneho CO2 (vo vrte V15),
• prítomnosť piesčito-štrkovitých zón s polo zaoblenými až dokonale zaoblenými úlomkami hornín s „problematickým“ litologickým zaradením (vo vrte V14 v intervale 7,80 – 13,00 m p. t. a vo vrte V15 v intervale 3,50 – 4,95 m p. t.; 7,00 – 8,0 m p. t.).

Návrh typu a rozpätia nosnej konštrukcie vychádzal z potreby čo najefektívnejšie prekonať zosuvné údolie a koryto bezmenného potoka, ktoré sa nachádza pod mostným objektom. Mostný objekt 209-00 je navrhnutý vo forme dvoch samostatných súbežných mostov (ľavý a pravý most), pozostávajúcich z jedného dilatačného celku. Nosnú konštrukciu tvorí spojitý dvojtrámový nosník z dodatočne predpätého monolitického betónu.

Voľná šírka (medzi zvodidlami) na ľavom moste je konštantná – 11,25 m. Na pravom moste sa voľná šírka mení – z 13,25 m na začiatku mosta na 11,25 m na ďalšej časti mosta. Spodná stavba mostov pozostáva z opôr a medziľahlých podpier, ktoré tvorí jeden pilier v tvare „kostičky“. Uloženie nosnej konštrukcie na spodnú stavbu sa navrhlo v mieste nadpodperových priečnikov prostredníctvom hrncových ložísk.

Most je založený na veľkopriemerových pilótach. Pravý most objektu SO 209-00 má z dôvodu priraďovacieho jazdného pruhu v prvých šiestich poliach šírku 15,15 m. Následne sa na dĺžke jedného poľa mení šírka pravého mosta na konečnú hodnotu 13,15 m. Ľavý most má konštantnú šírku nosnej konštrukcie 13,15 m.

Návrh zakladania

Mostný objekt je situovaný vo svahu, ktorého členitá morfológia je výsledkom svahových pohybov a erózie. Svah je porušený stabilizovaným zosuvom a eróznymi ryhami. Horninové prostredie je porušené svahovými pohybmi do hĺbky 2,1 až 3,1 m, ojedinele až do hĺbky 5,7 m. Zosuvné delúvium tvoria íly a štrky zatriedené ako F3/MS, F4/CS, F6/CI, F8/CH, F2/CG, G5/GC, ojedinele aj pieskovce a ílovce. Kopanými sondami sa pred začatím prác na dokumentácii na realizáciu stavby overili polohy ílov F8/CH s organickými zvyškami.

Zakladanie podpier sa posudzovalo vo viacerých programoch a moduloch (obr. 1). Použil sa iteračný postup výpočtu, pričom návrhové zaťaženie z výpočtového modelu mostnej konštrukcie v programe MIDAS Civil sa posúdilo iteračnou metódou v programe GEO 5 2017 v moduloch Pilóta a Skupina pilót. Týmto spôsobom sa stanovili s minimálnou odchýlkou reakcie pôsobiace na pilótový základ a deformácie (sadnutie najviac namáhanej pilóty a skupiny pilót).

Zakladanie mosta sa začalo realizovať po dokončení objektu 064-00 Sanácia územia v km 40,810 – 41,100 D3. Založenie mostného objektu sa vzhľadom na základové pomery navrhlo hĺbkové. Založenie medziľahlých podpier, pilierov č. 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 a 17 na ľavom moste a pilierov č. 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 a 20 na pravom moste sa navrhlo v otvorených stavebných jamách so sklonmi svahov 1 : 1.

Pri svahoch s výškou väčšou ako 3,0 m sa navrhli stabilizačné lavičky. V prvej fáze sa zhotovil výkop na úroveň pilotážnej plošiny znížený o hrúbku spevnenia (spodný povrch podkladového betónu). Spevnenie sa zrealizovalo podľa technologického predpisu zhotoviteľa. Hrúbka dočasného spevnenia sa navrhla na 300 mm.

Z dôvodu sklonových pomerov územia a strmého terénu na ľavej strane mosta v smere staničenia sú základové škáry pravého a ľavého mosta v rôznych výškových úrovniach. Po skončení pilotáže sa v druhej fáze plošiny odstránili, spätne odťažili na výškovú úroveň spodného povrchu podkladového betónu.

Pri podpere č. 4 sa vo fáze I (pravý most) zrealizuje zakladanie (t. j. veľkopriemerové pilóty) a spodná stavba (t. j. základ a driek). To umožní, aby do hotovej časti podpery č. 4 zasahoval svah potrebný na získanie úrovne na založenie oporného múra – čela opory vo fáze II na pravej strane ľavého mosta.

Pri podperách a oporách sa navrhli veľkopriemerové vŕtané pilóty vyhotovené pod ochranou pažnice s vnútorným priemerom Ø 800 mm, s vonkajším priemerom Ø 880 mm (v zmysle STN EN 1536: 2010 + A1: 2015) a s hrúbkou steny pažnice vrátane zámku 40 mm . Počty a dĺžky pilót sú pri jednotlivých podperách rozdielne.

Model mosta

Most sa modeloval vo výpočtovom programe MIDAS Civil. Nosná konštrukcia sa vytvorila z roštového modelu, ktorý sa spojil väzbami so spodnou stavbou pozostávajúcou z pilierov, základových dosiek a pilót. Väzby v mieste ložísk umožňovali posunutia, s akými sa počítalo pri návrhu mostných ložísk. Počítalo sa s podopretím konštrukcie v mieste pilót pomocou pružín.

Program MIDAS Civil umožňuje modelovanie tuhosti pružín dvomi spôsobmi. Prvý spôsob je zadanie tuhosti pružiny, ktorá reprezentuje zeminu v okolí pilóty, druhý spôsob je zadanie parametrov zemín získaných z inžinierskogeologického prieskumu, priemeru pilóty a hĺbky, v ktorej sa príslušná vrstva zeminy nachádza.

Program následne prepočíta jednotlivé parametre na tuhosť pružín, a to v konkrétnej hĺbke prislúchajúcej danej vrstve zeminy. Tento spôsob je určený primárne pre integrované mosty, možno ho však uplatniť aj pri bežných mostoch. Z takto vytvoreného komplexného modelu mosta (obr. 2) možno získať okrem osových síl v pilótach aj ďalšie účinky od zaťaženia ako posúvajúce sily a ohybové momenty.

Pilóty sa posúdili okrem všetkých vonkajších vplyvov a zaťažení aj na účinky od zaťaženia vznikajúceho počas výstavby. Použitá technológia výstavby nosnej konštrukcie je pomocou výsuvnej skruže zdola. Model podpery mosta (obr. 3) sa vytvoril z 1D prvkov (axiálne prvky, prútové modely BEAM) a z 2D prvkov (prvky PLATE) programu MIDAS Civil.

V statickom posúdení sa preukázalo, že zaťaženie počas výstavby vplýva na celkovú únosnosť veľkopriemerových pilót nepriaznivejšie ako kombinácia zaťažení počas prevádzky. Členené opory mosta sa modelovali z priestorových prvkov SOLID v programe MIDAS Civil vrátane pilót. Vďaka takto vytvorenému modelu sa stanovilo zaťaženie najviac namáhanej pilóty, čo umožnilo následnú optimalizáciu rozmiestnenia a dĺžok pilót.

Aj v tomto prípade sa pilóty posúdili na účinky vzniknuté počas výstavby, ktoré sa líšili od účinkov od zaťaženia v konečnom štádiu. Vzhľadom na zvolený postup výstavby sa opory fyzicky rozdelili tak, aby bola v ich oblasti možná manipulácia s výsuvnou skružou. Výstuž sa v miestach rozdelenia členenej opory nastykuje pomocou spojok.

Zníženie a eliminovanie rizikových faktorov zakladania mostného objektu

Na zníženie, resp. eliminovanie rizikových faktorov zakladania mostného objektu sa navrhlo a realizovalo niekoľko stavebných úprav a konštrukcií. V prvom rade bolo nevyhnutné zastabilizovať v maximálne možnej miere zosuvné územie. Navrhla a zrealizovala sa preto sanácia územia pomocou sústavy subhorizontálnych odvodňovacích vrtov, ktoré odvádzajú prebytočnú podpovrchovú vodu do priľahlého bezmenného potoka.

Táto úprava, realizovaná po odlesnení v predstihu pred založením mostného objektu, vyvolala pokles objemu podpovrchovej vody viazanej v póroch, čím sa zvýšila súdržnosť vrchných pokryvných vrstiev do hĺbky až 6,0 m. Výsledky meraní na zvislých inklinometrických vrtoch potvrdili správnosť navrhnutého riešenia.

Zachytenie ostatných tlakových síl podložia v smere aktívnych síl zosuvu sa overilo na modeli pilótových základov. Z účinkov aktívnych síl zosuvu sa určil priemer pilót a ich odolnosť na prenos horizontálnych síl.

V kvartérnych a paleogénnych zeminách tvorených ílmi, pieskami a ílovcami vyvolali aktívne sily zosuvu dostatočné trecie sily, ktoré sa podieľali na zabezpečení prenosu zaťaženia od vrchnej stavby mosta. Na potvrdenie únosnosti pilótového základu sa realizovali zaťažovacie skúšky štyroch pilót. Výsledky zaťažovacích skúšok preukázali ekonomický návrh zakladania.

Zložitosť základových pomerov v lokalite demonštruje skutočnosť, že v rámci inžinierskogeologického prieskumu sa vo vrte s dĺžkou 20 m rozlíšilo striedanie až 33 geologických vrstiev. V procese vŕtania pilót na zakladanie podpier sa potvrdilo očakávané súvrstvie základovej pôdy.

Ďalším rizikovým faktorom a negatívnym vplyvom pôsobiacim na založenie mostného objektu, ktorý musel projektant riešiť, je zohľadnenie seizmicity. Konštrukcia mostného objektu vrátane zakladania sa posudzovala v jednom modeli vo výpočtovom programe MIDAS Civil. Seizmické zaťaženie sa počítalo v zmysle STN EN 1998-1 a STN EN 1998-2 pre kategóriu podložia B.

Napriek tomu, že v zmysle STN EN 1998-1, č. 3.2.1, ods. 4 ide o oblasť s nízkou seizmicitou, v uvedených geologických a geomorfologických pomeroch je táto úroveň veľmi riziková. Vplyv seizmicity na zosuvné územie sa posúdil výpočtovým programom GEO5 2017 pomocou metódy konečných prvkov. Na základe tohto výpočtu sa pilóty základov opätovne posúdili na prírastok vodorovných síl od seizmicity.

Záver

Zakladanie mostných objektov v zosuvnom území nie je na Slovensku zriedkavé, ide o častý a predvídateľný spôsob zakladania a budovania mostných konštrukcií. Pri ich návrhu treba zohľadniť všetky riziká, ktorým má konštrukcia počas svojej životnosti odolávať – od uskutočnených sanácií územia po postupy výstavby mostného objektu a jeho prevádzku.

Základom správneho návrhu je zohľadniť miesto a polohu, kde sa jednotlivé piliere a opory založia. Ak vzniknutý zosuv ohrozuje priestor medzi podperami, je zrejmé, že sa poloha podpier navrhla správne. V prípade, kedy oporu alebo podperu mostného objektu nie je možné založiť mimo rozsiahleho zosuvného územia, je nevyhnutné počítať s ďalšími opatreniami.

Najčastejšie sa navrhujú ako územné stabilizácie pomocou odvodnenia záujmového územia, lokálne stabilitné opatrenia v miestach polohy podpier a opôr, prípadne aj vo forme masívnejšieho založenia pomocou veľkopriemerových pilót. Tieto opatrenia však majú negatívny vplyv na ekonomickú stránku projektu. Všetky vplyvy pôsobiace na konštrukcie musia byť známe už počas prípravy projektovej dokumentácie.

Nejde pritom len o dokumentáciu na realizáciu stavby, ale aj o všetky predchádzajúce stupne. Veľmi dôležitá je súčinnosť a spolupráca špecialistov z viacerých odvetví stavebníctva s podporou inžinierskych geológov. Záverom možno konštatovať, že takto zvolená priebežná spolupráca, hlavne geotechnika a statika, a to už na začiatku projektovania mosta, vedie k presnejšiemu vystihnutiu základových pomerov.

Výsledkom je vzájomná kontrola, hľadanie technicky najvhodnejšieho riešenia zakladania mosta a v neposlednom rade zníženie možných geotechnických rizík, ktoré vyplývajú zo vzájomnej interakcie jednotlivých technologických procesov výstavby a užívania mosta.

Ľubomír Kožlej, Viktor Tóth, Konštantín Kundrát a Roman Koneracký pôsobia v spoločnosti Amberg Engineering Slovakia, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby 6/2018.