Navrhovanie vysokých násypov a valov na málo únosnom podloží

Zvyšovanie počtu nových stavieb prináša aj ich návrh v nevhodných základových pomeroch. Tento problém sa objavuje čím ďalej tým častejšie, a to vo všetkých odvetviach stavebníctva na celom svete. Od dopravných stavieb cez pozemné staviteľstvo až po vodohospodárske stavby. Ako ho však vyriešiť tak, aby boli stavby bezpečné a plnili všetky štandardy, ktoré sa od nich vyžadujú? A ako zabezpečiť ekonomickú nenáročnosť týchto stavieb?

Navrhovanie pozemných a inžinierskych stavieb si vzhľadom na ich charakter vyžaduje aj budovanie veľkého množstva geotechnických konštrukcií. Tento článok sa však zameriava hlavne na realizáciu vysokých násypov a valov na málo únosnom podloží, pri ktorých je nevyhnutné zabezpečiť minimálnu alebo rýchlu konsolidáciu z dôvodu skrátenia výstavby či náročnosti získavania nových surovín. Takéto prípady vznikajú najčastejšie pri dopravných stavbách.

Zabezpečenie únosnosti zemnej pláne

Zabezpečenie únosnosti zemnej pláne je jednou z prvých úloh v procese realizácie stavby. V prípadoch, keď túto podmienku nemožno splniť z dôvodu nevhodných základových pomerov horninového prostredia, je nevyhnutné pristúpiť k ekonomicky efektívnym opatreniam. Urýchlenie výstavby dopravnej infraštruktúry – či už cestnej, alebo železničnej – si žiada použiť inovatívne metódy zakladania násypov a objektov na neúnosnom podloží. Pri tradičných metódach (štrkové a pieskové piliere, výmena podložia…) sa v prípade extrémne málo únosného podložia nachádzame v časovej tiesni. S neustále sa zmenšujúcim priestorom na výstavbu infraštruktúry a kratším časom výstavby rastie aj potreba inovatívnych technológií. Použitie prefabrikovaných vertikálnych drénov, metódy hĺbkového hutnenia a plastového mikropilótového systému v kombinácii s geosyntetickými materiálmi výrazným spôsobom eliminuje časovú náročnosť budovania budúcich násypov. Základnou požiadavkou pri návrhu zvýšenia únosnosti zemnej pláne je taký návrh konštrukcie, aby bola spoľahlivá minimálne počas návrhovej životnosti. V našom prípade železničných tratí ide o návrhovú životnosť na 100 rokov.

Keď hovoríme o zabezpečení únosnosti zemnej pláne, zvyčajne sa stretávame s týmito geologickými problémami:

• odvádzanie prebytočných vôd v podloží, prevažne vôd viazaných v póroch, čím sa zabezpečí urýchlenie konsolidácie a tým aj zvýšenie únosnosti na zemnej pláni,
• zakladanie násypu na pilótach (mikropilótach) z dôvodu rýchlej výstavby násypu na extrémne málo únosnom podloží bez možnosti konsolidácie,
• zvýšenie únosnosti zemnej pláne (prevažne v pieskoch a íloch) bez použitia hĺbkových metód a materiálovej výmeny (teda s použitím dynamického hutnenia z povrchu zemnej pláne),
• návrh výmeny podložia za materiál vhodný do násypov.

V prípade zabezpečenia odvádzania prebytočných vôd v podloží, či už štrkopieskovými vibrovanými pilótami, alebo prefabrikovanými vertikálnymi drénmi (obr. 1), sa umožní odvádzať prebytočnú vodu v zeminách. Prefabrikovaný vertikálny drén sa vyznačuje prepracovanými mechanickými a hydraulickými vlastnosťami, ktoré zaručujú funkčnosť systému pri väčšine pôdnych pomerov.

Obr. 1 Príklad prefabrikovaného vertikálneho drénu v tvare U

Metóda hĺbkového hutnenia (obr. 2) je rýchla a osvedčená technika hutnenia zemín. Ide o ekologickú metódu hĺbkového hutnenia zemín, ktorá si nevyžaduje výmenu materiálu v podloží, čím sa výrazne znižujú náklady na odvoz, uskladnenie a nákup nového materiálu. Realizuje sa z povrchu terénu padaním kladiva s hmotnosťou 9 – 16 t z vopred určenej výšky v intervaloch 40 – 80 úderov za minútu. Tento interval a tiaž kladiva sa navrhujú na základe poznania geologickej skladby podložia a hladiny podpovrchových vôd. Pri zmiešaných typoch hornín, ktoré sa na našom území vyskytujú najčastejšie, sa pri správnom návrhu efekt hĺbkového hutnenia prejavuje do hĺbky 8,0 m. Pri ideálnych geologických podmienkach a nízkej hladine podzemnej vody možno zaznamenať účinky dynamického hutnenia až do hĺbky 10 m od úrovne realizácie hutnenia.

Obr. 2 Príklad realizácie dynamického hutnenia

Plastový mikropilótový systém (obr. 3) umožňuje rýchlu výstavbu aj vysokých násypov bez možnosti konsolidácie na málo únosnom podloží. Tento systém sa skladá z mikropilót založených na únosnom podloží, ktoré sú prekryté geomrežou a nesúdržným materiálom. Systém eliminuje akékoľvek formy dlhodobého sadania. Na takto pripravenú pláň možno okamžite budovať násyp. Dôvodom, prečo sa aj na modernizovaných železničných tratiach realizoval takýto systém zvýšenia únosnosti zemnej pláne, je odolnosť systému proti účinkom bludných prúdov. Keďže výstuž obsiahnutá v plastovom puzdre (plastovej výpažnici) je izolovaná od zvodnateného podložia vedúceho bludné prúdy, tieto účinky nemajú na ňu žiadny vplyv. V prípade bludných prúdov, kde 1 A v konštrukcii dokáže pri zanedbaní ochranných opatrení skorodovať až 9 kg výstuže za rok, ide o bezpečný systém, ktorý zabezpečuje dlhodobú životnosť pilót.

Obr. 3 Príklad realizácie mikropilót z dôvodu zabezpečenia stability násypu na podloží aj s nulovou únosnosťou

Návrh konsolidácie podložia a násypu

Na návrh výpočtu – či už miery konsolidácie, alebo časového priebehu konsolidácie – sa vo svete vyvinulo niekoľko výpočtových modelov, ktoré sa v praxi ukázali ako správne, teda na základe reálnych modelov a monitoringu sa dokázalo, že nedochádza k výrazným odchýlkam. Na urýchlenie konsolidácie sa vyvinulo aj niekoľko systémov, ktoré dokážu túto negatívnu stránku vysokých násypov na málo únosnom podloží eliminovať. Najčastejšie navrhovaným a v praxi aplikovaným systémom je už spomínané odvádzanie prebytočných podpovrchových vôd viazaných v kapilárach zemín mimo ťažko priepustných až nepriepustných zemín – do priepustnejších vrstiev alebo na základovú pláň a následne mimo miesto stavby. Tento systém sa používa tam, kde sa pod zaťažením (od násypu alebo inej konštrukcie) očakáva veľké sadanie, pričom časový priebeh sadania je dlhší, než je prípustné z hľadiska postupu výstavby. V takýchto prípadoch sa najčastejšie docieli skrátenie únikovej dráhy vody, a tým aj urýchlenie konsolidácie podložia, a to inštaláciou prefabrikovaných vertikálnych drénov v trojuholníkovom rastri (obr. 4). Zníženie pórových tlakov potom zapríčiní zmenu totálnych šmykových parametrov na efektívne, čím sa nepriamo zvýši stabilita podložia.

Obr. 4 Schéma funkcie drénu

Na výpočet rozmiestnenia drénov existuje niekoľko spôsobov. Medzi najznámejšie paria Barronov vzťah a Kjellmanov vzťah, veľmi účinné je aj modelovanie metódou konečných prvkov (napríklad v programe PLAXIS), pričom platí:

t je čas od začiatku konsolidácie (s),
D – zóna vplyvu drénu (m),
D – ekvivalentný priemer drénu (m),
Uh – priemerná hodnota stupňa konsolidácie pri radiálnej (horizontálnej) prietočnosti (–),
ch –  koeficient horizontálnej konsolidácie (m2/s) (1 m2/s = 3,2 × 108 m2/rok).

Zabezpečenie stability a tvarovej nemennosti násypu

Zakladanie násypov sa navrhuje s ohľadom na charakter geologického podložia (hrúbka neúnosných vrstiev, úroveň hladiny podzemnej vody) a druh stavby. Okrem technických nárokov zohráva dôležitú úlohu aj ekonomická efektívnosť navrhnutého riešenia. Do vystužených vrstiev inštalovaných na betónové pilóty, štrkové piliere, prípadne prefabrikované vertikálne drény či plastové mikropilóty, sa ukladajú zásadne jedna až tri vrstvy geomreže, ktoré prenášajú zaťaženie z násypu do hĺbkových základov alebo systému zlepšenia vlastností horninového prostredia. Pevnosť geomreží vychádza z výšky násypového telesa, parametrov podložia a rastra zvislých prvkov. Vzhľadom na to, že pri vysokých násypoch je potrebná geosyntetika s vysokými ťahovými pevnosťami, používa sa aj kombinácia dvoch na seba kolmých vrstiev jednoosových geomreží. V prípadoch, keď to hrúbka neúnosného podložia a výška násypu umožňujú, navrhujú sa výstužné geosyntetiky bez hĺbkového zakladania.

Obr. 5 Vplyv vertikálnych drénov na požadované sadanie násypu

Násypové teleso sa vzhľadom na dispozičné pomery a použité zeminy/horniny navrhuje s prihliadnutím na normatívne predpisy alebo technické špecifikácie podľa druhu a charakteru stavby, prípadne ako vystužené násypové teleso so sklonom svahu v závislosti od dispozičných pomerov. V niektorých úsekoch treba s ohľadom na dispozičné možnosti vybudovať násypové teleso s vystuženým oporným múrom alebo strmými svahmi, ktoré v maximálnej miere minimalizuje zábery pozemkov. Osvedčenou konštrukciou je aj kombinácia oboch systémov, t. j. vystuženého oporného múru v spodnej časti a vystuženého strmého svahu, prípadne svahu s prirodzeným sklonom vo vrchnej časti násypu.

Záver

Vyššie uvedené technológie sú s ohľadom na ich využitie vysoko efektívne a finančne a časovo nenáročné. Množstvo nainštalovaných prefabrikovaných vertikálnych drénov v rámci SR a ČR prekračuje 1,5 mil. bm. Metóda hĺbkového hutnenia sa použila pri zakladaní násypového telesa na rýchlostnej ceste R1 Nitra západ – Selenec a pri zakladaní žeriavovej dráhy na termináli intermodálnej prepravy Žilina s celkovou plochou 40 500 m2. Plastový mikropilótový systém sa použil pri zakladaní pevnej jazdnej dráhy v rámci modernizácie železničnej trate Nové Mesto n/V – Púchov v celkovom množstve 30 000 bm. V súčasnom období sú už naplánované ďalšie projekty zakladania na neúnosnom podloží s použitím rôznych metód zakladania.

TEXT: Ing. Viktor Tóth, Mgr. František Malik, Mgr. Ján Hasenovič, Ing. Martin Vangel
Obrázky: archív autorov
___________________________________________________________________
Viktor Tóth pôsobí v spoločnosti SUDOP Košice, a. s., František Malik v Cofra-Chemia, s. r. o., Ján Hasenovič v CHÉMIA – SERVIS, a. s., a Martin Vangel pôsobí v spoločnosti  REMING CONSULT, a. s.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske Stavby/Inženýrské stavby