Sanácia svahu postihnutého zosuvnou činnosťou

Článok sa zaoberá návrhom sanácie svahu postihnutého aktívnou zosuvnou činnosťou. Predmetný svah sa nachádza nad hlavnou železničnou traťou Košice – Žilina pri obci Richnava. Sanácia svahu pozostáva z viacerých typov statického zabezpečenia v závislosti od zistenej geologickej skladby a porušení, zvetraní povrchových vrstiev horninového masívu. Majoritnú časť sanácie zabezpečujú vysokopevnostné oceľové siete v kombinácii s trvalými zemnými klincami. Návrh statických prvkov (zemné klince, vysokopevnostné siete atď.) sa realizoval klasickými výpočtovými metódami v kombinácii s programom pracujúcim na základe metódy konečných prvkov. Posúdenie celkovej stability a overenie návrhu statického zabezpečenia bolo spracované programom PLAXIS 2D 2010.

Opis problému
Na predmetnom úseku železničnej trate pri obci Richnava došlo v roku 2010 k zosunutiu (zrúteniu) časti svahu na hlavnú železničnú trať Košice – Žilina. Na svahu nad železničnou traťou sa v predmetnom roku aktivizovali dva zosuvy a vytvorila sa odlučná línia v cestnej komunikácii. Väčší zosuv mal šírku viac ako 35 m a hrúbka zosunutých pokryvných vrstiev dosahovala 2,0 m až 2,5 m. Menší zosuv mal šírkový rozmer okolo 20,0 m a jeho hrúbka bola maximálne 1,5 m. Zosuvmi bola postihnutá celá dĺžka svahu po výške, čo predstavuje vzdialenosť od 28,0 m do 32,0 m. Okrem týchto miest sa na štátnej ceste II/547 – pri jej krajnici – vytvorili trhliny, ktoré naznačovali ďalšie rozširovanie zosuvnej činnosti. Trhliny sa prejavili na dĺžke približne 200,0 m. Pretože predmetné dva zosuvy priamo obmedzili premávku na štátnej ceste II. triedy, táto komunikácia sa ešte v roku 2010 sanovala. Odlučné oblasti oboch zosuvov strhli časť vozovky a v ich päte zasypali hlavnú železničnú trať, najmä koľaj č. 1.

Na základe spracovaných prieskumných prác možno konštatovať, že horninový masív v záujmovom úseku tvorí permské skalné podložie, ktoré reprezentujú červenofialové a zelenkavé bridlice s polohami vulkanoklastík ryolitového charakteru. Skalné podložie následne v niektorých úsekoch pokrýva vrstva sutín charakteru ílovitých štrkov. V miestach, kde sa pokryvné sutiny nenachádzajú, vrchnú vrstvu tvoria silne až úplne zvetrané bridlice. Hrúbka pokryvných vrstiev v sanovanom úseku dosahuje 0,5 m až 2,0 m. Svahy na tomto úseku majú sklon v rozmedzí od 38° do 45°. V sanovanom úseku bol dokumentovaný jeden tektonický zlom, ktorý sa nachádza v strede väčšieho zosuvu. V týchto miestach je vysoký predpoklad, že bridlice sú rozpukané a zvetrané do väčšej hĺbky, ako na zostávajúcom úseku sanovaného svahu. Hrúbka a charakter zvetrania je potrebné overiť počas realizačných prác a zistenia treba porovnať s predpokladmi v projekte. V mieste tektonického zlomu sa nachádzajú aj lokálne vývery podzemnej vody. Výdatnosť výverov závisí od ročného obdobia a celkového vyplnenia puklín horninového masívu podzemnou vodou. Počas sanačných prác je potrebné overiť prípadný výskyt tektonického zlomu v okolí menšieho zosuvu. Tento zlom nebol overený prieskumnými prácami, ale na základe získaných podkladov pre spracovanie inžinierskogeologického prieskumu (IGP) tejto stavby možno uvažovať o jeho existencii.

Prieskum pre danú sanáciu vychádzal najmä z penetračných sond a niekoľkých jadrových sond, ktoré sa realizovali v korune a päte svahu. V strede svahu s priemerným sklonom asi 42° sa pre ťažký prístup nerealizovali nijaké sondážne práce na určenie presnej mocnosti sutín a zvetrania bridlíc.

Obr. 2  Pohľad na realizáciu z koruny svahu so zachyte­ním pomocnej konštrukcie na realizáciu klincov a kotiev

Návrh sanácie
Definitívny návrh sanácie berie ohľad na ekonomické a estetické hľadisko, pričom sa vyhovelo všetkým zaťažovacím stavom. Pôvodne odporúčaná sanácia v závere inžinierskogeologického posudku, teda klincovanie v kombinácii s torkrétom, sa na základe statických prepočtov nahradila vysokopevnostnými sieťami prichytávanými trvalými zemnými klincami. Striekaný betón s klincami sa navrhol len v hornej časti väčšieho zosuvu, kde sa zemina zosunula aj s časťou krajnice. V čase spracovania dokumentácie bolo toto miesto opravené a komunikácia v tomto úseku bola založená na veľkopriemerových pilótach, ktoré v hlave prechádzali do železobetónovej dosky. Požiadavkou správcu komunikácie bolo navrhnúť v tomto mieste riešenie, ktoré depresiu zarovná s okolitým terénom. Zabezpečiť sa to dalo len torkrétom so zemnými klincami.

Vysokopevnostné siete vo väčšine sanovaného úseku sú navrhnuté tak, že budú bezpečne zachytávať povrchovú zvetranú vrstvu bridlíc, ktorá časom zvetrá až na hrúbku 1,2 m. Takéto riešenie sa navrhlo v miestach, ktoré potenciálne ohrozovali dnešnú trať. Pred realizáciou sietí sa existujúca zvetraná vrstva odstráni aj s rozvoľnenými sutinami. Miesto tektonického zlomu, v ktorom je horninový masív značne rozpukaný, sa doplnilo o zabezpečenie trvalými zemnými kotvami, kotviacimi zvislé železobetónové rebrá. V mieste potenciálneho tektonického zlomu sa osová vzdialenosť klincov zmenšila. Dĺžka klincov sa v týchto miestach predĺžila na základe predpokladu, že v tomto úseku je pokryvná rozvoľnená vrstva s väčšou hrúbkou.

Na vstupnej porade k predmetnej sanácii sa odporúčalo zrealizovať v päte svahu retenčno-ochranný múr v celej dĺžke sanácie. Po predložení statických výpočtov deklarujúcich bezpečnosť návrhu zaistenia svahu sa retenčný múr skrátil na minimálnu nevyhnutnú dĺžku. Navrhol sa v mieste pred sieťovaním, v úseku, kde sa železničná trať odďaľuje od svahu.

V projekte sa špecifikovali základné parametre prvkov, ktoré musia jednotlivé varianty sanácie spĺňať. Pri kotvách to boli predpínacie sily, počet pramencov, dĺžka kotvy a koreňa, minimálny priemer vrtu, priemer vyinjektovaného koreňa. Pri klincoch išlo o priemer oceľového profilu, minimálny priemer vrtu, materiál profilu, dĺžku klinca v horninovom prostredí a dĺžku nad terénom. V prípade vysokopevnostných sietí išlo najmä o pevnosť siete v pozdĺžnom a priečnom smere (prípadne diagonálnom smere), spôsobe povrchovej ochrany a maximálnej veľkosti oka.

Opis štyroch variantov zabezpečenia svahu postihnutého zosuvnou činnosťou
1. Od žkm 141,535 po žkm 141,560 je navrhnutý železobetónový retenčno-ochranný múr, ktorý bude slúžiť na zachytávanie prípadných malých strží pri výdatnej zrážkovej činnosti. Železobetónový múr bude chrániť železničnú trať pred akumuláciou sutiny. Je navrhnutý na zachytenie odtrhu dĺžky 6 m v hrúbke 1,0 m z hornej časti svahu. Výška zosunu masy je 14 m. Múr bude založený na mikropilótach. Pri výpočte plášťového trenia mikropilót sa uvažovalo, že polovica dĺžky mikropilót bude v zemine F6 a druhá polovica v poloskalnej hornine R5, R4. Túto skutočnosť je nevyhnutné overiť pri vrtných prácach. Rub múra musí byť od akumulovanej sutiny pravidelne čistený.

2. V staničeniach žkm 141,560 – 141,600, ďalej v žkm 141,625 – 141,680 a 141,705 – 141,840 sa sanácia svahu postihnutého potencionálnymi zosuvmi navrhuje zrealizovať pomocou klincovania v kombinácii so sieťovaním vysokopevnostnými sieťami. V týchto úsekoch je potrebné navetranú povrchovú vrstvu očistiť. Očistený povrch musia tvoriť poloskalné horniny pevnostnej triedy minimálne R6. V projekte sa preň vyšpecifikovali minimálne pevnostné parametre, ktoré je potrebné dosiahnuť na zaistenie bezpečnosti. Takisto sa špecifikovala maximálna hrúbka hornín R6, a to na 1,2 m. Pod touto vrstvou musia byť zdokumentované poloskalné horniny triedy R5 s hrúbkou do 1,4 m s minimálnymi pevnostnými parametrami opísanými v projekte. Pod horninou R5 sa musia pri vŕtacích prácach overiť poloskalné horniny triedy R4.

    Stabilitu vysokopevnostnej siete budú zabezpečovať trvalé zemné klince. Raster klincov pri zabezpečovanej 1,1 m až 1,2 m hrubej zvetranej vrstve bude 4,0 m × 4,0 m. Dĺžka nosných klincov musí byť minimálne 3,0 m. Navrhnuté klince sú CKT tyče s minimálnym priemerom 28 mm.

    V prípade akýchkoľvek odlišností od predpokladov v projekte je potrebné po konzultácii dodávateľa, projektanta a investora operatívne robiť úpravy, či už v zmenšovaní rastrov klincov, zväčšovaní prierezov klincov alebo ich dĺžok.

3. V žkm 141,680 až 141,705 možno z dôvodu predpokladanej tektonickej poruchy očakávať väčšiu povrchovú hrúbku poloskalných hornín (zemín) R6. Predpokladáme, že po zosunutí môže byť v predmetnom staničení hrúbka R6 do 1,5 m. Pevnostné parametre pre R6 boli opätovne zadefinované v projekte a vychádzali zo záverov inžinierskogeologického posudku. Pod R6 bola prieskumom definovaná hrúbka poloskalných hornín R5 okolo 2,5 m. Poloskalné horniny R4 boli dokumentované v hĺbke asi 4,0 m od povrchu terénu.

    Stabilitu vysokopevnostnej siete budú v tomto úseku opäť zabezpečovať trvalé zemné klince. Ich raster pri zabezpečovanej 1,5-metrovej vrstve R6, časom zvetranej R6 do hĺbky 1,2 m bude 3,5 m × 3,5 m. Dĺžka nosných klincov bude minimálne 4,5 m, z ktorých 0,1 m bude nad terénom. Aj v tomto prípade klince tvoria CKT tyče s priemerom 28 mm, vkladané do vrtov priemeru 133 mm.

    Systém sietí je po obvode upevnený lanami s priemerom 12 mm, ktoré sú miestne upevnené lanovými kotvami alebo zemnými klincami. Aby sa zabránilo vyplavovaniu zvetraných častíc bridlíc cez oká sietí, umiestni sa pod siete protierózna georohož. Klince uchytávajúce siete sa budú predpínať na silu 30 kN momentovým kľúčom.

4. Úsek v žkm 141,605 až 141,625 je poznačený tektonickým porušením. Ako prvý bol zasiahnutý zosunutím povrchovej vrstvy najviac postihnutej eróziou, pravdepodobne vplyvom dlhodobého a výdatného pôsobenia zrážkovej a podzemnej vody.

    V tomto rozmedzí staničení sa predpokladalo, že pred zosunutím svahu hrúbka poloskalných hornín R6 a sutín dosahovala hodnotu 2,5 až 3,0 m. Keďže došlo k zosunutiu časti svahu v mocnosti maximálne 2,0 m, v tomto úseku povrchovú vrstvu tvoria horniny R6 s hrúbkou maximálne 1,1 m. Pod R6 sa predpokladá výskyt poloskalnej horniny R5 s výrazným poruchami do hĺbky 6,0 až 7,0 m od povrchu dnešného terénu. Následne sa až v hĺbke 6,0 – 7,0 m na základe priečnych rezov spracovaných v IGP predpokladá výskyt poloskalnej horniny R4, ktorú charakterizuje veľká až veľmi veľká hustota diskontinuít. Z uvedených dôvodov je úsek zabezpečený železobetónovými kotevnými rebrami v kombinácii s trvalými zemnými kotvami, sieťovaním a klincami. Vrchná časť zosunutého svahu sa v danej dĺžke zabezpečí striekaným betónom a zemnými klincami.

    Pod plochou vytvorenou striekaným betónom sa vytvorí ryha, ktorá sa vyplní humóznou zeminou. Do nej sa vysadia vhodné popínavé rastliny, čím sa zabezpečí zazelenanie sivej plochy, ktorú tvorí striekaný betón.
    Pod striekaným betónom budú stabilitu zabezpečovať železobetónové kotevné rebrá v rozmeroch 0,5 × 0,7 m. Každé rebro bude kotvené dvoma trojpramencovými kotvami, ktoré je potrebné predopnúť na silu 250 kN. Skúšobná predpínacia sila bude 1,25-násobok požadovanej sily predopnutia. Rebro musí byť z dôvodu únosnosti podložia zapustené do terénu minimálne 0,2 m. Do rebier na výstuž sa cez spojovacie krúžky z každej strany uchytí vysokopevnostná oceľová sieť.

    V rámci projektu je navrhnuté odvodnenie celého miesta pomocou korugovaných drenážnych rúr DN 100, ktoré budú osadené do vyhĺbených rýh s rozmermi 0,2 × 0,25 m. Rúry sa obalia netkanou geo­textíliou predpísanej plošnej hmotnosti a obsypú drenážnym materiálom.

Obr. 3  Deformačná sieť jedného z posudzovaných rezov	Obr. 4  Priebehy síl v jednotlivých prvkoch

Bludné prúdy
Pretože sa sanácia realizuje pri trati s jednosmernou trakčnou sústavou, bolo nevyhnutné vybaviť všetky železobetónové konštrukcie zariadením na meranie korózneho potenciálu (účinkov blúdivých prúdov). Pre minimalizovanie týchto účinkov na oceľové siete je potrebné bloky sietí fyzicky od seba oddeliť. Medzi sieťami musí vzniknúť priestor veľkosti 0,3 m bez vodivého prepojenia. Siete sa budú deliť po 30 až 35 m.
V sanovanom úseku trate bolo nevyhnutné staticky zabezpečiť všetky trakčné stožiare z dôvodu ich podkopania počas realizácie odvodňovacej priekopy. Statické zabezpečenie základov trakčných stožiarov bolo navrhnuté pomocou mikropilót. Vzhľadom na priebeh terénu je odvodnenie v päte sanácie navrhnuté pomocou prefabrikátov TZM.

Na overenie predpokladov týkajúcich sa najmä úrovne rozhrania jednotlivých tried poloskalných hornín sa v projekte špecifikovala potreba opísať zloženie geologickej skladby, pri vŕtacích prácach na osadenie klincov, a to pri každom pätnástom klinci.

Obr. 5  Priebeh deformácií po namodelovaní zvetrania povrchovej vrstvy s uvažovanou hrúbkou	Obr. 6  Ukladanie sietí na svahy

Výpočtové metódy
Ako hlavná výpočtová metóda sa na návrh sanácie použila metóda konečných prvkov (MPK). Programom sa posúdili celkové stability všetkých rezov a v prípade návrhu sietí a klincov sa dimenzačné hodnoty jednotlivých prvkov porovnali s klasickými výpočtami (analytická metóda). V prípade posúdenia a nadimenzovania rezu v tektonickom zlome, ktorý je zabezpečený kotvami kotviacimi železobetónové rebrá, klincami a sieťovaním, sa použila len metóda MKP.

Pri porovnaní výsledkov oboch metód možno skonštatovať, že pri metóde konečných prvkov sa zistili v klincoch a sieťach menšie sily. V klincoch boli menšie o 10 %, v sieťach o približne 15 %. Tieto rozdiely v namáhaní sú pravdepodobne spôsobené tým, že pri výpočte MKP dochádza k reálnejšiemu prerozdeleniu síl. Vychádza to zo skutočnosti, že sa modeluje celý posudzovaný rez s celým geologickým rozhraním. Pri klasickej výpočtovej metóde sa uvažuje len o jednom type zemín (hornín) a používa sa zjednodušená výpočtová metóda, ktorá sa môže od skutočného správania zemín mierne odlišovať. Klasická metóda definuje najnepriaznivejšie možné porušenie, a preto dáva pravdepodobne vyššie hodnoty namáhania.
Na základe opísaných skutočností nemožno jednoznačne povedať, že metóda MKP dáva vo všeobecnosti ekonomickejší návrh. Do výpočtu totiž vstupuje oveľa viac okrajových podmienok a pri iných parametroch horninového prostredia (sklonoch vrstiev, svahov, geologických vrstvách) nemožno vylúčiť, že sa ňou nezistia väčšie namáhania jednotlivých prvkov ako klasickou metódou.

Na vyslovenie jednoznačných záverov by sa mali spracovať rozsiahlejšie štúdie a porovnania. Jednoznačné závery nemožno urobiť na základe jedného konkrétneho návrhu zabezpečenia a porovnania dvoch metód. S veľkou pravdepodobnosťou by sa najefektívnejší návrh získal posúdením 3D modelu, ktorý vie zohľadniť pôsobenie namáhania vo všetkých troch smeroch. Keďže takýmto programom nedisponujeme, túto skutočnosť nemôžeme ku dňu spracovania tohto článku overiť. V posúdení každého rezu sa uvažoval aj vplyv seizmicity.

Typ vysokopevnostných sietí
Na základe požiadaviek definovaných v projekte aplikuje hlavný dodávateľ stavby zabezpečenie zosuvného svahu siete od spoločnosti MACCAFERRI CENTRAL EUROPE. Priečna pevnosť celého systému je zabezpečená doplnením priečnych a diagonálnych oceľových lán k sieťam Steelgrid HR30. Zá­kladné prvky nosného systému sietí sú opísané ďalej.
 
Oceľové lano
Oceľové lano (DIN 3060) je vinuté klasickým spôsobom so skladbou 6 × 19, s konopnou dušou, stredne ohybné, odolné proti oderu. Povrch drôtov je galvanicky pozinkovaný, trieda A. Priemer lana je 10 mm.
 
Steelgrid HR30
Ide o geokompozit pozostávajúci z dvojzákrutovej oceľovej siete typu 8 × 10, pletenej z drôtu s priemerom 2,7 mm (EN 10218-2 a EN 10223-3). Je individuálne galvanicky chránená zliatinou Galmac (zinkovo-hliníková zliatina) v množstve presahujúcom 245 g/m².

Integrované oceľové laná majú nominálny priemer 8,0 mm (EN 10264-2/DIN 3060/UNI ISO 2408), drôty lana majú nominálnu pevnosť 1 770 N/mm² a sú jednotlivo galvanizované zliatinou Galmac podľa EN 10264-2, trieda B. Oceľové laná sú z dôvodu zabezpečenia integrovanej celistvosti geokompozitu pozdĺžne vpletené do dvojzákrutovej siete počas procesu výroby. Vzdialenosť vpletených lán je 300 mm. Geokompozit sa dodáva v rolkách šírky 2,9 m a dĺžky 25 m.
 
Steelgrid HR systémová platňa
Systémová platňa (obr. 7) je vysokopevnostný prvok s klenutým otvorom v strede a zahnutými rohmi na čo najlepšie prichytenie lán geokompozitu Steelgrid HR a najlepšiu smerovú variabilitu kotviacich prvkov. Rozmery platne sú 250 × 250 mm, priemer otvoru je 37 mm, hrúbka platne 8,0 mm. Trieda ocele je S235LRG2, galvanizovaná žiarovo podľa EN ISO 1461-2, s množstvom zinku najmenej 500 g/m².

Obr. 7  Systémová platňa prichytávajúca siete	Obr. 8  Typy vysokopevnostných sietí

Záver
Dôvodom aktivizácie zosuvov boli s najväčšou pravdepodobnosťou klimatické pomery v danom roku. V období mája až augusta 2010 v predmetnom území padlo nadpriemerné množstvo zrážok. Zosunutiu sutín a povrchovej vrstvy bridlíc napomohlo aj ich degradovanie procesom zvetrávania počas rokov od zrealizovania železničnej trate.

Do času spracovania tohto článku sa odlišnosti od projektovaných predpokladov nepotvrdili ani pri identifikácii zlomov, ani pri predpokladaných rozhraniach jednotlivých poloskalných hornín vrátane mocnosti povrchového zvetrania a pevnostných parametrov hornín.

Sieťovanie strmých svahov tvorí v určitých prípadoch vhodnú alternatívu k striekaným betónom. Hlavnou výhodou je ich estetickejšie splynutie s okolitým terénom a rýchlosť realizácie.

Projektantom návrhu sanácie je spoločnosť PRODEX, spol. s r. o., a dodávateľom vysokopevnostných sietí pre sanáciu je spoločnosť MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.
 
TEXT: Ing. Roman Kezman, Ing. Jozef Sňahničan
FOTO: PRODEX, MACCAFERRI CENTRAL EUROPE
 
Roman Kezman je vedúci oddelenia geotechniky v spoločnosti PRODEX, spol. s r. o.

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

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.