Zabezpečenie svahov prefabrikovanými rebrami

Diaľnica D 3 Čadca, Bukov – Svrčinovec sa okrem iných zložitých geotechnických konštrukcií vyznačuje aj kotvením hlbokých zárezov. V návrhu sa riešilo trvalé zabezpečenie zárezov, ktoré by malo byť ekonomicky prijateľné, technologicky jednoducho a rýchlo realizovateľné a zároveň prispôsobené zložitým geologickým podmienkam.

Na zabezpečenie hlbokého zárezu projektanti navrhli stenu z prefabrikovaných rebier, ktorú tvoria zvislé a vodorovné prvky. Nosnú konštrukciu dopĺňajú kotvy a svorníky. Ako výplň medzi rebrami slúžia gabióny a špeciálne oceľové prvky, ktorými sa nedotvára len celkový estetický vzhľad konštrukcie, ale zároveň sa vytvára ochrana proti zvetrávaniu ílovcov, pri zachovaní priepustnosti vody. Z hľadiska parametrov ide o tri rovnaké konštrukcie na 40,0 až 41,77 kilometri diaľnice (obr. 1). V najvyššom mieste dosahuje rebrová konštrukcia výšku 13,1 m nad základovou konštrukciou, čím sa zabezpečuje zárez s hĺbkou 20,7 m. Najdlhšia konštrukcia dosahuje dĺžku 450 m.

Obr. 1 Pohľad na časť objektu 281 – 13

Zabezpečenie svahu prefabrikovanými rebrami projektanti navrhli v prípade troch objektov, ktoré sú súčasťou diaľnice D3 Čadca, Bukov – Svrčinovec. Ide o dva kratšie objekty s dĺžkou do 200 m a jeden dlhší dosahujúci dĺžku 450 m. V tomto úseku diaľnica prechádza sčasti po príkrom svahu a zároveň cez územie postihnuté zosuvmi.
 
Geologické a hydrogeologické pomery
Hĺbenie zárezov sa realizuje v heterogénnom prostredí, výrazne sa meniacom v rámci jedného úseku. Geológia oblasti (obr. 2), v ktorej sú zárezy zabezpečené rebrovými konštrukciami, je nasledovná:

• deluviálne suťové sedimenty typu F2/CG s mocnosťou 1 až 2 m,
• ílovce celkom až výrazne zvetrané R6-R5,
• sedimenty zosuvného delúvia s mocnosťou 1,6 až 2,5 m,
• časť trasy sa vedie v odlučnej hrane stabilizovaného zosuvu s mocnosťou zosuvného delúvia 1,3 m typu F2/CS a F8/CH,
• deluviálne hlinité sedimenty F5/ML.

Obr. 2 Geometria a geologická skladba

Pre horninové prostredie sú charakteristické (tab.):

• paleogénne ílovce s extrémne nízkou až veľmi nízkou pevnosťou R6-R5 siahajúce do hĺbky 16,2 m, vo väčších hĺbkach s pevnosťou R4. Vo vrstve sa ojedinele nachádzajú pieskovce s premenlivou pevnosťou R5;
• pieskovce siahajúce do hĺbky asi 6,0 m s pevnosťou R6-R4, vo väčšej hĺbke s pevnosťou R3-R2 v prevahe nad ílovcami s veľmi nízkou pevnosťou R5;
• tektonicky porušené ílovce R6;
• striedajúce sa tektonicky porušené ílovce a pieskovce do hĺbky 20,0 m.

Hladina podzemnej vody sa nachádza vo výške 3,0 až 11,5 m.
Rizikové faktory predstavuje:

• heterogénne horninové prostredie,
• tektonicky porušené horniny,
• nestálosť ílovcov a objemové zmeny jemnozrnných zemín v dôsledku vplyvu exogénnych činiteľov,
• porušenie územia eróznou ryhou s občasným tokom,
• možnosť zvýšenia hladiny podzemnej vody v dôsledku extrémnych zrážok,
• zvýšená chemická agresivita prostredia.

 
Seizmicita oblasti
Ide o oblasť náchylnú na seizmické javy. Medzi zdrojové oblasti patrí okolie Žiliny, Severnej Moravy a Bukowina – Podszkle. Žilina sa nachádza v seizmickej oblasti, v ktorej možno v súlade s STN EN 1998 – 1/NA/1: 2010 (73 0036) predpokladať (Eurokód 8. Navrhovanie konštrukcií na seizmickú odolnosť. Časť 1: Všeobecné pravidlá, seizmické zaťaženia a pravidlá pre budovy) maximálnu makroseizmickú intenzitu 8° stupnice MSK-64. Zaťaženie sa do výpočtu zadalo pomocou prídavného vodorovného zaťaženia, ktoré sa vypočítalo v súlade s teóriou Mononobe-Okabe.
 
Technické riešenie zabezpečenia hlbokého zárezu
Hlavný nosný prvok tvorí prefabrikovaná rebrová konštrukcia, ukotvená trvalými kotvami a svorníkmi do svahu. Priestor medzi rebrami v spodnej úrovni vypĺňajú gabióny a v hornej časti špeciálne oceľové prvky, na ktorých je vysadená zeleň. Na odvodnenie päty a koruny svahu sa použili pozdĺžne žľaby. Vrchné nesúdržné vrstvy sú vysvahované v sklone 1 : 2 a zatrávnené. Priestor medzi horným žľabom a korunou rebrovej steny je spevnený kamenným obkladom (obr. 3).

Obr. 3 Rez konštrukciou

Prefabrikované prvky majú rozmery 600 × 800 mm a sú vyrobené zo železobetónu s pevnosťou betónu triedy C35/45 XD3 XF4. Osová vzdialenosť dvoch susedných prvkov je 3,0 m. Prvky sú vzájomne kĺbovo prepojené na ozub. Ozub má špeciálny tvar a zabraňuje nadmernému roztváraniu škáry. Na ukotvenie sa použili trvalé lanové kotvy a svorníky. Svorníky slúžia na preklenutie dvoch nasledujúcich technologických fáz a na zníženie namáhania zvislých prvkov. Trvalé lanové kotvy majú po výške konštrukcie rozličný počet prameňcov v počte od 4 až po 8 ks. Dĺžky kotiev sú v rozpätí od 15,0 do 27,0 m. Kotvy sú predpnuté  na silu v rozpätí od 120 do 600 kN. Sú navrhnuté v rastri 3,0 × 3,0 m a so sklonom 25°. Umiestnenie kotvy je navrhnuté vždy v poli rebra. Navrhnuté svorníky sú sklolaminátové so sklonom 11°. Na prefabrikovaných železobetónových prvkoch sa nachádzajú aj prestupy pre kotvy a svorníky vrátane roznášacej dosky.

Priestor medzi rebrami sa v spodnej časti rebrovej konštrukcie vyplnil skladanými gabiónmi. V tomto mieste sa predpokladá vystavenie výplne pôsobeniu solí, ktoré budú vznikať počas prevádzky diaľnice. Gabióny majú zároveň plniť funkciu ochrany ílovcov proti degradácii. Výplň gabiónu tvorí zároveň nosný prvok na zachytenie zeminy a horniny medzi rebrami. Zaťaženie spôsobené zemným tlakom sa do rebier prenáša vďaka pripevneniu gabiónov k nosným rebrám pomocou nosného oceľového rámu. V hornej časti je priestor medzi rebrami vyplnený špeciálnymi oceľovými prvkami. Ide o oceľový prvok, ktorý má nosný systém uchytený uhlopriečne medzi rebrami a v priestore medzi nosníkmi je natiahnuté ťahové pletivo. Celý tento prvok je ešte v strede ukotvený do masívu, vďaka čomu nezaťažuje rebrá ďalším zemným tlakom. Na ťahovom pletive z nehrdzavejúcej ocele sa nachádza dodatočná geotextília, ktorou sa zabraňuje vypadávaniu zeminy nachádzajúcej sa medzi rebrami pred konštrukciu. Priestor za špeciálnym oceľovým prvkom je teda vyplnený zeminou, do ktorej možno osadiť popínavé rastliny. Rovnako ako výplň gabióna aj výplň špeciálnymi oceľovými prvkami tvorí priepustnú vrstvu pre vodu, vďaka čomu nie je celá rebrová konštrukcia namáhaná aj tlakom vody. Kombinácia týchto dvoch prvkov zároveň dotvára estetický vzhľad konštrukcie.

Trasou diaľnice sa na dvoch miestach prerušujú existujúce lesné cesty, ktoré v období jarného topenia snehov slúžia zároveň na odtok vody z polí. V mieste týchto korýt sa v rebrovanej stene vytvorilo pomocou gabiónov spádisko, ktorým sa má voda z hornej hrany steny odvádzať až k jej päte, v mieste ktorej je navrhnutý pätný žľab dimenzovaný na predpokladaný prietok. Aby nedochádzalo k zanášaniu gabiónov nečistotami, nachádza sa za korunnou rebrovou konštrukciou usadzovacia nádrž. Voda sa odvádza najskôr cez prepad a až potom cez gabióny do dolného žľabu. Proti zaneseniu usadzovacej nádrže sa v mieste prítoku nachádzajú hrablice na zachytávanie hrubých plávajúcich nečistôt. Takto odvedená voda sa následne odvádza pätným žľabom mimo diaľnice. Pätný žľab okrem týchto veľkých prítokov vody z topiaceho sa snehu slúži zároveň aj na zachytenie vody, ktorá presiakne cez výplň nachádzajúcu sa medzi rebrami a na odvod vody z povrchu diaľnice.
 
Postup výstavby
Realizácia musí prebiehať s ohľadom na stabilitu svahu, pričom sa musia urobiť nasledovné kroky:

• vysvahovať povrchové nesúdržné vrstvy zeminy s mocnosťou 2,5 m v sklone 1 : 2,
• vykopať zárez, ktorý po zvislých poschodiach môže mať maximálnu hĺbku 3,0 m,
• rozdeliť výkop aj v pozdĺžnom smere maximálne na dĺžku vodorovného rebra,
• po výkope čiastkového poschodia osadiť zvislé rebro a ukotviť ho svorníkmi,
• po osadení zvislých rebier osadiť vodorovné rebrá do ozubov zvislých rebier,
• následne vyvŕtať, osadiť a predopnúť kotvy vo vodorovnom smere,
• realizovať ďalšie čiastkové poschodie,
• po dokončení všetkých pozdĺžnych etáp vyhĺbiť ďalšiu zvislú etapu,
• po osadení všetkých zvislých rebier v najnižšom poschodí vybetónovať základ pod rebrá, ktorým sa má zamedziť dodatočnému poklesu zvislých rebier,
• vyplniť rebrá gabiónmi a špeciálnymi oceľovými prvkami a zhotoviť vodné spádiská z kotvených pórovitých gabiónov.

 
Statický výpočet
Vnútorné sily rebrovej konštrukcie, návrh kotiev a výpočet stability sa realizoval deformačným variantom metódy konečných prvkov v programe Plaxis V8. Ako materiá­lový model sa použil model Hardening soil. Jednotlivé charakteristiky sa vypočítali na základe geotechnických vlastností zistených inžiniersko-geologickým prieskumom. Rebrá sa modelovali priestorovými prvkami, vrátane prechodných prvkov medzi betónom a zeminou. Na zistenie vnútorných síl pôsobiacich na rebrá sa do týchto prvkov vložili prúty s malou tuhosťou. Kotvy a svorníky sa zadali lineárnymi prvkami. Jednotlivé fázy výpočtu zodpovedali predpísanému postupu výstavby uvedenému v technickej správe. Počítalo sa so zaťažením konštrukcie zemným tlakom a účinkami zemetrasenia, ktoré sa do modelu zadali pridávaním zaťaženia v súlade s teóriou Mononobe-Okabe.

Na výpočet všetkých nosných prvkov sa použil druhý návrhový prístup v súlade s STN EN 1992-1-1: 2005 (73 1201) (Eurokód 2. Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby). Výška hladiny podzemnej vody sa zadala v súlade s pokladmi inžniersko-geologického prieskumu.

Výpočet stability sa realizoval rovnako v programe Plaxis V8. Zistená stabilita zabezpečenia svahu rebrovou konštrukciou dosahuje hodnotu 1,65 (obr. 4).

Konštrukcia je ako celok ohybovo pomerne mäkká a správa sa podobne ako klincovaný svah. Dĺžky kotiev z tohto dôvodu vychádzajú presne naopak ako v prípade tuhých oporných stien.
 
Záver
Pri návrhu a posudzovaní konštrukcie sa postupovalo v súlade s STN EN 1997-1: 2005 (73 091) (Eurokód 7. Navrhovanie geotechnických konštrukcií. Časť 1: Všeobecné pravidlá) a pretože ide o oblasť zaťaženú možnou seizmicitou aj v súlade s Eurokódom 8. Všetky železobetónové prvky vyhovujú požiadavkám Eurokódu 2.

Pretože ide o zložitú konštrukciu, ktorá sa opiera o veľké množstvo kotiev, navrhuje sa realizácia typových skúšok kotiev (8-pramencové trvalé kotvy s návrhovou silou väčšou ako 500 kN) v súlade s STN EN 1537: 2002 (73 1005) (Vykonávanie špeciál­nych geotechnických prác. Injektované horninové kotvy). V priebehu výstavby je nutné realizovať meranie konštrukcie a sledovanie svahových pohybov v rozsahu:

• merania deformácií v inklinometrických vrtoch a geodetických meraní konštrukcie,
• merania síl na predpätých lanových kotvách dynamometrami s možnosťou ich odčítania aj po dokončení konštrukcie,
• geodetického sledovania rebrovej konštrukcie v mieste osadených geodetických značiek.

 
TEXT: Ing. Lumír Kliš
OBRÁZKY: archív autora
 
Ing. Lumír Kliš je doktorandom v Ústave geotechniky Stavebnej fakulty VUT v Brne a projektantom firmy AMBERG Engineering Brno, a. s.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.