Zakladanie stavebnej jamy areálu Centrál Bratislava

Návrhu paženej a tesnenej stavebnej jamy pri výstavbe obchodných priestorov, technického zázemia a podzemných garáží polyfunkčného areálu Centrál v Bratislave predchádzali početné geotechnické modely a výpočty. Projektový návrh zahŕňal ochranu stavebnej jamy trvalou kotvenou pažiacou konštrukciou, znižovanie hladiny podzemnej vody v stavebnej jame, úpravu základovej škáry, ako aj návrh pilót a základovej dosky.

Pôdorys podzemnej časti polyfunkčného areálu Centrál má približne obdĺžnikovitý tvar s rozmermi 153 × 122 m. Horná hrana základovej dosky sa nachádza na úrovni –14,85 m od 0,00. Z celkového pôdorysu podzemnej stavby vystupuje súbor nadzemných objektov s rôznou výškou. Nadzemné objekty sú napojené na suterénny priestor podzemnej časti stavby.

Na optimalizovanie spôsobu ochrany stavebnej jamy a založenia objektu sa musela zohľadniť geometria stavebnej jamy, charakter nadzemných objektov a reálne geologické a hydrogeologické pomery v mieste staveniska. Museli sa rešpektovať požiadavky na pažiacu a tesniacu konštrukciu stavebnej jamy z hľadiska obmedzenia prítokov vody do stavebnej jamy a stability okolitej zástavby a terénu. Z hľadiska zakladania sa zohľadnili požiadavky na veľkosť celkového, ako aj diferenciálneho sadania súboru vysokých nadzemných objektov. Celkové riešenie takisto zahŕňalo návrh čerpacieho systému a spevnenie základovej škáry.

Geologické pomery
Z geologického hľadiska je záujmové územie budované sedimentmi neogénu a kvartéru.
Neogénne podložie nastupuje v hĺbke od 9,0 do 12,0 m pod terénom. Zastúpené je ílovito-piesčitými sedimentmi, pričom vrstevný sled je plošne aj vertikálne veľmi premenlivý. Spodné časti súvrstvia sú budované vápnitými ílmi. V oblasti sedimentov kvartéru sa miestami vyskytujú štrky a piesky. Lokálne sa vyskytujú aj pieskovec a lignit, hrubé niekoľko decimetrov. Nesúdržné sedimenty neogénu sú zastúpené nepravidelne rozloženými piesčitými vrst­vami. V prevažnej miere ide o hlinité a ílovité piesky, stredne uľahnuté až uľahnuté.

Kvartérne sedimenty sú v záujmovom území zastúpené antropogénnymi navážkami a fluviálnymi sedimentmi. Antropogénne sedimenty (navážky) sú pozostatkami úpravy okolitého terénu pri výstavbe v tejto časti mesta. Navážky sú v hrúbke od 1,0 do 5,0 m. Pod nimi leží pestré súvrstvie náplavových sedimentov vo forme hliny a piesku. Ich hrúbka dosahuje 1,5 až 2,5 m. Fluviálne sedimenty sú dominantným typom kvartérneho pokryvu. Ide o drobnozrnné až hrubozrnné štrky fácie koryta vodného toku Dunaja. Vyskytujú sa prevažne od hĺbky 3,5 až 4,0 m pod terénom. Ich hrúbka je nepravidelná v rozpätí od 3 až do 6 m.
 
Hydrogeologické pomery
Komplex kvartérnych štrkov predstavuje kolektor podzemnej vody s pórovou priepustnosťou a voľnou hladinou. Charakteristickou vlastnosťou tohto súvrstvia je vrstevná heterogenita, podmienená častým striedaním priepustnejších a menej priepustných vrstiev s výraznou anizotropiou. Priepustnosť štrkov charakterizuje v horizontálnom smere koeficient filtrácie kf = 2 až 5 . 10–3 m/s.

Úroveň hladiny podzemnej vody v danom území ovplyvňuje stav hladiny v povrchovom toku Dunaja. Priemerná úroveň hladiny podzemnej vody sa pohybuje v hĺbke približne 5,0 m pod terénom. Priemerná hodnota osciluje medzi 130,80 až 131,30 m n. m. Maximálna hladina podzemnej vody môže dosiahnuť hodnotu 132,0 m n. m. Podložný komplex neogénnych sedimentov predstavuje z hydrogeo­logického hľadiska poloizolátor až izolátor. Zavodnené kolektory v neogéne tvorí piesčitý íl a piesky s rôznym obsahom jemnozrnnej zeminy. Majú pomerne malé mocnosti, preto nevytvárajú výraznejšie akumulácie podzemných vôd. Tvoria väčšinou uzatvorené vrstvičky, respektíve šošovky s napätou hladinou podzemnej vody.

 Technické riešenie
Ochrana stavebnej jamy bola navrhnutá tak, aby počas stavebných prác pod úrovňou terénu plnila funkciu stabilizácie okolia stavebnej jamy a v štádiu užívania objektu pôsobila súčasne ako trvalá stenová konštrukcia zabezpečujúca prenos silových účinkov stavby. Na dosiahnutie minimálnych prítokov podzemnej vody počas stavebných prác a nulových prítokov (po drobných opravách tesnosti) počas užívania diela sa navrhla pažiaca konštrukcia tak, aby súčasne plnila aj funkciu tesniacej steny.

Generálna hĺbka stavebnej jamy dosahovala 15,75 m, respektíve v niektorých miestach až 16,55 m v závislosti od hrúbky základovej dosky. Lokálne v miestach stĺpov, respektíve v miestach technologických priehlbní bola hĺbka výkopu ešte väčšia. Uvedené hĺbky predstavujú z hľadiska statiky vysoké nároky na pažiacu konštrukciu. Na základe zhodnotenia geologických a hydrogeologických pomerov, geometrie stavebnej jamy a  hornej stavby sa navrhla kotevná konštrukčná podzemná stena s hrúbkou 800 mm (KPS) s funkciou paženia a tesnenia stavebnej jamy. KPS sa dimenzovala na úroveň hladiny podzemnej vody –5,65 = 131,35 m n. m., čo predstavuje z hľadiska dlhodobého režimového pozorovania priemerný stav. V závislosti od hĺbky výkopu sa KPS kotvila na jednej, respektíve na dvoch kotevných úrovniach (pod výškovou budovou). KPS sa hĺbila po jednotlivých lamelách so základnou šírkou 6,5 m. Päta KPS sa zo statických dôvodov navrhla do takej hĺbky, aby prirodzene zasahovala až do neogénneho ílového podložia s relatívne nízkou mierou priepustnosti. Päta podzemných stien sa navrhla na základe stabilitného geotechnického výpočtu v hĺbke –22,0, respektíve –23,0 m od úrovne ±0,00. Prienikom KPS do neogénu sa zabezpečilo tesnenie stavebnej jamy proti obtekaniu v takej miere, že čerpanie vody zo stavebnej jamy bolo na prijateľnej úrovni. Výplň KPS tvorí vystužený betón C25/30-XC2 (maximálny priesak 50 mm), ktorým sa po lokálnej sanácii pomocou kryštalickej hydroizolácie zabezpečila dostatočná vodotesnosť proti priesakom podzemnej vody v celej ploche KPS. Pre prípad nutnosti dotesnenia ojedinelých priesakov cez styky medzi lamelami sa zámky lamiel vystrojili zabudovanou injekčnou rúrkou. Finálna úprava KPS sa vyhotovila frézovaním povrchu steny, čím sa dosiahol požadovaný estetický vzhľad. Konštrukčný návrh KPS sa realizoval v súlade s STN EN 1538: 2011 (Vykonávanie špeciálnych geotechnických prác. Podzemné steny).

Zemné kotvy sa navrhli ako dočasné. V definitívnom štádiu po odkotvení prevezmú ich statický účinok stropné konštrukcie. Na miestach, kde stropné konštrukcie nevytvárajú súvislú podperu (šachty, rampy), sa navrhli trvalé kotvy s protikoróznou ochranou. Navrhovaná dĺžka injektovaných kotiev bola 15,5 až 17,0 m. Charakteristické namáhanie kotiev sa pohybovalo v rozpätí od 635 do 800 kN. Celkovo sa navrhlo 508 kotiev. Konštrukčný návrh kotiev sa realizoval v súlade s STN EN 1537: 2002 (Vykonávanie špeciálnych geotechnických prác. Injektované horninové kotvy).

Stabilitný výpočet KPS sa uskutočnil metódou závislých tlakov, ktorá modeluje zeminu ako ideálnu pružno-plastickú látku. Veľkosť zemných tlakov sa určovala vo výpočte iteračne (metóda postupnej aproximácie) v závislosti od deformácie KPS v jednotlivých modelovaných fázach výstavby. Na základe uskutočnených geodetických a inklinometrických meraní deformácií KPS možno konštatovať veľmi dobrú zhodu medzi výpočtovou prognózou a skutočnosťou.

 Odvodnenie stavebnej jamy
Odvodnenie stavebnej jamy tvorilo samostatnú časť návrhu. Vzhľadom na hĺbku základovej škáry nachádzajúcej sa pod hladinou podzemnej vody bolo nevyhnutné zabezpečiť dostatočnú tesnosť stavebnej jamy proti prítokom podzemnej vody a pomocou čerpacieho systému udržať relatívne suchú stavebnú jamu v priebehu celej výstavby podzemnej časti objektu. Základová škára objektu sa nachádza v nepriepustnej neogénnej vrstve, preto prítoková ani zrážková voda nebola schopná infiltrovať do podložia. Z tohto dôvodu sa v celej ploche základovej škáry zrealizovala drenážna vrstva z drveného kameniva vhodnej frakcie s hrúbkou 300 mm (pod výškovou budovou 400 mm). Táto vrstva súčasne spevňuje základovú škáru pod základovou doskou. Čerpací systém tvorí šesť čerpacích studní s priemerom 1 200 mm, ktoré boli rovnomerne rozmiestnené na ploche stavebnej jamy. Realizovali sa v prvej etape výkopu a siahajú približne 3,0 až 3,5 m pod bázu kvartéru až do vrstvy neogénu. Čerpaná voda sa odvádzala do šiestich vsakovacích studní umiestnených za vonkajším obvodom stavebnej jamy. Podzemná voda sa čerpala, až kým sa nedosiahol stav dostatočnej protizáťaže objektom proti pôsobeniu vztlaku podzemnej vody (realizácia stropnej konštrukcie nad 2. NP).
 
Základová konštrukcia
Pilóty sú súčasťou základovej konštrukcie, ktorá v súčinnosti so základovou doskou predstavuje z funkčného hľadiska kombinovaný doskovo-pilótový základ. Znamená to, že časť zaťaženia prenáša základová doska v mieste kontaktu s podložím a zvyšnú časť preberá sústava pilót. Pilóty sa umiestnili pod každé zaťažovacie miesto so zadaným zvislým zaťažením od stavby (stĺpy, nosné monolitické steny).

Návrh zakladania sa spracoval na základe súboru interakčných výpočtov pre model doskovo-pilótového základu programom Nexis (výpočtový modul Soilin) so zohľadnením pružného podoprenia tam, kde sú pilóty. Podložie sa vo výpočte modelovalo ako dvojparametrický (C1, C2) Pasternakov model, pričom sa bral do úvahy aj roznos šmykových síl v zemine. Parametre podložia C1z, C2x, C2y sa v programe počítajú zo zadaného geologického profilu iteračným postupom tak, aby sa dosiahla zhoda medzi pretvorením dosky a sadaním podložia. Sadanie podložia sa v programe počíta podľa štandardných geotechnických postupov (STN 73 1001: 2010 (Geotechnické konštrukcie. Zakladanie stavieb). Parametre podložia (C1, C2) sú produktom výpočtu a zohľadňujú geotechnický model podložia.

Na celý rozsah základovej dosky sa vytvoril jeden spoločný výpočtový model. Pri návrhu pilót a základovej dosky sa posúdili dva extrémne zaťažovacie stavy. V prvom sa uvažovali maximálne zaťaženia z hornej stavby pri minimálnej hladine podzemnej vody (HPV) a alternatívne pri maximálnej úrovni HPV. V druhom sa uvažovali redukované zaťaženia pre stavbu zrealizovanú po úroveň 2. NP pri maximálnej HPV, a to na posúdenie stavu ukončenia aktívneho čerpania podzemnej vody. Takýmto spôsobom sa stanovili maximálne tlakové, ako aj ťahové účinky do pilót. Tuhosť pilót sa vo výpočtovom modeli stanovila na základe výpočtového modelovania medznej zaťažovacej krivky. Pri posúdení únosnosti pilót sa potupovalo podľa ustanovení STN EN 1997-1: 2005 (Eurokód 7. Navrhovanie geotechnických konštrukcií. Časť 1: Všeobecné pravidlá) a príslušnej národnej prílohy. Nadnárodná príloha predpisuje na stanovenie únosnosti pilót použitie výpočtového postupu 2 (DA2).

Na základe geotechnického výpočtu sa navrhli vŕtané pilóty s priemerom 1 200 mm (realizačný rozmer 1 180 mm) a s dĺžkou v rozpätí od 10 do 20 m. Na miestach stĺpov sa navrhli prevažne dve, respektíve tri pilóty. V zónach s viacpodlažnou zástavbou rozhodovalo o návrhovej dĺžke pilót tlakové namáhanie. V oblastiach bez nadzemnej zástavby bolo pri návrhu rozhodujúce ťahové namáhanie v stavebnom štádiu v čase odstavenia čerpacieho systému. Pod monolitickými stenami v jadrách sa pilóty rozmiestnili vo vzdialenostiach zodpovedajúcich veľkosti pôsobiaceho zaťaženia.

Vzhľadom na statické nároky a geologické podmienky v neogéne sa pilóty navrhli ako vŕtané, realizované klasickým systémom vŕtania pod ochranou výpažnice. Na zabezpečeni pohybu ťažkých pilótovacích súprav sa pilóty realizovali priamo z vystuženého podkladového betónu.

Konštrukčný návrh pilót sa uskutočnil v zmysle STN EN 1536: 2011 (Vykonávanie špeciálnych geotechnických prác. Vŕtané pilóty). Vzhľadom na výrazné ťahové účinky do pilót sa štandardné vystuženie pilót do hĺbky približne 5,0 m zosilnilo. Na zhotovenie pilót sa použil betón triedy C25/30-XC2.

Z hľadiska statického pôsobenia vytvára základová doska spolu s pilótami integrálny celok, ktorý je v priamej interakcii s podložím. Pri návrhu dosky sa zobrala do úvahy okrajová podmienka zohľadňujúca relatívne vysokú tuhosť podoprenia vo zvislom smere v mieste napojenia na podzemnú stenu. Na základe výpočtov sa prognózovalo sadanie kombinovaného doskovo-pilótového základu v rozpätí od 5 až do 18 mm. Najvyššie hodnoty sadania možno očakávať pod jadrom výškového objektu s 22 nadzemnými podlažiami. Predpokladané hodnoty sadania sa budú počas výstavby a prevádzky porovnávať s výsledkami geodetických nivelačných meraní.

Základová doska sa navrhla ako súvislá nedilatovaná doska s hrúbkou 1 200 mm pod výškovým objektom a s hrúbkou 500 mm v ostatnej časti pôdorysu. Na miestach s bodovým zaťažením pod stĺpmi sa navrhlo lokálne zhrubnutie základovej dosky na 800 mm. Tesnenie základovej dosky proti podzemnej vode sa zhotovovateľ rozhodol realizovať systémom kryštalických hydroizolácií. Všetky pracovné škáry v základovej doske a napojenia obvodových stien na základovú dosku sa proti priesakom podzemnej vody zabezpečili systémovými detailmi.

Základné vystuženie a doplnková výstuž pri hornom a dolnom povrchu základovej dosky sa navrhli na základe programom stanovených potrebných plôch výstuže pri medznom stave únosnosti. Na miestach s najväčším ohybovým namáhaním (dolný okraj základovej dosky pod stĺpmi) sa navrhla výstuž dodatočne posúdená na medzný stav šírky trhlín. Pri posúdení sa použilo limitné kritérium šírky trhliny vplyvom stáleho zaťaženia w = 0,3 mm a šírky trhliny vplyvom stáleho a premenného zaťaženia w = 0,4 mm. Uvedené šírky trhlín predstavujú limitné hodnoty na použitie kryštalických hydroizolácií. Pri návrhu vystuženia sa súčasne zohľadnili účinky vplyvom zmrašťovania blokov základovej dosky, na ktoré sa základová doska rozdelila pri realizácii pracovných škár a zmrašťovacích pruhov. Súčasne sa projektom stanovili požiadavky na vhodnú receptúru betónu s ohľadom na požadovanú triedu betónu základovej dosky C25/30-XC2 (maximálny priesak 50 mm) a s ohľadom na požiadavku minimalizácie trhlín vplyvom zmrašťovania sa určilo vhodné zloženie kameniva, vhodný typ cementu, množstvo zámesovej vody a prísad do betónu. Autorom projektu geotechniky je spoločnosť SPAI spoločnosť pre projektovanie a inžniering, s. r. o., so sídlom v Bratislave.

TEXT: Ing. Ctibor Kostúr, Ing. Martin Balucha, PhD.
FOTO: SPAI spoločnosť pre projektovanie a inžiniering, Zakládání staveb Praha
 
Ing. Ctibor Kostúr je autorizovaným inžinierom a konateľom spoločnosti SPAI – spoločnosť pre projektovanie a inžniering, s. r. o.

Ing. Martin Balucha je autorizovaným inžinierom a konateľom v spoločnosti SPAI – spoločnosť pre projektovanie a inžniering, s. r. o.

Literatúra
1.    STN EN 1997-1/NA: 2010 Eurokód 7. Navrhovanie geotechnických konštrukcií. Časť 1: Všeobecné pravidlá.
2.    STN 73 1001: 2010 Geotechnické konštrukcie. Zakladanie stavieb.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.