Zakladanie stavieb – vystuženie bázy násypov

Množstvo stavieb sa v ostatnom období realizuje v menej vhodných podmienkach na ich zakladanie. Bez ohľadu na to sa však musia dodržať všetky kvalitatívne nároky vyplývajúce z budúceho využitia stavby.

Veľmi dobrým príkladom sú líniové stavby, predovšetkým cestné a železničné koridory. Či už ide o novú výstavbu ciest, alebo o modernizáciu železničných tratí na dosiahnutie vyšších rýchlostí, kvalitatívne vyhotovenie týchto stavieb musí byť veľmi vysoké, aby sa umožnila plynulá a bezpečná preprava. Pri stavbe zemných násypov na nevhodných, stlačiteľných zeminách sa musí konštrukcia zabezpečiť proti vzniku deformácií. Konštrukcie sa navrhujú tak, aby boli zabezpečené proti nerovnomernému sadaniu alebo sa zaistí kontrolované sadanie, prípadne sa urýchli konsolidácia podložia už počas výstavby.

Zlepšovaním vlastností zemín sa rozumejú také technické zásahy do prírodného geologického prostredia alebo umelo budovaných zemných konštrukcií, ktorých cieľom je zvýšiť únosnosť podložia, teda pevnosť zemín, dosiahnuť rovnomerné sadanie pod celým objektom, znížiť absolútnu hodnotu sadania v stlačiteľných zeminách, urýchliť konsolidáciu a podobne.

Spôsob zlepšovania závisí od požadovaných výsledných vlastností zeminy a od druhu stavby. Okrem technických nárokov treba súčasne zvážiť aj ekonomickú efektívnosť navrhovaného riešenia. Intenzívny rozvoj technológií v ostatných rokoch umožnil, že niektoré metódy donedávna využívané iba na zlepšovanie vlastností zemín postupne prebrali úlohu prenášať zaťaženie (napríklad prúdová injektáž, vystužené zeminy a podobne). Zlepšenie vlastností zemín v báze násypov sa dá dosiahnuť rôznymi metódami, vo všeobecnosti sa môžu rozdeliť do dvoch hlavných kategórií:

• povrchové zlepšenia vlastností podložia:

1. vystužovanie zemín,
2. výmena neúnosných vrstiev,
3. chemické zlepšenie existujúcej zeminy a iné;

•  hĺbkové zlepšenia vlastností zemín: 

1. vŕtané štrkové piliere,
2. hĺbkové premiešavanie so zhutňovaním,
3. hĺbková injektáž,
4. mikropilóty a iné.

Použitie geosyntetík
Súčasný rozmach používania vystužených zemín súvisí s rozvojom výroby geosyntetík. Výstužné, najmä geosyntetické prvky sa na zlepšovanie zemín čoraz častejšie používajú na dopravných stavbách. Vystužovanie bázy zemných telies má svoje nesporné výhody. Týmto spôsobom možno vo vhodných podmienkach dosiahnuť vysokú hospodárnosť projektu. Je to tak predovšetkým vďaka jednoduchej manipulácii, relatívne nízkej cene, možnosti výstavby aj v zimnom období a v neposlednom rade aj veľmi pestrej ponuke riešení.

Geomreže na vystužovanie bázy násypov
Na výstavbu násypov na neúnosných, ľahko stlačiteľných základových zeminách sa metódy zlepšovania vlastností podložia delia do dvoch kategórií. Ide o:

• metódy, pri ktorých sa zabezpečuje stabilita násypu bez kontroly sadania (obr. 1);
• metódy, pri ktorých sa okrem zabezpečenia celkovej stability minimalizuje aj sadanie násypu.

Obr. 1 Metódy zabezpečenia stability násypu bez kontroly sadania
a) vystuženie bázy násypu, b) vystuženie bázy násypu v kombinácii s vertikálnymi drénmi, c) vystuženie bázy násypu výstužným matracom

Zabezpečenie stability násypu bez kontroly sadania
Vystuženie bázy násypu
K stabilite násypu, ktorý sa realizuje na neúnosnej pôde, prispieva predovšetkým šmyková odolnosť základovej pôdy. Aby sa zabránilo prekročeniu šmykovej odolnosti v zemnom násype aj v základovej pôde, umiestni sa do základovej škáry geomreža (obr. 2 až 4). Zníženie veľkosti nerovnomerného sadania nie je v tomto prípade primárnou funkciou vystuženia.

Veľkú pozornosť treba venovať faktu, že prekročenie celkovej stability násypov na neúnosnom podloží je najkritickejšie počas výstavby. Hlavným dôvodom je, že relatívne nízka priepustnosť ľahko stlačiteľných zemín neumožňuje dosiahnuť úplnú konsolidáciu podložia v čase výstavby. Tým nastáva riziko kolapsu, a to predovšetkým za predpokladu, že konsolidácia sa neuskutočnila pred ukončením výstavby.

Po dosiahnutí úplnej konsolidácie podložia šmyková odolnosť podkladových vrstiev nadobudne také hodnoty, že potreba výstužných geomreží vo väčšine prípadov zanikne. Geomreže sa potom navrhujú tak, aby ťahové napätie v základovej škáre v období medzi koncom výstavby a časom, keď nastane úplná konsolidácia, bolo menšie ako únosnosť navrhnutých geomreží.

Výstuž v báze násypu na neúnosnom podloží stabilizuje násyp tým, že zabraňuje priečnemu rozťahovaniu násypu, vytláčaniu základovej pôdy a lokálnemu zošmyknutiu časti násypu. Stabilizujúcu ťahovú silu vo výstužnej geomreži tvoria šmykové napätia medzi zeminou v podloží a v násype. Tým sa zachytia ťahové napätia a obmedzí sa tvorenie nepravidelných deformácií, ktoré vznikajú v zemnom telese pri vysokom stlačení. Zároveň sa zabráni vzniku trhlín a zmenšia sa rozdiely v sadaní. Ak sa použije vhodné výstužné geosyntetikum, netreba použiť filtračnú a separačnú vrstvu medzi násypom a podložím.

Obr. 2 (perex) až 4 Vystuženie bázy násypu geomrežami ParaLink

Vystuženie bázy násypu v kombinácii s vertikálnymi drénmi
Čas potrebný na konsolidáciu (a teda aj nárast šmykovej únosnosti) neúnosných zemín možno znížiť použitím rozličných technicky a ekonomicky výhodných riešení. Existuje mnoho metód, napríklad štrkové pilóty, vertikálne drény, hĺbkové premiešavanie so zhutňovaním a iné. Vertikálne drény sa kombinujú s výstužnými geomrežami. Výstužné geomreže je ideálne ukladať až po realizácii vertikálnych drénov. Pri dodatočnej realizácii drénov by sa totiž geo­mreža mohla poškodiť. Niekedy je ukladanie geomreží pred realizáciou drénov nevyhnutné. V takomto prípade treba pri návrhu uvažovať o úbytku ťahových pevností v mieste vŕtania.

Vystuženie bázy násypu výstužným matracom
V prípade umiestnenia násypov na neúnosnom podloží sa zvyčajne v báze násypu rozprestierala roznášacia podkladová vrstva zo sypkého materiálu. Neskôr sa ako separačná vrstva, ktorá zabraňovala premiešavaniu zemín, začala používať geo­textília. Z hľadiska vystužovania násypu išlo o významné zlepšenie. Podstatne lepšie výsledky sa však začali dosahovať vložením niekoľkých radov výstužnej geosyntetiky do podkladovej vrstvy. Vo vystužených zeminách sa vďaka tomu napätie do hĺbky šíri pod uhlom 38 až 50° (bežne pod uhlom 30°).

Výstužný matrac (obr. 5 a 6) je trojdimenzionálna konštrukcia, ktorú tvorí sústava uzavretých buniek. Tieto bunky sú priamo osadené na neúnosné podložie, sú tvorené geosyntetickou výstužou, niekedy v kombinácii s oceľovou dvojzákrutovou sieťou a následne vyplnené štrkovitým materiálom. Výška konštrukcie je vo väčšine prípadov približne 1 m.

Obr. 5 Vystuženie bázy násypu výstužnými matracmi. Kombinácia drôtokamenných košov a výstužnej geotextílie Max Tex W1

Obr. 6 Vystuženie bázy násypu výstužnými matracmi. Kombinácia drôtokamenných košov a výstužných geomreží ParaLink

Začlenenie výstužných geomreží, prípadne sietí do násypu vytvára:

• kvalitný spoj na rozhraní neúnosného podložia a zeminy násypu;
• relatívne tuhú dosku, ktorá zabezpečuje rovnomerné rozloženie zaťaženia a jeho prenos do podložia.

Tieto vlastnosti matracov znižujú deformácie neúnosného podložia a vytvárajú vysokú šmykovú odolnosť a vysokú únosnosť základovej škáry v báze násypu. Táto metóda vystužovania podložia je veľmi účinná pri pomerne plytkých vrstvách nevhodných zemín, kde je pomer šírky násypu a hĺbky nevhodnej zeminy väčší ako 4.

Zabezpečenie stability násypu vrátane minimalizácie sadania
Vystuženie násypov na pilótach
Neúnosné, silne stlačiteľné podložie znamená pre vyššie násypy nielen problém so stabilitou, ale aj príliš dlhé konsolidačné sadanie a privysoké deformácie. Znamená to konkrétne ohrozenie svahov násypu, plastické vytláčanie mäkkých zemín v podloží, dlhodobé nekontrolovateľné sadanie a rozdielne sadanie medzi jednotlivými úsekmi trasy v prípadoch, keď sa trasa dopravnej stavby nedá pre priestorové a smerové usporiadanie odkloniť od problémových úsekov. Z inžinierskogeologického hľadiska ide o miesta s výskytom mokradí, močiarov, rašelinísk, ale aj plne saturovaných jemnozrnných zemín, prípadne nevhodných antropogénnych zemín.

Obr. 7 Princíp násypu s mikropilótami

Na zakladanie násypových telies na neúnosnom podloží so zabezpečením minimálneho sadania možno použiť systémy zakladania pomocou mikropilót, veľkopriemerových pilót, prípadne iné systémy hĺbkového zakladania. Princíp násypu s mikropilótami je znázornený na obr. 7. Zakladanie násypov na pilótach nepatrí k novým technológiám, prvé aplikácie sa realizovali v Anglicku v 70-tych rokoch minulého storočia. V danom období sa používali pilóty s veľkoplošnými hlavami, ktoré zabezpečovali prenos zaťaženia od dopravy a násypu na pilóty a následne do únosného podložia. Od 80-tych rokov minulého storočia sa vďaka novým technológiám začali vyrábať geomreže s vysokými pevnosťami v ťahu, ktoré sa ukázali ako vhodný konštrukčný prvok na uvedené aplikácie (obr. 8 a 9). Použitie vysokopevnostných geomreží:

• umožnilo redukciu rozmerov hlavy pilót, čo malo významný vplyv na celkovú cenu stavby;
• zjednodušilo technológiu zhotovenia roznášacej vrstvy nad hlavami pilót, takzvanej vystuženej základne násypu;
• umožnilo geometrickú úpravu usporiadania pilót oproti pôvodnému systému a redukciu ich počtu;
• umožnilo použiť tento systém s vysokou účinnosťou vo veľmi nevhodných inžinierskogeologických pomeroch.

Takéto riešenia nesporne prinášajú úžitok aj investorom stavieb. Pri zabezpečení požadovaných parametrov stavby prinášajú značnú finančnú úsporu.

Obr. 8 Inštalácia geomreží ParaLink na hlavách pilót v báze železničného násypu

Obr. 9 Detail umiestnenia geomreží ParaLink na hlavách pilót

Geosyntetické výrobky vhodné na vystužovanie podložia
Produkty vhodné na vystužovanie neúnosných podloží sa delia na tri základné skupiny:

• výstužné geomreže,
• výstužné tkané geotextílie,
• drenážne geokompozity.

Výstužné geomreže
Vysokopevnostné geomreže – pevnosť od 200 do 1 350 kN/m – plošné jednoosové geomreže tvorené z jednoosových kompozitných geosyntetických pásov. Každý pozdĺžny pás má jadro z polyesterových vlákien s vysokým modulom elasticity a nízkou prieťažnosťou obalené v odolnom polyetylénovom plášti.

Tieto geomreže sú vhodné na vysoké namáhania, hlavne pri vystužovaní báz vysokých násypov a násypov nad pilótami. Majú veľmi vysoký pomer dlhodobej a krátkodobej pevnosti.

Geomreže strednej pevnosti – od 40 do 200 kN/m – zväčša tkané geomreže na báze polyesteru obalené polymérovým obalom. Geomreže môžu byť jednoosové, prípadne dvojosové.

Výstužné tkané geotextílie
Tkané geotextiílie sú vhodné na vystužovanie vrstiev z jemnozrnných materiálov. Vyrábajú sa na báze polypropylénu s maximálnou pevnosťou do 100 kN/m v oboch smeroch, prípadne polyesteru s ťahovou pevnosťou do 800 kN/m v oboch smeroch. Výstužné geotextílie majú okrem výstužnej aj separačnú funkciu.

Drenážne geokompozity
Drenážne geokompozity sú vyrobené z drenážneho jadra s rôznym tvarom a z netkanej geotextílie umiestnenej na jednej alebo oboch stranách drenážneho jadra. Tieto geokompozity sú vhodné na odvodnenie plání vozoviek, železníc, podložia násypov, na urýchlenie konsolidácie, prípadne zníženie hladiny podzemnej vody.

Záver
Vystužené zeminy predstavujú hospodársky a technicky kvalitné riešenie zakladania násypov na neúnosnom podloží. Postupne nahrádzajú, prípadne dopĺňajú tradičné metódy zlepšovania zemín. Aby boli návrhy čo najefektívnejšie a zachovali sa pritom požiadavky na bezpečnosť a funkčnosť, konštrukcie sa na základe praktických poznatkov neustále optimalizujú. Okrem zakladania sú vhodné aj na výstavbu oporných konštrukcií, sanácie zosuvov, zabezpečenie konštrukcií proti prepadom do podzemných priestorov a podobne. Zároveň ide o estetické a  k životnému prostrediu šetrné riešenia.

Literatúra
1.    Turček, P. – Hulla, J.: Zakladanie stavieb. Bratislava: JAGA GROUP, 2004.
2.    Drusa, M. – Prelovský, B.: Problémy pri navrhovaní a realizácii vysokých násypov na neúnosnom podloží. In: Geosyntetika v stavebníctve. Žilina: 2007, s. 123 – 131.
3.    BS 8006, (1995): Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills. London: British Standards Institution.
4.    ParaLink Geocomposite Products BBA certificate. British Board of Agrément.
5.    www.maccaferri.com

TEXT: Ing. Jaroslav Adamec
obrázky a FOTO: Maccaferri Central Europe

Jaroslav Adamec je projektovým manažérom spoločnosti Maccaferri Central Europe, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.