Zlepšovanie zemín a injektáže v slovenskej praxi

Snahy o spoločenské využitie a zhodnotenie aj menej vhodných pozemkov na budovanie stavebných diel zvyšujú nároky na špeciálne práce pri zakladaní takýchto stavieb. Medzi najefektívnejšie práce špeciálneho zakladania patria metódy zlepšovania vlastností originálneho prírodného geologického prostredia vibračnými technológiami, technológiou tryskovej injektáže  a použitím maloprofilového a veľkoprofilového vŕtania.

Územie Slovenskej republiky je mimoriadne rozmanité, s pestrou geologickou skladbou. Medzi objekty záujmu každého investičného zámeru s cieľom vybudovať stavebné dielo patrí nielen architektonické stvárnenie, ale aj stavebné riešenie a hospodárska bilancia, ktorá závisí od konkrétneho technického riešenia. Aktuálne trendy v spoločnosti vedú pritom k návrhu čoraz úspornejších a efektívnejších konštrukcií. Interakcia hornej časti konštrukcie s prírodným prostredím sa zabezpečuje prostredníctvom geotechnických konštrukcií, ktoré sú takisto zasiahnuté týmito trendmi. Pri návrhu alebo optimalizácii geotechnických konštrukcií sa musia čo najpresnejšie stanoviť vlastnosti prírodného prostredia, aby bolo možné zostaviť dôveryhodný výpočtový model geotechnickej konštrukcie. Pritom je mimoriadne dôležité zvoliť správnu hustotu prieskumných diel a ich hĺbku, aby boli známe parametre horninového prostredia nielen v tesnej blízkosti rozhrania, ale aj v dosahu vplyvu geotechnickej konštrukcie, napríklad v hĺbke deformačnej zóny pod základovou škárou. V prípade, ak sa v inžinierskogeologickom prieskume overia parametre, ktoré nezaručujú dostatočnú odolnosť prírodného prostredia potrebnú na predbežne navrhnuté geotechnické konštrukcie, možno uvažovať so zlepšením parametrov originálneho horninového prostredia a tieto zlepšené vlastnosti potom uvažovať aj vo výpočtovom modeli. Medzi technológie zlepšujúce parametre zemín patria vibračné technológie, mechanické premiešavanie zemín a hydraulické premiešavanie zemín tryskovou injektážou – Soilcrete. Ďalej možno zlepšiť parametre zemín aj inštalovaním prvkov s využitím malo- alebo veľkoprofilového vŕtania.

Postup hĺbkového vibračného zhutňovania

Vibračné technológie

Zlepšovanie zemín vibračnými technikami možno rozdeliť do dvoch hlavných skupín:

• Compaction = stlačenie, zhutnenie,
• Reinforcement = vystuženie.

Podľa zrnitostného zloženia zemín sa prednostne používa hĺbkové vibračné zhutňovanie (HVZ) pri nesúdržných zeminách (štrky a piesky) a vystuženie štrkovými vibrostĺpmi (ŠVS) pri súdržných zeminách. Mnoho väčších miest na Slovensku bolo vybudovaných v tesnej blízkosti riek a tokov, kde je typická geológia zastúpená štrkovými zeminami a v hlbších polohách neogénom. Problémom pri zakladaní v takýchto geologických podmienkach pritom nebýva medzný stav únosnosti, keďže štrkovitá zemina je zväčša dostatočne únosná, ale práve druhý medzný stav, ktorým je deformácia podzákladia tvoreného kyprými štrkmi. Zakladanie takýchto budov na pilótach potom objekt zbytočne predražuje, pretože sa nimi „prepichne“ únosná vrstva štrkov v podzákladí, čím pilóty dosiahnu horšie horninové prostredie neogénnych ílov, do ktorých posunú deformačnú zónu, a tým sa zvýši celkové sadanie budovy. Naopak, pri využití HVZ sa stupeň uľahnutosti štrkov zvýši, čo má za následok nielen zvýšenie únosnosti podzákladia, ale predovšetkým zlepšenie deformačných vlastností a súvisiace zmenšenie celkového sadnutia budovy. Hĺbkové vibračné zhutňovanie sa realizuje súpravou na pásovom podvozku, na ktorej je uchytený hĺbkový zhutňovač. Ten pomocou horizontálnych vibrácií, prítlaku, vzduchového alebo vodného výplachu vniká do podzákladia, kde od projektovanej hĺbky v postupných krokoch smerom zdola nahor zhutňuje prostredie, pričom prepadávajúca sa zemina v okolí bodu sa stále dopĺňa, až je zhutnený celý priestor po pracovnú plošinu.

Aplikácia hĺbkového vibračného zhutňovania

Druhou veľkou skupinou zlepšovania vibračnými technológiami sú ŠVS, ktoré vystužujú vrstvy súdržných zemín v naprojektovanom rastri, pričom zhutňovač tieto zeminy bočne roztlačí a ŠVS buduje postupne v krokoch smerom zdola nahor. Pridávaný materiál neprepadáva zvrchu ako pri HVZ, ale vnútrom cez „materiálovú“ rúru priamo k hrotu zhutňovača. Strojné vybavenie je podobné ako pri HVZ. Zlepšením priemerných deformačných parametrov podzákladia zloženého zo súdržných zemín vystužených pomocou štrkových vibrostĺpov sa dosiahne nielen zvýšenie únosnosti podzákladia, ale aj zmenšenie sadnutia a urýchlenie priebehu celkového sadania tým, že sa skrátia odvodňovacie dráhy zemín pri konsolidácii. Modifikáciou metódy ŠVS pridávaním betónu vzniknú vibrované pilótovité prvky, ktoré sú schopné svojou vnútornou pevnosťou preniesť všetky zaťaženia hlbšie do únosnejšieho podzákladia a tak prekonať horné vrstvy málo únosných zemín bez potreby likvidácie vývrtu, ako je to napríklad u vŕtaných pilót. Medzi vibračné technológie zlepšujúce parametre zemín patria aj iné metódy zhutňovania, napríklad ťažkou doskou, ide však o technológie s obmedzeným dosahom účinku, prípadne menej šetrné k životnému prostrediu alebo nákladnejšie.

Hĺbkové premiešavanie zemín

Táto technológia pracuje na základe mechanického premiešavania pôvodnej zeminy v podzákladí s materiálmi s lepšími vlastnosťami pomocou špeciálnych oceľových miešacích hlavíc „pádiel “. Pridávaním a premiešaním so spojivom a vodou vznikne stĺpovitý element s vnútornou pevnosťou podobný pilóte, ale s menším množstvom tzv. vývrtu oproti pilóte a tiež bez rizika nakyprenia päty počas vyberania vývrtu. Tieto stĺpy premiešanej zeminy možno za čerstva aj čiastočne vystužiť betonárskou oceľou. Keďže sa pridáva voda, ktorá je prítomná v cementovej suspenzii, ide o mokré premiešavanie. Pridávaním suchej látky pomocou stlačeného vzduchu počas miešania vzniká premiešavanie za sucha. V našich geologických podmienkach sa však uplatňuje najmä mokrý systém.Premiešavanie zemín sa vykonáva mechanicky pádlami s presne stanoveným priemerom, ktoré sú osadené na súprave na pásovom podvozku. Naraz sa môžu zhotovovať stĺpy jedným, prípadne viacerými pádlami. Počas zavŕtavania pádiel do projektovanej hĺbky (spravidla únosnejšia zemina v podzákladí) vychádza z dýz neustále zmes pridávanej látky a vody, napríklad cementová suspenzia. Po dosiahnutí projektovanej päty sa pádla pri stálom otáčaní vytiahnu, pričom sa miešaná zemina stále injektuje zmesou, čím sa opätovne premieša. Do takto zhotoveného stĺpu premiešanej zeminy možno za čerstva osadiť výstuž, ktorá v stĺpe zatvrdne.

Pohľad na budovu založenú na podzákladí vylepšenom HVZ

Trysková injektáž

Technológia hydraulického premiešavania je známa ako trysková injektáž – Soilcrete. Predstavuje miešanie pôvodných zemín s materiálmi zlepšujúcimi ich vlastnosti, hlavne s cementom, pomocou rezného lúča vypúšťaného z dýz pod veľkým tlakom. Táto progresívna technológia je na trhu už dlhší čas a pre svoju variabilitu sa hodí a aj používa na riešenie rôznych geotechnických úloh, napríklad na zabezpečenie stability stien hlbokých stavebných jám, podchytávanie budov, ale aj tesnenie hrádzí, stavebných jám a priehlbní pod výťahové jadrá spolu s tesniacim dnom. Trysková injektáž sa rovnako hodí aj na riešenie parciálnych problémov pri jednotlivých základoch, ako aj na komplexné riešenie celého projektu (príklad kotvenej pažiacej steny jamy s tesniacou funkciou so zaviazaním sa do menej priepustného podzákladia). Trysková injektáž sa podľa typu zemín delí na jednozložkovú, ktorá bola už ďalším vývojom prekonaná, ďalej dvojzložkovú, vhodnú hlavne do nesúdržných zemín, a na trojzložkovú, určenú prevažne na použitie v súdržných zeminách.  Trysková injektáž sa vykonáva vrtnou súpravou na pásovom podvozku po zavŕtaní vrtného sútyčia do projektovanej hĺbky, odkiaľ sa začne smerom zdola nahor zemina erodovať rezným vysokotlakovým lúčom vychádzajúcim z vrtnej hlavy (monitora). Pri stálom otáčaní a vyťahovaní sa tým vytvorí stĺpovitý prvok rozrušenej a zároveň s cementovou suspenziou premiešanej zeminy, ktorá spôsobí stmelenie takto preinjektovaného stĺpa. Po vytvrdnutí pôsobí ako prostý betón. Pri jednozložkovej tryskovej injektáži sa na rezanie zeminy (eróziu) používa vysokotlakový lúč cementovej suspenzie. Pri stálom otáčaní a vyťahovaní vrtného sútyčia, ktoré bolo predtým zavŕtané do projektovanej hĺbky, sa vytvára stĺpovitý prvok rozrušenej zeminy premiešanej s cementovou suspenziou, ktorá spôsobí stmelenie pôvodnej zeminy.

Táto metóda sa používa na vytvorenie stĺpov s malým a stredným priemerom. Vysokotlakový erózny lúč cementovej suspenzie môže byť podporovaný prúdom stlačeného vzduchu na zväčšenie erozívnej energie lúča. Táto metóda sa nazýva dvojzložková trysková injektáž (Soilcrete) a využíva sa na vytvorenie stĺpov s veľkým priemerom, tesniacich lamiel a na tesniace dná. Nahradením erozívneho lúča z cementovej suspenzie rezným vodným lúčom oddelíme erozívnu činnosť od premiešavania s cementovou suspenziou, ktorá sa dodáva do rozerodovanej zeminy inou dýzou pod menším tlakom. Vzniknutá trojzložková metóda tryskovej injektáže (Soilcrete) sa potom najčastejšie využíva v súdržných zeminách, ktoré sú najskôr rozerodované vodným lúčom, pričom najjemnejšie častice sú čiastočne vyplavené v spätnej suspenzii a „stekutená“ hmota sa potom premieša s cementovou suspenziou. Na základe podkladov a inžinierskogeologického prieskumu sa pri každom návrhu zvolí príslušný typ tryskovej injektáže (Soilcrete). Následne sa zostaví výpočtový model geotechnickej konštrukcie, z ktorého vyplynú geometrické parametre telesa tryskovej injektáže. Toto teleso sa potom vyskladá z lamiel a stĺpov tak, aby boli navzájom prerezané, t. j. aby spolupôsobili ako jednotný celok. Variabilita tryskovej injektáže umožňuje jej použitie v širokom rozpätí geotechnických problémov. Využíva sa na sanačné opatrenia, podchytenie budov, zhotovenie nových konštrukcií – či už vytvorením pažiacej konštrukcie, alebo založením na stĺpoch tryskovej injektáže. Zhotovujú sa ňou podzemné tesniace clony v okolí vodných tokov a nádrží. Využíva sa aj na dotesnenie iných pažiacich konštrukcií a pod.

Stavebná jama s podchytením a utesnením tryskovou injektážou – Soilcrete

Vylepšovanie zemín použitím technológií maloprofilového vŕtania

Maloprofilové vŕtanie sa definuje ako zhotovovanie zapažených alebo nezapažených otvorov s priemerom menším ako 300 mm, najčastejšie medzi 110 až 170 mm. Do týchto otvorov možno osadiť rôzne prvky s limitovanými rozmermi, napríklad tyče, rúry, hadice, suspenziu, prípadne oceľové profily I alebo H s menšími rozmermi. Malé priemery vŕtania potrebujú vrtnú súpravu s menšími rozmermi a hmotnosťou, ktorú možno dopraviť aj do stiesnených pomerov, prípadne na ťažko dosiahnuteľné miesta, napríklad na prudké svahy. Pridávanie spevňujúcich materiálov do zemín možno realizovať aj pomocou injektážnych rúrok, ktoré sú osadené v horninovom prostredí vo vrtoch s malým priemerom, a to do požadovanej hĺbky. Tie sa následne po jednotlivých etážach injektujú, pričom na rozdiel od tryskovej injektáže ide o neusmernenú injektáž. Injektážna látka sa natláča do voľných medzier zemín a ich vypĺňaním sa môžu vlastnosti pôvodnej zeminy zlepšiť.Ďalším v praxi často uplatňovaným spôsobom zlepšovania zemín pomocou maloprofilového vŕtania je klincovanie zeminy v spojení s torkrétovaním jej povrchu. Tak sa vytvorí stabilizovaná stena výkopu stavebnej jamy. Pomocou vrtnej súpravy na malé priemery vrtov sa zhotovia zemné klince, ktoré vďaka cementovej zálievke spolupôsobia so zeminou vo svojom dosahu a pri vytvorení v pravidelnom rastri s torkrétovou povrchovou plochou pôsobia ako jeden uzavretý celok.Osadením oceľových profilov do vrtov, napríklad rúr, I- alebo H-profilov, možno zhotoviť tzv. mikrozáporové paženie malých a plytkých stavebných jám nad hladinou vody. Aj geotermálne vrty sú maloprofilové – s osadením hadíc na prúdenie teplozberných kvapalín.

Vylepšovanie zemín použitím technológií veľkoprofilového vŕtania

Pri veľkopriemerovom vŕtaní sa efekt zlepšovania vlastností zemín znižuje s nárastom dimenzií prvkov, ktoré sa zhotovujú počas vŕtania, pričom sa zvyšuje podiel zaťaženia, ktorý prenášajú zhotovované elementy. Vo väčšine prípadov ide o vŕtané pilóty, kde sa zemina prevažne úplne vyberá z vrtov, prípadne sa čiastočne roztláča do strán. Vzniknutý priestor sa následne vyplní čerstvou betónovou zmesou a vystuží armatúrou vo forme priestorového armokoša. Po vytvrdnutí betónu potom pilóty prenášajú osové sily, priečne sily a ohybové momenty svojou tuhosťou do únosnejších vrstiev podzákladia pomocou plášťového trenia a odporu zeminy okolo pilóty. Použitie tuhých pilótovitých prvkov má opodstatnenie pri možnosti prenosu zaťažení do výrazne únosnejších vrstiev (napríklad skalné podzákladie) v ľahko dosiahnuteľnej hĺbke, respektíve ak je nutné preniesť obrovské ohybové namáhanie. Vždy treba mať na pamäti environmentálne hľadisko, keďže výroba a doprava betónu predstavujú energeticky náročné procesy, pri ktorých sa nevyužíva miestny materiál, ale všetok sa dováža. Rovnako pri prípadnej likvidácii diela v budúcnosti je namieste očakávať výraznú záťaž životného prostredia.

Pohľad na zárez zapažený kotvenou pilótovou stenou

Záver

V stavebnej praxi je stále silný tlak na riešenie geotechnických problémov pri dielach umiestňovaných na málo vhodných pozemkoch pri zachovaní vysokej efektívnosti použitých stavebných procesov. Zlepšovanie nedostatočných vlastností miestnych existujúcich zemín patrí medzi najefektívnejšie procesy v prácach špeciálneho zakladania stavieb. Tieto práce môžeme rozdeliť z hľadiska materiálovej náročnosti a procesu realizácie na vibračné technológie, mechanické premiešavanie zemín so spojivami (hĺbkové premiešavanie zemín, DSM), hydraulické rozrušovanie a premiešavanie zemín (trysková injektáž – Soilcrete) či zlepšovanie zemín použitím prvkov inštalovaných pomocou maloprofilových alebo veľkoprofilových techník vŕtania. Správny výber vhodnej technológie si vyžaduje fundované rozhodnutie skúseného projektanta – geotechnika, ktoré by malo rešpektovať nielen technické a ekonomické hľadisko, ale aj environmentálne hľadisko počas celej životnosti stavby a aj po jej ukončení.

TEXT: Ing. Peter Jurík, Ing. Ján Dobrovolský
FOTO: autori

Peter Jurík a Ján Dobrovolský pôsobia v spoločnosti KELLER špeciálne zakladanie, spol. s r. o.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.