V roku 2010 sa v rámci zkapacitnénia cesty II / 405 Jihlava - Třebíč vykonávala jej rekonštrukcia medzi obcami Příšeka a Brtnice. Časť úseku prechádzala oblasťou s veľmi nepriaznivými základovými pomermi s vysoko neúnosnými rôznorodými zeminami. Súčasne bol záujmový úsek komunikácie vedený vo vysokom násype situovanom priamo v trase existujúcej cesty, kedy sa výška budovaného násypu pohybovala od 2 m do 4 m nad existujúcou niveletou vozovky. Maximálna výška nového násypu tak v strednej časti úseku dosahovala takmer 6,5 m.
Z týchto dôvodov sa pri násype očakávali problémy súvisiace s rôznorodým deformačným správaním zemín a s následne vznikajúcimi postkonštrukčnými zmenami v geometrii objektu. V dôsledku obmedzeného trvania uzávierky bol na zhotoviteľa kladený veľký dôraz na rýchly postup výstavby a dodržanie harmonogramu stavebných prác.
GEOLOGICKÉ PODMIENKY LOKALITY
Podľa vykonaného inžiniersko - geologického prieskumu boli hodnotené ako veľmi zložité. Staré násypové teleso bolo tvorené slabo priepustnými zeminami starej rybničnej hrádze charakteru piesčitých ílov, ktoré vykazovali konzistenciu na hranici mäkké až tuhé s veľmi nízkou okamžitou únosnosťou. Vzhľadom k navrhovanej zmene výšky nivelety (v extrémnom prípade až o 4 m) došlo pri objekte takisto k značnému rozšíreniu päty násypu, ktorý vo svojich okrajových častiach zasahoval do kvartérnych sedimentov s rozdielnym usporiadaním na pravej a ľavej strane nového násypu.
Vo svojej podstate sa v týchto okrajových častiach jednalo o značne podmáčané územie bahnitého vzhľadu, ktoré bolo tvorené silne heterogénnymi jemnými materiálmi mäkkej až kašovitej konzistencie s rôznym stupňom plasticity, veľmi často aj s obsahom organických prímesí či preplástkom rašeliny a hnilokalov v mocnostiach až 6 m.
Na pravej strane násypu boli tieto neúnosné vrstvy zastúpené predovšetkým rybničními sedimentami, na strane ľavej išlo predovšetkým o deluviofluviálne až slatinné sedimenty, ktoré boli uložené hlbšie pod existujúcim terénom a zasahovali pod úroveň pôvodného násypu a zemnej hrádze.
HYDROGEOLOGICKÉ PODMIENKY LOKALITY
Hydrogeologické pomery staveniska boli v celom jeho rozsahu hodnotené ako zložité a boli ovplyvnené skutočnosťou, že sa tu nachádzal v minulosti rybník. Úroveň hladiny podzemnej vody je v tejto oblasti závislá predovšetkým na litologickom charaktere pokryvných kvartérnych sedimentov nivy Špitálského potoka a vyskytuje sa tak v niekoľkých výškových úrovniach. Okrem pripovrchovej zvodnenej vrstvy rybničných sedimentov až povrchovej vody v mokradi bola táto zaznamenaná ešte hlbšie v jednotlivých priehlbínových kolektoroch. Tento stav spôsobuje celkové podmáčanie zemného telesa a jeho podložia s meniacou sa konzistenciou zemín od tuhej až po veľmi mäkkú (kašovitú).
VÝBER VHODNÉHO RIEŠENIA
Z popisovaných skutočností je zrejmé, že celková problematika návrhu založenia tohto úseku nebola z projekčného hľadiska vôbec jednoduchá. Použitá technológia výstavby navyše musela rešpektovať požiadavku na pomerne krátku dobu realizácie, kedy pre umožnenie konsolidácie navrhovaného objektu bola limitujúca hodnota približne dvoch mesiacov.
Z pohľadu projektanta je jediným plne spoľahlivým riešením, ktoré zabezpečí v takto extrémnych podmienkach absolútne bezchybnú konštrukciu, výmena nekvalitných zemín za vhodný zásypový materiál. Táto úprava je však veľmi náročná predovšetkým na rýchlosť výstavby, celkové zemné práce, odvedenie podzemných vôd a zabezpečenie stavebnej jamy (mocnosť neúnosných zemín dosahovala až 6 m). Preto bola pre investora táto varianta ekonomicky neprijateľná a nereálna.
Z technického pohľadu je ďalej možné v návrhu uvažovať s najrôznejšími konvenčnými technológiami špeciálneho zakladania stavieb, ktoré sú z najrôznejších príčin nevhodné prípadne podmienečne vhodné a / alebo ťažko nasaditeľné či finančne značne nákladné.
Alternatívnym riešením je potom (po odťažení pripovrchových vrstiev rybničných sedimentov) vystavať na báze násypu sanačné kvázihomogénnu zeminovú dosku s využitím stabilizačných geosyntetík. V závislosti na kvalite podložia, absolútnej veľkosti celkového sadania a celkových finančných nákladoch je možné túto riešiť troma technológiami:
- roznášací vankúš zo štrkovitej zeminy vystužený vrstvami stabilizačných geomreží, ktoré zrovnoměrňujú sadanie, ale viacmenej neredukujú jeho absolútnu veľkosť
- trojrozmerná geobunková štruktúra, ktorá zrovnoměrňuje sadanie a redukuje maximálnu hodnotu deformácie približne na polovicu voči riešeniu klasickým spôsobom
- roznášacia platforma (Load Transfer Platform - LTP), ktorá kombinuje vystužený roznášací vankúš a hlbinné základy (pilóty), tzv. obmedzuje sadanie na minimálne (nulové) hodnoty
Vzhľadom k typu konštrukcie (násypové teleso) a vzhľadom zlým základovým podmienkam bola zvolená technológia založenia konštrukcie s využitím geobunkovej štruktúry, ktorá sa používa v prípadoch s výrazne neúnosným podložím.
V podstate sa jedná o trojrozmerný základový prvok tvorený výstužnými a stabilizačnými geosyntetikami, ktorý je charakteristický svojou vysokou priestorovou tuhosťou. Z hľadiska priestorového rozmiestnenia geomreží v matraci potom rozoznávame dve skladby tejto konštrukcie "Chevron (šípka)" a "Diamond (diamant)", kedy druhá skladba je tuhší variant riešenia geobunkovej štruktúry:
Takto vytvorená trojrozmerná kvázihomogénna základová štruktúra potom v konštrukcii zaisťuje to, že sa v násype neprejavujú rozdielne vlastnosti podložia, pretože štruktúra nedovoľuje, resp. prakticky odstraňuje nerovnomerné sadanie a vodorovné posuny v podloží. Sekundárnymi prínosy geobunkovej štruktúry sú:
- vytvorenie pracovnej plošiny umožňujúce samotné sprístupnenie staveniska
- vytvorenie plošnej drenáže prerušujúcej kapilárnu vzlínavosť a oddeľujúcej zeminu násypu od účinkov spodnej vody
- zvýšenie stability konštrukcie násypu, pretože dochádza k napriameniu potenciálnych šmykových plôch prechádzajúcich geobunkovou štruktúrou
NÁVRH RIEŠENIA
Na základe vrstevnicového plánu boli určené miesta s nedostatočne únosným podložím a stanovený rozsah použitia geobunkovej štruktúry. Vzhľadom na požiadavku minimalizácie zásahu do existujúceho násypu bola geobunková štruktúra navrhnutá separátne po oboch stranách násypu v dvoch samostatných konštrukciách.
V priečnom smere potom bola táto modifikovaná varianta umiestnená v dvoch výškových úrovniach a v dvoch rôznych šírkach 10 m resp. 12 m. Na zabezpečenie celkovej tuhosti násypu a vzájomnej interakcie jednotlivých štruktúr bola navrhovaná konštrukcia doplnená dvoma vrstvami priečneho stuženie (viď. nasledovný obrázok).
Prvý stužením bolo vzájomné prepojenie samostatných konštrukcií geobunkovej štruktúry pomocou tuhých jednoosových monolitických geomreží, ktoré boli zaviazané na dĺžku min. 10 m do základovej škáry geobunkovej štruktúry. Tieto prepojovacie stužujúce prvky boli umiestňované symetricky po oboch stranách násypu v rozstupoch po 20 m a boli následne spojené v úrovni koruny geobunkovej štruktúry.
Prepojenie oboch štruktúr pravej a ľavej strany násypu potom bolo vykonané aj v najnižšom mieste násypu, kde bolo vykonané prekopanie násypu na šírku 10 m pre vytvorenie prepojovacieho drenážneho rebra. V tejto oblasti bola geobunková štruktúra uzavretá do tvaru písmena "H". V ďalšej fáze výstavby potom bola celá konštrukcia plošne spevnená druhou vrstvou stužujúcich geomreží, ktoré boli uvažované približne v polovici celkovej výšky násypu (v úrovni koruny existujúceho násypu).
Vyššie popísanými stabilizačnými a výstužnými opatreniami bola, z geotechnického hľadiska, zaistená homogénnosť oboch častí novo budovaného násypu a tiež, aj zvýšená celková stabilita konštrukcie.
PRINCÍP VÝPOČTU GEOBUNKOVEJ ŠTRUKTÚRY
Princíp návrhu geobunkovej štruktúry vychádza z analógie medzi správaním zemín a stláčaním kovov medzi dvoma tuhými doskami. V mäkkom podloží sa vplyvom rastúceho zaťaženia pohybuje pole napätia smerom k stredu štruktúry (viď. nasledujúci obrázok).
Pri prekročení kritickej hodnoty zaťaženia dochádza k vytlačeniu zeminy do strán a k následnému porušeniu konštrukcie. Návrh geobunkovej štruktúry tomuto javu zabraňuje. Zásada návrhu je súčasť normatívneho prístupu podľa BS 8006: 2010 Code of practice for strengthened / reinforced soils and other fills.
Všeobecne sú celkové dimenzie geobunkovej štruktúry závislé na vlastnostiach zemín v podloží a na type zásypového materiálu. Výška geobunkovej štruktúry je najčastejšie 1 m. Rozstup hlavných nosných stien závisí predovšetkým od uhla vnútorného trenia sypaniny použitej k zásypu geobuniek, kedy sa s rastúcou hodnotou zvyšuje ich rozstup.
V návrhu nášho násypu bolo uvažované so štrkovitou sypaninou frakcie 32/63 mm, ktorá umožnila realizovať hlavné nosné steny v rozstupe po 1 m. Pri posudzovaní dimenzií jednotlivých prvkov geobunkovej štruktúry (stena, základňa a diagonála) sa vychádza z aktuálnej únosnosti zemín v podloží a z určenia maximálneho horizontálneho napätia pôsobiaceho na modulovú radu geobunky.
KONSOLIDAČNÁ ANALÝZA
Nevyhnutnou súčasťou návrhu bolo takisto vykonanie konsolidačnej analýzy. Výpočet bol vykonaný metódou konečných prvkov s využitím programu PLAXIS, kedy bolo vypočítané, že celkové sadanie násypu bude v rozmedzí hodnôt 12-16 cm s tým, že predpokladaná deformácia po výstavbe zodpovedá cca 70% z celkového sadanie telesa (cca 10 cm).
REALIZÁCIA GEOBUNKOVEJ ŠTRUKTÚRY
Výstavba geobunkovej štruktúry bola vykonávaná v nasledujúcich krokoch:
- pokládka netkanej separačnej geotextílie Geomatex NTB
- pokládka stabilizačnej geomreže
- postavenie pozdĺžnych stien z jednoosej geomreže, ich uchytenie a napnutie vo zvislej polohe
- prepletenie priečnych stien z jednoosej geomreže
- zásyp po častiach zrnitým materiálom frakcie 32/63 mm
Monitoring
V priebehu výstavby bolo v mieste drenážneho rebra (kritický rez) osadené meranie pre zisťovanie konsolidácie a vyrovnanie pórových tlakov vo vybudovanom násypovom telese. Meranie bolo vykonávané v niekoľkých etapách, kedy sadanie sa vyhodnocovalo pomocou metódy hydrostatickej nivelácie v priečnom profile s dĺžkou 47 m, so súčasným meraním pórového tlaku v úrovni 1,5 m pod základovou škárou násypu.
Nameraná maximálna hodnota primárneho sadanie bola cca 5 cm s tým, že od októbra 2010 už dochádzalo k výraznému znižovaniu jeho rýchlosti. Nárast pórových tlakov prebiehal postupne od začiatku mája (prvé meranie) do začiatku septembra 2010 (max. Nárast 7-10 kPa), od tohto dátumu už dochádza k ich poklesu.
ZÁVER
Geobunková štruktúra bola v Českej republike využitá už pri sanácii havárie železničného násypu pri Holubiciach. Pri návrhu a realizácii konštrukcie v rámci rekonštrukcie cesty II / 405 sa tak vychádzalo zo skúseností získaných z tejto sanácie a zo zahraničných realizácií, kde sa táto technológia vďaka modernému prístupu k riešeniu špecifických problémov využíva oveľa častejšie.
Výsledky meraní ukazujú, že geobunková štruktúra znížila veľkosť predpokladaných deformácií násypov na cca polovičné hodnoty. Umožnila výstavbu násypu na neúnosných zeminách, ktoré nebolo možné nahradiť v celom rozsahu vhodným zásypovým materiálom a použitie iných metód nebolo z rôznych dôvodov vhodné alebo použiteľné.
Zároveň bol pod samotným násypom vytvorený plošný drén, ktorý zvyšuje jeho celkovú stabilitu, neovplyvňuje hydrogeologické pomery lokality a umožňuje tak bezporuchové fungovanie celej konštrukcie.