V roce 2010 se v rámci zkapacitnění silnice II/405 Jihlava - Třebíč prováděla její rekonstrukce mezi obcemi Příseka a Brtnice. Část úseku procházela oblastí s velmi nepříznivými základovými poměry s vysoce neúnosnými různorodými zeminami. Současně byl zájmový úsek komunikace veden ve vysokém násypu situovaným přímo v trase stávající silnice, kdy se výška budovaného násypu pohybovala od 2 m do 4 m nad stávající niveletou vozovky. Maximální výška nového násypu tak ve střední části úseku činila téměř 6,5 m.
Z těchto důvodů se u násypu očekávaly problémy související s různorodým deformačním chováním zemin a s následně vznikajícími postkonstrukčními změnami v geometrii objektu. V důsledku omezeného trvání uzavírky byl na zhotovitele kladen velký důraz na rychlý postup výstavby a dodržení harmonogramu stavebních prací.
Geologické podmínky lokality
Dle provedeného inženýrsko – geologického průzkumu byly hodnoceny jako velmi složité. Staré násypové těleso bylo tvořeno slabě propustnými zeminami staré rybniční hráze charakteru písčitých jílů, které vykazovaly konzistenci na hranici měkké až tuhé s velmi nízkou okamžitou únosností. Vzhledem k navrhované změně výšky nivelety (v extrémním případě až o 4 m) došlo u objektu rovněž k výraznému rozšíření paty násypu, která ve svých okrajových částech zasahovala do kvartérních sedimentů s rozdílným uspořádáním na pravé a levé straně nového násypu.
Ve své podstatě se v těchto okrajových částech jednalo o značně podmáčené území bahnitého vzhledu, které bylo tvořeno silně heterogenními jemnozrnnými materiály měkkých až kašovitých konzistencí s různým stupněm plasticity, velice často rovněž s obsahem organických příměsí či proplástků rašeliny a hnilokalů v mocnostech až 6 m.
Na pravé straně násypu byly tyto neúnosné vrstvy zastoupeny především rybničními sedimenty, na straně levé se jednalo především o deluviofluviální až slatinné sedimenty, které byly uloženy hlouběji pod stávajícím terénem a zasahovaly pod úroveň původního násypu a zemní hráze.
Hydrogeologické podmínky lokality
Hydrogeologické poměry staveniště byly v celém jeho rozsahu hodnoceny jako složité a byly ovlivněny skutečností, že se zde nacházel v minulosti rybník. Úroveň hladiny podzemní vody je v této oblasti závislá především na litologickém charakteru pokryvných kvartérních sedimentů nivy Špitálského potoka a vyskytuje se tak v několika výškových úrovních. Kromě přípovrchové zvodně rybničních sedimentů až povrchové vody v mokřadu byla tato zaznamenána ještě hlouběji v jednotlivých průlinových kolektorech. Tento stav způsobuje celkové podmáčení zemního tělesa a jeho podloží s měnící se konzistencí zemin od tuhé až po velmi měkkou (kašovitou).
Výběr vhodného řešení
Z popisovaných skutečnosti je zřejmě, že celková problematika návrhu založení tohoto úseku nebyla z projekčního hlediska vůbec jednoduchá. Použitá technologie výstavby navíc musela respektovat požadavek na poměrně krátkou dobu realizace, kdy pro umožnění konsolidace navrhovaného objektu byla limitující hodnota přibližně dvou měsíců.
Z pohledu projektanta je jediným plně spolehlivým řešením, které zajistí v takto extrémních podmínkách naprosto bezvadnou konstrukci, výměna nekvalitních zemin za vhodný zásypový materiál. Tato úprava je však velmi náročná především na rychlost výstavby, celkové zemní práce, odvedení podzemních vody a zabezpečení stavební jámy (mocnost neúnosných zemin dosahovala až 6 m). Proto byla pro investora tato varianta ekonomicky nepřijatelná a nereálná.
Z technického pohledu je dále možné v návrhu uvažovat s nejrůznějšími konvenčními technologiemi speciálního zakládání staveb, které jsou z nejrůznějších příčin nevhodné případně podmíněně vhodné a/nebo těžko nasaditelné či finančně značně nákladné.
Alternativním řešením je pak (po odtěžení přípovrchových vrstev rybničních sedimentů) vystavět na bázi násypu sanační kvazihomogenní zeminovou desku s využitím stabilizačních geosyntetik. V závislosti na kvalitě podloží, absolutní velikosti celkového sedání a celkových finančních nákladech je možné tuto řešit třemi technologiemi:
- roznášecí polštář ze štěrkovité zeminy vyztužený vrstvami stabilizačních geomříží, který zrovnoměrňuje sedání, ale víceméně neredukuje jeho absolutní velikost
- trojrozměrná geobuňková struktura Tensar, která zrovnoměrňuje sedání a redukuje maximální hodnotu deformace přibližně na polovinu proti řešení klasickým způsobem
- roznášecí platforma (Load Transfer Platform – LTP), která kombinuje vyztužený roznášecí polštář a hlubinné základy (piloty), tzn. omezuje sedání na minimální (nulové) hodnoty
Vzhledem k typu konstrukce (násypové těleso) a vzhledem špatným základovým podmínkách byla zvolena technologie založení konstrukce s využitím geobuňkové struktury Tensar, která se používá v případech s výrazně neúnosným podložím.
V podstatě se jedná o trojrozměrný základový prvek tvořený výztužnými a stabilizačními geosyntetiky, který je charakteristický svou vysokou prostorovou tuhostí. Z hlediska prostorového rozmístění geomříží v matraci pak rozeznáváme dvě skladby této konstrukce „Chevron (šipka)“ a „Diamond (diamant)“, kdy druhá skladba je tužší variantou řešení geobuňkové struktury:
Takto vytvořená trojrozměrná kvazihomogenní základová struktura pak v konstrukci zajišťuje to, že se v násypu neprojevují rozdílné vlastnosti podloží, protože struktura nedovoluje, resp. prakticky odstraňuje nerovnoměrné sedání a vodorovné posuny v podloží. Sekundárními přínosy geobuňkové struktury jsou:
- vytvoření pracovní plošiny umožňující samotné zpřístupnění staveniště
- vytvoření plošné drenáže přerušující kapilární vzlínavost a oddělující zeminu násypu od účinků spodní vody
- zvýšení stability konstrukce násypu, neboť dochází k napřímení potencionální smykové plochy procházející geobuňkovou strukturou
Návrh řešení
Na základě vrstevnicového plánu byla určena místa s nedostatečně únosným podložím a stanoven rozsah použití geobuňkové struktury. Vzhledem k požadavku minimalizace zásahu do stávajícího násypu byla geobuňková struktura navržena separátně po obou stranách násypu ve dvou samostatných konstrukcích.
V příčném směru pak byla tato modifikovaná varianta umístěna ve dvou výškových úrovních a ve dvou různých šířkách 10 m resp. 12 m. Pro zajištění celkové tuhosti násypu a vzájemné interakce jednotlivých struktur byla navrhovaná konstrukce doplněna dvěma vrstvami příčného ztužení (viz. následující obrázek).
První ztužením bylo vzájemné propojení samostatných konstrukcí geobuňkové struktury pomocí tuhých jednoosých monolitických geomříží Tensar RE, jenž byly zavázány na délku min. 10 m do základové spáry geobuňkové struktury. Tyto propojovací ztužující prvky byly umisťovány symetricky po obou stranách násypu v roztečích po 20 m a byly následně spojeny v úrovni koruny geobuňkové struktury.
Propojení obou struktur pravé a levé strany násypu pak bylo provedeno rovněž v nejnižším místě násypu, kde bylo provedeno překopání násypu na šířku 10 m pro vytvoření propojovacího drenážního žebra. V této oblasti byla geobuňková struktura uzavřena do tvaru písmene „H“. V další fázi výstavby pak byla celá konstrukce plošně zpevněna druhou vrstvou ztužujících geomříží, které byly uvažovány přibližně v polovině celkové výšky násypu (v úrovni koruny stávajícího násypu).
Výše popsanými stabilizačními a výztužnými opatřeními byla, z geotechnického hlediska, zajištěna homogenita obou částí nově budovaného násypu a rovněž, je zvýšena celková stabilita konstrukce.
Princip výpočtu geobuňkové struktury
Princip návrhu geobuňkové struktury vychází z analogie mezi chováním zemin a stlačováním kovů mezi dvěma tuhými deskami. V měkkém podloží se vlivem rostoucího zatížení pohybuje pole napětí směrem ke středu struktury (viz. následující obrázek).
Při překročení kritické hodnoty zatížení dochází k vytlačení zeminy do stran a k následnému porušení konstrukce. Návrh geobuňkové struktury tomuto jevu zabraňuje. Zásada návrhu jsou součásti normativního přístupu dle BS 8006:2010 Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills.
Obecně jsou celkové dimenze geobuňkové struktury závislé na vlastnostech zemin v podloží a na typu zásypového materiálu. Výška geobuňkové struktury je nejčastěji 1 m. Rozteč hlavních nosných stěn závisí především na úhlu vnitřního tření sypaniny použité k zásypu geobuněk, kdy se s rostoucí hodnotou zvyšuje jejich rozteč.
V návrhu našeho násypu bylo uvažováno se štěrkovitou sypaninou frakce 32/63 mm, která umožnila realizovat hlavní nosné stěny v rozteči po 1 m. Při posuzování dimenzí jednotlivých prvků geobuňkové struktury (stěna, základna a diagonála) se vychází z aktuální únosnosti zemin v podloží a z určení maximálního horizontálního napětí působící na modulovou řadu geobuňky.
Konsolidační analýza
Nezbytnou součástí návrhu bylo rovněž provedení konsolidační analýzy. Výpočet byl proveden metodou konečných prvků s využitím programu PLAXIS, kdy bylo spočteno, že celkové sedání násypu bude v rozmezí hodnot 12–16 cm s tím, že předpokládaná deformace po výstavbě odpovídá cca 70 % z celkového sedání tělesa (cca 10 cm).
Realizace geobuňkové struktury
Výstavba geobuňkové struktury byla prováděna v následujících krocích:
- pokládka netkané separační geotextilie Geomatex NTB
- pokládka stabilizační trojosé geomříže Tensar TriAx
- postavení podélných stěn z jednoosé geomříže Tensar RE, jejich uchycení a napnutí ve svislé poloze
- propletení příčných stěn z jednoosé geomříže Tensar RE
- zásyp po částech zrnitým materiálem frakce 32/63 mm
Monitoring
V průběhu výstavby bylo v místě drenážního žebra (kritický řez) osazeno měření pro zjišťování konsolidace a vyrovnání pórových tlaků ve vybudovaném násypovém tělese. Měření bylo prováděno v několika etapách, kdy sedání bylo vyhodnocováno pomocí metody hydrostatické nivelace v příčném profilu s délkou 47 m, se současným měřením pórového tlaku v úrovni 1,5 m pod základovou spárou násypu.
Naměřená maximální hodnota primárního sedání byla cca 5 cm s tím, že od října 2010 již docházelo k výraznému snižování jeho rychlosti. Nárůst pórových tlaků probíhal postupně od začátku května (první měření) do začátku září 2010 (max. nárůst 7–10 kPa), od tohoto data již dochází k jejich poklesu.
Závěr
Geobuňková struktura byla v ČR využita již při sanaci havárie železničního násypu u Holubic. Při návrhu a realizaci konstrukce v rámci rekonstrukce silnice II/405 se tak vycházelo ze zkušeností získaných z této sanace a ze zahraničních realizací, kde se tato technologie díky modernímu přístupu k řešení specifických problémů využívá mnohem častěji.
Výsledky měření ukazují, že geobuňková struktura Tensar snížila velikost předpokládaných deformací násypů na cca poloviční hodnoty. Umožnila výstavbu násypu na neúnosných zeminách, které nebylo možné nahradit v celém rozsahu vhodným zásypovým materiálem a použití jiných metod nebylo z různých důvodů vhodné či použitelné.
Zároveň byl pod samotným násypem vytvořen plošný drén, který zvyšuje jeho celkovou stabilitu, neovlivňuje hydrogeologické poměry lokality a umožňuje tak bezporuchové fungování celé konstrukce.