Založení mostních opěr pomocí technologie vyztužené zeminy

Posledním, a zatím technicky nejsložitějším objektem byly mostní opěry dálničních mostů na Slovensku na stavbě D1 v úseku Jánovce – Jablonov. Jedná se o tři mostní objekty – dva jednopolové (SO 211-00a, SO 211-00b) a jeden vícepolový (SO 216). Jednopolové objekty jsou součástí okružní křižovatky na křížení D1 se silnicí II/533 v úseku Levoča – Spišská Nová Ves. Vícepolový most potom překračuje silnici I/18 vedenou hlubokým údolím v těsném sousedství obce Spišský Hrhov. S ohledem na poměrně dobré základové podmínky u vícepolového mostu a omezený rozsah článku se v dalším textu budeme zabývat problematikou objektů
SO 211-00a a 211-00b.

Geologická skladba prostoru staveniště

Na geologické stavbě lokality se podílejí hlavně kvartérní a paleogenní sedimenty. V kvartérních zeminách dominují fluviální zeminy. Nejsložitější základové podmínky byly zjištěny v oblasti pod opěrou 211-00b, tedy v blízkosti stávajícího Levočského potoka, který v minulosti patrně v dané lokalitě různě meandroval, a tím ovlivnil kvalitu zemin nacházejících se v podzákladí mostního objektu. Dominantní postavení zde zaujímají fluviální sedimenty zastoupené nivními jíly třídy F6/CI, CL a hlínami s proměnným podílem jílovité složky a s vysokou úrovní hladiny podzemní vody v hloubce cca 1,0 m pod stávajícím terénem, která však v období vydatnějších dešťů kolísá a vystupuje prakticky do úrovně terénu.

Výpočet

Návrhová metodika

Postup výpočtu i vlastní návrh konstrukce opěr ve velmi obtížných podmínkách daných geologickými poměry lokality i mimořádně vysokým zatížením koncentrovaným na okraj vyztuženého zemného bloku (mostní opěry) nebyl předmětem teoretických úvah, ale zejména výsledkem mnohaleté zkušenosti získané na jiných mostních objektech v minulých letech. Návrh vyztuženého zemního bloku byl proveden v souladu s britskou návrhovou metodikou Tieback Wedge. Kvazihomogenní zemní blok navržený pomocí této metodiky byl následně dle zásad STN EN 1997 posouzen na celkovou stabilitu konstrukce pro mezní stav porušení GEO/STR, tzn. dosažení mezního stavu je způsobeno porušením (nebo nadměrnou deformací základové půdy), ve kterém je smyková pevnost zeminy významná v poskytování odolnosti. Posouzení bylo provedeno pomocí kruhové i polygonální smykové plochy, která je pro případ nehomogenního prostředí vhodnější a lépe vystihuje skutečný reálný mechanismus poškození.

Deformační chování

Výpočet konsolidační analýzy a časového průběhu sedání byl proveden konstitutivním modelováním metodou konečných prvků. Zastižené zeminy byly modelovány pružně ideálně plastickým Mohr-Coulombovým materiálovým modelem, který se do meze plasticity chová pružně, a dále vznikají plastická přetvoření při konstantním napětí. Pro přesnější modelování (pružně plastický model se zpevněním, případně změkčením, hyperplastický model atd.) nebyly stanoveny odpovídající geotechnické charakteristiky. Tato skutečnost je obecně platná pro většinu posuzovaných geotechnických konstrukcí, kdy výstupy a rozsah prováděných inženýrsko-geologických průzkumů zpravidla nereflektují požadavky na požadované výstupy statických posudků.

Vlastní výpočet pomocí metody konečných prvků s aplikovaným pružně ideálně plastickým modelem reálně stanovuje celkové hodnoty sedání konstrukce na měkkém podloží a jeho průběh v čase, výrazně však nadhodnocuje vodorovné deformace a rovněž celkové deformační chování konstrukce. Pro celkovou predikci a určení deformačního chování konstrukce jako celku bylo tedy nutné vypočtené hodnoty vodorovných deformací empiricky upravit. K tomuto byly využity bohaté zkušenosti a výsledky měření z již realizovaných staveb. Limitní hodnota maximální vodorovné deformace koruny opěrných zdí byla stanovena statickým posouzením na 93 mm.

Návrh vyztužení

Rozložení tuhosti vyztužených prvků po výšce konstrukce respektuje v návrhu požadavek na deformační chování konstrukce, kdy bylo předpokládáno, že napětí ve výztuhách vyvodí jejich poměrné délkové přetvoření max. na úrovni 0,5 %. Tato hodnota protažení ve výztuhách pro konstrukce mostních opěr je v souladu s normativním ustanovením normy STN 73 3041, resp. BS 8006. Nad rámec statického výpočtu pak bylo určené vyztužení – v místech zvýšené koncentrace napětí (oblast pod úložnými prahy) – doplněno o přídatné vyztužení zajišťující zachycení extrémních vodorovných sil a eliminaci vodorovných deformací.

Konstrukce opěry

S ohledem na skutečnost, že podloží bylo v nejsvrchnější vrstvě tvořeno převážně fluviálními a povodňovými jíly (třídy F6/CI, CL) měkké až kašovité konzistence s vysokou hladinou spodní vody, byla v oblasti mostních opěr navržena plošná výměna zemin s nízkými deformačními charakteristikami a náhrada tříděným lomovým kamenem frakce 0/200 mm. Mocnost této úpravy byla určena horní úrovní fluviálních štěrků, nacházející se pod jílovitými zeminami, a pohybovala se v rozmezí 2,0 – 2,5 m. Koncepční řešení vlastní opěry předpokládalo zhotovení opěrných zdí pomocí technologií vyztužené zeminy s lícem tvořeným železobetonovými prefabrikovanými díly. Statická část konstrukce je zajištěna pomocí geosyntetických výztužných prvků, které jsou zataženy do přilehlého násypového tělesa na kotevní délku určenou statickým výpočtem. Osazení úložného prahu na vyztuženém zemním tělese je navrženo ve vzdálenosti 1,25 m od líce opěrných zdí. Rohy opěrných zdí byly navrženy v odstupu 400 mm od teoretického zalomení tak, aby se jednotlivé části zdí mohly deformovat samostatně bez vzájemného ovlivnění. Zalomený roh se po dokončení výstavby a po proběhnutí podstatné části deformací zajistil pomocí obkladového gabionového koše.

Výstavba

Před zahájením výstavby vlastních opěr bylo provedeno zlepšení základových poměrů všech opěr obou mostů. Poměrně mělká vrstva zvodněných jemnozrnných náplavových sedimentů byla vytěžena a nahrazena kvalitní štěrkodrtí (obr. 1).

Obr. 1 Základové poměry

Práce probíhaly pod hladinou spodní vody, což ztěžovalo nejen práce samotné, ale zejména kontrolu dna odtěžených jam. Na upravenou základovou spáru v oblasti budoucího líce z betonových panelů byl vybetonován subtilní základový pás, který sloužil pro osazení základní řady panelů. Tyto panely byly na rubové straně opatřeny vodorovnými konzolami pro zajištění stability bez nutnosti dodatečného podpírání (obr. 2).

Obr. 2 Pohled na základní řadu panelů

Základové panely byly provedeny střídavě ve dvou výškách. Po instalaci výztužných geomříží a zásypu do úrovně nižších panelů pokračovala montáž dalšími panely bez rubových konzol. Po dosažení projektované výšky byly za lícem opěry vybetonovány mohutné úložné prahy (obr. 3), na které byly následně osazeny vysoké předpjaté spínané betonové segmentové nosníky (obr. 4).

Obr. 3 Úložné prahy

Obr. 4 Segmentové nosníky

Po vytvoření závěrných zídek byl přilehlý násyp dosypán na konečnou úroveň. Úložný práh zatížený těžkou betonovou nosnou konstrukcí spolu s násypem za závěrnými zídkami tak tvoří mimořádně intenzivní zatížení velmi blízko okraje opěr. Očekávané deformace opěr byly hlavním kritériem návrhu a byly dále podrobně sledovány.

Obr. 5 Finální opěra

Měření

U všech mostních opěr bylo navrženo rozsáhlé geodetické a geotechnické monitorování. Jednotlivá dílčí měření v definovaných etapách byla průběžně vyhodnocována vzhledem k predikovaným hodnotám. Současně byla prováděna průběžná korelace vstupních modelů a byla zpřesňována predikce výsledného chování konstrukce, která však v žádném sledovaném profilu nepřesáhla hodnoty stanovené projektem. U většiny měření vykazuje odlišné chování opěra 10 objektu 211-00b. Tento stav je způsoben situováním opěry do míst původního koryta Levočského potoka, geologickými vlivy a odlišnou geometrií konstrukce. Geotechnické sledování zahrnovalo měření přesné inklinometrie a hydrostatické metody sedání. Pro sledování stability podloží byl u každé opěry instalován inklinometrický vrt délky 15,0 m. Měření na inklinometrických vrtech nevykazují dotvarování vrstev podloží vyšší než 10 mm. Průběh konsolidace podloží vlivem výstavby opěr a násypu byl sledován od počátku výstavby celkem na šesti profilech hydrostatické nivelace, umístěných ve vzdálenosti 6,0, případně 17,0 m od líce opěrných zdí. Délka profilů pak byla proměnná v závislosti na geometrii mostních opěr a pohybovala se od 66 do 99 m.

V grafu na obr. 6 je zaznamenán průběh průměrné hodnoty sedání v jednotlivých profilech pro střední třetinu opěry.

Obr. 6 Průměrné hodnoty sedání v jednotlivých profilech pro střední třetinu opěry

Z výsledků vyhodnocení je patrné, že poslední měření vykazují ustálení rychlostí sedání, a tedy ustálení konsolidace násypu. Plnou barvou je znázorněn čas, kdy probíhala výstavba od úrovně zemní pláně. Toto značení je platné pro všechny uvedené grafy v článku. Geodetická měření byla prováděna na nivelačních značkách umístěných na lícních panelech. Tato měření stanovovala průběžné vodorovné a svislé deformace panelů a vyztuženého bloku v důležitých fázích výstavby a následně pravidelně v předepsaném časovém intervalu. Jako počáteční měření pro vyhodnocování deformací s ohledem na predikované hodnoty byl uvažován stav, kdy byly opěry zasypány do plné výšky, tedy do úrovně úložného prahu. Grafy na obr. 7 až 10 zobrazují výsledky měření profilu nacházejícího se v ose jednotlivých mostů. Sedání úložného prahu (graf na obr. 7) dosahovalo pro obě opěry objektu 211-00a a opěru 00 objektu 211-00b obdobných hodnot, kdy se konečná hodnota dle posledního měření ustaluje na hodnotě 45 mm. Odlišné chování vykazuje opěra 211-00b 10, kde konečná hodnota sedání dosahuje hodnoty dvojnásobné, tedy 90 mm. Tato opěra současně vykazuje i vyšší vodorovné deformace sledovaného profilu.

Obr. 7 Sedání úložných prahů

Svislé deformace líce opěr (graf na obr. 8) jsou pro jednotlivé opěry rozdílné. Nejnižších hodnot dosahovalo sedání líce u opěry 211-00a 00, naopak nejvyšší hodnoty byly naměřeny na opěře 211-00b 10, a to cca 30 mm. Rozdílné chování odpovídá především rozdílným geologickým podmínkám. Vodorovné deformace (graf na obr. 9) měřené v koruně panelového opevnění sledují u jednotlivých opěr svislé deformace úložného prahu. Maximálních hodnot bylo dosaženo u opěry 211-00b 10. K poslednímu měření se hodnoty ustalují na hodnotě cca 85 mm. Počátek měření je pro jednotlivé opěry vždy vybudování násypu za lícními panely do plné výšky. Podstatná část deformací proběhla u opěr vlivem přitížení nosnou konstrukcí mostního objektu a vybudováním přechodových oblastí a násypového tělesa po úroveň pláně. U mostního objektu 211- 00b 10 se v této fázi jednalo o vodorovný posun 55 mm, tedy přibližně 2/3 z celkové hodnoty dosud měřené deformace. Tohoto poměru v rozmezí od 60 do 70 % z celkové hodnoty vodorovné deformace dosahují všechny opěry. Graf na obr. 10 zobrazuje vodorovné posuny jednotlivých opěrných zdí v profilu vedeném v ose mostu. Je patrné, že nejvyšší vodorovné deformace dosahují opěry v horní části panelového opevnění, kde dochází k nejvyššímu ovlivnění vlivem koncentrace extrémního zatížení v těsné blízkosti za rubem opěr. V žádném měřeném bodě však nedošlo k překročení predikované hodnoty 93 mm.

Obr. 8 Svislé deformace líce opěr

Obr. 9 Vodorovné deformace líce opěr

Obr. 10 Vodorovné posuny opěr v profilu vedeném v ose mostu

Závěr

Provedená měření ukázala, že naměřené hodnoty svislých a vodorovných pohybů všech opěr nepřekročily v žádném sledovaném profilu hodnoty predikované výpočtem. Tři mostní opěry (SO211-00a 00, SO211-00a 10, SO 211-00b 00) vykazují obdobné chování a predikované hodnoty jsou pro tyto objekty poměrně konzervativní. Opěra SO 211-00b 10 se chová odlišně a vykazuje měřené deformace cca dvakrát až třikrát větší než u ostatních opěr. Tato skutečnost byla částečně předpokládaná vlivem odlišné geometrie z hlediska půdorysného tvaru lícních panelů a nejvyšší výšky objektu, z hlediska nejvyššího působícího zatížení a přítomnosti objektu SO 211-00c převádějícího Levočský potok pod tělesem násypu, kde již však nebyla prováděna sanace lomovým kamenem. Současně zde mohou působit nejrůznější vlivy, které jsou dnes těžko stanovitelné. Mimo nejrůznější klimatické vlivy se mohlo jednat o skutečnost, že geologické poměry zjištěné v místě této opěry neodpovídaly skutečnosti a předpokladům, se kterými bylo uvažováno ve výpočtech.