Geobuňková struktura jako prvek plošného zakládání

Publikováno 30.04.2021

V návaznosti na kvalitu podloží a velikost předpokládaného svislého či vodorovného přetváření konstrukce a v závislosti na předpokládaném časovém průběhu sedání je možné řešit zakládání násypů s využitím geosyntetik obecně následujícími třemi způsoby:

1. roznášecí polštář ze stabilizačních geomříží: zrovnoměrňuje sedání, ale víceméně neredukuje jeho absolutní velikost;
2. geobuňková struktura: zrovnoměrňuje sedání a redukuje maximální hodnotu deformace přibližně na polovinu oproti řešení klasickým způsobem;
3. LTP platforma: jde o kombinaci vyztuženého roznášecího polštáře s pilotami, které plně řídí sedání; tato aplikace se nejčastěji uplatňuje v místech rozdílného založení objektů (přechodové oblasti mostů).

Plošné založení násypu pomocí geobuňkové struktury

Stále častěji se setkáváme s nutností realizovat násyp na velmi neúnosném, nehomogenním podloží s vysokou hladinou spodní vody. Trasa nově budované komunikace často přechází místa bývalých rybníků, skládek odpadů či průmyslových areálů, kde se předpokládá značně nerovnoměrné sedání konstrukce. Hlavní řešenou problematikou je tak v tomto případě zajištění rovnoměrného průběhu především postkonstrukčního sedání konstrukce a současně umožnění co nejrychlejší výstavby. Spolehlivým, ale často velmi nákladným až nerealizovatelným řešením je výměna nekvalitních zemin za vhodný materiál, případně aplikace prvků speciálního zakládání staveb. Z konvenčních technologií se jedná o piloty, ať už vrtané nebo ražené, z moderních technologií potom o štěrkové pilíře, hloubkové zlepšování vápnem nebo cementem a další. Alternativou k těmto technologiím je výstavba násypu na systému geobuňkové struktury (geobuňkové matrace).

Geobuňková struktura

Geobuňková struktura vytváří pod násypem tuhou základovou plošinu (zpravidla o výšce 1 m), která zmírňuje účinky nerovnoměrného sedání, omezuje vodorovné deformace v podloží, zvyšuje únosnost základových půd pro větší stabilitu a umožňuje rychlejší výstavbu. Mezi sekundární přínosy geobuňkové struktury patří:

• vytvoření pracovní plošiny umožňující zpřístupnění staveniště,
• vytvoření plošné drenáže přerušující kapilární vzlínavost a oddělující násyp od účinků spodní vody,
• zvýšení stability svahů, neboť dochází k napřímení potencionální smykové plochy procházející geobuňkovou strukturou.

Filozofie metody navrhování

Návrh struktury je prováděn dle britských standardů BS 8006-1:2010+A1:2016 Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills. Z konstrukčního hlediska je geobuňková struktura kompozitní zemní deska, tvořená svisle orientovanými pásy výztužných geomříží, horizontálních stabilizačních geomříží a vyplněná kamenivem. Dle dosavadních výzkumů a zkušeností s výstavbou se používají zásadně tuhé, monolitické geomříže, které se vzájemně spojují do jednoho ze dvou půdorysných rastrů (Chevron nebo Diamond).

Rastr Chevron a Diamond

Jedná se o moderní metodu zakládání náspů na měkkém podloží, jehož mocnost je ve vztahu k šířce náspu v patě „relativně malá“. Použitelnost metody je omezena těmito faktory:

• limitní poměr L3/d ≥ 4 dle BS 8006-1, kde L3 vyjadřuje šířku struktury a d mocnost měkké vrstvy,
• pod měkkou vrstvou se musí nacházet únosné podloží (zpravidla štěrky, písky).

Za splnění těchto podmínek se vychází z teorie lisování kovů mezi dvěma tuhými, hrubými a rovnoběžnými povrchy, která byla začátkem 80. let 20. století podrobně analyzována různými autory (Prandtl, Johnson, Mellor). Nalezení analogie mezi stlačováním kovů a měkké vrstvy dalo za vznik návrhové metodice.

Analogie s teorií lisování kovů

Mezní plastická únosnost podloží

Při návrhu se předpokládá, že měkká vrstva je kritické místo konstrukce. Při výstavbě náspu dochází k plastizování měkké vrstvy, postupně vznikající pole napětí se pohybují směrem k ose náspu.

Vývoj pole napětí (zdroj: BS 8006-1: 2010): 1 – násep, 2 – geobuňková struktura, 3 – měkká vrstva, 4 – pole napětí

Jakmile se dosáhne kritického namáhání, pole napětí se setkají a měkká vrstva plně zplastizuje, až dojde k porušení zeminy. Při dále se zvyšujícím namáhání již dochází k vytlačování měkké vrstvy do stran. Geobuňková struktura dokáže díky své tuhé struktuře plně mobilizovat únosnost podloží v plastických zónách. Mezní odpor R takového systému je dán plochou napěťového diagramu, který sestává ze tří částí:

• konstantní část o velikosti 5,71cu z vějířového pole plastických ploch a z únosnosti podloží dle Terzaghiho pro neodvodněné podmínky,
• lineární část omezená bodem, ve kterém se kritická smyková plocha dotýká struktury, poloha kritické smykové plochy je dána poměrem L3/d,
• konstantní část „průměrného napětí“ pod strukturou s přírůstkem 1cu.

Při porovnání odporu R a namáhání z poloviny náspu Q (symetrická úloha) lze určit minimální nutnou pevnost podloží cu, min tak, aby právě došlo k vyčerpání únosnosti. Pro skutečnou pevnost podloží cu musí být splněna podmínka únosnosti cu ≥ cu, min.

Napěťový diagram únosnosti struktury (zdroj: BS 8006-1: 2010): 1 – násep, 2 – geobuňková struktura, 5, 6, 8 – vychází z geometrie smykových polí, 7 – průměrné napětí pod geobuňkovou strukturou

Stav napjatosti v geobuňkové struktuře

Kromě pevnosti podloží je nutné navrhnout dimenze geobuňkové struktury. Obecně jsou celkové dimenze geobuňkové struktury závislé na vlastnostech zemin v podloží a na typu zásypového materiálu. Při posuzování dimenzí jednotlivých prvků geobuňkové struktury (stěna, základna a diagonála) se vychází z mobilizované únosnosti zemin v podloží a z určení maximálního horizontálního napětí působícího na modulovou řadu geobuňky, kdy se při návrhu vychází z mezní podmínky τ = cu. Z napjatosti na elementu zásypu a pomocí Mohrova zobrazení se ze svislého napětí σn určí vodorovné napětí σh ve struktuře jako σh = σn – 2χ. Vodorovné napětí σh, smyková pevnost zásypu ϕ´, uspořádání geomříží v rámci zvoleného rastru a výška struktury jsou potom určujícími faktory pro stanovení minimální pevnosti výztužných geomříží.

Mohrovo zobrazení napjatosti ve struktuře

Příklady staveb

Sanace železničního násypu nedaleko Holubic (1997)

Po deštivém období roku 1997 došlo na úseku násypu železniční tratě Brno–Přerov v blízkosti železniční stanice Holubice k opakovanému porušení násypu, vedoucímu k finálnímu kolapsu konstrukce. Proto zde bylo přistoupeno k opravě formou kompletní rekonstrukce postižené části. Výsledným řešením byl sendvičový násyp založený na geobuňkové struktuře. Průzkum postiženého místa potvrdil, že se pod násypem vytvořila měkká a zvodněná vrstva, která se vytlačuje mimo oblast násypu. Násyp byl odtěžen spolu s nejproblematičtější částí podloží. Pro zvýšení únosnosti podloží byla z tuhých geomříží vystavěna geobuňková struktura, která přesahovala patu násypu tak, aby bylo dosaženo okraje zvodněného území. Pro oddělení zvodněné zeminy a kvalitního kameniva v geobuňkách se použila separační geotextilie.

Sanace železničního násypu nedaleko Holubic (1997)

Založení nově budovaného násypu rekonstruované silnice II/405 Příseka – Brtnice (2010)

V rámci rekonstrukce silnice II/405 přecházela trasa plánované komunikace místa bývalých rybníků a řečišť. V těchto úsecích bylo navrženo založení násypu na geobuňkové struktuře. Při návrhu dimenze struktury se vycházelo ze zkušeností zahraničních realizací, kde obdobnou problematiku úspěšně řeší realizací geobuňkové struktury. Takto vytvořená trojrozměrná kvazihomogenní základová struktura v konstrukci zajišťuje to, že se v násypu neprojevují rozdílné vlastnosti podloží, protože struktura prakticky odstraňuje nerovnoměrné sedání a vodorovné posuny v podloží. Výsledky měření na realizované konstrukci ukazují, že geobuňková struktura zde umožnila snížení velikosti předpokládaných deformací násypů o 45 % a umožnila rychlou výstavbu násypu v souladu s plánovaným harmonogramem výstavby.

Založení nově budovaného násypu rekonstruované silnice II/405 Příseka–Brtnice (2010)

Založení nově budovaného násypu obchvatu Nového Veselí (2019)

Navržená komunikace je součástí přestavby silničního tahu silnice II/353 Jihlava–Žďár nad Sázavou, který má sloužit pro zlepšení napojení Jihlavy a Žďáru nad Sázavou na dálnici D1. Jedná se o novostavbu dvoupruhové silnice v základním šířkovém uspořádání S 9,5/70, kterou bude vyvedena tranzitní doprava mimo zastavěné území dotčených obcí v rozsahu v souladu s územně plánovací dokumentací. V některých úsecích je násyp komunikace trasován do míst s extrémně nízkou únosností zemin v podloží. Při návrhu konstrukce geobuňkové struktury jsme v těchto místech vycházeli ze zkušeností získaných na stavbě silnice II/405 Příseka–Brtnice, kde byly obdobné podmínky.

Založení nově budovaného násypu obchvatu Nového Veselí (2019)

Závěr

Založení náspu na měkkém zvodněném podloží může mnohdy znamenat složitý geotechnický problém, kde tlaky na harmonogram výstavby, maximální hodnoty sedání a stabilitu náspu často vedou ke speciálním metodám hlubinného zakládání nebo hloubkovému zlepšování zemin. Geobuňková struktura je alternativou plošného založení v místech, kde je mocnost měkkého podloží ve vztahu k šířce náspu v patě relativně malá (do 1/4). Kombinace výztužných geomříží a kameniva vytváří zemní desku, která je díky své tuhosti schopná významně snížit maximální hodnoty sedání, zároveň dochází k redistribuci sil po šířce náspu, narovnává se křivka poklesové kotliny a celý násep sedá prakticky rovnoměrně. Geobuňková struktura znemožňuje prostup smykových ploch do měkkého podloží, stabilita svahu náspu je tak ovlivněna pouze parametry zeminy, která se použije pro jeho výstavbu.