Zemní kotvy

Publikováno 31.10.2023

Jedná se o systém dynamicky hnaných zemních kotev (Percussion Driven Earth Anchors - PDEA®), jehož výrobcem je celosvětově známá britská společnost Platipus Anchors, která se výrobou a instalací těchto prvků zabývá již od roku 1982. Dynamicky hnané zemní kotvy jsou unikátním, moderním a univerzálním nástrojem, který může být použit ve většině typů zemin.

POPIS KOTEVNÍHO SYSTÉMU

Systém nabízí lehké, proti korozi odolné zemní kotvy, jejichž instalace je možná v terénu za pomoci běžně dostupného přenosného zařízení, jako je například příklepové kladivo. Během instalace kotev dochází k minimálnímu narušení zemního prostředí, bezprostředně po instalaci může být kotva napnuta na požadované napětí a stává se okamžitě plně funkční. Tím, že se jedná o kompletně suchou výstavbu, je dopad na životní prostředí minimální.

POUŽITÍ KOTEVNÍHO SYSTÉMU

Kotevní systém je možné použít pro širokou škálu průmyslových oblastí od stavebnictví, přes kotvení potrubí, rozvodů elektrického vedení, až po kotvení zeleně – od vzrostlých stromů až po vedení podpůrných systémů ve vinicích. Konkrétní možnosti použití ve stavebnictví:

• Protierozní ochrana svahů
• Povrchové sesuvy
• Hluboké smykové plochy
• Svahové zářezy
• Sanace opěrných zdí
• Kotvení pažících konstrukcí

PRVKY KOTEVNÍHO SYSTÉMU A PŘÍSLUŠENSTVÍ

Kotevní systém se skládá z pěti základních komponent:

• Ocelové kotvy
• Ocelové lano případně ocelová závitová tyč
• Roznášecí deska
• Spojovací prvek v místě ocelová kotva × tyč/lano
• Ukončovací prvek v místě roznášecí deska × tyč/lano

Ocelové lano nebo tyč jsou prostřednictvím spojovacího prvku s kotvou propojeny kloubově, aby po instalaci kotvy mohlo dojít k její aktivaci pootočením v zemině. Ocelové kotvy se vyrábějí ve dvou variantách a každý variant v několika velikostech podle způsobu použití a požadovaných charakteristik pro zajištění požadovaných návrhových parametrů kotevního systému. Jedná se především o tvar kotvy, kdy rozlišujeme kotvy tvaru "Stealth" a "Bat".

Zemní kotvy tvaru Stealth

Zemní kotvy tvaru Bat

Zatímco tvar kotvy „Stealth“ umožňuje jednodušší zavedení pouze pomocí jednoduchého ručního nebo elektrického nářadí a je tedy vhodný i pro práci v místech s omezeným přístupem, kotva „Bat“ je oproti tomu navržena pro dosažení vyšších zatížení a rovněž dosahuje vyšší účinnosti kotvení především v měkkých jemnozrnných zeminách.

Ocelová lana i závitové tyče se vyrábějí v různých průměrech podle požadavků projektu a podle parametrů zajišťované konstrukce. Ocelová lana zpravidla dosahují nižších pevností než ocelové tyče a používají se v jednodušších a méně náročných konstrukcích. Hlavní výhodou ocelového lana je možnost použití tohoto systému ve stísněných prostorech, kdy není možné pracovat s tyčovými kotvami. Tyčové kotvy se používají jako závitové a jsou na projektově požadovanou kotevní délku napojovány standardně po dvoumetrových délkách. Prováděné kotvení je možné v případě potřeby variabilně upravovat z hlediska nutné kotevní délky prvku. Hlavní výhodou je tedy možnost operativního prodloužení kotevní délky v případě, že se zkouškami v reálných podmínkách stavby tato potřeba prokáže.

Ukončení a aktivace kotvy nad terénem se provádí prostřednictvím roznášecí desky a může zůstat viditelné nebo je možné jej skrýt. Aktivace lanové kotvy se provádí pomocí hydraulického lisu přes klínový úchyt, tyčové kotvy jsou poté aktivovány pomocí matic. Některé aplikace, například historické stavby, vyžadují, aby byly všechny stopy po kotvení skryté. Toho lze dosáhnout zapuštěním horního kování kotevního systému do konstrukce.

ŽIVOTNOST KOTEVNÍHO SYSTÉMU

Návrhová životnost kotevního systému závisí na použitém základním materiálu a povrchové úpravě jednak samotných kotev, kotevních lan/tyčí, ale i kotevního příslušenství. Kotevní systém může být vyroben jako dočasný, s životností do 5 let, nebo jako trvalý, s životností až 120 let. Předpokládaná životnost kotevního systému může být ovlivněna agresivitou zemního prostředí, ve kterém je systém umístěn, a je nutné tuto agresivitu prostředí zohlednit při výběru požadované povrchové úpravy všech systémových komponent. Podle požadavku na návrhovou životnost se systémové prvky vyrábějí z hliníkových slitin, galvanizované litiny nebo hliníkového bronzu.

Pro kotevní lana se standardně používá galvanizovaná ocel pro návrhovou životnost 50 let nebo nerezová ocel pro návrhovou životnost 120 let, pro závitové tyče se standardně používá difuzně zinkovaná ocel pro návrhovou životnost 60 let nebo nerezová ocel pro návrhovou životnost 120 let.

INSTALACE KOTEVNÍHO SYSTÉMU

Instalace kotevního systému se skládá ze tří hlavních kroků:

• Dynamické zaražení kotvy do zemního prostředí pomocí hnací/instalační tyče
• Vytažení hnací tyče
• Napnutí kotvy

Příslušenství pro instalaci kotevního systému

Instalace kotev probíhá pomocí přenosného zařízení používaného buď ručně, nebo pomocí zařízení upevněného na standardní stavební mechanismy. Stejné zařízení se používá jak pro zatlačení instalační tyče do zeminy, tak pro její vytažení.

FÁZE AKTIVACE KOTVY

První fáze – zaklesnutí/zaklínění kotvy
Zaklínění kotvy spočívá v použití tahové síly, čímž dojde k pootočení kotvy na konci kotevní tyče/lana do aktivní polohy, při které kotva působí vůči okolnímu zeminovému prostředí.

Druhá fáze – stlačení a zatížení
Pod aplikovaným napětím se bezprostředně před kotvou v zemině generuje pomyslný roznášecí komolý kužel stlačované zeminy. V tomto okamžiku zatížení roste při minimální deformaci. Celková deformace je ovlivněna typem zeminového prostředí.

Třetí fáze – maximálně dosažené zatížení – dosažení maximální únosnosti kotevního systému
Zvyšující se zatížení působící na kotvu dosahuje smykové pevnosti zeminy, rychlost nárůstu zatížení se následně snižuje až do překročení její smykové pevnosti.

Čtvrtá fáze – vyčerpání smykové pevnosti zeminy
Upozornění: v okamžiku, kdy je vyčerpána smyková pevnost zeminy, dochází k vytahování kotvy. S posunem kotvy v zemině směrem k povrchu se bude reziduální zatížení s narůstajícím prodloužením snižovat.

VÝPOČTOVÁ METODIKA

Únosnost kotev je určována a modelována pomocí standardní Terzaghiho rovnice (1943) pro únosnost, která zohledňuje vliv soudržnosti a tření mezi plochou hlavy kotvy a zeminou. Vliv tlaku nadloží, tedy hloubky instalace kotvy v případě nesoudržných zemin, je při této analýze zásadní. Terzaghiho rovnice rovněž umožňuje zohlednit částečné nebo plné nasycení zeminy vodou. Narušení základové půdy během instalace je zohledňováno součiniteli tvaru, jejichž hodnoty jsou korelací výsledků zkoušek in-situ s teoretickými výpočtovými modely.
Pro čistě kohezivní model za neodvodněných podmínek může být použita Skemptonova teorie. Teorie i praxe indikují a empiricky je možné uvažovat, že maximální napětí v kotvě před porušením je 9× hodnota neodvodněné smykové pevnosti.

V posledních dvaceti letech bylo vydáno mnoho národních dokumentů popisujících návrhové metodiky, specifikace a konstrukční detaily kotev. Mnohé z nich byly nahrazeny Eurokódem 7 Navrhování geotechnických konstrukcí a EN 14490 Provádění speciálních geotechnických prací – klincování zemin.

UKÁZKA REALIZACE

Při provádění výkopových prací pro výstavbu nového objektu v obci Savièse na jihu Švýcarska došlo k sesuvu ve střední části zářezu o celkové výšce 14 m, čímž byly zastaveny práce na výstavbě objektu. Pro možnost obnovení prací na objektu bylo nutné nalézt rychlé, spolehlivé a trvalé řešení sanace svahu. Zemní kotvy Platipus byly vybrány jednak pro svou vhodnost použití v soudržných zeminách, ale také z důvodu jednoduché instalace v omezeném prostoru a okamžité dostupnosti výrobku.

Sanace svahu o celkové ploše 500 m² byla provedena dvěma typy kotev. Nejprve byly ve spodní polovině svahu za pomoci kráčejícího bagru umístěny čtyři řady kotev typu „Bat“, kotvené do hloubky 9 m a testované na zatížení 90 kN. Poté bylo v horní polovině svahu umístěno pět řad menších kotev „Stealth“ s kotevní délkou 4 m, testovaných na 30 kN. Tyto kotvy byly instalovány pomocí pneumatického kladiva z mobilní platformy. Povrchová úprava svahu byla provedena pomocí trvalé protierozní sítě, která byla průběžně kotvena k sanovanému svahu.