POZUEMNÍ STAVITELSTVÍ II. PROF.ING.MILOŠ PAVLÍK, DOC.ING.VLADIMÍR DAŇKOVSKÝ

Transkript

1 POZUEMNÍ STAVITELSTVÍ II. PROF.ING.MILOŠ PAVLÍK, DOC.ING.VLADIMÍR DAŇKOVSKÝ

2 ZÁKALADNÍ FUNKCE Přenos zatížení do základové půdy Eliminace nepřiměřeného sedání stavby Ochrana vnitřního prostoru před negativními vlivy podzákladí HLAVNÍ PROBLÉMY Únosnost základové spáry Deformace zemin v podzákladí Proměnnost fyzikálních parametrů zemin v základové spáře emise radonu ze zemin v okolí stavby působení zemní vlhkosti, podzemní vody na základové konstrukce a konstrukce podzemních podlaží působení chemických roztoků na obalové konstrukce budovy

3 KLASIFIKACE ZÁKLADOVÝCH KONSTRUKCÍ plošné základy o o o o základové patky základové pasy základové rošty základové desky

4 hlubinné základy o o o o o piloty velkoprůměrové (opřené, opření+smyk) piloty maloprůměrové (mikropiloty) studně kesony milánské stěny

5 IG PRŮZKUMY A KLASIFIKACE ZÁKLDOVÝCH PŮD Hlavní cíle inženýrsko-geologického průzkumu skladba zemin v podzákladí klasifikace zeminy jemnozrnné zeminy zrnitost < 0,002 mm písky zrnitost < 2,0 mm štěrky zrnitost < 60,0 mm kamenité zrnitost < 200,0 mm skalní měrná hmotnost únosnost modul přetvárnosti Poissonovo číslo úhel vnitřního tření zrnitost geologický původ hloubka uložení a mocnost vrstvy hydrogeologické poměry hladina PV, propustnost zemin, rychlost proudění vody v geologických vrstvách chemický rozbor podzemní vody určení vhodné hloubky založení poloha základové spáry posouzení možnosti použít zeminu z výkopu na zásypy doporučení ohledně drenážního systému

6 ZÁKLADOVÁ PŮDA PRŮMĚRNÉ HODNOTY PÓROVITOSTI ZEMINA PÓROVITOST (%) písek jílovité zeminy Jíl bentonit až 70 PRŮMĚRNÉ HODNOTY VLHKOSTI ZEMINA VLHKOST (%) písek jílovité zeminy VNITŘNÍ SKLADBA ZEMIN Struktura zrnitá štěrky, písky Struktura voštinová soudržné zeminy jíly, hlíny Struktura koloidní směs vody a horniny zrna v tekutině neklesají Jíl bentonit až 80

7

8 KŘIVKA ZRNITOSTI - příklad

9 Kaiser J., Složka V., Dický J., Jurasov V.: Pružnosť a plasticita I. Alfa, Bratislava Modul pružnosti v tahu E, ve smyku G a Poissonovo číslo μ jsou charakteristikami chování materiálu. Platí mezi nimi vztah Kromě Poissonova čísla se používá také Poissonova konštanta, která je definována jako převrácená hodnota Poissonova čísla, tzn. Poissonovo číslo [upraviť] Hodnoty Poissonova čísla beton 0,20 ocel 0,27 až 0,30 guma 0,50 μ - Poissonovo číslo m - Poissonova konštanta ε x - pomerná deformácia v pozdĺžnom smere (smer namáhani) ε y - pomerná deformácia v priečnom smere (kolmo na smer namáhani) Poissonovo číslo je pre izotropné materiály nezávislé na smere zaťažovania. Pre anizotropné materiály ako napríklad drevo, alebo kompozity je Poissonovo číslo iné podľa smeru zaťaženia voči štruktúre. Z vyššie uvedenej definície vyplýva, že Poissonove číslo je vždy kladné, pretože predstavuje absolútnu hodnotu podielu pomerných deformácií.

10 ZATŘÍDĚNÍ ZÁKLADOVÝCH PŮD

11 R dt = kpa R dt = kpa R dt = kpa

12

13

14 SEDÁNÍ STAVBY - ZÁKLADŮ NAPĚTÍ V ZÁKLADOVÉ SPÁŘE Distribuce tlaku do podzákladí Úhel vnitřního tření Fáze zatížení zeminy: Stlačení oddělení tuhého klínu Vznik trhlin ve smykových plochách Vytlačení okolní zeminy

15 Průběh sedání základové spáry: Odlehčení odebráním výkopku Nárust deformace v době stavby Konsolidace zeminy po dokončení Odvození přípustného namáhání v základové spáře

16 Vývoj posunů základové spáry pod středem výškové budovy NBS v Bratislavě Plošně založené vysoké budovy ve Frankfurtu nad Mohanem sedají kolem 100 až 340 mm, v Bratislavě 55 až 65 mm. Millenium Tower, Vídeň Výška stavby 202 m (Brandl 2005). základová spára v terciérních hlinitých a jílovitých sedimentů pak vrstva štěrkovitých zemin 4 až 7 m. Po výkopu stavební jámy se tato vrstva zhutnila hloubkovou vibrací, potom bylo zabudováno 151 kontinuálně vrtaných pilot s průměrem 0,88 m a s délkou 13 až 16 m Prof. Ing. Jozef Hulla, DrSc. Foto a obrázky: autor

17 POVOLENÉ HODNOTY SEDÁNÍ ZÁKLADŮ

18 TYPY ZÁKLADOVÝCH KONSTRUKCÍ

19

20

21 ZÁKLADOVÉ PATKY

22

23 ZÁKLADOVÉ ROŠTY

24

25 ZÁKLADOVÉ DESKY

26

27 VZÁJEMNÉ OVLIVNĚNÍ ZÁKLADŮ

28 PODMRZÁNÍ ZÁKLADŮ

29

30 PRŮBĚH TEPLOT V SOKLU STAVBY nepodsklepený objekt

31

32 ZALOŽENÍ NEPODSKLEPENÉ BUDOVY NA PILOTÁCH

33

34 ZVÝŠENÍ ÚNOSNOSTI PODZÁKLADÍ

35 ZLEPŠOVÁNÍ ZÁKADOVÝCH ZEMIN > DYNAMICKÁ KONSOLIDACE Při této metodě je zemina zhutněna několika sériemi pečlivě navržených úderů břemenem t, volným pádem z výšky m. Okamžité výsledky jsou dosaženy redukcí sedání v relaci 3-6 %, snížení objemu zeminy a zlepšení E - modulu násobkem 4 až 6. Hloubka zlepšení dosahuje m. Lze použít pro většinu typů základových půd. > ŠTĚRKOVÉ PILÍŘE Neúnosná zemina je hloubkově zhutněna a vyztužena pilíři ze štěrku o průměru cm, hloubky obvykle 8-12 m. Přenos zatížení využívá bočního odporu zeminy. Konsolidace zeminy je také urychlena možností filtrace. Pilíře ze štěrku o úhlu vnitřního tření zlepšují smykový odpor zeminy. > SOIL - MIXING Metodou soil-mixing se zpevní neúnosná zemina tím, že se v ní in-situ vytvoří zhutněné a stabilizované pilíře. Používá se patentovaná technologie "COLMIX", se speciální několikavřetenovou soupravou, pro promíchání a proinjektování zeminy. > VERTIKÁLNÍ DRÉNY Vertikální drény se používají pro odvodnění a urychlení konsolidace stlačitelných jílovitých zemin. Mohou být instalovány do hloubek m. Účinnost závisí na rozteči drénů.

36 > KOMPAKČNÍ INJEKTÁŽ Touto metodou dochází k bočnímu stlačení a zhutnění zeminy v dané hloubce, injektáží velmi husté maltové směsi. Vyžaduje pečlivý návrh a dobrý monitoring. > VIBROFLOTACE Vibroflotací se zhutňují písčité, kypré zeminy ponorným vibrátorem, za podpory vody nebo vzduchu, až do hloubek m. Zhutněním se rovněž sníží propustnost v řádu

37 HLUBINNÉ ZÁKLADY PILOTY dubové piloty v základech mostů a domů

38 SOUČASNÉ TYPY PILOT

39

40

41

42 MIKROPILOTY Kořen mikropiloty je upnut do horniny tlakovou injektáží cementovou směsí

43 1.. VRTÁNÍ Nejčastěji se vrtá plnoprofilově na jílocementový nebo vodní výplach, s průměrem vrtu 100 až 250 mm. 2. VÝPLŇOVÁ ZÁLIVKA Vrt je odspodu vyplněn cementovou zálivkou. 3. VÝZTUŽ Nejčastěji jsou však používány silnostěnné trubky spojované na závity. V dolní části jsou perforované a opatřené gumovými manžetami pro injektáž. 4. INJEKTÁŽ Kořen mikropiloty je upnut do horniny tlakovou injektáží cementovou směsí. Tím je zajištěno efektivní přenesení zatížení. 5. NAPOJENÍ KONSTRUKCE U trubkových mikropilot může být spojení s konstrukcí snadno provedeno přes našroubovanou roznášecí hlavu.

44 SPECIÁLNÍ TECHNIKY ZAKLÁDÁNÍ - STUDNĚ/ ZAKLÁDÁNÍ POD VODOU

45 STAVEBNÍ JÁMA POUŽITY MATERIÁLY VUT BRNO DOC.NOVOTNÝ

46

47 HNANÉ PAŽENÍ

48

49

50 ZACHYCENÍ VODOROVNÝCH SIL

51 STAVEBNÍ JÁMA NA MALOVANCE

52

53 MILÁNSKÉ STĚNY

54 ODVODNĚNÍ STAVEBNÍ JÁMY

55 TRENCHMIX PODZEMNÍ STĚNA SMĚS VÝKOPKU A POJIVA vyvinuta v mezinárodní skupině Soletanche Bachy modifikací pásových nosičů vyráběných firmou Mastenbroek Ltd. Podzemní stěnová konstrukce zpevněné zeminy promíchané s hydraulickým pojivem je realizována speciálním zařízením (trencher) s následujícími přednostmi: - Zemina je rozrušena a promísena na místě bez významného vytěžení na povrch. - Zařízení umožňuje rovnoměrně dávkovat a promísit pojivo in-situ do zlepšované zeminy.

56 ZPEVŇOVÁNÍ STĚN STAVEBÍNÍ JÁMY Zemní hřebíky Zemní hřebíky se nejčastěji používají pro stabilizaci svahů, kotvení opěrných stěn. Hřebíky jsou dodávány o průměrech 20 mm - 68 mm a se zatížením na mezi pevnosti 175 kn kn. Jsou vyráběny ve dvou provedeních, s jednoduchou antikorozní ochranou nebo s dvojitou antikorozní ochranou.

57 Zemní kotvy Tyčové zemní se kotvy se nejčastěji používají pro kotvení opěrných zdí, zajištění hlubokých výkopů, kotvení věžových jeřábů, ukotvení táhel. Kotvy jsou dodávány s tyčemi o průměrech 21 mm - 44 mm a se zatížením na mezi pevnosti 270 kn kn. Antikorozní ochrana tyčové zemní kotvy závisí na tom, zda se kotva uvažuje jako trvalá nebo dočasná.

58 Skalní trny Skalní trny se používají k zajištění galerií během hloubení, zajištění nestabilních skal a zemin. Dodávány jsou s různými kotevními systémy, injektované, s pryskyřičnou nebo mechanickou kotvou. Skalní trny jsou dodávány o průměrech 20 mm - 36 mm a se zatížením na mezi pevnosti 175 kn kn.

59 Problémy při zakládání vysokých budov Hloubkové základy s kombinovaným přenosem Při zakládání staveb s kombinovaným přenosem přenášejí jednu část zatížení piloty, druhou část základová deska na zeminu mezi pilotami. Většinou se předpokládá, že piloty přenesou asi polovinu zatížení, přičemž jejich počet vychází z únosnosti, nikoli z výpočtové únosnosti. Souvisí to s relativně velkými hodnotami sedání a se zatlačováním pilot do podloží. Ve Frankfurtu nad Mohanem a ve Vídni byla výška takto založených budov 110 až 257 m. Maximální hodnoty sedání se pohybovaly v rozsahu od 25 do 120 mm. Od roku 1980 se téměř všechny vysoké budovy ve Frankfurtu nad Mohanem zakládají na pilotách. Mezi prvními takto zakládanými budovami byla Veletržní věž (Messeturm). Pod ní sahají třetihorní jíly do hloubky 150 m. Věž má 70 nadzemních a pouze 2 podzemní podlaží. Základovou desku s maximální tloušťkou 6,0 m podepírají 64 piloty dlouhé 26,9 až 34,9 m a s průměrem 1,3 m. Během výstavby se měnil poměr zatížení přenášeného pilotami a deskou. Po dokončení přenášely piloty 57 % a deska 43 % z celkového zatížení (asi MN). Maximální hodnota sedání dosáhla 120 mm. Navzdory velké tloušťce a tuhosti se základová deska prohnula a oproti okrajům je uprostřed průhyb přibližně 40 mm. Maximální naklonění základové desky je 1 : 3 500, z čehož vyplývá, že výšková budova je nahoře odkloněná od svislice o 70 mm. Na plný přenos zatížení by bylo třeba zabudovat 316 pilot, což by představovalo rozdíl v nákladech více než 3 miliony eur. V Bratislavě je na plovoucích pilotách s kombinovaným přenosem založeno více vysokých budov. Patří mezi ně například výšková budova komplexu Rozadol (obr. 4). O sedání těchto budov však dosud nebylo možné získat žádné informace. Určitě však podstatná část zatížení zůstává ve štěrkovitých zeminách a piloty v hlubším stlačitelnějším neogenním podloží budou přenášet pouze nepatrnou část zatížení. Hloubkové základy s plným přenosem Zakládání vysokých budov na plošných základech a na pilotách s kombinovaným přenosem má svá omezení. Budovy vyšší než 300 m je možné zakládat na plošných nebo na hloubkových základech s plným přenosem zatížení jen do skalních hornin. Rozměry plošných základů jsou závislé na vlastnostech skalního podloží a působícího zatížení. Ukazuje se, že podíl přenosu zatížení plášťovým třením v jemnozrnných zeminách je zanedbatelný. Téměř celé zatížení se přenáší plášťovým třením a opřením paty ve skalním podkladu.

60 Budova Komerční banky (Commerzbank) ve Frankfurtu nad Mohanem (obr. 3) vysoká 299 m je založena na 111 pilotách o průměru 1,5 a 1,8 m, sahajících do hloubky 38 až 46 m. Piloty jsou vetknuty přibližně 7 m do vápence a sedání se pohybuje v rozsahu 20 až 30 mm. Věže Petronas v Kuala Lumpuru jsou vysoké 452 m, založené jsou na 104 pilotách dlouhých 60 až 115 m, vázaných do vápenců, a základová deska má tloušťku 4,5 m. Sednutí dosahuje hodnoty přibližně 60 mm. V Tchaj-wanu byla postavena věž Taipei 101 vysoká 509 m (obr. 5). Má 5 podzemních podlaží a je založená na 380 pilotách o průměru 1,5 m a délceu 30 m. Piloty jsou vázány do skalního podkladu a základová deska má tloušťku 5 m. Další gigant věž Burj Dubai by měla mít po dokončení výšku 800 až 850 m. Je založená na 192 pilotách o délce 50 m, vázaných do skalního podkladu. Základová deska věže má tloušťku 3,7 m. Pro piloty s plným přenosem zatížení, které jsou opřeny nebo vetknuty do skalního podloží, je důležitá kvalita betonu. Z toho důvodu se téměř všechny piloty kontrolují sonicky. Na základě rychlosti šíření zvukového impulsu lze odhalit polohy s poruchami nebo méně kvalitním betonem a kontrolovat také hloubky pilot. Poruchy v dříku i u paty pilot je nutné zodpovědně analyzovat z hlediska jejich vlivu na stabilitu konstrukcí a v případě potřeby je sanovat injektáží. Stavební jámy Vysoké budovy se obvykle zakládají v městských podmínkách, které jsou omezené okolní výstavbou, městskými komunikacemi, inženýrskými a telekomunikačními sítěmi. Hloubky stavebních jam běžně dosahují hodnoty 10 až 20 m. Z toho vyplývá, že svahové stavební jámy se nemohou v takových podmínkách uplatnit. K zabezpečení stability je třeba mírně skloněných svahů s velkými nároky pod hladinou podzemní vody. Kolem stavebních objektů se doporučuje zabezpečit dostatečně volný prostor. Prvořadým úkolem je lokalizace a překládání podzemních a nadzemních vedení, povrchových komunikací, případně odstranění starších objektů. Stavební jámy je možné pažit záporovými stěnami s kotevními stabilizačními systémy. Pomocí nich se dá dosáhnout volného prostoru na hloubení jámy i na výstavbu podzemních částí konstrukcí. Ve většině případů však sahají základové spáry vysokých budov pod hladiny podzemních vod. Pažicí konstrukce musejí být z tohoto důvodu schopné plnit

61 i těsnicí funkci. Svislé stěny se vytvářejí pomocí prořezávaných pilot technologií promíchávání zemin na místě (MIP mixed in place), monolitickými železobetonovými podzemními stěnami vytvářenými v rýhách s jílovitou suspenzí, železobetonovými prefabrikáty v rýhách s betonovou směsí nebo se samotvrdnoucí suspenzí. Jejich stabilita se opět zabezpečuje jednou nebo více úrovněmi kotevních systémů. Pažicí a těsnicí stěny se musejí vázat do nepropustné vrstvy. Tou mohou být přírodní neogenní zeminy nebo umělé injektované vrstvy ve štěrkovitých zeminách. V Bratislavě jde o neogenní zeminy, které však nejsou homogenní. V jílovitých zeminách se vyskytují neogenní písečnaté polohy s výrazně větší propustností. V nich se soustřeďují i vodní tlakové horizonty, které mají nepříznivý vliv na zvedání úrovně základové spáry a dna stavební jámy. Tento nepříznivý vliv odpružení podloží lze redukovat odlehčovacími vrty, které působí jako vertikální drény a uvolňují napětí ve vodních horizontech. Specializované společnosti na zakládání staveb mají pro tuto činnost rozvinuté technologie, moderní hloubicí zařízení a zkušené pracovníky. Netěsné polohy ve stěnách se proto vyskytují pouze výjimečně. Stavební jáma pro Národní banku Slovenska (obr. 6) měla pažicí a těsnicí stěny vytvořeny z kotvených železobetonových prefabrikátů a samotvrdnoucích suspenzí. Stěny se vhodně vázaly do přírodního nepropustného jílovitého podkladu. Ze stavební jámy bylo nutné pomocí vrtaných studní čerpat vodu, v nepatrném množství jen 1 až 2 l/s. Větší množství vody přitéká do stavebních jam přes jejich podloží pod dolními konci pažicích a těsnicích stěn. Během vytváření stěn se sleduje kvalita zemin pod dolními konci stěn. Na první pohled by tedy mělo být všechno v pořádku a z dokonale utěsněných jam by se nemělo čerpat větší množství vody. Hloubka stěn se navrhuje v projektech na základě výsledků inženýrskogeologického průzkumu. Investoři se však snaží redukovat náklady dost často právě omezením rozsahu průzkumu. Zkušenosti z Bratislavy svědčí o tom, že povrch a tloušťky neogenních jílovitých zemin se u větších jam mohou mezi vzdálenějšími vrty významně měnit. Následně vznikne situace, kdy stěny jsou sice vázané do relativně nepropustné vrstvy, ta se však nenachází souvisle pod celou jámou. Do jámy zasahují propustnější písečnaté vrstvy z větších hloubek, jimiž sem proudí větší množství pozemních vod. Jedním z takových případů v Bratislavě byla jáma pro komplex Rozadol (obr. 7). Z jámy se čerpalo více než 60 l/s, ale požadovaného snížení se nedosáhlo. Stěny byly tehdy poprvé v Bratislavě vytvořeny technologií promíchávání štěrkovitých zemin s cementovou suspenzí a na mnoha místech byly provrtány. Do jámy byly zabudovány pozorovací trubky, které umožnily kromě poloh hladin sledovat i rychlosti proudění průsakové vody. Na základě analýzy výsledků měření se prokázalo, že podstatná část z celkového množství vody

62 přitéká do jámy přes písečnaté vrstvy pod dolními konci stěn. Doplnily se čerpací studny a z nejnižší části jámy pod výtahovou šachtou výškové budovy se voda odčerpávala povrchově. Závěr Zakládání vysokých budov je stále častěji podmíněno širokým využíváním pilot. Protože se zvětšují podíly zatížení, které musejí přenést, zvyšují se i jejich počty. Cílem je minimalizovat nerovnoměrné složky sedání. Investoři by se měli rozhodnout, zda extrémní minimalizace sedání nesměřuje ke zbytečně velkým nákladům na zakládání. V této souvislosti by neměli příliš šetřit na geotechnických průzkumných pracích. Kvalitní podklady mohou vést ke spolehlivým a ekonomicky efektivním řešením. Stejný požadavek na spolehlivý geotechnický průzkum platí i pro stavební jámy. Hloubka pažicích a těsnicích stěn bezprostředně souvisí s čerpaným množstvím, odvedením vody i stabilitními problémy podloží vysokých budov. Text a foto: prof. Ing. Jozef Hulla, DrSc. Autor je profesorem na katedře geotechniky Stavební fakulty Slovenské technické univerzity. Zabývá se řešením vědeckých a odborných problémů stavební geotechniky. Literatura 1. Brandl, H.: Settlement Minimizing Pile and Diaphragm Wall Foundations for High-rise Buildings and Bridges. In: Geotechnika v urbanizovanom prostredí. Bratislava: SvF STU, 2005, s Hulla, J.: Sedání vysokých budov. Realizace staveb 01/2007, s Hulla, J. Jesenák, J. Masarovičová,M. Slávik, I. Mázor, J.: Dvíhanie dna stavebnej jamy a sadanie budovy Národnej banky Slovenska. Bratislava: SvF STU, 1997, 96 s. 4. Katzenbach, R. Bachmann, G. Boled-Mekascha, G. Ramm, H.: The Combined Pile Raft Foundations (CPRF): An Apropriate Solution for the Foundation of High-rise Buildings. In: Geotechnika v urbanizovanom prostredí. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 2005, s Katzenbach, R.: Hochhäuser in Frankfurt am Main. Frankfurt/Darmstadt: Technische Universität, 2006, 49 s. Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.

63 Mohlo by vás také zaujmout: Současné tendence při zakládání hal Konstrukční deska RigiStabil umožní provádět nové konstrukce nejen v dřevostavbách Geotechnický průzkum pro zakládání staveb