ZEMNÍ KONSTRUKCE. LUMÍR MIČA, ING., Ph.D. ÚSTAV GEOTECHNIKY

Transkript

1 ZEMNÍ KONSTRUKCE LUMÍR MIČA, ING., Ph.D. ÚSTAV GEOTECHNIKY 1

2 1.Vyčkat aža zeminy dosáhnou potřebných parametrů Je to spíš íše e teoretická možnost, využít t ji lze z pochopitelných praktických důvodd vodů jen ojediněle muselo by dojít t k přemp emístění zeminy, většinou v převlhčené,, na místo, m kde nebude ovlivněna na srážkami, případnp padně k jejímu zakrytí a vyčkat, až dojde ke snížen ení vlhkosti 2

3 2. Vyměnit za zeminy vhodné Toto se může vyplatit v případech blízkosti zemníku / lomu s vhodným materiálem možnost uplatnění nevhodného materiálu - např. blízká a levná možnost skládkování, využití výkopku při terénních úpravách a/nebo finanční dostupnosti (dopravní náklady) 3

4 Zlepšení zeminy TP 94 Zlepšení zemin (v revizi) 4

5 Mechanická stabilizace Zatlačování hrubých resp. velmi hrubých částic tzv. plombování plání Používáme spíše pro lokální úpravy, protože vyžaduje velké přesuny zeminy, i když méně než při výměně. Rozptýlená textilní vlákna tzv. mikrovyztužování pro písčité zeminy VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 5

6 Zlepšování zemin Chemická stabilizace Stabilizace zlepšování málo vhodných zemin pomocí pojiv Vápno hydroxid vápenatý (Ca(OH) 2 ) ; nehašené vápno (CaO); vápenná kaše (Ca(OH) 2 ). cement ostatní pojiva živičné pojivo; enzymy Rozhodnutí o použitém pojivu záleží na výsledcích laboratorních rozborů. Každý typ pojiva je nutné s upravovanou zeminou vyzkoušet. VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 6

7 Proč zlepšujeme? vysoká vlhkost I C těžko zpracovatelná pro hutnění snížení vlhkosti požadovaná vlhkost pro snazší a rychlejší postup prací bez ohledu na počasí zlepšíme zeminu, která je tím vůči následným změnám vlhkosti málo citlivá geotechnické parametry, ať již smykové či deformační jsou nízké. Potřebujeme tyto parametry zvýšit, aby zeminy nebylo nutné 7 částečně nebo zcela vyměnit za kvalitní materiály

8 Kdy zlepšujeme? Nejdůležitější je zjištění vlhkosti, protože z porovnání w opt a w n vychází rozhodnutí o potřebě zlepšování. Podle ČSN nelze použít bez úpravy vlhkosti do násypu zeminu Rozhodující charakteristika zeminy pro určení druhu zlepšení -vápnem nebo cementem dle ČSN a TP 94: I P = w L -w P V případě zlepšování je hodnota CBR parametrem, který rozhoduje o účinnosti zlepšení. Pojivem zlepšená zemina musí mít (podle ČSN tab.6) 8

9 Co použijeme? Vápno (3-9%) I P > 10 a obsah jílovitých částic f > 10% Cement (3-10%) I P 10 a percentage passing No. 200 < 20% Kombinace - Vápno, cement, popílek (10 25%) 10 < I P <20 a percentage passing No. 200 < 10% 9

10 Zlepšování zemin Stabilizace ČSN Klasifikace zemin pro dopravní stavby ČSN Kontrola zhutnění zemin a sypanin ČSN :1994 Stabilizované podklady ČSN :1998 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací TP 94 Zlepšení zemin (v revizi) TKP staveb pozemních komunikací kap. 4 Zemní práce z 03/

11 Úprava zemin vápnem Tento způsob úpravy zemin je nejrozšířenější a tvoří v ČR zhruba 90% všech úprav zemin. Proto se tomuto budeme věnovat v dalším s větší podrobností 11

12 Účinky vápna v zemině krátkodobé (cca do 24 hodin) 1.efekt snížení vlhkosti 2.efekt změny geotechnických parametrů zeminy dlouhodobé 12

13 Změny ve struktuře po přidání Krátkodobé způsobené přidáním iontů Ca ++ a OH -, záměnou kationtů Na + a K + za Ca ++ Obdoba chování polymerů vápna - CaO: Neupravená zemina Upravená zemina Dlouhodobé vápno působí na oxid křemičitý a hlinitý obsažený v jílu a vytváří hydratované křemičitany a hlinitany vápníků Upravená zemina Neupravená zemina 13

14 Krátkodobé účinky 1.Efekt snížení vlhkosti působením faktorů: Hydratací CaO+H 2 0 = Ca(OH) ,5 kcal Odpařením určitého množství vody Dodáním suchého materiálu Mísenísměsi vápno +zemina Slide 29 2.Efekt změny geotechnických parametrů zeminy Tento je způsoben chemickými reakcemi a tzv.flokulací (vločkováním) jílových částic. Při použití 1% příměsi vápna dochází k Slide 31 14

15 Dlouhodobé účinky Křemičitany, hlinitany a oxidy železa se v jílovitých zeminách dostávají do roztoku. V roztoku reagují s Ca a vytvářejí nerozpustné sloučeniny, které krystalizují a vytvářejí tak vazby stejné povahy jako hydraulická pojiva. Navíc váží inertní částice zeminy Cementace se vyvíjí pomalu (měsíce, roky). Jíl a vápno v zemině vzájemně reagují pomalu, vytváří nový druh minerálů. Tyto změny vedou ke zlepšení geotechnických vlastností směsi zvýšení pevnosti v prostém tlaku zvýšení indexu CBR stabilita směsi po saturaci zvýšení odolnosti proti mrazu 15

16 Průkazní zkoušky Provádí se za účelem stanovení množství dávky pojiva a zjištění jeho účinnosti tzv.receptura (Určíme během IG průzkumu - podrobný - ze zkoušek MZ) Přehled průkazních zkoušek prováděných v laboratoři při přípravě receptury Stanovení zrnitosti pro geotechniku dle ČSN Laboratorní stanovení vlhkosti zemin dle ČSN Laboratorní stanovení zhutnitelnosti zemin Proctorova zkouška dle ČSN jak pro nezlepšenou, tak pro zlepšenou zeminu Laboratorní stanovení poměru únosnosti zemin (CBR) dle ČSN jak pro nezlepšenou, tak pro zlepšenou zeminu 16

17 Zlepšování zemin Stabilizace VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 17

18 Zkouška CBR Zkouška CBR se pro danou míru zhutnění měří v lisu za různých podmínek (sycení, doba zrání, okamžité hodnoty V případě zlepšování je hodnota CBR parametrem, který rozhoduje o účinnosti zlepšení. Pojivem zlepšená zemina musí mít (podle ČSN tab.6) v podloží násypu a násypu minimální hodnotu CBR 10% při zk.vlhkosti v aktivní zóně 10% CBR 7+4 dny(mechanicky zlepšená 15%) Při posouzení horní vrstvy podloží vozovky (AZ) kdy CBR zeminy je v rozmezí 2-15%, definuje tab.9 tloušťku nutné výměny či úpravy pro vozovky D, R a silnic I třídy (úroveň porušení D0 a D1) v rozmezí mm. Horní vrstva pak musí splnit min CBR 15% 18

19 Zkouška CBR CBR bez přidání vápna na zkoušeném materiálu při vlhkosti w opt + 3% PENETRACE 2.5 mm = 4 % CBR 5.0 mm = 4 % CBR CBR s 1% vápna na zkoušeném materiálu při vlhkosti w opt + 3% PENETRACE 2.5 mm = 17 % CBR 5.0 mm = 16 % CBR 19

20 (Geostar) CBR (%) přídavek vápna (2%) 0 před saturací po saturaci bez aditiv Graf závislosti hodnot CBR (%) na množství přidaného vápna (bez vápna a 20 přídavek vápna 2%) před saturací a po saturaci na zemině typu F6

21 CBR v závislosti na přirozené vlhkosti a dávce vápna (Geostar) 21

22 PS Objemová hmotnost sušiny (kgm-3) vlhkost % 22 Slide 21

23 Zlepšování zemin Stabilizace VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 23

24 1800 max. objem. hmotnost % 1% 2% 3% ,2 17,4 17,6 17, ,2 18,4 18,6 w opt Body grafu jsou výsledky zkoušky Proctor standard (body vrcholu křivek) na zemině typu F6 a odráží závislost optimální vlhkosti (w opt %), maximální objemové hmotnosti a množství přidaného vápna (0%; 1%; 2%; 3%). (ing. Hauser Geostar) 24

25 Dávkování vápna do násypu v závislosti na zjištěné vlhkosti (Geostar) 2 dávkování vápna v % 1,5 1 0, naměřená přirozená vlhkost v % 25

26 Nejdůležitější faktory ovlivňující kvalitu úpravy zemin Kvalitní příprava v laboratoři Kvalitní pojivo!!! Kvalitní mechanizmy při úpravě Kvalitní dohled nad kvalitou prací 26

27 Křivky reaktivity vápna (zkoušky GEOSTAR) 28 T [ C] 24 vápno A vápno B vápno C čas [min] 27

28 Nárůst hodnot CBR před saturací na zemině F6 v závislosti na kvalitě použitého vápna CBR % % 1% 2% 3% přídavek vápna bez aditiva vápno A vápno B vápno C 28

29 Nárůst hodnot CBR po saturaci na zemině F6 v závislosti na kvalitě použitého vápna CBR % % 1% 2% 3% přídavek vápna bez aditiva vápno A vápno B vápno C 29

30 Zlepšování zemin Stabilizace Zkouška CBR, porovnání zeminy bez CaO Zkouška CBR, porovnání zeminy s 1 % CaO VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 30

31 Vlastnosti zeminy ovlivňující úpravu vápnem zrnitost: D max ovlivňuje výběr mechanizace < 0,08mm ovlivňuje výběr pojiva obsah jílových minerálů (I p,) čím vyšší, tím je vhodnější úprava vápnem obsah chemických sloučenin: organické látky. Zvyšují spotřebu vápna, část je nutná na neutralizaci kyselého prostředí v zemině. fosfáty a dusičnany. Zabraňují nebo zpomalují hydraulickou reakci. Přítomnost pouze v místech, kde se používá hnojení. sloučeniny chloru. Urychlují vytvrzování avšak mohou způsobit objemové změny (bobtnání) při vytvoření chloraluminátů. sírany a sirníky. Jsou to složky, které se mohou nejčastěji vyskytnout v zemině (sádrovec, pyrit), v recyklované stavební suti. Velmi negativně ovlivňují úpravu zemin vápnem. Při pokračujícím příjmu vody se sírany (sirníky) dojde k vytváření ettringitu 31

32 Provádění Zlepšování zemin zahrnuje tyto operace: příprava pracovního úseku nadávkování pojiva samojízdným MMM1 dávkovačem smísení zeminy s pojivem (nejčastěji zemní frézou ) Úprava při případné nedostatečné vlhkosti směsi -dovlhčení vodou (pojízdná cisterna) a opětné MMM2 promísení zemní frézou, srovnání povrchu úpravy zhutnění zlepšené vrstvy 32

33 Snímek 32 MMM1 MMM2 tj. odkop a srovnání zeminy mechanizmy, případně návoz a rozprostření zemin do patřičných nivelit a sklonů pláně Mgr. Marek Matula; dosáhnutí homogenizace vlhkosti ve zlepšované vrstvě Mgr. Marek Matula;

34 Schéma mísení zeminy frézou 33

35 Použití zlepšení a stabilizace zemin Aktivní zóna zlepšení Konstrukční vrstvy vozovky stabilizace zlepšení Původní terén zlepšení Zemní těleso násypu 34

36 Chyby při aplikacích vápna Nejsou provedeny průkazní zkoušky zeminy s vápnem. Investor se někdy bohužel spokojí s tím, že v blízké lokalitě nebo s podobnou zeminou bylo zlepšení úspěšné Špatné dávkování vápna tj nesprávně nastavený dávkovač podcenění významu vlhkosti zeminy Dávkování špatného či nekvalitního vápna nahydratovaného (delší skladování) nekvalitního, tj. vápna se špatnými parametry ( často při snaze ušetřit peníze) Použití neúčinných mechanismů k promísení se zeminou. Nedostatečná kontrola u dodavatele či investora 35

37 Na co je tedy nutné se soustředit? Je nutné vždy připravit recepturu, často se pak vyplatí udělat zkoušky sycené upravené zeminy i tam, kde se nejedná o aktivní zónu vozovek Pokud se dodavatel rozhodne, že použije jiné pojivo, musí jej vyzkoušet alespoň v laboratorních podmínkách, jak se toto pojivo bude chovat oproti původně zvažovanému Má-li úprava přečkat zimní období, je potřebné podle účelu provést taková opatření, která eliminují nepříznivé vlivy změny vlhkostí společně se zamrzáním a rozmrzáním. Při závěrech laboratorních zkoušek - receptur- u zemin s hrubší frakcí je nutné vzít do úvahy, že zkoušky jsou realizovány na zemině s jinou křivkou zrnitosti a přizpůsobit dávkování i podílu zeminy, odstraněné před zkouškou U úpravy zemin vápnem neplatí raději více vápna ale vápno co nejpřesněji nadávkovat podle receptury 36

38 Postup při přípravě a realizaci zlepšení Předběžný IG průzkum podle indexových zkoušek lze označit zeminy vhodné ke zlepšení Podrobný IG průzkum pomocí zkoušek MZ (CBR, PS, dále podle potřeby např. smyk, edometr) prokáže vhodnost zlepšení pro různé dávkování pojiva průkazní zkoušky Příprava stavby (příp. doplňkový průzkum) ověří shodu vlastností zemin pro zlepšení Hutnící pokus stanoví postup míchání (pojezdy frézy), hutnění (pojezdy válce) a vhodnost kontrolních zkoušek Stavba a investor kontrolují potřebné parametry pojiva, zlepšovaných zemin a hotové úpravy 37