ALTERNATIVNÍ MOŽNOSTI MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ STABILITY SVAHŮ SANOVANÝCH HŘEBÍKOVÁNÍM

Transkript

1 Prof. Ing. Josef Aldorf, DrSc. Ing. Lukáš Ďuriš, VŠB-TU Ostrava, Fakulta stavební, L. Podéště 1875, Ostrava-Poruba tel./fax: , ALTERNATIVNÍ MOŽNOSTI MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ STABILITY SVAHŮ SANOVANÝCH HŘEBÍKOVÁNÍM Abstrakt: Příspěvek uvádí shrnutí základních návrhových parametrů hřebíkování svahů a možnosti alternativního přístupu k matematickému modelování účinnosti hřebíkování. Abstract: The paper summons design parameters of the nailed slopes and the alternative approach of the mathematical modeling to evaluate the slope nailing. 1. Úvod Zpevňování zemních konstrukcí metodou hřebíkování je v současné době velmi progresivní metodou sanací svahových deformací, zajištění stability odřezů a výkopů na dopravních stavbách i zajišťování stability stěn stavebních jam. Z hlediska konstrukce a technologie hřebíkování lze za současnou nejmodernější a nejefektivnější metodu považovat provádění injektovaných hřebíků TITAN firmy Ischebeck. Technologie instalace těchto hřebíků (tyčí, kotev) využívá metody zavrtávání se současným injektováním pomocí výplachu cementovou suspenzí s vodním součinitelem cca v/c = 0,4-0,5. Schema takto instalovaného hřebíku (lze jej považovat i za mikropilotu) je na obr. č. 1. Schema působení instalované tyče v injektovaném vývrtu a okolním horninovém prostředí znázorňuje obrázek č. 2, který dokumentuje stabilizační působení tyče vlivem vznikajících normálových a smykových napětí v jejím okolí. Tato napětí vytváří stabilizační efekt v okolí tyče, který lze matematicky vyjádřit vztahem c nail = 1 + sin ϕ 2cosϕ F. a. b 64

2 F únosnost hřebíku a, b návrhové rozteče tyčí ve směrech x a y φ úhel vnitřního tření c nail zvýšení soudržnosti hřebíkovaného horninového prostředí c celk = c + c nail celková hodnota soudržnosti hřebíkovaného prostředí. obr. 1 Injektovaný hřebík TITAN obr. 2 Schema silového působení hřebíků v horninovém prostředí (převzato z materiálů fy Ischebeck) 65

3 Při vhodně volené hustotě hřebíkování lze proto uvedený vztah využít k charakterizování rozsahu oblasti s vyšší soudržností. Kromě toho lze uvažovat, že samotná tyč v horninovém prostředí působí jako tahový element obdobný chování kotevní tyče při kotvení např. podzemních děl. 2. Doporučené návrhové parametry technologie hřebíkování Základní pravidla pro hřebíkování, které zajišťuje jeho maximální stabilizační efektivitu lze charakterizovat v těchto doporučeních: - hřebíky musí procházet přes potenciální smykové plochy do pasivní přetvárné zóny; - hřebíkování by mělo být realizováno bezprostředně po odtěžení horniny; - délky hřebíků musí dosahovat 0,5-0,7 výšky stěny (svahu) a neměla by být menší než 6 m; - hustota hřebíkování by měla dosahovat 0,5-2 hřebíky/m 2. Přepočtené napětí vyvozené hřebíky by mělo dosahovat kpa na povrchu hřebíkované oblasti. - únosnost hřebíků musí být min kn (ve speciálních případech až 300 kn); - úklon hřebíků 0-30 ; - maximální hodnota horizontální deformace hřebíkované konstrukce by neměla překračovat 1,5 výšky stěny. Schema a příklad hřebíkovaných stěn a svahů je na obr. 3. obr. 3 Příklad aplikace technologie hřebíkování (převzato z materiálů fy Ischebeck) 66

4 3. Možnosti alternativního matematického modelování účinnosti hřebíkování Statické řešení hřebíkovaných konstrukcí je v současné době nejčastěji prováděno silovými metodami založenými na využití metod mezní rovnováhy, kde hřebíkovaný objem horninového prostředí vytváří kvázi konstrukci opěrné stěny. Stabilitní posuzování je založeno na průkazu vnitřní a vnější rovnováhy hřebíkovaného objemu (průkaz mezního stavu překlopení, příp. pootočení, mezního stavu únosnosti podzákladí, únosnosti hřebíků apod.). Tato řešení jsou v řadě případů aplikována ve výpočtových programech nabízených na trhu. Druhou možností stabilitních řešení je využití metody konečných prvků, simulující přetváření a napjatost v hřebíkovaném objemu horninového prostředí a jeho spolupráci s okolním nehřebíkovaným prostředím. Vliv hřebíkování lze potom v takovémto modelu simulovat: - explicitní definicí a působením hřebíkové tyče v horninovém prostředí; - zvýšením soudržnosti (případně tuhosti) hřebíkovaného objemu horninového prostředí - současným působením výše uvedených vlivů. Stabilitu hřebíkované konstrukce lze prokazovat např.: - vznikem a rozsahem oblastí čerpání smykové pevnosti; - rozdělením a průběhem oblastí zvýšených smykových deformací v horninovém prostředí (indikuje vznik a tvar potenciální smykové plochy porušení); - hodnotou stupně stability hřebíkované konstrukce F min. Příklady použití uvedených způsobů řešení metodou konečných prvků jsou uvedeny na obr. č. 4, 5, 6 a 7, na kterých jsou znázorněny výchozí stavy přírodních i umělých svahů (stavy před hřebíkováním a stavy po provedení stabilizace hřebíky). Je zřejmé, že vlivem instalace hřebíků dochází k výrazným snížením hodnot čerpání smykové pevnosti v tělese svahů, což se příznivě odráží ve velikostech stupňů stability sanované konstrukce (viz obr. 6 a 7). Z výsledků porovnávacích analýz rovněž vyplývá, že největší podíl a vliv na zvýšení spolehlivosti konstrukce má zpevňující účinek hřebíkování simulovaný Mohr-Coulombovou závislostí pro zvýšení soudržnosti hřebíkovaných hornin. Účinek vlastních tyčí je výrazně nižší, což ale může být způsobeno nedokonalým modelováním chování ocelové tyče v horninovém prostředí. Ke stejnému jevu i efektivitě docházíme i při hodnocení výsledků výpočtů kotvení podzemních děl prováděných MKP. 67

5 Relative shear stresses Extreme relative shear stress 1,00 Silnice MSK Hvězda Ovčárna, stav před hřebíkováním Relative shear stresses Extreme relative shear stress 1,00 Silnice MSK Hvězda Ovčárna, stav po hřebíkování (TITAN 30/16) obr. 4 Vliv hřebíkování na vývoj stavu čerpání smykové pevnosti 68

6 Relative shear stresses Extreme relative shear stress 1,00 Svah nad vodovodním přivaděčem v Lidečku - před hřebíkováním Relative shear stresses Extreme relative shear stress 1,00 Svah nad vodovodním přivaděčem v Lidečku po hřebíkováním (TITAN 30/16) obr. 5 Vývoj stavu čerpání smykové pevnosti 69

7 Sanace svahu v Trenčianské Teplé - stupeň stability F= 1,26 Sanace svahu v Trenčianské Teplé - stupeň stability F= 1,5 (TITAN 30/11) obr. 6 Stupně stability nehřebíkovaného a hřebíkovaného svahu 70

8 kotvy + zpevnění (F = 1,5) bez kotev + zpevnění (F=1,25) kotvy bez zpevnění (F =1,1) bez kotev a bez zpevnění (F <1,0) obr. 7 Porovnání účinnosti jednotlivých faktorů stabilizace na stupeň stability svahu (oblasti maximálních smykových přetvoření) 4. Závěr Příspěvek uvádí alternativní možnosti simulace vlivů hřebíkování na stabilitu horninového prostředí pomocí 2D modelů metody konečných prvků, užité při řešení řady stabilitních úloh jak jsou uvedeny na obr Vzhledem k tomu, že některé z nich byly realizovány a potvrdily návrhovou účinnost hřebíkování, lze považovat použité postupy za relevantní a spolehlivé. 71