KOTVY. 1) podle typu kotevního táhla - kotvy tyčové, - kotvy pramencové,

Transkript

1 KOTVY Zemní a horninové kotvy jsou prvky speciálního zakládání staveb, kterými se přenášejí tahové síly z konstrukce do základové půdy. Skládají se z kotevní hlavy, volné délky a kořenové (kotevní) délky, jež je do základové půdy upnuta prostřednictvím injektáže. Alternativní systémy, jako jsou např. tahové piloty a mikropiloty, zavrtávané kotvy bez injektáže, rozpínací svorníky a táhla se za výše definované kotvy nepovažují. U zemních a horninových kotev musí být tedy splněny následující podmínky: - kořenová část kotvy je v základové půdě upnuta pomocí injektážní směsi, - tahová síla je do kotvy vnesena předpětím, tzn., že kotva musí mít volnou délku, jež svým protažením umožní vnesení kotevní síly (dle Hookova zákona). Pro navrhování kotev platí obecná ustanovení ČSN EN , pro provádění a monitorování kotev platí ČSN EN : Provádění speciálních geotechnických prací Injektované horninové kotvy a pro zkoušení kotev bude schválena norma pren ISO : Zkoušení geotechnických konstrukcí. Kotvy se dělí podle následujících kritérií: 1) podle typu kotevního táhla - kotvy tyčové, - kotvy pramencové, 2) podle doby své funkce - kotvy dočasné (doba jejich funkce je do 2 let), - kotvy trvalé (doba jejich funkce je více než 2 roky), 3) podle způsobu namáhání kořene - kotvy s kořenem taženým, - kotvy s kořenem tlačeným. Na obr.52 je schéma injektované horninové kotvy s pojmenováním svých hlavních komponentů. Tak jako i jiné prvky hlubinného zakládání staveb, procházejí kotvy neustálým vývojem, což v podstatě znemožňuje podat o nich ucelenou informaci. Z mnoha různých typů kotev se v současné době v naší republice provádějí v podstatě pouze kotvy tyčové a to z vysokopevnostních tyčí Dywidag a dále kotvy pramencové (nesprávně nazývané též jako lanové). 1

2 le ltp l fixed free l td Obr. 6.1 l Obr.52 Schéma injektované horninové kotvy: 1-bod ukotvení táhla v napínacím zařízení, 2- bod ukotvení táhla v hlavě kotvy, 3-podkladní deska, 4-podbetonování, 5-kotvená konstrukce, 6-základová půda, 7-vrt, 8-povlaková trubka, 9-táhlo, 10-kořen kotvy; l e = vnější délka kotevního táhla, měřená od ukotvení táhla v hlavě k místu uchycení táhla v napínacím zařízení, l tf = volná délka ocelového táhla, l td = kotevní délka táhla, l free = volná délka kotvy, l fixed = délka kořene kotvy Technologický postup výroby kotev sestává z následujících fází: a) provádění maloprofilových vrtů, b) vyplnění vrtů zálivkou, c) výroba, doprava, manipulace a osazení kotvy, d) injektáž kořene kotvy a popř. reinjektáž, even. předinjektáž okolní základové půdy, e) napínání kotev, zkoušení kotev, dohled a přezkušování. Fáze a) a b) se v podstatě neliší od provádění mikropilot snad pouze s tím rozdílem, že vrty pro kotvy jsou většinou šikmé a jejich sklon se udává ve stupních od vodorovné. Průměr vrtu navrhne projektant v závislosti na únosnosti a typu kotvy a na geotechnických podmínkách na staveništi. Příklady doporučených průměrů vrtů pro kotvy jsou uvedeny v tabulce 39. Při provádění vrtů pro kotvy je třeba zaručit následující výrobní tolerance, pokud projekt nestanoví přísnější: - poloha závrtného bodu na konstrukci s přesností 75 mm, - odchylka osy vrtu nejvýše 2 0. Tabulka 39 Příklady průměrů vrtů d /mm/ pro kotvy dle typu kotev a základové půdy Druh kotvy Zeminy soudržné Zeminy nesoudržné Horniny skalní A poloskalní Trvanlivost kotvy dočasné trvalé dočasné trvalé dočasné Trvalé Tyčové (CPS,Dywidag) Pramencové do 4xLp Pramencové do 8xLp Při provádění je třeba zabránit zavalení vrtů jak během vrtání, tak i během ukládání zálivky a kotevního táhla, proto se vrty velice často paží. V případě extrémně dlouhých vrtů 2

3 bývá problém s jejich vyplachováním, proto je přípustné vrty prohloubit o jistou délku, v níž se usadí vrtná měl. V jednotlivých druzích základové půdy je třeba volit vhodnou technologii vrtání. To je významné zvláště v soudržných zeminách, aby nedošlo k výrazné změně jejich konzistence na stěnách vrtu a ve zvodnělých zeminách, aby nedošlo k narušení hydrogeologických poměrů. V případě vrtání pod hladinou podzemní vody je třeba přijmout zvláštní opatření, jako je např.: - těžký výplach (zatěžkaný popílkem, popř. barytem), - použití speciálních vrtných zařízení s těsněným vrtným soutyčím, popř. preventrů, - snížení hladiny podzemní vody při uvážení příslušných rizik vyplývajících např. z dodatečného sedání, - předinjektáž základové půdy za účelem jejího utěsnění, popř. i zpevnění. Pro zálivku kotev se stejně jako u mikropilot využívá vesměs cementové suspenze ve složení c:v = 2,2:1 ař 2,3:1 (podle druhu cementu a jemnosti jeho mletí). Kotvy se na stavbu dovážejí většinou jako polotovary v různém stupni dokončení, (podle druhu), na stavbě se kompletují a ukládají do vrtů. Kotvy jsou zvláště náchylné na poškození v průběhu nakládání, transportu a skladování, kdy je nebezpečí, že dojde k poškození protikorozní ochrany i kořenové části kotvy. Mimořádně náročné je ukládání dlouhých kotev do vrtů, kdy je zapotřebí množství pracovníků pro manipulaci s kotvou, popř. speciálních přípravků. Před osazením kotevního táhla musí být vrt zkontrolován, zda v něm nejsou překážky, je-li dostatečně dlouhý a dokonale vyplněný zálivkou. Kotvu je třeba osadit v nejkratší možné době po dokončení zálivky, aby se zamezilo její usazení. Pro montáž dočasných pramencových kotev na staveništi se obyčejně nejprve připraví manžetová trubka, jež je tvořena PVC trubkou 32/3,6 mm, v kořenové části s injekčními otvory 6 mm překrytými gumovými manžetami. Vzdálenost manžet (etáží) je 500 mm, první etáž je zpravidla umístěna 250 mm nad koncem kotvy. Na manžetovou trubku se navlékají rozpěrky (centrátory), jež mají na obvodu vybrání pro osazení jednotlivých pramenců. Centrátory mají zajistit polohu táhla kotvy ve vrtu, tedy zajistit krytí táhla cementovou suspenzí, jež musí být minimálně 10 mm (měřeno od vnějšku ochranného obalu). Jejich vzdálenosti závisí na tuhosti a hmotnosti kotvy a jsou mezi 1 3 m. Kotvy se opatřují dále deviačními kroužky, jež zajišťují správnou polohu pramenců v kotevní objímce, popř. přechod z volné délky do kořenové části. Kotva prochází zpravidla kotvenou konstrukcí prostřednictvím průchodky, což je většinou ocelová trubka trvale do konstrukce zabudovaná. Její průměr je volen s ohledem na tu skutečnost, že vrtání probíhá většinou skrz zabudovanou průchodku; (typická průchodka je z trubky prof.168/3,6 mm). Průchodka bývá ukončena ocelovou roznášecí deskou z pl. 30 mm, rozměrů 290/290 mm, jež je součástí hlavy kotvy. Roznášecí deska bývá zabudována spolu s průchodkou. Vlastní kotevní hlava je ocelový výrobek přizpůsobený především v případě pramencových kotev počtu pramenců. Ta se montuje až při napínání kotev. V případě tyčových kotev je kotevní hlava tvořena speciální deskou s půlkulovým vybráním pro usazení speciální matice. Hlavy trvalých kotev (jak pramencových, tak i tyčových) jsou opatřeny víkem, ochranou ve tvaru hrnce, jež je na kotevní hlavu namontován a jeho vnitřní prostor je zalit speciální antikorozní hmotou (např. epoxydehtem). Kotvy jsou mimořádně štíhlé ocelové prvky, u nichž musí být zajištěna protikorozní ochrana, přičemž neexistuje jednoznačný způsob pro zajištění této ochrany v daném geotechnickém prostředí. V zásadě se rozlišují dva stupně této ochrany, jež odpovídají životnosti kotev. V případě dočasných kotev musí tato ochrana spolehlivě působit po dobu nejméně 2 let. V následující tabulce 40 jsou uvedeny příklady protikorozní ochrany pro dočasné kotvy. 3

4 Tabulka 40 Příklady protikorozních ochranných systémů pro dočasné kotvy 1. Kotevní délka táhla Všechna instalovaná táhla by měla být opatřena nejméně 10 mm krytím cementovou injekční směsí ke stěně vrtu. Pokud je známo, že je horninové prostředí agresivní, může být ochrana táhla příslušně zvětšena například použitím jednoduché ohebné povlakové trubky na táhlo. 2. Volná délka táhla Ochranný systém by měl mít nízké tření a umožnit tak pohyb táhla uvnitř vrtu. Toho může být dosaženo použitím jednoho z následujících způsobů: a) plastový povlak každého jednotlivého táhla, jehož konce jsou utěsněny proti vniknutí vody; b) plastový povlak každého jednotlivého táhla, který je zcela vyplněn protikorozní výplní; c) plastová nebo ocelová povlaková trubka společná pro všechna táhla, jejíž konce jsou utěsněny proti vniknutí vody; d) plastová nebo ocelová povlaková trubka společná pro všechna táhla zcela vyplněná protikorozní výplní; b) nebo d) jsou vhodné pro použití v agresivním prostředí. 3. Přechod mezi kotevní hlavou a volnou délkou (vnitřní prostor kotevní hlavy) Povlaková trubka volné délky táhla může být utěsněna k podkladní/kotevní desce, nebo kovová či plastová trubka může být k podkladní desce přivařena nebo s ní spojena. Měla by přesahovat povlakovou trubku volné délky a v případě agresivního prostředí by měla být vyplněna protikorozní výplní, cementem nebo pryskyřicí, která je použita ve spodním konci trubky. 4. Kotevní hlava Pokud je kotevní hlava přístupná prohlídkám a je možné její ochranu obnovit, lze použít následující ochranu: pokrytí nestékavou protikorozní hmotou; nebo kombinaci nestékavé protikorozní hmoty a pásky, která je impregnována protikorozní hmotou. Pokud není hlava kotvy přístupná, mělo by na ni být upevněno kovové nebo plastové víko, které by mělo být při prodloužené životnosti kotvy vyplněno protikorozní výplní. Pokud je známo, že je prostředí agresivní, mělo by být kovové nebo plastové víko vyplněno protikorozní výplní. V případě trvalých kotev se realizuje tzv. sekundární ochrana, přičemž principem je to, že nejméně jedna souvislá vrstva z materiálu zabraňujícímu korozi, jež nepodléhá degradaci během celé životnosti kotvy, musí tvořit kotevní ochranu. Příklady této ochrany jednotlivých komponentů kotvy jsou v tabulce 41. Tabulka 41 Příklady protikorozních ochranných systémů pro trvalé kotvy Ověření navrhované ochrany Všechny systémy protikorozní ochrany se podrobí zkoušce (zkouškám) k prokázání účinnosti systému. Výsledky všech zkoušek se zdokumentují pro kontrolu. 1. Kotevní délka táhla Protikorozní obal se může vytvořit jedním z níže uvedených způsobů: a) jednoduchou ohebnou plastovou povlakovou trubka obsahující táhlo a cementovou zálivku; b) dvěma soustřednými ohebnými plastovými povlakovými trubkami obsahujícími táhlo s plně předinjektovaným jádrem a mezikružím mezi povlakovými trubkami před osazením; c) jednoduchou ohebnou plastovou povlakovou trubkou obsahující tyčové táhlo nebo táhla předinjektovaná cementovou injekční směsí. Tyčové táhlo má souvisle žebrovaný vnější povrch; d) jednoduchou ocelovou nebo ohebnou plastovou manžetovou trubkou s tloušťkou stěny nejméně 3 mm, obklopenou nejméně 20 mm krytím cementovou injektážní směsí injektovanou pod tlakem nejméně 500 kpa v etážích o délce nejvíce 1 metr. Mezi návlekem a táhly je nejméně krytí 5 mm. Šířka trhliny v cementové zálivce mezi povlakem a tyčí nepřekračuje 4 Protikorozní obaly zhotovené na stavbě a) jedna ohebná plastová povlaková trubka; b) dvě plastové povlakové trubky; c) vnitřní cementová zálivka a vnější plastová povlaková trubka; d) vnitřní cementová zálivka a vnější ocelová nebo plastová povlaková trubka; e) ocelová povlaková trubka a vnější

5 0,2 mm při užitném zatížení; e) jednoduchou ohebnou ocelovou trubkou (stlačitelnou trubkou) těsně obklopující tukem nakonzervované ocelové táhlo. Návlek a plastové víko na spodním ukotvení jsou chráněny cementovou injektážní směsí, která je obklopuje a má tloušťku nejméně 10 mm a šířka trhliny v cementové zálivce mezi povlakem a tyčí nepřekračuje 0,1 mm při užitném zatížení. 2. Volná délka táhla cementová zálivka. Ochranný systém umožňuje volný pohyb táhla uvnitř vrtu. Toho může být dosaženo jedním z následujících způsobů: plastový povlak na jednotlivém táhlu zcela vyplněný pružnou protikorozní výplní v kombinaci s řešením typu A, B, C nebo D uvedenými níže; plastový povlak na jednotlivém táhlu zcela vyplněný cementovou zálivkou v kombinaci s řešením typu A nebo B uvedenými níže; společná plastová povlaková trubka pro vícečetné táhlo zcela vyplněná cementovou zálivkou v kombinaci s řešením typu B. A. společná plastová povlaková trubka vyplněná pružnou protikorozní výplní; B. společná plastová povlaková trubka utěsněná na koncích proti vniknutí vody; C. společná plastová povlaková trubka vyplněná cementovou zálivkou; D. společná ocelová trubka vyplněná hustou cementovou zálivkou. Každý jednotlivý povlak nebo společná povlaková trubka musí obsahovat mazivo nebo jinou hmotu zajištující volný pohyb táhla (táhel) při napínání. 3. Přechod mezi kotevní hlavou a volnou délkou Ke kotevní hlavě je přivařeno nebo je s ní pevně spojeno natřené hrdlo z ocelové nebo plastové trubky. To je připevněno přímo k povlakové trubce volné délky a je vyplněno protikorozní cementovou nebo pryskyřičnou výplní. 4. Kotevní hlava Natřené a/nebo galvanizované kovové víko s minimální tloušťkou stěny 3 mm, nebo pevné plastové víko s minimální tloušťkou stěny 5 mm se připevní na podkladní desku a pokud je odnímatelné, je vyplněno pružnou protikorozní hmotou a utěsněno plochým těsněním. Pokud není odnímatelné, je vyplněno cementem nebo pryskyřicí. Provádění trvalých kotev je podmíněno: - certifikátem výrobku trvalá kotva příslušného provedení, vydaném příslušným zkušebním ústavem, - certifikátem opravňujícím příslušnou firmu k realizaci těchto kotev. Únosnost kotev je zajištěna upevněním jejich kořenové délky v základové půdě injektáží, jejímž účelem dále je : - upnutí kořene kotvy v základové půdě tak, že je kotva schopna přenést vnášenou tahovou sílu do okolní základové půdy, - ochrana táhla kotvy proti korozi, - zpevnění základové půdy bezprostředně přiléhající ke kořenové části kotvy, aby se zvýšila její únosnost, - utěsnění základové půdy bezprostředně obklopující kořenovou část kotvy, aby se omezil únik injekční směsi. V současné době se u nás provádějí prakticky pouze kotvy s kořenem taženým, takže jejich injektáž má stejné zásady, jako je tomu u mikropilot. Opět se injektuje vesměs cementovou suspenzí c:v = 2,3:1 až 2,3:1 a je třeba protrhnout zálivku a prostřednictvím injektáže ji roztlačit proti stěnám vrtu. Rozhodující je dosažení projektem předepsaného tlaku na příslušnou etáž, proto reinjektáže, zvláště v zeminách, jsou zcela typické. Na rozdíl od většiny mikropilot se všechny kotvy podrobují příslušným zkouškám, jež spočívají v jasně definovaném postupu napínání, jehož účelem je: - zjištění únosnosti kotvy a vypracování záznamu o této kotvě, - napnutí a ukotvení táhla kotvy na jeho zaručené kotevní síle. 5

6 Kotvy tyčové Nosná část této kotvy, přenášející tahovou sílu je tvořena jedním táhlem z ušlechtilé oceli, jež má po celé své délce nalisován hrubý závit. Táhla se vyrábějí v délkách 12,0 m (výjimečně 14,0 m) a k nim se dodávají spojky, matice a tvarové podložky. U nás se v současné době používají tyčové kotvy Dywidag prof. 26,5 mm, 32 mm a 36 mm. Základní parametry materiálů těchto kotev jsou v tabulce 42. Tabulka 42 Základní parametry materiálů tyčových kotev Vlastnost materiálu kotevního táhla Jmenovitý průměr /mm/ Stoupání závitu /mm/ Průřezová plocha A/mm 2 / Hmotnost /kg/m/ Mez pevnosti /kn/ Napětí na mezi Pev. f p /MPa/ F dov kotevní Síla /kn/ Kotvy Dywidag Ocel 835/1030 Ocel 1080/ , , , , ,48 6,53 8,27 4,48 6,53 8, S ohledem na komplikace při nastavování kotev a na problémy se zapouštěním těchto prvků, provádějí se u nás v současné době tyčové kotvy v délkách do 12 m (resp. 14 m) tak, aby nemusely být nastavovány. Tyčové kotvy dočasné Dočasné tyčové kotvy se na stavbu dodávají většinou bez jakékoliv úpravy a teprve na stavbě se montují. Schéma takovéto kotvy je na obr.53. Kotevní délka táhla (l td ) je bez jakékoliv úpravy, na volnou délku táhla (l tf ) se navleče hladká ochranná flexibilní trubka, opatřená uvnitř zvláštní plastickou hmotou, umožňující prokluz mezi touto trubkou a táhlem. Po asi 2,0 m se kotva opatří centrátory, jejichž funkcí je vystředit kotvu ve vrtu. Injektáž těchto kotev se provádí buď pomocí jedné manžetové trubky umístěné paralelně s táhlem, nebo pomocí dvojice hadiček spojených přes speciální pryžové manžety s táhlem. První způsob injektáže je typický především pro pramencové kotvy a bude popsán v bodě 7.2, proto zde bude popsána injektáž druhým způsobem, který byl vyvinut v SRN v souvislosti s vývojem tyčových kotev Dywidag. V tom případě je kotevní délka táhla opatřena pryžovými manžetami, jež se montují v osových vzdálenostech po 0,5 m a hadičkami prof.10 mm pro transport injektážní směsi a pro proplachování vodou. Tyto vysokotlaké hadičky jsou z umělé hmoty, jsou flexibilní a v místě průchodu skrz pryžovou manžetu jsou opatřeny 2 otvory průměru 3 mm. Pod spodní manžetou jsou hadičky nastaveny speciální U spojkou, do níž jsou zalepeny vteřinovým lepidlem. Podél volné délky kotvy jsou hadičky fixovány obtočením lepící páskou. Schéma injektážního zařízení je na obr.54. Celá tato montáž se provádí na staveništi. Připravená kotva se zapustí do vrtu, který byl před tím vypláchnut a vyplněn cementovou suspenzí

7 Obr.53 Schéma dočasné tyčové kotvy (CPS, Dywidag): 1-šestihranná matice, 2-kotevní deska s půlkulovým vybráním, 3-ochrana matice, 4-hladká trubka na volné délce táhla, 6-centrátor, 7-táhlo kotvy a b 2 1 Obr.54 a. Schéma injekčního zařízení tyčových kotev, b. řez pryžovou manžetou 1: 1-pryžové manžety, jež se připevní na kotevní část táhla zaklapnutím, 2-injekční a proplachovací hadičky průměru 10 mm, 3-spojka U, 4-kotevní část táhla S injektáží lze začít nejdříve za 12 hodin po osazení kotvy za předpokladu použití cementu CEM II/A-S. Při použití jiných cementů je třeba stanovit tuto dobu individuálně. Před injektáží se propláchne celý systém tak, že se jedna hadička, (bývají barevně označené), připojí na přívod vody a ta se nechá volně protékat druhou hadičkou. Po tomto propláchnutí se příslušná hadička připojí k vývodu vysokotlakého čerpadla a injektážní směs se nechá volně proudit tímto systémem. Vytéká-li volně injektážní směs druhou hadičkou, ta se zaškrtí jejím prostým přehnutím a tak je zahájena injektáž. Je zřejmé, že nelze stanovit, zdali se injektuje všemi manžetami, nebo pouze některými, nicméně jedná se o způsob velmi jednoduchý, rychlý a technologicky nenáročný. Kontroluje se tlak i spotřeba injektážní směsi. V zeminách většinou při první fázi injektáže nedojde k dosažení předepsaného tlaku. Proto se injektuje množstvím, jež odpovídá asi trojnásobku objemu vrtu v kořenové části a první fáze injektáže se ukončí. V horninách obvykle již při první fázi injektáže dojde k dosažení předepsaného tlaku při malém množství injektážní směsi. Následně se celý systém propláchne vodou. Druhá fáze injektáže (1. reinjektáž) se provádí nejdříve za 10 hodin po skončení první fáze. Opět se zkontroluje průchodnost systému vodním proplachem a injektuje se stejně, jako v 1. fázi. I v horninách, kde již v 1. fázi došlo k dosažení předepsaného tlaku se doporučuje jedna reinjektáž. Takto lze, (zvláště v zeminách), reinjektovat vícekrát, než je obvyklé při injektáži pomocí klasické manžetové trubky používané u pramencových kotev. Po skončení všech fází injektáže se doporučuje vždy propláchnout celý systém vodou pro eventuální další využití. Jak již bylo uvedeno, tato metoda injektáže kotev nezaručuje dokonalé proinjektování kořenové části kotvy, resp. kontrolu tohoto proinjektování. Je však natolik technologicky nenáročná, (není třeba použít obturátorů), rychlá a málo pracná, že se zvláště u dočasných kotev zhusta využívá. S tímto způsobem injektáže bývají dobré výsledky v případě základových půd tvořených hrubozrnnými zeminami a horninami, naopak v případfě zemin jemnozrnných nebývá mnohdy tato injektáž úspěšná. Tyčové kotvy trvalé U nás se používají zcela výjimečně a to v délkách pouze do 12 m. Důvodem je ta skutečnost, že kotvu je nutné dovést na staveniště již zcela smontovanou, čímž vznikají 7

8 problémy s dopravou, manipulací a skladováním, jež je na staveništi prakticky vyloučené. Trvalé tyčové kotvy se montují ve speciálních dílnách, kde se provádí současně injektáž kořene speciální suspenzí a takto upravená kořenová část kotvy je mimořádně náchylná na poškození při dopravě a manipulaci. Schéma trvalé tyčové kotvy je na obr.55. Na rozdíl od dočasné kotvy, je v případě trvalé kotvy opatřena kořenová část dvojitou antikorozní ochranou, přičemž první ochranu tvoří, (tak jako je tomu u kotev dočasných), zálivka a injektáž v kořenové části, druhou pak, (na rozdíl od kotev dočasných), speciální ochrana kořenové délky spočívající v použití vrubované flexibilní trubky z umělé hmoty a v injektáži prostoru mezi touto trubkou a táhlem kotvy speciáloní pryskyřicí. Touto vrubovanou flexibilní trubkou s injektáží je ve skutečnosti opatřena prakticky celá kotva (kromě hlavy) a ve volné délce je na ni navíc navlečena hladká trubka, jež má samozřejmě větší průměr, než v případě kotvy dočasné. Mimořádná pozornost je věnována přechodu mezi volnou a kotevní délkou a hlavovou částí kotvy, kde výrobci používají osvědčených metod, které jsou součástí jejich know-how. Technologický postup výroby těchto kotev se však v zásadě neliší od postupu výroby kotev dočasných, v bodě popsaná injektáž se využívá i v tomto případě, pouze speciální pryžové manžety a centrátory jsou co do velikosti přizpůsobeny průměrům trubek kotevní ochrany Obr.55 Schéma trvalé tyčové kotvy (Dywidag): 1-šestihranná matice, 2-kotevní deska s půlkulovým vybráním, 3-ochrana matice, 4-hladká trubka na volné délce táhla, 5- vrubovaná flexibilní trubka, 6-centrátor, 7-táhlo kotvy, 8-injektáž prostoru mezi táhlem 7 a trubkou 5, 9-botka kotvy z umělé hmoty Úprava hlavy (podkotevní ochrana) tyčových kotev (zejména trvalých) je na obr

9 Obr.56 Úprava hlava (podkotevní ochrana) tyčové kotvy: 1- roznášecí deska, 2 ocelová roznášecí deska s kónickým nástavcem opatřená epoxidovým nátěrem, 3 antiko ochrana, 4 podkladní beton, 5 podkotevní ochrana po napnutí kotvy, 6 ocel. demontovatelné víko, 7 ochráněné táhlo tyčové kotvy, 8 výplň epoxidovou pryskyřicí, 9 gomové těsnění, 10 ocelová průchodka s přírubou, 11 - cementová injektáž, 12 plastová trubka na volné délce táhla, 13 kónická ocelová trubka, 14 kotvená konstrukce, 15 podmazání z epoxidové pryskyřice Kotvy pramencové V současné době jsou v naší republice nejrozšířenější a prakticky jediné v případě kotev trvalých. Důvodem je snazší transport a manipulace s kotvami při zapouštění, možnost využití větší délky kotev, jistou roli hraje i tradice. Vlastní pramence jsou spleteny z nízkotepelně popouštěných ocelových drátů: 1x5,5 mm + 6x5,0 mm, tudíž celkový vnější průměr pramence je kolem 15,5 mm, přičemž rozeznáváme kvalitu: 15,5/1620 MPa a 15,5/1800 MPa. Kromě toho je znám ještě typ: 15,7/1770, jež odpovídá výrobkům firmy Dywidag- Systems International, označených: 0,6 1570/1770. Hlavní vlastnosti těchto pramenců jsou v tabulce 43 a jmenovité nosnosti trvalých kotev podle počtu a kvality pramenců jsou v tabulce 44. Tabulka 43 Hlavní parametry ocelových pramenců Typ pramence Pramenec 15,5/1620 Pramenec 15,5/1800 Pramenec 15,7/1770 Jmenovitý průměr /mm/ 15,5 15,5 15,7 Jmenovitý průřez /mm 2 / 141,5 141,5 150,0 9

10 Zatížení a napětí na mezi pevnosti F m /kn/ f p /MPa/ na mezi 0,2 F p0,2 /kn/ f p0,2 /MPa/ na mezi 0,1 F p0,1 /kn/ f p0,1 /MPa/ 229, , , , Tažnost /%/ 3,0 3,5 3,5 Modul pružnosti E /Gpa/ % % 195 Jmenovitá hmotnost /kg.m -1 / 1,12 1,12 1,15 Tabulka 44 Jmenovitá únosnost trvalých kotev podle počtu a kvality pramenců F dov /kn/ Táhlo Ocel 1620MPa Ocel 1800MPa Táhlo Ocel 1770MPa 1x 15,5 2x 15,5 3x 15,5 4x 15,5 6x 15,5 8x 15,5 9x 15,5 10x 15,5 12x 15, x 2x 3x 4x 6x 8x 9x 10x 12x 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15, Pramencové kotvy dočasné V současné době se u nás využívá nejvíce pramenců kvality 1570/1770 MPa, jež se označují: L p 15,7/1770. Pramence se dodávají navinuté na cívkách, přičemž ve výrobně kotev je třeba porovnat kvalitu pramenců s příslušným dodacím listem či atestem. Současně je třeba zkontrolovat, nejsou-li pramence napadeny rzí. Pramence se řežou rozbrušovací pilou na příslušné délky, jež jsou nejméně o 1,0 m delší, než je uvedeno v projektu. Konce pramenců se opatří proti rozpletení omotáním speciální lepící páskou, nebo se na řezu opatrně zavaří elektrickým obloukem. Na přechodu volné délky do kořenové části se vytvoří zátka z elastoplastu. Na volnou délku se navleče ochranná PE trubka, jež se v místě zátky přepáskuje. Pramence se v kořenové části volně spletou jako pomlázka a na konci kořenové části se vytvoří špička z plastbetonu. Takto lze splést kotvy do maximálního počtu 6 pramenců. V případě výroby kotev s více pramenci se použije skládaných kotev ze samostatných kotev o nejvýše šesti pramencích. Volná délka kotvy se výjimečně vyplňuje antikorozní (plastickou) směsí. Takto upravená kotva se obyčejně transportuje na stavbu (ve smotcích) a na staveništi se dokončí. Jde zejména o montáž manžetové trubky z PVC prof.32/3,6 mm, jež se na stavbu dodává v délkách 4 m, přičemž spojování se provádí pomocí závitových nátrubků rovněž z PVC. Manžetová trubka vede paralelně s pramenci, je k nim připevněna pomocí izolační pásky. V případě skládaných kotev vede manžetová trubka osou skládané kotvy. Charakteristický příčný řez pramencovou kotvou je na obr.57, podélný řez pramencem je pak na obr

11 Obr.57 Příčný řez pramencovou kotvou: a) kořenem, b) v místě usměrňovacího prvku, c)v místě táhla: 1 - vrt, 2 zálivka, 3 pramenec, 4 manžetová trubka, 5 usměrňovací kus, 6 ochranná trubka táhla, 7 výplň pryskyřicí Obr.58 Podélný řez pramencem trvalé kotvy v kořenové délce: 1 pramenec, 2 výplň pryskyřicí, 3 vrubová plastová trubka, 4 cementová zálivka (injektáž), 6 - vrt Ihned po dokončení a vyčištění vrtu se v případě jeho pažení jílocementovým, nebo jiným výplachem provede jeho výměna za cementovou zálivku ve složení c:v = 2,2:1 až 2,3:1. Vrt se plní od počvy prostřednictvím PVC trubky prof. 50 mm, trubkou se pohybuje za účelem odstranění zbylé vrtné drti. Bezprostředně po vyplnění vrtu zálivkou se osadí kotva, většinou ručně za pomocí dostatečného počtu pracovníků. V případě dlouhých kotev lze též použít malé mechanizace a různých přípravků. Následuje injektáž a popř. reinjektáž kořene popsaná v kapitole Pramencové kotvy trvalé Pro trvalé kotvy jsou v naší republice nejužívanější právě kotvy pramencové. V zásadě se využívá dvou typů těchto kotev lišících se svojí konstrukcí a antikorozní úpravou. 11

12 Pro první typ je charakteristická ta skutečnost, že každý pramenec zvlášť má svoji volnou délku a délku kořenovou. Do výrobny kotev jsou dodávány pramence potažené ve speciálním závodě pryžovým povlakem, jež je na odmaštěný pramenec nastříkán za tepla. Jednotlivé pramence jsou potom nařezány na příslušnou délku a v kořenové části je pryžový povlak odstraněn. Na takto upravený pramenec je navléknuta vrubovaná flexibilní PE trubka průměru 20 mm, jež je připáskována na začátek volné délky. Prostor mezi pramencem a PE trubkou je ve výrobně zainjektován pryskyřicí a konec kořene je upraven speciální botkou z umělé hmoty. Takto připravené jednotlivé pramence jsou dodávány na stavbu, kde se z nich montují kotvy tak, že vnitřkem je vedena klasická manžetová trubka z PE prof.32/3,6 mm s manžetami po 500 mm, na níž jsou distanční kruhy z umělé hmoty s výřezy, do nichž se zasunou jednotlivé pramence. Montáž těchto kotev je poměrně jednoduchá, jsou však značně náchylné na poškození při transportu a manipulaci a to ve své kořenové části. Pro druhý typ se využívá holých pramenců Lp 15,7 mm, přičemž příslušný počet pramenců se ve vzdálenostech po asi 2 m spojí převázáním lepící páskou. Mezi pramence se vloží dvě PE trubičky: první má průměr 10/2 mm, je ukončena 0,5 1,0 m před špičkou kotvy a slouží k plnění kořenové části kotvy; druhá má průměr 7/1,5 mm končí na začátku kořenové části a slouží k odvzdušnění při plnění kořenové části kotvy. Následuje navléknutí PE trubky s vyřezaným závitem na volnou délku kotvy a navléknutí vrubované PE trubky na kořen, přičemž obě trubky se sešroubují a přepáskují, upraví se špička kotvy z plastbetonu. Na kotvu se připevní klasická manžetová PE trubka prof.32/3,6 mm a kotva se vloží do vrtu vyplněného zálivkou jako v případě kotev dočasných. Plnění kořenové části se provádí většinou u zapuštěných kotev a to pomocí kotlíků na stlačený vzduch. Plnění je ukončeno, vytéká-li cementová suspenze z odvzdušňovací hadičky. Takto se realizují kotvy s nejvýše 6-ti pramenci. V případě kotev s požadovanou větší únosností se skládají jednotlivé kotvy do jednoho vrtu. Na obr.59 je potom schéma podkotevní ochrany trvalých pramencových kotev. 12

13 Obr.59 Úprava hlava (podkotevní ochrana) pramencové kotvy: 1- kotevní hlava, 2 ocelová roznášecí deska s kónickým nástavcem opatřená epoxidovým nátěrem, 3 antiko ochrana, 4 podkladní beton, 5 podkotevní ochrana po napnutí kotvy, 6 ocel. demontovatelné víko, 7 ochráněný kotevní pramenec, 8 výplň epoxidovou pryskyřicí, 9 gomové těsnění, 10 ocelová průchodka s přírubou, 11 - cementová injektáž, 12 plastová trubka na volné délce táhla, 13 kónická ocelová trubka, 14 kotvená konstrukce, 15 podmazání z epoxidové pryskyřice Zkoušení a napínání kotev Horninové kotvy jsou prvky, jež přenášejí tahové síly, které se do nich vnášejí napínáním. Vlastní napínání lze provést nejdříve za 10 dnů po dokončení injektáže kořene a 7 dnů po osazení a případném podlití kotevní desky. Pro vlastní napínání se používá napínacího zařízení vybaveného siloměry s možností meření deformací (protažení) táhla kotvy. Napínací zařízení včetně siloměrů musí být kalibrováno v intervalu po 6 měsících. Napínací zařízení pro tyčové a pramencové kotvy by mělo napínat kotvu jako celek. Pokud se musí napínat jednotlivé pramence zvlášť, musí být vybaveno měřícím zařízením, jež v každém okamžiku umožní stanovit celkovou sílu v kotvě. Postup napínání je buď standardní (níže uvedený), nebo ve speciálních případech musí být stanoven v projektu. Zkoušky kotev prováděné na stavbě se dělí na: - typové zkoušky, - ověřovací zkoušky, (dříve označené jako průkazní), - kontrolní zkoušky. 13

14 Typové zkoušky Typové zkoušky se obyčejně požadují před zahájením provádění kotev (dočasných i trvalých) a to na nesystémových kotvách zejména za účelem vypracování projektu kotvení. Stanoví se jimi: - odpor proti vytažení, - chování při tečení, - upřesní se výrobní postup. U typové zkoušky se často jedná o rozšířenou ověřovací zkoušku na nejméně třech kotvách. Konstrukce kotvy by měla být navržena tak, aby se mohlo dosáhnout charakteristického odporu proti vytažení kotvy R ak. Zkušební síla P P je: - P P = R ak (130) přičemž musí být dodrženy následující limitní hodnoty: - P P 0,80.P tk = 0,80. f t..a t, - P P 0,95.P t0,1k = 0,95.f t0,1k.a t příp. 0,95.P t0,2k = 0,95.f t0,2k. A t, - rozhodující je menší z hodnot. Kotva má být napínána min. šesti napínacími cykly až po zkušební sílu P P s pozorovacími časy dle tabulky 45 a obr.60. Při každém zatěžovacím stupni se měří posun volného konce kotvy. Po každém zatěžovacím stupni se kotva odlehčí na sílu odpovídající předtížení P 0, jež se obyčejně volí: P 0 = 0,1.P p (131) a na tomto mezistupni se udržuje po dobu nejméně 1 min. Pozorovací čas na prvních dosažených zatěžovacích stupních se prodlouží v případě, že míra dotvarování k s nemůže být jednoznačně určena. Tabulka 45 Zatěžovací stupně a pozorovací časy u typových zkoušek min. pozorovací časy zatěžovací stupně /min/ nesoudržné zeminy a hornina soudržné zeminy 0,1 P P 1 1 0,4 P P ,55 P P ,7 P P ,8 P P ,9 P P ,00 P P Charakteristický odpor proti vytažení R ak se dosáhne, když míra dotvarování k s překročí hodnotu 2,0 mm. Rozhodující je nejnižší hodnota R ak, která se dosáhne u odzkoušené kotvy. Pokud se při průzkumné zkoušce nedosáhne charakteristického odporu proti vytažení R ak, tak pro R ak platí maximálně dosažená zkušební síla P P. 14

15 K posouzení chování kotvy při zatížení slouží stanovení velikosti creepu (tečení) pod zatížením a protažení ocelového táhla kotvy. Chování při tečení je charakterizováno velikostí dotvarování k s při konstantní kotevní síle (obr.61): k s = (s b - s a ) / log (t b / t a ) (132) kde je s a posun v hlavě kotvy v určitém čase t a, s b posun v hlavě kotvy v určitém čase t b ; t a začátek sledovaného času; konec sledovaného času. t b Síla v kotvě Posun s Obr.60 Pracovní diagram na příkladu typové zkoušky trvalé kotvy v hrubozrnné zemině Čas t v min Kotva 1 min. pozorovací čas Posun s-st=0 v mm Kotva 2 prodloužený pozorovací čas Obr.61 Křivky čas-posun ke stanovení míry dotvarování k s při zkušební síle P p na příkladu typové zkoušky nesystémové kotvy v hrubozrnné zemině 15

16 Pozorovací časy uvedené v tabulce 1 se prodlouží když: a) přírůstek posunů s 0,5 mm a sice u dočasných kotev v nesoudržných zeminách a hornině: mezi 10. min a 30. min dočasných kotev v soudržných zeminách: mezi 20. min a 60. min trvalých kotev v nesoudržných zeminách a hornině: mezi 20. min a 60. min trvalých kotev v soudržných zeminách: mezi 60. min a 180. min nebo b) sklon křivky čas-posun v zobrazení podle obr.61 roste s logaritmem času. Pro případy a) a b) musejí být pozorovací časy prodlouženy tak, aby mohla být z lineární větvě na konci křivky čas-posun na obrázku jednoznačně určena míra dotvarování. U trvalých kotev musí pozorovací čas činit včetně prodloužení v nesoudržné zemině / hornině min. 120 min a v soudržné zemině min. 720 min. Příklad 6 Pramencové kotvy 4xLp 15,7 mm (ocel 1570/1770 MPa) v ulehlém štěrku; volná délka L tf = 10,00 m, kořenová délka L tb = 6,00 m, vzdálenost ukotvení táhla do napínací pistole od bodu ukotvení táhla L e = 1,00 m; realizace 2 ks typových zkoušek s výsledky dle tabulky 46. a) Stanovení zkušební síly a předtížení - P P 0,80.P tk = 0,80. f t..a t, A t = 4.0, = 0, m 2, f t = 1770 MPa - P P 0, , = 0,820 MN, - resp. P P 0,95.P t0,1k = 0,95.f t0,1k.a t = 0, , = 0,825 MN, - rozhoduje menší, tedy P p = 820 kn ; - předtížení volíme P a = 82 kn b) Při zkouškách kotev č.1 a č.2 byly změřeny následující velikosti protažení táhla Tabulka 46 Výsledky měření 2 kotev při typových zkouškách čas t /min/ K ,20 79,37 79,65 79,84 79,98 80,04 80,15 80,28 80, ,50 71,75 72,04 72,39 72,76 72,82 73,09 73,33 73,58 73,74 73,96 Kotva č.1: max. zkušební síla P p1 = 820 kn (= P p,max ) Kotva č.2: max. zkušební síla P p2 = 740 kn (= 0,9.P p,max ) c) Vyhodnocení naměřených protažení táhel - Kotva č.1: normální pozorovací čas pro P p,max = 820 kn činí 60 min Pro lineární průběh čáry dotvarování platí s 60 s 20 = 80,35 80,04 = 0,31 mm < 0,50 mm normální poz. čas k s,1 = (s 60 s 20 )/log(120/20) = (80,35 80,04)/0,477 = 0,65 < 1,0 vyhovuje R m,1 = 820 kn - Kotva č.2: vykázala pomalé ustalování deformací již při zatěžovacím stupni 0,9.P p,max = 740 kn - normální pozorovací čas pro P p = 740 kn činí 60 min s 60 s 20 = 73,58 72,82 = 0,76 mm > 0,50 mm prodloužený poz. čas 16

17 k s,2 = (s 120 s 20 )/log(120/20) = (73,96 72,82)/0,778 = 1,46 < 2,0 vyhovuje R m,2 = 740 kn d) Stanovení charakteristické hodnoty mezního stavu únosnosti (kořene) kotvy proti vytržení R ULS,m = min(r m, P p ) = min(820, 740) = 740 kn R ULS,k = R ULS,m /ξ ULS = 740 kn (pro n = 2 typové zkoušky kotev je ξ ULS = 1,0 viz tabulka A.20 změny A.1 k ČSN EN ) e) Stanovení návrhové hodnoty mezního stavu únosnosti (kořene) kotvy proti vytržení R ULS,d = R ULS,k /γ a,uls = 740/1,1 = 673 kn Pro doporučený návrhový přístup NP2 je γ a,uls = 1,1 (tabula A.19 změny A.1 k ČSN EN ). f) Stanovení velikosti zaručené kotevní síly P 0 (z výsledků provedených 2 typových zkoušek kotev s přihlédnutím k m.s. únosnosti) - pro P 0 platí: P 0 P p /1,25, tudíž P 0,max = 740/1,25 = 592 kn zaručená kotevní síla může tedy nabýt max. velikosti P 0,max = 592 kn (nutno zkontrolovat, zda platí P 0,max R ULS,d, 592 kn < 673 kn vyhovuje) g) Stanovení únosnosti kořene kotvy proti vytržení statickým výpočtem - průměr vrtu d = 180 mm, délka kořene L tb = 6,0 m, char. velikost tření na plášti ve štěrku písčitém, ulehlém τ i = 0,20 MPa (lze využít tabulku 41), návrhový přístup NP2: A1 + M1 + R2 - charakteristická velikost R ULS,k = 3,14.0,18.6,0.200 = 678,24 kn - návrhová velikost R ULS,d = R ULS,k /γ a,uls = 678,24/1,1 = 617 kn h) Stanovení charakteristické únosnosti (R SLS,k ) a návrhové únosnosti (R SLS,d ) kotvy dle mezního stavu použitelnosti Postup je stejný jako v případě m.s. únosnosti s tím, že základní odvozené hodnoty (R m ) se odečítají pro velikosti přijatelných deformací pro mezní stav SLS. Ověřovací zkoušky Ověřovací zkouška se musí provést na každé stavbě na třech kotvách a to v takovém místě, kde se dají na základě poměrů základové půdy očekávat nejnepříznivější výsledky. Ověřovací zkouška se má provádět před začátkem kotevních prací. K ověření předpokládané únosnosti může být provedena také během kotevních prací, když jsou k dispozici výsledky ověřovacích zkoušek stejného kotevního systému ve srovnatelné základové půdě a se stejným výrobním postupem. 17

18 U dočasných kotev smí od ověřovací zkoušky upustit, když jsou k dispozici výsledky ověřovacích zkoušek stejného kotevního systému ve srovnatelné základové půdě a se stejným výrobním postupem. Ověřovací zkouška se však musí provést, když má být dokázán vyšší odpor proti vytažení R ak než na jiném místě. Zkušební síla P P se prokazuje z naměřené hodnoty namáhání kotvy P d. Pro zkušební sílu musí být dodrženy mezní hodnoty jako v případě zkoušek typových. Každá kotva má být napínána min. pěti napínacími cykly na zkušební sílu P P. Maximální zatěžovací stupně napínacích cyklů jsou uvedeny v tabulce 47. Tabulka 47 Zatěžovací stupně a pozorovací časy pro ověřovací zkoušky zatěžovací stupně P a a) nesoudržná zemina a hornina min. pozorovací časy (min) dočasné kotvy soudržná zemina nesoudržná zemina a hornina trvalé kotvy soudržná zemina ,4 P P ,55 P P ,7 P P ,8 P P ,00 P P a) Předtížení P a by mělo ležet mezi 0,1.P p a 50kN. Při každém zatěžovacím stupni se měří posun volného konce kotvy. Po prvním dosažení zatěžovacího stupně se zatížení drží min. během min. pozorovacích časů uvedených v tabulce 2 na konstantní úrovni a potom se se zatěžovacími mezistupni sníží na předtížení P a. Poté se přejde se zatěžovacími mezistupni na maximální zatěžovací stupeň dalšího napínacího cyklu. Pozorovací čas na zatěžovacích mezistupních činí 1 min. Při konstantně udržované zkušební síle se během pozorovacího času měří posuny (např. 1min, 2 min, 3 min, 5 min, 10 min, 15 min, 20 min, 30 min, 45 min a 60 min) a vykreslí podle obr. 2 v semilogaritmickém měřítku. Pozorovací časy uvedené v tabulce 47 se prodlouží podle stejných podmínek jako v případě typových zkoušek. Musí se dokladovat, že posuny uvedené v tabulce 48, příp. míry dotvarování nejsou překročeny. Ke zjištění míry dotvarování se mají křivky čas-posun příslušných maximálního zatěžovacího stupně zobrazit podle obr.62. Tabulka 48 Pozorovací časy a dovolené posuny příp. míry dotvarování při zkušební síle P P pro ověřovací zkoušky pokus s min. pozorovacím časem v min při splnění podmínek: t a v min t b v min posun s = s b s a v mm pokus s prodlouženým pozorovacím časem: pozorovací čas t b v min míra dotvarování a) k s v mm nesoudržná zemina a hornina ,5 dočasné kotvy 30 2,0 a) k s z lineární koncové oblasti křivky čas-posun dle obr. 62. soudržná zemina ,5 60 2,0 nesoudržná zemina a hornina , ,0 trvalé kotvy soudržná zemina , ,0 18

19 Překročí-li se u ověřovací zkoušky kotvy právě při jednom zatěžovacím stupni pod zkušební silou P P kritérium k s = 2,0 mm, musí se přípustná kotevní síla pro všechny kotvy, pro které platí ověřovací zkouška, nově určit na bázi nejnižší zkušební hodnoty. V opačném případě se musí provést další průkazní zkoušky (např. na kotvách s vylepšeným výrobním postupem). Čas t v min Obr.62 Křivky čas-posun ke stanovení míry dotvarování k s = (s b - s a / log (t b / t a ) na příkladu ověřovací zkoušky trvalé kotvy v nesoudržné zemině Míra dotvarování ks v mm Posun s-st=0 v mm Kotevní síla Obr.63 Zobrazení míry dotvarování jako funkce kotevní síly pro příklad podle obr.62 19

20 Stanovení volné délky táhla kotvy Má se doložit, že se volné délky táhla L app, určená z výsledků zkoušek, podstatně neliší od plánovaných (navrhovaných) volných délek táhel. To se má za splněné, když jsou dodrženy níže uvedené podmínky pro vypočtené volné délky oceli L app pro sílu P = 0,70.P P : - horní hranice vypočtených volných délek táhel u pramencových kotev: L app L tf + L e + 0,5 * L tb (133) - horní hranice vypočtených volných délek táhel u tyčových kotev: L app 1,1 * L tf + L e (134) - spodní hranice vypočtených volných délek táhel u všech typů kotev: L app 0,8 * L tf + L e (135) Uvedené hranice vypočtených volných délek táhel kotev můžou být kontrolovány přímo přes měřený posun. K tomu se posun na konci každého cyklu dělí na elastickou a trvalou složku a vynáší se do grafu, jak je zobrazeno na obr.64. Výše uvedené hranice vypočtených volných délek táhel se k tomu přepočítají, jak vyplývá z hraničních křivek elastického posunu: - horní hraniční křivka a pro pramencovou kotvu: s el = (P p P a ) / (E t.a t ). (L tf + L e + 0,5.L tb ) (136) - horní hraniční křivka a pro tyčovou kotvu: s el = (P p P a ) / (E t.a t ). (1,1.L tf + L e ) (137) - křivka elastických posunů plánovaných volných délek oceli: - teoretická křivka c: s el = (P p P a ) / (E t.a t ). (L tf + L e ) (138) - spodní hraniční křivka b: s el = (P p P a ) / (E t.a t ). (0,8.L tf + L e ) (139) Příklad 7: Stanovení volné délky táhla kotvy č.1 z příkladu 6 - zkušební síla P p = 820 kn, předtížení P a = 82 kn - teor. křivka a je dána vztahem: s el = (P p P a ) / (E t.a t ). (L tf + L e + 0,5.L tb ) = = (0,820 0,082)/( , ).(10,0 + 1,0 + 0,5.6,0) = 0,0892 m = 89,20 mm 20

21 - teor. křivka c je dána vztahem: s el = (P p P a ) / (E t.a t ). (L tf + L e ) = = (0,820 0,082)/( , ).(10,0 + 1,0) = 0,0701 m = 70,10 mm - teor. křivka b je dána vztahem: s el = (P p P a ) / (E t.a t ). (0,8.L tf + L e ) = = (0,820 0,082)/( , ).(0,8.10,0 + 1,0) = 0,05734 m = 57,34 mm Kotevní síla Trvalý posun Elastický posun s Posun s Legenda Nahoře: celkové posuny Dole: Elastické a trvalé posuny a hraniční křivky Obr.64 Křivky síla posun ověřovací zkoušky na příkladu trvalé kotvy 21

22 Kontrolní zkoušky Každá kotva stavebního díla (pokud neprojde zkouškou ověřovací) se podrobí zkoušce kontrolní, což je v v podstatě postup napínání kotvy. Zkušební síla P P se prokazuje obdobně jako u zkoušky typové či ověřovací, samozřejmě již se znalostí únosnosti kotvy na vytržení, tedy se znalostí velikosti R ULS,d, popř. R SLS,d. Pro zkušební sílu platí opět limitní velikosti jako v případě zkoušek typových či ověřovacích.. Kotvy se zatěžují od předtížení P a s mezistupni podle tabulky 49 až do zkušební síly P P a poté odlehčeny opět na úroveň předtížení P a. Čekací doba na jednotlivých zatěžovacích stupních jsou uvedeny v této tabulce. Na každém zatěžovacím stupni se měří posuny volného konce kotev. Zkušební síla se musí udržet konstantní u nesoudržných zemin a horniny min 5 min, u soudržných zemin min. 15 min. Při tom se měří posuny v závislosti na čase (např. po 1 min, 2 min, 3 min, 5 min, 10 min a 15 min). Tabulka 49 Zatěžovací stupně a pozorovací časy při kontrolní zkoušce min. pozorovací časy zatěžovací stupně (min) dočasné a trvalé kotvy nesoudržné zeminy a hornina soudržné zeminy a) P a 1 1 0,4 P P 1 1 0,55 P P 1 1 0,7 P P 1 1 0,85 P P 1 1 1,00 P P 5 15 a) Předtížení P a by měla ležet mezi 0,1 P P a 50 kn. V této tabulce uvedené min. pozorovací časy se prodlužují: a) pokud je v nesoudržných zeminách přírůstek posunů mezi 2. a 5. minutou s > 0,20 mm b) pokud je v soudržných zeminách přírůstek posunů mezi 5. a 15. minutou s > 0,25 mm. V těchto případech se v pozorování pokračuje tak dlouho, dokud nemůžou být míry dotvarování jednoznačně stanoveny. Musí se dokladovat, že posuny uvedené v tabulce 50, příp. míry dotvarování nejsou překročeny. Má se dále doložit, že se při zkušební síle P P dodrží pro vypočtené volné délky táhel L app následující podmínky: - horní hranice vypočtených volných délek táhel u pramencových kotev: L app L tf + L e + 0,5.L tb (140) - horní hranice vypočtených volných délek táhel u tyčových kotev: L app 1,1.L tf + L e (141) - spodní hranice vypočtených volných délek táhel u všech typů kotev: L app 0,8.L tf + L e (142) 22

23 Tabulka 50 Pozorovací časy a dovolené posuny příp. míry dotvarování při zkušební síle P P u kontrolních zkoušek pozorovací čas: t a v min t b v min posun: s = s b s a v mm prodloužený pozorovací čas: t b v min míra dotvarování a) k s v mm a) k s z lineární koncové oblasti křivky čas-posun dle obr.60. dočasné a trvalé kotvy nesoudržná zemina a soudržná zemina hornina ,2 0,25 > 5 2,0 > 15 2,0 Elektrické zkoušky protikorozní ochrany kotev Jedná se o měření elektrického odporu mezi kotvou a okolní základovou půdou nebo stavební konstrukcí za účelem vyšetření účinnosti použitého systému protikorozní ochrany (trvalých) kotev. Používají se 2 metody měření elektrického odporu: - ERM I, při níž se měří izolace kotvy proti základové půdě a proti stavební konstrukci, - ERM II, při níž se měří izolace kotvy pouze proti stavební konstrukci. Princip metody ERM I je znázorněn na obr.65a, b. Při měření je kotva připojena jako kladný pól a uzemění jako záporný pól měřeného proudového okruhu pro stejnosměrný proud o napětí 500 V. Ve fázi A se zkouší neporušenost plastového obalu na volné délce kotvy a na kořenové délce a to v různých fázích výroby kotvy před jejím zakotvením: - po osazení kotvy do vrtu, - po prvé fázi injektáže, - po skončení injektáže. Používá se měřícího zařízení s min. rozsahem měření 10 k. Pokud elektrický odpor mezi kotevním táhlem a základovou půdou je větší než 100 k, je neporušenost obalu vyhovující, přičemž zcela neporušený a vodotěsný plastový obal má vykazovat odpor přes 100 M. Ve fázi B se zkouší kompletní elektrická izolace kotvy proti základové půdě a stavební konstrukci ve fázi: - po napnutí kotvy, - po zainjektování prostoru hlavy kotvy, - kdykoliv v průběhu životnosti kotvy. Pokud takto změřený elektrický odpor R l 100 k, považuje se kotva z hlediska korozní ochrany za vyhovující. Metoda ERM II se provádí tehdy, je-li R l 100 k, za účelem zjištění, že mezi hlavou kotvy a výztuží kotvené konstrukce není žádný přímý kontakt. Schéma této zkoušky, která se provádí při napnuté kotvě, je na obr.66. Používá se střídavého proudu o napětí asi 40 V, přičemž měřený rozsah odporu je 0 až 200 k. Jako uzemění se zpravidla používá kotevní deska, nebo výztuž kotvené konstrukce, je-li deska opatřena elektricky izolačním nátěrem. 23

24 Měření je mimořádně citlivé na atmosférické vlivy a na event. bludné proudy v základové půdě. Za vyhovující kotvu se z hlediska tohoto měření pokládá ta, u níž byl změřen elektrický odpor R ll Obr.65a Metoda ERM I před napnutím kotvy: 1-ohmmetr, 2-kotvená konstrukce, 3- základová půda, 4-PE povlaková trubka, 5-kotevní táhlo 2 Obr b Obr.65b Metoda ERM I po napnutí kotvy: 7 1-ohmmetr, 2-kotvená konstrukce, 3-základová půda, 4-PE povlaková trubka, 5-kotevní táhlo, 6-PE kotevní průchodka, 7- podkladní deska, 8-kotevní objímka, 9-izolační deska 1 Obr.66 Metoda ERM II po napnutí kotvy: 1-ohmmetr 24

25 Zásady návrhu injektovaných horninových kotev Návrh a výpočet horninových kotev vychází z potřeb kotvené konstrukce, kterou může být: - pažící konstrukce, - zajištění svahů a násypů, - podzemní prostory, - podzemní stavby, - základové konstrukce nadlehčované podzemní vodou, - stavby a jejich základy přenášející tahové síly vyvolané horní stavbou nebo jejími účinky přenášenými do základů. Předpjaté horninové kotvy se navrhují podle zásad mezních stavů popsaných v kapitole 8, ČSN EN Kromě mezního stavu únosnosti a použitelnosti, kdy se posuzuje porušení kotvy následkem tahového namáhání je třeba při návrhu kotvení zvážit: - porušení kotvy následkem namáhání příčnými silami a kroucením, - porušení kotvy následkem koroze, - ztráta kotevní síly následkem nadměrného posunu kotevní hlavy, nebo následkem tečení a relaxace kotvy, - porušení, nebo nadměrná deformace části stavební konstrukce vzniklá v důsledku převzetí kotevní síly. Projekt kotvení má vycházet zejména ze zkoušek kotev, (typových a ověřovacích) a nutná jsou následující ověření a výpočty: - ověření vnitřního odporu kotvy, - ověření odporu kotvy proti vytažení, - ověření použitelnosti a trvanlivosti kotvy, - výpočet nutné volné kotevní délky, - určení zaručené síly kotvy. Charakteristická velikost vnitřního odporu kotvy R lk je rovna síle na mezi pevnosti táhla: R lk = P tk = A t.f t (143) kde je A t průřezová plocha kotevního táhla, F t charakteristiká pevnost kotevního táhla v tahu. Odpor kotvy proti vytažení se určuje na základě výsledků typových, nebo ověřovacích zkoušek, nejsou-i k dispozici potom výjimečně výpočtem na základě znalosti o geotechnických poměrech na staveništi s přihlédnutím ke zkušenostem v obdobných základových poměrech. Pro výpočet vnitřního odporu kotvy lze s opatrností použít hodnot z tabulky 41, jež platí pro mikropiloty. Charakteristický odpor kotvy proti vytažení R ak je definován jako tahová síla, která způsobuje jistou deformaci k s, nebo úbytek síly k l (podle předchozích kapitol). Musí platit: R ak R a (144) 25

26 přičemž za R a se dosadí nejmenší velikost zjištěná při zkouškách. Současně se požaduje, aby: R ak R lk (145) Návrhová hodnota odporu kotvy R d závisí na způsobu zatížení kotvy ve vyšetřovaném mezním stavu. Je-li kotva zatížena pouze tahem, je: R d = R k / R (146) ke za R k se dosazuje menší z velikostí R ak, R lk R je dílči koeficient bezpečnosti odporu kotvy rovný 1,1 pro dočasné i trvalé kotvy. Je-li kotva namáhána navíc střihem a ohybem, platí: R d = q.p 0 (147) kde je q koeficient tahové síly, jež se pohybuje obvykle v mezích: 0,8 q 1,1 a zohledňuje: - relaxaci kotevního táhla, - tečení kořene, - posun kotvené konstrukce v oblasti hlavy kotvy, - posun stavební konstrukce jako tuhého tělesa k počátku mezního stavu. Průkaz mezního stavu použitelnosti kotvené konstrukce se provádí tak, že do výpočetních schémat se dosadí charakteristické hodnoty působení, vlastností základové půdy a geometrických rozměrů. Stanoví se velikosti deformací, které se porovnají s deformacemi přípustnými. Je-li vypočtený (nebo odhadovaný) posun větší, než přípustný, je třeba jej zdůvodnit podrobnějším šetřením nebo zkouškami. Pokud to nevede k cíli, je třeba změnit projekt. 26

27 KLASICKÉ INJEKTÁŽE Injektování je činnost, při níž se do základové půdy vpravuje (injektuje) injektážní směs z injektážních vrtů pod určitým (injektážním) tlakem a v určitém množství. Klasické injektáže se řídí evropskou normou ČSN EN Provádění speciálních geotechnických prací Injektáže, jež byla vydána v r Injektáže se dělí dle různých kritérií, nicméně v souladu s výše uvedenou normou rozeznáváme následující druhy injektáží, (tabulka 51). V souvislosti s výše uvedeným dělením klasických injektáží jsou v tabulce 52 uvedeny typické druhy injekčních směsí pro různé druhy základových půd. Tabulka 51 Principy a metody klasických injektáží Klasická injektáž Princip injektáže Podskupina Metoda injektáže Průniková (Impregnační) Penetrační Bez přetvoření základové půdy Kontaktní (Injektáž puklin) Výplňová (Výplňová) S přetvořením základové půdy Klakáž Zhutňovací injektáž Tabulka 52 Druhy klasické injektáže a injektážní směsi pro různé druhy základových půd Injektované prostředí Zrnité (nesoudržné) zeminy Rozpukané skalní horniny Druh základové půdy Štěrk, písčitý štěrk a hrubý písek,k x Písek Velmi jemné k suspenze (Mikrodur) Střední až jemný písek k Poruchy, trhliny krasové dutiny e xx 100 mm Trhliny, pukliny 0,1 e 100 mm Vlasové pukliny e 0,1 mm Injektáž bez přetvoření v hornině Průniková Kontaktní, Výplňová nebo inj. puklin Jílocementové popř. cement. Suspenze Velmi suspenze, Chemické Sespenze jemné Dutiny, Velké dutiny kaverny k x je součinitel filtrace /m.s -1 /; e xx je šířka puklin /mm/ Malty a susp. na bázi cementu a jílocementu Cementové suspenze Velmi jemné susp., křemičité gely, chemické směsi Malty, susp. cementové, rozpínavé polyuretany Injektáž s přetvořením Jílocementové suspenze 27

28 Vysvětlení některých pojmů: - injektáž bez přetvoření základové půdy zahrnuje náhradu přirozeného obsahu kapaliny (popř. plynu) v přístupných pórech a dutinách základové půdy injekční směsí bez významného přetvoření základové půdy, - injektáž s přetvořením základové půdy zahrnuje násilné vniknutí injekční směsi způsobující deformace v základové půdě, - při penetrační injektáži jde o vyplnění spár a diskontinuit v hornině, nebo pórů v zemině bez vzniku přetvoření; penetrační injektáž je buď impregnační (průniková), nebo injektáž kontaktní, při níž jde vyplnění spáry mezi stavební konstrukcí a horninou, nebo injektáž puklin především v horninách, - výplňová injektáž má za úkol vyplnit dutiny větších rozměrů injekční směsí, vesměs pak zrnitou, - klakáží nazýváme trhání horniny způsobené injektáží vody nebo injektážní směsi tlakem, jež překonává lokální tahovou pevnost horniny a původní tlak v hornině, - zhutňovací injektáž je technologický postup způsobující přetvoření v základové půdě, při němž dochází k vtlačování injektážní směsi do základové půdy bez vzniku trhlin, - injektážní tlak je tlak aplikovaný během injektáže měřený obyčejně za injektážním čerpadlem nebo u ústí vrtu, - účinný tlak je skutečný tlak působící v injektovaném prostředí, - injektážní směs je čerpatelný materiál, (suspenze, roztok, emulze nebo i malta) injektovaný do základové půdy, který má jisté vlastnosti a tuhne a tvrdne v jistém čase, - suspenze je směs kapaliny a pevných částic, jež se při tečení chová jako Binghamova kapalina, tzn. vyznačuje se jistou viskozitou, popř. i kohezí, - stabilní suspenze se vyznačují nepatrným odstojem vody, (po 2 hodinách méně než 5 %), - koloidní suspenze (roztoky) jsou injektážní směsi s uměle vytvořenou soudržností, v nichž jsou pevné částice nebo molekuly dokonale rozptýleny a zůstávají trvale ve vznosu (injektážní směs se nesegreguje a má nulový odstoj vody), - pravý roztok je kapalina vzniklá 100 % rozpuštěním chemické látky ve vodě, - malta je zrnitá směs obsahující písek, (lze připustit i frakci do 4 mm), - manžetová trubka je injektážní trubka perforovaná v určitých intervalech, (etážích); otvory jsou z vnější strany překryty gumovými manžetami ve formě krátkých hadic, jež působí jako jednosměrné ventily (obr.66), - obturátor je zařízení vkládané do manžetové trubky nebo do vrtu s dostatečně stabilními stěnami, jímž se vrt (manžetová trubka) rozděluje na injektované části; obturátor obvykle pracuje na principu utěsnění vrtu (manžetové trubky) vlastním rozepnutím, které je aktivováno mechanicky, hydraulicky nebo pneumaticky, (obr.67), - jednoduchý obturátor je necirkulační obturátor s jedním prstencem utěsnění, (obr.67a), - dvojitý obturátor je zařízení skládající se z dvojice těsnění (pakrů) upevněných k injektážní trubce v předem určené vzájemné vzdálenosti používané k omezení injektáže do základové půdy mezi těmito dvěma těsnícími prvky, tj. k vymezení injektáže na příslušnou etáž (obr.67b). 28

29 Obr.67 Manžetová trubka z plastu: 1 manžetová trubka, 2 pryžová manžeta, 3 otvor Obr.68 Schéma obturátorů: a. jednoduchý necirkulační, b. dvojitý necirkulační V praxi se stále používá jednoduššího rozdělení klasických injektáží podle následujících kritérií: A. podle účelu: - těsnící, kdy hlavním účelem je zmenšení velikosti koeficientu filtrace základové půdy a tím snížení její propustnosti, - zpevňovací, kdy účelem je zvýšení smykové pevnosti základové půdy a především zvýšení jejího modulu deformace za účelem omezení přetvoření základové půdy, - kompenzační, kdy hlavním účelem je postupné omezování deformací základové půdy zvláště v oblasti stávající zástavby, projevujících se např. při ražbě podzemních děl, nebo realizaci hlubokých výkopů, 29

30 B. podle druhu základových půd: - injektáž nesoudržných zemin, kdy jde především o injektáž těsnící s níž je spojeno i zlepšení pevnostních a deformačních charakteristik, - injektáž soudržných zemin, kdy jde především o zlepšení pevnostních a deformačních charakteristik základové půdy nebo o zvedání a dorovnávání stavebních objektů; provádí se vesměs klakáž, tzn. injektáž s výrazným přetvořením základové půdy, - injektáž skalních a poloskalních hornin, kdy jde především o těsnění jejich puklin, spár, diskontinuit a o vyplňování puklin, C. podle druhu injektážních směsí: - silikátové injektážní směsi a malty, kde hlavní složkou ovlivňující výsledné vlastnosti injekční směsi je cement, - chemické suspenze a roztoky (tvrdé a měkké gely směsi na bázi vodního skla, organické pryskyřice akrylátové, polyuretany, fenolické a epoxidové). Technologický postup provádění klasických injektáží zahrnuje následující výrobní fáze: - vrtání maloprofilových (popř. středněprofilových) vrtů, - vystrojení vrtů pro účely klasických injektáží, - příprava injekční směsi, - vlastní injektáž, popř. reinjektáže, - monitoring a kontrola prací. Injektování je činnost, pro jejíž kvalitní zvládnutí jsou zapotřebí dobré znalosti z inženýrské geologie, mechaniky zemin a hornin, ale současně i značná dávka inženýrského citu, který lze získat pouze praxí. Příkladem může být Ing.Jaroslav Verfl, DrSc, který celý svůj profesní život zasvětil rozvoji injektážních prací a to především v úzkém sepětí se stavbami, (přehrady a nádrže, velké vodní stavby, stavební jámy apod.). Jeho zkušenosti jsou shrnuty v monografii /1992/, která tvoří základní literaturu tohoto oboru. Provádění injektážních vrtů se v podstatě neliší od provádění vrtů pro mikropiloty a kotvy, jak bylo probráno v kapitole Samozřejmě převažuje bezjádrové vrtání, přesto jsou v některých případech požadována jádra a to zvláště v případě kontroly provedených injektážních prací. Zde přichází v úvahu většinou diamantové vrtání v horninách, (nevyjímaje systém wire-line), v zeminách pak vrtání roubíkovými korunkami na dvojitou jádrovku. Podrobnosti lze nalézt v monografii autorů /Pražský, Jedlička, 1969/. Injektážní vrty se vesměs vystrojují manžetovými trubkami za účelem řízené injektáže. Jedná se patent firmy Soletanche pocházející z 50 let 20. století a znamenající kvalitativní skok nejen v případě klasických injektáží, ale současně umožňující realizaci mikropilot a injektovaných kotev a to především v zeminách. V případě injektování hornin lze si představit injektáž bez použití manžetových trubek a to v těch případech, kdy stěny vrtu jsou dostatečně stabilní v celém průběhu injektáže. Přesto i těchto případech se manžetové trubky používají. Manžetové trubky se zapouštějí do vrtů opatřených zálivkou. Zálivka má za úkol upevnit manžetovou trubku ve vrtu a především znemožnit odtok injekční směsi podél stěn vrtu. Kvalitou zálivky, tedy především její pevností a časovým nárůstem této pevnosti lze ovlivňovat počátek i průběh injektáže. Na rozdíl od zálivky pro mikropiloty a kotvy není potřebné, aby měla velkou pevnost a kladla velký odpor proti protržení. Na druhé straně se však ukazuje, že na trhací tlak má podstatně větší vliv pevnost okolní základové půdy než pevnost zálivky. Proto se využívá zálivky, která má mít pevnost kolem 0,5 1,0 MPa/14 dní. 30

31 Pro tyto účely se hodí nejlépe jílocementová zálivka o složení c : j = 5 : 1, jež má následující složení (na l): kg cementu CEM II/A (popř. B S), - 80 kg aktivovaného bentonitu, l vody, a základní vlastnosti: - objemová hmotnost = 1,32 t.m -3, - viskozita Marsh s, - dekantace max. 1% za 3 hodiny, - pevnost v prostém tlaku 0,4 MPa/7 dní a 1,0 MPa/28 dní. Za manžetové trubky se hodí v podstatě jakékoliv trubky, (ocelové, z umělé hmoty), pokud mají hladký a pravidelný vnitřní povrch. S ohledem na unifikované obturátory se pro klasické injektáže nejvíce používají polyetylenové trubky průměru 50/3,9 mm s manžetami po 0,33 m (tedy 3 etáže na 1 bm). Dva injektážní otvory v trubce umístěné proti sobě a posunuté výškově o 20 mm mají průměr 8 mm a jsou překryty gumovou manžetou tl. 3,5 mm délky 80 mm. V současné době se manžetové trubky vyrábějí a odpadají tak problémy s ochranou manžet proti strhnutí (obr.67). Podstava manžetové trubky je zaslepena, v případě, že injektáž není plánována až k ústí vrtu, použije se příslušně dlouhý nástavec z hladké trubky stejného průměru. Pro vlastní realizaci a usměrnění injektáže se používají obturátory, které buď těsní vrt či manžetovou trubku v jednom místě a znemožňují tak průniku směsi nad toto místo (jednoduché obturátory), nebo vymezují zdola i shora injekční etáž (dvojité obturátory). Jejich princip je na obr.68. Jednoduchý necirkulační obturátor se používá při sestupné i vzestupné provozní injektáži hornin a při vodních tlakových zkouškách. Injektuje-li se nestabilní (cementovou) suspenzí, dochází k sedimentaci cementových zrn na dně vrtu a k zalepování puklin v hornině, které pak nelze injektovat. Tuto nevýhodu odstraňuje cirkulační obturátor, jež umožňuje propláchnutí vrtu a výměnu injektážní směsi při zachování tlaku. Má však průměr nejméně 76 mm (spíše však 93 mm) a hodí se hlavně pro průzkumné práce, neboť umožňuje měření tlaku přímo ve zkoušené etáži při vyloučení tlakových ztrát vzniklých odpory při proudění v přívodním potrubí. S ohledem na jeho velikost a stále častější používání jemně mletých cementů jeho význam upadá. Dvojitý necirkulační obturátor se používá především pro injektování v zeminách přes manžetovou trubku. Původní obturátory se upínaly mechanicky šroubováním, při němž docházelo ke stlačování a současně roztahování gumového pakru. Současně vyráběné obturátory se aktivují především pneumaticky pomocí neoprénové hadičky průměru 5 mm a to stlačeným vzduchem z ocelové láhve. Některé obturátory lze též upínat tlakovou vodou. Nejpoužívanější injektážní směsi na bázi silikátů se vyrábějí v aktivačních míchačkách, kde dochází k rozbití jemných částic cementu, což má za následek zvětšení plochy jejich povrchu a vede k výrazné aktivaci. Takto vyrobená směs po aktivaci trvající asi 2 minuty se přepouští do pomaloběžné míchačky, která při frekvenci otáčení lopatek asi 30 x za minutu udržuje směs v pohybu. Vyrobenou jílocementovou injektážní směs lze v této míchačce udržovat po dobu asi 2 hodiny. Pokud do té doby není zpracována, neměla by být přidána do nové záměsi. Chemické směsi se připravují v automatických míchacích centrech, z nichž se přepouštějí do dávkovačů. Doba jejich skladování závisí především na druhu směsi a na účinnosti příslušného reaktivu. Vlastní injektáž se provádí pomocí čerpadel, která musí mít řiditelný tlak i množství směsi. Čerpadla jsou: 31

32 - tlakové (Wolfholzovy) kotlíky o objekmu 30 až 300 l, kde namíchaná směs se vzduchotěsně uzavře a pomocí tlakového vzduchu se rozvádí; tato zařízení se v současné době používají zcela výjimečně např. pro injektáž zdiva malého rozsahu, - pístová čerpadla (např. od firmy Atlas-Copco) s vyměnitelnými písty a válci, - plunžrová čerpadla (např. od firem Hänny, Klaus Obermann, Clivio a pod). Moderní, hydraulicky ovládaná čerpadla se vyznačují řiditelným tlakem v rozmezí 0 16 MPa a řiditelným množstvím 0 11 l/min, v případě pístových čerpadel i např. 65 l/min. Pro dopravu malt se používá šnekových čerpadel (např. od firmy Putzmeistr). Pokud se požaduje čerpání velkého množství jílocementové suspenze k výplni velkých kaveren apod., používá se klasických kalových čerpadel (např. GFMU, UZA i FLYGHT). Pro návrh a projekt injektážních prací jsou zapotřebí následující podklady: a) geotechnické, b) geometrické (situace a výškopis staveniště a jeho okolí), c) stavební (údaje o stavebním objektu a o objektech sousedních stavební stav, druh a hloubka založení apod.), d) údaje o podzemních inženýrských sítích, e) údaje o všech současných a následujících aktivitách na staveništi, které by mohly injekční práce ovlivnit (např. čerpání podzemní vody, její vsakování, tunelářské práce, hluboké výkopy), f) požadavky kladené na dozor, monitoring a zkoušení v době provádění injektáže a po jejím zkoušení. Kromě toho se vždy vyplatí získat informace o jakýchkoliv zkušenostech s předchozími injektážními pracemi na staveništi nebo v jeho blízkosti, jakož i o zkušenostech s injektážními pracemi na staveništích s podobnými geotechnickými poměry. Rovněž tak je dobré seznámit se s projektovou dokumentací předchozích injektážních prací, je-li to možné. Geotechnický průzkum má kromě základních údajů o geologické stavbě území a vlastnostech jednotlivých geotechnických typů (dle ČSN EN ): - stanovit injektovatelnost základových půd, - poskytnout podklady pro výběr injektážních hmot. Injektovatelnost základových půd souvisí především s jejich propustností, která v případě skalních a poloskalních hornin závisí především na jejich puklinatosti, vrstevnatosti a ostatních plochách diskontinuit, v případě zemin pak především na granulometrickém složení a na pórovitosti. Injektovatenost skalních a poloskalních hornin se stanovuje především pomocí vodních tlakových zkoušek. Injektovatelnost hrubozrnných zemin, jako jsou štěrky a písky se stanovuje jak na základě laboratorních, tak i polních zkoušek. V případě zkoušek laboratorních to je zejména zrnitostní rozbor a z něho vyplývající křivka zrnitosti, jednak pórovitost, jejíž stanovení je ovšem obtížné. V případě zkoušek polních jde především o čerpací zkoušky, výjimečně zkoušky vsakovací a event. o zkoušky penetrační, na jejichž základě lze odvodit ulehlost hrubozrnných zemin. V případě zemin jemnozrnných nelze hovořit o klasické injektáži, neboť póry těchto zemin jsou tak malé a nepropojené, že jejich vyplňování injektážní směsí není reálné. V těchto případech tedy klasická injektáž probíhá formou klakáže, kdy v první fázi dojde k porušení struktury zeminy a vytvoření trhlin, které se v druhé fázi vyplní injektážní směsí. Zvláště v případech rozsáhlých projektů injektážních prací se má navrhnout zkušební injektáž na zkušebním injektážním poli a to za účelem určení, nebo potvrzení zvolené metody 32

33 injektážních prací. Toto pokusné pole má být považováno za součást průzkumu na staveništi. Má být provedeno vždy, když předběžné průzkumy a místní nebo srovnatelné zkušenosti nejsou dostatečné k potvrzení nebo posouzení efektivity navržených injektážních prací. Pokusné pole má poskytnout údaje pro realizační projekt a to především o vzdálenosti vrtů, injektážním tlaku, spotřebě a druhu injektážní směsi. Vodní tlakové zkoušky Vodní tlakové zkoušky (dále jen VTZ) jsou základními zkouškami pro zjištění skutečné propustnosti horniny, kterou uvádíme v souladu s jejich výsledky např. v litrech za minutu na běžný metr délky vrtu. Kromě toho se v průběhu zkoušek dá orientačně zjistit charakter puklin, jejich výplň a tlak, při němž ještě nedochází k deformaci horniny. V průběhu provádění VTZ dochází často k vypláchnutí a otevření puklin, což usnadňuje jejich následnou injektáž. VTZ lze v zásadě provádět dvojím způsobem: - vzestupně, - sestupně. V případě vzestupné VTZ se vyhloubí vrt na konečnou hloubku a zkouší se jednotlivé etáže od paty vrtu a to opět dvojím možným způsobem. První spočívá v utěsnění určitého úseku vždy od paty vrtu jednoduchým obturátorem. Měří se časová spotřeba vody při určitém tlaku. Následně se postoupí o další etáž a zkouška se opakuje. Spotřeba vody na tuto následnou etáž se stanoví jako rozdíl dvou velikostí: spotřeby vody při této zkoušce a spotřeby vody při zkoušce předcházející (samozřejmě při shodném tlaku). V druhém případě se použije dvojitý obturátor a měří se spotřeba vody na každou etáž (uzavřenou dole i nahoře) zvlášť. Vzestupný způsob VTZ je jednoduchý, nicméně nedává přesné výsledky. Především při vrtání na celkovou hloubku dochází k nepříznivému zanášení puklin vrtnou mělí, což zkresluje výsledky. Dále může docházet k úniku vody puklinami, jak je znázorněno na obr

34 Obr.69 Únik vody puklinami při VTZ (podle J.Verfla), a vzestupná zkouška za použití jednoduchého obturátoru, b vzestupná zkouška za použití dvojitého obturátoru, c sestupná zkouška Při sestupném uspořádání VTZ se vyhloubí vrt vždy na určitou hloubku a provede se zkouška při použití jednoduchého obturátoru u ústí vrtu. Většinou se však jedná o zkoušky hornin, nad nimiž jsou ještě pokryvné útvary. V tom případě se provede vrt většího průměru, do něhož se zacementuje ocelová roura (pažnice). Po zatvrdnutí cementové zálivky se vrt v hornině převrtá na potřebnou délku etáže a obturátor se upne u paty pažnice. Zkoušce následující etáže předchází potřeba prohloubení vrtu o další etáž, když v předchozí etáži byla po zkoušce již provedena injektáž. Sestupný způsob dává většinou podstatně přesnější výsledky avšak za cenu pomalejšího postupu prací a nutnosti neustálého převrtávání zkušebního vrtu. Výsledky vodních tlakových zkoušek se vynášejí nejlépe graficky do příslušného profilu vrtu kresleného v jistém měřítku. Osvědčil se ten způsob, kdy obecně přijímanými grafickými značkami se vynese geologický profil vrtu, do něhož lze zaznamenat i další anomálie (např. ztráta jádra, propad nářadí, anomálie zjištěné karotáží apod.) a vedle se vynáší ztráty vody v litrech za minutu při jistém tlaku a to vždy v příslušném délkovém intervalu, nebo lépe v přepočtu na 1 bm hloubky vrtu. Takovýto podélný profil slouží potom jako podklad pro návrh těsnící injektáže. VTZ sloužily již v minulosti především ke stanovení přípustné propustnosti skalního a poloskalního podloží. Lugeon (1933) stanovil jako první kritéria pro tuto propustnost a to v souvislosti s výstavbou přehrady Sarrans ve Francii, kde skalní podloží tvořila rozpukaná žula. Podle Lugeona nemají ztráty vody u přehrad vyšších než 30 m přesáhnout 1 l/min na 1 m délky vrtu při tlaku 1,0 MPa, kdežto u přehrad nižších něž 30 m jsou přípustné ztráty 3x větší (při stejném tlaku). Přepočteme-li zhruba toto kritérium, získáme výslednou propustnost prostředí danou koeficientem filtrace k = (4 9).10-8 m.s -1. Jiné kritérium navrhl Jähde /1953/, dle něj je přípustná ztráta 0,1 0,5 l vody na 1 bm vrtu při tlaku 0,3 MPa. Praxe ukázala, že tato kritéria jsou velmi přísná a měla by platit především pro kvalitu horniny v základové spáře přehrady a do hloubky m pod ní. Ve větších hloubkách lze dle Verfla /1974/ povolit i větší ztráty vody, jak ukázal rozsáhlý výzkum zejména na přehradě Velká Morávka. Injektáž skalních hornin Účelem injektáže skalních hornin je: - vytvoření těsnící clony pod vodním dílem a zvětšení modulu deformace skalního podloží, - zlepšení geotechnických vlastností hornin, - vytvoření kontaktu podzemního díla s okolní horninou. Základní hmotou pro injektáž puklin v horninách je cementová suspenze stabilizovaná jílem (resp. bentonitem). Vlastní cementová suspenze vyrobená z cementu CEM I, CEM IIA (B-S) není dostatečně stabilní a to zvláště proto, že cementová zrna mají velikost větší než asi m. Tato zrna v souvislosti se zmenšující se rychlostí injektované suspenze v puklinách rychle sedimentují a zalepují pukliny, které nejsou dostatečně do hloubky zaplněny. Navíc při použití necirkulačních obturátorů zrna cementu sedimentují u dna vrtu a časem prakticky znemožní injektáž. Cementová suspenze se tedy stabilizuje bentonitem, jehož množství závisí jednak na požadované pevnosti výsledného produktu a jednak na velikosti cementových zrn po jejich aktivaci. Přidáním jílu (bentonitu) pevnost suspenze výrazně klesá, proto není obyčejně žádoucí injektovat klasickou jílocementovou suspenzí, 34

35 např. takovou, jejíž receptura se hodí pro zálivku a je výše uvedena, neboť její pevnost není dostatečná. Obyčejně stačí přidat kolem 10 % bentonitu do cementové suspenze s velikostí zrn kolem 90 m, ale jsou-li zrna menší (40 50 m), postačí kolem 2 % bentonitu k tomu, aby suspenze byla dostatečně stabilní. Viskozita příslušné suspenze se kontroluje viskozimetrem Marsh. Při použití mikromletých cementů (Mikrodur, popř. Finosol), kde až 95 % cementových zrn má velikost pod 10 m, resp. 6 m, je přidávání bentonitu zbytečné, směs je dostatečně stabilní a její schopnost pronikat i vlasovými trhlinami s šířkou e 0,1 mm je vynikající. Tyto materiály jsou však často mimořádně drahé a jejich použití je spíše výjimečné. Proto se i nadále na dotěsňování vlasových puklin používá směsí chemických, které se injektují vesměs v druhém pořadí. V případě návrhu těsnící clony pod vodním dílem je třeba vzít v úvahu, jedná-li se o gravitační přehradu nebo zemní hráz, bude-li injekční clona navázána na injektážní blok, nebo na injektážní štolu, popř. bude-li navázána na podzemní těsnící stěnu. Praxe ukázala, že se lépe osvědčuje jednořadá, co nejdokonaleji provedená injektážní clona, která je v horní části doplněna připojovací injektáží, jež brání zbytečnému rozlití injektážní směsi z hlavní řady v horních, propustnějších úsecích. Schéma jednořadé injektáže zavázané do injektážního bloku je na obr.70. Vrty injektážní clony jsou rozděleny do několika pořadí. Nejprve se hloubí vrty I. pořadí na celkovou navrženou hloubku, přičemž jejich osová vzdálenost bývá průměrně 10 m. Injektuje se obyčejně sestupným způsobem maximálním tlakem, který ještě nezpůsobuje deformace v horninovém prostředí. Následují vrty II. pořadí, jež se navrhují v poloviční vzdálenosti mezi vrty I. pořadí. Jejich délka je cca o 5 10 m menší. Následují pak kratší vrty III. pořadí atd., přičemž výsledná osová vzdálenost vrtů bývá kolem 1,0 m, (vrty V. pořadí), jež zasahují do hl. kolem 10 m. Při provádění jednořadé injektážní clony je třeba dbát na svislost vrtů, kterou je třeba průběžně kontrolovat (inklinometrem) a popř. upravovat, (úhybovými klíny, technologií vrtání apod.). Obr.70 Schéma jednořadé injektážní clony: a injektážní blok, I vrty I. pořadí, II vrty II. pořadí, III vrty III. pořadí V případě sypaných hrází, jejichž podloží je tvořeno zeminami, se jako těsnění základové půdy využívá především podzemních stěn, (betonových, popř. ze samotvrdnoucí suspenze, pokud vyhoví hydraulickým gradientům). Podzemní stěna by měla zasahovat do podložní horniny, do níž by měla být připojena injektážní clonou (obr.71). S ohledem na možné komplikace s následným provrtáváním podzemní stěny, (jejíž tloušťka bývá 0,80 m) se v ní někdy ponechávají ocelové, popř. plastové trubky - průchodky, které vedou a usměrňují následné injektážní vrty. 35

36 Obr.71 Napojení injekční clony na podzemní těsnící stěnu: 1 skalní podloží, 2 pokryvné útvary, 3 těsnící jádro (zemní hráze), 4 podzemní stěna, 5 injektážní vrty Injektáž hrubozrnných zemin Podstatou injektáže hrubozrnných, (nesoudržných) zemin je co nejúplnější vyplnění jejich pórů za účelem jejich utěsnění, tj. zmenšení průměrné velikosti jejich koeficientu filtrace, přičemž v této souvislosti dochází i k jejich zpevnění, tj. zvýšení jejich smykové pevnosti a zvýšení průměrné velikosti jejich modulu deformace, což vede současně k omezení jejich deformací pod zatížením. Injektovat hrubozrnné zeminy lze v zásadě následujícími způsoby: - vzestupně, - sestupně, - pomocí manžetových trubek. Zatímco prvé dva způsoby jsou spíše historické, v současné době zcela dominuje injektáž pomocí manžetových trubek. Při vzestupném způsobu (obr.72) se používají většinou zaberaněné ocelové silnostěnné trubky vnitřního průměru 60 až 80 mm, jež se zarazí na celkovou hloubku a vnitřek se vyčistí vypláchnutím vodou. Horní, vyčnívající část trubky se opatří víčkem s manometrem a kohoutem, k němuž se připojí potrubí od čerpadla. Po zainjektování příslušného množství injekční směsi se trubka povytáhne asi o 0,5 m a injektáž se opakuje. Trubky kladou značný odpor proti vytažení, které má probíhat pod injektážním tlakem. Současně je třeba trubku shora zkracovat. Hlavní nevýhodou tohoto způsobu je jednak ta skutečnost, že injektážní směs často vytéká podél trubky, jednak to, že nelze reinjektovat. Proti vnikání materiálu do injektážní trubky lze její konec opatřit speciálním špicí. 36

37 Obr.72 Injektáž hrubozrnných zemin vzestupným způsobem: a zaberaněná hladká trubka 1, b zaberaněná trubka s perforací 1, 2 přívod injektážní směsi, 3 zainjektovaná poloha Při sestupném způsobu (obr.73) se postupuje tak, že do úrovně, od níž chceme injektovat osadíme ocelovou pažnici (do cementové zálivky) a na ní nasadíme výplachovou hlavu. Rotačním vrtáním s jílocementovým výplachem lze vynášet materiál z vrtu a po uzavření kohoutu lze injektovat. Nevýhodou je nekontrolovatelné čerpání směsi do jednotlivých hloubkových úrovní a současně nemožnost provrtání větších kamenů ve štěrcích. 37

38 Obr.73 Injektáž hrubozrnných zemin sestupným způsobem: 1 vrtné nářadí, 2 výplachová hlava, 3 uzávěr pažnice, 4 cementace úvodní pažnice, 5 zainjektovaná nesoudržná zemina, 6 injektovaný úsek Vynález manžetových trubek ve 40. letech minulého století znamenal kvalitativní skok v klasické injektáži, neboť umožnil řízenou injektáž předem stanovených etáží bez výrazného nebezpečí úniku injektážní směsi podél vrtu a současně i reinjektáže ve stejném vrtu. Princip funkce manžetové trubky je patrný z obr.44. Hrubozrnné zeminy se vyznačují průlinovou propustností, která souvisí především s pórovitostí a dále i s tvarem zrn (granulometrickým složením). Pórovitost nesoudržných zemin je asi od 25 do 50 %, což znamená, že pro dokonalé utěsnění pórů je zapotřebí velkého množství injektážní směsi. Její druh a hranice použitelnosti jsou dány např. tabulkou 56. V poslední době v souvislosti s vývojem a výrobou ultrajemných cementů (např. firma Dyckerhoff) pod označením Finosol F, U, X dochází ke změně náhledu na použití cementových suspenzí pro injektáž stále jemnějších zemin. Na základě jejich granulometrického rozboru je patrné, do jakých pórů mohou teoreticky vnikat. Vývoj ultrajemných cementů byl urychlen jednak požadavky ekologů, které v podstatě znemožnily použití některých organických pryskyřic, (např. močovinoformaldehydových), jednak cenou a vlastnosti některých chemických směsí, (např. polyuretanů). Přesto je zatím cena ultrajemných cementů značně vysoká, že ztěžuje jejich většímu rozšíření. Jak vyplývá z tabulky 53, je základní směsí pro těsnící injektáž štěrků jílocementová suspenze klasického složení uvedeného. S ohledem na velké spotřeby hmot a cenu aktivovaných bentonitů je snaha k využití levnějších přírodních jílů. Praxe ukazuje, že se hodí jíly s mezí tekutosti nejméně 90 %. Vyrobená jílocementová suspenze, popř. cemenová suspenze stabilizovaná jílem musí mít následující vlastnosti, které je třeba zjistit a kontrolovat: - dobrá zpracovatelnost, - objemová stálost, - cenová dostupnost, 38

39 - dobrá pronikací schopnost, - dobrá čerpatelnost, - odolnost proti erozi, - vyhovující pevnost v tlaku. Tabulka 53 Příklad vhodnosti použití různých injektážních směsí pro injektáž hrubozrnných zemin (upraveno dle J.Verfla) Reologie Suspenze (Binghamovy kapaliny) Roztoky (Newtonovy kapaliny) nestabilní Stabilní koloidní roztoky čisté roztoky Druhy směsí cement cement + jíl odvločkovaný chemické směsi vodní sklo organické (bentonit) bentonit tvrdý gel měkký gel pryskyřice pukliny a aluviální náplavy (štěrky a písky) jemný Použití trhliny v hornině převládá štěrk hrubý písek střední písek jemný písek hlinitý písek Koeficient filtrace k x) ) -6 2) 10 Spec.plocha xx) zrn S s Kritérium tlak Limitované množství + tlak Injektáže x) k /m.s -1 / xx) S s /cm 2.g -1 / 1) mez daná vývojem viskozity 2) mez odpovídající normálním podmínkám pro homogenní výplně Zjišťování vlastností injektážních směsí pro injektáž hrubozrnných zemin: a) pevnost v prostém tlaku nebývá u směsí pro těsnění štěrků a písků rozhodující, nicméně potřeba jisté pevnosti existuje, aby byla schopna odolat určitým velikostem hydraulických gradientů a aby nedošlo k porušení její celistvosti. Pevnost v prostém tlaku se zkouší na kostkách s hranou 100 mm, popř. 70 mm, nebo na válečcích o průměru 40 mm a výšce 100 mm. Pevnost se zkouší po 14, 28 a 90 dnech, b) pevnost ve smyku čerstvé suspenze se zkouší na přístroji SNS-2, kdy jde o měření smykového odporu po obvodu rýhovaného válce ponořeného v otáčející se nádobě se suspenzí. Přístroj je schopen změřit velikost smykové pevnosti cca 100 N.m -2, c) propustnost suspenze se zkouší laboratorně v propustoměru s konstantním spádem. Volí se průměr zkušebního válečku 200 mm a jeho výška též 200 mm. Vzorek se podrobí počátečnímu hydraulickému gradientu i = 5, který se postupně zvyšuje až do protržení vzorku, d) viskozita se měří laboratorně nejlépe pomocí rotačního viskozimetru Fann, spíše však při všech příležitostech průtokovým viskozimetrem Marsh. Jedná se o základní zkoušku suspenze. Viskozimetr Marsh je trychtýř o objemu asi 1,5 l zakončený trubičkou průměru 4,8 mm a délky 50,8 mm. Měří se čas v sekundách potřebný k protečení 1 l suspenze, e) odolnost proti korozi je důležitá vlastnost zatvrdlé suspenze s ohledem na její trvanlivost. Suspenze se naleje do válcové nádoby s uzavřeným otvorem na dne o průměru 8 mm. Výška vzorku je 7 cm. V ose vzorku je v době tuhnutí suspenze skleněná trubička průměru 8 mm. Ta se po zatuhnutí suspenze odstraní a přes otvor se nechá proudit voda rychlostí cca 2 m.s -1. Zjišťuje se úbytek směsi erozí proudící vodu po 1 hodině, 39

40 f) odstoj vody (dekantace) vzniká v důsledku sedimentace pevných částí. Odstoj vody nesmí být veliký, aby nedocházelo k usazování cementových zrn ve vrtech, což by ztěžovalo až znemožnilo průnik směsi do pórů zeminy. Odstoj vody se zkouší v kalibrovaných válcích objemu 1000 cm 3 a to po 24 hodinách. U stabilních směsí má být dekantace nulová. Pro dotěsňování hrubozrnných zemin se používá chemických směsí, které se v zásadě dělí na: - koloidní roztoky (evoluční), - pravé roztoky (neevoluční). V obou případech jde o kapaliny Newtonovského typu lišící se svoji viskozitou, která je ovšem důležitým faktorem s ohledem na těsnění méně propustných zemin. Nejdůležitějšími koloidními roztoky jsou chemické směsi vyrobené na bázi vodního skla. Tuhnutí je založena na principu gelovatění vodního skla po přidání reaktivu, kdy vznikne gel kyseliny křemičité. Tato reakce je rychlá v případě neředěného vodního skla s anorganickým reaktivem, popř. pomalá v případě ředěného vodního skla s organickým reaktivem. Vodní sklo je rozpustný alkalický křemičitan sodný Na 2 SiO 3 nebo draselný K 2 SiO 3, který je dodáván v konstantním složení o hustotě 38 až 40 0 Bé, což lze převést na hustotu pomocí vztahu: = 144,3/(144,3 0 Bé) /g.cm -3 / tudíž komerčně dodávané vodní sklo má hustotu = 1,357 1,384 g.cm -3. K inovaci chemických injektáží na bázi vodního skla došlo především koncem 60. let minulého století, kdy byly vynalezeny organické reaktivy jako etylacetát, butylacetát, glyoxal, formamid, u nichž bylo možné dobře regulovat proces tuhnutí. Vývoj těchto reaktiv nadále pokračuje, neboť i směsi typu etylacetát, butylacetát nejsou bez problémů jsou to hořlaviny I. stupně a při reakci s vodním sklem se vyvíjí čpavek, což nepřispívá k ochraně životního prostředí. Nejmodernější reaktiva (např.ace 1575 od firmy Borden Chemicals) tyto nevýhody nemají, jsou však mimořádně drahé. Přidávají se v množství 5 10 % do ředěného rotoku vodního skla (v poměru cca 3:1). Přesto však stále zůstávají chemické směsi na bázi vodního skla základními injektážními hmotami pro dotěsňování hrubozrnných zemin v druhém sledu za suspenzemi jílocementovými a pro těsnění středně a jemně zrnitých písků. V zásadě se dělí na: - tvrdé gely vyznačující se relativně vysokou pevností (směs písku s gelem má tlakovou pevnost až 3 MPa), - měkké (plastické) gely vyznačující se vynikající prostupností, neboť jejich viskozita se blíží vodě. Původně se používaly anorganické reaktivy (např. hlinitan sodný), dnes se spíše přikláníme k ředěnému vodnímu sklu a organickým reaktivům. Injektáž jemnozrnných zemin Jak bylo uvedeno již v úvodu k této kapitole, nejde v podstatě o injektáž dle obecně přijímané definice, neboť póry soudržných (jemnozrnných) zemin jsou natolik malé a zřejmě i nepropojené, že o jejich vyplňování injekční směsí nelze hovořit. O vlastnostech jemnozrnných zemin rozhoduje jak granulometrické složení, tak především obsah vody, tedy 40

41 jejich vlhkost a konsistenční meze, (mez tekutosti a mez plasticity), které dohromady udávají objektivní vztah pro stanovení stupně konzistence: I C = (w w P )/(w L w p ) (148) kde je w aktuální vlhkost (v hmotnostních procentech), w L vlhkost na mezi tekutosti, w P vlhkost na mezi plasticity, na jehož základě se stanovuje skutečná konzistence jemnozrnné zeminy, (tabulka 54). Tabulka 54 Konzistence soudržných zemin Konzistence Podrobnější rozdělení Stupeň konzistence I C Chování zeminy Kašovitá 0,05 při sevření se protlačuje mezi prsty Plastická měkká 0,05 0,50 dá se lehce hníst v prstech tuhá 0,50 1,00 hněte se obtížně v prstech Pevná 1,00 lze do ní vtisknout nehet Tvrdá - vyschlá, drolí se po úderu kladivem Konsistenční meze spolu s aktuální vlhkostí současně vyjasňují, jedná-li se o hlínu (silt), či o jíl a to na základě Cassagrandeho diagramu plasticity zemin pro částice menší, než 0,5 mm. Z této stručné charakteristiky jemnozrnných zemin vyplývá, že tyto zeminy se vyznačují vesměs malou propustností, (danou malou hodnotou koeficientu filtrace k 10-6 m.s), tudíž obyčejně nevzniká problém utěsnění těchto zemin. Naopak však smyková pevnost těchto zemin a stlačitelnost, závisející hlavně na jejich konzistenci, bývá nedostatečná a hlavním úkolem injektáže je zlepšení právě těchto základních mechanických vlastností. S ohledem na výše uvedenou nemožnost penetrace pórů těchto zemin injektážní směsí, vzniká představa o jejich injektáží taková, že do jejich struktury budou násilně zavedeny prvky, tj. proudy, lasy, pruhy apod. injektáže, které budou působit jednak napětím, které urychlí proces jejich primární konsolidace, (disipací pórových tlaků spolu s vytěsňováním vody z pórů), jednak svojí větší pevností přispějí k zvýšení pevnosti skeletu jako celku. Tak vznikly první pokusy s klakáží jemnozrnných zemin, tj. trháním jejich struktury překročením jejich lokální tahové pevnosti. Tato metoda je např. pod názvem Soilfrac patentována firmou Keller, avšak v České republice byla již dříve vícekrát použita např. pro zvedání obytného domu v Brně Jundrově a pro zlepšení geotechnických vlastností zemin vyvolaných konzolidačním tlakem injektáže při hloubení průzkumné šachty ve Frenštátě pod Radhoštěm, /J. Verfl, 1992/. V poměrně velkém rozsahu bylo využito této konzolidační injektáže (nazvané tamponáží) při hloubení šachty dolu Slaný v hloubkách m. Jako hlavní injektážní hmota se používá jílocementová suspenze o složení c : j = 4 6 : 1, kterou se jemnozrnná zemina klakuje. Kompenzační injektáž Kompenzační injektáž je injektáž, při níž cíleně dochází k přetvořením horninového prostředí a to vesměs za účelem postupného omezování deformací základové půdy zvláště v oblasti stávající zástavby, projevujících se např. při ražbě podzemních děl, nebo realizaci hlubokých výkopů, popř. při uvádění stávajících objektů do potřebné polohy, (např. 41

42 zvedáním). Může sem patřit i tzv. konsolidační injektáž, jejímž cílem je jednak urychlení primární konsolidace zemin vyvoláním tlakových napětí a tím urychlením disipace vody z pórů, jednak zlepšením vlastností základové půdy, při kterém nebude docházet k nedovoleným deformacích. Termín konsolidační injektáž nepopisuje ani princip, ani metodu, proto se většinou nepoužívá. Kompenzační injektáž je v podstatě klakáží, jež vyvolává řízenou deformaci stavebních objektů, (vesměs jejich zvedání). Řídit rozsah a šíření trhlin vznikajících klakáží v základové půdě je krajně obtížné. Konečného cíle bývá však dosahováno v průběhu několika fází injektáže spojených s podrobným monitoringem deformací v určitém časovém období. Konečně do oblasti kompenzačních injektáží spadají i injektáže zhutňovací, jejichž principem je vtlačování tuhé (viskózní) zrnité injektážní směsi do základové půdy s cílem posunu skeletu horniny, nebo vzniku deformace. Použití této injektáže je velmi omezené např. na velmi kypré zeminy. Injektážní směs se vtlačuje prostřednictvím injektážních trubek s otevřeným koncem (bez perforace), přičemž její konzistence je taková, že vytvoří homogenní těleso, jež nevniká do pórů základové půdy, ani nevytváří klakážní trhliny. Kompenzační injektáže se provádějí většinou pomocí vějířů vodorovných, nebo mírně ukloněných vrtů, (subhorizontálních), zasahujících pod objekty, které mají být zvedány, (rovnány), popř. pod objekty, u nichž jsou očekávány deformace v důsledku následných stavebních prací (např. ražba tunelů, hloubení stavebních jam apod.). Aby bylo možné injektážní vrty vhodně situovat, provádějí se obyčejně ze šachtic realizovaných mimo tyto objekty a zasahujících do potřebných hloubek. S ohledem na potřebu několika fází řízené injektáže, využívá se vždy manžetových trubek, (většinou ocelových, popř. i trubek z umělé hmoty) osazených v jílocementové zálivce. Základní hmotou pro konzolidační injektáž je cementová suspenze stabilizovaná bentonitem, přičemž výsledná hustota suspenze bývá 1,65 1,80 t.m 3. Názorným příkladem využití kompenzační injektáže při rovnání deformací stavebního objektu je zvedání železobetonového bazénu v lázeňském komplexu budov v SRN. Bazén nepravidelného půdorysu délky kolem 30 m, největší šířky asi 17 m a hloubky 1,35 m byl postaven na násypu tvořeném údajně hutněným recyklátem z betonové vozovky, který byl sypán na podložní vrstvu měkkých až kašovitých prachovitých zemin s organickými zbytky a s vrstvou rašeliny. Podloží s nepravidelným povrchem pak tvořily tuhé až pevné jíly. Bazén se v průběhu výstavby a po jeho napuštění naklonil a sedl až o 180 mm, přičemž rozdíl mezi sedáním protilehlých hran přesáhl 50 mm. Navržena byla tedy kompenzační injektáž za účelem zvednutí bazénu a vyrovnání rozdílných deformací. Jak vyplývá z obr.74, bylo na okraji bazénu osazeno celkem 11 měřických bodů a na dně bazénu dalších 15 bodů, na nichž byly sledovány svislé deformace. Konfigurace terénu, (bazén byl na násypu), umožnila realizovat injektážní vrty z výkopu, jehož průčelní stěna byla zajištěna hřebíkováním a vrstvou stříkaného betonu. Z ní bylo realizováno celkem 30 injektážních vrtů ve 4 úrovních zasahujících pod půdorys bazénu. Vrty délky až 35 m měly sklon 7 0 a 12 0 od vodorovné a vystrojeny byly ocelovými manžetovými trubkami. V průběhu 5,5 měsíců provádění kompenzační injektáže došlo k zatlačení celkem 200 m 3 injektážní směsi a naměřené zvednutí činilo až 47 mm, přičemž došlo k dostatečnému vyrovnání více sedlé části bazénu, aniž byla jeho železobetonová konstrukce poškozena. 42

43 Obr.74 Kompenzační injektáž při zvedání železobetonového bazénu: a. půdorysné schéma, b. charakteristický řez, 1-měřické body, 2-injekční vrty, 3-pracovní plošina, 4- bazén, 5-násyp z recyklátu, 6-prachovité zeminy s organickou příměsí, 7-vrstva rašeliny, 8-tuhý až pevný jíl Jiným příkladem klasické kompenzační injektáže je postupné vyrovnávání poklesů zástavby ležící v poklesové kotlině raženého tunelu Mrázovka v Praze 5. Šlo především o 3 podsklepené pětipodlažní obytné domy v Ostrovského ulici, pod nimiž procházel tunel v hl. kolem 12 m. Prognóza chování nadloží stanovená výpočtem při využití měření z ražby průzkumné štoly vedla k nepřípustným deformacích objektů, (sedání až 110 mm a sklon poklesové kotliny 0,4%), což rozhodlo o volbě této metody. Pro realizaci injektážních vrtů byly v Ostrovského ulici navrženy 2 šachty kruhového průřezu o průměru 5 m, hluboké 10,0 m, zajištěné převrtávanými pilotovými stěnami. Z nich byly prováděny vějíře injektážních vrtů ve třech úrovních, jež byly osazeny ocelovými manžetovými trubkami do jílocementové zálivky. Současně byl instalován monitoring svislých deformací, jež sestával z kombinace dvou systémů: optického měření a hydrostatické nivelace. Oba systémy byly plně automatizovány, výsledky měření byly ihned zpracovány pomocí počítače a četnost měření byla volitelná. Hydrostatická nivelace, jež byla použita uvnitř objektu s elektromagnetickými čidly na nosných stěnách a pod stropem suterénu, sestávala z 40 hadicovým vodováh, kde snímán byl pohyb plováku ve skleněném válci s vodou. Pro optickou nivelaci byla použita totální stanice Leica TCA 2003 s úhlovou přesností 0,5. Referenční body byly umístěny na odlehlé zástavbě. Schéma této kompenzační injektáže je na obr.75. Vlastní kompenzační injektáž probíhala v následujících fázích: - po vyražení levé boční štoly tunelu pod Ostrovského ulicí (NRTM) došlo k sednutí v maximální velikosti 15 mm. Po zatvrdnutí betonu primárního ostění štoly byla zahájena první fáze kompenzační injektáže (KI), přičemž jejím cílem byla kompenzace této deformace, zpevnění rozvolněného podloží domu tvořeného zvětralou břidlicí a též otestování funkce této injektáže. Během 2 dnů od zahájení 1. fáze (KI) došlo k zastavení 43

44 poklesů domů a následně pak ke kompenzacím deformací rychlostí až 2 mm/den. Celkové byly vzniklé deformace kompenzovány až ze 69 % (tj. cca o mm), - ražba pravé boční štoly způsobila sedání o velikosti 10 mm na fasádě domu nad tunelovou troubou. Je zřejmé, že se zde již projevil účinek 1.fáze KI. Nastala 2.fáze KI, jež kompenzovala vzniklé deformace téměř ze 100 %, - při následné ražbě kaloty a odstranění vnitřních bočních stěn došlo k sedání o velikosti kolem 18 mm, maximálně pak 23 mm. Ukázalo se tedy, že tyto deformace nejsou již pro zástavbu nebezpečné a není tedy nutná další fáze KI. a) b) Obr.75 Kompenzační injektáž pod zástavbou v souvislosti s ražbou tunelu: a. půdorysné schéma, b. charakteristický řez 44

45 Monitoring a kontrola provádění injektážních prací Realizace injektáží je úzce spojena s dohledem, monitoringem a kontrolou, jež poskytují zpětnou vazbu a umožňují operativní změny v průběhu provádění. Dohled nad prováděním injektážních prací se stanoví již v projektové dokumentaci, přičemž sledována musí být každá etapa prací. Dohled musí být tedy organizován kontinuálně a všechna pozorování musí být porovnána s parametry a předpoklady návrhu. Pokud se výsledky pozorování výrazně liší od návrhu, musí být zjištěna příčina vzniku odchylek a návrhové parametry, nebo parametry provádění musí být upraveny s ohledem na nové podmínky. Záznamy z provádění musí obsahovat všechna data ze sledování všech etap prací. Před zahájením prací má být provedeno zaměření a pasportizace všech objektů a zařízení, jež se pravděpodobně nacházejí v oblastech ovlivněných injektáží. Výsledky pasportizace se průběžně kontrolují v době provádění injektáží. Typ, dosah a přesnost měření prováděných v rámci monitoringu na staveništi a mimo ně musí být v projektové dokumentaci jasně specifikovány. Příslušná zařízení musí být uvedena v činnost před zahájením vlastních prací. Je vhodné využívat počítačové systémy zejména: - k monitoringu vrtání, - k měření, kontrole a interpretaci vrtných parametrů, - k měření a záznamům injekčních parametrů různých směsí injektovaných v různých fázích. Veškeré monitorované parametry musí být zaznamenávány v čase a musí být ihned k dispozici, (např. tištěnou formou), současně však musí být vhodným způsobem zálohovány a skladovány na bezpečném místě. V průběhu vrtání mají být zaznamenány následující parametry, jejichž interpretace poskytne velmi cenné informace o skutečných změnách geotechnických podmínek: - rychlost postupu vrtání, - tlak a množství výplachu, - odvozená vrtná energie, - otáčky vrtného nářadí, - kroutící moment, - přítlak, - hloubka vrtu. Kvalita a konzistence injektážní směsi musí být udržována prováděním kontrolních zkoušek, jejichž cílem je sledování souladu měřených parametrů s parametry požadovanými. Minimální požadavky na realizaci rutinních testů na staveništích jsou uvedeny v tabulce 55, přehled o měření parametrů různých typů injektážích směsí je v tabulce 56. Tabulka 55 Kontrolní zkoušky injektážních směsí minimální požadavky Suspenze Velmi jemné suspenze Roztoky Malty (chemické směsi) Hustota Hustota Hustota Hustota Viskozita (Marsh) Velikost zrn Doba tuhnutí Zpracovatelnost Doba tuhnutí Viskozita Odstoj vody Odstoj vody 45

46 Tabulka 56 Měření parametrů injektážních směsí Parametr Jednotka Přístroj/metoda Použití Roztok Suspenze Malta Marshův kužel (průměr otvoru 4,75 Laboratoř /s/ mm), popř. jiné průtokové + stavba NP A A viskozimetry Doba průtoku (Viskozita průtoková) Viskozita (dynamická) /Pa.s/ Rotační viskozimetr Reometr Hustota /kg.m -3 / Pyknometr, odměrná kádinka, Výplachové váhy (Baroid) Koheze, Rotační viskozimetr, reometr, deska Mez tečení, /Pa/ Přístroj na měření koheze Smyk. pevnost Kasumetr, střihoměr Laboratoř + stavba Laboratoř + stavba Schopnost vázat vodu /m 3 / Baroidův filtrační přístroj (nízkotlaký) Laboratoř + stavba Odstoj, /%/, nebo Odměrný válec Laboratoř Sedimentace /m 3 /m 3 /2h + stavba Zpracovatelnost /mm/ Abramsův kužel Laboratoř + stavba Doba tuhnutí /s/, (hod.) Nakláněná skleněná kádinka, Laboratoř Vicatova jehla + stavba Doba tvrdnutí /s/, (hod.) Vrtulková zkouška, Smykový přístroj, Konečné ztvrdnutí Deformace Konečná pevnost - /%/ /MPa/ Měření pevnosti v prostém tlaku Měření pevnosti v prostém tlaku, Měření poměrného přetvoření, Triaxiální zkouška, Bodový zátěžový test A A NP A A A Laboratoř NP A NP NP A A NP A A NP NP A A A A Laboratoř + stavba A A A Laboratoř A A A Odolnost - Mechanická: - průtokový test Laboratoř A A A Chemická Tixotropie /Pa.s/ Reometr, viskozimetr, hydrometr Laboratoř NP A NP Synereze /obj. %/ Objem vody vyloužený ze vzorku za určitý čas Laboratoř A NP NP Smršťování / /% objemu, Určení meze smrštění Laboratoř A A A Rozpínavost ev. délky/ + stavba Granulometrie Měření velikosti zrn Laboratoř NP A A Schopnost pronikání - Injekční test Injektáž do pískové kolony Stavba (laboratoř) A A NP A = použitelné, NP = není použitelné / obecně není používáno Dokumentace injektážních prací Injektážní práce je třeba důsledně dokumentovat a to nejlépe v soulasu s ČSN EN 12715: Provádění speciálních geotechnických prací Injektáže. Na staveništi musí být k dispozici následující dokumenty: - zpráva o geotechnickém průzkumu staveniště, která obsahuje veškeré údaje použité při zpracování projektové dokumentace, - organizační schéma, které jasně stanovuje rozhodovací pravomoci řídícího personálu zúčastněných stran, - technologický předpis, odsouhlasený zodpovědnými zástupci zúčastněných stran, v němž jsou stanoveny cíle injekčních prací a detailně rozpracovány pracovní postupy k jejich dosažení; současné též měřitelná kritéria pro budoucí hodnocení dosažení cílů injektáže. 46

47 Technologický předpis je základním dokumentem pro zahájení prací a musí obsahovat: - detailní výkresy vrtů, stávající objektu, geotechnické poměry, úrovně podzemní vody, navrhované hranice stavby a hranice navržených injekčních prací, - detailní návrh směsi, očekávaná spotřeba směsi v jednotlivých etážích každého vrtu, postup injektáže, maximální injekční tlak a očekávanou rychlost čerpání směsi, - návrh monitoringu prováděného na staveništi, jakož i údržby a dalších prací prováděných do doby převzetí injekčních prací. Na staveništi musí být vedena následující dokumentace: - denní záznam o průběhu vrtání a injektování, - měsíční výkazy s denním postupem injektážních prací a spotřebami injektážních hmot, - závěrečná zpráva obsahující závěrečné zhodnocení injektáže vč. příslušných technických detailů, jakož i souhrnného objemu prací, - zpráva o převzetí prací po jejich ukončení, v níž zúčastněné strany potvrdí dosažení akceptačních kritérií, definovaných v technologickém postupu. Pracovní záznamy musí obsahovat: a) všeobecné údaje - datumy prováděných prací, b) vrtání - číslo a umístění, délku, průměr, směr a sklon vrtu (popř. injektážního místa), - jméno obsluhy vrtné soupravy, - vrtný mechanizmus a metoda vrtání, - typ vrtného výplachu, - vystrojení vrtu (např. pažnice, manžetová injektážní trubka, typ zálivky apod.), - zvláštní jevy zaznamenané v průběhu vrtání a instalace vystrojení (např. ztráta výplachu, ztráta zálivky apod.), c) míchání směsi a injektáž - složení směsi (typ a dávkování) a její kontrolní parametry, - objem směsi injektovaný do základové půdy (spotřeba), tlak a doba provádění každé fáze, - interakce s ostatními vrty a zjištěné průsaky, - jakékoli neobvyklé jevy a pozorování, d) kontrola - vzorkování injektážní směsi, - počet vzorků pro laboratorní rozbor, - rutinní kvalitativní rozbory, - jména obsluhy a její kvalifikace. 47

48 TRYSKOVÁ INJEKTÁŽ Trysková injektáž je metoda zlepšování vlastností základové půdy založená na rozrušení struktury základové půdy v okolí vrtu vysokou mechanickou energií tryskaného média, jejího částečného nahrazení a smíchání rozrušené základové půdy s cementačním pojivem. Technologie tryskové injektáže (dále jen TI) se vyvíjela v posledních letech a podstatně se liší od technologie (klasické) injektáže popsané v kapitole 8. Provádění, zkoušení a monitoring TI se řídí ustanoveními evropské normy ČSN EN 12716: Provádění speciálních geotechnických prací Trysková injektáž. Podle metody provádění se TI dělí následovně: - jednofázový systém, (někdy nesprávně popisovaný jako M1, R1), při němž se rozrušování zeminy, jakož i její zpevnění dosahuje jedním médiem o vysoké mechanické energii, obyčejně paprskem cementové suspenze, (obr.76), - dvojfázový systém vzduchový, (někdy nesprávně popisovaný jako M2, R2), zahrnující technologii TI, při níž rozrušování zeminy a její zpevnění se dosahuje vysokou mechanickou energií tryskaného paprsku, zpravidla cementové suspenze, za podpory stlačeného vzduchu jakožto druhého média (obr.77). Stlačený vzduch obyčejně obaluje paprsek cementové suspenze a činí jej průraznějším, - dvojfázový systém vodní (někdy nesprávně označovaný jako M2, R2 s vodním předřezem), zahrnující technologii TI, při níž je rozrušování zeminy dosaženo pomocí vysoké mechanické energie vodního paprsku a zpevnění nastává odděleným paprskem injekční směsi, vesměs cementové (obr.78), - trojfázový systém (někdy nesprávně označovaný jako M3, R3), což je technologie TI, při níž je rozrušování zeminy dosaženo vysokou mechanickou energií vodního paprsku za podpory stlačeného vzduchu a zpevnění nastává odděleným paprskem injekční směsi, vesměs cementové (obr.79). Obr.76 Schéma technologie provádění jednofázové TI: 1-monitor, 2-kulička Jednotlivé druhy TI se volí s ohledem na geotechnické poměry na staveništi, na geometrických tvar výsledných prvků TI, popř. konstrukcí z TI, jakož i s ohledem na výsledné vlastnosti prvků i konstrukcí z TI. Obecně platí, že čím vyšší stupeň TI, tím větší jsou výsledné rozměry jednotlivých prvků, jejichž realizace se však stává náročnější a často 48

49 agresivnější k zemnímu prostředí a zvláště pak ke stavebním konstrukcím. Proto se jednotlivé metody různě kombinují za účelem dosažení nejlepšího efektu v daných geotechnických podmínkách a s ohledem na výsledné parametry jednotlivých prvků či konstrukcí. Trojfázová TI se ovšem používá zřídka, neboť pro její realizaci je třeba ve vrtném soutyčí vést 3 oddělená média (vodu, vzduch, cementovou suspenzi), což klade značné nároky jak na vlastní zařízení tak na technologii provádění. Celkově je však třeba zdůraznit, že provádění TI je mimořádně specializovanou a náročnou technologií, jež vyžaduje speciální, kvalitní a mimořádně nákladné zařízení, kvalifikované a zodpovědné pracovníky a zvláště dostatek zkušeností, které lze získat pouze dlouhodobou praxí. Jsme tedy většinou svědkem takového stavu, kdy jednotlivé firmy provádějící TI zkušenosti nepředávají, naopak je chrání jako své know-how a využívají je ve snaze získat konkurenční výhodu. Obr.77 Schéma technologie provádění dvojfázové vzduchové TI: 1-monitor, 2-paprsek cementové suspenze, 3-stlačený vzduch Obr.78 Schéma technologie provádění dvojfázové vodní TI: 1-monitor, 2-vodní paprsek, 3-paprsek cementové suspenze 49

50 Obr.79 Schéma technologie provádění trojfázové TI: 1-monitor, 2-vodní paprsek, 3-stlačený vzduch, 4-paprsek cementové suspenze Pro lepší porozumění technologii provádění TI uvádíme následující pojmy a definice: prvek TI je objem zeminy upravené TI jedním vrtem, hlavní užívané prvku jsou: - sloup TI válcový prvek vytvořený pomocí TI, kdy se monitor otáčí (obr.80a), - lamela z TI plošný prvek vytvořená pomocí TI, kdy se monitor neotáčí (obr.80b), konstrukce z TI je sestava prvků TI, jež se částečně, nebo zcela dotýkají, či překrývají; nejvíce užívané konstrukce z TI jsou: - stěna z TI stěna vytvořená z jednotlivých prvků TI (obr.81), - deska z TI horizontální konstrukce vytvořená pomocí spojených vertikálních sloupů TI omezené výšky (obr.82), - klenba z TI konstrukce vytvořené z horizontálních, popř. mírně (od vodorovné) ukloněných sloupů TI (obr.82), - blok z TI třírozměrná konstrukce vytvořená většinou ze sloupů TI, vrtná souprava pro TI běžná rotačněvrtná souprava pro maloprofilové (vesměs bezjádrové) vrtání umožňující automatickou regulaci rotace a posuvu vrtného soutyčí a nářadí, vrtné soutyčí pro TI vrtné soutyčí s jednoduchými, dvojitými, popř. i trojitými vnitřními kanály umožňujícími vést jednotlivá média k monitoru, monitor je nástroj montovaný na konec soutyčí (resp. mezi konec soutyčí a vrtný nástroj), umožňující tryskat paprsek (paprsky) tekutého média (médií) TI do základové půdy, tryska je speciální výměnný prvek montovaný do monitoru zprostředkující transformaci média TI ve vrtném soutyčí do paprsku tryskajícího do základové půdy; trysky jsou obyčejně vyrobeny ze slinutých karbidů, nebo ze speciální keramiky a mají různé tvary i průměry otvorů, pomoměr účinnosti TI je účinný dosah paprsku rozrušujícího zeminu, měřený od osy monitoru, vyplavený materiál je přebytek směsi částic rozrušené zeminy a média TI vznikající při jejím provádění a obvykle vytékající na povrch terénu mezikružím vrtu pro TI, parametry TI jsou definovány následovně: 50

51 - tlak média TI uvnitř vrtného soutyčí pro TI, - průtok média uvnitř vrtného soutyčí pro TI, - složení injekční směsi, - rychlost rotace vrtného soutyčí pro TI (při provádění sloupů TI), - rychlost vytahování (nebo i zapouštění) vrtného soutyčí pro TI, předřez (předtryskání) je technologický postup, při němž tryskání příslušného prvku TI je usnadněno rozrušováním zeminy pomocí vodního paprsku, nebo paprskem jiného média prováděným v předstihu, pořadí provádění: čerstvý čerstvý je pořadí provádění prvků TI, při němž se následný prvek provádí ihned po předchozím, bez čekání na zatvrdnutí sousedních prvků (obr.83), pořadí provádění: primární sekundární je pořadí provádění prvků TI, při němž může být tryskání nového prvku na styku s prvkem již provedeným zahájeno až po stanovené době tvrdnutí, nebo dosažení předepsané pevnosti sousedního prvku TI provedeného v předchozím kroku (obr.84), materiál prvku TI je materiál, z něhož je tvořeno těleso prvku TI. Jeho vlastnosti závisí jak na vlastnostech původní (nezlepšené) základové půdy, tak i na technologii a parametrech použité TI, vyztužená TI je obyčejně sloup TI vyztužený ocelovou trubkou, betonářským prutem, popř. válcovaným profilem umístěným obyčejně v ose sloupu a vkládaným buď do čerstvě vytryskaného sloupu, nebo do následného vrtu vyplněného cementovou suspenzí. V žádném případě nelze na takovýto prvek pohlížet jako na železobetonový průřez srovnatelný např. s klasickým železobetonovým sloupem. Obr.80 Příklady prvků z TI: a. sloup TI, b. lamela z TI 51

52 Obr.81 Stěna z TI: a. ze sloupů TI, b. z lamel TI Obr.82 Deska ze sloupů TI, klenba z horizontálních, popř. mírně ukloněných sloupů TI 52

53 Obr.83 Schéma pořadí provádění stěny ze sloupů TI: čerstvý - čerstvý Obr.84 Schéma pořadí provádění stěny ze sloupů TI: primární sekundární Technologie provádění tryskové injektáže Před návrhem TI musí být k dispozici následující podklady: a) geotechnické, tj. detailní popis základové půdy na staveništi s údaji o jejich geotechnických vlastnostech v rozsahu dotčeném TI. Zvláštní pozornost musí být věnována zejména: - výskytu tuhých a pevných vrstev a čoček jemnozrnných zemin, - bobtnavým jílů, - vysokému obsahu organických látek v zemině, - výskytu senzitivních jílů, - stmeleným, nebo jakkoliv zpevněným vrstvám nebo čočkám zemin, - úrovni hladiny podzemní vody, - výskytu napjaté hladiny podzemní vody, - vysokému hydraulickému spádu podzemní vody, - agresivitě podzemní vody, - ulehlosti hrubozrnných zemin, - výskytu kamenů a balvanů, - výskytu dutin v základové půdě, - výskytu chemického odpadu nebo skládek, - granulometrickému složení základové půdy, její vlhkosti, konzistenčním mezím, - smykové pevnosti zemin, b) stavební (okrajové podmínky na staveništi), což jsou základy sousedních budov, podzemní stavby a inženýrské sítě, vzdušná vedení a ostatní pracovní překážky, přístupnost staveniště, c) požadavky na ochranu životního prostředí, zvláště s ohledem na nakládání s vyplaveným materiálem, d) přípustné deformace podchytávaných, nebo sousedních objektů. 53

54 Při projektování a provádění TI se obyčejně postupuje podle níže uvedeného seznamu činností, (tabulka 57), přičemž jejich uvedené pořadí nemusí nutně odpovídat časovému pořadí. Vlastní technologický postup provádění TI sestává z následujících činností: - vrtání (bezjádrových) maloprofilových vrtů předem určených geometrických vlastností, - zavedení monitoru spojeného s vrtným soutyčím pro TI na dno vrtu; (tento krok obyčejně odpadá, neboť monitor bývá montován na soutyčí již v průběhu vrtání), - tryskání média rozrušujícího strukturu zeminy a pomocí pojiva zpevňujícího zeminu při současném vytahování a otáčení soutyčí s předem určenými hodnotami pro rychlost vytahování a otáčení, pro tlak a průtok každého jednotlivého média. Strojní zařízení pro provádění TI zahrnuje: - vrtnou soupravu, vybavenou pro TI, tj. se soutyčím pro TI, monitorem a zařízením k pohonu soutyčí, jež musí být tak uzpůsoben, aby umožnil pohyb vrtného soutyčí stanovenou rychlostí otáčení a posunu, - míchací zařízení pro přípravu médií TI vč. jejich skladování (jde vesměs o cementovou suspenzi), - vysokotlaké čerpadlo, - vysokotlaká potrubí spojující čerpadlo s vrtnou soupravou, - zařízení k měření tlaku, průtočné rychlosti a množství, rychlosti otáčení a posunu, jakož i okamžité hloubky monitoru, - zařízení pro hospodaření s vyplaveným materiálem. Tabulka 57 Doporučený seznam činnosti při projektování a provádění TI Číslo Činnost 1 Získání údajů z geotechnického průzkumu staveniště 2 Rozhodnutí o vhodnosti použití TI, předběžné zkoušky v laboratoři a na staveništi (jsou-li možné), vypracování předběžných technických specifikací 3 Získání všech potřebných povolení pro provádění TI od úřadů a ostatních účastníků 4 Stanovení geotechnické kategorie, globální návrh prvků a konstrukcí TI 5 Předběžné stanovení fází provádění 6 Zhodnocení geotechnických vlastností základových půd ve vztahu k návrhovým předpokladům 7 Posouzení proveditelnosti návrhu 8 Provedení zkušebních prvků (zkušebního pole) a příslušných zkoušek 9 Vyhodnocení výsledků provedených zkoušek 10 Volba systému TI 11 Realizační projekt TI, návrh rozměrů, umístění a orientace prvků a konstrukcí TI 12 Stanovení pracovního postupu 13 Stanovení omezujících faktorů pro postup prací 14 Změna, popř. upřesnění pracovního postupu 15 Instrukce všem zainteresovaným stranám týkající se klíčových bodů návrhu, jímž má být věnována zvláštní pozornost 16 Specifikace pro monitoring vlivů TI na sousední stavební objekty (druh a přesnost přístrojů, volba metod, četnost měření) a pokyny pro vyhodnocení výsledků 17 Stanovení mezních přípustných hodnot účinků TI na okolní zástavbu 18 Provádění TI vč. monitoringu parametrů TI 19 Dohled nad prací vč. definování kvalitativních požadavků 20 Monitorování účinků TI na okolní zástavbu a předávání výsledků měření 21 Kontrola kvality provedených prací 54

55 Délka vrtného soutyčí vrtné soupravy, jakož i výška lafety nemá být kratší, než je délka projektovaného prvku TI. To však nelze v některých případech zaručit, např. při podchycování pomocí TI ze sklepních prostor apod. Snahou je však vždy minimalizovat přerušení při tryskání sloupů TI. Vrtné soutyčí pro TI musí být přizpůsobeno různým systémům provádění: - pro jednofázový systém jedním kanálem pro přívod cementové suspenze, - pro dvojfázový systém dvěma kanály pro transport dvou médií (suspenze a vzduchu, popř. vody a suspenze), - pro trojfázový systém třemi kanály pro transport všech tří médií (suspenze, vody a vzduchu). Více kanálů prochází vždy jedním soutyčím k monitoru. Monitor pro jednotlivé systémy obsahuje: - pro jednofázovou TI vybavení jednou, nebo dvěma kruhovými tryskami rozmístěnými po obvodu proti sobě v různých výškách, - pro dvojfázovou vzduchovou TI vybavení jednou či dvěma koncentrickými tryskami (vzduch je veden mezikružím a obaluje paprsek cementové suspenze), - pro dvojfázovou vodní TI vybavení jedno, či více tryskami pro vysokotlaké tryskání vody a jednou, či více níže položenými tryskami pro cementovou suspenzi, - pro trojfázovou TI vybavení jedno či více koncentrickými tryskami pro vodní paprsek obalený stlačeným vzduchem a jednou, či více níže položenými tryskami pro cementovou suspenzi. Vrty pro TI se provádějí jako maloprofilové stejnou technologií jako vrty pro mikropiloty, kotvy, či klasickou injektáž. Průměr vrtů je mm, obecně platí, že pro vícefázovou TI je zapotřebí větší průměr vrtů. Vrtáno může být na vzduchový, vodní, cementový, jílocementový, popř. i pěnový výplach. Odchylka osy ohlubně vrtu by se neměla od projektované polohy lišit více než o 50 mm a sklon osy vrtu více než o 2 %. Průměr vrtů se volí takový, aby při tryskání mohl vyplavený materiál volně vytékat mezikružím mezi stěnou vrtu a vrtným soutyčím. Míchací a čerpací stanice sestává pro různé systémy TI z těchto komponentů: - pro jednofázový systém: skladovací zařízení na cement (obyčejně silo), aktivační míchačka, pomaloběžní míchačka (domíchávač), vysokotlaké čerpadlo, - pro dvojfázový systém vzduchový: jako výše a navíc výkonný kompresor se vzdušníkem, - pro dvojfázový systém vodní: jako pro jednofázový systém a navíc vysokotlaké čerpadlo pro tryskání vody, - pro trojfázový systém: jako pro dvojfázový systém vodní a navíc kompresor se vzdušníkem. Po dovrtání do projektované hloubky se obyčejně ihned začne s tryskáním. Tryská se odspodu a při provádění sloupů se monitorem rotuje pomalými otáčkami a soutyčí se povytahuje. Toto povytahování není plynulé, nýbrž po 2 5 otáčkách monitoru dojde k náhlému povytažení monitoru o několik centimetrů (tzv. stepování). Tyto operace se provádějí automaticky a řízeny jsou přes mikroprocesor. Při jednofázové injektáži se obyčejně ihned po dovrtání na výplach, tvořený cementovou suspenzí prakticky shodného složení, jako pro TI, popř. s několikaprocentním přídavkem bentonitu, započne s tryskáním. Přívod výplachu k vrtnému nářadí se přeruší spuštěním ocelové kuličku do přívodního kanálu, která 55

56 uvízne v sedle a usměrní tok suspenze vodorovným směrem přes trysku monitoru. Zvýší se příslušně tlak této suspenze a souprava se nastaví na zvolené otáčky a stepování. Tak započne proces realizace sloupu TI. Přitom se pečlivě sleduje jak průtok suspenze a její tlak, tak zejména množství a průtok vyplaveného materiálu u ústí vrtu. Tento průtok musí být pravidelný a rovnoměrný. Zjistí-li se jakákoliv anomálie v chování vyplaveného materiálu, musí být tryskání okamžitě přerušeno a vzniklá závada odhalena a odstraněna. Jedná se zejména o velmi nebezpečné ucpání mezikruží, kdy tlak tryskaného média, jež nemůže být volně rozptýlen při vyplavování, může způsobit náhlé zvednutí základové půdy spojené s negativními jevy (nadzvednutí objektů, vznik deformací, trhlin apod.). Sloup se tryská až do projektované úrovně, jež však musí být pod úrovní pracovní plošiny, neboť do její úrovně nelze efektivně tryskat, neboť není k dispozici potřebný odpor. Tento výškový rozdíl, který je ostatně potřebný též pro vhodný návrh geometrického uspořádání sloupů TI např. při podchycování stávajících konstrukcí, by měl být nejméně 1,0 m. Vyplavený materiál je smíchaný s rozrušenou zeminou a nemůže být použit pro další tryskání. Skladuje se obyčejně ve vyhloubených jámách, (je-li možné je na staveništi zřídit), tam se nechá sedimentovat a po zatuhnutí se vybagruje a odváží na skládky. Tam, kde to není možné, odváží se v tekutém stavu cisternami. Vyplavený materiál není jakkoliv závadný a nepředstavuje žádnou ekologickou zátěž. S výhodou jej lze použít např. do stabilizací. Z vyplaveného materiálu se pravidelně odebírají vzorky, u nichž se ihned (na staveništi) měří objemová hmotnost (např. baroid váhami). Ostatní vzorky se ponechávají ztvrdnout pro zkoušku pevnosti v prostém tlaku různého stáří, popř. zkoušky propustnosti. Vlastní cementová suspenze má různé složení dané vodním součinitelem, který se pohybuje od 0,5 do 1,5 (typické složení je např. c:v = 0,8:1). Výjimečně se přidává několik % bentonitu za účelem snížení sedimentace. U vyrobené cementové suspenze se zkouší: - hustota, - odstoj vody (měřením po 3 hodinách ve skleněném válci o objemu 1000 cm 3 a průměru 60 mm), - viskozita (Marsh), - doba tuhnutí, - pevnost v prostém tlaku na válcích s poměrem výška/průměr = 2,0 a to po 3, 7, 28 dnech, popřípadě až po 56 dnech. Není-li jinak stanoveno, volí se 4 vzorky na každých 1000 m 3 objemu sloupů TI. Zhotovené prvky a konstrukce z TI se zkouší z hlediska stanovení a kontroly jejich geometrie a z hlediska dosažení jejich mechanických vlastností. Rozměry prvků se nejlépe stanoví pozorováním a měřením na odkopaných prvcích. To však vyžaduje rozsáhlé výkopové práce do značné hloubky, což často není možné. V případě provádění zkušebního pole by se však s výkopem mělo vždy počítat. Pokud nelze přímá pozorování provádět, mohou být příslušné údaje získány z jádrových, popř. i plnoprofilových vrtů prováděných šikmo na osu prvku. Při jádrovém vrtání lze navíc získat i vzorky pro tlakovou pevnost, popř. i propustnost. Výjimečně lze měření provádět pomocí penetračních zkoušek na nezatvrdlých pilířích. Interpretace výsledků měření je však obtížná a nejistá. V případě jednofázové injektáže lze získat sloupy o průměru mm, výjimečně i větší. Tlaková pevnost sloupů je silně závislá na druhu a kvalitě základové půdy, v níž se TI provádí a na parametrech TI, jejichž používaný rozsah je v tabulce 58. Ve štěrcích a píscích ze běžně dosáhnout pevnosti d = 8,0 10,0 MPa, v jílovitých píscích pak d = 4,0 5,0 MPa a v tuhých jílech D = 2,0 3,0 MPa, je-li to vůbec reálné. V poloskalních a skalních horninách nelze jednofázovou TI úspěšně provádět. V případě dvojfázové TI bývá průměr sloupů 0,8 1,5 m a trojfázová TI umožňuje ve vhodných základových podmínkách 56

57 realizovat sloupy průměru přes 1,5 m. V případě podchytávání stávajících konstrukcí se nedoporučuje používat dvojfázovou TI vzduchovou, neboť stlačený vzduch může v základové půdě vyvolat nežádoucí a náhlé deformace. Tabulka 58 Přibližný rozsah parametrů TI pro různé systémy Parametry TI Jednofázový systém Dvojfázový systém (vzduchový) Dvojfázový systém (vodní) Trojfázový systém Tlak na čerpadle inj směsi /MPa/ Průtok injekční směsi /l/min./ Tlak vody /MPa/ NP NP Průtok vody /l/min./ NP NP Tlak vzduchu /MPa/ NP 0,2 1,7 NP 0,2 1,7 Množství vzduchu NP 3 12 NP 3 12 (m 3 /min.) NP = není používáno Oblasti použití tryskové injektáže Využití technologie TI v oblasti speciálního zakládání staveb je skutečně rozsáhlé. Bez nadsázky lze o technologii TI hovořit jako o jednom z mezníků v zakládání staveb, neboť prvky z TI a konstrukce z těchto prvků umožňují elegantně a velice účinně řešit mnoho závažných a zásadních problémů v daném oboru. Technologii TI lze využít v následujících oblastech: a) pro zakládání nových staveb, (jako náhrada hlubinných základů), b) pro podchycování stávajících základů a konstrukcí za účelem zvýšení únosnosti v základové spáře, c) pro podchycování stávajících základů a konstrukcí za účelem umožnění jejich odkopání, popř. podkopání, d) jako pažící a současně i těsnící konstrukce pro těsnění boků stavebních jam, e) pro dotěsňování jiných konstrukcí, (např. štětových stěn nebo záporového pažení), při jejich napojování na stávající stavby, f) pro těsnění dna stavebních jam v propustných zeminách, g) pro dočasné zajišťování výrubu štol, kolektorů i tunelů, h) pro zlepšování vlastností základové půdy, i) pro urychlení konzolidace podloží násypů, přičemž tento výčet není jistě konečný. Je ovšem zřejmé, že technologie TI je: 1) mimořádně náročná na její zvládnutí, tj. na návrh, provádění, kontrolu a monitoring, 2) relativně nebezpečná z hlediska možných rizik a to nejen při jejím nevhodném použití, 3) relativně drahá jak z hlediska nároků na nutné vybavení, tak z hlediska spotřeby hmot (např. cementu) a hospodaření s vyplaveným materiálem. Technologie TI by měla být tedy realizována pouze zkušenými a specializovanými firmami, což dává záruku jejího správného využití a ne komerčního zneužití, jak jsme tomu svědky např. při zbytečných a nevhodných realizacích mikropilotových základů. 57

58 Budování hlubinných základů novostaveb (obr.85) pomocí sloupů, popř. lamel z TI je vhodné jen ve výjimečných případech, neboť cena těchto prvků bývá větší veliká a jejich vlastnosti nejsou příliš dobré, pohlížíme-li na tyto prvky jako např. na náhradu pilot. Je pochopitelné, že výsledný prvek TI nelze srovnávat s železobetonovým průřezem vrtané piloty a to jak z hlediska kvality (pevnosti) betonu, tak z hlediska možnosti vyztužení, což je potřebné zvláště u prvků namáhaných kombinací ohybu s tlakem (popř. i tahem). Výjimečně lze využít hlubinných základů sestávajících ze sloupů TI na těch stavbách, kde je technologie TI uplatněna ve velké míře např. pro podchycování a současně je třeba založit hlubinně konstrukce, pro něž by se nevyplatilo instalovat novou technologii (piloty, mikropiloty). Obr.85 Hlubinné zakládání pomocí sloupů TI Jednou z rozhodujících oblastí použití TI je podchycování stávajících základů. To může být navrhováno v případě nástaveb, dostaveb a rekonstrukcí a to jednak za účelem zvýšení únosnosti v základové spáře z titulu jejího přitížení (obr.86), jednak za účelem umožnění (obyčejně jednostranného) výkopu podél stávajících základů zasahujícího pod stávající základovou spáru (obyčejně plošných) základů (obr.87), popř. v kombinaci obou požadavků. Hlavní výhodou zesilování stávajících základů podchycováním pomocí sloupů TI je skutečnost, že při vhodném geometrickém uspořádání není třeba budovat žádné spojovací konstrukce zprostředkující přenos zatížení ze stávajících základů do podchycovacích prvků, neboť sloupy TI obyčejně přímo podepírají stávající základovou spáru. Lze též regulovat potřeby podchycení a to jak půdorysným uspořádáním prvků TI, tak jejich délkou. Při využití miniaturních vrtných souprav lze podchycovat konstrukce i z úrovně suterénu apod. Jedná se ovšem o technologii velmi náročnou na organizaci práce a na její monitoring, neboť např. i při krátkodobém ucpání vrtu hrozí reálné nebezpeční nadzvednutí stávajících základů a poškození objektu. Při této práci je třeba vždy zajistit podrobný stavebně-technický průzkum stávajících objektů a pasportizaci stávajícího stavu tak, aby po skončení práce nevznikly zbytečné dohady o míře zavinění při případném poškození konstrukcí. Současně je třeba zajistit přístup do všech sousedních (např. sklepních) prostor tak, aby průběh provádění TI mohl být neustále monitorován a popř. dočasně přerušen, nebo upraven. 58

59 Obr.86 Podchycování stávajících základů pomocí sloupů TI za účelem zvýšení jejich únosnosti Technologie TI v podstatě jako jediná umožňuje ve vhodných podmínkách prohloubení výkopu prakticky těsně podél stávajících základů a to v souvislosti s jejich podchycením. Podle stavebního stavu stávajícího základového, resp. suterénního zdiva, podle charakteru základové půdy a podle potřebné výšky podchytávání se volí geometrické uspořádání sloupů TI, resp. nutnost kotvení, nebo i rozepření této konstrukce tak, aby byla zajištěna její stabilita. Lze konstatovat, že právě podchytávání pomocí sloupů TI umožnilo výstavbu hlubokých suterénu v prolukách mezi mělčeji založenými objekty s maximálním využitím příslušného prostoru např. pro podzemní parking, či pro jiná zázemí novostaveb. Při postupujícím výkopu lze těleso tvořené sloupy TI upravovat (např. osekáním, nebo naopak dobetonováním), popř. opatřit vrstvou se zednickou úpravou (např. stříkaným betonem s hlazeným povrchem) tak, aby tato vrstva sloužila přímo jako podklad pro svislou izolaci. 59

60 Obr.87 Podchycování stávajících základů pomocí sloupů TI za účelem umožnění jednostranného odkopání podchycených základů Konstrukce ze sloupů TI lze využít pro utěsnění dna stavebních jam, popř. šachtic (obr.88), kdy se s výhodou využívá různých průměrů sloupů, jež se vzájemně překrývají a vytvoří tak dostatečně těsné dno šachty. I v případě rozsáhlých stavebních jam, jejich pažící stěny nezasahují do nepropustného podloží, jež se nachází příliš hluboko, využívá se těsnění dna pomocí mělce, nebo hluboce umístěné desky z TI. Těchto konstrukcí bylo ve velké míře využito při výstavbě hlubokých těsněných stavebních jam v Berlíně v posledním desetiletí 20. století. Příklad možného využití sloupů TI pro urychlení konzolidace stlačitelných zemin pod nově budovanými násypy je na obr.89. Jedná se spíše o možnost, než o masové využití těchto prvků, jež jsou dražší než štěrkové pilíře, které jsou pro tyto účely nejtypičtější. Naopak ovšem těsnící konstrukce podél vodotečně zavázaná do nepropustného podloží je výhodná a to zejména tam, kde lze očekávat kolize s inženýrskými sítěmi a podzemní těsnící stěna není reálná. 60

61 Obr.88 Těsnění dna stavebních jam a šachtic: a- mělce uložená deska ze sloupů TI, b hluboce uložená deska ze sloupů TI Obr.89 Sloupy TI budované za účelem urychlení konzolidace stlačitelných zemin pod násypem 61

62 Značné využití nalézá TI při dočasném zajišťování podzemních staveb a to jak obyčejně mělce pod povrchem budovaných štol, (kolektorů), tak i v případě tunelů, kde nahrazují tzv. deštníky prováděné z ocelových trubek. Na obr.90 je příklad využití svislých sloupů TI prováděných z povrchu a vymezujících tvar budoucí štoly za účelem dočasné ochrany při výrubu. Toto zajištění je velmi účinné, nicméně je drahé a vyzžívá se poměrně zřídka, většinou pak v případě havárií. Podstatně více je však využívána metoda schématicky vyznačená na obr.91, 92, kdy se realizuje klenba ze subhorizontálních sloupů vrtaných z podzemí pomocí speciálních vrtných souprav. Tato metoda byla úspěšně vyzkoušena např. při výstavbě kolektoru v centru Prahy, Při výstavbě tunelu Blanka a provozního úseku metra V.A. Obr.90 Dočasné zajištění výrubu štoly pomocí soustavy svislých sloupů TI 62

63 Obr.91 Schéma vytváření subhorizontálních deštníků ze sloupů TI za účelem zajištění výrubu podzemních děl Obr.92 Půdorysné schéma obálky deštníků ze sloupů TI 63