NÁVRH NETRADIČNÍHO POSTUPU ZPEVNĚNÍ NÁSYPOVÉHO TĚLESA ŽELEZNIČNÍ TRATI

Transkript

1 Prof.Ing. Josef Aldorf, DrSc. VŠB-TU Ostrava, Fakulta stavební, katedra geotechniky Ing. Jaroslav Ryšávka UNIGEO a.s. Ostrava NÁVRH NETRADIČNÍHO POSTUPU ZPEVNĚNÍ NÁSYPOVÉHO TĚLESA ŽELEZNIČNÍ TRATI Abstract: The paper refers to the uncommon design of soil reinforcement in rail embankment by sand and lime piles, dewatering and nailing of active layer of subgrade applying TITAN nails. 1. Úvod V řadě případů zemních těles železničních tratí a silnic se setkáváme se stavy, kdy zemní těleso a podloží konstrukčních vrstev vykazuje znaky výrazné degradace pevnostních a přetvárných vlastností zemin. Sanace takovýchto těles obvykle spočívá v totální rekonstrukci zemního tělesa a náhradě nevhodných zemin. Jde-li o případy, kdy tento způsob svou nákladností není možný a je ekonomicky nevýhodný, je na místě použití jiných technologií zpevnění zemního tělesa. V příspěvku je popsán návrh aplikace 4 dílčích metod, které svým synergickým působením mohou zlepšit stav zemního tělesa a podloží železniční trati bez nutnosti jeho celkové rekonstrukce. Příklad se týká některých krátkých úseků železniční trati H. Nemce Krupina ve Slovenské republice. Na základě dobrých zkušeností získaných při sanaci havárie provizorního mostu v Polomi (viz referát ve sborníku) bylo navrženo následující technické řešení.. Stručný popis stavu železničního tělesa a návrh metod jeho zpevnění Na základě výsledků IGP železniční trati H. Nemce Krupina (fa EKOGEOS Bratislava 09/001 RNDr. Kupka), lze násypy železniční trati v některých úsecích charakterizovat těmito znaky: násypy jsou tvořeny jílovitými zeminami převážně měkké a polotuhé konzistence přetvárné vlastnosti zemin tělesa násypu se pohybují na hranici E oed = 3-4 MPa v násypech se udržuje vysoká hladina podzemní vody a zeminy jsou prakticky saturovány vodou (S r 1,0) na tělesech násypů se projevují znaky svahových deformací únosnost pláně je extrémně snížena a konstrukční vrstvy jsou vtlačovány do podloží. Mocnost vrstev železničního spodku kolísá mezi 0,6 až 1,0 m. Vzhledem k praktické nemožnosti sanovat celé zemní těleso násypu, je návrh metody sanace založen na synergické kombinaci zpevnění zemin použitím: konzolidace pomocí pískových pilot odvodnění tělesa HOV (horizontální odvodňovací vrty) zpevnění aktivní vrstvy zemní pláně pomocí hřebíkování kotvami TITAN

2 zpevnění zemin v tělese násypu pomocí vápenných pilot Z použití byly vyloučeny způsoby založené na aplikaci dynamických účinků (např. předrážené pískové piloty, tampony), které by mohly způsobit další snížení stability svahů (již dnes na hranici stability) vlivem indukce pórových tlaků v nasycených materiálech. Návrh sanace byl ověřen dalšími výpočty, zejména: výpočty stability svahu výpočtem průběhu konzolidace pískovými pilotami výpočtem parametrů zpevnění pomocí hřebíkování kotvami TITAN 3. Geotechnické vlastnosti zemin Ze závěrečné zprávy IGP a inverzních výpočtů stability svahu byly aplikovány tyto geotechnické charakteristiky zemin typu CI, CL, CS, které tvoří převážnou část násypů a jejichž konzistence je měkká až polotuhá: - objemová tíha: γ = 1 knm -3 - úhel vnitřního tření: ϕ = 19 - soudržnost: c = 1 kpa - modul přetvárnosti: E oed. = 3-4 MPa Pro zeminy podloží byly přijaty hodnoty odpovídající ČSN (pro zeminy typu GC, CI, CH (ϕ = 19-7 ; c = 4-8 kpa)). 4. Technické řešení sanace Technické řešení sanace spočívá v aplikaci: pískových pilot 00 m/m, délky 8 m, (výška zemního tělesa činí cca 7 m), umístěných po obou stranách koleje (rozteč m) ve vzdálenostech,5 m. Účel: konzolidace nasycených zemin. vápenných pilot 00 m/m realizovaných v ose koleje uprostřed mezi dvojicemi pískových pilot. Délka vápenných pilot: 8 m Účel: zpevnění jíl. zemin snížením vlhkosti iontovou výměnou a sorpcí. zpevnění aktivní vrstvy pláně pomocí řad hřebíků TITAN 30/16 provedených technologií ISCHEBECK (vrtání s cement. výplachem). První vrstva je navržena cca 30 cm pod spodní hranou štěrk. vrstev svršku, další vrstva (z druhé strany svahu) ve svislé vzdálenosti 1,0 m od horní řady. Rozteč hřebíků v řadách: 1,5 m Délka hřebíků: - 1. vrstva: 1,5 m -. vrstva: 7,5 m Účel: - zpevnění aktivní vrstvy podloží, která je vzhledem k možnostem pískových pilot obtížně konzolidovatelná (malé přitížení v horní části pilot) - zvýšení modulu přetvárnosti aktivní vrstvy odvodnění tělesa násypu pomocí HOV délky 5 m (á 15 m) situovaných v patě svahů Účel: snížení hladiny podzemní vody na úroveň paty pískových pilot. Sumární účinek stabilizačních opatření lze očekávat ve: zvýšení stupně stability svahu F min

3 zvýšení modulu přetvárnosti podloží železničního spodku (zemní pláně) cca na dvojnásobnou hodnotu (6-8 MPa) a celkové zvýšení únosnosti podloží. Kvanifikace těchto účinků byla provedena výpočtem očekávaného stupně konzolidace zemin v tělese násypu a stanovením velikosti zvýšení tuhosti zemin pláně po provedení hřebíkování. 5. Stanovení parametrů konzolidace pomocí pískových pilot Stupeň konzolidace U celk můžeme určit z rovnice (Cytovič) U celk = 1-(1-U r ) (1-U z ) U r stupeň rad. konzolidace U z stupeň svislé konzolidace 3 mγ γ. i U r = 1 1 ( ) 3 + R r mγ z v s exp Mt z p p R p 8 U z = 1 - ( ) π.exp M. t ke z oed M = R R 3 γ v lg R n r 8 M = π kz. Eoed 4h. γ v Význam proměnných a přijaté hodnoty ve výpočtu: R poloměr účinnosti (R = rozteč vrtů) R = 1 1,5 m r poloměr pilot (0,1 m) h délka pilot (8 m) γ objemová tíha zemin (0,0 MNm -3 ) m součinitel strukturní pevnosti (0,1 pro zeminy tříd F1-F8) E oed oedometrický modul přetvárnosti (3-4 MPa) p zatížení na horní úrovni konzolidované oblasti. Přijato ve velikosti p =.0,0 = 0,04 MPa na bázi zpevněné aktivní vrstvy. i s počáteční hydraulický gradient, uvádějící do pohybu vodní částice (pro zeminy CI, CL uvažováno i s = 0,5) k z součinitel filtrace (uvažováno se zeminami tř. F) k z = m/sec = 0,31 0,031 m/rok γ v = 0,01 (obj. tíha vody) t 0-1 rok z proměnná hloubka zvoleno h = 4 m (střední část pilot) Výpočtem pro:

4 R = 1 m k z = 0,031 m/rok t = měsíce (0,16 rok) 0031,. 3 M = , lg , = 11,98 U r = ,.,..,.,, ( 11, 98. 0, 16 0,. 1004,. ( 1 exp ) + 004, 3004., 1 004, 8 ( ) U z = 1.exp,., = 0,3 314, 314, ,. M = = 0, , získáme celkovou hodnotu stupně konzolidace U celk = [1-(1-0,3) (1-0,81)] = 0,85, tj. 85%. = 0,81, tj. 81% Konzolidace podloží při vzdálenosti pilot R = m proběhne během měsíců v úrovni 85%, což je dostatečné pro konzolidační zpevnění (přechod z měkké do polotuhé až tuhé konzistence) a odstranění vlivu pórových tlaků. Při větší vzdálenosti pilot (např. R = 1,5 m) by konzolidace na úroveň U c = 85% trvala více jak 4 měsíce. 6. Zpevnění aktivní vrstvy zemní pláně hřebíkováním Navrženy hřebíky: TITAN 30/16 Únosnost na mezi kluzu: 180 kn Výpočtová únosnost: min. 150 kn Vzdálenost hřebíků: 1,5 m v řadě horizontálně 1,0 m ve vertikálním směru Zemina: ϕ res = 13 Zvýšení soudržnosti hřebíkované zeminy c hřeb. =! ( 1+ ϕ) 150 ( 1+ sin13 ) 150 1,. 51. sin =.cos ϕ 1, 5 Výpočtová hodnota c d hřeb. = 60 1, 5 "= 40 kpa! = 6,8 kpa "= 60 kpa.cos13 Horizontální reakce kotev (maximální hodnota) σ x = 150 "= 100 kpa σ 3 151,. Přitížení aktivní vrstvy (σ 1 ) železničním svrškem 5 σ 1 "= 0,8.0 + = " 8 kpa! 303,, + 07,.. tg40 ( )

5 Pro tyto hodnoty přitížení byl z vyhodnocení triaxiální zkoušky (vzorek A Unigeo Ostrava) jíl. hlíny vlhkosti w "= 0% a stupně nasycení s v "= 0,9 stanoven koeficient zvýšení modulu přetvárnosti při aplikaci σ 3 v hodnotě K E =,4, což znamená, že aktivní vrstva hřebíkováním zpevněné pláně bude mít modul přetvárnosti min. E d = (3 až 4).,4 = 7, až 9,6 MPa Toto zvýšení E d zemní pláně zvýší únosnost na pláni spodku na velikost E d = min. 60 MPa, což dokládá výpočet vícevrstvého prostředí dle Pokrovského. Tato hodnota únosnosti již pro provoz železniční trati plně dostačuje. 7. Stabilitní řešení svahu Stabilitní řešení bylo prováděno v několika fázích konzolidace a zpevnění pro hodnoty geotechnických vlastností uvedené v kap. 3. a 6. Stabilita současného svahu násypu je charakterizována stupněm stability F min = 1,07, což odpovídá pozorovaným deformacím násypu a dokladuje potřebu zvýšit stabilitu realizací sanačních opatření. Stav stability po realizaci hřebíků v aktivní vrstvě charakterizuje F min = 1,15 < 1,4 1,5 nízká stabilita svahu a je tedy nutné provedení pískových pilot. Po realizaci pískových pilot činí F min. = 1,1 a další zvýšení stability je možné pouze snížením hladiny podzemní vody v násypu. Při snížení hladiny (pomocí HOV) na bázi násypu je stabilita násypu zcela dostatečná (F min = 1,57 > 1,4-1,5), při snížení na úroveň paty pískových pilot F min = 1,4. Tato úroveň snížení zajišťuje vyhovující stabilitu tělesa železniční tratě. 8. Vliv vápenných pilot Vápenné piloty zajišťují výpočtem nespecifikovatelné zpevnění prostřednictvím iontového působení na vodní obaly jílových částic v zemině. Tím přispívají ke zvýšení tuhosti zeminy (zlepšení konzistence) a v tomto působení zvyšují účinek konzolidačních pískových pilot (snížení vlhkosti). 9. Závěr Realizací sanačních opatření dojde ke zvýšení stability svahu i zvýšení únosnosti zemní pláně železničního spodku. Úroveň zlepšení stability i únosnosti odpovídá požadavkům železničních předpisů. Příklad ukazuje možnosti použití moderních metod kotvení (hřebíkování) v oblasti, ve které dosud nebyly aplikovány. Celkové uspořádání je zřejmé z obr. č. 1.

6