ZEMNÍ KONSTRUKCE LUMÍR MIČA, ING., Ph.D. ÚSTAV GEOTECHNIKY 1
1.Vyčkat aža zeminy dosáhnou potřebných parametrů Je to spíš íše e teoretická možnost, využít t ji lze z pochopitelných praktických důvodd vodů jen ojediněle muselo by dojít t k přemp emístění zeminy, většinou v převlhčené,, na místo, m kde nebude ovlivněna na srážkami, případnp padně k jejímu zakrytí a vyčkat, až dojde ke snížen ení vlhkosti 2
2. Vyměnit za zeminy vhodné Toto se může vyplatit v případech blízkosti zemníku / lomu s vhodným materiálem možnost uplatnění nevhodného materiálu - např. blízká a levná možnost skládkování, využití výkopku při terénních úpravách a/nebo finanční dostupnosti (dopravní náklady) 3
Zlepšení zeminy TP 94 Zlepšení zemin (v revizi) 4
Mechanická stabilizace Zatlačování hrubých resp. velmi hrubých částic tzv. plombování plání Používáme spíše pro lokální úpravy, protože vyžaduje velké přesuny zeminy, i když méně než při výměně. Rozptýlená textilní vlákna tzv. mikrovyztužování pro písčité zeminy VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 5
Zlepšování zemin Chemická stabilizace Stabilizace zlepšování málo vhodných zemin pomocí pojiv Vápno hydroxid vápenatý (Ca(OH) 2 ) ; nehašené vápno (CaO); vápenná kaše (Ca(OH) 2 ). cement ostatní pojiva živičné pojivo; enzymy Rozhodnutí o použitém pojivu záleží na výsledcích laboratorních rozborů. Každý typ pojiva je nutné s upravovanou zeminou vyzkoušet. VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 6
Proč zlepšujeme? vysoká vlhkost I C těžko zpracovatelná pro hutnění snížení vlhkosti požadovaná vlhkost pro snazší a rychlejší postup prací bez ohledu na počasí zlepšíme zeminu, která je tím vůči následným změnám vlhkosti málo citlivá geotechnické parametry, ať již smykové či deformační jsou nízké. Potřebujeme tyto parametry zvýšit, aby zeminy nebylo nutné 7 částečně nebo zcela vyměnit za kvalitní materiály
Kdy zlepšujeme? Nejdůležitější je zjištění vlhkosti, protože z porovnání w opt a w n vychází rozhodnutí o potřebě zlepšování. Podle ČSN 736133 nelze použít bez úpravy vlhkosti do násypu zeminu Rozhodující charakteristika zeminy pro určení druhu zlepšení -vápnem nebo cementem dle ČSN 73 6133 a TP 94: I P = w L -w P V případě zlepšování je hodnota CBR parametrem, který rozhoduje o účinnosti zlepšení. Pojivem zlepšená zemina musí mít (podle ČSN 736133 tab.6) 8
Co použijeme? Vápno (3-9%) I P > 10 a obsah jílovitých částic f > 10% Cement (3-10%) I P 10 a percentage passing No. 200 < 20% Kombinace - Vápno, cement, popílek (10 25%) 10 < I P <20 a percentage passing No. 200 < 10% 9
Zlepšování zemin Stabilizace ČSN 721002 Klasifikace zemin pro dopravní stavby ČSN 721006 Kontrola zhutnění zemin a sypanin ČSN 736125:1994 Stabilizované podklady ČSN 736133:1998 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací TP 94 Zlepšení zemin (v revizi) TKP staveb pozemních komunikací kap. 4 Zemní práce z 03/2001 10
Úprava zemin vápnem Tento způsob úpravy zemin je nejrozšířenější a tvoří v ČR zhruba 90% všech úprav zemin. Proto se tomuto budeme věnovat v dalším s větší podrobností 11
Účinky vápna v zemině krátkodobé (cca do 24 hodin) 1.efekt snížení vlhkosti 2.efekt změny geotechnických parametrů zeminy dlouhodobé 12
Změny ve struktuře po přidání Krátkodobé způsobené přidáním iontů Ca ++ a OH -, záměnou kationtů Na + a K + za Ca ++ Obdoba chování polymerů vápna - CaO: Neupravená zemina Upravená zemina Dlouhodobé vápno působí na oxid křemičitý a hlinitý obsažený v jílu a vytváří hydratované křemičitany a hlinitany vápníků Upravená zemina Neupravená zemina 13
Krátkodobé účinky 1.Efekt snížení vlhkosti působením faktorů: Hydratací CaO+H 2 0 = Ca(OH) 2 + 15,5 kcal Odpařením určitého množství vody Dodáním suchého materiálu Mísenísměsi vápno +zemina Slide 29 2.Efekt změny geotechnických parametrů zeminy Tento je způsoben chemickými reakcemi a tzv.flokulací (vločkováním) jílových částic. Při použití 1% příměsi vápna dochází k Slide 31 14
Dlouhodobé účinky Křemičitany, hlinitany a oxidy železa se v jílovitých zeminách dostávají do roztoku. V roztoku reagují s Ca a vytvářejí nerozpustné sloučeniny, které krystalizují a vytvářejí tak vazby stejné povahy jako hydraulická pojiva. Navíc váží inertní částice zeminy Cementace se vyvíjí pomalu (měsíce, roky). Jíl a vápno v zemině vzájemně reagují pomalu, vytváří nový druh minerálů. Tyto změny vedou ke zlepšení geotechnických vlastností směsi zvýšení pevnosti v prostém tlaku zvýšení indexu CBR stabilita směsi po saturaci zvýšení odolnosti proti mrazu 15
Průkazní zkoušky Provádí se za účelem stanovení množství dávky pojiva a zjištění jeho účinnosti tzv.receptura (Určíme během IG průzkumu - podrobný - ze zkoušek MZ) Přehled průkazních zkoušek prováděných v laboratoři při přípravě receptury Stanovení zrnitosti pro geotechniku dle ČSN 72 1017 Laboratorní stanovení vlhkosti zemin dle ČSN 72 1012 Laboratorní stanovení zhutnitelnosti zemin Proctorova zkouška dle ČSN 72 1015 jak pro nezlepšenou, tak pro zlepšenou zeminu Laboratorní stanovení poměru únosnosti zemin (CBR) dle ČSN 72 1016 jak pro nezlepšenou, tak pro zlepšenou zeminu 16
Zlepšování zemin Stabilizace VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 17
Zkouška CBR Zkouška CBR se pro danou míru zhutnění měří v lisu za různých podmínek (sycení, doba zrání, okamžité hodnoty V případě zlepšování je hodnota CBR parametrem, který rozhoduje o účinnosti zlepšení. Pojivem zlepšená zemina musí mít (podle ČSN 736133 tab.6) v podloží násypu a násypu minimální hodnotu CBR 10% při zk.vlhkosti v aktivní zóně 10% CBR 7+4 dny(mechanicky zlepšená 15%) Při posouzení horní vrstvy podloží vozovky (AZ) kdy CBR zeminy je v rozmezí 2-15%, definuje tab.9 tloušťku nutné výměny či úpravy pro vozovky D, R a silnic I třídy (úroveň porušení D0 a D1) v rozmezí 150 450 mm. Horní vrstva pak musí splnit min CBR 15% 18
Zkouška CBR CBR bez přidání vápna na zkoušeném materiálu při vlhkosti w opt + 3% PENETRACE 2.5 mm = 4 % CBR 5.0 mm = 4 % CBR CBR s 1% vápna na zkoušeném materiálu při vlhkosti w opt + 3% PENETRACE 2.5 mm = 17 % CBR 5.0 mm = 16 % CBR 19
(Geostar) 40 30 CBR (%) 20 10 přídavek vápna (2%) 0 před saturací po saturaci bez aditiv Graf závislosti hodnot CBR (%) na množství přidaného vápna (bez vápna a 20 přídavek vápna 2%) před saturací a po saturaci na zemině typu F6
CBR v závislosti na přirozené vlhkosti a dávce vápna (Geostar) 21
PS Objemová hmotnost sušiny (kgm-3) 1650 1640 1630 1620 1610 1600 1590 1580 1570 1560 1550 1540 1530 16 17 18 19 20 21 22 23 vlhkost % 22 Slide 21
Zlepšování zemin Stabilizace VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 23
1800 max. objem. hmotnost 1760 1720 0% 1% 2% 3% 1680 17,2 17,4 17,6 17,8 18 18,2 18,4 18,6 w opt Body grafu jsou výsledky zkoušky Proctor standard (body vrcholu křivek) na zemině typu F6 a odráží závislost optimální vlhkosti (w opt %), maximální objemové hmotnosti a množství přidaného vápna (0%; 1%; 2%; 3%). (ing. Hauser Geostar) 24
Dávkování vápna do násypu v závislosti na zjištěné vlhkosti (Geostar) 2 dávkování vápna v % 1,5 1 0,5 0 23 24 25 26 27 28 naměřená přirozená vlhkost v % 25
Nejdůležitější faktory ovlivňující kvalitu úpravy zemin Kvalitní příprava v laboratoři Kvalitní pojivo!!! Kvalitní mechanizmy při úpravě Kvalitní dohled nad kvalitou prací 26
Křivky reaktivity vápna (zkoušky GEOSTAR) 28 T [ C] 24 vápno A vápno B vápno C 20 0 1 2 3 4 5 7 10 15 20 30 40 50 60 čas [min] 27
Nárůst hodnot CBR před saturací na zemině F6 v závislosti na kvalitě použitého vápna 40 35 CBR % 30 25 20 15 10 5 0 0% 1% 2% 3% přídavek vápna bez aditiva vápno A vápno B vápno C 28
Nárůst hodnot CBR po saturaci na zemině F6 v závislosti na kvalitě použitého vápna 60 50 CBR % 40 30 20 10 0 0% 1% 2% 3% přídavek vápna bez aditiva vápno A vápno B vápno C 29
Zlepšování zemin Stabilizace Zkouška CBR, porovnání zeminy bez CaO Zkouška CBR, porovnání zeminy s 1 % CaO VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča 30
Vlastnosti zeminy ovlivňující úpravu vápnem zrnitost: D max ovlivňuje výběr mechanizace < 0,08mm ovlivňuje výběr pojiva obsah jílových minerálů (I p,) čím vyšší, tím je vhodnější úprava vápnem obsah chemických sloučenin: organické látky. Zvyšují spotřebu vápna, část je nutná na neutralizaci kyselého prostředí v zemině. fosfáty a dusičnany. Zabraňují nebo zpomalují hydraulickou reakci. Přítomnost pouze v místech, kde se používá hnojení. sloučeniny chloru. Urychlují vytvrzování avšak mohou způsobit objemové změny (bobtnání) při vytvoření chloraluminátů. sírany a sirníky. Jsou to složky, které se mohou nejčastěji vyskytnout v zemině (sádrovec, pyrit), v recyklované stavební suti. Velmi negativně ovlivňují úpravu zemin vápnem. Při pokračujícím příjmu vody se sírany (sirníky) dojde k vytváření ettringitu 31
Provádění Zlepšování zemin zahrnuje tyto operace: příprava pracovního úseku nadávkování pojiva samojízdným MMM1 dávkovačem smísení zeminy s pojivem (nejčastěji zemní frézou ) Úprava při případné nedostatečné vlhkosti směsi -dovlhčení vodou (pojízdná cisterna) a opětné MMM2 promísení zemní frézou, srovnání povrchu úpravy zhutnění zlepšené vrstvy 32
Snímek 32 MMM1 MMM2 tj. odkop a srovnání zeminy mechanizmy, případně návoz a rozprostření zemin do patřičných nivelit a sklonů pláně Mgr. Marek Matula; 19.2.2004 dosáhnutí homogenizace vlhkosti ve zlepšované vrstvě Mgr. Marek Matula; 19.2.2004
Schéma mísení zeminy frézou 33
Použití zlepšení a stabilizace zemin Aktivní zóna zlepšení Konstrukční vrstvy vozovky stabilizace zlepšení Původní terén zlepšení Zemní těleso násypu 34
Chyby při aplikacích vápna Nejsou provedeny průkazní zkoušky zeminy s vápnem. Investor se někdy bohužel spokojí s tím, že v blízké lokalitě nebo s podobnou zeminou bylo zlepšení úspěšné Špatné dávkování vápna tj nesprávně nastavený dávkovač podcenění významu vlhkosti zeminy Dávkování špatného či nekvalitního vápna nahydratovaného (delší skladování) nekvalitního, tj. vápna se špatnými parametry ( často při snaze ušetřit peníze) Použití neúčinných mechanismů k promísení se zeminou. Nedostatečná kontrola u dodavatele či investora 35
Na co je tedy nutné se soustředit? Je nutné vždy připravit recepturu, často se pak vyplatí udělat zkoušky sycené upravené zeminy i tam, kde se nejedná o aktivní zónu vozovek Pokud se dodavatel rozhodne, že použije jiné pojivo, musí jej vyzkoušet alespoň v laboratorních podmínkách, jak se toto pojivo bude chovat oproti původně zvažovanému Má-li úprava přečkat zimní období, je potřebné podle účelu provést taková opatření, která eliminují nepříznivé vlivy změny vlhkostí společně se zamrzáním a rozmrzáním. Při závěrech laboratorních zkoušek - receptur- u zemin s hrubší frakcí je nutné vzít do úvahy, že zkoušky jsou realizovány na zemině s jinou křivkou zrnitosti a přizpůsobit dávkování i podílu zeminy, odstraněné před zkouškou U úpravy zemin vápnem neplatí raději více vápna ale vápno co nejpřesněji nadávkovat podle receptury 36
Postup při přípravě a realizaci zlepšení Předběžný IG průzkum podle indexových zkoušek lze označit zeminy vhodné ke zlepšení Podrobný IG průzkum pomocí zkoušek MZ (CBR, PS, dále podle potřeby např. smyk, edometr) prokáže vhodnost zlepšení pro různé dávkování pojiva průkazní zkoušky Příprava stavby (příp. doplňkový průzkum) ověří shodu vlastností zemin pro zlepšení Hutnící pokus stanoví postup míchání (pojezdy frézy), hutnění (pojezdy válce) a vhodnost kontrolních zkoušek Stavba a investor kontrolují potřebné parametry pojiva, zlepšovaných zemin a hotové úpravy 37