POZEMNÍ STAVITELSTVÍ I Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice
Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
KAPITOLA 7: ZÁKLADY III.
LEGENDA KLÍČOVÉ POJMY Pilota, výpažnice, šachtový pilíř, keson. CÍLE KAPITOLY získat přehled o hlubinném zakládání ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 10 hodin
ZÁKLADY HLUBINNÉ Hlubinné základy jsou vhodné tehdy, je-li únosná základová zemina ve větší hloubce a plošné základy by nebylo ekonomicky, nebo vůbec možno realizovat. Podstatou hlubinného zakládání je přenést zatížení stavbou pomocí železobetonového základového překladu nebo bloku do sloupů nebo pilířů (pilot, studní, šachtových pilířů apod.), které jsou vetknuty do únosné zeminy nebo jsou o únosnou zeminu opřené. V některých případech, kdy na úroveň únosné zeminy nelze z ekonomických nebo provozních důvodů sloup opřít, se zřizují tzv. piloty plovoucí, které zatížení stavbou předávají zemině třením mezi pláštěm a zeminou (jejich povrch nesmí být hladký).
Pilotu charakterizujeme jako stavební základový prutový prvek, který přenáší zatížení ze stavby na základovou půdu do hloubky. Pilotové základy jsou nejrozšířenějším druhem hlubinného zakládání. Volí se v případě, že únosná zemina je hluboko pod povrchem území popř. nedosažitelná. Piloty je možno uvažovat jako sloupové prvky čtvercového nebo kruhového průřezu, které přenášejí zatížení základových pásů nebo patek. Podle způsobu přenášení zatížení do únosné zeminy může být pilota: opřená prochází neúnosnou zeminou a opírá se o únosné podloží vetknutá nese zároveň odporem špičky i třením na plášti plovoucí nachází se celou délkou v méně únosné zemině, do níž přenáší zatížení pouze třením po celé ploše pláště Rozeznáváme piloty: osamělé jsou daleko od sebe a staticky se vzájemně neovlivňují skupinové staticky se ovlivňují posuzují se jako celek. Piloty jsou normálně namáhány na tlak. Mohou však být ve zvláštních případech namáhány na tah, ohyb nebo vzpěr.
Podle materiálu se piloty dělí na: a) dřevěné používají se až do délky 10 m, ale hodí se jen tam, kde jsou trvale pod vodou proto se dnes téměř nepoužívají b) železobetonové železobetonové jsou namáhány rázem při beranění, tlakem po zatížení stavbou a ohybem při dopravě. Používají se do hloubky 10 až 15 m; c) ocelové vhodné nosníky I, kolejnice, trouby. Beraní se mnohem snadněji než dřevěné či železobetonové piloty; d) předrážené jsou betonové sloupy, které se betonují do dutiny předražené do zeminy. Jsou jedním druhem pilot hotovených až v zemině; další druhy jsou piloty výpažnicové a vrtané. Používají se hlavně tam, kde únosnost železobetonových pilot nestačí a kde je třeba zhutnit podloží. Ve srovnání se železobetonovými pilotami není třeba čekat na tvrdnutí prefabrikátů, nemusí se hledat vhodné místo pro výrobu pilot a není nutno znát předem délku pilot. e) výpažnicové sestávají z tenké výpažnice, která se razí do zeminy pomocí vloženého jádra a pak se v zemině ponechá a zabetonuje. Ponechaná výpažnice chrání beton, pokud je měkký před vniknutím zeminy a agresívní vody. Výpažnice ale pilotu prodražuje, a proto musí být co nejlehčí. Pak ovšem nelze beranit údery na vršek a z toho důvodu se beraní údery na jádro vložené do výpažnice. Výpažnicové piloty se hodí zejména do měkkého jílu pro piloty délky asi do 25 m; f) vrtané jsou vhodné především v blízkosti a uvnitř budov, kde by škodily otřesy od beranění. Mezi vrtané piloty se obvykle řadí piloty průměru do 600 mm, kdežto piloty většího průměru, které jsou průlezné, se zařazují do šachtových pilířů; g) speciální jsou např. zatlačované používají se pro podchycování budov. Zatlačované piloty se skládají z krátkých kusů, které se postupně zatlačují do zeminy hydraulickým lisem. Průměr se volí min. 360 mm, aby bylo možno z trouby vybrat vniklou zeminu a tím zmenšit tření pilot při zatlačování. Jednotlivé kusy délky min.1,5 m se spojují na závit. Po zatlačení se trouba vybetonuje.
OPŘENÉ PILOTY PLOVOUCÍ PILOTY
Rozmístění pilot závisí na zatížení a jejich únosnosti, dle dělení podle vzájemného působení: Osamělé piloty - piloty se vzájemně staticky neovlivňují, osová vzdálenost je přibližně 6d Skupinové piloty - piloty se vzájemně staticky ovlivňují a posuzují se jako celek Rozmístění pilot může být čtvercové, obdélníkové či diagonální Min. vzdálenost opřených pilot je 2,5 d. Hranice je 700 mm. Rozmístění je ve čtvercové nebo obdélníkové síti, popř. i diagonálně.
Zatížení na piloty se přenáší ze základových pasů, zdí a z patek sloupů.
Svislé piloty jsou namáhány tahem, např. zachycují-li vztlak, šikmé piloty pak, zachycují-li vodorovné zatížení. Na ohyb jsou namáhány svislé piloty vystavené vodorovnému zatížení. Na vzpěr jsou namáhány piloty zatížené tlakem, tvořící součást vysokého roštu nebo tenké ocelové piloty procházející měkkým jílem a opírající se o skálu. Podle přenášení zatížení na základovou půdu lze piloty dělit na: Piloty tlakové - piloty působí jako opřené, vetknuté nebo plovoucí. Opřené piloty přenášejí zatížení špičkou, kterou se opírají o únosné podloží, piloty vetknuté přenášejí zatížení špičkou vetknutou do únosné půdy a třením na plášti, piloty plovoucí přenášejí zatížení převážně třením v celé ploše. Piloty tahové Piloty namáhané ohybem Různé způsoby přenosu zatížení pomocí pilot
Piloty lze provádět mnoha způsoby, ty nejznámější jsou: Piloty beraněné (předem připravené, vháněné) Piloty předrážené (prováděné na místě) Piloty vrtané (prováděné na místě) Piloty beraněné - tato technologie se používá u dřevěných (do délky 10 m, při průměru d=300-400 mm), ocelových a ŽB prefabrikovaných pilot (hlava piloty se chrání čepcem (botkou)proti rozbití), které se do země zarážejí beraněním. Ukázka železobetonové (vlevo) a dřevěné piloty s ocelovou špicí (vpravo)
Na dřevěné piloty se smí použít jen zdravé, odkorněné dřevo (nejlépe borové nebo dubové) opatřené hloubkovou impregnací. Tloušťka dolního čela nosných pilot je min.250 mm, sbíhavost činí u jehličnatého dřeva činí 0,6 1,5 cm / 1 m délky. Piloty železobetonové jsou nejčastěji čtvercového průřezu, a to min.průřezu 300 x 300 mm do délky 8 až 10 m, při větší délce 350 x 350 mm. Výztuž čtvercových pilot bývá silnější než u sloupů (pruty průměru 16 24 mm), protože musí vzdorovat kromě tlaku také ohybu. Zaberaněním ocelových pilot tvaru I se zemina mezi přírubami zhutní a pak nesou piloty odporem špičky v ploše rovné opsanému obdélníku třením, které se uplatňuje jen na plášti opsaného hranolu. Po doražení se hlava pilot odřízne a navaří se na ně tlusté plechy s otvory, které usnadňují podlití. Po doražení na tvrdou horninu se na patu navařují válcové nástavce, jejichž účelem je vytlouci jamku do skály. Ocelové piloty : a) nosníky b) tlustostěnné trouby opřené o skálu
Piloty předrážené a výpažnicové - hlavní použití je u železobetonových monolitických pilot. Provádí se pomocí beranice, betonové zátky a beranidla, kterým piloty vyhloubíme a následně vybetonujeme. Patří sem piloty vetknuté i plovoucí. Kratší piloty (3-6 m dlouhé) se betonují do dutiny vyražené jádrem (matricí), to jest dřevěnou, mírně konickou pilotou o Ø 300-400 mm nebo se piloty betonují do ocelové výpažnice Ø 300-500 mm při jejím současném povytahování (typ B např. Franki). Postup provádění předražených pilot: a) předrážení dutiny b) vytloukání paty c) pěchování piloty d) hotová pilota
Předrážené piloty lze řešit systémovým řešením FRANKI. Výhoda tohoto systému spočívá ve větší únosnosti piloty v důsledku rozšíření paty piloty a třením o nerovný plášť piloty. Postup prací je následující: Výpažnice uzavřená betonovou zátkou se beraní do země. Po dosažení únosného podloží vsypeme do výpažnice cca 1 m betonové směsi. Výpažnici zavěsíme na lana a beranidlem vyrazíme zátku a udusáme ji - vznikne pata piloty. Pilotu betonujeme za současného vytahování výpažnice (výpažnice musí být vždy ponořená alespoň 1 m v betonové směsi) Po vybetonování necháme beton uzrát. Podobným řešením je i systém SIMPLEX, provádí se obdobně jako předchozí, jen místo betonové zátky se používá litinové botky. Postup provádění - systém Simplex (uzavírací zátka)
U systému Benoto (varianta 2) je dokonale fixovaná výpažnice průměru 0,6 1,0 m hydraulicky zatlačována při současném pootáčení. Z výpažnice je drapákovým zařízením zemina zvedána a šikmým výsypníkem přímo nakládána k odvozu. a) spouštění výpažnice b) zvedání výkopku drapákem c) zvedání výkopku d) vybetonovaný pilíř
Piloty vrtané - této technologie se používá při zakládání na hranici souseda a ve stísněných podmínkách. Provádí se buď na sucho pomocí vrtáku nebo pomocí šnekového vrtáku s výplachem. Jako pažení se používá ocelová výpažnice nebo bentonitová suspenze. Mají buď stejný průměr po celé délce, nebo se směrem k patě zužují nebo jsou v patě a v hlavě rozšířeny. Nejmenší průměr vrtaných pilot je 0,25 m. Samostatnou skupinou jsou tzv. mikropiloty, které se využívají pro podchycení stávajících základů, v omezených prostorech. Vrty se paží bentonitovou suspenzí, pak se zasune ocelová trubka, kterou se vhání cementová kaše a kolem trubky se vytvoří dřík. Po jeho zatuhnutí proinjektováním zeminy v dolní části se vytvoří vysoce únosná patka. Při provádění piloty se porovnávají inženýrsko geologické poměry zjištěné při hloubení vrtu nebo vhánění piloty s výsledkem inženýrsko geologického průzkumu, který byl podkladem projektové dokumentace. Zjišťuje se zejména složení a vrstvení zeminy po celé délce prováděné piloty a druh základové půdy v její patě. Nastanou-li při provádění pilotáže odlišné skutečnosti od předpokladu průzkumu, vypracuje se další postup (mezi investorem, dodavatelem a projektantem). Kontrola pilot při realizaci pilot se vztahuje na: Geologické složení v okolí piloty Postup hloubení otvoru pro pilotu nebo postup vhánění piloty Betonování dříku piloty Hotovou pilotu
Ukázka konstrukce mikropilot Ve zvodnělé zemině je třeba před betonováním odstranit vodu z vrtu stlačeným vzduchem. Do vrtu se vloží výztuž, pak se výpažnice uzavře čapkou a stlačeným vzduchem se z vrtu vypudí voda.
7.2. ŠACHTOVÉ PILÍŘE A PODZEMNÍ STĚNY Šachtové pilíře jsou hranolovité nebo válcovité betonové pilíře velkého průřezu, betonované do šachet nebo vrtů, které podpírají plošné základy. Válcovité pilíře se obvykle vrtají a nazývají se také širokoprůměrové piloty (od průměru 600 do 2000 mm). Šachtové pilíře jsou buď kopané nebo vrtané. Používají se do hloubky až 4 m, do které pilotování není ekonomické a při hloubce přes 4 m pro přenášení většího zatížení. Při větších stavbách se používají jen pilíře vrtané. Kopané šachtové pilíře jsou vhodné v zeminách suchých nebo s malým průsakem vody. Podzemní stěny jsou betonové stěny tloušťky 400 až 1500 mm, které se budují do hloubky až 78 m (hráz Sesquilla v Kolumbii). Bagrováním nebo vrtáním se hloubí rýha, která se vyplňuje bentonitovým výplachem, aby ji nebylo třeba pažit. Po vyhloubení se výplach vytlačuje z rýhy stejným postupem jako se betonuje pod vodou a rýha se zabetonuje. Šachtové pilíře a podzemní stěny: a) šachtový pilíř, b) podzemní stěna
7.3. ZÁKLADOVÉ STUDNY Postup montáže základové studny : a) osazení studně b) spouštění a nastavení studně c) dosažení únosné zeminy d) vybetonování studně
7.3. ZÁKLADOVÉ STUDNY Základové studny jsou dutá válcová nebo hranolová dutá tělesa, dole i nahoře otevřená, která jsou zhotovena ze železobetonu. Studně se používají při zakládání pod hladinou vody a při zakládání ve zvodnělých zeminách. Postup provádění začíná od pláště, ten se po částech betonuje na povrchu stavební jámy a do zemně se spouštějí podhrabáváním (klesá vlastní tíhou). Po dosažení únosné vrstvy se dno zabetonuje a vnitřní část studně vyplní pískem, který se zhutní. Na takto vzniklé studni se poté zhotoví klasický plošný základ. Ukázka konstrukce základové studny napojení studně na železobetonový roznášecí pás Tvar studně ve svislém řezu: a) svislá vnější stěna, b) dosedací plocha bez břitu, c) plechový břit
7.4. KESONY Kesony jsou dutá tělesa uzavřená stropem, ze kterých se stlačeným vzduchem vytlačuje voda. K vytlačení vody je zapotřebí, aby se dosáhlo u břitu kesonu přetlaku rovného tlaku zvenku. Do kesonu pak mohou vstoupit pracovníci, kteří těží zeminu a tím keson podhrabávají, takže keson klesá vlastní tíhou. Po klesnutí do žádané hloubky se vnitřek kesonu zabetonuje a keson tvoří hlubinný základ nadložní konstrukce.
LEGENDA STUDIJNÍ MATERIÁLY Základní literatura: WITZANY, J. a kol. Konstrukce pozemních staveb 20. 1. vyd. Praha: ČVUT, 2001. ISBN 80-01-02317-6. Doporučené studijní zdroje: NESTLE, H. a kol. Moderní stavitelství pro školu i praxi. Praha: Sobotáles, Praha, 2005. ISBN 80-86706-11-7. OTÁZKY A ÚKOLY 1) Dělení pilot podle způsobu přenášení zatížení (popis a schémata) a podle materiálu. 2) Jakým způsobem mohou být piloty namáhány (schémata) a kde se jednotlivé typy namáhání mohou vyskytovat 3) Vysvětlete na schématech princip zakládání na studních včetně technologického postupu
LEGENDA KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad. Použitá literatura HÁJEK, P. a kol. Konstrukce pozemních staveb 1. Nosné konstrukce I. 3. vyd. Praha: ČVUT, 2007. ISBN 978-80-01-03589-4. HANÁK, M. Pozemní stavitelství: cvičení I. 6. přeprac. vyd. Praha: ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03267-1. NESTLE, H. a kol. Moderní stavitelství pro školu i praxi. Praha: Sobotáles, Praha, 2005. ISBN:80-86706-11-7. LORENZ, K. Nosné konstrukce I. Základy navrhování nosných konstrukcí. 1. vyd. Praha: ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03168-3. MATOUŠOVÁ, D., SOLAŘ, J., Pozemní stavitelství I. 1. vyd. Ostrava: VŠB TU, 2005. ISBN 80-248-0830-7. Doc. Ing. Václav Kupilík, CSc. a Ing. Karel Sedláček, PhD. skripta Pozemní stavitelství I