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 4: VÝKOPY A ZEMNÍ PRÁCE
LEGENDA KLÍČOVÉ POJMY Druh zeminy, těžní třída, pórovitost zeminy, vlhkost zeminy, sondy, kapilární vzlínavost, součinitel vnitřního tření, pažení, stabilita svahů, poruchy násypu, objekty v zemních stavbách CÍLE KAPITOLY naučit se základní pojmy a principy, se kterými se setkáváme u výkopů a zemních prací. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 8 hodin
4.1. CHARAKTERISTIKA ZEMIN 4.1.1. Charakteristické druhy zemin Ornice neboli humus je nejhořejší, poměrně velmi tenká vrstva na povrchu země s rostlinnými a živočišnými zbytky. Před zahájením všech zemních prací se stahuje a ukládá stranou pro pozdější použití jako pohozu. Hlína je jílovitá zemina smíšená se značným množstvím křemenitého písku, se slídou, s vápenitými, železitými i organickými látkami. Obsahuje-li přes 40 % písku, označuje se jako hubená, při obsahu písku pod 40 % je to hlína mastná. Držíme-li v ruce hlínu mastnou, lepí se a drží pohromadě, kdežto hubená se nelepí a rozpadá. Patří sem hlíny cihlářské, ohnivzdorné a kaoliny. Jíly jsou usazeniny hlinito-křemičité, skládají se z 25 30 % jílovité zeminy a 65 70 % i více oxidu křemičitého. Jsou vždy velmi jemné, bez písku nebo smíšené s jemným pískem, značně koloidní a pro vodu celkem nepropustné. Vodou nabývají na objemu, vysycháním se smršťují. Zvláštním druhem jílu je bentonit, který je velmi jemný, takže má vlastnosti látek koloidních. Přijímá mnoho vody - až sedminásobek vlastní hmotnosti. Slín je jílovitá zemina obsahující 25 60 % uhličitanu vápenatého, hořečnatého i jiných. Slinité půdy mají sklon ke svážení, a proto jsou velmi nebezpečné. Letek je tavitelná hlína obsahující směs hlinitého nebo vápenitého jílu, písku a slídy. Obsahuje 10 40 % vápna. Vodu nepropouští, je o něco měkčí než jíl a v přírodě mívá břidličnatou strukturu. Do této skupiny náleží též lupek nebo jílovec, často obsahující uhlí. Spraš je jemný písčitý prach navátý větrem. Skládá se z vyššího obsahu vápenitých sloučenin a až z 50 % prachu, většinou křemičitého. Má proto menší tvárlivost než jíly a slíny. Spraš je žlutá až světlehnědá, takže bývá často zaměňovaná s hlínou. Mneme-li ji mezi prsty, je jemnější než hlína, poněvadž obsahuje zrnka písku menší než 0,1 mm. Nasává vodu a její propustnost pro vodu je velmi značná, protože je prostoupena vlasovými kanálky. Nepříjemnou vlastností spraše je její veliká vzlínavost: až 5 6 m nad hladinu spodní vody. Prohněteme-li ji však důkladně a řádně udusáme, je propustná pro vodu poměrně málo.
4.1.2. ROZDĚLENÍ ZEMIN Rozeznáváme 7 stupňů rozpojitelnosti a podle toho i 7 druhů hornin: Horniny sypké: většinou nesoudržné zeminy, které lze přímo, bez kopání nabírat lopatou a které se udržují ve výkopu obyčejně jen v mírném sklonu (kyprý písek, drobný neulehlý štěrk, prsť atd.); Horniny rypné: většinou soudržné zeminy, které lze rozpojovat rýčem nebo lopatou. Udržují se obvykle i v příkrých sklonech, např. ulehlý hlinitý písek, písčité hlíny, suť, rašelina, vláčný jíl apod. Horniny kopné: zpravidla velmi soudržné zeminy a horniny, které nelze rozpojovat bez krumpáče. Udržují se i ve sklonech skoro svislých (tuhé jíly a slíny, kamenitá ulehlá suť, ulehlý hrubý štěrk atd.) Horniny drobivé (úlomkovité): skály, které lze ještě odlomit krumpáči, ale při jejich rozpojování se neobejdeme bez ocelových klínů a sochorů. Sem patří měkké skály (pískovce, opuky, rozpukané a tence vrstevnaté horniny jílovité břidlice, rozpukané vápence apod. Horniny snadno trhatelné (lehké skály): skály, které se rozpojují zpravidla již trháním (trhavinami) např. pevné pískovce, vápence Horniny nesnadno trhatelné (střední skály): skály, které nelze rozpojit bez trhání. Sem patří pevné horniny v mohutných lavicích jako dolomity, droby, ruly,rozpukané horniny vyvřelé apod. Horniny velmi nesnadno trhatelné (skály těžké): skály velmi nesnadno rozpojitelné i trhavinami kompaktní křemence, rohovce, slepence s křemitým tmelem.
4.1.3. ROZDĚLENÍ A MECHANIKA ZEMIN Rozeznáváme 4 těžní třídy: Do 1. třídy patří horniny sypké a rypné, do 2. třídy zařazujeme horniny kopné a lehčí horniny drobivé do 3. třídy náleží pevné horniny drobivé, horniny snadno trhatelné a lehčí případy hornin nesnadno trhatelných do 4. třídy patří ostatní horniny nesnadno trhatelné a velmi nesnadno trhatelné. Zemina se skládá ze zrn pevné horniny, která jsou uložena tak, že mezi nimi zůstávají větší nebo menší prostory zvané póry. Poměr objemu pórů V p k celkovému objemu zeminy V nazýváme pórovitostí zeminy n *%+. Vlhkostí zeminy označujeme poměr váhového množství vody v zemině k hmotnosti suché části zeminy, a udáváme ji v % hmotnosti suché zeminy. U zemin soudržných, hlavně jílovitých a u jílů má obsah vody vliv na jejich konzistenci. Podle obsahu vody se mohou u zemin vyskytovat tyto stavy: tekutý, plastický, pevný a tvrdý.
4.1.4. PODROBNÝ PRŮZKUM ZEMIN Sondy mohou být: kopané: sondové jámy, rýhy a štoly, vrtané: vrtáky talířové, lžícové, dlátové, ventilové, nárazové s ventilem, jádrové
4.1.4. PODROBNÝ PRŮZKUM ZEMIN Výška kapilární vzlínavosti bývá udávána: u písků.0,03 0,1 m u hlinitých písků 0,5 2,0 m u hlíny..5,0 15,0 m Úhel vnitřního tření φ charakterizuje vnitřní tření v zeminách. Jeho příčinou je drsnost povrchu zemních částic, které se svými výstupky vzájemně zachycují. Součinitel vnitřního tření závisí na: velikosti a tvaru zrn, mineralogickém složení, vlhkosti a ulehlosti zeminy. Úhel přirozeného sklonu tvoří sklon boků volně nasypané zeminy s vodorovnou rovinou.
4.2. ZABEZPEČOVÁNÍ VÝKOPŮ Zabezpečování výkopů se provádí roubením. Roubení se skládá z pažin, které se kladou vodorovně svisle nebo šikmo. Pažiny rozpíráme napříč výkopu převázkami a rozpěrami či rozpěrnými rámy, popř. podpíráme vzpěrami. Pažení může být dřevěné nebo ocelové. Pažení lze rozdělit na: příložné, zátažné, hnané, záporové. Ocelové pažiny V soudržných zeminách není zpravidla nutné zabezpečovat stěny výkopu do hloubky cca 1,5 m, nezůstane-li delší dobu výkop otevřený, není-li v blízkosti jámy frekventovaný provoz s otřesy. V nesoudržných zeminách může dojít k jejich sesouvání již při hloubce cca 0,7 m. Vodorovné příložné pažení s vodorovnými pažinami se v soudržné zemině používá do hloubky 8 m. Svislým příložným pažením se paží rýhy do hloubky až 5 m. Šikmé příložné pažení v rýhách se šikmými stěnami.
4.2. ZABEZPEČOVÁNÍ VÝKOPŮ Šikmé příložné pažení: a) v rýze, b) ve stavební jámě Roubení jam s vodorovným pažením: a) zakládání budovy v proluce se zemním tlakem jen podél průčelí b) rozepření jámy se zemním tlakem ze všech stran
4.2. ZABEZPEČOVÁNÍ VÝKOPŮ Vodorovné řídké příložné pažení ve vyhloubené rýze Zabezpečení stěn stavební jámy příložným pažením s použitím: a) kotvících kleštin b) šikmých vzpěr
4.2. ZABEZPEČOVÁNÍ VÝKOPŮ Pažení má vyčnívat min.200 mm nad úroveň přilehlého terénu, aby vyhozený výkopek nepadal zpět. Svislé příložné pažení
4.2. ZABEZPEČOVÁNÍ VÝKOPŮ Zátažné pažení může být aplikováno jako: a) svislé, b) šikmé. Svislé zátažné pažení: a) v rýze hloubky do 4 m b) v rýze nebo jámě hloubky přes 4 m
4.2. ZABEZPEČOVÁNÍ VÝKOPŮ Šikmé zátažné pažení
4.2. ZABEZPEČOVÁNÍ VÝKOPŮ Hnané pažení je těžký druh pažení, který je vhodný jednak pro hluboké výkopy a tlačivé zeminy, jednak pro méně soudržné zvodnělé zeminy. Hnané pažení: a) v suché zemině b) pod hladinou podzemní vody
4.2. ZABEZPEČOVÁNÍ VÝKOPŮ Záporová pažení se používají od hloubky 5 až 8 m do cca 20 m. Zápory jsou nosníky průřezu I 300, vzdálené od sebe cca 2 m. Mezi zápory se postupně zatahují vodorovné pažiny tloušťky cca 100 mm. Záporové pažení s rozpěrami z jednoho kusu: a) příčný řez, b) zatahování pažiny, c) detail opření rozpěry o záporu
4.3. STABILITA SVAHŮ U sypkých zemin neprosáklých vodou bude svah v rovnováze, bude-li se úhel sklonu svahu α rovnat úhlu vnitřního tření φ. U písků nenasáklých vodou bývá úhel vnitřního tření φ = 30 až 38, čemuž odpovídá sklon svahu 1 : 1 1/4 až 1 : 1 3/4. V praxi děláme ovšem úhel sklonu svahů menší než je úhel vnitřního tření, abychom je zajistili proti svážení. Stabilita svahu
4.3. STABILITA SVAHŮ Na větších svazích je někdy třeba vytvořit pod násypy zdrsnění nebo zazubení. Stupně začínáme kopat u paty budoucího násypu a později na stupně již hotové. Stupně děláme zpravidla mírně skloněné ven, široké 1,0 m a tak vysoké, aby byl půdorys vodorovné i šikmé části stupně dohromady široký 2,0 m. Zazubení svahu
4.3. STABILITA SVAHŮ U násypů mohou nastat tyto případy: a) poruchy přímo v násypu, b) svážení násypů po podkladu, c) svážení násypů i s vrstvou základové půdy: při zatížení základové půdy, ve které jsou kluzné vrstvy rozmáčené vodou, těžkým násypem a) Poruchy přímo v násypu jsou ovlivňovány působením: vody: násypové boky jsou choulostivé na rozjetí, zejména při méně vhodné násypové zemině, mrazu: především u namrzavých zemin, horka a škůdců: objemovými změnami u soudržných zemin, popř. nadměrným množstvím hrabavých zvířat (krtků, myší atd.), kteří provrtáváním násypových těles umožňují zatékání vody Rozjetí sypané hráze
4.3. STABILITA SVAHŮ a) Poruchy přímo v násypu působením mrazu: Nebezpečí namrzání odstraníme úplně, odstraníme-li namrzavou zeminu až do hloubky namrzání, tj.cca do hloubky 0,80-1,0 m. Je-li hladina spodní vody dostatečně hluboko, je zde jen nebezpečí povrchové vody, kterou je nutno odvést a znemožnit jí prosakování do násypu.když je však hladina spodní vody vysoko, takže by mohla nastat kapilární vzlínavost, je možno vzlínání vody přerušit vložením dostatečně silné (přes 0,5 m) vrstvy z nenamrzavé zeminy (písek, oblázky). Vrstvě, která musí sahat až do nezamrzající hloubky, tj. asi do 0,80 1,0m, dáme příčný sklon 3-5 % (nebude však znečištěna zeminou např. rozvážením jiné zeminy). Ochranná vrstva proti vzlínání vody
4.3. STABILITA SVAHŮ b) Svážení násypů po podkladu: Je-li násyp na svahu a na jílovitém podkladu, může se svážet, pokud voda hromadící se nad násypovým tělesem vniká pod násyp a rozmáčí podklad, který se stává kluzkým. Tyto případy se vyskytují zřídka, poněvadž nebezpečí je již zřejmé při stavbě násypu. Proti sjíždění lze zabezpečit násyp zachycením a odvedením vody násypem buď příkopem nebo drenáží. Mnohdy je však zapotřebí uložit pod násypem drenáž a svah řádně odstupňovat. Svážení násypu po rozbředlém podkladu
4.3. STABILITA SVAHŮ Zachycení a odvedení vody trativody Zazubení a odvodnění svahu drenážemi
4.4. OBJEKTY V ZEMNÍCH STAVBÁCH Tyto objekty zahrnují: a) opěrné zdi, b) zárubní zdi, c) obkladní zdi a) Opěrné zdi: zhotovují se tam, kde je nutno zachytit násypové boky a kde není možno zhotovit svah v obvyklém sklonu pro nedostatek místa. Zdi mívají v příčném směru lichoběžníkový tvar se sklonem líce 1 : 1/5 až 1 : 1/6. Rubová plocha bývá obvykle svislá. Aby se za opěrnými zdmi neshromažďovala voda, nerozmáčela zeminu a tím nezvyšovala zemní tlak, musí být v opěrných zdech zřízeny odvodňovací otvory kruhového či čtvercového tvaru se stranou 100-150 mm. Jsou od sebe vzdáleny 5 10 m a v jedné řadě či několika řadách nad sebou, vzdálených od sebe 1,0-1,5 m. Nejnižší otvory mají být alespoň 200 mm nad terénem, aby se nezanášely. Za rubovou plochou zdí se utěsní až ke spodní hraně nejnižších otvorů jíl, abychom zabránili vnikání vody pod základy.
4.4. OBJEKTY V ZEMNÍCH STAVBÁCH Opěrná zeď Opěrná zeď s rubovou rovnaninou
4.4. OBJEKTY V ZEMNÍCH STAVBÁCH b) Zárubní zdi: budují se tam, kde je třeba zabezpečit výkopové svahy, tj. rostlou půdu. Jejich celkové uspořádání se podobá opěrným zdem, avšak jejich rozměry jsou menší. Sklon líce bývá 1 : 1/5 a rub je svislý. Zárubní zeď
4.4. OBJEKTY V ZEMNÍCH STAVBÁCH c) Obkladní zdi: provádějí se tam, kde je třeba zabezpečit výkopové svahy ve zvětralých skalách. Mají zabránit dalšímu zvětrávání a uvolňování kamenů. Jsou jen slabě dimenzovány, poněvadž nepřenášejí žádné tlaky, nýbrž jen chrání zvětralý svah, k němuž mají být těsně přizděny. Obkladní zeď
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) Jaké rozeznáváme stupně rozpojitelnosti zemin? 2) Jaké máme sondy pro průzkum zemin? 3) Co víte o opěrných, zárubních a obkladních zdech? KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad.
LEGENDA 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