Geobunková štruktúra ako prvok plošného zakladania

V závislosti na kvalite podložia a veľkosti predpokladaného vertikálneho, alebo horizontálneho pretvorenia konštrukcie a v závislosti na predpokladanom časovom priebehu sadania možno vo všeobecnosti navrhnúť založenie násypov pomocou geosyntetiky tromi spôsobmi:

1. roznášací vankúš zo stabilizačných geomreží: zrovnomerňuje sadanie, ale viac-menej neredukuje jeho absolútnu veľkosť;
2. geobunková štruktúra: zrovnomerňuje sadanie a redukuje maximálnu hodnotu deformácie na približne polovicu oproti riešeniu klasickým spôsobom;
3. LTP platforma: ide o kombináciu vystuženého roznášacieho vankúša s pilótami, ktoré plne kontrolujú sadanie; táto aplikácia sa najčastejšie uplatňuje v miestach rozdielneho založenia objektov (prechodové oblasti mostov).

Plošné založenie násypu pomocou geobunkovej štruktúry

Čoraz častejšie sa stretávame s nutnosťou realizovať násyp na veľmi neúnosnom, nehomogénnom podloží s vysokou hladinou podzemnej vody. Trasa novo budovanej komunikácie často prechádza cez miesta bývalých rybníkov, skládok odpadov alebo priemyselných areálov, kde sa predpokladá značne nerovnomerné sadanie konštrukcie. Hlavnou riešenou problematikou je tak v tomto prípade zabezpečenie rovnomerného priebehu najmä postkonštrukčného sadania konštrukcie a zároveň umožnenie čo najrýchlejšej výstavby. Spoľahlivým, ale často veľmi nákladným alebo dokonca nerealizovateľným riešením je nahradenie nekvalitnej zeminy vhodným materiálom, prípadne aplikácia prvkov špeciálneho zakladania. K bežným technológiám patria pilóty, či už vŕtané alebo razené, k moderným technológiám patria štrkové pilóty, hĺbkové zlepšenie vápnom alebo cementom a iné. Alternatívou k týmto technológiám je výstavba násypu na systéme geobunkovej štruktúry (geobunkový matrac).

Geobunková štruktúra

Geobunková štruktúra vytvára pod násypom tuhú základovú plošinu (zvyčajne vysokú 1 m), ktorá zmierňuje účinky nerovnomerného sadania, obmedzuje horizontálne deformácie v podloží, zvyšuje únosnosť základovej pôdy na dosiahnutie väčšej stability a umožňuje rýchlejšiu výstavbu. Medzi sekundárne výhody geobunkovej štruktúry patria:

• vytvorenie pracovnej plošiny, ktorá umožní prístup na stavenisko,
• vytvorenie plošnej drenáže prerušujúcej kapilárnu vzlínavosť a oddeľujúcej násyp od účinkov spodnej vody,
• zvýšenie stability svahov, pretože dochádza k napriameniu potencionálnej šmykovej plochy prechádzajúcej geobunkovou štruktúrou.

Filozofia metódy navrhovania

Návrh geobunkovej štruktúry sa vykonáva v súlade s britskými normami BS 8006-1:2010+A1:2016 Code of practice for reinforced/refforced soils and other fills. Z konštrukčného hľadiska je geobunková štruktúra kompozitná zeminová doska, tvorená vertikálne orientovanými pásmi výstužných geomreží, horizontálnymi stabilizačnými geomrežami a vyplnená kamenivom. Podľa doterajšieho výskumu a skúseností z výstavby sa používajú zásadne tuhé monolitické geomreže, ktoré sa vzájomne spájajú do jedného z dvoch pôdorysných rastrov (Chevron nebo Diamond).

 

Rastr Chevron a Diamond

Ide o modernú metódu zakladania násypov na mäkkom podloží, ktorého hrúbka je vo vzťahu k šírke násypu v päte "relatívne malá". Použiteľnosť metódy je obmedzená týmito faktormi:

• limitný pomer L3/d ≥ 4 podľa normy BS 8006-1, kde L3 predstavuje šírku štruktúry a d hrúbku mäkkej vrstvy,
• pod mäkkou vrstvou sa musí nachádzať únosné podložie (spravidla štrky, piesky).

Za týchto podmienok sa vychádza z teórie lisovania kovov medzi dvoma tuhými, hrubými a rovnobežnými povrchmi, ktorá bola na začiatku 80. rokov 20. storočia podrobne analyzovaná rôznymi autormi (Prandtl, Johnson, Mellor). Hľadanie analógie medzi stláčaním kovov a mäkkej vrstvy viedlo k vytvoreniu návrhovej metodiky.

Analógia s teóriou lisovania kovov

Medzná plastická únosnosť podložia

Pri návrhu sa predpokladá, že mäkká vrstva je kritické miesto konštrukcie. Pri výstavbe násypu dochádza ku plastizovaniu mäkkej vrstvy, postupne vznikajúce polia napätia sa pohybujú smerom k ose násypu.

Vývoj poľa napätia (zdroj: BS 8006-1: 2010): 1 - násyp, 2 - geobunková štruktúra, 3 - mäkká vrstva, 4 – pole napätia

Po dosiahnutí kritického namáhania sa polia napätí stretnú a mäkká vrstva plne splastizuje, až kým sa zemina neporuší. Pri ďalšom zvyšovaní namáhania už dochádza k vytláčaniu mäkkej vrstvy do strán. Geobunková štruktúra je vďaka svojej tuhej štruktúre schopná plne mobilizovať únosnosť podložia v plastických zónach. Medzný odpor R takéhoto systému je daný plochou napäťového diagramu, ktorý sa skladá z troch častí:

• konštantná časť veľkosti 5,71cu z vejárového poľa plastických plôch a z únosnosti podložia podľa Terzaghiho pre neodvodnené podmienky,
• lineárna časť ohraničená bodom, v ktorom sa kritická šmyková plocha dotýka štruktúry, pričom poloha kritickej šmykovej plochy je daná pomerom L3/d,
• konštantná časť „priemerného napätia“ pod štruktúrou s prírastkom 1cu.

Pri porovnaní odporu R a namáhaní z polovice násypu Q (symetrická úloha) je možné určiť minimálnu nutnú pevnosť podložia cu, min tak, aby práve došlo k vyčerpaniu únosnosti. Pre skutočnú pevnosť podložia cu musí byť splnená podmienka únosnosti cu ≥ cu, min.

 

Napäťový diagram únosnosti štruktúry (zdroj: BS 8006-1: 2010): 1 - násyp, 2 - geobunková štruktúra, 5, 6, 8 – vychádza z  geometrie šmykových polí, 7 - priemerné napätie pod geobunkovou štruktúrou

Stav napätosti v geobunkovej štruktúre

Okrem pevnosti podložia je nutné navrhnúť dimenzie geobunkovej štruktúry. Všeobecne sú celkové dimenzie geobunkovej štruktúry závislé na vlastnostiach zemín v podloží a na type zásypového materiálu. Pri posudzovaní dimenzií jednotlivých prvkov geobunkovej štruktúry (stena, základňa a diagonála) sa vychádza z mobilizovanej únosnosti zemín v podloží a z určenia maximálneho horizontálneho napätia pôsobiaceho na modulovú radu geobunky, pričom návrh vychádza z okrajovej podmienky τ = cu. Z napätosti na elemente zásypu a pomocou Mohrovho zobrazenia sa zo zvislého napätia σn určí vodorovné napätie σh v štruktúre ako σh = σn – 2χ. Vodorovné napätie σh, šmyková pevnosť zásypu ϕ´, usporiadanie geomreží v rámci zvoleného rastru a výška štruktúry sú potom rozhodujúcimi faktormi pre stanovenie minimálnej pevnosti výstužných geomreží.

Mohrovo zobrazenie napätosti v štruktúre

Príklady stavieb

Sanácia železničného násypu pri Holubiciach (1997)

Po daždivom období v roku 1997 došlo na úseku násypu železničnej trate Brno-Přerov v blízkosti železničnej stanice Holubice k opakovanému porušeniu násypu, vedúcemu k finálnemu kolapsu konštrukcie. Preto sa pristúpilo k oprave vo forme kompletnej rekonštrukcie postihnutej časti. Výsledným riešením bol sendvičový násyp založený na geobunkovej štruktúre. Prieskum postihnutej oblasti potvrdil, že pod násypom sa vytvorila mäkká a zvodnelá vrstva, ktorá sa vytláča mimo oblasť násypu. Násyp bol odstránený spolu s najproblematickejšou časťou podložia. S cieľom zvýšiť únosnosť podložia bola vybudovaná geobunková štruktúra z tuhých geomreží, ktorá presahovala pätu násypu tak aby sa dosiahlo na okraj zvodnelej oblasti. Na oddelenie zvodnelej zeminy a kvalitného kameniva v geobunkách sa použila separačná geotextília.

 

Sanácia železničného násypu pri Holubiciach (1997)

Založenie novo budovaného násypu rekonštruovanej cesty II/405 Příseka – Brtnice (2010)

V rámci rekonštrukcie cesty II/405 prechádzala trasa plánovanej komunikácie miesta bývalých rybníkov a riečnych korýt. V týchto úsekoch sa navrhlo založenie násypu na geobunkovej štruktúre. Pri návrhu rozmerov štruktúry sa vychádzalo zo skúseností zo zahraničných realizácií, kde sa podobné problémy úspešne riešili realizáciou geobunelovej štruktúry. Takto vytvorená trojrozmerná kvázi homogénna základová štruktúra v konštrukcii zabezpečuje, že sa v násype neprejavujú rozdielne vlastnosti podložia, pretože štruktúra prakticky eliminuje nerovnomerné sadanie a horizontálne posuny v podloží. Z výsledkov meraní na dokončenej konštrukcii vyplýva, že geobunková štruktúra tu umožnila znížiť veľkosť predpokladaných deformácií násypov o 45 % a umožnila rýchlu výstavbu násypu v súlade s plánovaným harmonogramom výstavby.

 

Založenie novo budovaného násypu rekonštruovanej cesty II/405 Příseka – Brtnice (2010)

Založenie novo budovaného násypu obchvatu Nového Veselí (2019)

Navrhovaná komunikácia je súčasťou prestavby cesty II/353 Jihlava-Žďár nad Sázavou, ktorá má slúžiť na zlepšenie napojenia Jihlavy a Žďáru nad Sázavou na diaľnicu D1. Ide o novostavbu dvojpruhovej komunikácie v základnom šírkovom usporiadaní S 9,5/70, ktorá odvedie tranzitnú dopravu mimo zastavané územie dotknutých obcí v rozsahu podľa územnoplánovacej dokumentácie. V niektorých úsekoch je násyp komunikácie vedený v oblastiach s extrémne nízkou únosnosťou zemín v podloží. Pri návrhu konštrukcie geobunkovej štruktúry v týchto lokalitách sme vychádzali zo skúseností získaných pri výstavbe cesty II/405 Príseka-Brtnice, kde boli podobné podmienky.

 

Založenie novo budovaného násypu obchvatu Nového Veselí (2019)

Záver

Založenie násypu na mäkkom zvodnelom podloží môže často predstavovať zložitý geotechnický problém, kde tlak na časový plán výstavby, maximálne hodnoty sadania a stabilitu násypu často vedú k špeciálnym metódam hlbinného zakladania alebo hĺbkovému zlepšovaniu zemín. Geobunková štruktúra je alternatívou plošného založenia v miestach, kde je mocnosť mäkkého podložia vo vzťahu k šírke násypu v päte relatívne malá (do 1/4). Kombinácia výstužných geomreží a kameniva vytvára zemnú dosku, ktorá vďaka svojej tuhosti dokáže výrazne znížiť maximálne hodnoty sadania a zároveň dochádza k redistribúcii síl po šírke násypu, narovnáva sa krivka poklesovej kotliny a celý násyp sadá prakticky rovnomerne. Geobunková štruktúra zabraňuje prenikaniu šmykových plôch do mäkkého podložia, takže stabilitu svahu násypu ovplyvňujú len parametre zeminy použitej na jeho výstavbu.

---

Embankments foundation over weak soil using geocell structure

Nowadays it is quite common to use geosynthetic structures as an alternative to traditional ones. Foundation over weak soil using geocellular structures becomes fast, efficient and safe using geogrids, geotextiles or drainage geocomposites, replacing complicated geotechnical solutions that would otherwise be unavoidable.