Založenie mostných opôr z vystuženej zeminy

Posledným, a zatiaľ technicky najzložitejším objektom boli mostné opory diaľničných mostov na Slovensku na stavbe D1 v úseku Jánovce - Jablonov. Jedná sa o tri mostné objekty - dva jednopólové (SO 211-00a, SO 211-00b) a jeden viacpólový (SO 216). Jednopólové objekty sú súčasťou okružnej križovatky na krížení D1 s cestou II / 533 v úseku Levoča - Spišská Nová Ves. Viacpólový most potom prekračuje cestu I/18 vedenú hlbokým údolím v tesnom susedstve obce Spišský Hrhov. S ohľadom na pomerne dobré základové podmienky u viacpólového mosta a obmedzený rozsah článku sa v ďalšom texte budeme zaoberať problematikou objektov SO 211-00a a 211-00b.

Geologická skladba priestoru staveniska

Na geologickej stavbe lokality sa podieľajú hlavne kvartérne a paleogénne sedimenty. V kvartérnych zeminách dominujú fluviálne zeminy. Najzložitejšie základové podmienky boli zistené v oblasti pod oporou 211-00b, teda v blízkosti existujúceho Levočského potoka, ktorý v minulosti zrejme v danej lokalite rôzne meandroval, a tým ovplyvnil kvalitu zemín nachádzajúcich sa v podzákladí mostného objektu. Dominantné postavenie tu zaujímajú fluviálne sedimenty zastúpené nivnými ílmi triedy F6/CI, CL a hliny s premenlivým podielom ílovitej zložky a s vysokou úrovňou hladiny podzemnej vody v hĺbke cca 1,0 m pod existujúcim terénom, ktorá však v období výdatnejších dažďov kolíše a vystupuje prakticky do úrovne terénu.

Výpočet

Návrhová metodika

Postup výpočtu aj vlastný návrh konštrukcie opôr vo veľmi ťažkých podmienkach daných geologickými pomermi lokality aj mimoriadne vysokým zaťažením koncentrovaným na okraj vystuženého zemného bloku (mostné opory) nebol predmetom teoretických úvah, ale najmä výsledkom mnohoročnej skúsenosti získanej na iných mostných objektoch v minulých rokoch. Návrh vystuženého zemného bloku bol vykonaný v súlade s britskou návrhovú metodikou tieback Wedge. Kvazihomogénny zemný blok navrhnutý pomocou tejto metodiky bol následne podľa zásad STN EN 1997 posúdený na celkovú stabilitu konštrukcie pre medzný stav porušenia GEO/STR, tzn. dosiahnutie medzného stavu je spôsobené porušením (alebo nadmernou deformáciou základovej pôdy), v ktorom je šmyková pevnosť zeminy významná v poskytovaní odolnosti. Posúdenie bolo vykonané pomocou kruhovej aj polygonálnej šmykovej plochy, ktorá je pre prípad nehomogénneho prostredia vhodnejšia a lepšie vystihuje skutočný reálny mechanizmus poškodenia.

Deformačné správanie

Výpočet konsolidačnej analýzy a časového priebehu sadania bol vykonaný konštitutívnym modelovaním metódou konečných prvkov. Zastihnuté zeminy boli modelované pružne ideálne plastickým Mohr-Coulombovým materiálovým modelom, ktorý sa do medze plasticity chová pružne, a ďalej vznikajú plastické pretvorenia pri konštantnom napätí. Pre presnejšie modelovanie (pružne plastický model so spevnením, prípadne zmäkčením, hyperplastický model atď.) neboli stanovené zodpovedajúce geotechnické charakteristiky. Táto skutočnosť je všeobecne platná pre väčšinu posudzovaných geotechnických konštrukcií, kedy výstupy a rozsah vykonávaných inžiniersko-geologických prieskumov spravidla nereflektujú požiadavky na požadované výstupy statických posudkov.

Vlastný výpočet pomocou metódy konečných prvkov s aplikovaným pružne ideálne plastickým modelom reálne stanoví celkové hodnoty sadania konštrukcie na mäkkom podloží a jeho priebeh v čase, výrazne však nadhodnocuje vodorovné deformácie a tiež celkove deformačné správanie konštrukcie. Pre celkovú predikciu a určenie deformačného správania konštrukcie ako celku bolo teda nutné vypočítané hodnoty vodorovných deformácií empiricky upraviť. K tomuto boli využité bohaté skúsenosti a výsledky meraní z už realizovaných stavieb. Limitná hodnota maximálnej vodorovnej deformácie koruny oporných múrov bola stanovená statickým posúdením na 93 mm.

Návrh vystuženia

Rozloženie tuhosti vystužených prvkov po výške konštrukcie rešpektuje v návrhu požiadavku na deformačné správanie konštrukcie, kedy sa predpokladalo, že napätie vo výstuhách vyvodí ich pomerné dĺžkové pretvorenie max. na úrovni 0,5%. Táto hodnota pretvorenia vo výstuhách pre konštrukcie mostných opôr je v súlade s normatívnym ustanovením normy STN 73 3041, resp. BS 8006. Nad rámec statického výpočtu potom bolo určené vystuženie - v miestach zvýšenej koncentrácie napätia (oblasť pod úložnými prahmi) - doplnené o prídavné vystuženie zaisťujúce zachytenie extrémnych vodorovných síl a elimináciu vodorovných deformácií.

Konštrukcia opory

Vzhľadom na skutočnosť, že podložie bolo v najvrchnejšej vrstve tvorené prevažne fluviálnymi a povodňovými ílmi (triedy F6 / CI, CL) mäkkej až kašovitej konzistencie s vysokou hladinou spodnej vody, bola v oblasti mostných opôr navrhnutá plošná výmena zemín s nízkymi deformačnými charakteristikami a náhrada triedeným lomovým kameňom frakcie 0/200 mm. Mocnosť tejto úpravy bola určená hornou úrovňou fluviálnych štrkov, nachádzajúcej sa pod ílovitými zeminami, a pohybovala sa v rozmedzí 2,0 - 2,5 m. Koncepčné riešenie vlastnej opory predpokladalo zhotovenie oporných múrov pomocou technológie vystuženej zeminy s lícom tvoreným železobetónovými prefabrikovanými dielmi. Statická časť konštrukcie je zaistená pomocou geosyntetických výstužných prvkov, ktoré sú zatiahnuté do priľahlého násypového telesa na kotevnú dĺžku určenú statickým výpočtom. Osadenie úložného prahu na vystuženom zemnom telese je navrhnuté vo vzdialenosti 1,25 m od líca oporných múrov. Rohy oporných múrov boli navrhnuté v odstupe 400 mm od teoretického zalomenia tak, aby sa jednotlivé časti múrov mohli deformovať samostatne bez vzájomného ovplyvnenia. Zalomený roh sa po dokončení výstavby a po prebehnutí podstatnej časti deformácie zaistil pomocou obkladového gabiónového koša.

Výstavba

Pred začatím výstavby vlastných opôr bolo vykonané zlepšenie základových pomerov všetkých opôr oboch mostov. Pomerne plytká vrstva zvodnených jemnozrnných náplavových sedimentov bola vyťažená a nahradená kvalitnou štrkodrvou (obr. 1).

Obr. 1 Základové pomery

Práce prebiehali pod hladinou spodnej vody, čo sťažovalo nielen samotné práce, ale najmä kontrolu dna odťažených jám. Na upravenú základovú škáru v oblasti budúceho líca z betónových panelov bol vybetónovaný subtílny základový pás, ktorý slúžil pre osadenie základnej rady panelov. Tieto panely boli na zadnej strane vybavené horizontálnymi konzolami pre zabezpečenie stability bez nutnosti dodatočného podopierania (obr. 2).

Obr. 2 Pohľad na základnú radu panelov

Základové panely boli vykonané striedavo vo dvoch výškach. Po inštalácii výstužných geomreží a zásypu do úrovne nižších panelov pokračovala montáž ďalšími panelmi bez zadných konzol. Po dosiahnutí projektovanej výšky boli za lícom opory vybetónované mohutné úložné prahy (obr. 3), na ktoré boli následne osadené vysoké predpäté spínané betónové segmentové nosníky (obr. 4).

Obr. 3 Úložné prahy

Obr. 4 Segmentové nosníky

Po vytvorení záverných múrikov bol priľahlý násyp dosypaný na konečnú úroveň. Úložný prah zaťažený ťažkou betónovou nosnou konštrukciou spolu s násypom za uzatváracími múrikmi tak tvorí mimoriadne intenzívne zaťaženie veľmi blízko okraja opôr. Očakávané deformácie opôr boli hlavným kritériom návrhu a boli ďalej podrobne sledované.

 

Meranie

Pri všetkých mostných oporách bolo navrhnuté rozsiahle geodetické a geotechnické monitorovanie. Jednotlivé čiastkové merania v definovaných etapách boli priebežne vyhodnocované vzhľadom k predikovaným hodnotám. Súčasne bola vykonávaná priebežná korelácia vstupných modelov a bola spresňovaná predikcia výsledného správania konštrukcie, ktorá však v žiadnom sledovanom profile nepresiahla hodnoty stanovené projektom. U väčšiny meraní vykazuje odlišné správanie opora 10 objektu 211-00b. Tento stav je spôsobený situovaním opory do miest pôvodného koryta Levočského potoka, geologickými vplyvmi a odlišnou geometriou konštrukcie. Geotechnické sledovanie zahŕňalo meranie presnej inklinometrie a hydrostatické metódy sadania. Pre sledovanie stability podložia bol pri každej opore inštalovaný inklinometrický vrt dĺžky 15,0 m. Merania na inklinometrických vrtoch nevykazujú dotvarovanie vrstiev podložia vyššie ako 10 mm. Priebeh konsolidácie podložia vplyvom výstavby opôr a násypu bol sledovaný od počiatku výstavby celkovo na šiestich profiloch hydrostatickej nivelácie, umiestnených vo vzdialenosti 6,0, prípadne 17,0 m od líca oporných múrov. Dĺžka profilov bola potom premenná v závislosti na geometrii mostných opôr a pohybovala sa od 66 do 99 m.

V grafe na obr. 6 je zaznamenaný priebeh priemernej hodnoty sadania v jednotlivých profiloch pre strednú tretinu opory.

Obr. 6 Priemerné hodnoty sadania v jednotlivých profiloch pre strednú tretinu opory

Z výsledkov vyhodnotenia je zrejmé, že posledné merania vykazujú ustálenie rýchlostí sadania, a teda ustálenie konsolidácie násypu. Plnou farbou je znázornený čas, kedy prebiehala výstavba od úrovne zemnej pláne. Toto značenie je platné pre všetky uvedené grafy v článku. Geodetické merania boli uskutočnené na nivelačných značkách umiestnených na lícnych paneloch. Tieto merania stanovovali priebežné vodorovné a zvislé deformácie panelov a vystuženého bloku v dôležitých fázach výstavby a následne pravidelne v predpísanom časovom intervale. Ako počiatočné meranie pre vyhodnocovanie deformácií vzhľadom na predikované hodnoty bol uvažovaný stav, kedy boli opory zasypané do plnej výšky, teda do úrovne úložného prahu. Grafy na obr. 7 až 10 zobrazujú výsledky meraní profilu nachádzajúceho sa v osi jednotlivých mostov. Sadanie úložného prahu (graf na obr. 7) dosahovalo pre obe opory objektu 211-00a a oporu 00 objektu 211-00b obdobných hodnôt, kedy sa konečná hodnota podľa posledného merania ustaľuje na hodnote 45 mm. Odlišné správanie vykazuje opora 211-00b 10, kde konečná hodnota sadania dosahuje hodnoty dvojnásobné, teda 90 mm. Táto opora súčasne vykazuje aj vyššie vodorovné deformácie sledovaného profilu.

Obr. 7 Sadanie úložných prahov

Zvislé deformácie líca opôr (graf na obr. 8) sú pre jednotlivé opory rozdielne. Najnižších hodnôt dosahovalo sadanie líca na opore 211-00a 00, naopak najvyššie hodnoty boli namerané na opore 211-00b 10, a to cca 30 mm. Rozdielne správanie zodpovedá predovšetkým rozdielnym geologickým podmienkam. Vodorovné deformácie (graf na obr. 9) merané v korune panelového opevnenia sledujú pri jednotlivých oporách zvislé deformácie úložného prahu. Maximálnych hodnôt bolo dosiahnuté u opory 211-00b 10. K poslednému meraniu sa hodnoty ustaľujú na hodnote cca 85 mm. Počiatok merania je pre jednotlivé opory vždy vybudovanie násypu za lícnymi panelmi do plnej výšky. Podstatná časť deformácií prebehla u opôr vplyvom priťaženia nosnou konštrukciou mostného objektu a vybudovaním prechodových oblastí a násypového telesa po úroveň pláne. Pri mostnom objekte 211- 00B 10 sa v tejto fáze jednalo o vodorovný posun 55 mm, teda približne 2/3 z celkovej hodnoty doteraz meranej deformácie. Tohto pomeru v rozmedzí od 60 do 70% z celkovej hodnoty vodorovnej deformácia dosahujú všetky opory. Graf na obr. 10 zobrazuje vodorovné posuny jednotlivých oporných múrov v profile vedenom v osi mosta. Je zrejmé, že najvyššie vodorovné deformácie dosahujú opory v hornej časti panelového opevnenia, kde dochádza k najvyššiemu ovplyvneniu vplyvom koncentrácie extrémneho zaťaženia v tesnej blízkosti za rubom opôr. V žiadnom meranom bode však nedošlo k prekročeniu predikovanej hodnoty 93 mm.

 Obr. 8 Zvislé deformácie líca opôr

Obr. 9 Vodorovné deformácie líca opôr

Obr. 10 Vodorovné posuny opôr v profile vedenom v osi mosta

Záver

Merania ukazujú, že namerané hodnoty zvislých a vodorovných pohybov všetkých opôr neprekročili v žiadnom sledovanom profile hodnoty predikované výpočtom. Tri mostné opory (SO211-00a 00, SO211-00a 10, SO 211-00b 00) vykazujú podobné správanie a predikované hodnoty sú pre tieto objekty pomerne konzervatívne. Opora SO 211-00b 10 sa chová odlišne a vykazuje merané deformácie cca dvakrát až trikrát väčšie ako pri ostatných oporách. Táto skutočnosť bola čiastočne predpokladaná vplyvom odlišnej geometrie z hľadiska pôdorysného tvaru lícnych panelov a najvyššej výšky objektu, z hľadiska najvyššieho pôsobiaceho zaťaženia a prítomnosti objektu SO 211-00c prevádzajúceho Levočský potok pod telesom násypu, kde už však nebola vykonávaná sanácia lomovým kameňom. Súčasne tu môžu pôsobiť najrôznejšie vplyvy, ktoré sú dnes ťažko stanoviteľné. Mimo najrôznejšie klimatické vplyvy mohlo ísť o skutočnosť, že geologické pomery zistené v mieste tejto opory nezodpovedali skutočnosti a predpokladom, s ktorými bolo uvažované vo výpočtoch.

---

Bridge abutments foundations using reinforced soil technology
The paper deals with designing extremely loaded bridge abutments constructed exclusively from reinforced soil in difficulty foundation conditions. An analysis will be shown on bridges of Slovak D1 motorway in section Jánovce – Jablonov. A comparison is made on computational models with measured results found during the construction and after completion. The contribution will be completed with many photographs documenting the construction of abutments.