Katedra geotechniky a podzemního stavitelství VŠB-TU Ostrava se zaměřuje na výuku a výzkum v oboru geotechniky, která je množinou mnoha disciplín. Geotechnika je jako významná oblast stavebnictví a zkoumá vlastnosti zeminového a horninového prostředí, interakci tohoto prostředí s novými stavebními objekty, respektive jejich využitelnost jako konstrukčního materiálu. Zahrnuje vzájemně propojené specializace jako mechanika zemin, mechanika hornin, inženýrská geologie, zakládání staveb, podzemní stavby, zemní konstrukce a další. Základní znalosti z geologických disciplín jsou nezbytně nutné pro bezpečný a ekonomický návrh základových konstrukcí, řešení stability území, prognózu deformací základové půdy, zjišťování příčin poruch stavebních objektů a návrh jejich sanace, hodnocení vlivu staveb na životní prostředí a řešení dalších úkolů stavební praxe. Spolu s ostatními obory geotechniky umožňuje geologie získávat spolehlivé informace o vlastnostech horninového prostředí, vedoucí k jeho racionálnímu využívání.
Cílem předmětu "Mechanika zemin a zakládání staveb" je seznámit studenty se základy geologie, inženýrské geologie a mechaniky zemin. Studenti získají přehled o obsahu mechaniky zemin a hornin jako výchozích a základních disciplín geotechnického inženýrství. Naučí se řešit problémy související se stavem napjatosti, deformace, stability a porušení skalních a zemních masivů. Studenti se naučí, jak je významná dokonalá znalost vlastností a chování zemin pro bezpečný a především ekonomický návrh základů staveb, pro návrh zemního tělesa a pro dimenzování svislých konstrukcí.
Obsah předmětu a studijní cíle
Tento kurz je první fází studia chování, a to zejména zemních masivů, které jsou buď přímo zemními konstrukcemi, nebo prostředím, ve kterém probíhá stavební činnost, případně nově budovanými stavebními konstrukcemi v přímém kontaktu. Úvod je věnován vlastnostem zemin a jejich chování v reálných podmínkách a pod vlivem vlastního nebo vnějšího zatížení. Teoretická část kurzu a systém klasifikace pro horniny a zeminy (obecně základová půda) jsou propojeny do společných aplikačních řešení v geotechnickém inženýrství. Studenti se po absolvování předmětu budou umět rozpoznat základní typy hornin a zemin, určit jejich fyzikální a mechanické vlastnosti a vhodnost pro zakládání, případně rozpoznat rizika a umět vyhledat příslušnou odbornou radu. Budou umět použít inženýrsko-geologický posudek, rozumět zemním tlakům a stabilitním úlohám v zeminovém a horninovém prostředí, znát základní geologické pojmy, dělení hornin, endogenní a exogenní procesy a mít základní představu o hydrogeologii a vlivu vody na geologické podloží a pohybu vody v horninách.
Sylabus předmětu
- Historie a úkoly mechaniky zemin, geotechnický průzkum, klasifikace zemin.
- Fyzikálně-mechanické vlastnosti zemin.
- Smyková pevnost zemin. Deformační charakteristiky zemin. Propustnost.
- Napětí v zeminách. Geostatické napětí. Napětí od vnějšího zatížení. Kontaktní napětí.
- Mezní stavy zemin. 1. mezní stav - únosnost, 2. mezní stav - sedání.
- Model konsolidace zemin.
- Plošné základy.
- Hlubinné základy. Pilotové základy.
- Stabilita svahů.
- Zemní tlaky, aktivní, pasivní, v klidu. Konstrukce proti zemním tlakům. Podzemní, pilotové a štětové stěny.
- Základová jáma, svahovaná a pažená.
- Zlepšování vlastností zemin. Zakládání ve speciálních podmínkách.
- Moderní metody zakládání staveb.
Podrobná témata kurzu
- Úvod do problematiky mechaniky zemin. Zemina jako pracovní plocha. Popisné vlastnosti zemin (zrnitostní křivka, objemová a specifická hmotnost, vlhkost a stupeň nasycení). Systémy klasifikace zemin.
- Fyzikálně-chemické vlastnosti zemin (Atterbergovy limity (mez tekutosti, mez plasticity, smrštění), index plasticity, bobtnání, konzistence). Typy vody v zemině, pohyb vody v pórech a jeho vliv na konstrukci, Darcyho zákon.
- Pevnostní vlastnosti (modul pružnosti, Hookeův zákon, stlačitelnost, dotvarování). Deformační vlastnosti (smyková pevnost, soudržnost - měření, interpretace).
- Průzkum staveniště (fáze, typy). Metodika mezních stavů, geotechnické kategorie. Napětí pod základem (původ, v důsledku zatížení).
- Mělké základy - patky, pasy, základové desky, návrh spojení základu a vrchní konstrukce, interakce základu a podloží.
- Základové jámy a jejich pažení. Rozpěrné pažení, štětové stěny, pilotové stěny, podzemní stěny - technologie a využití, statický návrh. Odvodnění základové jámy.
- Boční zemní tlaky zemin na konstrukci (typy zemních tlaků - aktivní, pasivní, v klidu) podle Rankineho a Coulombovy teorie.
- Hlubinné základy - základní prvek. Kesony, otevřené kesony, piloty (rozdělení (vytlačované, náhradní), vrtané piloty.
- Zlepšování podloží (zhutňování, kotvy, injektáže (klasické injektáže - těsnění, zpevňování, kompenzace, trysková injektáž), zmrazování.
Literární prameny a studijní materiály
Pro studium předmětu jsou doporučeny následující učebnice a publikace, které pokrývají široké spektrum témat od základních principů mechaniky zemin až po moderní metody zakládání staveb:
- ATKINSON, J.: An Introduction to the Mechanics of Soils and Foundations. McGraw-Hill Book Company, 1993.
- BAŽANT, Zdeněk: Zakládání staveb. SNTL Praha, 1972.
- ŠIMEK, J., JESENÁK, J., EICHLER, J.: Mechanika zemin. SNTL Praha, 1990.
- LAMBOJ, L. ŠTEPÁNEK, Z.: Mechanika zemin a zakládání staveb. Praha - ČVUT, 2008.
- WEIGLOVÁ, K.: Mechanika zemin. Brno - VUT, 2007.
- VANÍČEK, I.: Mechanika zemin. Vyd. 3., přeprac. Praha: České vysoké učení technické, 1996.
- KOŘÍNEK, R. ALDORF, J.: Geotechnický monitoring. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 1994.
- STANĚK, J. KOŘÍNEK, R.: Hornická mechanika zemin: stabilita svahů. Ostrava: Vysoká škola báňská, 1991.
- Braja M.D.: Principles of foundation engineering.
- Hansbo, S.: Developments in Geotechnical Engineering: Volume 75 - Foundation Engineering. Elsevier, 1994.
- Peck, R.B., Hanson, W.E., Thornburn, T.H.: Foundation engineering. 2d ed. New York: John Wiley, 1974.
- Bond, A.J. et al.: Eurocode 7 Geotechnical Design: Worked examples. Luxembourg: Publications Office, 2013.
- Atkinson John: Mechanics of soils and foundations.
- Verruijt, A.: Soil Mechanics. 1. Holland: Delft University of Technology, 2001.
- J.Masopust: Navrhování základových a pažících konstrukcí. Příručka k ČSN EN 1997. ČKAIT, Brno, 2012.
- J.Masopust, V. Glisníková: Zakládání staveb. CERM VUT, Brno, 2007.
- Z.Štěpánek: Zakládání staveb. ČVUT, Praha, 1993.
- J.Hulla, J.Šimek, P.Turček: Mechanika zemín a zakladanie stavieb.
- J.Malgot, F.Klepsatel, I.Trávníček: Mechanika hornin a inžinierska geológia.
- J.Bradáč: Základové konstrukce.
Laboratorní vybavení a výzkumné aktivity
Katedra disponuje specializovanými laboratořemi a programovým vybavením pro výuku i výzkum v oblasti geotechniky.
Čtěte také: Efektivní zakládání s vruty
- Specializovaná učebna geologie: Umožňuje aktivní práci se vzorky reprezentujícími základní typy hornin a zemin tvořících základové půdy České republiky nebo využívaných jako stavební a dekorační kámen.
- Automatizovaný systém pro smykové triaxiální zkoušky: Vyvinutý na Ústavu geotechniky, umožňuje vykonávat jak standardní, tak nestandardní zkoušky se sycením vzorků při izotropní, případně anizotropní konsolidaci.
- Programové vybavení:
- GEO4 je určeno pro výpočet základových konstrukcí dle ČSN.
- Programový balík RIBTEC je určen pro výpočet 2D úloh pomocí metody konečných prvků.
- ANSYS je univerzální program založený na metodě konečných prvků.
- Program FLAC je založený na diferenční numerické metodě.
- Laboratoř fyzikálního modelování: Byla vybudována v roce 1973. Pro řešení důležitých úloh geomechaniky, například pro modelování interakce konstrukce a zeminy, je podstatná detailní studie mechanického chování geomateriálů. V současnosti se touto náročnou problematikou řešení složitých úloh geomechaniky pomocí fyzikálních modelů zabývá náš ústav jako jediné pracoviště v ČR.
Na geotechnický průzkum běžného stavebního objektu se v ČR vynakládá cca 0,6 % z objemu stavební investice, u náročných inženýrských děl (dálnice, rychlá železnice, přehrada, podzemní stavba) pak může přesáhnout 2 %.
Zakládání staveb a jeho význam
Zakládání staveb se zabývá návrhem a stavbou základů. Je to interdisciplinární nauka využívající poznatky z geologie, inženýrské geologie, mechaniky zemin, stavební mechaniky, stavebních hmot apod. Přesto, že zakládání staveb je založeno na výpočtech a využívá metodiku mezních stavů, vyžaduje intuici a inženýrský cit. Proto při výuce tohoto předmětu je kladen důraz na samostatné myšlení studenta, na jeho schopnost nalézt z mnoha problémů ten podstatný. Při výuce je využívána výpočetní technika, ale rozhodující je schopnost samostatné úvahy vyplývající ze znalosti výše uvedených oborů. Zvláštní význam má technologie provádění základů staveb, která se bouřlivě vyvíjí a do jisté míry předurčuje cenu a efektivnost základů staveb. Náklady na založení běžných stavebních objektů se pohybují mezi 15 až 20 % z celkových prostředků vynaložených na výstavbu, u složitých inženýrských staveb (přehrady) přesahují 50 %, u speciálních staveb (úložiště odpadů) dosahují až 90 % celkových nákladů.
Podzemní stavby
Podzemní stavby se ve světě rozvíjejí velmi bouřlivě. Tato tendence se začíná projevovat i v ČR. Mimořádný vzestup zaznamenává podzemní stavitelství ve vysoce urbanizovaném prostředí, ve spojení s nezbytnou ochranou životního prostředí a požadavky na náročné trasování moderních liniových staveb (metro a podzemní rychlodráhy, městské, silniční a dálniční tunely, podzemní parkoviště, tunely rychlé železnice). Velmi frekventovanou problematikou se stává zřizování speciálních podzemních skladů a úložišť (pro kapalné a plynné uhlovodíky, chladírenské a mrazírenské prostory). Především ve městech je nutná zásadní obnova inženýrských sítí (vodovodní štoly, kanalizační sběrače, zřizování sdružených vedení - kolektorizace); do podzemí se stále častěji umisťují čistírny odpadních vod. V souvislosti s rozvojem oboru a využíváním litosféry se jeví nutnost plánování v prostoru pod povrchem (podzemní urbanismus). Obor se za posledních cca 20 let technologicky naprosto pozměnil a lze jej bez nadsázky označit za obor pro 21. století.
Vlastnosti zemin pro zakládání staveb
Předmětem vědní disciplíny Mechanika zemin jsou otázky související se stavem napjatosti, a to především z hlediska deformace, stability a případně porušení základové půdy s ohledem na přítomnost a pohyb vody a na faktor času. Nedílnou součástí mechaniky zemin a hornin je zjišťování jejich vlastností a chování za různých podmínek napjatosti. Obsahem předmětu jsou základní poznatky a principy chování hornin a zemin tzv. Terzaghiho mechanika zemin. Posluchač je seznámen s následujícími odbornými tématy: fyzikální, popisné, mechanické a technologické parametry hornin a zemin; klasifikační systémy hodnocení hornin a zemin; stavy primární a indukované napjatosti v třífázovém prostředí - zeminách; proudění vody zeminách; hutnění; jednoosá konsolidace; sedání; zemní tlaky.
V praktických cvičeních v laboratoři se procvičují metody stanovení fyzikálních, popisných a mechanických parametrů.
Čtěte také: Práce projektanta ve Znojmě
Třídění zemin a jejich charakteristiky
Důležitou součástí posouzení zemin a skalních hornin je jejich zatřídění do tříd těžitelnosti dle ČSN 73 3050 Zemní práce. Mechanika zemin se zabývá studiem fyzikálních a mechanických vlastností zemin a jejich chováním při zatížení. Zaměřuje se na klasifikaci zemin, stanovení napjatosti a deformace, smykovou pevnost, konsolidaci a stabilitu svahů.
Fyzikálně-mechanické parametry zemin pro účely zakládání staveb, které závisí na relativní ulehlosti (hutnosti) jsou uvedeny v tabulkách specifických pro danou charakteristiku, např. pro písčité a štěrkovité zeminy. Vlastnosti zemin jako je propustnost a zamrzavost jsou klíčové pro návrh základů. Množství práce, potřebné na vykonání uvedených činností, je uvedeno na tabulkách.
Tabulka 1: Základní fyzikálně-mechanické vlastnosti vybraných typů zemin
| Typ zeminy | Vlastnost | Popis |
|---|---|---|
| Písčité zeminy | Zrnitostní křivka | Kolísá v širokém rozmezí, ovlivňuje propustnost. |
| Štěrkovité zeminy | Propustnost | Vysoká propustnost, ovlivňuje pohyb vody. |
| Jílovité zeminy | Konzistence | Smyková pevnost je výrazně snížena v závislosti na stupni konzistence. |
| Všechny zeminy | Namrzavost | Zemina při namrzání zvětšuje svůj objem, což způsobuje mimo jiné snížení soudržnosti zemin. |
Proudění vody a jeho vliv
Zvyšování neutrálního napětí zvětšuje neutrální napětí, což způsobuje snižování smykové pevnosti. To může způsobit jejich ztekucení. Problematikou se zabývají cvičení z předmětu Hydrogeologie. Zřizování studní a jímek se provádí pro určitou část zemní hráze. Pórovitost sypké zeminy má charakteristický tvar, který je patrný z obrázku. Rozsah použitelnosti některých druhů pojiv je také znázorněn na obrázcích zrnitostních křivek. Kvalita injektované zeminy závisí na poměru mezi velikostí pórů a velikostí zrn injekční směsi. Zpevněné pilíře v zemině pomocí injekční směsi se využívají v horninovém prostředí.
Čtěte také: Zjistěte více o pasportizaci staveb
tags: #mechanika #zemin #a #zakladani #staveb #VSB