Při posuzování únosnosti podloží, zejména v souvislosti s návrhem a prováděním zemního tělesa pozemních komunikací, hraje klíčovou roli pochopení a správné stanovení modulů deformace. Požadavkem na podloží je, aby se při správně navržené konstrukci vozovky prohýbalo jen velmi málo a aby průhyby byly pružné, tj. bez trvalých deformací. Únosnost podloží je tedy schopnost podloží přenášet zatížení od vozovky a jeho základní charakteristikou je návrhový modul pružnosti Ed.
Návrhový modul pružnosti Ed a statický modul přetvárnosti Edef2
Návrhový modul pružnosti podloží Ed a statický modul přetvárnosti Edef2 se často zaměňují, respektive se nebere v úvahu, že ve skutečnosti se jedná o dvě naprosto rozdílné veličiny.
- Modul Ed reprezentuje chování podloží pod vozovkou za průměrných podmínek během doby životnosti vozovky. Jedná se o dynamickou veličinu, která odpovídá napětí na povrchu podloží pod hotovou vozovkou, jehož velikost je o řád nižší než napětí pod zatěžovací deskou při kontrole Edef2.
- Edef2 je oproti tomu statickou kontrolní zkouškou vhodnosti použitého materiálu a jeho dostatečného zhutnění za podmínek během stavby. Protože u zemin zcela neplatí Hookův zákon (vztah mezi napětím a přetvořením není ideálně lineární), musí být už z tohoto důvodu hodnoty obou dvou modulů rozdílné.
Statická zatěžovací zkouška (Edef2) je při měření únosnosti zemní pláně a nestmelených vrstev vozovek důležitým nástrojem kontroly kvality. Je to však zkouška výhradně kontrolní a nikdy ne průkazní. Pro některé zúčastněné strany však posuzování podloží vozovek jako by ani nebylo součástí návrhu vozovky podle návrhové metody, zato statická zatěžovací zkouška je univerzálním nástrojem na všechno.
Stanovení únosnosti podloží v praxi
Návrhový modul pružnosti Ed lze přímo měřit na zkušebním vzorku zeminy v laboratoři pomocí triaxiálního přístroje. Složitost tohoto měření a působení dalších vlivů, jako jsou změny vlhkosti, teplot, velikost působícího napětí a způsob zatěžování, vede k tomu, že přímé měření modulu pružnosti podloží se v praxi nepoužívá a pro jeho stanovení byly vyvinuty jednoduché nepřímé metody. V České republice se při navrhování vozovek pro stanovení únosnosti podloží používá postup podle TP 170 - dodatek č. 1.
CBR se stanovuje v laboratoři na zkušebním vzorku zhutněném na standardním Proctorově zařízení při optimální vlhkosti, vystaveném sycení ve vodě po dobu 96 hodin, aby se projevil nepříznivý vliv možného kolísaní vlhkosti v podloží. Bylo upuštěno od odvozování vlhkosti zkušebního vzorku na základě vodního režimu, protože voda se do podloží dostává i jinými způsoby než kapilárním vzlínáním výhradně od hladiny spodní vody a zeminy v podloží je třeba všechny „měřit stejným metrem“. Tento způsob je posunut na stranu bezpečnosti návrhu, což je v našich klimatických a geologických podmínkách oprávněné. Z tabulky též vyplývá, že návrhové parametry podloží lze odvodit i na základě zatřídění zemin podle klasifikace.
Čtěte také: Instalace WC modulu Geberit Duofix 112 cm
Problémy s dodržováním postupů
Z uvedeného postupu vyplývá, že při návrhu vozovky se o únosnosti podloží vždy rozhoduje v době zpracování projektové dokumentace zásadně ještě před zahájením stavebních prací. Příklady z praxe však ukazují, že v mnoha případech tomu tak není. Stanovený postup se nedodržuje, geotechnický průzkum se podceňuje nebo vůbec nebere v úvahu a na skutečný stav podloží se přichází až při kontrolním měření zemní pláně statickou zatěžovací zkouškou (modul přetvárnosti Edef2) podle ČSN 72 1006. V případě nevyhovujících výsledků potom zejména z časových důvodů nezbývá nic jiného než úpravu nebo výměnu podloží nějak improvizovaně odvodit z naměřených hodnot modulu přetvárnosti Edef2. Je zvláštní, že toto je velmi často považováno za standardní postup.
Příčinou nedodržování stanoveného postupu nemusí být vždy neznalost. Při posuzování zemin v podloží se často uplatňuje nesprávný výklad pojmu „podmínečně vhodná zemina“, který je uplatněn v ČSN 73 6133, kapitola 4.1, tabulka 1. U podmínečně vhodných zemin nestačí samotné zatřídění podle klasifikace, protože jejich skutečné vlastnosti se mohou lišit. Dále štěrková hlína (MG) má obsah jemných částic v intervalu 35 % až 65 %. Je pochopitelné, že dvě různé štěrkové hlíny s obsahem jemných částic při spodní a horní hranici definovaného rozmezí navíc v rozdílných podmínkách konkrétních staveb nebudou mít úplně stejné chování. Samotná klasifikace nemusí být též přesná, bude-li mít štěrková hlína obsah jemných částic 36 % a jiný podobný materiál o 2 % méně, bude to již štěrk hlinitý (GM) s jinými deklarovanými vlastnostmi. Zeminy podmínečně vhodné se tedy musí posoudit dle jejich skutečných vlastností a pak rozhodnout pro jejich konečné zařazení, zda budou považovány za vhodné či nevhodné. Přesto se v některých projektech objevuje, že „mohou být použity podmínečně vhodné zeminy“.
Úprava a výměna podloží
Pokud zeminy nesplňují podmínky vhodnosti pro použití do aktivní zóny zemního tělesa, musí se upravit nebo vyměnit podle ČSN 73 6133, kapitola 9. Aby byla úprava nebo výměna zeminy účinná, musí její vrstva roznášet namáhání od spodní podkladní vrstvy vozovky do původní nevhodné (neúnosné) zeminy do té míry, aby toto namáhání bylo dostatečně sníženo. Účinnost úpravy nebo výměny zeminy podloží se tedy řídí její tloušťkou, čím má původní zemina v podloží horší vlastnosti, tím musí být tato tloušťka větší.
Někdy se ale objevují názory, že účinnost úpravy podloží lze regulovat zvyšováním pevnostních parametrů upravené zeminy nebo dokonce vliv neúnosného podloží kompenzovat zvyšováním pevnostních parametrů konstrukčních vrstev. Nic takového není možné. Pro úpravu zemin se musí ve zkušební laboratoři zpracovat výrobní předpis (průkazní zkouška), který mimo jiné stanovuje druh a dávkování pojiva. Přesto se objevují projekty, kde je druh a dávkování pojiva předepsán bez provedení těchto zkoušek. Toto pak může způsobit problém, protože ne každý druh pojiva se hodí na každou zeminu, například vápno nemusí v případě některých zemin působit vůbec. Stejně tak vlhkost a dávkování pojiva ve směsi nelze jen tak odhadovat. Nízká vlhkost brání efektivnímu hutnění a dále způsobí nevratné zastavení hydratace cementu, u vápna pak dodatečnou reakci a objemové změny zemního tělesa, probíhající i po dokončení stavby.
Pokud se neprovádí úprava, ale výměna materiálu v podloží vozovky, lze použít jakoukoliv sypaninu, kvalifikovanou jako vhodná do aktivní zóny (CBRsat ≥ 15 %) podle ČSN 73 6133, kapitola 4. Při výměně podloží se přesto někdy naprosto zbytečně předepisuje použití kameniva podle ČSN EN 13242+A1 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní komunikace, investoři chtějí prohlášení o vlastnostech a vlastnosti kameniva rovněž požadují. Z hlediska účelu použití se však jedná o zeminu (sypaninu) podle ČSN 73 6133, která z pohledu zákona č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky, v platném znění není žádným stanoveným výrobkem a žádné prohlášení o vlastnostech ani vlastnosti kameniva nejsou potřebné.
Čtěte také: CIB modul pro systémy MaR
Neúčinnost vyztužovacích prvků
Naprosto neúčinné je navrhování výztužných prvků (geosyntetik) na zemní pláni nebo v konstrukci vozovky. Důvod je velmi jednoduchý, přetvoření vozovky a podloží vyvolaná zatížením od dopravy jsou malá a výztužný prvek se nikdy nemůže dostatečně napnout, aby v něm vzniklo potřebné tahové napětí a tím prvek začal působit jako výztuž. Obvyklý průhyb na zemní pláni je například 0,3 mm. Těžko si lze též představit spolupůsobení výztužného prvku s jemnozrnnou neúnosnou zeminou obvykle plastické povahy, vykazující minimální vnitřní tření. Stejně tak použití takzvaných umělohmotných kapes a kovových ok na údajnou podporu zaklínění hrubých zrn kameniva (v podkladní vrstvě konstrukce vozovky) nesníží tlak na podloží, a pokud podkladní vrstva splňuje požadavky příslušných norem a předpisů, žádná podpora zaklínění hrubých zrn kameniva není potřebná.
Zásadním pochybením při snaze vyztužování zemní pláně je pak odmítání měření modulu přetvárnosti Edef2 pomocí statické zatěžovací zkoušky podle ČSN 72 1006 ze strany některých dodavatelů výztužných prvků s tím, že mají jiné zkoušky, které jsou jejich „know-how“. Výrobci geosyntetik mají pravdu, když prezentují dobré zkušenosti při vyztužování podloží při budování speciálních účelových komunikací za nestandardních podmínek. Toto ale nelze srovnávat, neboť jde o extrémní případy například dočasných vojenských komunikací, kde jsou průhyby na neúnosné zemní pláni až 1 000x větší a výztužný prvek se může dostatečně napnout a začít tak působit.
Geotechnický průzkum a jeho význam
Geotechnický průzkum na konkrétním staveništi vychází z projektu průzkumných prací, který by měl plánovat technické práce průzkumu, rozsah a četnost zkoušek základových půd, a to zejména na základě důkladné znalosti účelu, pro nějž se provádí. Velmi často objednává tento průzkum stavebník (investor), a to v době, kdy nemá stavební záměr ujasněn a není schopen jasně formulovat problematiku, na níž by měl průzkum dát dostatečnou odpověď.
Hlavním cílem geotechnického průzkumu je poskytnutí takových údajů o geologických a hydrogeologických poměrech staveniště a jeho okolí, jakož i o vlastnostech základové půdy, jež umožní technicky správný, ekonomicky přijatelný a časově i technologicky proveditelný návrh geotechnické konstrukce za výrazné redukce geotechnických rizik spojených s tímto návrhem i jeho realizací. Konkrétní cíle geotechnického průzkumu se mohou v podrobnostech lišit, a to jak s ohledem na jeho příslušnou etapu, tak na druh a složitost geotechnické konstrukce.
Předběžný průzkum má vždy zahrnovat důkladnou prohlídku staveniště a jeho okolí, studium archivních materiálů (rešerše například z Geofondu) a seznámení se stavebním záměrem. Jen zcela výjimečně se provádějí odkryvné terénní práce, nicméně nepřímé průzkumné metody (geofyzikální měření) jsou relativně časté. Podrobný průzkum zahrnuje již vesměs veškeré práce potřebné k získání co nejúplnějších poznatků o geotechnických poměrech na staveništi. Je zpravidla podkladem pro projekt DSP a musí vždy správně odhalit nejdůležitější geotechnická rizika příslušného staveniště s ohledem na druh a rozsah plánované stavby.
Čtěte také: Aplikace betonových stěrek
Druhy zkoušek
V rámci geotechnického průzkumu jsou dále plánovány zkoušky základových půd, a to jak laboratorní, pro které je třeba odebrat příslušné vzorky (porušené i takzvané neporušené) a dále zkoušky polní, k nimž v našich podmínkách řadíme například sondy penetrační, které jsou jednak dynamické, jednak statické.
- Dynamické sondování: Principem dynamického sondování je zarážení jistého hrotu na konci soutyčí určitými dynamickými rázy, přičemž se určuje počet úderů potřebných na zaražení o 200 mm. Někdy se měří i velikost kroutícího momentu potřebného k pootočení soutyčí v jisté hloubce; jde však pouze o údaj informativní. Na základě počtu úderů lze usuzovat na některé globální vlastnosti základové půdy, to znamená v případě zemin jemnozrnných na konzistenci a v případě zemin hrubozrnných na ulehlost.
- Statická penetrace: Základem statické penetrace je kontinuální zatlačování penetrační sondy skládající se ze speciálního hrotu a sady penetračních trubek, a to konstantní rychlostí kolem 20 mm·s-1. Odpor, který základová půda klade vnikání penetrační sondy, je pak rovněž jistým měřítkem kvality a vlastností zeminy. Tento totální odpor Qt se skládá z odporu na kuželovém hrotu qst a z lokálního tření na plášti sondy fs.
Závěrečná zpráva o geotechnickém (inženýrskogeologickém) průzkumu, jež má obvykle část textovou a přílohy, má zhodnotit výsledky všech provedených průzkumných prací a odpovědět na všechny otázky týkající se geotechnických podmínek staveniště.
Zásadní rozdíly mezi podložím vozovky a násypu
Nesmí se zaměňovat podloží vozovky (aktivní zóna) s podložím násypu. V podloží vozovky se úprava zemin provádí za účelem dosažení potřebné únosnosti. V podloží násypu se úprava zemin provádí především za účelem zajištění průchodnosti pro staveništní dopravu a umožnění lepšího hutnění první nasypané vrstvy násypu. Účelem tedy není zajištění stability násypu, pro to se používají jiné geotechnické metody zasahující do daleko větších hloubek podloží pod násypem (například geodrény pro urychlení konsolidace a zkrácení doby sedání násypu). Na podloží násypu tedy nejsou kladeny tak přísné požadavky jako na podloží vozovky (viz ČSN 73 6133, kapitola 10) a na rozdíl od podloží vozovky se nepožaduje měření modulu přetvárnosti (Edef2) statickou zatěžovací zkouškou.
Stávají se i případy záměny pojmů „podkladní vrstva“ a „podloží vozovky“. Podkladní vrstva je součástí konstrukce vozovky, nachází se nad zemní plání a stavebním materiálem je kamenivo podle ČSN EN 13242+A1. Podloží vozovky (aktivní zóna) je součástí zemního tělesa, nachází se pod zemní plání a stavebním materiálem je zemina/sypanina podle ČSN 73 6133.
Důsledky nesprávného postupu
Při nedodržení správného postupu se může velmi snadno stát, že se podaří postavit vozovku na nedostatečně únosném podloží. Například za suchého teplého počasí je možné i na pláni z nevhodné jílovité zeminy naměřit vysoký kontrolní modul přetvárnosti Edef2. Dokonce čím je zemina horší, tj. více jílovitá a plastická, tím může být hodnota Edef2 ještě vyšší. Je známo, že z jílovitých zemin se dříve vyráběly nepálené cihly (vepřovice), v suchém stavu velmi pevné, pokud se ale dostaly do styku s vodou, roztekly se na kaši. Proto je posuzování podloží jen na základě kontrolního měření modulu přetvárnosti Edef2 neúčinné.
Vozovka na neúnosném podloží časem začne vykazovat znaky poddimenzování. V případě asfaltové vozovky se objeví síťové trhliny a plošné deformace. Celé stavební dílo je tím znehodnoceno a jediná účinná oprava by vyžadovala vše vybourat a postavit znovu. Následné opravy, omezené jen na asfaltové vrstvy příčinu poruch neodstraní. Dodržování správného postupu posuzování podloží při návrhu vozovky má zásadní vliv na kvalitu celého stavebního díla.
Zakládání staveb a Eurokód 7
Pomůcka pro zakládání staveb vznikla v souvislosti s vydáním ČSN EN 1997-1, Eurokód 7: navrhování geotechnických konstrukcí - Část 1: Obecné zásady, jež se od roku 2010 stala v České republice v podstatě jedinou platnou normou pro navrhování geotechnických konstrukcí. Tato norma má v rámci Eurokódů poněkud zvláštní postavení, které je dáno jednak značným rozsahem a rozmanitostí geotechnických konstrukcí, hlavně však tou skutečností, že tyto konstrukce jsou realizovány v základové půdě, jež je většinou přírodním materiálem, jehož vlastnosti nejsou předepsány, jako je tomu u jiných stavebních materiálů, ale je třeba je nejprve zjistit, přičemž možnosti jejich stanovení jsou značně omezené.
Zakládání staveb se zabývá návrhem, stavbou a kontrolou základů staveb, popřípadě i jejich sanacemi a rekonstrukcemi. Další zájmovou oblastí jsou potom stavební jámy, které tvoří nedílnou součást základů staveb. Jejich budování bývá mnohdy náročnější než výstavba vlastních základů realizovaná ze dna těchto jam. Do oboru zakládání staveb náleží i metody zlepšování vlastností základové půdy a nejnověji též zemní konstrukce a environmentální stavby. Základy jsou nejspodnější částí stavby, jimiž stavba přichází do styku s nejpřirozenějším stavebním materiálem, kterým je základová půda, jež může být tvořena jak horninami a zeminami v přirozeném stavu, tak i uloženinami vzniklými částečně nebo i zcela lidskou činností. Jakákoliv stavba může postrádat libovolný stavební prvek či součást, přesto má vždy základy, kterými je spojena se základovou půdou.
Teoretický základ nauky o zakládání staveb tvoří na jedné straně inženýrská geologie a hydrogeologie, mechanika zemin a skalních hornin, na druhé straně pak stavební mechanika a nauka o konstrukcích staveb. To však zdaleka nestačí, neboť nedílnou součástí návrhu základů je znalost o materiálech, tj. zejména o betonu a oceli a stanovení možností realizace těchto základů, což souvisí s otázkami technologickými. V neposlední řadě je třeba posoudit i ekonomii návrhu, neboť ta bývá mnohdy rozhodujícím kritériem při konečném výběru druhu a metody zakládání.
Je tedy zřejmé, že při návrhu základů nelze postupovat deduktivní metodou, neboť mnohé souvislosti neumíme ani definovat, natož pak řešit. K cíli vede vesměs metoda induktivní, při níž se eliminují řešení nevhodná, a to na základě relativně jednoduchých a jasně formulovaných kritérií. Přesto, že v zakládání staveb vycházíme z moderních teoretických poznatků o fyzikálních principech chování základové půdy a stavební konstrukce, důležitou roli hraje i nadále zkušenost. Ta je ovšem nepřenosná a lze ji nabýt dlouhodobou praxí v oboru.
Přesto, že zakládání staveb je komplexní disciplína využívající poznatky z mnoha vědních oborů a syntetizující je do výsledného návrhu vyhovujícího co nejlépe obecně platným, nebo i specifickým kritériím, vznikly v metodologii zakládání staveb v poslední době relativně dva vyhraněné směry, preferující tu, či onu oblast poznání. Tento trend je pochopitelný, neboť na straně jedné možnosti matematického modelování interakce základových konstrukcí se základovou půdou a na straně druhé výsledky polního i laboratorního zkoušení vlastností základových půd otevírají dříve netušené možnosti zkoumání základových konstrukcí a mění zakládání staveb, jakožto původně převážně empirickou disciplínu na vědu založenou na výpočtech. Nelze však opomenout tu skutečnost, že zakládání staveb řeší především praktické úlohy, tj. musí umožnit návrh a realizaci základů staveb na konkrétním staveništi, v reálném čase a s reálnými prostředky.
Metoda matematického modelování, kdy jsou preferovány skutečné geometrické tvary konstrukcí, vlastnosti základových půd získané běžnými i speciálními zkouškami a určité konstitutivní vztahy vyjadřující co nejlépe skutečné chování konstrukce, přičemž právě komplexností a složitostí konstitutivních vztahů se posuzuje kvalita modelu, neboť vlastní výpočetní metodou bývá vesměs metoda konečných prvků (MKP), jež sama o sobě nevytváří zásadní problém. Tím je potřeba získání vhodných vstupních parametrů výpočtu týkajících se zejména fyzikálních vlastností základových půd, přičemž instrumentace příslušných zkoušek je často obtížná nebo i nereálná. Příslušné parametry se získávají v lepším případě nepřímými zkouškami, ale častěji odborným odhadem, který se ovšem nesrovnává s „exaktním“ výpočtem, tudíž výsledek je přinejmenším nevyrovnaný a má spíše charakter parametrické studie. Druhým a zřejmě významnějším problémem tohoto přístupu je praktická nemožnost matematického modelování technologických efektů, které však bývají pro chování zvláště speciálních základů staveb rozhodující.
Inženýrský přístup, někdy nazývaný přístupem pragmatickým, při němž se preferují poznatky získané měřením na stavbách a využívá se při něm relativně jednoduchých teoretických předpokladů (například teorie pružnosti aplikované na pružný poloprostor, jímž se modeluje základová půda). Snahou je potom nalézt významné souvislosti, které nejvíce ovlivní výsledné chování konstrukce za důsledného respektování technologických vlivů. Výsledkem je potom množství různých „koeficientů“, jimiž jsou jednoduché vzorce a rovnice doplňovány a „upřesňovány“. Ty ovšem budí nedůvěru a odmítání ze strany zastánců prvního přístupu a činí jej „nevědeckým“.
Předložená pomůcka je součástí řady pomůcek Profesis, kterou vydává ČKAIT s cílem pomoci autorizovaným inženýrům a technikům ve výstavbě v každodenní odborné práci. Vydání této pomůcky je však komplikováno tou skutečností, že zatímco evropská norma ČSN EN 1997-1 platí v ČR od 1. 4. 2010, národní aplikační dokument (NAD), jež může do příslušných striktně vyjmenovaných článků této normy zavést takzvané národní zkušenosti, u nás dosud vydán nebyl, zatímco naprostá většina evropských zemí tuto možnost dokonale využila. Problémy kolem NAD se v poslední době v důsledku nedosažené shody mezi zpracovatelem a posuzovatelem natolik zkomplikovaly, že vydání NAD se zřejmě nedočkáme.
tags: #modul #deformace #sterky