Sanace násypů dopravních staveb

Násypy obecně

V příčném řezu lze násypy popsat jako lichoběžníkové souměrné či nesouměrné, a to vzhledem k základně, resp. průběhu původního terénu. Když je část tělesa pod komunikací v násypu a část v zářezu, jedná se o přísypy nebo kombinace. Vlastní násyp pod komunikací pak může být z důvodu zachování stability ještě rozšířen o přitěžovací lavice apod. Násypy lze dále kombinovat např. s opěrnými zdmi v koruně nebo patě násypu.

V ose liniové stavby může násyp dosahovat délky několika kilometrů, ale současně i několika metrů, jedná-li se např. o překonávání pouze nevelké terénní elevace. Podle kategorie, a tím i návrhových parametrů pro výškové vedení nivelety příslušného druhu komunikace mohou pak násypy dosáhnout výšek až několik desítek metrů. Současně třídě a typu komunikace odpovídá i jejich šířka v koruně, protože sklony, resp. profily svahů násypů mají přímou vazbu na výšku násypu a souvisejí i s geotechnickými parametry materiálu násypu a jeho podloží.

Za dobu své existence, resp. užívání se mnoho násypů změnilo ve svých geometrických parametrech (přesypání svahů, rozšíření koruny apod.) nebo vlivem provozu či klimatických cyklů i v kvalitě a spolehlivosti. Při jejich rekonstrukci je podstatná změna přístupu k volbě materiálu do násypu nebo jeho skladby (vnitřní konstrukce), ale také problematika založení násypu a využití moderních metod.

Poruchy násypů

Návrh násypu pod komunikace je úkolem pro jejího projektanta, který by však v souvislosti se stabilitou a životností konstrukce a efektivitou návrhu měl využít služby geotechnika. V současnosti kontrolní proces a konkurenční prostředí zaručuje velkou míru spolehlivosti budovaných násypů, nicméně nejen v minulosti bylo navrženo mnoho nestabilních i neúnosných násypů. Poruchy násypů bývají častým důvodem k zastavení provozu především na silnicích, protože se projevují deformacemi ve vozovkách a tyto poruchy pak nepříznivě ovlivňují bezpečnost provozu.
Příčiny poruch násypů lze zařadit přibližně do čtyř skupin:

• inženýrskogeologické poměry,
• chybný projekt,
• chyby při realizaci,
• nedostatečná údržba během užívání.

Při konkrétní poruše se však téměř vždy jedná o kombinaci několika příčin. Poruchy násypů se nejčastěji projevují takto:

• sedání násypu jako celku vlivem konsolidace podloží nebo vlastního tělesa násypu,
• deformace aktivní zóny násypu pod niveletou komunikace,
• poruchy svahů násypů.

Sedání násypu jako celku vlivem konsolidace podloží nebo vlastního tělesa násypu

Nastává především u nově vybudovaných nebo nepříliš starých násypů, kdy se vlastně mění pouze jejich vertikální úroveň. Tato změna nebývá výrazně viditelná, avšak negativně se projevuje relativním poklesem nivelety ve vztahu například k minimálně sedajícímu přilehlému mostu apod. Po překročení jisté meze sedání však může právě v přechodových oblastech mostů nebo v krátkých úsecích tras pozemních komunikací koruna násypu, resp. niveleta vykazovat takovou křivost, která již nevyhovuje bezpečnosti provozu. Výrazněji jsou tyto poruchy viditelné u silničních násypů. U železničních násypů působí pozitivně rozptýlení deformací do větší délky vlivem kolejového roštu.

Příčinou vzniku sedání násypu vlivem konsolidace je nejčastěji špatně odhadnutý proces konsolidace podloží či vlastního tělesa násypu, resp. špatně zvolené parametry výpočtu. Dalším důvodem je nedodržení projektovaného stavebního materiálu nebo nedosažení projektem předepsaných parametrů (vlhkost, zhutnění apod.) při budování násypů.

Deformace aktivní zóny násypu pod niveletou komunikace

Tato porucha se projevuje tvarovými změnami, především boulením v koruně násypu – ve vozovce, resp. její krajnici, nebo ve ztrátě geometrie kolejí. Deformace mohou souviset s nedostatečnou únosností proti nadměrnému zatížení vozovky, resp. železničního svršku, případně i vrstev pod jejich plání a souvislost mohou mít např. i s nadměrným zatékáním vody do podloží či vlastního tělesa násypu. Lze proto říct, že tyto poruchy může zapříčinit špatná údržba např. odvodňovacích objektů a konstrukcí nebo nárůst intenzity dopravy a zatížení dopravou. Tyto deformace nebo poruchy jsou na první pohled viditelné a způsobují i totální rozklad vozovky a kolejí (praskání, výtluky, změny geometrie kolejí apod.).

Poruchy svahů násypů

Poruchy svahů násypů mohou způsobit havarijní stav komunikace a zcela ji vyřadit z provozu. Labilní stav násypového svahu se projevuje především zátrhy v koruně násypu a později pak až sesuvem. Příčinou může být přitěžování koruny svahu násypu (krajnice nebo bermy) materiálem pocházejícím z čištění konstrukcí v koruně nebo v důsledku zimních posypů, špatné ošetřování svahů a nadměrné zatékání vody (z propustků, příkopů a kanalizace) do svahu nebo jeho podloží, resp. paty. Jedná se pak v podstatě o klasický případ ztráty stability svahu (jeho mezní rovnováhy), tedy sesuv. Vzhledem k tomu, že násyp je umělou stavbou, přidávají se k tradičním příčinám sesuvů ještě chyby v budování jeho konstrukce. Patří sem například rozpor v nedostatečné smykové pevnosti zemin v podloží paty nebo vlastního svahu násypu ve vztahu k jeho sklonu a výšce (např. na neúnosném zvodnělém podloží byl vybudován příliš strmý a vysoký násyp nebo pro jeho stavbu byl použit nevhodný či nedostatečně upravený materiál).

Velmi častým důvodem deformací násypových těles pozemních komunikací je jejich uložení na šikmém podkladu (terénu, resp. přísypu), kdy z jedné strany podtéká do pláně např. srážková voda apod. Jedná se o konstrukčně náročný prvek, kdy dochází jednoduše ke gravitačnímu posunu ve směru sklonu podloží. Rovněž ztráta stability a životnosti opěrných zdí v koruně nebo patě násypu, kdy dochází k vodorovnému posunu, bývá běžně příčinou poruch tělesa násypu, resp. komunikace.

Výše zmíněné poruchy následně nutí správce ke zpomalení rychlosti na komunikaci či jiným omezením – velmi často až k uzavření komunikace.

Typy sanací porušených násypů

Vyrovnávání koruny násypu

Obvyklým, ale značně nekoncepčním způsobem sanace poruch násypů projevujících se v jeho koruně je doplňování – dorovnávání (záplatování) poklesu nivelety materiálem koruny násypu, což samozřejmě nejčastěji představuje u silnic asfaltové nebo betonové vrstvy krytu vozovky, u železnic pak podbíjení kolejového svršku, resp. doplnění – navýšení makadamové vrstvy. Tento způsob však bývá často spíše kontraproduktivní a přináší to naopak zrychlování a nárůsty deformací, neboť se nevyhovující aktivní zóna dále nadměrně přitěžuje. Jedná se tedy spíše o neefektivně vynaložené investice.

Odvodnění násypu

V případě vysoké vlhkosti, resp. nadměrného zatékání vody do tělesa násypu, případně do podloží, se doporučuje úprava odtokových poměrů. Patří sem rekonstrukce, opravy a doplnění příkopů a propustků, dále například vybudování drenážních per a vrstev. V případě, že potřebná hloubka drenážních per je příliš velká a rýhy by se pro jejich zhotovení stávaly nestabilní a cenově nákladné, může se voda z násypu odvést např. horizontálními odvodňovacími vrty. Vrty jsou realizovány z paty násypu nebo svahu pod násypem a musejí být svým úklonem směrovány do ověřených zvodnělých vrstev nebo oblastí. Jejich efekt může být jednorázový s vyčerpáním statických vod z násypu nebo dlouhodobý s průběžným umožněním odtoku vod. Naražená voda je pak jímána do sběrných šachtic a dále odváděna do recipientu.

Odtěžení a náhrada násypu

Konzervativním způsobem opravy je výměna celé nebo dílčí části porušeného tělesa násypu. Tento způsob lze však praktikovat v případě příhodných prostorových a časových podmínek. Nejprve musí být porušená část násypu v potřebném rozsahu odtěžena a pak nahrazena novou konstrukcí. Je třeba vyřešit otázky skládek nebo deponií (trvalá či dočasná) a možnosti využití původního materiálu zpět do násypu. Důležité je také zajištění odkopu násypu.

Na výstavbu nové konstrukce násypu se využívá původní materiál, který je např. zhutněn nebo zlepšen vápněním, geosyntetika kvůli vyztužení násypu nebo materiál zcela nový, který má lepší geotechnické vlastnosti (nesoudržné zeminy, drcené kamenivo apod.), či materiály umělé s menší objemovou hmotností.
Při tomto typu opravy lze zachovat provoz na komunikaci jen velmi výjimečně. Nesmírně obtížné a finančně nákladné by to např. bylo u dvojkolejných železničních tratí, kdy je nutné zachovat provoz v jedné koleji. Výměna poloviny násypu pod druhou vyloučenou kolejí by pak vyžadovala provedení pažení v ose a přístup z boku násypu. Pažení např. na výšku několika metrů by při zatížení vlakem muselo být vzhledem k bezpečnosti velmi tuhé, a tedy drahé. Otevření staveniště ze strany násypu je v případě např. chráněné krajinné oblasti rovněž v podstatě neřešitelné.

Hloubkové zlepšení násypu

V posledních letech se rozvíjí metody hloubkového zlepšování zemin, které jsou využitelné i v případě sanací násypů. Patří sem tyto metody: injektáže, dynamická či vibrační konsolidace, hloubkové vyztužování a stabilizace. Násyp se v podstatě hloubkově zhutní nebo vyztuží, což povrchově nelze. Základní nevyhovující materiál násypu se upraví – zhutní se pomocí hloubkových vibrátorů (vibroflotací) nebo dynamickými rázy dusadla (těžké závaží spouštěné z výšky). Dalším způsobem je vyztužování nevyhovujících násypů prostřednictvím svislých pískových, štěrkových, vápenných či cementových pilířů. Do násypového tělesa se v trojúhelníkové nebo čtvercové síti cca 1,2 × 1,2 až 2,5 × 2,5 m nainstalují uvedené pilíře o průměru 0,5 až 1,0 m do potřebné hloubky podle odpovídajících konkrétních poruch.

Pilíře se většinou zhotovují displacementovými (bezvýkopovými) metodami, jako je vibrační vpěchování, Deep Soil Mixing (míchání zemin) nebo trysková injektáž. Vzhledem k tomu, že se jako plnivo, resp. injektážní směs, používá štěrk, resp. cement a vápno, jsou výsledné (ekvivalentní) mechanickodeformační parametry vyztuženého násypového tělesa výrazně lepší než v původním stavu. Dalším efektem štěrkových pilířů je zlepšení hydrogeologických poměrů v násypu. Hlavy pilířů se mohou překrýt ještě plošnou konstrukcí, např. zemní deskou (matrací) s geosyntetikem, čímž se zatížení z povrchu dopravní konstrukce roznese plošně do jednotlivých svislých prvků.

Pilíře se mohou budovat z koruny násypu. Při použití hloubkových zlepšovacích metod může být provoz na komunikaci brzy obnoven nebo i částečně umožněn po dobu sanace.
Jako příklady je možné uvést úspěšné sanace železničního spodku na – několika traťových úsecích V České republice byly pomocí vibrovaných štěrkových pilířů sanovány tratě Olomouc–Zábřeh, Česká Třebová–Krasíkov, Ostrava–Opava a jiné.

Bohužel se však objevily i projekty, které předpokládají postavení velmi subtilních pilířů (průměr do 250 mm) v síti o rozponu ne menším než 1,5 m, kdy jsou navíc uvažovány jako replacementové (vrtané). V těchto případech jde o nepochopení problematiky a efekt takovéto sanace je zcela mizivý.

Opěrné stěny v koruně nebo patě násypu

V případě deformací svahů násypů projevujících se pak deformacemi v koruně je mnoho možností, jak zajistit jejich stabilitu. Jednoduchým řešením, které je však závislé na nutnosti volného prostoru v patě násypu, je vybudování přitěžovacích lavic. Rozměrnou přitěžovací lavici lze nahradit tížnou nebo opěrnou zdí. Tato varianta vzhledem k potřebné stabilitě a účinku konstrukce zdi vyžaduje pro její vybudování náročnější zemní práce. Zábor lze pak uplatnit pouze jako dočasný, ale pro založení zdi může být rozsah nutných výkopů tak nepříznivý, že může labilitu násypu ještě zvýšit.

Mnohem modernější a rychlejší, i když nákladnější metodou je zajištění stability svahu násypu, především pak jeho koruny prostřednictví hlubinných základů. Jedná se zvláště o vrtané železobetonové velkoprůměrové piloty, případně mikropiloty, kdy kritériem pro jejich využití je vrtatelnost v materiálu násypu nebo rostlém podloží. V hraně koruny násypu se nainstalují podle geotechnického výpočtu jedna až dvě řady svislých prvků (pilot) do patřičné hloubky. V jejich hlavách se pak vybuduje ztužující trámec, který lze eventuálně doplnit kotvami, pokud to vodorovné zatížení stěny vyžaduje. Takto je sanováno v posledních letech velké množství poruch svahů násypu jak na železnicích, tak i silnicích. Oblasti jako Buchlovské vrchy nebo Beskydy jsou toho dokladem.

Staré a chátrající patní nebo korunní opěrné zdi komunikací na násypech lze rekonstruovat taktéž velmi efektivně bez rozsáhlých výkopů, bourání a uzavírek. Pokud již statická spolehlivost staré konstrukce nevyhovuje podmínkám provozu ani vzhledu, navrhne se jako zesílení a doplnění nová konstrukce, která zůstane součástí staré konstrukce. Tehdy se využívá trysková a klasická injektáž, hřebíkování nebo mikropiloty a zemní kotvy ke zpevnění a zesílení staré konstrukce zdi, resp. prohloubení základových spár. Zvýší se tak celková stabilita. Často degradovaný líc se doplní o stříkaný beton s ocelovou sítí, vrstvu monolitického betonu nebo železobetonové prefabrikované (obkladní) prvky apod.

Sanace násypu štěrkovými pilíři	Sanace opěrné zdi násypu

Závěr

Sanace násypů dopravních staveb jsou při narůstajícím zatížení komunikací vlivem zvýšeného provozu častým úkolem pro současné geotechniky i dopravní inženýry. Vývoj nových technologií a poznatků v oboru zakládání staveb umožňuje využití moderních a nesrovnatelně efektivnějších způsobů sanací než v minulosti. Je třeba, aby projektant i investor zvážili v návrhu veškeré dostupné metody sanace, protože jedině tak nebude docházet k plýtvání jak finančními prostředky, tak časem.

Ing. Petr Svoboda, Ph.D.
Foto a obrázky: archiv autora

Autor je prokuristou společnosti KELLER – speciální zakládání, spol. s r. o., a autorizovaný inženýr pro geotechniku.