Zkušenosti se zabudováním poloskalních hornin do zemního tělesa dálnice D35 Časy–Ostrov

S horninami pod názvem vápnité jílovce, jílovité vápence, slínovce nebo také opuka (písčité slínovce) se na území České republiky pravidelně setkáváme, a to i v rámci výstavby pozemních komunikací. Jedná se o horniny křídového stáří, které se vyznačují vysokým obsahem jílových minerálů.

Tyto horniny mají sklon k bobtnání, ztrátě pevnosti a k rozpadání při zvlhčování a vysoušení na vzduchu nebo při odlehčení vlivem těžby. Při správném postupu prací se jedná o podmínečně vhodný materiál použitelný jako sypanina do násypů.

Informace o stavbě

Trasa dálnice začíná u obce Časy v km 16,800, kde volně navazuje na předchozí úsek dálnice D35 Opatovice–Časy. Dále pokračuje okolo ptačí oblasti Komárov až k mimoúrovňové křižovatce Dašice, kde kříží silnici II/322. Trasa dále vede podél jižní strany Horní a Dolní Rovně až k vodoteči Loučná, kterou přemosťuje patnáctipolová estakáda.

Následně dálnice přemosťuje šestikolejnou železniční trať Praha–Česká Třebová u stanice Uhersko a silnici III/32263. Most délky 176 m je navržen právě s ohledem na křížení uvedené železniční trati. Výstavba mostu je navržena otáčením dvou symetrických vahadel s poloměrem otáčení R = 45,1 m. Za tímto mostním objektem bude vyztužená přechodová oblast výšky 12 m, která navazuje na hlavní trasu SO 101 s násypem max. výšky cca 13,5 m.

Dále trasa volně pokračuje zářezem skrz mimoúrovňovou křižovatku (MÚK) Ostrov. Úsek končí v km 31,500 provizorním napojením na silnici I/17. Celkem je na stavbě 22 mostních objektů s celkovou délkou 1 400 m. Trasa dálnice prochází pěti zářezy a jedním odřezem, které jsou z 80 % tvořeny poloskalními horninami charakteru slínovce v různém stupni navětrání. Tento materiál byl využit při výstavbě násypových těles.

Poloskalní hornina

Slínovec, který byl zastižen v rámci těžby, lze vzhledem k jeho náchylnosti ke zvětrávání zařadit mezi tzv. poloskalní horniny. Dle neplatné ČSN 73 1001 jsou poloskalní horniny z hlediska svých vlastností zpevněné horniny vykazující menší pevnost a větší stlačitelnost. Jako poloskalní horniny byly označovány horniny s pevností v prostém tlaku σ_c = 1,5 až 50 MPa [1].

Geologická stavba v trase

Geologická stavba zájmové oblasti je poměrně jednoduchá. Předkvartérní podloží je tvořeno svrchnokřídovými horninami, které jsou součástí České křídové tabule. Zastižené sedimenty spadají do bělohorského souvrství.

Trasa dálnice D35 Časy–Ostrov prochází šesti zářezy, z toho jedním odřezem. U zářezu v km 22,422 až 22,750 a v km 25,300 až 25,650 je půdní horizont po celé délce tvořen písčitou hlínou F3 MS s organickou příměsí, popř. hlínou se střední plasticitou F5 MI tuhé konzistence. Mocnost půdního horizontu je od 0,1 po 0,5 m, horizont následně nasedá na podložní křídové slínovce.

V první polovině zářezu Z3 v km 26,900 až 27,100 se nacházejí písky a štěrky fluviálního původu, a to do hloubky až 8 m pod původním terénem. Od km 27,150 je pod vrstvou ornice o mocnosti 0,5 až 1,0 m vrstva hlinitých písků S4 SM a písčitých jílů F4 CS hnědé barvy. Tato vrstva následně nasedá na křídové slínovce. Do konce zářezu v km 27,550 vystupují slínovce až pod vrstvu ornice.

Niveleta trasy prochází od km 29,800 křídovými slínovci třídy pevnosti R4 až do km 30,120, kde je následně niveleta trasy tvořena písky a štěrky. Ke konci zářezu od km 30,490 vystupují k povrchu jíly s vysokou plasticitou F8 CH. Konec zářezu je opět tvořen písčitými zeminami. Písky, štěrky a jíly kvartérního stáří jsou eolického a fluviálního původu.

Hladina podzemní vody je téměř po celé trase mírně napjatá s výtlačnou výškou až 3 m. Na trase je podzemní voda vázaná na písčité kvartérní sedimenty nebo na zvětralé křídové sedimenty [2].

Slín a slínovec

Slín je usazená nezpevněná hornina složená ze směsi jílu (25–75 %) a vápence (25–75 %), jejž zpevněním za vysokého tlaku vzniká slínovec. Geologická společnost je rozdělena na dvě skupiny. Jedni, kteří volně používají termín slínovec, druzí, kteří používají označení jílovitý vápenec či vápnitý jílovec, podle obsahu jílu. Slínovec je na lomu převážně šedé až tmavošedé barvy s lasturnatou odlučností.

Mnohdy slín a slínovec připomínají běžné jíly nebo jílovce. Podle obsahu uhličitanu vápenatého (CaCO₃) je někdy dělíme na nízkoprocentní (25–50 % CaCO₃) a vysokoprocentní (50–75 % CaCO₃). Většina z nich je mořského původu.

Můžeme se setkat i se slínovci sladkovodního původu. Slínovec je hojně zastoupená hornina v oblasti české křídové pánve, vyskytuje se i v neogenních sedimentech karpatské soustavy. Volně používaný technický název pro písčitý slínovec je „opuka“ [3].

Mineralogické složení slínovce

Na základě mineralogických analýz (RTG difrakční analýzy) byly ve slínovcích identifikovány především křemen (SiO₂), kalcit (CaCO₃)_, muskovit a kaolinit. Ve dvou případech obsahoval slínovec montmorillonit a nontronit.

Minerály montmorillonitové skupiny (někdy nazývané smektity) mají schopnost výměny iontů. Charakteristickou vlastností montmorillonitu je možnost expanze, tj. adsorpce vody mezi jednotlivými vrstvičkami. Nontronit je montmorillonit bohatý na železo (Fe).

Minerály této skupiny vznikají zvětráváním bazických hornin a silikátů chudých na draslík, a to v alkalických podmínkách za přítomnosti vápníku (Ca) a hořčíku (Mg). V zářezu Z2 v km 25,300 až 25,650 se v puklinách slínovce vysrážel sádrovec (CaSO₄.2H₂O) tvořící vrstvy o tloušťce až 5 mm (obr. 3). Po zvětrávání slínovců s polohami sádrovce se vytvořil bělavý povlak na povrchu slínovce (obr. 4) [3].

Zabudování slínovců v rámci stavby D35 Časy–Ostrov

V rámci těžby zářezu Z2 v km 25,300 až 25,650 byl materiál (navětralý slínovec) zatříděn a předložen zhotovitelem ke schválení jako jíl s vysokou plasticitou (F8 CH). Původní vzorek nesplňoval požadované parametry dle ČSN 73 6133 pro použití do násypu bez úpravy.

Hodnota IBI se pohybovala okolo 6 %. Z tohoto důvodu se zhotovitel přiklonil k úpravě materiálu (navětralý slínovec) 3 % vápna CL 90. Po této úpravě se hodnota IBI pohybovala v rozmezí mezi IBI = 13–16 % s optimální vlhkostí v rozmezí w_opt = 22,3–28,9 %. Hodnota lineárního bobtnání Ls = 0,1 % nepřekročila požadavek dle ČSN 73 6133 (Ls= max. 3 %).

Následně byla upravená zemina (F8 CH s 3 % CL 90) ukládána do hutněného násypu. Po přejezdu zemní frézou při úpravě vápnem nedošlo k rozrušení větších úlomků a bloků slínovce a upravený materiál vykazoval velkou hrudkovitost. Z tohoto důvodu byly práce pozastaveny a byla provedena opětovná zhutňovací zkouška pro zvolení vhodnější technologie úpravy navětralých slínovců.

Nejprve byla provedena úprava s využitím zemní frézy, při níž bylo vyhodnoceno, že budou potřeba min. 4 pojezdy zemní frézou tak, aby bylo zajištěno splnění kritéria hrudkovitosti pro následnou úpravu pojivy. Druhou alternativou úpravy bylo použití slínovců bez úpravy a jejich hutnění ježkovým válcem.

Výsledkem této zkoušky bylo doporučení hutnit neupravené slínovce dvěma pojezdy ježkového válce s následným jedním pojezdem hladkým válcem. Na základě zhutňovací zkoušky bylo rozhodnuto, že materiál (slínovec) bez úpravy pojivy bude do násypové vrstvy ukládán do jádra, bude hutněn kombinací ježkového a hladkého válce a z vnější strany ochráněn hrázkami z vhodného materiálu, popř. podmínečně vhodného materiálu ve smyslu ČSN 73 6133.

Fyzikálně-mechanické vlastnosti v čase

V rámci stavby byly na vzorcích slínovců provedeny zkoušky pevnosti v prostém tlaku, mrazuvzdornosti, nasákavosti a rozpadavosti.

Pevnost v prostém tlaku

Pro všechny slínovce v trase byla typická vysoká prvotní pevnost, která byla in situ dokumentována jako R5 až R4, dokonce ve větších hloubkách nad 5 m i R3. Po vyschnutí docházelo k úbytku pevnosti. Tato vlastnost byla prokázána na základě zkoušek, kdy došlo k časové prodlevě u přepravy materiálu ze stavby do laboratoře.

Po týdenním zpoždění došlo k takovému poklesu pevnosti, že nebylo možné z materiálu vyřezat zkušební hranol a materiál se ještě před zkouškou rozpadal. Následně na to byly odebrány nové vzorky z téhož místa, které byly zabaleny do mokré látky a až poté skladovány v pytli. Při takto skladovaném materiálu byla po třídenním rozdílu mezi odběrem a zkouškou pevnost v prostém tlaku 5,64 MPa, tj. pevnost v prostém tlaku dle ČSN 73 6133 při spodní hranici třídy R4.

O sto metrů dále byla provedena zkouška pevnosti v prostém tlaku in situ pomocí zkušebního lisu MATEST A125, kde byla na 5 zkušebních vzorcích z čerstvě vytěžené horniny stanovena průměrná pevnost v prostém tlaku 6,1 MPa.

Stanovení odolnosti proti zmrazování a rozmrazování

Hornina byla v rámci zkoušky odolnosti proti zmrazování a rozmrazování opakovaně zmrazována dle ČSN EN 1367-1 2007. Dílčí navážky v mrazicím boxu byly vystavovány sérii 10 zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů, kdy se teplota sníží z 20 ± 5 °C na 0 až -1 °C. Tato teplota se udržuje po dobu 210 ± 90 minut.

Následně se teplota opět sníží na -17,5 ± 2,5 °C a udržuje se po dobu nejméně 240 minut. Po ukončení každého zmrazovacího cyklu se vzorky rozmrazí ponořením do vody o teplotě cca 20 °C. Vzorek je rozmražen v době, kdy je dosažená teplota 20 ± 3 °C. Každý rozmrazovací cyklus musí být ukončen během 24 hodin.

Vzorky horniny ze všech zářezů v trase se rozpadly na střípky již po 4. zmrazovacím cyklu [4].

Nasákavost a rozpadavost

Hornina byla podrobena zkoušce nasákavosti dle ČSN EN 1097-6 a rozpadavosti dle ČSN EN ISO 14689-1. Po zkoušce rozpadavosti byl materiál vyhodnocen jako nestabilní, tj. vzorek se rozpadá nebo se téměř celý povrch vzorku rozloží. Při dokumentaci zářezu a následné zkoušce bylo zjištěno, že slínovec ze stavby v případě jeho ponoření ve vodě neztrácí pevnost a nerozpadá se.

Bobtnavost a bobtnací tlak

Dle TKP 4 čl. 4.5.2.3 „…náchylnost hornin k objemovým změnám, poklesu pevnosti v důsledku působení klimatických změn a působení vody se rovněž posuzuje dle ČSN EN 1997-2…“. Na základě výše uvedeného byla v průběhu těžby ověřována náchylnost k objemovým změnám v oedometru. Zkouška byla prováděna dle Metodiky laboratorních zkoušek v mechanice zemin a hornin, ČGÚ.

Při stanovení lineárního bobtnání na původní hornině tř. pevnosti R5 a výš byl výsledek do Ls = 1,7 %. Původní hornina vykazovala teda malou hodnotu lineárního bobtnání, která splňovala požadavek dle ČSN 73 6133 čl. 4.1.3 „…u zemin a hornin nesmí docházet k objemovým změnám větším než 3 %…“. U téhož materiálu byl vyhodnocen i bobtnací tlak v rozmezí od 50 do 205 kPa.

U slínovce v zářezu, u něhož byla změřena nejnižší hodnota lineární bobtnání Ls = 0,7 %, vycházela vysoká hodnota bobtnacího tlaku 205 kPa.  Po dobu 14 dní působily na zářez klimatické jevy (vítr, slunce, déšť) a stavební technika. Poté byl z téhož místa odebrán vzorek slínovce a byly opětovně provedeny zkoušky s výsledkem Ls = 5,6 % a bobtnací tlak = 105 kPa. Tudíž došlo ke zvýšení hodnoty lineárního bobtnání za poklesu bobtnacího tlaku [6, 7].

Závěr

Zemní práce se slínovci nejsou na území České republiky neznámé. Slínovec je široký pojem, nelze tudíž ke všem horninám označovaným jako slínovec přistupovat stejně. Kvůli jejich vlastnostem k nim však nelze přistupovat jako k běžným zeminám/horninám. S horninou nelze zacházet jako se zeminou.

Zkoušky musí být s ohledem na vlastnosti těchto hornin uzpůsobeny tak, aby nedocházelo k rutinnímu zatřídění, kdy bude slínovec označen zařazen mezi štěrky (obvykle G3 G-F) nebo jíly (obvykle F8 CH). Vždy je nutná zhutňovací zkouška, která stanoví postup zpracování daného materiálu.

V případě ověření lineárního bobtnání je nutné vždy postupovat podobně jako u stanovení zrnitosti v případě kamenité sypaniny, tj. po zhutňovací zkoušce.

Po zkušenostech je vhodné při přepravě slínovce do laboratoře zachovat jeho přirozenou vlhkost, například zabalením do mokré látky. Úplné ponoření do vody při přepravě se nedoporučuje vzhledem k možné rozpadavosti pod vodou.

Před dalším zabudováním slínovce je vhodné určit jeho chování s ohledem na působení klimatických vlivů na základě zkoušek rozpadavosti a mrazuvzdornosti.

Na základě výsledků zkoušek bylo zjištěno, že původní hornina vykazuje malé hodnoty lineárního bobtnání za vysokých hodnot bobtnacího tlaku. Avšak v případě jeho mechanické úpravy dochází k nárůstu lineárního bobtnání a k mírnému poklesu bobtnacího tlaku.

Stanovení objemových změn na původní hornině (za předpokladu její následné úpravy) lze proto brát pouze jako informativní, přičemž objektivní hodnota objemových změn je až ta změřená po zhutňovací zkoušce na odebraných vzorcích na takto upravené vrstvě.

V rámci stavby nebyl slínovec upravován vápnem, ani jinými pojivy. Od úpravy pojivy bylo upuštěno kvůli náchylnosti slínovce na objemové změny vlivem chemických reakcí mezi pojivy, sádrovcem a minerály náchylnými k bobtnání (montmorillonit a nontronit).

Slínovec byl v rámci stavby ukládán do jádra násypu mezi hrázky, které byly z vhodného materiálu ve smyslu dle ČSN 73 6133. Do hrázek byly převážně použity zeminy charakteru písků, jílovitých písků a upravených jílů. Tímto bylo zabráněno případnému promrzání, rozpadu a průniku vody do jádra násypu.

Násyp byl oddělen od podloží drenážní vrstvou z hrubozrnného materiálu, čímž bylo zamezeno případnému vzlínání vody do násypu. Pro poslední vrstvy násypu, tj. po aktivní zónu včetně bude použit materiál vhodný do násypu dle ČSN 73 6133 tak, aby byl vyloučen případný negativní vliv bobtnacího tlaku na podkladní vrstvy komunikace.

Literatura

1. ČSN 73 1001: Zakládání staveb. Základová půda pod plošnými základy. NEPLATNÁ. Praha: Úřad pro normalizace a měření, 1988.
2. Jozef OSLÁČ, Jakub ŠINDELÁŘ, Jan PRES, Jana VOSÁHLOVÁ, Jana TRHLÍKOVÁ a Karel PICHL. Podrobný geotechnický průzkum R35 Časy–Ostrov: Pragoprojekt, a. s. Praha, 2017.
3. Jan PETRÁNEK, Jiří BŘEZINA, Eva BŘÍZOVÁ, Jan CHÁB, Jan LOUN a Přemysl ZELENKA. Encyklopedie geologie. Praha: Česká geologická služba, 2016. ISBN 978-80-7075-901-1.
4. ČSN EN 1367-1: Zkoušení odolnosti kameniva vůči teplotě a zvětrávání – Část 1: Stanovení odolnosti proti zmrazování a rozmrazování. Praha: Úřad pro normalizace a měření, 2007.
5. ČSN EN ISO 14689-1: Geotechnický průzkum a zkoušení – Pojmenování a zatřiďování hornin – Část 1: Pojmenování a popis. Praha: Úřad pro normalizace a měření, 2004.
6. ČSN 73 6133: Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací. Praha: Úřad pro normalizace a měření, 2010.
7. Technické kvalitativní podmínky staveb pozemních komunikací: Kapitola 4 Zemní práce[online]. Praha: Ministerstvo dopravy, Odbor pozemních komunikací, 2017 [cit. 2021-01-05]. Dostupné z: http://www.pjpk.cz/data/USR_001_2_6_TKP/TKP_4_2017.pdf
8. PETRÁNEK, Jan. Usazené horniny – Jejich složení, vznik a ložiska. Praha: ČSAV, 1963.