Navrhování a výstavba konstrukčních systémů opěrných zdí a strmých svahů

Opěrné konstrukce ze zemin vyztužených geosyntetiky se začaly používat s příchodem nových stavebních materiálů začátkem devadesátých let minulého století. První konstrukce byly spíše výsledkem technického nadšení, které později vystřídal rostoucí zájem stavebních firem vzhledem k nesporné ekonomické výhodnosti jejich použití.

Zlepšování přirozených vlastností zemin a hornin pomocí geosyntetických výztuh výrazně rozšiřuje škálu využitelnosti zemních konstrukcí. Pro jejich navrhování otvírá zcela nové možnosti, které jsou srovnatelné snad jen s objevem železobetonu ve své době.

Vlastnosti vyztužené zeminy umožňují vytváření konstrukcí zcela nových tvarů a dimenzí. Pro uživatele těchto konstrukcí představují šanci zejména pro efektivnější využití pozemků, snížení objemu zemních prací a s tím spojených negativních dopadů, nebo možnost výstavby v obtížných či proměnlivých terénních podmínkách.

Nejčastějšími oblastmi použití vyztužených zemních konstrukcí jsou násypová tělesa silničních a železničních staveb, zemní tělesa budovaná v rámci terénních úprav pro výstavbu průmyslových, obchodních i obytných souborů, případně sanace povrchových sesuvů svahů v územích s přirozeným sklonem terénu.

Opěrné systémy pro vyztuženou zeminu

Všechny opěrné konstrukce ze zemin vyztužených geosyntetiky jsou vytvářeny třemi základními prvky:
–    vlastní zeminou nebo horninou,
–    geosyntetickými výztuhami,
–    lícovým prvkem a spojovacím prvkem.

Podmínkou fungování každé opěrné konstrukce z vyztužené zeminy je pak dokonalé spolupůsobení všech těchto základních prvků. Její návrh musí zajistit:
–    dostatečnou pevnost a životnost geosyntetických výztuh,
–    dostatečnou pevnost a životnost lícových prvků,
–    dlouhodobé spolehlivé spolupůsobení výztuhy a zeminy,
–    dlouhodobé spolehlivé spolupůsobení výztuhy a lícního prvku.

Prokazování každé z uvedených vlastností opěrné konstrukce je poměrně obtížné, časově i finančně náročné, proto jsou do praxe postupně zaváděny systémy určené pro opěrné konstrukce z vyztužené zeminy. Tyto systémy představují soubory prvků, jejichž vzájemné spolupůsobení je prokazováno předem za pomoci rozsáhlých testů, a mohou tak být použity v návrhu bez nutnosti jejich ověřování pro každý jednotlivý případ. Některá notifikovaná zkušební pracoviště, která testy provádějí, posuzují kromě spolupůsobení jednotlivých prvků i metodiku návrhu systému a podmínky jeho provádění. Po provedení potřebných testů je každému systému vystaveno stavebně-technické osvědčení, případně certifikát.

Rozdělení opěrných systémů a používané materiály

Opěrné systémy pro konstrukce ze zemin vyztužených geosyntetiky se dělí podle několika kritérií. Z hlediska začlenění konstrukce do krajiny je nejdůležitější vzhled konstrukce, který je definován použitým lícovým prvkem. Nejčastěji se používají:
–    vibrolisovaná tvarovka se štípaným povrchem,
–    prefabrikovaný betonový panel,
–    svařovaná ocelová síť vyplněná zeminou nebo kamenivem.

Dále je možné se setkat s líci, které tvoří kamenná rovnanina s cementovou maltou, cihelný obklad, vodorovná dřevěná nebo plastová palisáda. Volba líce je do značné míry věcí estetickou, nicméně je nutné vždy přihlédnout k podmínkám použití systému.
Geosyntetické výztuhy pro opěrné systémy se nejčastěji vyrábějí z vysokohustotního polyetylenu (HDPE) nebo polyesteru (PET).

Každá z těchto výrobních surovin má svoje výhody i nevýhody. HDPE vyžaduje pro dosažení určité pevnosti spotřebu většího množství polymeru, avšak je zcela netečný vůči působení chemických látek v zemním prostředí. PET má vlastnosti zcela opačné, tedy pro dosažení stejné pevnosti vyžaduje nižší množství polymeru, ale má tendenci podléhat hydrolýze při zvýšené zásaditosti okolního prostředí, což je ve stavebnictví častým jevem (cement, vápno).

Nejčastějšími materiály používanými pro líce jsou beton a ocel. Betonové líce se technologicky provádějí buď formou litého betonu (panelové systémy, monobloky), většinou armovaného betonářskou výztuží, nebo formou vibrolisovaného betonu (drobné tvarovky), většinou štípaného provedení. Z hlediska kvality by betony měly vykazovat pevnostní třídu C 25/30 a stupeň vlivu prostředí XF2, pro konstrukce v bezprostřední blízkosti silničních komunikací pak XF4.

Pokud je lícním prvkem ocel, musí být chráněna žárovým pokovením slitinou zinku a hliníku Z hlediska kvality by pokovení mělo vykazovat ve slitině alespoň 5 % hliníku při tloušťce 300 g/m2, pro konstrukce v bezprostřední blízkosti silničních komunikací by pak mělo být pokovení provedeno kvalitnějšími slitinami s vyšším obsahem hliníku (např. Bezinal 2000) s tloušťkou alespoň 270 g/m2.

Volbu systému ovlivňuje do značné míry způsob použití, a to zejména kvalita podloží, ve kterém má být opěrný systém umístěn. V podmínkách podloží s nízkou únosností nebo ve špatně dostupném terénu jsou vhodnější měkké systémy, při dobrých základových podmínkách a dostupnosti lze pak volit tuhé systémy.

Volba typu konkrétního systému závisí především na jeho poddajnosti vůči nerovnoměrné podélné deformaci konstrukce. U polotuhých líců je možné připustit, bez projevujících se poruch, podélnou nerovnoměrnost řádově v hodnotách 1:100 (tj. 1 cm/1 bm konstrukce), oproti tomu měkké líce připouští podle normy BS 8006:2010 hodnoty až více než dvojnásobné.

Při výběru vhodného opěrného systému je nutné vzít v úvahu i navrhovaný sklon líce opěrné konstrukce. U systémů s nevegetačním povrchem jsou limitujícími především možnosti montáže a nároky na různá podpůrná zařízení nebo zavětrování během montáže. Při použití líce, který bude pokryt v konečném stavu vegetací, hraje rozhodující roli schopnost udržet v oblasti kořenového systému vegetačního pokryvu dostatečnou vláhu. Rozhodnutí o maximálním vhodném sklonu pak ovlivňuje i očekávaná expozice slunečnímu záření, tedy orientace vůči světovým stranám a zastínění jinými objekty.
Přehled opěrných systémů je na obr. 1.

Výběr vhodného opěrného systému

Pro výběr vhodného opěrného systému je tedy zapotřebí vzít v úvahu značné množství často protichůdných požadavků. Na základě uvedeného předchozího popisu patří mezi nejdůležitější zvažované faktory při výběru vhodného systému
–    architektonické začlenění konstrukce do krajiny,
–    lokální geotechnické podmínky,
–    návrhová životnost konstrukce,
–    používání konstrukce, provozní podmínky a nezbytná údržba,
–    místní prostorová omezení a kolize s inženýrskými sítěmi,
–    možnosti využití místních zemin,
–    rozpočtová omezení.

Nejvhodnější opěrný systém lze tedy vybrat na základě správné specifikace jednotlivých faktorů. Bohužel, v současné praxi je příliš potlačena role investora a projektanta a ponechává se přílišná volnost prováděcím organizacím. Výsledkem je preference pouze cenového hlediska na úkor všech ostatních.

Příklad systému se zeleným lícem

Zelených líců opěrných systémů konstrukcí ze zemin vyztužených geosyntetiky je dosahováno vytvořením líce ocelovou svařovanou sítí, která zadržuje tenkou humózní vrstvu zeminy tvořící úrodnou půdu použitého vegetačního pokryvu, obvykle trávy (obr. 2). Tyto systémy vynikají zejména
–    přírodním vzhledem,
–    nízkou cenou,
–    rychlou výstavbou,
–    vyšší tolerancí k nerovnoměrnému sedání.

Zvláště pro první dvě uvedené vlastnosti se tyto systémy stávají v současné době stále populárnější a do značné míry vytlačují betonové líce, a to i tehdy, kdy to není technicky vhodné. Protože ocel je přirozeně korozivní materiál, zvláštní důležitosti u těchto systémů nabývá kvalita ochrany svařovaných ocelových sítí proti korozi.

Výškové oddělení silnice a cyklostezky v Prášilech na Šumavě
Při návrhu cyklostezky na frekventované komunikaci bylo pro větší bezpečnost cyklistů navrženo výškové oddělení plánované cyklostezky od stávající silnice. Na existující kamennou zídku byl navržen strmý svah se sklonem 70° o délce 420 m a výšce až 3,5 m. V koruně svahu bylo osazeno zábradlí pro zvýšení bezpečnosti cyklistů.

Příklad systému s lícem vyplněným kamenivem

Opěrné systémy s lícem vyplněným kamenivem (obr. 3) jsou konstrukčně shodné se systémy pro zelené líce. Jejich použití je však výhodné zejména
–    v prostředí s nedostatkem vláhy,
–    u konstrukcí s velmi vysokým sklonem líce,
–    v kontaktu s vodním tokem,
–    v místech s poškozeným ekosystémem.

Sanace sesuvu svahu na silnici II/237 v Novém Strašecí
V květnu 2011 došlo po jarních deštích k opakovanému sesuvu svahu, který částečně zavalil silnici a ohrozil domy a místní komunikaci na vrcholu svahu. Příčinou byla skladba hornin (střídání jílovců a pískovců) s jejich nepříznivými vlastnostmi a srážková voda přitékající do svahu z nadzářezové části spolu se zvětráváním a vlivem mrazu.

Pro svou jednoduchost při výstavbě, cenu, možnost provádět výstavbu i v nepříznivých klimatických poměrech (zimní měsíce) a splnění výše uvedených podmínek se projektant rozhodl pro sanaci sesuvu svahu pomocí jednotlivých konstrukčních celků ze systému pro výstavbu opěrných konstrukcí z vyztužené zeminy se sklonem 1 : 1,5. V dolní části svahu byl vzhledem k nutnosti osazení svodidel navržen kolmý líc o výšce 1,2 m. Líc je proveden z ocelových prvků s protikorozní ochranou zabraňující projevům koroze po dobu minimálně 90 let. V koruně svahu je místní přístupová komunikace. Celková pohledová plocha líce svahu je cca 2 000 m2, délka 75 m, šikmá výška až 27 m.

Příklad systému s lícem ze štípaných tvarovek

Systémy opěrných konstrukcí s lícem z betonových tvarovek (obr. 4) se staly oblíbenými pro některé své výhody, mezi které patří zejména
–    nízké nároky na základovou půdu,
–    minimální nároky na manipulační techniku,
–    minimální nároky na staveništní komunikace,
–    nižší cena v porovnání s panelovými systémy.

Tyto přednosti vedly v minulých letech k vybudování mnoha objektů od zídek terénních úprav zahrad až po konstrukce převádějící silniční nebo železniční dopravu.

Opěrná zeď v areálu obchodního v Jihlavě
Developer stavby hledal co nejlevnější alternativní řešení k původně navržené úhlové monolitické zdi s gabionovým čelem kotvené do skalního podkladu. Protože objekt slouží pro příjezd zásobovacích kamionů, požadoval developer garanci minimálních deformací konstrukce. Opěrná konstrukce je složena ze dvou navzájem kolmých přímých úseků o délkách 80 a 18 m. Výška konstrukce je proměnná, s maximální hodnotou 12 m. Jako zásyp bylo použito místního kameniva předrceného na frakci 0/63 mm.

Vzhledem k mimořádným nárokům na přesnost geometrie líce bylo při výstavbě prováděno průběžné měření, jehož výsledky byly po vyhodnocení použity pro provádění geometrických korekcí. Ukončení líce je provedeno prefabrikovanými římsovými tvárnicemi, do nichž je kotveno ochranné svodidlo a v kratším přímém úseku i protihluková stěna.

Příklad systému s lícem z panelů

Systémy opěrných konstrukcí s panelovými líci (obr. 5) se používají hlavně u větších dopravních staveb, kde je možné použít některých výhod, mezi které patří
–    mimořádná tuhost líce,
–    rychlá montáž a výstavba,
–    malá citlivost líce na účinky vibrací při hutnění.

Výstavba panelových systémů ovšem na druhou stranu vyžaduje větší montážní prostředky, a tedy vybudování spolehlivých přístupových komunikací. Je tedy vhodná pro stavební firmy s dobrou mechanizací a kvalifikovaným personálem.

Mostní opěry na dálnici D1 v úseku Jánovce – Jablonov
Slovenská dálnice D1 nedaleko města Levoča v úseku Jánovce – Jablonov překračuje kruhový objezd na přeložce komunikace 533 dvěma mostními objekty umístěnými asi 15 m nad terénem. Protože mezi mostními objekty je poměrně krátký úsek násypu vystavěného na stlačitelném podloží, byla pro vytvoření opěr využita konstrukce ze zeminy vyztužené geosyntetickými výztuhami.

Toto řešení zajišťuje mostním objektům obdobné sedání, jaké vykazuje přilehlé násypové těleso. Pro vybudování těchto objektů byla zvolena konstrukce s vysokými obdélníkovými panely osazenými na betonovém základu. Základová spára tvořená měkkými náplavami byla v oblasti mostních opěr sanována drceným kamenivem. Panely jsou kotveny pomocí předem zabetonovaných geosyntetických výztuh z HDPE. Opěry objektů dosahují maximální výšky 11,5 m.

Zkušenosti s využitím opěrných systémů

Použití opěrných systémů ze zemin vyztužených geosyntetiky přináší celou řadu výhod pro všechny účastníky stavebního procesu od investora po dodavatele stavebních prací. Přestože je koncept řešení opěrných zdí pomoci systémů vyztužených geosyntetiky poměrně jednoduchý, nelze zapomínat, že
–    návrh systému musí provádět odborník, nejlépe specialista na vyztuženou zeminu,
–    jedním z elementů je zemina, kvalitní návrh vyžaduje znalost jejich vlastností,
–    provádění konstrukce je jednoduché, ale vyžaduje dodržování kvality práce.

Ze zkušeností lze říci, že tyto konstrukce jsou pro svou relativní jednoduchost podceňovány. Stále je potřeba mít na paměti, že  jde o konstrukce spadající do 3. geotechnické kategorie.
Mezi nejčastější nešvary navrhování a výstavby opěrných systémů patří
–    nedostatečný průzkum, chybné geotechnické posouzení a chyby v projektové dokumentaci,
–    volba nevhodných materiálů, jejich kombinace nebo záměny projektem definovaných materiálů v průběhu výstavby,
–    nekvalifikovaný personál a neodborné provádění zemních prací.

I přes tyto nešvary patří opěrné systémy ze zemin vyztužených geosyntetiky ke stále více používaným konstrukcím pro vytváření opěrných zdí nebo strmých svahů. Přináší řadu výhod, mezi které patří
–    atraktivní vzhled s možností volby odpovídající prostředí,
–    levnější výstavba než u tradičních konstrukcí,
–    není nutná specializovaná stavební technika,
–    jednoduchá a rychlá výstavba,
–    možné využití místního zásypového materiálu,
–    není nutný zábor půdy mimo konstrukci,
–    stejná životnost všech komponent,
–    certifikovaný systém.

Dodavatelé systémů poskytují rozsáhlou technickou podporu, která obvykle obsahuje návrh řešení a zpracování projektové dokumentace, dodávku prvků systému, certifikátů, instalačních postupů, případně asistenci při realizaci.

Design and construction of structure systems for supporting walls and steep slopes
Supporting structures of geosynthetic material reinforced soil started to be used along with the arrival of new building materials at the beginning of the nineteen nineties. The first structures were more a result of technical enthusiasm, which was later replaced by the ever-growing interest of building companies caused by the undoubtable economic benefits of their application. The article talks about the importance and application of reinforced soil supporting structures and the materials used. The selection of appropriate solutions is presented on examples.

TEXT: Ing. Petr Hubík
FOTO a OBRÁZKY: GEOMAT Slovakia s.r.o.
____________________________________________________________
Petr Hubík působí ve společnosti GEOMAT Slovakia s.r.o.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inženýrské stavby 4/2016.