Navrhování a výstavba konstrukčních systémů opěrných zdí a strmých svahů, II. Část

Opěrné konstrukce ze zemin vyztužených geosyntetiky si při svém návrhu vyžadují znalosti zejména ze statiky a geotechniky, vhodná je také znalost vlastností stavebních materiálů, především plastů. Jedná se o relativně jednoduché konstrukce, které si ale vyžadují při svém provádění dodržení zásad kvalitní výstavby.

Návrhová hlediska a výpočetní postupy

K základním přednostem opěrných systémů z vyztužené zeminy patří vysoká bezpečnost, dlouhodobá životnost, snadná proveditelnost a estetický vzhled a také snadná údržba s minimálními nároky na její provádění. Dosažení dostatečného standardu těchto kritérií ovlivňuje celá řada faktorů.

K nejdůležitějším patří výběr systému s odpovídajícími kvalitativními prvky, zkušenost projektanta a zvolený výpočetní postup. Problematika navrhování opěrných systémů je poměrně mladým oborem a neustále se vyvíjí. Výpočetní metody se stále upravují a zdokonalují na základě získávání nových poznatků z výzkumných pracovišť, ale také při sledování chování celé řady konstrukcí vybudovaných v minulých letech.

NEPŘEHLÉDNETE

NAVRHOVÁNÍ A VÝSTAVBA KONSTRUKČNÍCH SYSTÉMŮ OPĚRNÝCH ZDÍ A STRMÝCH SVAHŮ, I. Část

Návrhové postupy se v současné době poměrně liší podle zvyklostí jednotlivých regionů, ve kterých vznikly. Ve většině vycházejí používané návrhové postupy z metodik některých výrobců geosyntetik. Postupně dochází k přejímání některých zavedených postupů do národních návrhových norem (např. Velká Británie používá normu BS8006 Vyztužené zeminy a jiné výplně), případně do závazných postupů nezávislých národních institucí (např. v Německu certifikuje výpočetní postupy Deutches Institut für Bautechnik), nebo k přejímání významnými národními investory (např. v USA prezentuje vlastní výpočetní postupy Federal Highway Administration).

Pokud se jedná o Česko nebo Slovenskou republiku, nemáme žádnou normu ani postup, který by tyto státy vyžadovaly nebo doporučovaly. Existují pouze dílčí předpisy státních správců dopravní infrastruktury (např. v ČR TP 97 Geosyntetika v zemním tělese pozemních komunikací), které se problematiky navrhování okrajově dotýkají. V ostatním platí úplná návrhová volnost.

Výpočty opěrných konstrukcí z vyztužené zeminy

Metody výpočtu opěrných konstrukcí ze zemin vyztužených geosyntetiky jsou analytické a/nebo matematické. Většina analytických metod, tedy metod obsahujících exaktní analytický výpočet, prokládá geosyntetiky vyztuženou oblastí zeminy (tzv. vyztuženým zeminovým blokem) smykovou plochu, na dané ploše definuje podmínky rovnováhy a vypočtenou nerovnováhu kompenzuje vodorovnou složkou, z níž se následně vypočítává potřebná pevnost výztuhy.

Předností analytických metod je jejich jednoznačný algoritmus, relativní jednoduchost, kontrolovatelnost a malé nároky na vstupní údaje. Nevýhodou je omezená použitelnost daná předpoklady použité teorie (např. že „vyztužený zeminový blok se chová jako tuhý homogenní celek“), která neumožňuje řešit úlohy komplexnější povahy. Analytické metody také neřeší deformační chování opěrných konstrukcí ze zemin vyztužených geosyntetiky.

Pro zkoumání tohoto chování je nutné použít matematické metody modelování, v nichž se nejčastěji užívá metoda konečných prvků (FEM, obr. 2) a/nebo metoda diskrétních částic (DEM). Oba tyto modely jsou schopny počítat komplexně geotechnickou problematiku včetně vyztužené zeminy s tím, že obě metody bohužel neumí v současné době dostatečně modelovat vliv výztuh v zemině. Slouží tedy jako doplňkové metody k metodám analytickým, zejména při ověřování celkového chování masy zeminy.

Obr. 1 Výpočet vnitřní stability vyztuženého zeminového bloku = ukázka kruhové smykové plochy

Obr. 2 Metoda FEM – modelování deformací

Výběr prvků

Výběr vhodných prvků opěrných systémů ze zemin vyztužených geosyntetiky, které svým provedením a kvalitou odpovídají požadavkům, patří k nejdůležitějším činnostem projektanta, protože jeho volba do určité míry ovlivňuje splnění všech návrhových kritérií. Pro lepší přehlednost uvádíme stručný popis nejdůležitějších hledisek, podle kterých je možno posuzovat jednotlivé prvky systémů.

Vibrolisované tvarovky
Výchozími hledisky použití tvarovky jsou její tvar, hmotnost a rozměry. S ohledem na manipulaci a váhové limity manipulace břemen je právě hmotnost tvarovek hlavní příčinou tvorby různých dutin, které se musí následně při výstavbě vyplňovat. Pokud se tedy tvarovky provádějí jako plné, jsou obvykle menších rozměrů. Vlastní tvar potom určuje možnosti půdorysného zakřivení konstrukce a také proveditelnost rohů.

Tvar také definuje možnosti sklonu líce. Z hlediska estetického se technologií vibrolisovaného betonu vyrábějí nejčastěji tzv. štípané tvarovky, které jsou obecně lépe přijímány. Nepravidelnost štípaného povrchu snižuje také nároky na přesnost zdění, na rozdíl od tvarovek vyráběných v tzv. hladkém provedení. Protože jsou při výstavbě tvarovky skládány nasucho, ovlivňuje jejich stabilitu při výstavbě kromě rozměrů i členitost vodorovné kontaktní spáry.

Vhodnější je členitá spára opatřená buď smykovým ozubem, nebo alespoň drážkami pro vložení elementu vytvářejícího vodorovný smykový odpor. Minimální požadavky na kvalitu betonu tvarovek představuje beton třídy C30/37 se stupněm odolnosti vůči vlivu prostředí XF4.

Panely
Na rozdíl od tvarovek jsou panely vyráběny z litého betonu a požadavky na hmotnost a rozměry souvisí spíše s rychlostí výroby a možnostmi přepravních prostředků než s vlastní manipulací na staveništi. Z hlediska tvaru se nejčastěji používají obdélníkové panely. Z hlediska estetického se hladké panely mohou obvykle modifikovat vložením matrice na lícní stranu formy, je tak možné vyrábět celou škálu dezénů.

Při montáži panelů je důležité udržení distancí ve spárách. Za tímto účelem se pro panelové systémy používá celá řada vymezovacích pružných podložek, stejně jako dalších montážních a zavětrovacích prostředků. Minimální požadavky na kvalitu betonu panelů opět představuje beton třídy C30/37 se stupněm odolnosti vůči vlivu prostředí XF4.

Ocelový lícní panel
Ocelové lícní panely se obvykle navrhují z přímých prutů svařených v pravidelných roztečích. Provedení ocelových lícních panelů se liší průměrem prutu (drátu), roztečí prutu, povrchovou ochranou prutu a provedením okraje panelu, které je důležité pro spojování jednotlivých panelů navzájem. V praxi je možné setkat se také se systémy používajícími na líci hexagonální pletivo.
Běžné průměry prutů se pohybují od 3,5 mm (vhodné především do zahradních aplikací) po 6,0 mm (užívané pro trvalé stavební konstrukce).

S rostoucím průměrem prutu se zvyšuje tuhost panelu a snižují se konstrukční i postkonstrukční deformace. Tyto také ovlivňuje vzájemná rozteč jednotlivých prutů. Nejčastěji se používá rozteč 10/10 cm, pro konstrukce s drobnějším kamenivem pak 10/5 cm nebo 20/5 cm. Standardem povrchové ochrany je slitina zinku a hliníku v poměru 95 % Zn a 5 % Al, pro náročnější konstrukce se často užívá slitiny v poměru 90 % Zn a 10 % Al. Tyto slitiny dokážou ochránit prut před vznikem koroze velmi dlouhou dobu. Ochrana pouhým pozinkováním se používá zřídka, pro svou omezenou životnost je vhodná spíše pro dočasné konstrukce.

Geomříž
Vlastnosti a chování geomříže v konstrukci předurčují dva základní faktory – použitá výrobní surovina a technologie výroby geomříže. Pro dlouhodobé chování geomříže jsou nejdůležitější vlastnosti mechanické (pevnost, tažnost, plastické tečení) a chemické (odolnost vůči vlivům prostředí). Mechanické vlastnosti jsou do jisté míry dosahovány technologií výroby. Podle druhu výrobního procesu rozeznáváme geomříže tkané, lepené, extrudované a monolitické.

Technologie výroby ovlivňuje zejména mechanickou pevnost výrobku jako celku, především soudržnost uzlových bodů (spojů, uzlů), přičemž obecně geomříže lepené a tkané dosahují nižších soudržností uzlových bodů než geomříže extrudované a monolitické. Pro výrobu geomříží se v běžné praxi používají polypropyleny (PP), vysokohustotní polyethyleny (HDPE), polyestery (PET) a polyvinylalkoholy (PVA). Každá z uvedených výrobních surovin má v konečném výrobku – geomříži – rozdílné vlastnosti, které omezují jeho použitelnost.

Příkladem je např. citlivost geomříží vyrobených z PET na zásadité prostředí, tedy na běžně se vyskytující stavební materiály, jako je cement, vápno, beton atd. Dalším příkladem může být např. vysoká míra plastického tečení (creepu) u geomříží vyrobených z PP. Volba vhodného typu geomříže musí být tedy výsledkem nejen výpočtového posouzení, ale i znalostí jejich dalších vlastností.

Zemina
Zemina zásypu významně ovlivňuje vlastnosti a chování opěrných systémů ze zemin vyztužených geosyntetiky. Zároveň ovlivňuje také množství, typ a rozmístění geomříží v systému. Obecně lze říci, že čím je zemina kvalitnější (má lepší smykové parametry), tím menší jsou nároky na geomříže a výsledná konstrukce méně podléhá postkonstrukčním deformačním změnám. Protože použitá zemina tím také podstatně ovlivňuje cenu výsledné konstrukce, je vždy důležité posoudit možné varianty a najít nejvhodnější řešení.

Předvýrobní příprava výstavby
Dobrá připravenost výstavby je jednou z podmínek jejího úspěšného provedení. Bohužel se tento fakt v praxi často opomíjí a pracovníkům provádějícím vlastní výstavbu (často subdodavatelům) se nechává prostor pro improvizaci. K nezbytným bodům správné přípravy patří:

• příprava zdroje dostatečného množství zásypového materiálu odpovídající projektové dokumentaci, materiálu pro provedení drenážního komínu za rubem konstrukce nebo humózního materiálu pro použití v líci svahu,
• příprava geomříží nebo výztužných geotextilií podle projektové dokumentace, nastříhaných na projektované délky a zejména řádně označených typem a směrem pokládky,
• příprava lícových prvků včetně spojovacích elementů a dále doprovodného materiálu,
• příprava potřebné mechanizace a pracovních sil,
• příprava plánu měření a zkoušek,
• geodetické vytýčení konstrukce a vybudování měřičských pomůcek pro průběžné sledování tvaru,
• proškolení pracovních čet s postupem instalace, požadovanými zkouškami a způsobem postupu při zjištění nesouladu s předepsanými hodnotami.

Vlastní výstavba

Příprava podkladu pod opěrnými systémy
Přestože jsou opěrné konstrukce z vyztužené zeminy „pouze“ zemní konstrukce, je nutné si uvědomit, že jejich finální chování je do značné míry ovlivněno chováním podloží, které je proto nutné upravit s ohledem na typ, velikost a dlouhodobé vlastnosti budovaného objektu (obr. 3). Obecně je nutné provést zejména tyto činnosti:

• odstranění předmětů a vrstev, které podléhají rozpadu, zejména organického původu, stále biologicky aktivních,
• odstranění nerovností a ostrých předmětů,
• úprava základové spáry s ohledem na stejnoměrnou kvalitu a rovinatost.

Obr. 3 Upravení základové spáry pod opěrnou konstrukcí

Příprava prostoru pod lícem opěrných systémů
Prostor pod patou líce opěrné konstrukce se upravuje s ohledem na konkrétní typ líce. Pro konstrukce s lícem z betonových prvků se obvykle volí železobetonový základový pas o rozměrech a vlastnostech specifikovaných v projektu, zatímco pro strmé svahy se nejčastěji používá nestmelená stabilizovaná vrstva (obr. 4).

Obr. 4 Provedení základového pasu opěrné zdi a výstavba stabilizované plochy pod lícem vyztuženého strmého svahu

Provedení první skladebné vrstvy líce
Provedení první vrstvy opěrné konstrukce si vyžaduje obvykle dodatečné zajištění (obr. 5), a to zejména tehdy, pokud je úroveň nejníže položené geomříže nebo výztužné geotextilie výše než základová spára. V tomto případě první vrstva lícových prvků zcela vzdoruje zemnímu tlaku a musí být zajištěna pomocnými prvky. Tato situace je obvyklá u betonových tvarovek i betonových panelů.

Obr. 5 Zajištění první vrstvy lícových tvarovek proti posunu a kontrola geometrické polohy líce konstrukce

V případě použití lícových prvků pro strmé svahy umístění geomříže mimo základovou spáru prakticky nenastává. Velmi důležité je precizní vyrovnání použitých lícových elementů. Opěrné systémy mají minimální možnosti korekce v následných vrstvách a každá nepřesnost při usazení první vrstvy se posléze kopíruje do dalších vrstev, proto je třeba v této fázi věnovat kontrole geometrie mimořádnou pozornost.
 
Provedení první vrstvy zásypu
Provádění zásypu první vrstvy závisí na tom, zda se zásyp vrství přímo na základovou spáru, nebo již na první vrstvu geomříže (výztužné geotextilie). V případě provedení přímo na základovou spáru se postupuje způsobem obvyklým pro zemní práce, tedy postupem navezení, rozhrnutí a zhutnění projektem předepsané jedné či více vrstev. Pokud ale umisťujeme zásyp na geomříž (výztužnou geotextilii), je nutné navíc dodržet tyto zásady:

• nepřipustit pojezd transportní, manipulační ani hutnicí techniky po geomříži (výztužné geotextilii),
• zajistit nasypávání zásypu pouze vertikálním směrem (z korby automobilu, ze lžíce bagru…), nikdy nehrnout zásyp po geomříži (výztužné geotextilii) vodorovně,
• nepřipustit otáčení pásové techniky kdekoli v prostoru, kde jsou umístěny geomříže (výztužné geotextilie).

Při obou způsobech vytvoření první vrstvy se zásypový materiál rozprostírá a hutní po celé ploše určené projektem vyjma oblastí, které budou následně vyplněny drenážním materiálem nebo humózní zeminou. Tento postup odstraňuje přenos sil vznikajících při hutnění přímo do lícových prvků opěrných systémů a snižuje riziko jejich nechtěné deformace v průběhu výstavby.

Provedení drenážních a humózních vrstev
V prostoru za rubem líců provedených z tvarovek nebo betonových panelů se obvykle provádí tzv. drenážní komín (obr. 6), který musí procházet bez přerušení celou výškou konstrukce. Drenážní komín se obvykle provádí z tříděného zrnitého materiálu a hutní se odlišně od vlastního zásypu. Při stanovení parametrů hutnění i hutnicích prostředků je nutno zohlednit vlastnosti použitého zrnitého materiálu, citlivost konkrétního líce na účinky vodorovných sil a vibrací stejně jako statickou funkci drenážního komínu.

U líců používaných pro výstavbu strmých zelených svahů se do prostoru těsně za lícem umisťuje humózní zemina, která následně zajišťuje vzrůst vegetace na vlastním líci a její trvalé zásobování živinami a vláhou. Způsob a parametry hutnění se volí obdobně jako u drenážního komínu. Rozdílná je naopak potřeba ochrany této humózní vrstvy proti jejímu unášení vlivem srážek.

Obr. 6 Vysypávání prostoru drenážního komínu a humózní zemina za lícem strmého zeleného svahu

Specifika hutnění zásypu opěrných konstrukcí
Opěrné systémy jsou zemní konstrukce, takže jsou z principu poddajné. Proto se hutnění těchto konstrukcí provádí rozdílně s ohledem na vzdálenost hutněné plochy od líce vlastního systému (obr. 7). Hutnění se obvykle liší v ploše ve vzdálenosti větší než cca 2 m od líce konstrukce, kde se běžně hutní bez omezení obvyklým způsobem. Prostor mezi lícem a standardně hutněným zásypem, tedy pruh o uvedené šíři cca 2 m, se potom hutní nižší intenzitou a lehkými hutnicími mechanizmy. Úzká vrstva drenážního komínu nebo humózní zeminy se dohutňuje těmi nejmenšími hutnicími prostředky a pouze na nezbytnou míru.

Obr. 7 Hutnění jednotlivými prostředky vzhledem ke vzdálenosti od líce

Ukládání a napínání geomříží
Všechny výztužné prvky opěrných systémů, tedy geomříže nebo geotextilie, mohou správně plnit svou funkci jen tehdy, jsou-li dostatečně napnuty tak, aby jejich chování v konstrukci odpovídalo předpokladům výpočtu (obr. 8). Napnutím v tomto smyslu je vypnutí použitého výrobku do té míry, že jsou odstraněny všechny deformace způsobené výrobním procesem, transportem a uložením na stavbě.

Prakticky se geomříže nebo výztužné geotextilie napínají tak, aby byly v době zasypávání pevně uchyceny na obou koncích. Na straně líce se geomříž obvykle uchycuje k líci k tomu určenou spojkou, na volném konci upevňovacími hřeby nebo jiným vhodným způsobem.

Obr. 8 Ukázka napínání geomříží s jejich následným ukotvením zásypem

Výstavba následujících vrstev líce a zásypu
Následující vrstvy líců opěrných systémů se provádějí rozdílnými způsoby v závislosti na konkrétním opěrném systému podle dokumentace dodané výrobcem systému (obr. 9). Případné zajištění polohy lícových elementů, jejich spojování a rektifikace se značně liší a nelze je pojmout v rozsahu tohoto článku. Zásyp dalších vrstev se provádí obdobně jako zásyp první vrstvy umístěné na geomříži (výztužné geotextilii), tedy s přihlédnutím k nutnosti dodržení dříve uvedených zásad.

Obr. 9 Výstavba následujících vrstev líce opěrné zdi a strmého svahu

Kontrola geometrie líce
V průběhu výstavby opěrných systémů je nutná průběžná kontrola geometrie líce, a to jak směrová, tak i výšková. Projektová dokumentace a následně plán měření a zkoušek by měl definovat varovné a mezní stavy a opatření, která je nutno vykonat pro odstranění odchylek. Opomíjení takto prováděné kontroly často vede k zjištění, že konstrukce vykazuje odchylky až po jejím dokončení, kdy už není zřejmé, do jaké míry byly způsobeny nepřesností výstavby a do jaké míry by se mohlo jednat o postkonstrukční přetvoření.

Závěr

Opěrné systémy z vyztužené zeminy umožňují vytvářet konstrukce zcela nových tvarů a dimenzí. Efektivněji využívají pozemky, snižují objem zemních prací a s tím spojené negativní dopady, nebo umožňují stavět opěrné zdi a strmé svahy v obtížných či proměnlivých terénních podmínkách.

Jako každá jiná konstrukce i tyto systémy vypadají a slouží tak dobře, s jakou péčí se přistoupí k jednotlivým fázím jejich přípravy a výstavby – důležitým je výběr vhodného typu líce dle záměru a požadavků na konstrukci (zelený, kamenný nebo betonový líc), dále správně zpracovaná projektová dokumentace a správný způsob výstavby. Dodavatelé systémů poskytují rozsáhlou technickou podporu, jež 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, II. part
The design of retaining constructions comprised of earthworks reinforced by geosynthetics demands knowledge of statics and geotechnics in particular, though knowledge of the properties of building materials, in particular plastics, is also important. This article follows on from the overview of systems of retaining constructions in edition 4/16 and is devoted to a more-detailed description of the issues involved in the design and selection of individual system elements. Retaining constructions require us to keep the principles of top quality construction. The article is devoted to a more-detailed description of the issues involved in the construction thereof.

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

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby / Inženýrské stavby 5/2016.