Využití brownfields – zhodnocení základových poměrů

Brownfields jsou často využívány pro výstavbu velkých průmyslových celků; tyto stavby mají ale v mnoha případech předepsány velmi přísné limity pro deformaci jejich základů, a tak je jejich založení krásným geotechnickým problémem. V našem případě se zájmová oblast nacházela v místě heterogenní nekonsolidované skládky.

Založení stavby pomocí základové desky nebo klasických technologií by bylo velmi komplikované a nákladné. Proto jsme nejdříve realizovali kontrolní inženýrsko-geologický průzkum včetně odběru vzorků a následných laboratorních analýz.

Na základě dosažených výsledků byly navrženy tři varianty možného založení projektovaného objektu. Jednotlivé varianty byly posouzeny numerickým modelováním metodou konečných prvků, přičemž jako nejvýhodnější se nakonec jevilo založení pomocí zavibrovaných ocelových pilot se štěrkovou výplní a zemní deskou na částečně vytěžené skládce.

V současné době je ze strany investorů čím dál tím větší tlak na výstavbu v již jednou zastavěných oblastech – tzv. brownfields (obr. 1). Projektovaná hala, která je předmětem tohoto článku, by měla být založena na základové desce, ale vzhledem k tomu, že se pod svrchní humózní vrstvou vyskytují na lokalitě heterogenní navážky (nekonsolidovaná skládka), bylo by provedení základů desky velmi problematické. Situaci navíc komplikoval fakt, že projektant předepsal velmi přísné limity pro deformaci základové desky.

V první fázi se uskutečnil doplňkový inženýrsko-geologický průzkum, obsahující realizaci kopaných sond s provedením geologické dokumentace, odběru vzorků zemin a jejich laboratorních rozborů včetně zkoušek na zlepšení zeminy. Zároveň došlo k posouzení použitelnosti jednotlivých základových konstrukcí za využití numerického modelování.

Geotechnické poměry

Pro stanovení vstupních a návrhových parametrů se v zájmové lokalitě provedly tři kopané sondy (hloubka od 2,4 do 5,0 m p. t.). Zde je nutné podotknout, že kopané sondy se ihned po vyhloubení začaly zavalovat. Vzhledem k zrnitosti a konzistenci/ulehlosti materiálu bylo velmi problematické ode­brat neporušené vzorky.

Proto byly vzorky odebrány takovým způsobem, při kterém byla snaha vyjmout lžíci bagru ze stěny výkopu minimálně porušený blok zeminy, do kterého se následně zarazil odběrný válec. Takto se podařilo získat pouze dva vzorky porušené jen zčásti. Zároveň byl z každé ze třech kopaných sond opatřen jeden směsný technologický vzorek pro následné laboratorní zkoušky (zejména PS a CBR).

Provedený IG průzkum ukázal složení z kvartérních sedimentů tvořených ornicí a antropogenními navážkami. Orniční vrstva byla na lokalitě málo rozvinutá v mocnosti cca do 0,2 m (jednalo se o travní drn bez rozsáhlého půdního horizontu). Antropogenní navážky prokázaly heterogenní složení a dosahovaly mocnosti 2,7 až 5,0 m. Jednalo se o materiál různé zrnitosti od štěrků až po jíly a organické zeminy, přičemž většinu tvořily materiály místního žulového eluvia zvaného „perk“ (ostrohranné štěrky a písky s proměnlivým podílem jemnozrnné složky, která měla tuhou až kašovitou konzistenci).

Místy byla do zeminy pravděpodobně přimíchána zelená skalice a v navážce se dále vyskytovala stavební suť a další komunální odpad (úlomky cihel, kusy látek, kabelů a plechů atd.) v objemovém podílu do cca 5 %. Navážky byly v zájmové lokalitě rozděleny do dvou subhorizontů. První svrchní vrstvu tvořily více ulehlé a méně vlhké zeminy. Tento horizont dosahoval mocnosti 0,0 až 2,5 m. Spodní vrstvu navážek tvořily nezkonsolidované, zvodnělé a kypré zeminy v mocnosti 2,7 až 3,9 m.

Přirozeně deponované kvartérní sedimenty se vyskytovaly pod vrstvou navážek v mocnosti asi 1,0 m. Jednalo se o středně plastické písčité jíly tmavě šedé až modro šedé barvy, tuhé až pevné konzistence. Předkvartérní hornina v podloží zájmové lokality byla popsána jako biotitická hrubozrnná porfyrická žula. Následně byla v hloubce 6,5 m pod povrchem terénu zachycena zcela zvětralá žula třídy R5.

Souvislý kolektor podzemní vody se nacházel podle archivních průzkumů až pod vrstvou navážek v prostředí zvětralých žul. Dokumentovaný zvodnělý horizont v navážkách nebyl ve skutečnosti kolektorem a jednalo se pouze o vysoce saturovanou a nezkonsolidovanou polohu zemin.

Specifikace základových konstrukcí projektované haly

Předmětem posouzení byla projektovaná podlahová deska výrobní haly. Z hlediska zakládání staveb se jednalo o základovou desku provedenou ze železobetonu o mocnosti 250 mm. Na desce budou následně osazeny regály na stojkách, a to v příčném směru v rozteči 1 100 + 200 + 1 100 mm a v podélném směru v rozteči 2 700 mm.

Po desce bude pojíždět vysokozdvižný vozík Jung­heinrich EKX 515k s výškou zdvihu nad 6 m. Kolový tlak je 31 kN. Vozík má pryžová kola, rozchod předních kol má hodnotu 1 308 mm. Tlak od kola je uvažován v šíři 150 mm. Kromě výše uvedeného bylo projektantem požadováno navrhnout desku na rovnoměrné plošné zatížení o intenzitě 50 kN/m2.

Požadavky na rovinnost podlahy vycházely z norem DIN 15 185 a DIN 18 202. Z výše uvedených předpisů a projektové dokumentace vyplynulo, že nejpřísnější požadavek měl hodnotu 2 mm. Jednalo se o největší hodnotu přípustného výškového rozdílu stanoveného napříč k jízdní stopě vozíku. Tento limit byl pro posouzení základových konstrukcí stanoven jako směrodatný.

Pod vlastní podlahovou deskou byla projektována zeminová deska v mocnosti 800 mm. Projektant doporučil provést tuto desku ze štěrku G1 – G3 (zatřídění dle ČSN 73 6133) frakce 0/63 mm. Zároveň předepsal deformační moduly Edef, 2 = 100 MPa a Edef, 1 = 45 MPa. Poměr mezi nimi nebyl projektantem stanoven.

Varianty založení haly

Limity na maximální přípustné deformace základové desky haly byly velmi přísné. Zároveň byla v zájmové oblasti dokumentována

nezkonsolidovaná a zcela zvodnělá navážka v proměnlivé mocnosti. Je zřejmé, že již jenom z důvodu konsolidace navážek bude docházet k nerovnoměrnému sedání základové spáry, které bude mít negativní vliv na celkovou deformaci základové desky haly. Proto není možné zeminovou a podlahovou desku haly instalovat přímo na neupravenou navážku. V rámci našich prací jsme navrhli a dále posuzovali celkem tři varianty možného založení haly, resp. byly navrženy tři varianty sanace území (podloží).

Úprava navážek

Podzákladí haly založené na desce by mělo být dostatečně zhutněno, proto byl z tohoto důvodu stanoven stupeň zhutnění na 95 % Proctorovy standardní zkoušky. Nejdříve byla provedena analýza vzorků (zatřídění dle ČSN 73 6133) a porovnání aktuálního stavu vůči „referenční“ suché objemové hmotnosti a intervalu přípustné vlhkosti odpovídající zhutnění na hodnotu 95 % PS.

Technologické vzorky byly odzkoušeny bez zlepšení a po zlepšení příměsí 3 % vápna Proviacal vůči suché objemové hmotnosti materiálu. Zlepšením zeminy rovněž dojde ke zvýšení přetvárných modulů zemin všech zrnitostí.

 

Navážky pod budoucími podlahami se odtěží v plné mocnosti, zpět budou zahutněny s příměsí 2 % pojiva. Vzhledem k heterogenitě navážkových materiálů a relativně vysokému zastoupení hrubozrnné frakce navrhujeme variantně zvážit pro zlepšení navážky užití Dorosolu. Toto pojivo rovněž snižuje vlhkost, je levnější než čisté vápno a mohlo by zlepšit mechanické vlastnosti hrubozrnných zemin ve větší míře. Účinky Dorosolu by měly být ověřeny laboratorními testy včetně hutnicí pojezdové zkoušky.

Dočasnou deponii navážek doporučujeme na povrchu zhutnit a vyspádovat nejméně ve sklonu 3 % pro efektivní odtok povrchových srážkových vod. Rovněž je nutné provést přehutnění nebo jinou ochranu proti vnikání vody v případě boků (svahů) deponie. Povrch odhaleného kvartérního pokryvu bude vyspádován ve sklonu nejméně 3 % a jeho trvalé odvodnění zajistí čerpadla. Pokud dojde k narušení povrchu kvartérních sedimentů, doporučujeme jej profrézovat do hloubky 0,3 m, upravit příměsí 1 % CaO a přehutnit.

Práce proběhnou pouze za předpokladu, že po dobu 24 h po zhutnění nedojde k atmosférickým srážkám. Následně po uplynutí dalších 24 h po zhutnění povrchu kvartérních sedimentů začne zpětná instalace navážkových materiálů s příměsí pojiva.

Nejdříve bude provedeno zkušební pole, na kterém se ověří účinnost úpravy zemin a stanoví způsob hutnění (vibrace a počet pojezdů). Interpolačně jsme dospěli k závěru, že vytříděné navážky je vhodné upravovat příměsí 2 % CaO (obr. 2). To bude vmícháváno při pokládce vrstvy, jejíž mocnost navrhujeme 0,4 m. Po promíchání s pojivem a zhutnění se po 24 h provede ­zkouška statickou zatěžovací deskou.

Doporučujeme dosáh­nout hodnoty min. Edef, 2 = 60 MPa. Vzhledem k různé zrnitosti s převahou hrubozrnnějších zemin ­doporučujeme dosáh­nout poměr modulů Edef, 2/Edef, 1 ≤ 2,5. Ideálně by měla probíhat kontrola upravených zemin zásypu podle kap. 7.2 TP94.

V redukované variantě je možné provádět pouze kontrolu statickou zatěžovací deskou s četností jedna zkouška na cca 4 000 m2, a to 24 h po zahutnění vrstvy. Pokud bude použito jiné pojivo než CaO, bude časová prodleva mezi zhutněním a zkouškou určena dodavatelem pojiva.

Zlepšené a správně zhutněné místní materiály budou dostatečně únosné a nebude nutné provádět projektantem navrhovanou zeminovou desku pod podlahu z jiných dovezených materiálů.

Hlubinné založení se zeminovou deskou

V této variantě bylo napětí vyvolané halou přenášeno hlouběji do podloží přes vibrované ocelové trubkové piloty vysypané štěrkem. Pilotové základy byly v projektu navrženy ve čtvercovém rastru 2 × 2 m. Na hlavách pilot byly navrženy roznášecí hlavy ze železobetonu mocné 300 mm o ploše 1 × 1 m. Na takto konstruované hlubinné základy byla následně navržena zeminová deska o mocnosti 800 mm s požadovanou hodnotou Edef, 2 minimálně 45 MPa.

Nad zeminovou deskou byla uvažována podlahová železobetonová deska haly o mocnosti 250 mm. Vzhledem k tomu, že materiál navážky bude ještě konsolidovat, vznikne na kontaktu zeminové desky mimo prostor roznášecích hlav nepravidelně mocná kaverna. Na zeminovou desku je proto nutné pohlížet jako na „strop“ a realizovat ji tak, aby se nedeformovala po vzniku těchto kaveren.

Konstrukce v této variantě byla posouzena numerickým výpočtem metodou konečných prvků v softwaru Plaxis. Betonové roznášecí hlavy a ocelové prvky byly specifikovány lineárně elastickým konstitučním vztahem. Zeminová deska byla definována Mohr-Coulombovým konstitučním vztahem. Podlahová deska haly i podkladní deska pod zeminovou deskou byly řešeny pomocí funkce „plate“, která umožňuje vykreslovat průběh vnitřních sil takovýchto prvků i jejich deformaci.

Předmět výpočtu sledoval stanovení deformace podlahové desky po zatížení. Průběh deformací v celé posuzované konstrukci je uveden na obr. 3. Podlahová deska haly se pod daným zatížením zdeformovala max. o 1,8 mm, takže můžeme konstatovat, že byl dodržen předepsaný limit.

Hlubinné založení se zeminovou deskou na částečně vytěžené navážce

Třetí návrh založení haly počítal s tím, že v jejím podloží budou realizovány franki piloty s délkou 2 m s hlavami v úrovni cca -3 m pod povrchem terénu. Jejich výstavbou dojde k částečnému zhutnění navážek. Následně by byl terén odtěžen na úroveň hlav pilot, instalovala by se výztužná geotextilie a navážkovými hmotami by byl proveden zpětný zhutněný zásyp ve shodě s první variantou.

Zároveň byla opět navržena zeminová deska, tentokrát o mocnosti pouze 0,4 m. Protože předpokládáme, že navážka se bude v omezené míře stále ještě dotvarovávat, byla při posouzení zavedena do modelu 0,2 m mocná vrstva navážek s velmi nízkou hodnotou modulu přetvárnosti. Výpočtový řez procházel diagonálou čtvercového rastru k posouzení deformace podlahové desky v co nejnepříznivějším řezu z hlediska volné vzdálenosti v podloží mezi podpírajícími pilotami.

Celkové deformace takto uspořádané konstrukce po zatížení dosáhly maximální hodnoty 21 mm (obr. 4). Zároveň rozdíl v sedání na vzdálenost 2,5 m byl 2 mm, čímž byl splněn požadovaný limit na nerovnoměrné sedání – ovšem vzhledem k přijatým zjednodušením a odhadům některých vlastností prostředí považujeme dokumentovaný průběh deformací za limitní.

Zásadním nedostatkem této varianty je však její proveditelnost. Většina terénu po odtěžení k hlavám pilot bude v prostoru spodního nezkonsolidovaného subhorizontu navážek, takže zde bude velmi problematický pohyb techniky.

Realizovat zpětný zásyp hutněné navážky v menší mocnosti, resp. pro­vést franki piloty ve větší délce a ukončit je na vyšší kótě by zase nebylo bezpečné z hlediska použitelnosti projektované podlahy.

Zhodnocení

Podloží pod projektovanou průmyslovou halou bylo pro klasické zakládání hodnoceno jako nevyhovující. Spodnější partie navážek budou ještě konsolidací ztrácet na objemu a způsobovat deformace povrchu území. Tyto deformace by negativně působily na navazující podlahové konstrukce haly, proto byly navrženy celkem tři základní varianty sanace území.

Při první variantě úpravy navážek je nutné počítat se ztrátou jejich kubatury, způsobené jejich vytříděním a zhutněním na hodnotu PS 95 %. Pokud uvažujeme, že navážky byly průměrně ve stavu s hodnotou PS 85 %, ztratila by se zpracováním asi 1/10 kubatury hutněných navážek. Materiál vytříděný z navážek odhadujeme přibližně na 5 %, celkově se tak ztratí zhruba 15 % kubatury zemin. Po vytřídění navážky a zpětném hutněném uložení bude k úrovni povrchu před vytěžením chybět materiál, který doporučujeme doplnit zeminou vhodnou nebo podmínečně vhodnou do násypu dle ČSN 73 6133.

Svahování výkopových prací bude nutné volit relativně mírné vzhledem k přítomnosti podkonsolidovaných zvodněných poloh hrubozrnných zemin. Při návrhu sklonu doporučujeme vycházet z předpokládaného kritického úhlu vnitřního tření hrubozrnné složky navážky, který lze odhadem stanovit na hodnotu okolo 35⁰. Na lokalitě byla dokumentována souvislá hladina podzemní vody až pod vrstvou těžených navážek, takže nebude ovlivňovat stabilitu výkopů. Nejprudší přípustný sklon výkopu proto doporučujeme volit s rezervou 1 : 1,75.

Návrh betonových roznášecích hlavic a betonového stropu při navrhované variantě hlubinného založení je úkolem pro specialistu na betonové konstrukce. Návrh pilot je předmětem samostatného projektu za předpokladu, že projektant specifikuje požadavky na jejich únosnost a přípustnou stlačitelnost. Na základě těchto požadavků by měl být proveden jejich samostatný návrh a případně zjištěn údaj o hloubce dostatečně únosné (méně zvětralé) žuly.

Posuzované hlubinné založení splňovalo požadované limity na nerovnoměrné sedání. V dílčí variantě při hlubinném založení se zeminovou deskou na částečně vytěžené navážce byla indikována výše popsaná rizika. Zejména z technologických důvodů tuto variantu nedoporučujeme.

Hlubinné založení bez zeminové desky můžeme popsat jako „visutou“ podlahu. V této variantě by bylo napětí vyvolané halou přenášeno opět hlouběji do podloží přes piloty, ovšem železobetonová podlahová deska by byla dostatečně tuhá, aby nevyžadovala instalaci zeminové desky v jejím podloží. Tato varianta založení nebyla řešena, protože její návrh je úkolem pro specialistu na betonové konstrukce. Pouze návrh pilot (dimenzace rozměrů a určení sednutí po zatížení) by byl opět úkolem pro geotechnika.

Závěr

Čím dál tím častěji se budeme v rámci stavebnictví potkávat s požadavky investorů na využití brownfields. Většinou půjde o založení staveb s přísnými limity pro deformaci včetně požadavku na minimální hodnoty nerovnoměrného sedání. Geotechnik tak bude muset hledat způsob alternativního založení nebo navrhnout sanaci podloží. Vždy bude vhodné realizovat v předstihu inženýrsko-geologický průzkum.

Dále nastane potřeba provést posouzení použitelnosti jednotlivých základových konstrukcí za využití numerického modelování a zároveň posoudit úpravy navážek (varianty sanace). Samozřejmostí by mělo být také zpracování návrhu pracovního postupu pro zhotovitele stavby a geotechnický dozor v rámci vlastní realizace.

TEXT: Mgr. Petr Černoch, Ing. Jiří Košťál, Ph.D.
FOTO: INSET s. r. o.

Jiří Košťál působí ve společnosti INSET s. r. o., Divize Energetika. Petr Černoch působí ve společnosti ČEZ Energetické produkty, s. r. o., propachtovaná část ­INSET s. r. o., Divize Energetika. Zároveň oba působí na Katedře geotechniky FS ČVUT v Praze.