Výroba a zkoušení pilířů Deep Soil Mixing

• Foto

V poslední době nacházejí i v České republice stále širší uplatnění metody hloubkového zlepšování vlastností zemin. Zlepšováním zemin máme na mysli zvýšení jejich únosnosti či deformačních charakteristik s cílem redukovat sedání, dále snížení propustnosti a nebezpečí sufoze (mechanický odnos drobných půdních či horninových částic podzemní vodou, což má za následek sesedání povrchu – pozn. red.), případně možnou změnu dynamické odezvy. Pro výstavbu nových objektů je zapotřebí využít z geotechnického hlediska podmínečně vhodných i nevhodných stavenišť, jako jsou bažiny, pozemky s kolísající hladinou podzemní vody, výsypky, neřízené skládky apod. Zakládání zde bylo v dávné historii nemožné, v nedávné době pak bylo řešeno pouze pomocí hlubinného zakládání na pilotách.

Současně je základním aspektem hloubkového zlepšování zemin využití stávajících zemin bez jejich podstatného odstraňování. Metody povrchového zlepšení umožňují zakládat pouze nenáročné objekty resp. statické konstrukce s malým kontaktním napětím v základech. Výměna zemin bývá komplikovanou cestou k úspěchu především v případě mělkého výskytu podzemní vody nebo vlivem transportů a skládek nevyužitého (odstraněného) materiálu. Dalším okruhem možnosti využití hloubkového zlepšování zemin jsou pažící konstrukce nebo těsnící clony. Hloubkové zlepšování zemin je však smysluplné pouze tehdy, když přinese efekt v řádech stovek procent a tudíž nemá příliš význam v prostředí ulehlých nesoudržných či pevných nebo tvrdých soudržných zemin a samozřejmě v horninách. Tomu odpovídají i oblasti, kde lze hloubkové zlepšování aplikovat. Jsou to především zóny kolem vodních toků (nížiny, delty řek, naplaveninami vyplněná údolí apod.) a dále plochá území v přímoří, vše se zeminami měkkých konzistencí či kyprých ulehlostí. Významné a společensky velmi záslužné je nasazování těchto metod do prostředí skládek, výsypek či jiných ploch s antropogenní činností.

ZLEPŠOVÁNÍ ZEMIN POMOCÍ DSM
Jednou z velmi moderních technologií hloubkového zlepšování zemin je Deep Soil Mixing. Jak vyplývá z názvu DSM, jedná se o mechanické hloubkové míchání zemin, které může mít rozličné postupy a výrobní procesy. V některých zemích jsou podmínky použití této metody vhodnější, a tudíž se zde vyvíjí dynamičtěji a je pak hojněji nasazována. Patří sem USA, Japonsko, Švédsko, Polsko, Německo apod., a to především zásluhou většiny tamních velkých společností zabývajících se speciálním zakládáním.

Výrobní postupy se v zásadě dělí na mokrý a suchý proces. Mokrý proces je založen na míchání zeminy s cementovou suspenzí. Tato se připravuje v míchacím centru a čerpadlem se dopravuje do koncového vrtného – míchacího nářadí. Suchý proces využívá např. popílku, vápna či sádry. Pro volbu procesu je podstatný stupeň nasycení zeminy a typ zemního prostředí resp. druh konstrukce. Z hlediska strojního vybavení se jedná o dvě základní části. Vrtná souprava nepříliš odlišná od vrtaček nasazovaných na zhotovování velkoprůměrových pilot (nejčastěji BAUER, LIEBHERR, ABI aj.) viz obr. 1.

Dalším podstatným aspektem metody je druh nasazeného mechanizmu. Využívá se jednoho až třech míchacích aparátů – nářadí, jako jsou „pádla, šneky, vrtule“ apod., a jejich různé průměry cca 0,4 až 2,0 m (obr. 2). Tyto jsou pak sestaveny samostatně nebo v řadě apod. Vytváří se tak jednotlivé pilíře promíchané zeminy v určitém systému, tvarech resp. vzdálenostech (obr. 3 a 4) či se takto zpracovává (míchá) 100 % objemu původní zeminy. V závislosti na konzistenci resp. ulehlosti zemin, druhu procesu a požadované délce (hloubce) je třeba volit průměr nářadí a tedy i velikost (sílu, krouticí moment) mechanizmu. Výkonné stroje dokážou promísit zeminu až do hloubky přes 10 m. Druhou částí výrobního zařízení je stacionární mísící zařízení. To se skládá ze zásobníků nebo přívodů komponentů (cement, vápno, voda apod.), míchačky se zásobníkem na suspenzi a pumpy resp. čerpadla směsi. Z míchacího centra se směs vede pomocí hadic k vrtnému stroji resp. až ke špici vrtného – míchacího nářadí. Čerpadlo dle konkrétní situace musí disponovat výkonem až 200 litrů směsi za minutu.

Proces vytváření pilíře DSM se skládá ze dvou základních fází. První fází je zavedení vrtného – míchacího nástroje do požadované hloubky, což lze bez suspenze například ve zvodnělých píscích nebo pod hladinou podzemní vody vcelku snadno. Pokud zemina vykazuje větší odpor, lze zavrtávání usnadnit pomocí menšího množství suspenze (výjimečně vody) nebo i řezným paprskem. Postup vrtání zcela závisí na strojníkovi, který musí rychlost a rotaci usměrňovat právě dle odporu zeminy. Po dosažení předepsané hloubky se zahájí čerpání suspenze předepsaného množství do vrtného nářadí a za jeho současného otáčení – míchání se postupuje vzhůru k hlavě pilíře. V závislosti na zemině je pak vhodné opakovat míchání v celé délce pilíře. Platí – čím jemnozrnnější nebo vrstevnatější zemina, tím víckrát pohyb opakovat.

Dosáhne se tak homogennějšího promísení zeminy se suspenzí, čímž se zvýší integrita produktu. Průměry vrtání resp. míchání se pohybují mezi 0,5 až cca 2,0 m a dosahuje se hloubek až 15 m. Množství cementového pojiva bývá cca 80 až 450 kg na m3, vápna hašeného či nehašeného pak v množství 6 až 10 % objemové tíhy zeminy [1].

Metoda je náročná a závislá na návrhu správné receptury, tedy na mísící energii a množství a druhu cementového pojiva. V současnosti je zřejmý značný technologický a mechanizační rozvoj, teorie však ještě dost často pokulhává za praxí, ač máme k dispozici numerické metody. Procesem zlepšení se nám vylepší blok zeminy, přesněji řečeno zlepší vlastnosti základové půdy, nicméně se nám výrazně zkomplikuje zadávání parametrů do výpočtu resp. sestavení výpočtového modelu. Získání návrhových podkladů pro zlepšenou zeminu je ještě obtížnější než pro přirozenou zeminu. Správná interpretace výsledků polních a laboratorních zkoušek je v zásadě jedinou možností, jak dospět k dobrému výsledku. Zlepšená zemina se skládá ze dvou komponentů (původní – přirozený a zlepšovací – výztužný), čili je nehomogenní (paralelu lze najít např. v železobetonu). Funguje spolupůsobení obou částí, a proto ji v širším měřítku naopak považujeme za homogenní. Je proto problémem, jak interpolovat mezi krajními hodnotami přetvárných charakteristik obou částí, stanovit tak ekvivalentní hodnoty, které se budou v maximální míře přibližovat chování zemního tělesa.

KONTROLA KVALITY PRODUKTU
Nezbytné je rozsáhlé testování in situ před zahájením instalace a porovnání s výsledky v laboratoři. Možností jsou zatěžovací zkoušky jak pilířů, tak širší oblasti zeminy s pilířem, a dále penetrace SCPT (speciální hrot s křídly). Zatěžovacími zkouškami jsou míněny statické zkoušky deskou průměru mezi cca 0,5 až 1,0 m. Samozřejmě důležitý je monitorovací proces v průběhu provádění a po dokončení. Především je třeba kontrolovat množství a konzistenci cementového pojiva resp. čerpané směsi. Na vzorcích odebraných jádrovým vrtáním se provedou laboratorní testy za účelem zjištění pevnosti, deformačních modulů.

Metodika laboratorních zkoušek vychází z vlastností zatvrdlé směsi. Základní zkouškou je pevnost v tlaku zjišťovaná na válcových tělesech vzniklých odlitím čerstvé suspenze do polystyrenové formy, která se po zatvrdnutí odstraní a válce se upraví řezáním. Průkaznější je zkouška provedená na vzorcích zatvrdlé suspenze odebrané z již hotového sloupu DSM jádrovým vrtáním. Z vývrtů prováděných běžně do hloubky 4,0 m lze získat informace o kvalitě promíchání zeminy s cementem v různých hloubkách sloupu (obr. 5 a 6). Z částí vrtných jader se řežou zkušební tělesa – válce s poměrem délky ku průměru 2 : 1. Kromě pevnosti v tlaku se zjišťuje i modul pružnosti zatvrdlé směsi (materiál se chová pružně, neboť svými vlastnostmi se podobá spíše betonu).

Pro zkoušení stejnorodosti materiálu ze sloupu DSM je výhodné použití ultrazvukové impulsní metody. Ultrazvukem lze zkoušet celý vývrt v příčném směru, anebo vyřezaná válcová tělesa v podélném směru. Kromě stejnorodosti materiálu lze z rychlosti šíření ultrazvukových vln vypočítat i dynamický modul pružnosti. Po nedestruktivním měření ultrazvukem následuje zatěžování těles v lisu se současným měřením poměrných přetvoření pro výpočet modulu pružnosti. Výsledné pevnosti v tlaku stabilizací dosahují od přibližně 1,0 MPa v organických zeminách, až více než 10 MPa v píscích [2]. Pro výpočty se však doporučuje snížit hodnoty mechanicko-deformačních charakteristik cca 2 až 3krát. Pro ilustraci je v tab. 1 uveden příklad výsledků zkoušek stabilizace hlinito-písčitého podloží z brněnské lokality. Zkoušky byly provedeny po 28 dnech zrání na válcových tělesech z jádrových vývrtů z různých hloubek od 1,0 do 2,5 m. V tabulce je porovnána pevnost v tlaku s dynamickým a statickým modulem pružnosti v tlaku, dále je zde vypočten poměr mezi statickými a dynamickými modulyxu.

Zkoušky stabilizace hlinito-písčitého podloží po 28 dnech zrání
 

ZÁVĚR
Společnost KELLER-speciální zakládání, spol. s r. o. v posledních letech realizovala několik svých projektů jako například založení polyfunkčního centra TITANIUM Brno, administrativně-obchodní budovy Nové Semilasso v Brně nebo skladovací haly REDA či sportovní haly v Lužici, kde využila technologie DSM. Dle technologického postupu pro provádění bylo nutné provést kontrolní odběry vzorků z pilířů DSM a na nich následně laboratorně stanovit pevnosti v prostém tlaku resp. kontrolně deformační moduly. Převážně se jednalo o lokality s výskytem jemnozrnných zemin, kdy pilíře DSM sloužily jako vylepšení podloží pod základové patky a podlahové desky. Cementová suspenze s využitím cementu CEM II/B-S 32,5 R smíchaná se zeminou vytvořila vždy kompaktní hmotu, kde je zcela zřejmý efekt nárůstu pevnosti se zvyšujícím se podílem hrubozrnných částic.

Metoda DSM efektivitou pracovního procesu i ekonomicky zcela nahrazuje použití tryskové a jiné injektáže jako metod vylepšování podloží v případě, že není z pracovní plošiny třeba vrtat přes betonové, zděné či jiné obtížně vrtatelné překážky, nebo produkovat stabilizaci v hloubkách několik desítek metrů. Pokud lze procházet mísícím – vrtným nářadím průměru zhotovovaného pilíře v celé jeho délce, je na místě použít DSM a ne např. tryskovou injektáž. Samozřejmě metody injektáží, ač technologicky výrazně náročnější, jsou např. v naší zemi dostupnější. Avšak projektanti i investoři by měli nasazení DSM ve vhodných případech upřednostnit.

Použití mokré cesty DSM je vhodné v měkkých jemnozrnných (jílovitých) zeminách, dále v organických zeminách (rašelinách), některých antropogenních navážkách a samozřejmě především v kyprých nesoudržných zeminách. Vylepšují se takto např. podloží pod násypy silnic a železnic nebo podlahové či základové konstrukce pozemních objektů. Pomocí prvků DSM se rovněž vytvářejí těsnící a pažící clony proti pronikání podzemní vody.

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MSM 0021630511.

LITERATURA:
[1] Turček a kolektiv: Zakládání staveb, Vydavatelství JAGA, Bratislava 2005
[2] Toplnicky: Wet Depp Soil Mixing – execution and design practice in Poland, German National Geotechnical Conference 24.–27. 9. 2008

Ing. Petr Svoboda, Ph.D.
V roce 1990 dokončil studium na VUT FAST Brno, obor konstrukce a dopravní stavby, specializaci geotechnika, kde pak v roce 1999 získal doktorát. Geotechnikou a zakládáním staveb se profesně zabývá od roku 1991. Je autorizovaným inženýrem pro geotechniku a v současnosti pracuje jako prokurista společnosti KELLER-speciální zakládání, spol. s r. o.

Ing. Petr Cikrle, Ph.D.
V roce 1990 dokončil studium na VUT FAST Brno, obor konstrukce a dopravní stavby a v roce 2002 zde získal doktorát. Začínal jako výzkumný pracovník ve Fakultní zkušebně VUT FAST, později se stal odborným asistentem. Je autorizovaným inženýrem pro zkoušení a diagnostiku staveb a kromě pedagogické činnosti se zabývá zejména nedestruktivním zkoušením materiálů a diagnostikou staveb.

Production and Testing of Deep Soil Mixing
Deep Soil Mixing (DSM) is the recent technology of improving sub-soil. The technology of improving is establish on mixing soil with the binder in wet or dry way. Laboratory testing procedur coming-out from hard mix, which is very similar to the concrete. The basic testing methods are strength in compression and modulus of elasticity.

Autoři

• Ing. Cikrle Petr Ph.D.
• Ing. Svoboda Petr Ph.D.