Zlepšování podložních vrstev násypu štěrkovými pilíři

Významnou kapitolu tvoří použití štěrkových pilířů v dopravním stavitelství, kde jsou budovány buď pod celými násypy, jejichž podloží je tvořeno „nevhodnými“ zeminami, nebo jsou instalovány pouze v přechodových oblastech mostů, kde eliminují sedání násypů přilehlých k mostním opěrám. Tyto pilíře lze použít i ke snížení koeficientu fi ltrace a tím zajistit nižší přítoky do stavební jámy.
Násyp nebo podloží z kyprých až středně ulehlých nesoudržných zemin jsou zlepšeny působením vodorovné vibrace (vibrofl otace) s přidáváním hrubozrnného nesoudržného materiálu a tím zvýšení „ulehlosti“ zeminy.
V našich podmínkách se prakticky užívají dvě technologie: metoda předrážení a metoda vibrace (technologie displacement s vytěsněním zeminy do boku bez těžení). Při instalaci pilířů lze využít i technologii replacement, kdy je zemina vytěžena z vrtu a nahrazena nesoudržným materiálem.

Obr. 1 – Princip působení piloty a štěrkových pilířů

PŮSOBENÍ PILÍŘŮ A MECHANISMUS PORUŠENÍ OSAMĚLÉHO PILÍŘE
Štěrkové pilíře zvyšují deformační charakteristiky základové půdy a také urychlují průběh primární konsolidace díky zvýšenému odvodu vody. Charakter přenosu zatížení je zcela závislý na schopnosti okolní zeminy vzdorovat vyboulení obvodu pilíře.
Oproti pilotám vykazují štěrkové pilíře také rozdílné mechanismy porušení (obr. 1). K porušení piloty může dojít překročením únosnosti podél pláště i pod patou piloty (plovoucí piloty), respektive pouze pod patou (u pilot opřených).
U dostatečné dlouhého pilíře, který je zatížen pouze v hlavě, se možný mechanismus porušení projeví vyboulením do stran do úrovně 2–3D pod hlavou pilíře (D je průměr pilíře). Spodní partie pilíře o porušení prakticky „nevědí“ a jejich význam spočívá převážně v urychlení konsolidace zlepšovaných vrstev ve větších hloubkách.

EMPIRICKÉ METODY VÝPOČTU
Pro výpočet únosnosti zeminy vyztužené štěrkovými pilíři se užívají v podstatě dva přístupy:

• metoda bez uvažování skupinového účinku, která se omezuje na působení nestlačitelného pilíře uloženého v plastickém poloprostoru,
• metoda s uvažováním skupinového chování, která řeší chování komplexu pilíře a okolní zeminy s okrajovými podmínkami (unit cell).

Tento model je obdobný oedometrickému vzorku s centrálním umístěním pilíře a poskytuje racionálnější podklad pro výpočet (obr. 2). Ze skupinového chování pilířů vychází např. metody podle Štěpánka a Priebeho. Metoda Van Impeho převádí prostorový problém na rovinný a nahrazuje pilíře tzv. náhradními stěnami. Společným rysem těchto metod je předpoklad stejné svislé deformace pilíře i okolní zeminy, což může být splněno při zatížení tuhou deskou, respektive pod vnitřními partiemi násypových těles.

Obr. 2 – Idealizace tzv. unit cell

KONSOLIDAČNÍ PŮSOBENÍ ŠTĚRKOVÝCH PILÍŘŮ
Konsolidační působení štěrkových pilířů (obr. 3) spočívá v kombinaci vertikálního a radiálního odvodnění zeminy mezi nimi. Proto je pro korektní řešení odvodnění potřeba znát součinitel konsolidace pro vodorovný i pro svislý směr. Součinitele konsolidace ve svislém směru lze určit z oedometrické zkoušky. Součinitel propustnosti ve vodorovném směru je nejvhodnější stanovit z polní zkoušky propustnosti. Radiální propustnost mohou ovlivnit i čočky nesoudržných zemin, jež mohou být v geologické vrstvě přítomny a které zvyšují propustnost, a tedy urychlují konsolidaci. Pokud se vychází jen z jistého násobku svislé propustnosti, následně vypočtený čas na konsolidaci, respektive opatření vedoucí k jeho snížení, mohou být předimenzována. Naopak polní zkoušky propustnosti mohou návrh opatření zlevnit. Konsolidační působení štěrkových pilířů je prostorový problém. Při modelování ve 2D programech je nutné převést problém na rovinný při zachování stejného konsolidačního účinku. Existují dvě či tři možnosti převedení (obr. 4):

• celé zlepšované vrstvě se přiřadí ekvivalentní vertikální propustnost,
• štěrkové pilíře se nahradí prvky typu geodrain, které nahrazují jejich přítomnost, a stanoví se náhradní horizontální propustnost mezi těmito prvky,
• pilíře se modelují „náhradními“ stěnami podle Van Impeho a parametry zemin i „stěn“ zůstávají nezměněny.

The article deals with the use of gravel piers in the road construction. It focuses in detail on the solution to complex problems of settlement of fills, the base of which is improved with a grid of gravel pillars and by means of the method of final elements. It points out the possibility of transferring of generally spatial problem of consolidation to the plane problem while maintaining the same consolidation effect. The resulting calculated settlement of the model is comparable with the measured one within the construction monitoring. (If we follow from the deformation module gained from statistical penetrations, when the module is influenced by the effect of the side stress.)

Tento článek v nezkrácené podobě naleznete v aktuálním čísle časopisu SILNICE-ŽELEZNICE 2/2007.

Autor

• Ing. Marek Pavel Ph.D.