Stavební jámy
1 Stavební jámy 1.1 Účel stavebních jam Stavební jámy jsou výkopy sloužící pro spolehlivé založení stavby a výstavbu podzemních prostor objektu. Různě hluboké stavební jámy se provádějí prakticky ve všech případech plošných základů, ale velmi často i v případech, kdy objekty jsou zakládány hlubinně. Při výstavbě objektů pozemního stavitelství, tj. zvláště budov bytových a občanských, je dnes téměř pravidlem návrh suterénních prostor těchto objektů, jež jsou budovány ve stavebních jámách. Stavební jámy mohou být hloubeny jak v zeminách suchých, tak i částečně, nebo zcela pod hladinou podzemní vody, v oblastech nezastavěných i v územích se stávající zástavbou. Rovněž tak objekty inženýrského a vodního stavitelství, jako jsou mosty, hloubené tunely, hloubené stanice podzemních drah, nábřežní zdi, jezy a přehrady bývají zakládány ve stavebních jámách, hloubených především za účelem dosažení únosné základové půdy, nebo i ochrany základů před výmoly apod. Podzemní inženýrské sítě se ukládají většinou do rýh vytvořených výkopy, jejichž zajištění spadá do oblasti prací speciálního zakládání staveb. Při ražbě štol, kolektorů a jiných drobných podzemních staveb je třeba vybudovat v předstihu těžní a přístupové šachty, jejichž roubení se rovněž týká popisované problematiky. Vedle ražených podzemních prostor, při jejichž výstavbě nedochází k odstranění nadloží, jsou velmi častým typem i podzemní prostory prováděné ve stavebních jamách. Stavební jámy objektů pozemního i dopravního charakteru mohou být značně hluboké a plošně rozlehlé, velmi často jsou hloubeny v husté okolní zástavbě. Nelze proto ve většině případů použít jámy svahované, které jsou prostorově velmi náročné, nýbrž se uplatní především jámy roubené.
1.2 Druhy stavebních jam Volba technologie provádění stavební jámy je závislá na celé řadě faktorů, jejichž důležitost není stejná a může být v různých případech proměnlivá. Je třeba vycházet především z účelu jejího použití, geologických a hydrogeologických poměrů staveniště, z charakteru jejího okolí (zástavba, komunikace, inženýrské sítě apod.) i z charakteru vlastní stavby. Rozeznáváme následující základní typy stavebních jam, které se často vzájemně kombinují: svahované jámy, které jsou bočně omezené svahy provedenými ve sklonu zajišťujícím jejich obvykle dočasnou stabilitu; těsněné jámy se používají pro zakládání v propustných zeminách hluboko pod hladinou podzemní vody, kdy vznikají problémy s vodou přitékající do stavební jámy jejím dnem. Těsné pažicí stěny nelze vždy zavázat do nepropustné zemní vrstvy, a proto se musí v řadě případů vybudovat kompletní těsnicí vana, která podstatně sníží průsaky do prostoru stavební jámy; jímkové jámy (jímky) jsou stavební jámy budované přímo ve vodě, nejčastěji pro vytvoření základů vodních a mostních staveb;
9
Stavební jámy roubené jámy, po obvodě omezené pažicími stěnami s doplňujícími podporovými konstrukcemi, zajišťujícími dočasnou nebo i trvalou stabilitu jámy. Současně užívaná terminologie dává přednost označení pažené jámy, které bude také v dalším textu používáno. Konstrukce pažené jámy se skládá obvykle ze tří základních typů konstrukčních prvků, z nichž každý má odlišnou funkci v celkové konstrukci (obr. 1): pažení, roznášecí prahy (převázky), v případě potřeby také horní ztužující věnec, podpěrné konstrukce (rozpěry nebo kotvy).
Obr. 1 Hlavní části konstrukce pažené stavební jámy: a) rozepřené pažení, b) kotvené pažení; 1 – pažicí stěna, 2 – roznášecí prahy, 3 – horní věnec, 4 – kotvy, 5 – rozpěry Pažení je ta část konstrukce pažené jámy, která bezprostředně přiléhá k hornině a zajišťuje spolu s dalšími prvky bezpečnost stěn jámy nejen proti celkovému sesutí, ale i proti erozi, vypadávání menších objemů horniny a u nepropustných pažení i proti pronikání podzemní vody. Pažení jámy uplatňuje svou nosnou schopnost především ve vodorovném směru, v některých případech i ve směru svislém. Roznášecí prahy (převázky) jsou vodorovné nebo mírně skloněné nosníky, které přiléhají k pažení a umožňují roznesení velkých soustředěných sil z podpor na větší plochu pažení. Roznášecí prahy jsou obvykle ze strany jámy připojené k pažení, což jsou tzv. převázky vnější; v některých případech je účelné vybudovat je ve formě vyztužených nosníků uvnitř pažicí konstrukce, čímž vzniknou tzv. převázky vnitřní (zapuštěné). Převázky se zhotovují v jedné nebo více výškových úrovních. Vedle podstatné statické funkce plní též funkci ztužení celého konstrukčního systému pažené jámy a zajišťují vyrovnávání deformací dílčích částí pažicí konstrukce. Podpěrné konstrukce jsou prvky konstrukce pažené jámy, jimiž se realizují reakce horninových a dalších tlaků působících na pažení. Podle charakteru sil, které vznikají v podpěrných konstrukcích působením tlaků na pažení, rozeznáváme podpěrné konstrukce: rozpěrné, jimiž se tlakové reakční síly přenášejí rozpěrami buď do protilehlého pažení, nebo do horninového prostředí dna jámy, případně do vnitřní bárky; kotvené, u nichž jsou reakční síly realizovány tahovými silami v kotvách a přeneseny do horninového prostředí za pažením.
10
Stavební jámy Konstrukce pažené stavební jámy může být navržena v různých variantách a kombinacích uvedených tří základních prvků, přičemž některé prvky mohou někdy chybět. Konstrukce pažené jámy může být např. tvořena jen pažicí stěnou vetknutou do podloží dna jámy, nebo naopak může být u jam ve skalních horninách zredukována pouze na kotevní prvky. Dočasné rozpěrné konstrukce jsou tvořeny většinou ocelovými rourami, nebo válcovanými nosníky a obyčejně se neaktivují, tzn., že se do nich příslušná osová síla předem nevnáší, ta vzniká až v souvislosti s deformací pažení. Při velkých rozpětích mohou být tvořeny ocelovou příhradovou konstrukcí nebo mohou být podepřeny. Rozpěrné konstrukce je také možné v pažené jámě účelně kombinovat po výšce nebo půdorysně s kotvením. Trvalé rozpěrné konstrukce se během výstavby začleňují do konstrukce podpovrchového objektu většinou ve formě definitivních stropů, které bývají železobetonové, řidčeji ocelové. Vedle deskových železobetonových konstrukcí se používají i trámové stropy, při větších rozpětích případně s průvlaky. Jako vnitřní podpory, pokud jsou potřebné, se používají vrtané širokoprofilové piloty nebo prvky podzemních stěn. Do nich spadá i metoda „top and down“ (německy „Deckelbauweise“), kdy po zhotovení konstrukčních stěn a prvního stropu možno realizovat současně výstavbu podzemní i nadzemní části objektu. To umožňuje zkrátit dobu výstavby a ve stísněných podmínkách využít strop nad prvním podzemním podlaží jako součást zařízení staveniště. Zemní práce v překryté podpovrchové části objektu podstatně méně zatěžují životní prostředí okolí. Kotvení je velmi frekventovanou metodou speciálního zakládání, která umožňuje přenos značných tahových sil ze stavební konstrukce do horninového prostředí, případně slouží ke stabilizaci zemního či horninového masivu samostatnými předepnutými horninovými kotvami. Používají se tudíž nejen jako podpory u pažení stavebních jam, ale též pro zajištění stability zemních svahů, včetně sanace svahů sesutých, pro stabilizaci skalních stěn v zářezech a odřezech, pro stabilizaci tunelových portálů a stěn podzemních kaveren, pro zajištění stavebních konstrukcí proti vyplavání působením vztlaku, případně proti posunutí či překlopení. O kotvení stavebních konstrukcí pojednává podrobněji kap. 3. Základní varianty uspořádání příčného řezu pažicích konstrukcí jsou (obr. 2): stavební jáma je pažená na celou výšku, stavební jáma je pažená jen zčásti (kombinované zajištění jámy), stavební jáma s kotveným svahem. Pažicí stěna na celou výšku jámy bývá po výšce technologicky a konstrukčně homogenní, které je nejběžnější uspořádání, nebo se může typ pažení po výšce měnit. Odstupňované zajištění po výšce pažené stavební jámy se navrhuje v případě dispozičních nároků, vyžadujících výrazné půdorysné rozšíření horního podzemního podlaží přes obrys spodních podlaží (vstupy, podchody, vestibuly, přístupové rampy v definitivním stadiu, sjízdné rampy ve stavebním stadiu), nebo v případě návrhu relativně měkkého pažení pro velkou volnou výšku, kdy deformace pažicí konstrukce by byly nepřijatelné. Kombinované zajištění stavební jámy je kombinací pažení a svahování, což je umožněno jednak geotechnickými podmínkami, jednak dostatkem místa pro horní svahování. Svahované stěny se často zajišťují hřebíkováním, popř. kotvami přes vodorovné prahy. Stavební jáma s kotveným svahem má své uplatnění v pevnějších prostředích a v prostorově méně náročných podmínkách, kdy je umožněno určité rozšíření výkopů svahováním. 11
Stavební jámy Z hlediska délky provozního působení rozeznáváme pažení dočasná a trvalá. Tato jejich funkce úzce souvisí se způsobem začlenění pažení do definitivního podpovrchového objektu. Dočasná pažení plní svou stavební a statickou funkci jen po dobu výstavby. U dočasných pažení je třeba technicky a ekonomicky zvážit možnost a vhodnost odstranění, respektive znovuzískání některých konstrukčních prvků pro opakované použití. Za dočasné pažení jsou považovány konstrukce s životností do 2 let. Je třeba upozornit, že tato časová hranice je nastavena legislativně a obvykle po uplynutí této doby nenese projektant a zhotovitel dočasného pažení zodpovědnost za jeho stavební stav. Pažení trvalá jsou ta, u nichž stavební i statická funkce trvá po celou dobu životnosti vlastního objektu. Trvalá pažení jsou buď částečně, nebo celá definitivním stavebním prvkem a začleňují se do konečného objektu jako jeho konstrukční součást. Musí proto vyhovovat požadavkům na pažení i na konečnou funkci objektu.
Obr. 2 Typy příčného uspořádání pažené stavební jámy: a – pažení na plnou výšku jámy, b – odstupňované pažení, c – kombinované zajištění 1 – podzemní stěna, 2 – snáze demontovatelné pažení, 3 – mikropiloty, 4 – hřebíkování, 5 – svahovaná jáma
1.3 Metody a technologie provádění pažicích konstrukcí Roubení je zabezpečení svislých nebo výrazně strmých stěn výkopů, které se skládá z pažení a stabilizace pažení, což může být rozepření nebo kotvení, popř. kombinace těchto metod. Jinou metodu představuje hřebíkování, jež zajišťuje svislý či strmý svah v určitých základových půdách na základě poněkud odlišného mechanizmu statického působení.
12
Stavební jámy V hrubozrnných zeminách je nutné pažit vždy (prakticky od hloubky 0,80 m), v jemnozrnných zeminách pak od hloubky 1,50 m, rovněž tak v horninách poloskalních. Ve skalních horninách závisí potřeba pažení především na vlastnostech horninového masivu. Stavební rýhy se paží zvláště v zástavbě, a to z titulu nedostatku místa pro svahovaný výkop. Stavební šachty se paží vždy. Stavební jámy, zvláště hluboké s hloubkou přes 6 – 8 m se rovněž většinou paží, neboť to i v případech dostatku prostoru nebývá dražší. Je však vhodné ekonomické srovnání obou alternativ. V městské zástavbě se stavební jámy paží vždy, nicméně se většinou volí taková konstrukce, které paží stěny stavební jámy a zároveň vytváří suterénní zdi. Navíc u těchto konstrukcí přistupují často problémy s podchycováním sousedních, vesměs mělčeji založených staveb. Dalším typickým aspektem stavebních jam v městské zástavbě je snaha o co největší využití půdorysu podzemí, což vytváří tlak na návrh štíhlých pažicích konstrukcí, přimknutých co nejtěsněji ke stávající zástavbě. Rovněž tak v extravilánech bývají stavební jámy paženy, neboť to mnohdy vychází levněji a rychleji. V těchto případech je vždy na místě ekonomické srovnání. Pažení stavebních jam je buď dočasné, kdy přebírá pažicí funkci pouze do doby výstavby suterénních částí stavby a následně je buď zlikvidováno, nebo zůstane v zemi např. jako ztracené bednění, avšak ztratí svoji původní funkci, kterou přebere konstrukce suterénu stavby. Pažení stavebních jam však může být i trvalé, kdy jednak umožní výkop stavební jámy a jednak vytvoří definitivní konstrukci suterénních obvodových zdí, jež jsou schopny trvale přenášet příslušná zatížení. Druhý způsob je z hlediska vlastního pažení dražší, neboť použité konstrukce jsou trvalého charakteru, nicméně z hlediska celkové ceny může vyjít tato konstrukce hospodárněji. Rovněž je vhodné ekonomické srovnání. Výstavba stavebních jam v městské zástavbě zahrnuje soubor specifických geotechnických problémů, na jejichž řešení se podílejí inženýrští geologové, projektanti – geotechnici a specializované firmy zabývající se speciálními metodami zakládání staveb, jež disponují osvědčenými i moderními technologiemi z tohoto oboru. Návrh konstrukce pažení stavebních jam závisí především na následujících faktorech: na inženýrskogeologických a hydrogeologických poměrech na staveništi, jež mohou být velmi pestré a složité; na pevnostních a deformačních vlastnostech základové půdy, na charakteru navážky a násypů, na eventuální existenci stávajících, nebo i předpokládaných podzemních prostor na staveništi, nebo v jeho těsné blízkosti; na půdorysných rozměrech stavební jámy a možnostech přístupu pro stavební stroje a mechanismy; na reliéfu terénu, na hloubce stavební jámy a na hloubce základových spár sousední zástavby; na charakteru a stavebním stavu sousední zástavby, na stupni prozkoumanosti této zástavby; na velikosti využitelného prostoru pro vytvoření pažicí konstrukce; na požadavku na charakter této konstrukce (pouze pažicí – dočasná, nebo trvalá); na požadavku na vodotěsnost pažicí konstrukce, popř. požadavku na využití této konstrukce jako ztracené bednění, na požadavku na rovinnost této konstrukce využité např. jako podklad pod svislou izolaci; na požadavku na likvidaci pažicí konstrukce, nebo jejích prvků (zápor, pažin, kotev); na požadavku na tuhost pažicí konstrukce s ohledem na její přípustné deformace a deformace vyvolané výkopem na sousední zástavbu. 13
Stavební jámy Pro návrh pažicích konstrukcí se využívá: záporové pažení (kotvené i rozepřené, zcela výjimečně volně stojící), jež slouží často jako ztracené bednění podél nezastavěného obvodu stavebních jam tam, kde pro jeho výstavbu lze využít stávající, nebo sousední parcelu. Využíváno je vesměs zápor vkládaných do vrtů a pode dnem stavební jámy zabetonovaných, dále dřevěných pažin, ocelových převázek a dočasných tyčových a pramencových kotev. Záporové pažení se provádí jednak bez pracovního prostoru, jednak s pracovním prostorem, což umožní jeho kompletní likvidaci pro skončení jeho funkce. Povrch pažení bez pracovního prostoru se opatřuje omítkou, jež slouží jako podklad pod svislou izolaci. Tam, kde je to nutné, využívá se ztracených hlav kotev, popřípadě zapuštěných převázek, jež umožní vytvoření hladkého líce pažení; podzemní stěny většinou monolitické, sloužící vesměs jako stěny konstrukční v tloušťkách 0,40 m, 0,60 m a 0,80 m, výjimečně 1,0 m, kotvené dočasnými i trvalými pramencovými kotvami. Pro výrobu podzemních stěn se využívá vesměs hydraulických drapáků, výjimečně pak hydrofréz. Byly vyvinuty detaily napojení základové desky i stropů do těchto podzemních stěn, jakož i těsnění jejich pracovních spár. Největší využití podzemních stěn je při výstavbě podzemních garáží, kde se jejich povrch neopatřuje žádnou další konstrukcí; pilotové stěny volně stojící a zejména převrtávané. Využívají se stále častěji, neboť v souvislosti s vývojem dostatečně produktivních vrtných souprav cenově významně konkurují stěnám podzemním a k jejich výrobě není potřebné použití pažicí suspenze, tudíž dochází k menšímu zatížení životního prostředí. Jejich nevýhodou je pak větší možnost vzniku netěsností zvláště v komplikovaných geotechnických podmínkách; mikrozáporové pažení – trvalá konstrukce, jež spolu se stříkaným betonem a kotvením vytváří prostorově úsporné svislé stěny stavebních jam s hladkým povrchem, připravené pro svislou izolaci. Lze konstatovat, že zvláště v zástavbě historických proluk v Praze se jedná o typickou pažicí konstrukci, sloužící současně pro podchycení stávající, mělce založené sousední zástavby; štětové stěny jakožto těsnicí konstrukce pažení se využívá dosti výjimečně, a to zejména v souvislosti s dlouhodobou ochranou proti podzemní vodě, popř. jako protipovodňová opatření; trysková injektáž, především dvojfázová, ale též jednofázová, využívaná vesměs pro podchytávání stávajících stavebních konstrukcí mělčeji založených, dále pro vytváření vodotěsných stěn stavebních jam menšího rozsahu i pro těsnění dna stavebních jam. Často se prvky tryskové injektáže kombinují s mikrozáporovým pažením; hřebíkovaný svah se využívá jako dočasné pažení výkopu v nezastavěném terénu v základové půdě tvořené vesměs poloskalními horninami, nebo alespoň soudržnými zeminami; alternativní technologie, jako např. provádění vmíchávaných sloupů apod., jež mají velmi omezený význam.
1.3.1 Hřebíkování Hřebíkování základové půdy je metodou zlepšení jejích vlastností, zvláště pak smykové pevnosti pomocí kombinace jejího vyztužení a vytvoření odolného pokrytí povrchu svahu za účelem vytvoření jakési tížné kompaktní zdi, která vytvoří stabilní svah výkopu. V podstatě se jedná o dočasné zajištění svahu svislého nebo strmého výkopu, neboť konstrukce hřebíků 14
Stavební jámy bez speciální protikorozní ochrany a bez odvodnění krytu zářezu tvořeného stříkaným betonem nevyhovují zejména z hlediska trvanlivosti. Metoda hřebíkování cílevědomě využívá přirozené deformace zemního tělesa po provedení výkopu či odkopu svahu k přirozenému aktivování výztužných prvků – hřebíků. Jejich aktivace, tj. vnesení síly do hřebíků spolu s omezením, respektive řízením deformací povrchu stěny pomocí krytu zvolené pevnosti účinně zabraňuje tvoření trhlin zejména v oblasti podél povrchu svahu. Aby mohly být síly do jednotlivých úrovní hřebíků účinně vneseny, musí se výstavba hřebíkovaného svahu provádět po etapách, přičemž všechny předepsané operace (instalace hřebíků, provedení vrstvy stříkaného betonu po případném předchozím odvodnění) této technologie musí proběhnout komplexně v každé etapě (obr. 3).
Obr. 3 Schéma pracovního postupu provádění hřebíkovaného svahu Hřebíky se realizují většinou „mokrým procesem“, tzn., že do předem připraveného maloprofilového vrtu (průměr 90 – 150 mm) navržené délky a sklonu se do cementové zálivky osadí hřebík většinou z betonářské oceli (profilu R 20 – 32 mm, popř. i 2 profilů R 20 – 25 mm). Pouze zcela výjimečně se používá kvalitnějších ocelí (např. tyčí GEWI profilu 26,5 – 32 mm), neboť jsou dražší a nejsou využitelné. Mají však výhodu nalisovaných závitů, což umožní jednoduchý spoj přes plechovou podložku a matici. Používá se cementová zálivka c : v = 2,2 – 2,3 : 1. Injektáž těchto hřebíků nemá význam, naopak následná injektáž hřebíků vložených „na sucho“ do vrtů nemusí zajistit dokonalý kontakt mezi cementovou suspenzí, hřebíkem a okolní základovou půdou. Hřebíky neumožňují předepnutí, neboť jsou podél celé své délky opatřeny cementovou zálivkou. Hřebíky spolupůsobí s okolní základovou půdou podél celé své délky, kde je aktivováno smykové napětí, jehož velikost roste s deformací mezi pláštěm vrtu vyplněného cementovou maltou a okolní základovou půdou. Dostoupí-li tato deformace jisté 15
Stavební jámy velikosti, smykové napětí již neroste a ustálí se na velikosti reziduální. Hřebíky se tedy vkládají do vrtů s cementovou zálivkou bez jakékoliv úpravy jejich povrchu, tudíž z hlediska jejich životnosti se jedná o jednoduchou protikorozní ochranu výztuže, jež je přijatelná pro konstrukce dočasné (s dobou životnosti 2 roky). Pro provádění, monitoring a kontrolu provádění slouží norma ČSN EN 14 490: Provádění speciálních geotechnických prací – Hřebíkování zemin. Aby bylo zajištěno předepsané krytí výztuže cementovou maltou, používá se centrátorů z umělé hmoty, jež se v roztečích cca 2 – 3 m navlékají na výztuž. Pokud bychom uvažovali s hřebíkováním jakožto konstrukcí trvalou, musely by být hřebíky opatřeny dvojitou antikorozní ochranou, což by vesměs znamenalo jejich povlečení ohebnou vrubovanou trubkou z PVC nebo PE se zainjektováním mezikruží vhodnou hmotou. Hřebíky lze realizovat i suchou cestou, a to zvláště v poloskalních či skalních horninách, kde se využívá např. systému „split-set“, kde hřebík je tvořen podélně rozříznutou trubkou, která svou deformací zajistí spolupůsobení s okolní zeminou. Tento způsob se ovšem používá ojediněle, neboť je drahý. Hřebík vyčnívá z povrchu svahu na vhodnou délku a upraví se zakotvením do krytu tvořeného ze stříkaného betonu. Teoreticky lze sice provádět i hřebíky s hlavou nekotvenou, to je však nevýhodné z hlediska jejich účinnosti. Správný postup při zajišťování svahu výkopu hřebíkováním: předvýkop na 1. etáž, přičemž maximální hloubka předvýkopu se stanoví buď ze zkušeností, nebo i výpočtem; realizace hřebíků 1. úrovně; eventuálně položení provizorního odvodnění v rubu stříkaného betonu, položení výztužné sítě a realizace stříkaného betonu na 1. etáži; předvýkop na 2. etáž, protažení provizorního odvodnění; provedení hřebíků 2. etáže; výztužná síť a stříkaný beton 2. etáže; … takto se postupuje až do úrovně definitivního výkopu. Zcela výjimečně lze provádět nejprve stříkané betony (s eventuálním rubovým odvodněním) a vzápětí pak hřebíky, jejichž hlavy jsou opatřeny ocelovou roznášecí deskou, jež je k povrchu stříkaného betonu aktivována pomocí matice na hlavy hřebíku našroubované. Odvodnění rubu stříkaného betonu lze doporučit v každém případě, zvláště u dočasných hřebíkovaných svahů, jež slouží delší dobu (samozřejmě nejvýše do 2 let). Používají se nejčastěji ohebné perforované drenážní PE, PVC trubky Js 40 – 80 mm, jež se pokládají do rýh ve spádnici svahu, provizorně se uchycují pomocí háků z betonářské oceli profilu 6 – 8 mm a proti zanesení otvorů stříkaným betonem se chrání položením pásu vhodné geotextilie. Osová vzdálenost těchto odvodňovacích trubek se volí 2 – 4 m. V případě návrhu hřebíkování musí být dodrženy všechny konstrukční zásady, jakož i správný technologický postup. Např. zcela nevhodné bývá dočasné zajištění strmých svahů v poloskalních horninách pouze stříkaným betonem, kdy cílem bývá jakási „ochrana“ před větráním hornin. Stříkaný beton se v tomto případě obyčejně zřítí, pokud se za jeho nepropustným rubem vystaví srážková, nebo puklinová voda a výsledek je horší, než kdyby svah zůstal obnažen, popř. pokryt pouze geomříží.
16
Stavební jámy
1.3.2 Záporové pažení Záporové pažení náleží mezi nejvíce používané metody zajištění dočasných svislých výkopů stavebních jam a hlubokých rýh. Je známo již přes 100 let a v průběhu této doby zaznamenalo mnoho variant, i když princip zůstává stejný. Záporové pažení (obr. 4) se skládá z následujících prvků: zápor (obyčejně ocelových nosníků I, H, 2 x U), což jsou svislé nosné prvky; pažin (většinou dřevěných hranolů, výjimečně i fošen, polštářů, kulatiny, ocelových pažin typu Union, betonových prefabrikátů a stříkaného betonu s výztužnou sítí); stabilizačních prvků, což jsou buď rozpěry (šikmé i vodorovné, většinou ocelové, výjimečně dřevěné), nebo dočasné kotvy (tyčové, či pramencové); převázek, jež umožňují ekonomické uspořádání stabilizačních prvků, tj. rozpěr či kotev; eventuálně dalších prvků či úprav, což může být rubové odvodnění, či úprava povrchu pažení. Záporové pažení ve své klasické podobě je vždy konstrukce dočasná, neboť jeho životnost je omezena na 2 roky (právními předpisy). To ovšem neznamená, že záporové pažení musí být vždy po skončení své životnosti odstraněno. V zásadě rozeznáváme 2 případy: záporové pažení s pracovním prostorem (obr. 4a), které bývá od stavby realizované v zapažené jámě či rýze dostatečně odsazeno (minimální pracovní prostor je 0,80 m) a po skončení své funkce bývá odstraněno, přičemž většinu jeho prvků lze použít opakovaně; záporové pažení použité jako ztracené bednění (obr. 4b), jež je naopak přisazeno k rubu suterénní části stavby; zde bývá požadavek na rovinnost pažení bez jakýchkoliv výstupků tak, aby jeho povrch mohl sloužit např. jako podklad pro svislou izolaci. Toto pažení obyčejně zůstává v zemi (až na horní část, která bývá do hloubky asi 1,5 m dodatečně odstraněna z rýhy hloubené vně již vybudované stavby).
Obr. 4 Schéma záporového pažení: a – pažení s pracovním prostorem, b – pažení bez pracovního prostoru; 1 – zápora, 2 – pažiny, 3 – předsazená převázka, 4 – kotva, 5 – skrytá (utopená) převázka, 6 – případná povrchová úprava pažin (omítka apod.)
17
Stavební jámy Vlastní záporové pažení se realizuje jako: volně stojící (nekotvené, nerozepřené), obr. 5a, pokud jeho volná výška je dostatečně malá (asi do 3,5 – 4,0 m) a pokud nehrozí nebezpečí z jeho deformací na okolní zástavbu; jednonásobně rozepřené, či kotvené (v jedné úrovni), obr. 5b, při volné výšce pažení od cca 3,5 do 7,0 m; vícenásobně rozepřené či kotvené (ve více úrovních), obr. 5c; s ohledem na relativně malou tuhost záporového pažení se nedoporučuje kotvení či rozpírání ve více než 3 úrovních, což odpovídá volné výšce do asi 12,0 m. Pokud je třeba pažit vyšší výkopy, doporučuje se odstupňované pažení s bermami.
Obr. 5 Druhy záporového pažení: a – volně stojící, b – jednonásobně kotvené, či rozepřené, c – vícenásobně kotvené či rozepřené; H – volná výška, t – vetknutí zápor pod dno jámy; 1 – zápora, 2 – pažiny, 3 – kotva, 4 – rozpěra Zápory se navrhují obyčejně v osové vzdálenosti od 1,0 do 3,0 m, přičemž zcela nejtypičtější jsou osové vzdálenosti kolem 2,0 m. Ty lze poměrně snadno optimalizovat podle cenového kritéria. Používá se profilů I č. 300 – 450, HEB č. 240 – 340 a dvojice U profilů č. 260 – 300. V tomto případě se oba U profily obrácené k sobě stojinami ve vzdálenosti 120 – 200 mm spojují oboustranně navařenou pásovinou 100/10 po asi 2,0 m. Ocelové nosníky slabších průřezů se používají pro mikrozáporové pažení. Zápory (s výjimkou dvojic U nosníků) lze beranit či vibrovat, a to ve vhodných základových půdách, kde je tato technologie reálná. Současně je třeba dbát na měření dynamických účinků při této práci tak, aby nedošlo k poškození či ovlivnění sousední zástavby. Na městských staveništích se však zápory vesměs vkládají do vrtů. Jejich průměr se volí podle použitých zápor od 400 do 650 mm; nejtypičtější jsou průměry vrtů 630 mm, které umožňují jistý posun zápor při jejich osazování za účelem dosažení přesné polohy. Zápory se obyčejně osazují jeřábem, po vycentrování se opřou o dno vrtu a u jeho ústí se poloha zajistí klíny, či jiným vhodným způsobem. Vetknutá část zápor, jež by neměla být kratší než 1,5 m (bez ohledu na statické posouzení), bývá ve vrtu stabilizována „hubeným“ betonem (C8/10, cementovou či vápennou stabilizací). Vrt v části nade dnem jámy se obyčejně volně zasype vyvrtanou zeminou, z níž je separována velmi hrubá frakce (přes 60 mm). Při hloubení výkopu je třeba, aby se zabránilo nadměrnému těžení zeminy za záporami. Po provedení výkopu na vhodnou 18
Stavební jámy hloubku, jež závisí především na charakteru základové půdy, se ihned osazuje výdřeva. V zásadě se vždy dřeví za příruby zápor, přičemž v horní etáži se pažiny zasouvají shora. Délka zasunutí pažiny za přírubu zápory by měla být nejméně 1/5 šířky příruby. Ihned po osazení jedné či několika pažin se prostor za rubem pažin zasype vhodnou zeminou, nejlépe hlinitým pískem, a ručně (palicí) se zhutní po vrstvách tloušťky do 0,1 m. Této pracovní fázi je třeba věnovat mimořádnou pozornost, neboť významně rozhoduje o následném chování záporového pažení. V následující fázi se buď podle navrženého pažení realizují stabilizační prvky (rozpěry, kotvy a převázky – v případě rozepřeného či kotveného pažení), nebo se pokračuje s výdřevou (v případě pažení volně stojícího) a výdřeva pažení se provádí po příslušné stabilizaci. Výdřevu následujících fází pažení již nelze zasouvat shora, musí být ukládána z líce pažení, což znamená, že úprava její délky musí být prováděna na místě. Opět je krajně důležité zaplňování prostoru za rubem výdřevy vhodnou zhutněnou zeminou. Toho nelze pochopitelně docílit v případě poslední pažiny, kdy není místo pro zasypání. Je však třeba snažit se o minimalizaci takto vzniklých „kaveren“ za rubem pažení. Výdřeva se v případě pažení s pracovním prostorem klínuje pomocí dřevěných klínů proti přírubám zápor, čímž se zemina za rubem pažení aktivuje a deformace pažicí stěny se minimalizují. Doporučuje se nakonec zajistit klíny pomocí svislých latí, jež jsou k pažení přibity. Klíny se nepoužívají v případě pažení, jež slouží jako ztracené bednění. Zde bývá naopak požadavek na zcela rovný líc pažení, jehož povrch se často opatřuje i omítkou se zednickou úpravou povrchu. Pažiny v tomto případě jsou vždy hraněné (hranoly šířky 60 – 120 mm, výjimečně i fošny tloušťky nejméně 60 mm – podle statického posouzení). V ostatních případech není požadavek na rovinnost povrchu pažení až tak přísný a lze použít i nehraněné pažiny, jako jsou polštáře nebo kulatina. V tomto případě je třeba správně stanovit jejich průměr, neboť minimální tloušťka výdřevy bývá ve statickém posudku udána pro obdélníkový průřez, respektive pro průřez šířky 1,0 m. Stabilizační prvky jsou buď rozpěry, nebo kotvy. Rozpěry lze výjimečně navrhovat jako šikmé, opřené patou např. o vybudovaný základ, nebo vodorovné, kdy v nepříliš širokých jámách či rýhách jde o vzájemné rozepření. Rozpěry nebývají předepnuty, musí být však alespoň aktivovány. S tím je třeba počítat při stanovení deformací pažicí konstrukce. Nerozepírá se pochopitelně každá zápora, nýbrž se navrhují ocelové převázky a rozpěry ve větších roztečích. Typický je návrh převázek vždy ob 2 zápory a rozpěr také. Tím se vyhneme problémům při podkládání převázek z titulu nepřesného osazení zápor. To je rovněž zcela typické pro případ kotvení, jež se navrhuje v širokých stavebních jámách, kde je požadavek na volný prostor v jámě. Převázky nevadí v případě pažení s pracovním prostorem, který sice místně zužují, to však bývá přípustné. Používá se tzv. předsazených převázek obyčejně z dvojic U profilů (2 x U č. 240 – 300), v případě potřeby i z dvojic I profilů. Převázky se vhodně natáčejí podle sklonu kotvy či rozepření a osazují se na kozlíky z plechu tloušťky 10 – 20 mm přivařených k záporám. V případě záporového pažení bez pracovního prostoru nebývá návrh předsazených převázek přijatelný, pokud se nepodaří umístit je vhodně tak, aby postupně budovaná stavba převzala vodorovné síly pomocí příslušných stropů a převázky mohly být (postupně od spodu) likvidovány po deaktivaci kotev. To však bývá možné pouze výjimečně a nezbývá než použít jiné řešení: zápory z dvojic U profilů, kde lze kotvy umístit mezi stojiny a hlavy kotev „zapustit“ tak, aby nevyčnívaly, znamená to však kotvit každou záporu; navrhnout tzv. „zapuštěné převázky“ umístěné mezi stojiny zápor, jež se však obtížně montují. Někdy se používá zesílených profilů Larsen IIIn. 19
Stavební jámy Záporové pažení s pracovním prostorem lze po skončení své funkce zlikvidovat. Pracovní postup je následující: po položení obvodové drenáže mezi stavbou a pažením se demontují pažiny na výšku kolem 1,0 m a prostor mezi stavbou a základovou půdou se zasype vhodnou zeminou, která se po vrstvách hutní; takto se postupuje až k úrovni převázky, popř. až k povrchu pažení; pokud je pažení kotvené přes převázku, kotva se deaktivuje a převázka se demontuje a vytáhne (kotva se v zemi ponechá); po likvidaci všech pažin a zásypu rýhy na celou výšku se zápory vytáhnou; používá se při tom speciálního zařízení na principu obráceného beranu, kterým se zápora uvolní a povytáhne, návazně se použije mobilního jeřábu. V některých případech vzniká problém s „ponechanými“ kotvami v zemi. Jde vesměs o problém umělý, nemající nic společného s technickou stránkou věci, neboť dočasné kotvy v zemi nepředstavují prakticky žádnou překážku i pro následnou výstavbu.
1.3.3 Mikrozáporové stěny Mikrozáporové stěny představují určitou alternativu k záporovému pažení. Mikrozáporové, nebo též Janovské stěny se navrhují tam, kde z jakýchkoliv důvodů není dostatek místa a prostoru pro klasické pažení záporové, které je vždy levnější. Jde tedy v prvé řadě o stísněné prostory, kde není dostatek šířky pro jiný druh pažení, nebo kam nemohou potřebné stavební mechanismy zajet (úzké dvorní proluky, sklepy apod.). V druhé řadě jde o staveniště, kde provádění klasických zápor (ražených, či do velkoprůměrových vrtů) není možné např. z titulu nevrtatelných překážek v navážkách a podobně. Tyto stěny na rozdíl od stěn záporových vždy zůstávají v zemi a provádějí se většinou jako konstrukce bez pracovního prostoru, tj. jako ztracené bednění. Přesto se však jedná vesměs o konstrukce dočasné, které nejsou určeny pro trvalý přenos příslušných zatížení. Skládají se z následujících prvků: mikrozápor, což jsou buď ocelové trouby (profilu např. 108/16 – 191/10 mm), nebo profily HEB (např. HE 100 B – HE 160 B), přičemž mikrozápory se vesměs vkládají do maloprofilových vrtů realizovaných jako bezjádrové, jež jsou opatřeny cementovou zálivkou, popř. i cementovou maltou; pažin, které jsou výjimečně tvořeny fošnami tloušťky nejméně 40 mm, spíše pak ocelovými pažinami typu UNION, nebo stříkaným betonem s výztužnou sítí a to zvláště v případě výkopů v poloskalních, eventuálně skalních horninách; rozpěrného, nebo spíše kotevního systému, sestávajícího z převázek a dočasných tyčových, či pramencových kotev; eventuálně dočasného rubového odvodnění stříkaného betonu, podobně jako v případě hřebíkovaných svahů. Mikrozáporové stěny (obr. 6) jsou konstrukce poměrně měkké – deformovatelné a s tím je třeba počítat při jejich návrhu. Mikrozápory se navrhují v osových vzdálenostech od 0,6 do 1,5 m a lze je umístit v minimální vzdálenosti (např. 0,20 – 0,30 m) od stávající konstrukce. Je-li dostatek místa (hlavně výšky), ukládají se mikrozápory do vrtů vyplněných zálivkou nebo maltou vcelku. Potom lze s výhodou využít válcovaných profilů, které jsou ekonomičtější. Není-li dostatek místa, musí se mikrozápory spojovat. V tom případě jsou nejvhodnější ocelové trouby, které se spojují např. přes závitovaný spojník. 20
Stavební jámy S ohledem na malou tuhost mikrozáporových stěn stoupá potřeba jejich podepření, které je dáno především kotvením. Kotví se vždy přes převázky, jež bývají většinou ocelové. Tyto převázky představují značný problém při dodržení požadavku na hladký líc pažení. Využívá se často profilů Larsen, které lze „zapustit“ do mikrozápor HEB 160, do menších válcovaných profilů a ocelových trub však nikoliv. Předsazené převázky znamenají pak vždy nutnost rozšíření tohoto pažení nejméně o 150 – 200 mm. Výjimečně se využívá železobetonových převázek, hlavně ve formě hlavových trámů.
Obr. 6 Schéma mikrozáporového pažení: a – charakteristický řez, b – půdorys – trubní mikrozápory, c – půdorys – mikrozápory HEB; 1 – vrt vyplněný cementovou zálivkou, 2 – mikrozápora, 3 – převázka (např. Larssen), 4 – kotva, 5 – stříkaný beton, 6 – pažiny (např. UNION) Dočasné kotvy se volí jak tyčové (CPS, Dywidag), tak i pramencové (2 x Lp, 3 x Lp). Častá potřeba kotvení mikrozáporových stěn po jejich výšce tyto konstrukce jednak zdražuje, jednak prodlužuje dobu jejich výstavby, neboť je třeba počítat s technologickými přestávkami na tuhnutí zálivky a injektáže apod. Výjimečně lze v poloskalních a skalních horninách používat ocelových hřebíků, které nejsou předpjaté. To je třeba příslušně zohlednit ve statickém výpočtu. Pro mikrozáporové stěny je typické použití vyztuženého stříkaného betonu za účelem pažení mezi jednotlivými záporami. To se navrhuje vždy v případě poloskalních a skalních hornin a soudržných zemin pevné konzistence. V nesoudržných zeminách a navážkách je však použití stříkaného betonu riskantní, nebo zcela nemožné. Využívá se tedy klasických pažin, a to buď ve formě fošen minimálně tloušťky 40 mm, nebo spíše ocelových pažin UNION, které jsou z hlediska své ohybové únosnosti rovnocenné s dřevěnými fošnami tloušťky 60 mm. V případě mikrozápor tvořených ocelovými troubami se využívá úhelníků přivařených k trubce tak, aby bylo možné osadit pažiny.
1.3.4 Pilotové stěny Pilotové stěny představují vesměs trvalou pažicí konstrukci, nebo konstrukci zárubních zdí. Jsou tvořeny zpravidla jednou řadou pravidelně, výjimečně i nepravidelně rozmístěných vrtaných pilot, jež jsou namáhány na ohyb, respektive mimostředný tlak. Přestože kruhový 21
Stavební jámy železobetonový průřez je nejméně výhodným tvarem pro ohybové namáhání, je rozšíření pilotových stěn značné. To je dáno především těmito důvody: vrtání je poměrně progresivní a účinná technologie, jsou k dispozici výkonné stroje, vrty se paží vesměs ocelovými (spojovatelnými) pažnicemi, přičemž odpadá problém s pažicí suspenzí, pilotové stěny lze velmi dobře tvarově přizpůsobit požadavkům stavby. Pilotové stěny v mnoha případech plní dvojí účel (např. pažicí a konstrukční, nebo konstrukční a sanační), což je dáno tou skutečností, že se jedná vesměs o konstrukce trvalé. Pilotové stěny se konstruují pouze z pilot typu „replacement“, tj. z pilot vrtaných, ostatní typy pilot (displacement) se pro tyto konstrukce nehodí. V závislosti na vzájemné osové vzdálenosti pilot a s ohledem na jejich průměr d rozeznáváme: pilotové stěny s velkou osovou vzdáleností pilot (a > d), obr. 7a, pilotové stěny tangenciální (a ~ d), obr. 7b, pilotové stěny převrtávané (a < d), obr. 7c. Podle volné výšky rozeznáváme pilotové stěny: volně stojící (nekotvené, nerozepřené), kotvené (výjimečně i rozepřené) v jedné, či více úrovních. Provádění pilotových stěn, jakož i kontrola a supervize nad jejich prováděním se řídí ustanovením normy ČSN EN 1536: Provádění speciálních geotechnických prací – Vrtané piloty.
Obr. 7 Příklady pilotových stěn: a – s velkou osovou vzdáleností pilot, b – tangenciální pilotová stěna, c – převrtávaná pilotová stěna, p – primární pilota, s – sekundární pilota; 1 – stříkaný beton, 2 – odvodnění Volně stojící pilotové stěny lze navrhovat pro volnou výšku H < 5 – 6 m, přičemž pochopitelně s rostoucí výškou H roste jak vodorovná deformace těchto stěn, tak i požadavek na hloubku jejich vetknutí pod dno výkopu. Pro větší volné výšky se pilotové stěny kotví. Pilotové stěny s velkou osovou vzdáleností pilot jsou typickou trvalou konstrukcí zárubních zdí v případě silničních a železničních odřezů nebo rýh v soudržných zeminách, nebo i poloskalních horninách. Mezery mezi pilotami, jež se volí v šířce (0,5 – 1,0)d, výjimečně i větší, jsou vyplněny plochými klenbičkami z vyztuženého stříkaného betonu s odvodněním jeho rubu. To se realizuje pomocí perforovaných ohebných PE hadic. Pro kotvení pilotových stěn se využívá vesměs železobetonových převázek, a to jak hlavových (trám v hlavách pilot), tak i předsazených (v jedné, či více úrovních pod hlavami pilot). Převázky jsou vždy průběžné, nicméně dilatované na úseky délky do asi 20 m. Výhodou těchto převázek je jejich 22
Stavební jámy značná a volitelná tuhost, jež dovolí šetřit na kotvách, nevýhodou relativně komplikovaná stavba a zdržení z titulu jejich zrání. Hlavové převázky jsou s pilotami spojeny výztuží vyčnívající z hlav pilot, předsazené převázky je třeba s pilotami řádně spojit. Kotvy bývají v obou případech umístěny v nikách, vytvořených v převázkách s kontaktní plochou kolmou na směr a sklon kotev. Takto navrhované pilotové stěny se buď ponechávají v popsaném tvaru, nebo se opatřují pohledovou konstrukcí budovanou většinou z železobetonových prefabrikátů, nebo i umělých hmot. Tangenciální pilotové stěny se navrhují zřídka. Jejich hlavní výhodou je ta skutečnost, že není třeba budovat předsazené převázky, neboť kotvy lze umístit do mezer vždy mezi dvojice pilot. Pochopitelně každá pilota je vyztužená a stěna není vodotěsná. Lze ji opatřit povrchovou úpravou např. ze stříkaného betonu. Převrtávané pilotové stěny představují velice rozšířenou konstrukci průběžných a vodotěsných stěn, jež značně konkurují stěnám podzemním, a to zvláště z toho důvodu, že při jejich výrobě odpadá nutnost pažení pomocí pažicí suspenze. Stěna se skládá z pilot primárních, jež se realizují s jistým časovým předstihem a vyplněny jsou prostým (nevyztuženým) betonem. Tyto primární piloty nejsou nosné z hlediska ohybových namáhání a nemusí zasahovat na vypočtenou hloubku pod dno stavební jámy. Jejich hlavní funkcí je těsnění, resp. pomoc při vytvoření souvislé stěny. Po jisté časové prodlevě, je-li beton primárních pilot již tuhý (nikoliv však tvrdý), přistupuje se k realizaci pilot sekundárních. Výsledná osová vzdálenost převrtávaných pilot v řadě a závisí na jejich průměru d, volné výšce stěny H a na geotechnických poměrech na staveništi a bývá kolem 0,8d. Sekundární piloty jsou nosné, železobetonové a jsou vetknuty na vypočtenou délku pod dno stavební jámy nebo výkopu. Při provádění převrtávané pilotové stěny je třeba dodržet polohu i svislost pilot tak, aby výsledná stěna byla souvislá. Za tím účelem se na úrovni pracovní plošiny připraví šablona pro piloty, jež nahrazuje vodicí zídky v případě podzemních stěn, její zhotovení je však komplikovanější. Vodicí šablona by měla mít výšku nejméně 0,80 m a měla by co nejvěrněji kopírovat půdorys převrtávaných pilot. Do připravené rýhy šířky větší o cca 0,5 – 0,6 m než je průměr pilot se přesně osadí svařenec z ocelových trub a segmentů, které se potáhnou pryží tloušťky 10 mm. Průměr otvorů je o 20 mm větší, než je průměr příslušné pažnice při provádění pilot. Takto připravená šablona se obetonuje betonem kvality nejméně C16/20, popř. se do boků vloží výztuž ve formě svařované sítě. Obyčejně se šablona připravuje z 5 ks trub, respektive segmentů a používá se opakovaně. Po zatvrdnutí betonu šablony se provádí vrty pro piloty, které se vrtají pomocí spojovatelé pažnice, jež se do zeminy rotuje buď pomocí teleskopu, nebo i pomocí dopažovacího zařízení. Z pažnic se zemina vybírá příslušným nástrojem (šapou, spirálem), přičemž se pata pažnice nepodvrtává. Tuhost spojovatelných pažnic (tloušťky 40 mm) zajišťuje spolu s vodicí šablonou polohu i svislost jednotlivých pilot pilotové stěny jako celku. Jedná se však o práci náročnou jak na technologii provádění, tak i na organizaci, neboť beton primárních pilot tuhne a tvrdne bez ohledu na eventuální překážky a přerušení, které může vést ke komplikacím. Pokud je třeba převrtávanou pilotovou stěnu kotvit, využívá se k tomu primárních pilot, skrz něž se provádějí vrty pro kotvy a do nichž se přímo osazují kotevní hlavy. Výhodou je, že odpadnou převázky, nevýhodou pak jasně stanovený počet kotev, které nemusí být ekonomicky využité. Převrtávané pilotové stěny se všeobecně považují za konstrukce vodotěsné, jež jsou schopny být namáhány hydrostatickým tlakem. Pokud jsou piloty vetknuty do nepropustného podloží, lze tuto pilotovou stěnu považovat za těsnicí konstrukci. Převrtávané pilotové stěny se kromě 23
Stavební jámy běžného využití ve formě trvalých konstrukcí suterénu staveb různých půdorysných tvarů využívají s výhodou pro vytváření trvalého pažení kruhových šachet. Pomocí převrtávaných pilot lze vytvořit prakticky dokonalý kruh o průměru i kolem 5 – 6 m, což je zcela minimální průměr např. pro těžní šachty kolektorů apod. Statická výhoda je jasná – radiální vodorovné napětí p v hloubce z vyvolá pouze normálovou sílu v pilotách (N = p R, kde R je poloměr kruhové šachty) a není třeba zvláštních podpor. Je ovšem nutné kontrolovat velikost tlaku v betonu pilot tak, aby nedošlo k příčným tahům v betonu primárních (nevyztužených) pilot, a to s ohledem na velikost kontaktní plochy převrtané pilot při zohlednění tolerancí ve sklonu pilot a jejich půdorysném umístění.
1.3.5 Podzemní stěny Podzemní, nebo též milánské stěny jsou liniové konstrukce trvalého zajištění vesměs svislých výkopů stavebních jam a rýh. Z hlediska účelu se dělí na podzemní stěny: těsnicí, pažicí, konstrukční. Těsnicí podzemní stěny mají vytvořit souvislou stěnu, zabraňující průsaku vody pod vodním dílem, přítoku vody do stavební jámy a infiltraci vody z řeky na přilehlé území. Často se využívají při ochraně životního prostředí, kde zabraňují kontaminaci do širšího okolí, a to v případě různých (chemických) skládek, na území chemických provozů, letišť, skladů pohonných hmot apod. Výplň těsnicích podzemních stěn je tvořena materiálem, jenž je především dostatečně vodotěsný; jde o jílocementovou suspenzi různého složení, výjimečně i o prostý beton. Tyto stěny nejsou obnažené, tudíž nejsou namáhány ohybem a požadavek na pevnost výplně není významný. Zhusta se k jejich výrobě používá tzv. samotvrdnoucí suspenze, která plní dvojí účel: v průběhu těžby paží rýhu, následně v rýze zůstává, po čase ztuhne a získá požadované vlastnosti, což je především vodotěsnost daná příslušnou velikostí koeficientu filtrace k [ms-1] a též příslušná velikost pevnosti (v prostém tlaku) σf [MPa]. Podzemní stěny navržené čistě k pažicím účelům (jako dočasné) se dnes již prakticky nepoužívají, neboť jejich železobetonová výplň je schopna i dlouhodobě odolávat vnějšímu zatížení. Proto se v současné době využívá železobetonových podzemních stěn konstrukčních, jež rovněž plní dvojí účel: v průběhu výstavby stavební jámy či rýhy paží její svislé stěny, vytvářejí zároveň definitivní obvodové stěny suterénu, a to často bez jakékoliv významné úpravy, dané např. přibetonováním. Železobetonové (betonové) podzemní stěny konstrukční se podle charakteru výplně dělí dále na: monolitické, na místě betonované, kde výplň tvoří transportbeton, kterým se betonuje vesměs pod pažicí suspenzi, prefabrikované, kde jejich výplň tvoří napřed vyrobené železobetonové prefabrikáty, jež jsou osazovány do rýh vyplněných většinou samotvrdnoucí suspenzí. Monolitické podzemní stěny převažují, neboť jsou levnější a rychlejší. Jistou nevýhodou je samozřejmě nerovný povrch po odtěžení, neboť se v podstatě jedná o odlitek rýhy vytvořené 24
Stavební jámy v základové půdě. Proto se v případě konstrukčních podzemních stěn vyžaduje často úprava jejich povrchu, která se provádí buď frézováním (pomocí speciálních rotačních fréz), nebo naopak stříkaným betonem, respektive kombinací obou technologií. Podzemní stěny představují vodotěsné konstrukce, schopné odolávat hydrostatickému tlaku. Za tím účelem se jednotlivé lamely podzemních stěn navzájem těsní pomocí umělohmotného těsnění (tzv. „water-stop“), která se osazují do koutových pažnic, a to buď v jedné, či dvou vrstvách. V současné době se pro výrobu podzemních stěn využívá v podstatě následujících technologií daných využitím příslušných strojních zařízení: hydraulické drapáky (vedené, respektive i řiditelné), hydrofrézy. Provádění podzemních stěn, jakož i kontrola nad prováděním a příslušná supervize jsou stanoveny evropskou normou ČSN EN 1538: Provádění speciálních geotechnických prací – Podzemní stěny. Stručný technologický postup provádění: přípravné práce, jež spočívají ve vytvoření dostatečně únosné pracovní plošiny a vodicích zídek, jež jsou betonové, oboustranné, obyčejně slabě vyztužené svařovanými sítěmi, jejich hloubka je nejméně 800 mm, typicky pak 1 000 – 1 500 mm a tloušťka 200 – 300 mm. Vnitřní světlost je o 50 – 100 mm větší, než je šířka příslušného drapáku či frézy. Takto provedené zídky se na určitou vzdálenost zahradí a napustí pažicí suspenzí, v ostatních místech se buď rozepřou kulatinou, či zasypou zeminou; zahájí se těžba; typické tloušťky podzemních stěn jsou 400, 600, 800 a 1 000 mm. V případě hydraulických drapáků je jejich délka 2,50 – 2,80 m a hloubí se lamely buď jednozáběrové (stále primární), nebo trojzáběrové (2 primární a jedna sekundární, jež vždy odstraní hrázku vytvořenou po hloubení dvou jednozáběrových lamel); po vyhloubení příslušné lamely se rýha vyčistí od napadané zeminy a zkontroluje se kvalita pažicí suspenze (zvláště její písčitost). Osadí se koutové pažnice. Ty jsou výjimečně tvořeny ocelovými troubami příslušného průměru (rovného tloušťce lamely), nebo spíše plochými průřezy s navlečenými water-stopy; osadí se výztuž podzemní stěny ve formě armokoše. Ten se skládá z podélných a příčných nosných prutů, ale i ze spojovací a diagonální výztuže, jež zajišťuje tuhost armokoše. Armokoš se osazuje, pokud je to možné, zásadně vcelku, spojování armokošů je komplikované. Armokoše jsou vybaveny distančními kolečky (betonovými, plastovými) za účelem dodržení předepsaného krytí výztuže; neprodleně (maximálně do 2 hodin po přečištění pažicí suspenze) se zahájí betonáž. Betonuje se pomocí sypákových rour pod suspenzi. Při šířce lamely 2,50 – 2,80 m se použije 1 sypáková roura, pro třízáběrovou lamelu šířky 6,5 m se použijí 2 sypákové roury. Betonuje se transportbetonem, kde požadavky na kvalitu betonu jsou dány jednak ČSN EN 1538 a jednak ČSN EN 206-1. V průběhu betonáže se sleduje plynulost stoupání jeho hladiny v betonované lamele (olovnicí) a pažicí suspenze se odčerpává, přečišťuje a skladuje pro případné nové použití. Poslední vrstva suspenze, jež přišla do bezprostředního styku s betonem, se likviduje; hlavy podzemních stěn se obyčejně přebetonují, pokud jsou v úrovni pracovní plošiny, beton se nechá přelít a odstraní se. Po jisté době, když dojde k zatuhnutí betonu, se koutové pažnice vytahují.
25
Stavební jámy Technologický postup výroby monolitické podzemní stěny prováděné zejména hydraulickým drapákem je schematicky znázorněn na obr. 8. Při použití hydrofrézy je zapotřebí nejprve vyhloubit rýhu drapákem pod ochranou pažicí suspenze do hloubky nejméně 3,50 – 5,0 m tak, aby další postup hloubení hydrofrézou byl možný. Ta zeminu nenabírá, nýbrž ji drtí dvěma frézami tvaru ozubených kol s vyměnitelnými nástroji a vrtnou drť spolu s pažicí suspenzí vysává mohutným čerpadlem, jež pro první nasátí potřebuje právě tuto minimální výšku hladiny suspenze. Ta následně putuje potrubím na čisticí stanici, kde se na vibrosítech zbavuje hrubších částic základové půdy a proces čištění je pak dokončen na hydrocyklonu. Vyčištěná, popř. regenerovaná pažicí suspenze je pak znovu čerpána do rýhy. Pomocí hydrofrézy lze realizovat monolitické železobetonové lamely podzemních stěn, podobně jako je tomu v případě hydraulických drapáků, tedy např. třízáběrové lamely s těsnicími pásy (water-stopy). Obvyklejší je však takový postup, při němž se realizují běžné jednozáběrové lamely (primární, včetně výztuže) a ty jsou po určité časové prodlevě částečně přefrézovány lamelami sekundárními (rovněž nakonec vyztuženými).
Obr. 8 Schéma technologie provádění monolitických podzemních stěn Prefabrikované podzemní stěny se navrhují pro trvalé konstrukce zárubních zdí, popř. i hloubených tunelů. Jejich výhoda spočívá v dokonalé pohledové úpravě lícní plochy a možnostech dosažení naprosto přesné polohy jednotlivých panelů. Nevýhoda je dána relativně vysokou cenou, jež souvisí s výrobou a zejména transportem těchto panelů. Vlastní rozměry panelů jsou dány nejen statickým posouzením, ale též jejich hmotností, jež souvisí s použitými zvedacími mechanismy na stavbě. Zvláštnost technologického postupu prefabrikovaných podzemních stěn spočívá v tom, že se hloubí rýha o šířce obyčejně o 200 – 300 mm širší, než jsou panely. Ta se hloubí pomocí jednozáběrových, či trojzáběrových lamel, které se paží obyčejně samotvrdnoucí suspenzí, která na rozdíl od suspenze použité pro stěny těsnicí má jistý časový nárůst pevnosti, jenž bývá větší než v případě stěn těsnicích (na úkor např. vodotěsnosti). Do vyčištěné rýhy pod suspenzí se vkládají železobetonové panely a kontroluje se jejich poloha i svislost. Panely se neopírají o dno rýhy, vyvěšují se pomocí vodicích zídek. Jistý problém spočívá v napojování jednotlivých panelů. Na dně jsou panely jednostranně opatřeny ocelovým „nosem“ s čepem, jenž slouží pro ukotvení následného panelu a 26
Stavební jámy znemožní vybočení následného panelu jakýmkoliv směrem. U horního povrchu se panely fixují na vodicích zídkách. Do půlkruhových drážek ve styku obou sousedních panelů se vloží hadice z umělé hmoty, jež se po zatvrdnutí suspenze zainjektuje vhodným materiálem, čímž dojde k utěsnění spár mezi jednotlivými panely. Z lícní strany se panely obyčejně natírají separačním nátěrem (např. na bázi želatiny) za účelem snadného odstranění samotvrdnoucí suspenze v průběhu výkopu.
1.3.6 Konstrukce z tryskové injektáže Konstrukce z tryskové injektáže se skládají z jednotlivých prvků tryskové injektáže (sloupů nebo lamel), popřípadě z dalších prvků speciálního zakládání staveb (kotev, mikropilot, stříkaného betonu) a slouží buď pro podchycování, nebo zesilování stávajících základů, nebo pro vytváření těsnicích a pažicích stěn, výjimečně pak i jako základové konstrukce novostaveb. Z hlediska využití těchto konstrukcí pro návrh roubení stavebních jam vzniká problém v souvislosti s relativně malou ohybovou únosností těchto prvků, které nelze jednoduše vyztužit. Požadovaná ohybová únosnost je pak získána buď dostatečnou tloušťkou této konstrukce tak, aby v průřezu nevznikala tahová napětí, nebo spolupůsobením s dalšími prvky (např. mikropilotami) tak, že přebírají tahová napětí. Stěny ze sloupů tryskové injektáže však mohou dobře plnit funkci těsnicí, a proto se používají pro těsnění určitých úseků záporového pažení, popř. pilotových stěn volně stojících či tangenciálních ve zvodnělých partiích základové půdy (obr. 9).
Obr. 9 Těsnění pažicích konstrukcí pomocí sloupů z tryskové injektáže: a – těsnění záporového pažení, b – těsnění pilotové stěny; 1 – zápora, 2 – hladina podzemní vody, 3 – nepropustná zemina, 4 – kotva, 5 – sloupy tryskové injektáže, 6 – kotevní převázka, 7 – vrtaná pilota, 8 – stříkaný beton V případě pažení stavebních jam navazujících na stávající zástavbu vzniká požadavek na co největší zábor pozemku. V těchto případech je třeba řešit souběžně dva úkoly: podchytit stávající, obyčejně mělčeji založenou zástavbu, zajistit zapažení svislé stěny stavební jámy pod stávajícími základy. 27
Stavební jámy Pokud jsou geotechnické poměry příznivé pro umožnění technologie tryskové injektáže, uplatní se v těchto případech nejlépe konstrukce z překrývajících se sloupů tryskové injektáže (obr. 10). Je-li hloubka od základové spáry stávajících základů po dno stavební jámy malá (asi 2,0 m), vyhoví příslušnému namáhání pouze jednoduchá řada sloupů. Při zvětšující se hloubce je třeba počítat s kotvením, které podchycující a pažicí konstrukci stabilizuje a umožní její příznivé namáhání. Takto vytvořená pažicí konstrukce je samozřejmě dočasná do doby výstavby suterénu, pro nějž slouží jako ztracené bednění. Proto i kotvy bývají dočasné a převázky jsou navrhovány z úpalků profilů Larsen, zapuštěných do vybouraných nik ve sloupech tryskové injektáže. V průběhu těžby stavební jámy se přečnívající sloupy odbourají, naopak ve spodní části bývá zapotřebí klíny dobetonovat. Pokud se takto vytvořená stěna využije jako podklad pod svislou izolaci, opatří se většinou vrstvou stříkaného betonu s výztužnou sítí a zednickou úpravou povrchu. V případě větších hloubek pažení (např. přes 4,0 m) bývá nutné kotvit ve více úrovních, popřípadě kombinovat stěnu ze sloupů tryskové injektáže se stěnou mikrozáporovou. Dalším důvodem je pak i změna geotechnických podmínek, kdy se přechází do soudržných zemin, nebo do poloskalních hornin, v nichž je technologie tryskové injektáže nevhodná, nebo neekonomická.
Obr. 10 Pažicí konstrukce z překrývajících se sloupů tryskové injektáže: a – při volné výšce H 2,0 m – volně stojící, b – při volné výšce H 2,0 m – kotvená; 1 – pracovní plošina, 2 – podchycovaný základ, 3 – dno stavební jámy, 4 – sloupy tryskové injektáže, 5 – odbouraná část, 6 – dobetonováno (stříkaný beton), 7 – zapuštěná ocelová převázka (úpalek Larsen), 8 – dočasná kotva
28
Stavební jámy
1.3.7 Těsnicí konstrukce a jímky Pro vytvoření stavební jámy pod hladinou vody se kromě některých výše popsaných konstrukcí využívá zejména jímek, jež jsou nutné tehdy, zakládá-li se pod hladinou volné vody (v řece, rybníku, jezeru). Jímky jsou tedy dočasné konstrukce, které ohrazují stavební jámu při zakládání ve vodě. Jímky se dělí zejména podle materiálu, z něhož se staví, na jímky hrázové (zemina), dřevěné, ocelové a betonové, dále podle výšky vzdutí, složení dna, rozměrů jámy a doby trvání jímky. V našich podmínkách mají největší význam jímky ocelové, jejichž stěny jsou tvořeny ocelovými štětovnicemi, z nichž nejtypičtější jsou štětovnice typu Larsen (IIIn, 22, VL603, VL604). Štětovnice se do základové půdy vpravují vesměs vibroberaněním, přičemž se využívá výkonných vibrátorů s možností proměnné frekvence vibrování. Ty jsou vhodné zejména pro písčité a štěrkovité základové půdy. V hlínách a j ílech je třeba využít klasického beranění pomocí Dieselových beranů značné hmotnosti. Ocelové jímky se budují jako vetknuté pod dno, pokud to je z geotechnického hlediska možné. Pokud je dno budoucího výkopu tvořeno neberanitelnou základovou půdou (např. skalními horninami), navrhují se jímky nasazené, dvojité, zavětrované a vyplněné soudržnou zeminou. Výjimečně se štětovnice zapouštějí též do rýhy podzemní stěny vyplněné pažicí suspenzí. Požadavky na vodotěsnost pažicích a těsnicích konstrukcí stavebních jam se mnohdy značně liší, a to posuzují-li se z pohledu investora, uživatele stavby, nebo projektanta, eventuálně zhotovitele této konstrukce. To se týká hlavně konstrukcí trvalých – betonových. Zejména pak požadavek na „absolutní“ vodotěsnost je natolik nákladný, že se prostě nevyplatí. Při posuzování vodotěsnosti konstrukce je třeba zvážit: druh pažicí a těsnicí konstrukce, účel, pro nějž byla tato konstrukce navržena, tlak podzemní vody. Za účelem určitého sjednocení názorů a stanovisek zúčastněných stran výstavby těchto konstrukcí byla v roce 1999 vydána rakouská směrnice: „Wasseundurchlässige Betonbauwerke – Weisse Wannen“, jež byla v roce 2007 přejata Českou betonářskou společností ČSSI a vydána ve formě technických pravidel ČBS 02: Bílé vany – Vodotěsné betonové konstrukce. Tento předpis obsahuje zejména zatřídění požadavků na vodotěsnost, jež je součástí tab. 1. Na ni navazuje tabulka, jež se týká tříd železobetonových bedněných konstrukcí a požadavků na jejich návrh a provádění. Ta však není pro konstrukce speciálního zakládání staveb příliš vhodná a použitelná. Konečně následující tab. 2 rozděluje tlaky vody do 5 tříd. Ukazuje se, že zejména tab. 1, popisující kvalitativní požadavky na jednotlivé konstrukce vystavené dlouhodobému působení vodního tlaku, je použitelná i pro betonové prvky a konstrukce speciálního zakládání staveb a poskytuje zejména investorům vodítko pro usměrnění a reálnost svých požadavků.
29
Stavební jámy Tab. 1 Třídy požadavků na vodotěsnost betonových konstrukcí Třída Popis
Popis lícní plochy
A0
zcela suché
žádné vizuální projevy vlhkosti
A1
vizuálně jednotsuché livé omezené (dlouprojevy vlhkosti, hodobě) změna barvy
A2
mírně vlhké
vizuálně zjistitelná lesklá místa
A3
vlhké
kapající voda s vytvářením mokrých ploch
A4
mokré
jednotlivá protékající místa
Posouzení Přípustné projevy Příklady vlhkosti a průsaku vlhkosti sklady pro zboží – – s mimořádnými požadavky při stěru suchou 1 % pohledové garáže s vysorukou nezůstanou plochy smí pro- kými požadavky na ruce mokré sakovat na vlhkost, stopy sklepy při stěru suchou 1 % pohledové garáže, technické rukou zůstanou plochy smí pro- prostory, kotelny na ruce mokré sakovat kolektory, tunely stopy skapávající průsak do 0,2 l/h garáže s následmnožství vody je na 1bm podzem- ným opatřením, měřitelné (např. ní stěny nebo na např. obvodové v nádobách) m2 0,01 l/h drážky prokékající průsak do 2,0 l/h množství vody je na 1bm podzem– dobře měřitelné ní stěny nebo na m2 1,0 l/h
Tab. 2 Třídy pro vodní tlak
30
Třída vodního tlaku
Popis
W0
vodní sloupec 0,0 – 1,0 m
W1
vodní sloupec 1,0 – 5,0 m
W2
vodní sloupec 5,0 – 10,0 m
W3
vodní sloupec 10,0 – 20,0 m
W4
vodní sloupec > 20,0 m
