VLASTNOSTI PILÍŘŮ TRYSKOVÉ INJEKTÁŽE PRO SANACI ZÁKLADOVÉHO PODLOŽÍ NÁDRŽE NA ROPU Ing. Jiří Pechman Amberg Engineering Brno a.s. 1.
Parametry deformací Nadzemní uskladňovací nádrže na ropu, řešené jako tenkostěnné ocelové konstrukce, mají plášť obvodových stěn navržen jako samonosnou membránu s výtužnými prstenci a dno pouze jako membránu. Uvedené konstrukční řešení je velmi citlivé na projevy poklesů a svislých deformací. Principielní požadavek uvedený v normě definuje jako vhodné základové podloží pouze to, které je stabilní a nestlačitelné. Nerovnoměrné a neúměrné projevy deformací základového podloží nádrží jsou příčinou borcení tvaru nádrže, s negativními až havarijními důsledky na užitné vlastnosti nádrže. U téměř všech realizací uvedených konstrukcí nádrží bylo a je nutno základové podloží vhodně upravit pro docílení dostatečné únosnosti a stability. Ověřenou praxí před uvedením nádrží do provozu je provedení jejich zatěžovací zkoušky zkušebním napuštěním vodou. Tímto rovněž dojde k částečné konsolidaci základového podloží a jsou zjištěny případné projevy nerovnoměrných deformací a poklesů základového podloží. Prstenec, podepírající po obvodě stěnu nádrže, má povolenou výškovou toleranční odchylku ±3,0 mm na vzdálenost 10 m, s limitní odchylkou výšky dvou libovolných bodů na prstenci 10 mm. Rovněž je nepřípustné prosednutí dna nad sklon 1:120 od středu k okraji. Z tohoto důvodu musí být střed dna nádrže proveden s navýšením o velikost tohoto sklonu a hodnotu deformace konsolidací základového podloží. 2.
Realizace zásobníku na ropu a zkušební napuštění vodou Předmětný zásobník ropy byl realizován v lokalitě Klobouky u Brna (viz Obr. 1). Nádrž je řešena pro maximální objem 12 000 m3 uskladněných kapalin. Je řešena jako dvouplášťová kruhová nádrž. Vnitřní plášť – stěna skladovací nádrže má průměr 34,30 m a výšku 16,00 m, kdy při maximálním naplnění bude hladina kapaliny dosahovat do výšky 13,0 m. Vnější plášť – stěna ochranné jímky má průměr 38,15 m a výšku 13,10 m, kdy při poruše vnitřního pláště zadrží kapalinu při max. výšce hladiny 10,50 m. Vlastní váha ocelové konstrukce nádrže je 530 000 kg a uskladněného media 10 200 000 kg (pro ρ = 850 kgm-3). Kruhová kontaktní plocha membránového ocelového dna nádrže má průměr 38,290 m a výměru 1151,5 m2. Zásobník je umístěn v lokalitě s „nevhodným“ základovým podložím, na úpatí svahu. Ve zjednodušení charakterizované geologickým profilem shora dolů : • sprašové hlíny měkké konzistence mocnosti do cca 3,0 m, • prachovité plastické jíly měkké až tuhé konzistence do hloubky cca 13,0 m, • cca od 13,0 m postupně jíly přecházejí v měkké až tuhé zvětralé a navětralé jílovce, kde cca od hloubky –15,0 až –18,0 m jsou více únosné podložní vrstvy. Horizonty rozhraní jednotlivých vrstev jsou skloněné, přibližně ve sklonu svahu původního neupraveného terénu. Hladina spodní vody se nachází cca v hloubce -4,0 m pod původním povrchem. Základ a stabilizace základového podloží byly provedeny následujícím způsobem : • nevyztužená betonová deska průměru 40,30 m, střední tloušťky 15 až 25 cm z betonu B20, se dvěma železobetonovými prstenci šířky 0,6 m a výšky 0,8 m pod stěnou nádrže a stěnou jímky,
•
základový polštář jako polotuhá zemní deska, zhotovená převážně ze zhutněných sprašových hlín s vápennou stabilizací o celkové mocnosti cca do 1,80 m, • vyztužení zemin původního rostlého základového podloží vrtanými betonovými pilotami průměru 0,40 m z betonu B20 v počtu 148 ks dosahujícími do hloubky cca –8,0 m a v počtu 148 ks dosahujícími do hloubky cca –10,0 m, v rovnoměrném rastru rozmístěném pod plochou zemní desky. Po zhotovení zásobníku byla provedena zatěžovací zkouška jeho napuštěním vodou. Při zatížení odpovídající cca 60 % objemu nádrže projevy nerovnoměrného sedání nádrže vyvolaly boulení stěn, které dosahovalo kritických velikostí na mezi plastického přetvoření oceli. Po obvodu pláště nádrže bylo naměřeno sednutí o hodnotách – min. -13,0 mm a cca na protilehlé straně max. –56,0 mm. Další zatěžování a nárůst deformací byl z uživatelského hlediska zcela nepřípustný.
Obr. 1 : Nadzemní zásobník ropných látek. 3.
Chyby v založení zásobníku, dodatečný IG průzkum Pro zajištění potřebných užitných vlastností zásobníku se investor rozhodl provést sanaci základového podloží. K provedení sanace vyslovil podmínku, že nesmí dojít k zásahu do konstrukce, při kterém by došlo k narušení stávajícího stavu ocelového dna nádrže, tj. sanační práce musí být prováděny z vnějšího prostoru nádrže, popřípadě z meziprostoru mezi pláštěm nádrže a pláštěm ochranné jímky. Na základě prošetření stávajících podkladů a poznatků byly označeny chyby v návrhu a provedení základové konstrukce zásobníku : • Všechny betonové piloty zhotovené v základovém podloží nemohou v žádném případě plnit funkci hlubinného základu nebo výztuhy měkkých vrstev - jejich
hlavy se nacházely v úrovni pláně pod poddajnou zemní deskou a kořeny zdaleka nedosahovaly do tužších a více únosnějších vrstev základového podloží. • Poddajná zemní deska základové konstrukce nemůže svojí zanedbatelnou tuhostí zajistit rovnoměrné vyrovnání deformací. • Původní IG průzkum byl proveden pouze do hloubky cca –10,0 m pod úroveň terénu. Přitom jen na základě odhadu z velikosti zatížení a půdorysného rozměru nádrže lze odhadnou, že deformační zóna pod nádrží může dosahovat do výrazně větších hloubek a průzkum měl být proveden do hloubky cca –25,0 m. Na základě doporučení zajistil investor provedení doplňujícího IG průzkumu do hloubky až nad cca –25 m. Po obvodu nádrže byly zhotoveny 4 jádrové vrty a 3 vpichy statické penetrace do hloubky 23 až 35 m pod úroveň dna nádrže. Poznatky z vrtů a vpichů byly porovnány a umožnily jednoznačně určit vlastnosti podložních vrstev i polohu jejich rozhraní. I když výsledky tohoto průzkumu byly opravdu přínosné, musím vyslovit kritické vyjádření platící beze zbytku téměř pro všechny výsledky IG průzkumů s kterými jsem se setkal - jedná-li se jednoznačně i o náročné konstrukce ve složitých základových poměrech, zpracovatelé IG průzkumů v rozporu se zásadami 3. geotechnické kategorie velmi často stanoví některé veličiny jako směrné normové hodnoty z ČSN 73 1001. Převážně se jedná o objemovou hmotnost, téměř vždy o Poissonovo číslo; ještě nikdy jsem se nesetkal s uvedením hodnoty opravného součinitele m pro výpočet sedání základových konstrukcí a ani do budoucna to neočekávám. 4.
Řešení Amberg Engineering Brno, a.s. Jako jedno z mála možných řešení sanace, splňující podmínku investora neprovádět sanační práce uvnitř nádrže, navrhli jsme jako optimální uplatnit pilíře tryskové injektáže (dále v textu jen TI) ve vhodné poloze a rozmístění, zabraňující poklesům stěny a přilehlého dna nádrže. Jako optimální pro podepření pláště nádrže byly navrženy svislé pilíře TI o jmenovitém průměru 0,90 m a hloubce –18,0 m, navíc do hloubky cca –9,0 m vyztužené vloženým armokošem z prutů z betonářské oceli. Bohužel podmínka investora nenarušit dno nádrže neumožňovala výrazné zlepšení deformačních parametrů základového podloží ve vnitřním prostoru pode dnem nádrže. Jílovité horniny jsou nejméně vhodné pro provádění TI. Pro optimální návrh rozmístění a počtu pilířů TI pro sanaci základového podloží bylo navrženo v lokalitě zhotovit 3 kusy zkušebních pilířů (viz Obr. 2) a ověřit jejich deformační vlastnosti a únosnost zatěžovacími zkouškami (viz Obr. 5) dle metodiky pro velkoprůměrové piloty a rovněž ověřit jejich materiálové vlastnosti. Pilíře TI byly zhotoveny modifikovanou metodou M1 tak, aby i v jílovitých zeminách bylo dosaženo jmenovitého průměru 0,90 m. Pro zjištění materiálových vlastností pilířů TI je již zcela běžným standardem odběr vzorků promíchané přebytečné směsi z výronu z ústí vrtu (viz Obr. 3). Po jejich vyzrání v mokrém prostředí byly na nich provedeny destrukční laboratorní zkoušky pro stanovení pevnosti a deformačních modulů. Zhotovitel pilířů TI pro prokázání skutečně dosaženého průměru a účinnosti zvolené technologie v jílovitých zeminách realizoval navíc 2 krátké pokusné pilíře TI do hloubky -4,0 m a tyto následně odkopal (viz Obr. 4). Z těchto pilířů byly jádrovými odvrty odebrány vzorky pro stanovení materiálových vlastností destrukčními zkouškami (viz. Obr. 6).
Obr. 2 : Realizace zkušebního pilíře TI.
Obr. 3 : Vzorkovnice se vzorky proinjektované směsi.
Obr. 4 : Odkopaný pilíř TI.
Obr. 5 : Zatěžovací zkouška pilíře TI
Obr. 6 : Vzorky materiálu pilířů TI po provedených destrukčních zkouškách.
5.
Výsledky zkoušek pilířů TI
Přesto, že pilíře byly zhotoveny v jílovitém prostředí, jejich ověřené materiálové vlastnosti, únosnost a deformační vlastnosti velmi příjemně překvapily. Z výsledků zatěžovacích zkoušek lze konstatovat, že při dosažení zatížení 750 až 900 kN na hlavu pilíře nedošlo ani zdaleka k náznaku ztráty únosnosti pilíře. Rovněž deformační vlastnosti pilířů jsou velmi příznivé, kde nezanedbatelnou roli hraje i vyztužení dílčí délky dříků pilířů vloženými armokoši ze čtyř betonářských prutů. Průběhy deformací všech tří pilířů bylo možné sjednotit do dvou zprůměrovaných grafů s lineárními průběhy – graf průběhů deformací při zatěžování (viz Obr. 7) a graf průběhů větví deformací pro opakované odlehčování a zatěžování (viz Obr. 8). Z analýzy materiálu pilířů TI je stanovena objemová hmotnost ρ = 1660 kgm3, krychelná pevnost v tlaku fc,cub = 4,1 MPa.
Pracovní diagramy pilířů TI Zatěžovací síla na hlavu pilíře TI (kN)
0,000 0
200
400
600
800
1000
-1,000
Pokles hlavy pilíře TI (mm)
Pilíř TI-1 mm Pilíř TI-2 mm
-2,000
Pilíř TI-3 mm -3,000
Průměr sedání mm Lineární (Průměr sedání mm)
-4,000
-5,000 Rovnice lineárního průběhu deformací : y = -0,0057x Hodnota spolehlivosti k průměrnému pracovnímu diagramu : R2 = 0,9585 -6,000
Obr. 7 : Pracovní diagram pilířů TI pro zatěžování. Pracovní diagram pro opakované zatížení Zatěžovací síla (kN) 0,000 0
200
400
600
800
1000
Přírůstky deformací (mm)
-0,500
-1,000
-1,500
-2,000
Pilíř TI-1
I. Větev odlehčení
Pilíř TI-1
I. Větev přitížení
Pilíř TI-1
II. Větev odlehčení
Pilíř TI-1
II. Větev přitížení
Pilíř TI-1
III. Větev odlehčení
Pilíř TI-2
I. Větev odlehčení
Pilíř TI-2
I. Větev přitížení
Pilíř TI-2
II. Větev odlehčení
Pilíř TI-3
I. Větev odlehčení
Pilíř TI-3
I. Větev přitížení
Pilíř TI-3
II. Větev odlehčení
Průměr Lineární (Průměr)
-2,500
-3,000
Rovnice regresní přímky pro průměrný průběh : y = -0,0027x - 0,2462 Hodnota spolehlivosti : R2 = 0,9677
Obr. 8 : Pracovní diagram pilířů TI – větev odlehčení a opakovaného zatížení
6.
Závěr Závěrem je nutno uvést, že zhotovitelem pokusných pilířů TI byla SOLETANCHE ČR, s.r.o., zatěžovací zkoušky a laboratorní materiálové zkoušky odebraných vzorků prováděl GEOtest Brno, a.s., jádrové odvrty a jejich laboratorní zkoušky provedli pracovníci VUT Brno, Ústav stavebnin a zkušebnictví. Uvedenými zkouškami bylo prokázáno zhotovení kvalitních pilířů TI i v jílovém prostředí při dosažení plně dostačujících materiálových vlastností. Zatěžovací zkoušky prokázaly jejich velkou únosnost a velmi příznivé deformační parametry. Přes uvedené velmi příznivé výsledky nelze pilíře TI zaměňovat s tuhými konstrukcemi pilot. V případě pilířů TI se vždy jedná jen o zpevněnou a vylepšenou zeminu. V tomto článku uvedené výsledky nelze zevšeobecňovat – vlastnosti pilířů TI se mění v závislosti na zemním prostředí lokality i způsobu provedení. Pokud se jedná o zvlášť významné uplatnění pilířů TI, je doporučeno vždy ověřit jejich parametry obdobným způsobem. Přes vložené prostředky do zkušebních pilířů TI a velmi příznivé výsledky jejich zkoušek se investor nakonec rozhodl pilíře TI pro sanaci základového podloží předmětné nádrže v současnosti nevyužít. Dle jeho informace se rozhodl přijmout nabídku jiného zhotovitele, řešící zlepšení deformačních vlastností podložních jílů na principu plošného proinjektování základového podloží nádrže. Přesto se domníváme, že poznatky o zkušebních pilířích TI nejsou samoúčelné a dokladují možnost provedení kvalitních a vysoce účinných a únosných pilířů TI i v nepříznivých podmínkách jílů a jílovitých zemin.
Literatura : Amberg Engineering Brno, a.s.: Nádrž na naftu v Kloboukách u Brna. Ověření vlastností pilířů TI a podloží nádrže. Brno, červenec 2003
