ZEMNÍ KONSTRUKCE LUMÍR MIČA, ING., Ph.D. ÚSTAV GEOTECHNIKY
1
1.Vyčkat až zeminy dosáhnou potřebných parametrů • Je to spíše teoretická možnost, využít ji lze z pochopitelných praktických důvodů jen ojediněle • muselo by dojít k přemístění zeminy, většinou převlhčené, na místo, kde nebude ovlivněna srážkami , případně k jejímu zakrytí a vyčkat , až dojde ke snížení vlhkosti (Hauser)
2
2. Vyměnit za zeminy vhodné
• Toto se může vyplatit v případech • blízkosti zemníku / lomu s vhodným materiálem • možnost uplatnění nevhodného materiálu např. blízká a levná možnost skládkování, využití výkopku při terénních úpravách • a/nebo finanční dostupnosti (dopravní náklady) 3
(Hauser)
Zlepšení zeminy
TP 94 Zlepšení zemin (v revizi) 4
(Hauser)
Mechanická stabilizace • Zatlačování hrubých resp. velmi hrubých částic ⇒ tzv. plombování plání ⇓ Používáme spíše pro lokální úpravy, protože vyžaduje velké přesuny zeminy, i když méně než při výměně. • Rozptýlená textilní vlákna ⇒ tzv. mikrovyztužování ⇓ pro písčité zeminy 5 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky
Zemní konstrukce
Lumír Miča
Zlepšování zemin
Chemická stabilizace Stabilizace – zlepšování málo vhodných zemin pomocí pojiv
• Vápno – hydroxid vápenatý (Ca(OH)2) ; nehašené vápno (CaO); vápenná kaše (Ca(OH)2). • cement • ostatní pojiva – živičné pojivo; enzymy Rozhodnutí o použitém pojivu záleží na výsledcích laboratorních rozborů. Každý typ pojiva je nutné s upravovanou zeminou vyzkoušet. VUT FAST Brno, Ústav geotechniky
Zemní konstrukce
(Hauser)
6
Lumír Miča
Proč zlepšujeme? vysoká vlhkost ⇒ IC ⇒ těžko zpracovatelná pro hutnění ⇓ snížení vlhkosti požadovaná vlhkost ⇒ pro snazší a rychlejší postup prací bez ohledu na počasí zlepšíme ⇓ zeminu, která je tím vůči následným změnám vlhkosti málo citlivá geotechnické parametry, ať již smykové či deformační jsou nízké. Potřebujeme tyto parametry zvýšit, aby zeminy nebylo nutné 7 částečně nebo zcela vyměnit za kvalitní materiály
(Hauser)
Kdy zlepšujeme? • Nejdůležitější je zjištění vlhkosti, protože z porovnání wopt a wn vychází rozhodnutí o potřebě zlepšování. Podle ČSN 736133 nelze použít bez úpravy vlhkosti do násypu zeminu • Rozhodující charakteristika zeminy pro určení druhu zlepšení -vápnem nebo cementem dle ČSN 73 6133 a TP 94:
IP = wL - wP
• V případě zlepšování je hodnota CBR parametrem, který rozhoduje o účinnosti zlepšení. Pojivem zlepšená zemina musí mít (podle ČSN 736133 tab.6) 8
(Hauser)
Co použijeme? • Vápno (3-9%) – IP > 10 a obsah jílovitých částic f > 10% • Cement (3-10%) – IP ≤ 10 a percentage passing No. 200 < 20% • Kombinace - Vápno, cement, popílek (10 – 25%) – 10 < IP < 20 a percentage passing No. 200 < 10% 9 (Hauser)
Zlepšování zemin
Stabilizace • ČSN 721002 Klasifikace zemin pro dopravní stavby • ČSN 721006 Kontrola zhutnění zemin a sypanin • ČSN 736125:1994 Stabilizované podklady • ČSN 736133:1998 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací • TP 94 Zlepšení zemin (v revizi) • TKP staveb pozemních komunikací – kap. 4 – Zemní práce z 03/2001 10
(Hauser)
Úprava zemin vápnem • Tento způsob úpravy zemin je nejrozšířenější a tvoří v ČR zhruba 90% všech úprav zemin. Proto se tomuto budeme věnovat v dalším s větší podrobností
11
(Hauser)
Účinky vápna v zemině • krátkodobé (cca do 24 hodin)
– 1.efekt snížení vlhkosti – 2.efekt změny geotechnických parametrů zeminy • dlouhodobé 12
(Hauser)
•
Změny ve struktuře po přidání vápna - CaO: Upravená zemina
•
•
Krátkodobé – způsobené přidáním iontů Ca++ a OH-, záměnou kationtů Na+ a K+ za Ca++ Obdoba chování polymerů
Neupravená zemina
Upravená zemina
Dlouhodobé – vápno působí na oxid křemičitý a hlinitý obsažený v jílu a vytváří hydratované křemičitany a hlinitany vápníků
Neupravená zemina
13
(Hauser)
Krátkodobé účinky 1.Efekt snížení vlhkosti působením faktorů: • • • •
Hydratací CaO+H20 = Ca(OH)2 + 15,5 kcal Odpařením určitého množství vody Dodáním suchého materiálu Mísení směsi vápno +zemina Slide 29
2.Efekt změny geotechnických parametrů zeminy Tento je způsoben chemickými reakcemi a tzv.flokulací (vločkováním) jílových částic. Při použití 1% příměsi vápna dochází k
Slide 31
14 (Hauser)
Dlouhodobé účinky Křemičitany, hlinitany a oxidy železa se v jílovitých zeminách dostávají do roztoku. V roztoku reagují s Ca a vytvářejí nerozpustné sloučeniny, které krystalizují a vytvářejí tak vazby stejné povahy jako hydraulická pojiva. Navíc váží inertní částice zeminy Cementace se vyvíjí pomalu (měsíce, roky). • Jíl a vápno v zemině vzájemně reagují pomalu, vytváří nový druh minerálů. Tyto změny vedou ke zlepšení geotechnických vlastností směsi – – – –
zvýšení pevnosti v prostém tlaku zvýšení indexu CBR stabilita směsi po saturaci zvýšení odolnosti proti mrazu
15
(Hauser)
Průkazní zkoušky Provádí se za účelem stanovení množství dávky pojiva a zjištění jeho účinnosti – tzv.receptura (Určíme během IG průzkumu - podrobný - ze zkoušek MZ) Přehled průkazních zkoušek prováděných v laboratoři při přípravě receptury
Stanovení zrnitosti pro geotechniku dle ČSN 72 1017 Laboratorní stanovení vlhkosti zemin dle ČSN 72 1012 Laboratorní stanovení zhutnitelnosti zemin – Proctorova
zkouška dle ČSN 72 1015 jak pro nezlepšenou, tak pro zlepšenou zeminu Laboratorní stanovení poměru únosnosti zemin (CBR) dle ČSN 72 1016 jak pro nezlepšenou, tak pro zlepšenou zeminu
16 (Hauser)
Zlepšování zemin
Stabilizace
17 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky
Zemní konstrukce
Lumír Miča
Zkouška CBR •
Zkouška CBR se pro danou míru zhutnění měří v lisu za různých podmínek (sycení, doba zrání, okamžité hodnoty
•
V případě zlepšování je hodnota CBR parametrem, který rozhoduje o účinnosti zlepšení. Pojivem zlepšená zemina musí mít (podle ČSN 736133 tab.6) – v podloží násypu a násypu minimální hodnotu CBR 10% při zk.vlhkosti – v aktivní zóně 10% CBR – 7+4 dny(mechanicky zlepšená 15%)
•
Při posouzení horní vrstvy podloží vozovky (AZ) kdy CBR zeminy je v rozmezí 2 -15%, definuje tab.9 tloušťku nutné výměny či úpravy pro vozovky D, R a silnic I třídy (úroveň porušení D0 a D1) v rozmezí 150 – 450 mm . Horní vrstva pak musí splnit min CBR 15% 18
Zkouška CBR CBR bez přidání vápna na zkoušeném materiálu při vlhkosti wopt + 3%
PENETRACE
2.5 mm 5.0 mm
= =
4 % CBR 4 % CBR
CBR s 1% vápna na zkoušeném materiálu při vlhkosti wopt + 3%
PENETRACE
2.5 mm 5.0 mm
= =
17 % CBR 16 % CBR
19 (Hauser)
(Geostar)
40
30
CBR (%)
20
10
přídavek vápna (2%)
0
bez aditiv před saturací
po saturaci
Graf závislosti hodnot CBR (%) na množství přidaného vápna (bez vápna a 20 přídavek vápna 2%) před saturací a po saturaci na zemině typu F6
CBR v závislosti na přirozené vlhkosti a dávce vápna
21 (Geostar)
Objemová hmotnost sušiny (kgm-3)
PS 1650 1640 1630 1620 1610 1600 1590 1580 1570 1560 1550 1540 1530 16
17
18
19
20
21
22
23
vlhkost % (Hauser)
22 Slide 21
Zlepšování zemin
Stabilizace
23 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky
Zemní konstrukce
Lumír Miča
max. objem. hmotnost
1800 0%
1760 1% 2%
1720 3%
1680 17,2
17,4
17,6
17,8
18
18,2
18,4
18,6
w opt Body grafu jsou výsledky zkoušky Proctor standard (body vrcholu křivek) na zemině typu F6 a odráží závislost optimální vlhkosti (wopt %), maximální objemové hmotnosti a množství přidaného vápna (0%; 1%; 2%; 3%). (ing. Hauser – Geostar) 24
(Geostar)
Dávkování vápna do násypu v závislosti na zjištěné vlhkosti
dávkování vápna v %
2
1,5
1
0,5
0 23
24
25
26
27
naměřená přirozená vlhkost v %
28 25
Nejdůležitější faktory ovlivňující kvalitu úpravy zemin
• • • •
Kvalitní příprava v laboratoři Kvalitní pojivo !!! Kvalitní mechanizmy při úpravě Kvalitní dohled nad kvalitou prací
26
Křivky reaktivity vápna (zkoušky GEOSTAR)
28
T [°C]
vápno A 24
vápno B vápno C
20
0
1
2
3
4
5
7 10 15 20 30 40 50 60 čas [min] 27 (Hauser)
Nárůst hodnot CBR před saturací na zemině F6 v závislosti na kvalitě použitého vápna 40 35 30 CBR %
25 20 bez aditiva
15
vápno A
10
vápno B
5
vápno C
0 0%
1%
2%
přídavek vápna
3%
28 (Hauser)
Nárůst hodnot CBR po saturaci na zemině F6 v závislosti na kvalitě použitého vápna 60
CBR %
50 40 30 bez aditiva
20
vápno A vápno B
10 0
vápno C 0%
1%
2%
přídavek vápna
3% 29 (Hauser)
Zlepšování zemin
Stabilizace
Zkouška CBR, porovnání zeminy bez CaO
Zkouška CBR, porovnání zeminy s 1 % CaO
30 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky
Zemní konstrukce
Lumír Miča
Vlastnosti zeminy ovlivňující úpravu vápnem
•
zrnitost: Dmax ovlivňuje výběr mechanizace < 0,08mm ovlivňuje výběr pojiva
obsah jílových minerálů (Ip,) čím vyšší, tím je vhodnější úprava vápnem • obsah chemických sloučenin: •organické látky. Zvyšují spotřebu vápna, část je nutná na neutralizaci kyselého prostředí v zemině. •fosfáty a dusičnany. Zabraňují nebo zpomalují hydraulickou reakci. Přítomnost pouze v místech, kde se používá hnojení. •sloučeniny chloru. Urychlují vytvrzování avšak mohou způsobit objemové změny (bobtnání) při vytvoření chloraluminátů. •sírany a sirníky. Jsou to složky, které se mohou nejčastěji vyskytnout v zemině (sádrovec, pyrit), v recyklované stavební suti. Velmi negativně ovlivňují úpravu zemin vápnem. Při pokračujícím příjmu vody se sírany (sirníky) dojde k vytváření ettringitu 31 (Hauser)
Provádění • • • • •
Zlepšování zemin zahrnuje tyto operace: příprava pracovního úseku MMM1 nadávkování pojiva samojízdným dávkovačem smísení zeminy s pojivem (nejčastěji zemní frézou ) Úprava při případné nedostatečné vlhkosti směsi - dovlhčení vodou (pojízdná cisterna) a opětnéMMM2 promísení zemní frézou, srovnání povrchu úpravy zhutnění zlepšené vrstvy
32 (Hauser)
Snímek 32 MMM1 MMM2
tj. odkop a srovnání zeminy mechanizmy, případně návoz a rozprostření zemin do patřičných nivelit a sklonů pláně
Mgr. Marek Matula; 19.2.2004
dosáhnutí homogenizace vlhkosti ve zlepšované vrstvě
Mgr. Marek Matula; 19.2.2004
Schéma mísení zeminy frézou
33 (Hauser)
Použití zlepšení a stabilizace zemin Konstrukční vrstvy vozovky Aktivní zóna
stabilizace
zlepšení
zlepšení
Původní terén
zlepšení
Zemní těleso násypu 34 (Hauser)
Chyby při aplikacích vápna • Nejsou provedeny průkazní zkoušky zeminy s vápnem. Investor se někdy bohužel spokojí s tím, že v blízké lokalitě nebo s „podobnou zeminou“ bylo zlepšení úspěšné • Špatné dávkování vápna tj • nesprávně nastavený dávkovač • podcenění významu vlhkosti zeminy
• Dávkování špatného či nekvalitního vápna nahydratovaného (delší skladování) nekvalitního, tj. vápna se špatnými parametry ( často při snaze ušetřit peníze) • Použití neúčinných mechanismů k promísení se zeminou. • Nedostatečná kontrola u dodavatele či investora 35 (Hauser)
Na co je tedy nutné se soustředit? • •
•
• •
Je nutné vždy připravit recepturu, často se pak vyplatí udělat zkoušky sycené upravené zeminy i tam, kde se nejedná o aktivní zónu vozovek Pokud se dodavatel rozhodne, že použije jiné pojivo, musí jej vyzkoušet alespoň v laboratorních podmínkách, jak se toto pojivo bude chovat oproti původně zvažovanému Má-li úprava přečkat zimní období, je potřebné podle účelu provést taková opatření, která eliminují nepříznivé vlivy změny vlhkostí společně se zamrzáním a rozmrzáním. Při závěrech laboratorních zkoušek - receptur- u zemin s hrubší frakcí je nutné vzít do úvahy, že zkoušky jsou realizovány na zemině s jinou křivkou zrnitosti a přizpůsobit dávkování i podílu zeminy, odstraněné před zkouškou U úpravy zemin vápnem neplatí „raději více vápna“ ale „vápno co nejpřesněji nadávkovat podle receptury“
36 (Hauser)
Postup při přípravě a realizaci zlepšení • Předběžný IG průzkum – podle indexových zkoušek lze označit zeminy vhodné ke zlepšení • Podrobný IG průzkum – pomocí zkoušek MZ (CBR, PS, dále podle potřeby např. smyk, edometr) prokáže vhodnost zlepšení pro různé dávkování pojiva – průkazní zkoušky • Příprava stavby (příp. doplňkový průzkum) ověří shodu vlastností zemin pro zlepšení • Hutnící pokus stanoví postup míchání (pojezdy frézy), hutnění (pojezdy válce) a vhodnost kontrolních zkoušek • Stavba a investor kontrolují potřebné parametry pojiva, zlepšovaných zemin a hotové úpravy
37 (Hauser)
