Ing. Jaroslav Lacina AMBERG Engineering Brno a.s, Ptašínského 10, 602 00 Brno, tel.: 541 432 634, fax 541 432 618, e-mail:
[email protected], www.amberg.cz
ZPEVŇOVÁNÍ JÍLOVITÝCH ZEMIN TRYSKOVOU INJEKTÁŽÍ Abstract This article informs about a new modified jet-grouting method. This method extends possibilities of using the jet-grouting technogy for stabilization in soft clay soils. There is a development of this new method, field tests and laboratory tests of the new grouting mixture discussed in this article. 1. Možnosti využití cementové tryskové injektáže (TI) Obecně rozšířené použití tryskové injektáže na stavbách v ČR je pro podchycování základových konstrukcí při sanacích, pažení stavebních jam, případně vytváření těsnících clon proti průsaku podzemních vod. Pro vytváření pilířů tryskové injektáže jsou používány injekční cementové směsi. Právě vysoký obsah cementu – kolem 850 kg/m3 – je řadí mezi drahé metody.
Obr. 1 Možnosti použití jednotlivých typů injektáže v závislosti na zrnitosti zemin Nevýhodou klasické tryskové injektáže je i omezená možnost použití v jílovitých zeminách z důvodů - při vrtání se používá předřez vodou, což je nepříznivé pro vlastnosti jílů – dochází k jejich nasycení, případně rozbřídání a tím i ke zhoršení jejich pevnostních parametrů - jíl promísený s cementem výrazně snižuje pevnost prvků TI - ústí vrtů se ucpává kusy jílu 109
-
velmi obtížné dodržení geometrie – průměru pilířů
2. Zlepšování jílovitých zemin Pro zlepšování jílovitých zemin se používají různé metody, například - štěrkové pilíře, prováděné buď dynamickou konsolidací, ražením, či vibrováním - vibroflotace - kompakční injektáž – cementovou směsí - soil mixing – metoda, při níž se speciálními spirálovými, nebo křídlovými vrtáky promíchá zemina mokrou cestou s hydratačním pojivem, nebo suchou cestou s nehašeným vápnem. Následná chemická reakce zlepšuje vlastnosti zeminy v nejbližším okolí. Nevýhoda většiny metod je použití velkých mechanismů pro jejich realizaci a tudíž jsou vyloučeny z použití například v tunelech a stísněných prostorách. 3. Metoda THS/V Autor tohoto článku byl postaven před problém nutnosti zpevnění zemin v podloží na stavbě hlubokého, částečně zakrytého zářezu koridoru ČD. Při návrhu byly zváženy dostupné technologie zlepšení, které však měly omezení buď v nárocích na velikost soupravy, nebo v realizovatelnosti výše uvedených metod v jílech pevné konzistence. Pro možnost použití i v prostorách tunelů byla proto firmou SOLETANCHE Česká republika s.r.o. vyvinuta metoda THS/V. Tato metoda, která je modifikací běžně používané tryskové injektáže, umožňuje realizaci maloprofilovými vrtnými soupravami i ve stísněných prostorách a v materiálech téměř libovolné konzistence a zrnitosti, jakož i pod stávajícími základy. Zlepšení je prováděno vápenocementovou směsí za použití vápenného hydrátu. 4. Zkoušky pilířů vápenocementové TI metodou THS/V Před vlastním návrhem realizace této metody byly provedeny zkoušky na vybraných lokalitách, doplněné o laboratorní zkoušky. Vlastní realizaci zkušebních pilířů provedla firma SOLETANCHE, laboratorní zkoušky realizovali pracovníci VUT v Brně, Fakulty stavební, Ústavu stavebního zkušebnictví, Střediska experimentálních metod pod vedením Ing. Pavla Schmidta, Ph.D. ve spolupráci s ing. Lumírem Míčou, Ph.D. z Ústavu geotechniky VUT. 4.1. Klobouky u Brna Na této lokalitě byly provedeny zkušební pilíře cementovou i vápenocementovou směsí. Hloubka zkušebních pilířů pro laboratorní odběry byla 4,5-5,0m.
110
1,7 5.000
0,3
214,40 214,10 Modul pružnosti E = 2,98 MPa Poisson = 0,37 Obj. tíha = 20,5 kg/m Strukt. pevnost m = 0,1
2,3 211,80
4,2
Modul pružnosti E = 2,15 MPa Poisson = 0,35 Obj. tíha = 20,5 kg/m Strukt. pevnost m = 0,1
207,60 0,6 207,00
Modul pružnosti E = 3,00 MPa Poisson = 0,33 Obj. tíha = 20,5 kg/m Strukt. pevnost m = 0,1 až 0,2
Obr. 2 Schema zkušebních pilířů – lokalita Klobouky u Brna Pilíře byly cca 1 týden po realizaci odkopány do hloubky cca 4m. Z pilířů obou složení byly odebrány jádrové vývrty φ 100mm do laboratoře Ústavu stavebního zkušebnictví. Dále byly odebrány vzorky zemin z pláště pilířů a ze svahů výkopu bezprostředně po dokončení výkopu. 4.2. Lokalita Třebovice Jedná se o prostor výstavby železničního koridoru na traťovém úseku Krasíkov – Česká Třebová. V rámci přípravy stavby bylo realizováno zkušební pole tryskové injektáže a předpjatých lanových kotev. Pilíře vápenocementové TI budou na stavbě zajišťovat zpevnění podložních miocénních jílů pode dnem hlubokého zářezu. Tyto jíly tvoří předkvartérní podloží v třebovickém sedle o velmi vysoké mocnosti – až 160m. Miocénní jíly jsou proměnlivě písčité a obsahují zejména ve východní části projektované přeložky trati písčité vložky a laminy. V prostoru zkušebního pole je svrchní poloha jílů velmi bohatá na organické látky. Jedná se převážně o jíly s velmi vysokou plasticitou. Často mají zeminy charakter uhelných jílů až jílovců, lokálně bylo ověřeno jílovité uhlí. Jedná se o zeminy nepropustné, objemově nestálé a při kontaktu s vodou bobtnají.
111
JÍL TUHÝ F6 JÍL PÍSČITÝ TUHÝ F4 JÍL S VYSOKOU PLASTICITOU MIOCÉNNÍ, TUHÝ S ORG. PŘÍMĚSÍ
ŽELBET DESKA DNA
MILÁNSKÉ STĚNY HL. 14-19 M PILÍŘE TRYSKOVÉ INJEKTÁŽE VERTIKÁLNÍ GEODRÉNY Obr. 3 Schema zajištění zářezu Pilíře TI mají v projektované konstrukci dvě funkce - stabilizační – vápenná složka ve směsi působí jako stabilizující prvek – snižuje přirozenou vlhkost jílů v okolí. - nosnou – výztuž pilířů TI vetknutá do spodní nosné želbet. desky zářezu bude schopna přenášet tahové síly. Pilíře TI pak budou působit jako tahové prvky, přenášející část vztlaku prostředí při bobtnání a dekonsolidaci jílů v podloží zářezu. ŽELBET TRÁM
NAVÁŽKA JÍL S VYSOKOU PLASTICITOU TUHÝ F8
JÍL TUHÝ F6 JÍL PÍSČITÝ TUHÝ F4
PILÍŘE TI T2-T7
16000
PILÍŘ TI T1
196 00
JÍL S VYSOKOU PLASTICITOU TUHÝ F8 S ORG. PŘÍMĚSÍ
600 0
JÍL F6 MĚKKÝ S RAŠELINOU
PŘEDPJATÉ LANOVÉ KOTVY O800
Obr. 4 Uspořádání zkušebního pole 112
Pilíř T1 hloubky 16,0m je situován ve dně jámy svisle. Tento prvek není zatížen svislým zatížením. Slouží tedy stejně jako skutečné pilíře pod spodní deskou v zářezu jako stabilizační a tahový prvek, zachycující vertikální posuny podloží při působení dekonsolidace a bobtnání miocénních jílů. Pilíře T2, T7 hloubky 6,0m jsou situovány jako krajní opory převázkového trámu pod kotvami. Byly vrtány kolmo na sklon svahu. Do pilířů je umístěna výztuž z betonářské oceli - svařovaný armokoš dl. 3,5m, zakotvený v převázkovém trámu. Pilíře T3-T6 hloubky 4,0m tvoří střední podpory převázkového trámu pod kotvami Z důvodu vysokého zatížení pilířů během zkoušky kotev jsou tyto pilíře navrženy ve dvojicích s osovou vzdáleností 0,8m. Jsou situovány rovněž kolmo na sklon svahu a vyztuženy stejně jako předchozí typ. Při zatěžovací zkoušce kotev došlo k prověření pevnostních a deformačních parametrů podloží, zlepšeného TI. V průběhu zatěžovacích zkoušek, kdy trojice zkušebních kotev byla postupně zatěžována až na síly kolem 1500kN, docházelo k deformaci trámu, podepřeného poměrně krátkými pilíři, průměrně kolem 2,5mm! Ve dvou časových obdobích byly odebrány vývrty z pilířů TI a vzorky zeminy z okolní zeminy k laboratorním rozborům. Z pilíře T1 byly vzorky odebrány cca 2 měsíce po realizaci, ze zbývajících prvků cca 7 měsíců po realizaci. 4.3. Výsledky zkoušek Cílem zkoušek bylo především ověřit novou recepturu vápenocementové TI z hlediska pevnostních parametrů pilířů, jejich působení na okolní zeminové prostředí a rovněž z hlediska technologie provádění. Technologické parametry byly velmi uspokojivé. Laboratorními zkouškami bylo zjištěno: - objemová hmotnost materiálu pilíře TI v zemině je závislá na geologii v místě provádění. V „lepších“ geologických podmínkách lokality Klobouky se objemová hmotnost pohybovala kolem 1700 kg/m3, v Třebovicích pak průměrně 1590kg/m3. Tato hodnota se mění vzhledem k částečnému promísení zeminy s injekční směsí při realizaci pilířů. - velmi zajímavé bylo srovnání pevností odebraných válcových vývrtů z pilířů TI v tlaku. Na lokalitě Klobouky bylo možno porovnat pevnosti cementové a vápenocementové směsi. Průměrná válcová pevnost na vzorcích cementové směsi dosahovala hodnoty 4,5MPa; na vápenocementových vzorcích ale 5,8MPa. V lokalitě Třebovice, kde byly odebrány vzorky ze svrchních, silně organických zemin, dosáhla průměrná válcová pevnost hodnoty 4MPa (ve střední části pilíře). Rozhraní mezi uvedenými hodnotami a nižšími hodnotami (kolem 1,9MPa) byly zjištěny cca 330 - 400mm od středu pilíře, což dobře vymezuje účinnou šířku pilířů TI. 5. Závěr Na základě uvedených zkoušek byla firmou SOLETANCHE vytvořena nová prefabrikovaná směs HAMASOL 2005. Tato směs bude poprvé použita při realizaci v lokalitě Třebovice. Zahájení realizace pilířů TI se předpokládá v únoru až březnu tohoto roku. Směs HAMASOL 2005 se skládá z vápenného hydrátu, cementu a plastifikátoru (Melmet). Předpokládaná objemová hustota injekční směsi při realizaci je <1,5 g/cm3. Výsledky laboratorních zkoušek prefabrikované směsi neměl autor příspěvku v době odevzdání k dispozici; podle prvních zpráv však mají být lepší, než u zkušebních směsí z výše uvedených pokusů.
113
Použitá literatura: 1. Protokol 03/2620-SEM/08/10 o ověřování pevnosti a statického modulu přetvárnosti materiálu tryskové injektáže z lokality Klobouky u Brna na válcových tělesech φ100mm, Ing. Pavel Schmidt, Ph.D. a kol., VUT Brno, 08/2003 2. Protokol 04/2620-SEM/12462304/2 o ověřování pevnosti a statického modulu přetvárnosti materiálu tryskové injektáže z lokality Třebovice, tělesa T2-T7, Ing. Pavel Schmidt, Ph.D. a kol., VUT Brno, 05/2004 3. Stabilizace jílovitých zemin pomocí technologie THS/V vápenocementovou tryskovou injektáží, Ing. David Háša, ing. Martin Růžička, SOLETANCE Česká republika s.r.o., Sborník příspěvků 32. konference Zakládání staveb Brno, 11/2004 4. Metody hloubkového zlepšování zemin v ČR, Ing.Jindřich Řičica ( SOLETANCHE Česká republika s.r.o.)
114
