Možnost využití rozptýlené výztuže při úpravě vlastností zemin

Rozptýlenou výztuží rozumíme krátká vlákna (do 100 mm) rostlinného původu nebo uměle vyrobená, která se přidávají do zeminy za účelem zlepšení jejích vlastností. Můžeme se také setkat s pojmem mikrovýztuž, materiálem, který kromě vláken obsahuje i různé pásky a síťky, jejichž velikost významně nepřevyšuje velikost zrn zeminy – na rozdíl od tzv. makrovýztuže, jako jsou kotvy, hřebíky, piloty atd. Metoda vyztužování vlákny přirozeně vyplynula z role, jakou hrají kořeny rostlin při zpevňování zeminy ve svém okolí a můžeme se s ní setkat jak u Velké čínské zdi, tak u starších vesnických staveb. V současnosti si tento způsob úpravy vlastností zemin opět získává pozornost a do popředí se dostávají především syntetická vlákna. Jak v zahraničí, tak i v České republice probíhá výzkum této problematiky.

Úvod do problematiky
Zemina vyztužená krátkými vlákny je směsí zeminy, jejíž vlastnosti nevyhovují danému účelu, a vláken vyrobených z různých druhů materiálů. Tento relativně nový způsob úpravy vlastností zemin by mohl být vhodnou metodou pro zvládání geotechnických problémů.

Myšlenka použití vláken pro vyztužování zemin vyplynula z pozorování vegetace. Ta svými kořeny zadržuje zrnka zeminy vlivem tření a tahové pevnosti, čímž zpevňuje své nejbližší okolí v závislosti na velikosti svého kořenového systému.

S důkazy vyztužování vlákny nebo jiným druhem mikrovýztuže se setkáváme už od starověku, kdy k tomuto účelu sloužily různé větvičky, plachty, trámy, provázky apod. Jelikož se tato metoda v průběhu století nevytratila, lze předpokládat, že by mohla být výhodná i v současném stavebnictví. V dnešní době se uvažuje převážně o použití syntetických vláken, i když v některých zemích se podle místní dostupnosti přemýšlí i o použití vláken rostlinných. Musejí však být zjištěny podmínky nasazení této metody, k čemuž napomáhají různé studie.

Metodou vyztužování zemin rozptýlenou výztuží se v uplynulých letech zabývalo více zahraničních autorů, např. Fallorca, Pinto (2002, 2004, 2006); Michalowski, Čermák (2001, 2003); Bahar et al. (2002); Kumar et al (1999); McGown et al. (2004) a další. Dosud však není známo mnoho případů nasazení tohoto způsobu úpravy vlastností zemin v praxi. Většina článků na dané téma se zaměřuje především na výzkum pomocí různých typů laboratorních zkoušek a terénní zkoušky jsou povětšinou opomíjeny.

Česká republika má ve svých technických podmínkách TP 94 Zlepšení zemin zmínku o možnosti zlepšování zemin textilními vlákny; tuto metodu řadí do skupiny mechanického zlepšování a obsahuje zatím pouze obecná doporučení. Výzkumný projekt probíhající v České republice na téma Zlepšování parametrů zemin rozptýlenou výztuží je prováděn společností Stavební geologie – Geotechnika, a. s., a započal v roce 2007. Předpokládané ukončení výzkumu je stanoveno na rok 2010. Snad nejpodrobněji se danou problematikou zabývají autoři Fallorca, Pinto z portugalské univerzity v Coimbře, jejichž výzkum započal zhruba v roce 2000 a pokračuje dodnes. Především jejich dostupné výsledky, spolu s dalšími (viz seznam literatury), jsme použili při návrhu okrajových podmínek našeho výzkumu rozptýlené výztuže.

Historie
Jako nejstarší příklad použití rozptýlené výztuže můžeme uvést zikkurat Agar-Quf vybudovaný v roce 1440 před naším letopočtem. Nachází se asi 5 km od Bagdádu a je postaven z jílovitých cihel vyztužených slámou a rákosím. Dalším podobným případem je Velká čínská zeď, jejíž počátky stavby jsou odhadovány na 5. století před naším letopočtem. Bylo zjištěno, že jílovitá zemina používaná při její výstavbě byla vyztužována tamaryškovými větvičkami. Příklady vyztužování vlákny nenacházíme ale pouze v dávné minulosti před naším letopočtem. Ještě relativně nedávno byla vesnická obydlí budována z tzv. vepřovic čili hliněných cihel vyztužovaných slámou, otrubami nebo údajně i prasečími štětinami. V minulosti se tedy k vyztužování nepoužívaly výhradně rostlinné materiály. Některé prameny naznačují, že byla používána například i koňská hříva.

Materiály
Pro vyztužování rozptýlenou výztuží jsou vhodné především jemnozrnné a písčité zeminy, neboť velikost jejich zrn nepřesahuje výrazněji průměr použitých vláken. Ve štěrkovitých zeminách se předpokládá, že vlákna nebudou mít vliv na jejich mechanické vlastnosti, a proto se s nimi při použití rozptýlené výztuže nepočítá.
Materiál vláken používaných jako mikrovýztuž je buď umělého, nebo rostlinného původu. Z umělých materiálů můžeme použít ocel, sklo nebo syntetika, u kterých je pozornost soust­ředěna především na polyolefiny – polypropylen (PP), polyester (PET) a polyamidy (PA) – nylon. Rostlinná vlákna jsou vyrobena zejména z kokosových skořápek, sisalu nebo juty (v našich podmínkách můžeme uvažovat také o konopných vláknech). Vlákna mohou být nejen z různých materiálů, ale mohou se lišit i strukturou, délkou, průřezem a tvarem.

Příprava laboratorních vzorků s rozptýlenou výztuží
Při přípravě laboratorních vzorků se musí dbát na to, aby byla opravdu vytvořena relativně homogenní směs, tzn. aby byla vlákna rovnoměrně rozmístěna ve směsi. Zkušební směsi mohou být zhotovovány za pomocí různých postupů. Je třeba si však uvědomit, že to, co můžeme provést v laboratoři v malém měřítku, nemusí být vždy aplikovatelné in-situ.

Michalowski, Čermák (2003) připravovali vzorky následujícím způsobem. Požadované množství zeminy rozdělili na 15 částí. Speciálně vyrobenou mřížkou zajišťující, že vlákna nebudou uložena ve vzorku převážně horizontálně (k čemuž inklinují), položili na dno moždíře. Na tuto mřížku rozprostřeli jednu z patnácti připravených částí zeminy a přikryli ji odpovídajícím množstvím vláken. Tento postup byl opakován ještě se dvěma dalšími vrstvami zeminy a vláken. Následně byla mřížka položená naspodu pomalu vytažena na povrch, čímž bylo docíleno změny orientace vláken. Takto zhotovená pětina budou­cího vzorku byla jemně zvibrována, aby se docílilo požadované pórovitosti. Poté byla mřížka opět položena na povrch směsi a výše popsaný postup byl opakován se zbylými čtyřmi pětinami vzorku. Je více než zřejmé, že takovýto postup je naprosto nemyslitelný pro použití na stavbě.

Fallorca, Pinto (2004) použili mnohem jednodušší způsob přípravy. Zemina byla navlhčena požadovaným množstvím vody, na třetinu této vlhké zeminy byla položena část vláken a na ni opět zemina s vlákny, až byl veškerý materiál pro jeden vzorek vyčerpán. Uvedená směs byla následně ručně rozmíchána a v Proctorově moždíři nahutněna.

Jiní autoři (Damarashetty et al, 2006) preferovali napřed smíchat vlákna s vysušenou zeminou a poté přivlhčit.

V případě našeho výzkumného úkolu bylo v průběhu přípravy různě vlhkých vzorků pro zkoušku Proctor Standard zjištěno, že s rostou­cím množstvím vlhkosti do vlhkosti optimální je snadněji dosaženo homogenní směsi. Při míchání se suchou zeminou polyesterová vlákna elektrizovala, shlukovala se a nebylo možné dosáhnout rovnoměrného rozptýlení vláken ve vzorku. Pokud byla zemina míchána při vlhkosti vyšší než optimální, pak s rostoucím obsahem vlhkosti bylo možné dosáhnout relativně homogenní směsi, ale za cenu většího úsilí. Z tohoto důvodu bylo rozhodnuto, že v rámci našeho výzkumného úkolu se budou zkoušet vzorky směsí zemin s vlákny při optimální vlhkosti.

Fakt, že s rostoucí vlhkostí je směs vláken se zeminou snadněji připravitelná, potvrzují i další autoři, např. Falorca, Pinto (2002).

Laboratorní zkoušky
Jedna etapa výzkumu rozptýlené výztuže se soustřeďuje na laboratorní zkoušky prováděné se třemi druhy zeminy (S-F, CI a popílek), dvěma materiály vláken (PP fibrilovaný a PET staplový), dvěmi délkami (24 a 70 mm) a třemi různými koncentracemi vláken (0,5; 1,0 a 1,5 %). Na vzorcích provedených z uvedených materiá­lů jsou prováděny následující zkoušky: Proctor Standard, CBR, stlačitelnost, pevnost v prostém tlaku, propustnost, stanovení odvodněné smykové pevnosti a triaxiální zkouška.

Mezi prvními byly provedeny zkoušky Proctor Standard a CBR (California Bearing Ratio = kalifornský poměr únosnosti), ze kterých vyplynulo, že chování polyesterových (PET) a polypropylenových (PP) vláken se liší v závislosti na koncentraci a délce vlákna a samozřejmě i materiálu, do kterého jsou přimíchána.

Výsledná směs písku (S-F) s polypropylenovými vlákny byla v laboratoři většinou obtížněji zhutnitelná ve srovnání s nevyztuženou zeminou, neboť hodnoty maximální objemové hmotnosti jednotlivých směsí byly až o 60 kg/m³ sníženy. U polyesterových vláken byl zjištěn zajímavý fakt: zatímco v případě kratších vláken délky 24 mm všechny směsi vykazovaly zvýšení maximální suché objemové hmotnosti, tak u delších vláken délky 70 mm se maximální objemová hmotnost suché směsi značně snižovala s jejich rostoucí koncentrací.

Výsledky stejné zkoušky provedené na směsích sprašové hlíny (CI) a popílku (ASH) byly odlišné. Můžeme z nich vyvodit závěr, že vlákna smíchaná s jemnozrnnou zeminou sníží maximální objemovou hmotnost suché směsi až o 100 kg/m³ bez ohledu na to, zda se jedná o vlákna polyesterová nebo polypropylenová. U vyztuženého popílku se však setkáváme s hodnotami méně odlišnými od nevyztuženého, než je tomu u sprašové hlíny. Obr. 2 znázorňuje Proctorovy křivky směsí s 0,5 % vláken délky 70 mm z polypropylenu i polyesteru pro všechny tři materiály.

Obr. 2: Vybrané výsledky zkoušky Proctor Standard

Pokud se zaměříme na zkoušku kalifornského poměru únosnosti, nejnižší hodnoty byly vypočteny u vzorků vláken se sprašovou hlínou a nej­vyšší u vzorků písku. Když se zaměříme na materiál vláken v těchto vzorcích, tak se opět lépe uplatnila vlákna polyesterová. Zkoušky byly prováděny jak při optimální vlhkosti příslušné zeminy, tak po 24 hodinách sycení (obr. 3). Výsledky této zkoušky považujeme pouze za informativní, neboť byly ovlivněny polohou vláken vůči povrchu, resp. zkušebního trnu přístroje. Pokud by se měly tyto zkoušky v budoucnu opakovat, doporučili bychom při nahutňování do moždíře přidat poslední vrstvu vzorku bez vláken.

Obr. 3: Vybrané výsledky zkoušky CBR po sycení 24 hodin

Zkoušky stlačitelnosti na písčitých směsích prokázaly, že směsi s vlákny jsou stlačitelnější než nevyztužená původní zemina. Výsledky zkoušek v prostém tlaku provedené se sprašovou hlínou však naznačují, že za cenu větší deformace jsou vláknité vzorky schopny odolávat většímu zatížení.

Závěr
Ačkoliv již byla provedena více než třetina všech naplánovaných zkoušek, ty nejdůležitější, smykové zkoušky, triaxiální zkoušky a zkoušky pevnosti v tlaku, stále probíhají, a proto ještě nelze formulovat konečné závěry. Na druhou stranu již dnes lze předpokládat, že bude možné metodu rozptýlené výztuže aplikovat pro některé případy, jako jsou například zásypové konstrukce nebo protierozní ochrana břehů řek či nádrží.

Ing. Helena Rubišarová, RNDr. František Kresta, Ph.D.
Foto: Stavební geologie – Geotechnika, a. s.

Autoři jsou geotechniky ve společnosti Stavební geologie – Geotechnika, a. s., pracoviště Ostrava.

Literatura
1. Bahar, R., Stiti, H., Melbouci, B.: Experimental study of cohesive soils reinforced with synthetic fibres. 7th ICG, 2002, 1229–1232.
2. Damarashetty, U., Rao, G. V., Dutta, R. K.: Behaviour of sand reinforced with coir fibres. Geosynthetics, 2006, 1667–1670.
3. Falorca, I. M. C. F. G., Pinto, M. I. M.: Sand reinforced with short length synthetic fibers randomly oriented. 7th ICG, 2002, 1237–1240.
4. Falorca, I. M. C. F. G., Pinto, M. I. M.: Silty clay reinforced with short length synthetic fibres randomly oriented. EuroGeo3, 2004, 565–568.
5. Falorca, I. M. C. F. G., Pinto, M. I. M., Ferreira Gomes, L. M.: Residual strength of sandy clay reinforced with short polypropylene fibres randomly oriented. 8th ICG, 2006, 1663–1666.
6. Kumar, R., Kanaujia, V. K., Chandra, D.: Engineering behaviour of fibre-reinforced pond ash and silty sand. Geosynthetics international, Vol. 6, No. 6, 1999, 509–518.
7. McGown, A., Kanyoza, A., Doctor, R.: A comparison of mesh elements and short fibres for the micro-reinforcement of granular soils. EuroGeo3, 2004, 569–574.
8. Michalowski, R. L., ASCE. F., Čermák. J.: Triaxial compression of sand reinforced with fibers, Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 2003, 125–136.
9. Michalowski, R. L., Čermák. J.: Strength anisotropy of fiber-reinforced sand, Computers and geotechnics 29, 2001, 279–299.
10. Rubišarová, H., Kresta, F.: Experimentální studie vyztužování zemin rozptýlenou syntetickou výztuží. Geotechnika – Podbánské. Bratislava: 2008.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.