Podchytávání základů mikropilotami

Základ je prvek, který přenáší zatížení ze stavby do geologického podloží, a hraje tak klíčovou roli při zabezpečování stability celé stavby z hlediska sedání. Sedání každé stavby je normální jev, avšak nadměrné a nerovnoměrné sedání může narušit statiku a v některých případech až ohrozit stavbu jako takovou. Časový průběh sedání u drtivé většiny staveb není zdokumentován a nadměrné pohyby se většinou odhalí až v průběhu životnosti stavby na základě viditelných projevů (trhliny, evidentní poklesy apod.) Je nutné poznamenat, že v určitých případech může dojít i k opačnému jevu, tzv. dovrchnímu působení sil ze základové půdy, které mají snahu objekt zvedat. Taková situace se může vyskytnout u deskových základů např. působením vztlaku podzemní vody při zvýšení její hladiny. V praxi je to však případ poměrně zřídkavý. Úkolem podchycení je přenést zatížení ze stavby z bezprostředního okolí základové spáry do hlubších vrstev geologického podloží tak, aby se pohyby stabilizovaly nebo se jim předešlo v případě, že jde o preventivní krok. 

Příčiny nadměrného nebo nerovnoměrného sedání bývají různé. Může jít o nesprávný návrh založení vyplývající z neznalosti geologického podloží, případně o chyby v průběhu výstavby. Sedají však i stavby, které byly založeny správně, ale v průběhu času se změnily parametry základové půdy (např. z důvodu kolísání hladiny podzemní vody). Sanační zásahy jsou v těchto případech poměrně náročné a musí se realizovat tak, aby spolehlivě vedly k odstranění příčiny sedání. Pro úspěšnou sanaci můžeme stanovit tento postup:

Je na místě poznamenat, že ne všechny trhliny ve stavebních konstrukcích jsou zapříčiněny nadměrným nebo nerovnoměrným sedáním stavby. V některých případech, ačkoli trhliny skutečně vznikly v důsledku sedání, pohyby konstrukce už mohou být ustáleny a náklady na podchycení by byly zbytečně vynaloženými prostředky. Při správném stanovení příčin poruchy stavby je proto důležitým prvkem monitoring pohybu základové konstrukce. Tato fáze může trvat několik měsíců i let, protože rychlost sedání nemusí mít v čase lineární průběh, ale může kolísat v závislosti na různých faktorech (např. na kolísání výšky hladiny vody v řece, které ovlivňuje výšku hladiny podzemní vody v její blízkosti apod.). Výsledkem analýzy by měly být informace, na jejichž základě bude možné rozhodnout o vhodné formě sanace a jejích základních parametrech. 

Zde musíme zdůraznit klíčovou roli inženýrsko-geologického (IG) průzkumu u návrhu sanace. Investor ve snaze ušetřit finanční prostředky poměrně často omezí rozsah IG průzkumu. Ten je však naopak nutné navrhnout tak, aby poskytl dostatečný obraz o složení a vlastnostech geologických vrstev zájmového území. Výsledky vhodně zvoleného IG průzkumu spolu s výsledky analýzy příčin jsou nutným předpokladem efektivního návrhu sanačních opatření. 

K odstranění poruch stavebních konstrukcí, které vznikly v důsledku nadměrných nebo nerovnoměrných pohybů jejich základových prvků (trhliny, zkřížené výplně stavebních otvorů apod.), se může přistoupit až po konsolidaci pohybů ověřené monitoringem. 

Preventivně se podchytávání používá hlavně v případech, kdy se zvyšuje zatížení stavby, plánovanou rekonstrukcí, popřípadě změnou jejího užívání. Dále je to tehdy, když se v těsné blízkosti stavby chystá zakládání nového objektu se základovou spárou pod úrovní základové spáry stávající budovy, čímž dojde k zásahu do jejího nosného podloží.

Určujícím faktorem při návrhu podchycení jako preventivního opatření je znalost původního stavu a předpokládané změny (dodatečné přitížení stavby, půdorysné a výškové uspořádání stavební jámy atd.). I v tomto případě jsou výsledky kvalitně vykonaného IG průzkumu důležité z hlediska efektivního řešení. Monitoring pohybu stavební konstrukce zase referuje, co se v průběhu realizace změny se stavbou děje, a umožní reagovat na případné pohyby, které by mohly stavbu ohrozit. 

Jednou z nejčastějších technologií používaných při podchytávání základů je mikropilotáž. Mikropilota je štíhlý statický prvek (průměr do 300 mm), který přenáší tlakové a v určitých případech i tahové síly ze stavební konstrukce do horninového prostředí.

Z hlediska technologie výroby se mikropiloty dělí do dvou skupin. První skupinu tvoří mikropiloty, u nichž se výztuž vkládá do vyvrtaného otvoru. Jako výztuž slouží buď armokoš, nebo častěji hladká ocelová trubka (trubkové injektované mikropiloty). Do druhé skupiny patří kromě jiných zavrtávání a injektované mikropiloty, kde vrtná tyč slouží zároveň jako výztuž mikropiloty. Nové evropské normy dělí mikropiloty na vrtané a zarážené. 

U této klasické geotechnické technologie tvoří výztuž mikropiloty tlustostěnná ocelová trubka s průměrem 60 až 120 mm, v níž jsou v určitých vzdálenostech od sebe vyvrtané otvory překryté gumovými manžetami. Po vyvrtání otvoru s průměrem 100 až 300 mm a jeho vyplnění cementovou zálivkou se osadí výztuž a zálivka se nechá ztvrdnout. Potom se pomocí dvojitého obturátoru vykoná injektáž jednotlivých etáží. Při injektáži se vlivem tlaku poruší zálivka a dojde k penetraci injektážního média do okolí vrtu. Pokud se injektuje jen část délky mikropiloty, mluvíme o kořenové mikropilotě. Přenos síly ze základové konstrukce je zabezpečen prostřednictvím hlavy osazené na ústí trubky (výztuže). Je to nejčastější druh mikropiloty, používaný nejen na podchytávání základů, ale v celé geotechnické praxi. Antikorozní ochranu obvykle zabezpečuje dostatečné, normou stanovené krytí cementovým kamenem, jehož se dosáhne použitím centrátoru. 

Základ technologie vychází z používání injekčních zavrtávacích tyčí v Evropě, které se označují souhrnným názvem IBO (InjektionsBOhranker či Injection Boring anchor). Dlouhodobě se standardně používaly v hornictví a podzemním stavitelství na svorníkování, v současnosti se však stále více uplatňují i v geotechnice jako mikropiloty, zemní kotvy a zemní hřeby.

Výztuž zavrtávaných a injektovaných mikropilot tvoří duté závitové tyče. K jejich aplikaci se používá převážně rotačně-příklepové vrtání. Jako vrtný nástroj slouží jednorázová vrtná korunka. Skrz ni proudí na dno vrtu výplachové médium, jímž je cementová suspenze nebo injektážní směs s přesně určenými parametry. Při vrtání slouží jako pažící suspenze vrtu, která zabezpečuje stabilitu stěn během vrtání. Po dovrtání na požadovanou hloubku znečištěná suspenze vytlačí z vrtu čistou suspenzi, která po ztvrdnutí plní roli výplně.

Mikropilota je vyrobena v jednom technologickém kroku bez dodatečné injektáže, což ji nejvíce odlišuje od trubkové injektované mikropiloty. Tato vlastnost se projeví hlavně u vrtání v těžkých geologických podmínkách. V tomto případě je třeba u klasických mikropilot pažit vrty v celé délce, což vyžaduje nasazení těžšího vrtného strojního zařízení. Naopak, při realizaci zavrtávaných a injektovaných mikropilot lze použít vrtné zařízení, které má jednodušší konstrukci a výrazně nižší hmotnost.

Když funkci výztuže plní závitová tyč, zavrtávaná mikropilota dokáže přenést na kontaktu výztuže a cementového kamene přibližně třiapůlkrát větší zatížení než hladká trubková mikropilota se stejnou průřezovou plochou. 

Aby se injekční zavrtávací tyče, původně používané jako dočasné geotechnické prvky, mohly začít aplikovat i u trvalých konstrukcí (v případě podchytávání základů jde obvykle o trvalé konstrukce), musely se realizovat dlouhodobé laboratorní a in situ testy, jimiž se ověřoval především způsob dlouhodobé antikorozní ochrany. Ta je pro výztuž prvků trvalých geotechnických konstrukcí důležitá, protože musí zabezpečit funkčnost konstrukce během celé plánované životnosti stavby.

Krytí výztuže cementem stanovuje příslušná norma a jeho tloušťka se v neagresivním prostředí pohybuje (podle typu mikropiloty) od 20 do 30 mm. S minimálním krytím výztuže souvisí otázka trhlin, které vzniknou v tomto cementovém obalu při namáhání prvku. Aby cementový obal plnil funkci antikorozní ochrany výztuže, nesmějí trhliny vzniklé při namáhání prvku mít větší šířku než 0,1 mm. Na základě matematických simulací a laboratorních zkoušek se určila přípustná mez namáhání, při níž se v cementovém kameni už vytvářejí trhliny, ale ještě nepřekračují povolenou šířku 0,1 mm. Tato přípustná mez normálového namáhání se využívá na dimenzování trvalých prvků. 

Tento způsob dimenzování výztuže geotechnických prvků není u nás obvyklý, ale nové evropské normy ho povolují za předpokladu, že úbytek prokázala zkouška. V principu jde o předimenzování výztuže o předpokládaný úbytek, který nastane vlivem koroze. 

V prostředí se zvýšenou agresivitou lze použít tyče s povrchovou úpravou a pro velmi agresivní prostředí tyče z nerezavějící oceli, které se však používají jen ve skutečně mimořádných případech. 

Zavrtávané a injektované mikropiloty se v naší geotechnické praxi zatím nepoužívají masově. Příčinou je pravděpodobně vyšší cena materiálových vstupů.

Na druhé straně, jednoduchý a efektivní způsob aplikace s použitím méně náročných strojových zařízení může při předpokládaném zvyšování ceny práce přispět k postupnému rozšíření a zpopularizování této technologie i u nás.