Sanace podloží zeminovými pilíři technologie Franki

Při zakládání objektů v nevhodných základových poměrech je často uplatňována sanace zemin v podloží štěrkopískovými pilíři. Tato metoda má svoje opodstatnění při zakládání obchodních center, výrobních hal, skladů, velkoobjemových nádrží a při provádění dopravních staveb.

Hlavním smyslem návrhu a provádění štěrkopískových pilířů je zlepšení deformačních charakteristik zeminy a omezení celkového a diferenciálního sedání, které by vedlo k poruchám nosných částí konstrukce, podlah či vozovek.
 
Hobby market
Popis stavby a staveniště
Hobby market v Brně-Ivanovicích byl navržen jako jednopodlažní vícelodní hala o rozměrech přibližně 180 × 126 × 10,8 m.

Hala je členěna na prodejnu, vnitřní a venkovní stavebniny, vnitřní a venkovní zahradní centrum a nemalou část plochy zaujímají také zásobovací dvůr, skladovací prostory a prostory pro příjem zboží. Součástí stavby je také navržené parkoviště zajišťující parkování osobních vozidel zákazníků obchodního centra a komunikace pro zásobování a napojení areálu na vnější dopravní strukturu.

Ze západní, jižní a východní strany je prostor marketu ohraničen komunikacemi a celé staveniště je zasazeno do jižně orien­tovaného svahu. Při terénních úpravách tak v jižní části území vznikají násypy vysoké přibližně 4 m a v severní časti pak zářez vysoký až 7 m (obr. 1).

Inženýrskogeologické poměry
S ohledem na náročnost stavby a předpokládané složité základové a geologické poměry bylo v prostoru projektovaného obchodního centra provedeno několik inženýrskogeologických průzkumů včetně předběžného a doplňujícího geofyzikálního průzkumu. Výsledky všech průzkumných měření pak byly použity ve výpočtech zajištění stability severního i jižního svahu a pro navržení bezpečného a ekonomicky přijatelného návrhu založení obchodních centra včetně přilehlých komunikací a parkoviště.
 
Inženýrskogeologický průzkum
K ověření inženýrskogeologických a základových poměrů staveniště bylo provedeno celkem 11 vrtaných sond, z nichž byly ve všech odlišných litologických vrstvách odebírány vzorky a ty pak v laboratořích vyhodnocovány.

Z výsledků průzkumu vyplynulo, že horní vrstvy základové půdy jsou tvořeny jemnozrnnými zeminami rázu jílů se střední plasticitou a řazeny do třídy F6 (CI). Jde o sprašové hlíny jílovitě prachovitého charakteru, které jsou na staveništi podle konfigurace terénu v mocnostech přibližně od 3,5 do 9 m. Tyto zeminy jsou nebezpečně namrzavé a při nasycení vodou nestabilní a velmi rozbřídavé. Podle vhodnosti pro použití do hutněných násypů je posuzujeme jako málo vhodné až nevhodné. Hlubší podloží pod kvarterem pak tvoří neogenní jíly s vysokou plasticitou, převážně tuhé až pevné konzistence a řadíme je do třídy F8 (CH). Horniny brněnské vyvřeliny (zvětralé až navětralé granodiority) nebyly v prostoru staveniště sondami zastiženy.
Hladina podzemní vody byla zastižena pouze ve třech vrtech v hloubkách přibližně 6,5 až 10,5 m a podle laboratorních rozborů vykazuje slabou agresivitu vůči betonovým konstrukcím zvýšeným obsahem síranů a agresivního oxidu uhličitého.
–>–>
Geofyzikální průzkum
Předběžný a doplňující geofyzikální průzkum byl realizován na celé ploše staveniště pomocí čtyř geofyzikálních metod. Jsou to:

• metoda dipólového elektromagnetického profilování (DEMP),
• georadarové měření (GEORADAR),
• vertikální elektrické sondování (VES),
• metoda mnohaelektronového kabelu (MULTIKABEL).

 
Stav podloží byl zhodnocen na základě podrobné analýzy všech geofyzikálních metod, k dispozici byly také výsledky měření statickou penetrační sondou.

Na výsledných plošných mapách, geofyzikálních řezech, odporových řezech a georadarových záznamech byly zaznamenány změny v litologickém složení zemin včetně prostoru koryta starého potoka v jihozápadní části a zachyceny byly také starší smykové plochy a svahové deformace v mělčích úrovních, poukazující na řadu sesuvných událostí a dílčích svahových pohybů v minulosti.

Na mapě plošné korelace z předběžného geofyzikálního průzkumu je patrné rozložení největších fyzikálních změn v zájmovém území (obr. 2).
 
Geotechnické problémy a návrh zlepšení zeminového prostředí
Z geotechnického hlediska bylo na staveništi hobby marketu vzhledem k výše uvedeným údajům nutné řešit hned několik situací:

• Osazením stavby do jižního svahu vznikly v jižní části staveniště přibližně 4 m vysoké násypy a v severní části pozemku až 7 m vysoký zářez. Severní i jižní část svahu vykazovaly již před zahájením zemních prací poruchy, které byly charakterizovány jako drobné sesuvy a odtrhy. V průběhu terénních prací na pozemku a zejména pak po vydatných jarních deštích nastaly v severní části další drobné sesuvy pokryvných hlín. Byly proto vypracovány posudky, které navrhovaly několik řešení stability svahů, mezi nimi i sanace pomocí štěrkopískových pilířů. Aplikována byla nakonec nejjednodušší a ekonomicky nenáročná varianta, a to stabilizace paty severní části svahu kamennou přitěžovací lavicí a jejím odvodnění provedením drenážního zářezu (obr. 4). Toto řešení bylo aplikováno i v jižní části svahu v kombinaci se sanací štěrkopískovými pilíři Franki. Výpočty prokázaly tato stabilizační opatření jako dostačující a nebylo nutné provádět žádné další sanační práce.
• Na ploše přibližně 250 × 250 m vznikly ze zářezu obrovské kubatury odtěžené zeminy, převážně spraší. Původní varianta počítala s tím, že zemina bude odvezena a násypy budou vytvořeny dovezenou vhodnou zeminou. Investor však z ekonomického hlediska požadoval, aby sprašové hlíny byly použity v jižní části do násypů a k vytvoření zemní pláně. Tyto zeminy jsou však pro použití do hutněných násypů klasifikovány jako málo vhodné až nevhodné a vlastnosti povrchu zemního tělesa vybudovaného z těchto sprašových hlín neumožňuje jejich zhutnění na projektem požadovanou únosnost. Zatížení podlah pod celým obchodním centrem stejně jako zvýšené namáhání konstrukce vozovky a projektovaných komunikací a parkoviště navíc kladou velké nároky na deformační vlastnosti zemin v podloží.

Po vyhodnocení vzorků zemin v nezávislé geotechnické laboratoři byl tedy i s ohledem na ekonomickou stránku technického řešení navržen tento systém zlepšení zeminového prostředí pod podlahami a konstrukcemi vozovky a parkovištěm:

• provedení štěrkopískových pilířů, a to diferencovaně v rastrech s odlišnými kroky, které reflektují jak hloubku násypů a zářezu, tak hloubku deformační zóny pro dané zatížení v konkrétním místě stavby,
• provedení chemické úpravy zemní pláně vápnem a hydraulickým silničním pojivem do hloubky 0,4 m,
• rozložení předepsaného geosyntetika,
•  vybudování zeminové desky o mocnosti 0,65 m ze zhutněného štěrkopísku předepsané zrnitosti (obr. 3).

Obr. 3  Charakteristický řez zeminovou deskou pod podlahou

Navržený systém zajistil požadované deformační vlastnosti zeminového podloží, především pak deformační modul na vrstvě mezi zeminovou deskou a podlahovou deskou obchodního centra Edef, 2 ≥ 100 MPa a pod konstrukcemi vozovky a zpevněnými plochami parkoviště Edef, 2 ≥ 60 MPa.

Toto řešení je při správném návrhu a dodržení všech předpisů při provádění nejenom spolehlivým a ověřeným konstrukčním systémem, ale při výběru subdodavatelů stavby a řešení celé problematiky z ekonomického hlediska byl tento návrh vyhodnocen také jako nejlevnější možná varianta.

Provádění zeminových pilířů a pilot technologie Franki
Po vyhodnocení všech geotechnických problémů a ekonomickém porovnání variant jejich řešení byla investorem a generálním dodavatelem stavby vybrána pro provedení sanace zeminy štěrkopískovými pilíři firma Spezialbau, s. r. o., která disponuje technologií pro provádění předrážených pilot Franki (belgický systém). Tato metoda spadá do skupiny typu „displacement“, kdy při zarážení ocelové výpažnice není zemina z prostoru budoucí piloty (zeminového pilíře) těžena, ale zatlačována do boku, takže v okolí výpažnice se zlepšují půdní mechanicko-fyzikální vlastnosti.

Touto technologií se provádějí jak štěrkopískové pilíře, tak betonové piloty v průměrech a délkách závisejících na rozměrech zarážené výpažnice a na předepsaném formování piloty. Velkou předností a výhodou tohoto způsobu provádění pilot a štěrkopískových pilířů je i to, že délku hlubinného prvku lze korigovat na základě předepsaných energetických kriterií, a proto lze vyloučit možné omyly při velmi pestrých vlastnostech zemin v podloží, jako tomu bylo v případě lokality v Brně-Ivanovicích.

Podle projektové dokumentace bylo navrženo celkem přibližně 3 500 kusů zeminových pilířů Franki, a to jak pod podlahami obchodního centra, tak i pod komunikacemi a ostatními zpevněnými plochami. Podle diferencovaného zatížení v různých místech stavby, geologického profilu a podle skutečnosti, že je základová spára severní části stavby v zářezu tvořena neogenními jíly tuhé až pevné konzistence, zatímco jižní část stavby je tvořena hutněnými násypy ze sprašových hlín, byly navrženy čtvercové rastry o krocích 3,00; 3,15; 3,30 a 3,50 m. Délky pilířů pak byly stanoveny ukončovacím energetickým kritériem, které zaručuje dostatečně únosné podloží pod patou pilíře, a zároveň byla stanovena minimální délka pilířů tak, aby pokrývala skutečnou deformační zónu v podloží.

Zeminové pilíře byly prováděny pásovými soupravami KPF 22G a kolovou soupravou BS 01 (obr. 5 a 6).
Vzhledem k množství inženýrských sítí, které se na pozemku nacházejí, bylo nutné nejenom efektivně koordinovat postup všech zemních prací s prováděním zeminových pilířů, ale podle skutečných zjištění na stavbě i upravovat polohu a počty zeminových pilířů. Nedílnou součástí koordinace stavebních prací tak byla neustálá komunikace mezi pracovníky na stavbě, projektanty a geotechnickým dozorem stavby.

Obr. 5  Pásové soupravy KPF 22G	Obr. 6  Kolová souprava BS 01

Zeminové pilíře Franki byly raženy ocelovou výpažnicí vnějšího průměru 520 mm a formovány diferencovaně podle odporu prostředí, v průměru 5 baků/1bm pilíře (5 × 120 l). Výsledný průměr vyformovaného pilíře pak byl přibližně 800 mm, a to v závislosti na vlastnostech zeminy v daném místě instalace pilíře. Materiál výplně byla hutněná štěrkodrť předepsaných vlastností a parametrů, především pak s maximálním zahliněním do 12 %.

V projektu měl každý pilíř svoje charakteristické číslo, ke kterému byla zaznamenána délka ražení, spotřebovaná energie nutná pro zaražení pažnice, množství spotřebovaného materiálu a technické údaje razící soupravy.

Protokoly o výrobě zeminových pilířů jsou pak neocenitelným souborem informací o zeminovém prostředí v celé ploše provádění pilířů, kdy je možné na základě údajů o spotřebované energii ražení vytvořit energetický diagram jakéhokoliv provedeného pilíře.

V průběhu realizace zeminových pilířů byla na základě nejnižší cenové nabídky firma Spezialbau, s. r. o., vybrána také pro hlubinné založení vlastního objektu obchodního centra na železobetonových pilotách.
Železobetonové piloty Franki pak byly prováděny stejnými soupravami a mechanizací jako při realizaci zeminových pilířů. Postup prací u železobetonových pilot je obdobný jako u zeminových pilířů, pouze s tou změnou, že pilota je po osazení armokoše formována zavlhlým betonem předepsané kvality, v tomto případě betonem třídy C30/37 XA1.

Celkem bylo provedeno přibližně 260 kusů železobetonových pilot Franki s nadpilotovými kruhovými hlavicemi pro kotvení sloupů nosného skeletu (obr. 7).

Stejně jako u zeminových pilířů bylo ražení a formování každé jednotlivé piloty pečlivě zaznamenáno do protokolů. Projektant založení tak má zpětně informace o vlastnostech zeminového prostředí v místě každé piloty.

Výsledky úředního měření otřesů
Provádění pilot technologie Franki je mezi laickou veřejností, ale často také v odborné literatuře spojováno s intenzivními otřesy, pro které se nedoporučuje v zastavěných oblastech a v blízkosti jakýchkoliv objektů, které by mohly být vlivem otřesů staticky narušeny. Tento názor plyne bohužel zejména z nedostatečné informovanosti o této technologii. To je dáno omezením výroby pilot Franki v minulosti a nedostatečným publikováním a prezentováním této technologie, která má dozajista na českém a slovenském trhu svoje nezastupitelné místo.

Mylná představa, že otřesy vnímané při provádění pilot technologie Franki mají velký vliv na statickou rovnováhu blízkých stavebních objektů, musí být často vyvracena úředním měřením otřesů a posudky, z nichž téměř vždy vyplývá, že tuto technologii lze použít bez omezení.

Také na staveništi hobby marketu v Brně-Ivanovicích bylo před zahájením prací požadováno objektivní ověření intenzity otřesů na nejblíže situovaných objektech bytové výstavby v okolí. Pro účely měření bylo provedeno zkušební ražení na okraji základů obchodního centra nejblíže k rodinným domům, kde byly osazeny snímače otřesů a sledované otřesy pomocí digitálního zapisovače dynamických dějů zaznamenávány.

Otřesy při provádění pilot technologie Franki vznikají především při zarážení výpažnice do požadované hloubky. Při následném „vyrážení zátky“, kdy je výpažnice zavěšena na věži razicí soupravy a krátkými údery vyrážena štěrková zátka, se otřesy přenáší na stroj a jsou v těsném okolí soupravy vnímány jako intenzivní, ovšem na objekty ve vzdálenosti větší než 10 m je účinek nižší než při zarážení pažnice. V konečné fázi je pilota formována za současného vytahování výpažnice. Formování piloty vyvolává v okolí otřesy s intenzitou o 40 až 60 % nižší než při zarážení výpažnice.

Na všech stanovištích byly použity kalibrované elektrodynamické snímače otřesů, které přímo zachycovaly rychlost kmitání v průběhu zkušebního ražení.

Pro následné vyhodnocení byly použity maximální a charakteristické hodnoty otřesů, které byly porovnávány s přípustnými intenzitami otřesů stanovenými pro konkrétní třídu odolnosti a třídu významu objektů.
Výsledky zjištěné při měření na sledovaných objektech byly o více než 70 % nižší, než připouští norma ČSN 73 0040, a prokázaly, že otřesy blízké objekty neohrožují a ani nemohou ohrozit.

TEXT: Ing. Ladislav Opatrný
FOTO: archiv Spezialbau

Autor pracuje jako projektant ve firmě Spezialbau, s. r. o, která se specializuje na zakládání staveb.