Pokročilá inženýrská geologie GA251 – jarní semestr 2019 • Velmi důležité pro inženýrskogeologickou praxi jsou orientační posouzení některých charakteristik zemin pro určité vybrané účely, která budou v této kapitole postupně uvedena. • Pro orientační posouzení některých charakteristik zemin jsou účelově využívány modelové či mezní křivky zrnitosti, pro orientační přiřazení parametrů jsou využívány tabulkové hodnoty - směrné normové charakteristiky nebo třídy těžitelnosti. • Je důležité uvědomit si, že takto získané charakteristiky jsou pouze orientační a pro bližší určení je nutné provést laboratorní či terénní zkoušky. I přesto je účelné toto posouzení využívat, protože přináší řadu rychle, snadno a bezplatně získaných důležitých informací. • Velké praktické využití mají zejména směrné normové charakteristiky (součást ČSN 73 1001), které uvádějí hodnoty nejdůležitějších fyzikálně-mechanických vlastností vybraných typů zemin (tříd základové půdy). Tyto hodnoty byly stanoveny na základě rozsáhlého souboru laboratorních i terénních zkoušek na celém území České a Slovenské republiky. • I po přijetí evropských norem (ČSN EN ISO 14688-2 Geotechnický průzkum a zkoušení Pojmenování a zatřiďování zemin - Část 2: Zásady pro zatřiďování) je využívaní směrných normových charakteristik stále účelné, protože jsou levným a zkušenostmi ověřeným zdrojem orientačních informací o fyzikálně-mechanických vlastnostech. Dále je důležité uvědomit si návaznost nově prováděných průzkumů na již provedené, protože tyto charakteristiky v nich byly použity. • Směrné normové charakteristiky jsou zpracovány zvlášť pro jemnozrnné, písčité a štěrkovité zeminy a uvádí nejdůležitější fyzikálně-mechanické parametry zemin pro účely zakládání staveb. U písčitých a štěrkovitých zemin se jedná o Poissonovo číslo n, přenosový součinitel β, objemovou tíhu γ, efektivní soudržnost cef, dále o modul deformace Edef a efektivní úhel vnitřního tření φef, které závisí na relativní ulehlosti (hutnosti). Všechny parametry směrných normových charakteristik jemnozrnných zemin závisí na konzistenci a oproti písčitým a šterkovitým zeminám jsou rozšířeny o totální úhel vnitřního tření φu a totální soudržnost cu • Křivku zrnitosti posuzované zeminy získanou z granulometrické analýzy lze porovnat z modelovými, případně obalovými křivkami specifickými pro danou charakteristiku. Na základě tohoto srovnání je možné zeminu z hlediska dané charakteristiky orientačně posoudit například dle: – propustnosti, – koeficientu filtrace, – namrzavosti, – genetického typu, – seizmických účinků způsobujících ztekucení zemin, – vhodnosti zemin pro zemní hráze, – metod zlepšovaní vlastností zemin, – zrnitostního složení odpovídajícího optimálnímu složení směsí stabilizovaných zemin – vhodnosti pojiva pro stabilizaci, – vhodné injekční směsi, – možnosti použití injekční směsi metodou Soilcrete. – možností zhutnění vibrací s doplňováním materiálu a vibroflotací, – vhodnosti zemin pro zhutňování technologií Franki • Modelové zrnitostní křivky základních typů zemin • Modelové zrnitostní křivky určitých vybraných genetických typů zemin mají charakteristický tvar. • Je zřejmé, že granulometrické složení jednotlivých genetických typů zemin může v určitém rozmezí kolísat (např. zrnitostní křivka 7 i 8 reprezentuje spraš) • Pro orientační posouzení propustnosti je využíváno dvou mezních křivek zrnitosti, které reprezentují hranici mezi nepropustnými a velmi málo propustnými zeminami (křivka M) a mezi málo propustnými a propustnými zeminami (křivka L). Z grafu je zřejmá všeobecně známá skutečnost, že s rostoucí velikostí zrn se zlepšuje propustnost dané zeminy. • Pro orientační posouzení namrzavosti zemin se využívá diagramu, který je rozdělen pěti mezními křivkami zrnitosti na šest oblastí s různou mírou namrzavosti. Voda obecně při zmrznutí zvětšuje svůj objem, což způsobuje mimo jiné snížení soudržnosti zemin. Nejvíce nebezpečná z hlediska namrzavosti je oblast s převládajícími jílovými a prachovými zrny vzhledem k velké přirozené vlhkosti, která však může být výrazně snížena v závislosti na stupni konzistence. V oblasti s převládajícími štěrkovými zrny existuje možnost, že se jílová a prachová zrna vmísí do intergranulárních prostor štěrkových zrn, čímž mohou způsobit zvýšení jejich namrzání. V diagramu je také vymezena hranice namrzavosti zrn (0,125mm). • V důsledku seismických - dynamických účinků se výrazně snižuje efektivní napětí a zvětšuje neutrální napětí, což způsobuje snižování smykové pevnosti. Působení seismických účinků na štěrkovité nebo písčité zeminy nacházející se pod hladinou podzemní vody způsobuje jejich ztekucení • Z hlediska orientačního posouzení vhodnosti zeminy pro zemní hráze lze použít následující diagram, rozdělený třemi mezními křivkami do čtyř oblastí. Každá vymezuje zeminy, vhodné pro určitou část zemní hráze. Čára zrnitosti zemin vhodných pro těsnící část hrází by měla ležet v oblasti 1 a 2, pro stabilizační část v oblasti 3 a 4. • Na následujícím obrázku jsou znázorněny příklady využití metod zlepšování vlastností zemin v závislosti na granulometrickém složení uvažované zeminy. • Zlepšování základové půdy se týká především zvětšení smykové pevnosti, zmenšení deformací nebo i zmenšení propustnosti. Změnu vlastností základové půdy lze dosáhnout například jejím nahrazováním jinou zeminou (tzv. polštáře), mechanickými změnami stavu zeminy (odvodňování, zhutňování), přísadami do základové půdy (injektáže, stabilizace) nebo také vysoušením a vypalováním • základní podmínkou pro správnou funkci štěrkopískového polštáře je jeho hutnění. Polštář se zhutňuje po vrstvách tloušťky cca 300 mm deskovými vibrátory nebo vibroválcováním. Štěrkopísek vytváří porézní vrstvu, která působí v podzákladí jako drén. Rozměry průřezu štěrkopískového polštáře se stanovují podobně jako rozměry základových pásů nebo patek, protože polštář představuje spodní stupeň vlastního základu. • je to způsob zlepšování základové půdy pro soudržné zeminy. Princip vypalování půdy spočívá na fyzikálně mechanických přeměnách vlastností a složení zemin po jejich zahřátí proudem horkých plynů, zaváděných do svislých, šikmých nebo i horizontálních vrtů. Horké plyny se vytlačují z vypalovací pece. Zemina, která se zahřívá nad 600°C pozbude trvale plasticitu a rozbřídavost a při dalším zvyšování teploty, zpravidla až na 800o-900°C se její jednotlivé částice spojí chemickými reakcemi v pevný celek. Vznikne keramická hmota s příznivějšími vlastnostmi • injektování podloží se používá ke zvýšení pevnosti sypkých zemin nebo jejich utěsnění proti vodě. Injektáže jsou tím účinnější, čím je zemina propustnější. Injektážní hmota se vhání do základové půdy pod tlakem (0,2–2 MPa) pomocí injekčních jehel, zasunutých do pažnic z ocelových trub. Rozmístění jehel a velikost tlaku se volí podle složení zeminy a požadované míry jejího zhutnění, a to tak, aby se injektována pásma překrývala. Uvažuje se, že pruh ve kterém injektážní roztok působí je široký u písku a štěrku cca 500-1000 mm, ve skále 1000-5000 mm a ve skále s průběžnými puklinami široký i několik desítek metrů • speciálními rohožemi zvyšujeme smykovou pevnost zemin, stabilitu a spolupůsobení. Výztužné vložky zamezují posunutí a vytlačování zeminy z podloží, snižují příčné deformace a tím celkově snižují sedání. Používají se pásy hliníkové, z oceli, umělých hmot. Do této skupiny řadíme i vyztužování zemin geotextiliemi – únosnost zvodnělé základové půdy se může zvýšit zmenšením obsahu vody, tj.trvalým snížením hladiny podzemní vody – stabilizace jinou zeminou, cementem, asfaltem nebo dehtem, chemické látky, stabilizace vápennými nebo štěrkopískovými pilotami • Zlepšování vlastností zemin jejich smísením s jinými látkami se nazývá stabilizace. Rozsah použitelnosti některých druhů pojiv ukazuje obrázek • Stabilizace jinou zeminou je účinná tehdy, jestliže se smísí sypká zemina se soudržnou v takovém poměru, aby soudržná zemina vyplňovala póry sypké. Směrnice, stanovené v různých zemích, určují optimální složení směsí stabilizovaných zemin • Vytvoření směsi zeminy, která bude mít optimální složení: – d15 – 0,1-0,05 mm – d20 – 0,3-0,13 mm – d40 – 2,5-0,9 mm – d50 – 4-1,7 mm – d60 – 6-3 mm – d100 – 20 mm • Vytvoření směsi zeminy, která bude mít optimální složení: – 30-50% zrn o průměru 2-20 mm – 50-65% zrn o průměru menší než 2 mm – Současně mez plasticity wP = 4-9% – a mez tekutosti wL = 14-25% • Vytvoření směsi zeminy, která bude mít optimální složení: – Zrna nad 2 mm – více než 45% – Zrna 25-2 mm –45-55% – Zrna 2-0,05 mm –8-11% – Zrna menší než 0,002 mm –2-4% – Současně mez plasticity wP = 4-9% – a mez tekutosti wL ≤ 29% • Vztah mezi zrnitostním složením zemin a vhodností použití vybraných injekčních směsí je znázorněn na obrázku, kde je zobrazeno šest modelových zrnitostních křivek. Čísla u nich označují typ injekční směsi vhodný pro zeminu s daným granulometrickým složením. Pro použití dané injekční směsi je rozhodující kromě účelu injektáže především velikost intergranulárních prostor injektované zeminy a velikost zrn injekční směsi. Na grafu jsou uvedeny jen vybrané typy injekčních směsí. • Metodou Soilcrete firmy Keller se zhotovují zpevněné pilíře v zemině pomocí injekční směsi. Tato metoda má široký rozsah použití v zeminách různých zrnitostí • Paprsek vody nebo cementové suspenze s výstupní rychlostí >100m/s, který může být navíc ještě podporována obálkou jeho kinetické energie, eroduje a rozrušuje zeminu v okolí vrtu. • Erodovaná zemina se přemisťuje a míchá s cementovou suspenzí. Část této směsi je vytlačována okolo vrtu k ústí vrtu. Metoda umožňuje vytvářet prvky nejrůznějších geometrických tvarů. • Erozní dosah paprsku tryskové injektáže dosahuje v základové půdě až 2,5 m v závislosti na druhu zeminy, metody a použitého media. Po vytvrdnutí má těleso tryskové injektáže staticky užitné vlastnosti definované v atestech a certifikátech • Pro zhutňování jemnozrnných zemin je možno použít vibraci s doplňováním materiálu, čímž se vytvoří štěrkové pilíře v málo propustném horninovém prostředí. V písčitých a štěrkovitých zeminách lze využít metodu vibroflotace. • Vhodnost zemin pro zhutňování pomocí technologie Franki je znázorněna na obrázku. Technologie spočívá v zatlačení ocelové sondy (příčný průřez rovnoramenného Y) do požadované hloubky, v níž je daná zemina zhutňována jednotlivými příčnými žebry. • Stabilizovat lze téměř všechny zeminy, které lze rozdrobit, promíchat s pojivem a zhutnit. Cílem stabilizace je zlepšit mechanické parametry (pevnost) a zabránit namrzavosti. • Rozšířeno především v dopravním stavitelství. • Promíchávání – jemnozrnné zeminy (bez přítomnosti hrubších částic), jejichž pevnost je značně ovlivněna vlhkostí, lze promísením s nesoudržnou zeminou v takovém poměru, že jemnozrnná zemina vyplňuje póry nesoudržné, stabilizovat na zeminu s vysokou pevností, únosnou, bez výrazné změny konzistence při změně vlhkosti. • Hydraulickými pojivy – cementování – zemina (f < 50%, IP < 17) se rozdrobí, promíchá s cementem v patřičném množství, provlhčí na optimální vlhkost a válcováním zhutní. Při vyšším obsahu f vhodné přidat k cementu vápno. Při nižším obsahu f popílek (popílek redukuje spotřebu cementu až o 30%) – vápnění – zemina (f > 50%, IP > 17) se mísí s práškovým nebo lépe hašeným vápnem nebo vápenným hydrátem – struska, popel, popílek aj. • Bitumenem – zemina se rozmělní a mísí se s asfaltem nebo dehtem, s vodou a zhutní se. V nesoudržných zeminách se zvyšuje pevnost v tlaku, u soudržných zemin se vytváří méně propustná až nepropustná vrstva. Kombinace s jinými pojivy (např. písek 100%, dehet 8%, vápencová moučka 6%, mleté vápno 2%, voda 9%). • Injektování – používají se prakticky všechny látky aplikované při injektování zemin (živice, technický síran sodný, kalcinovaná soda, anilin, sulfitové louhy atd. • Provádění mechanické úpravy zeminy v násypu se obvykle nejprve naváží a rozprostírá písčitá sypanina, pak soudržná zlepšovaná zemina. Pokud se zlepšuje ulehlá jemnozrnná zemina v podloží násypu nebo aktivní zóny zářezu, doporučuje se nejprve její nakypření frézou před navezením vrstvy hrubozrnné zeminy určené k mechanickému zlepšení. • K promísení sypanin k mechanické úpravě lze použít vhodné prostředky ověřené např. zhutňovací zkouškou, zaměřenou na hloubku a kvalitu promísení. Vyšší vlhkost lze snížit např. opakováním mísení • Úprava zemin příměsí pojiva obvykle zahrnuje tyto práce: – příprava pracovního úseku; – navezení a rozprostření, popř. rozrytí, srovnání zeminy mechanizmy; – nadávkování pojiva; – mísení zeminy s pojivem, nebo pojivy; – úprava vlhkosti a domísení vlhké směsi s pojivem; – zhutnění směsi a srovnání povrchu úpravy. • Pojivo se dávkuje pomocí dávkovačů. Při úpravách zemin v blízkosti obydlených zón se doporučuje použít pojivo se sníženou prašností. Mísení zeminy s pojivem se provádí zemními frézami (samohybné nebo závěsné za traktorem). Hloubka mísení je omezena účinností hutnicího prostředku. • Pojivo lze dávkovat i v místě těžby, popř. na dočasné deponii. První předběžné promísení zeminy a pojiva provádějí mechanizmy při těžbě a při rozprostírání zeminy • Při úpravách zemin příměsí kombinace pojiv se postupuje takto: – a) Je-li jednou součástí z kombinace pojiv nehašené vápno, musí se nejprve promíchat zemina s vápnem a ponechat směs reagovat určitou dobu (i několik hodin), aby proběhlo vyhašení vápna. Potom teprve je dovoleno dávkovat další pojivo, směs promísit, upravit vlhkost a zhutnit. – b) Při kombinaci popílku s cementem se nejprve dávkuje popílek, promísí se samostatně, pak se dávkuje cement, promísí se, popř. se upraví vlhkost a směs se zhutní. • Tyto postupy jsou nutné, pokud se zhutňovací zkouškou neověří vhodnost jiného postupu. • Pro hutnění jsou vhodné běžné vibrační válce s hladkým nebo ježkovým běhounem, nebo pneumatikové válce. Dosažená míra zhutnění musí odpovídat požadavkům ČSN 72 1006. • Požadovaná míra zhutnění musí být dosažena v celé tloušťce zhutňované vrstvy. Sestava zhutňovacích mechanizmů musí být ověřena zhutňovací zkouškou podle ČSN 72 1006, kterou je vhodné provádět jako první úsek úpravy. Při zhutňovací zkoušce se vizuálně zjišťuje hloubka promísení k ověření stejnoměrnosti promísení a účinnosti mísicích mechanizmů • Při výskytu spraší nebo sprašových hlín je nezbytné v rámci geotechnického průzkumu ověřit charakteristickou vlastnost spraší – prosedavost. Prosedavé spraše mají sklon k velkým sedáním, jež se musí brát v úvahu zejména při stavbách násypů na podloží tvořeném sprašemi a při zhutňování spraší pod optimální vlhkostí • Při použití spraší a sprašových hlín je nutné dodržet tyto zásady: – a) zabránit jejich rozbřednutí srážkovou vodou před zhutněním; – b) dosáhnout včasného zhutnění na předepsanou objemovou hmotnost při dodržení vlhkosti blízké vlhkosti optimální; – c) při vlhkosti vyšší než wopt +2 % je nutné docílit nižší vlhkosti buďto časovou prodlevou (za příznivého počasí), popř. úpravou vlhkosti vápnem; – d) při vlhkosti nižší než wopt –2 %, (při zhutnění na tzv. „suché straně Proctorovy křivky“), je nutné laboratorními zkouškami ověřit, zda takto zhutněná spraš není prosedavá. • Možnost zpracování spraší a sprašových hlín a dosažení dostatečné únosnosti při vlhkosti větší než wopt +2 % musí být prokázána zhutňovací zkouškou • Specifickým je také násyp z vátých písků. Tento nesmí být budován po celé výšce z neupraveného vátého písku, neboť vrstvu vátého písku nelze obvykle zhutňovat přímo. Vátý písek se musí zhutňovat přes vrstvu ztužující v celé tloušťce vrstvy a jednotlivé vrstvy proto musí být buď střídány se ztužujícími vrstvami (vrstevnatý násyp), nebo musí být násyp v celé výšce proveden z upraveného vátého písku (upravit cementem). Urovnanou vrstvu z vátého písku je účelné neprodleně přikrýt sypaninou ztužující vrstvy a zhutnit toto souvrství, aby se co nejvíce uchovala přirozená vlhkost a nepravá soudržnost písku. Každý pracovní a denní záběr je nutné takto ukončit. • Sypání vrstvy ze ztužující zeminy je nutné provádět čelním způsobem, po této postupně rozhrnované a zhutňované ztužující vrstvě. • Vrstva z neupraveného vátého písku se zhutňuje prostřednictvím ztužující vrstvy (ze zhutnitelné zeminy, popř. z upraveného vátého písku) na požadovanou míru zhutnění v celé tloušťce této vrstvy. • Po vrstvě ze zhutněného vátého písku bez úpravy nesmí být vedena staveništní doprava