Cementové pilíře DSM: Inovativní metoda hloubkového zlepšování zemin

V poslední době nacházejí i v České republice stále širší uplatnění metody hloubkového zlepšování vlastností zemin. Jednou z těchto nejmodernějších technologií je Deep Soil Mixing (DSM), jejíž název z anglického jazyka (Deep Soil Mixing) odhaluje celý princip metody. Jde o mechanické hloubkové míchání zemin, které může mít rozličné postupy a výrobní procesy. V některých zemích jsou podmínky použití této metody vhodnější, a tím i vývoj samotné metody je dynamičtější a metoda je hojněji uplatňována.

Princip a cíle hloubkového zlepšování zemin

Vylepšením zemin se myslí zvýšení jejich únosnosti či deformačních charakteristik s cílem redukovat sedání, snížit propustnost a nebezpečí sufoze (mechanický odnos drobných půdních či horninových částic podzemní vodou, což má za následek sesedání povrchu), případně možnou změnu dynamické odezvy. Pro výstavbu nových objektů je zapotřebí využít z geotechnického hlediska podmínečně vhodných i nevhodných stavenišť, jako jsou bažiny, pozemky s kolísající hladinou podzemní vody, výsypky, neřízené skládky apod.

Zakládání zde bylo v dávné historii nemožné a v nedávné době pak bylo řešeno pouze pomocí hlubinného zakládání na pilotách. Současně je základním aspektem hloubkového zlepšování zemin využití stávajících zemin bez jejich podstatného odstraňování. Metody povrchového zlepšení umožňují zakládat pouze nenáročné objekty, resp. statické konstrukce s malým kontaktním napětím v základech apod. Výměna zemin bývá komplikovanou cestou k úspěchu především v případě mělkého výskytu podzemní vody nebo vlivem transportů a skládek nevyužitého (odstraněného) materiálu.

Dalším okruhem možnosti využití hloubkového zlepšování zemin jsou pažicí konstrukce nebo těsnicí clony apod. Hloubkové zlepšování zemin je však realizovatelné a v podstatě smysluplné, když přinese efekt v řádech stovek procent, a tudíž nemá příliš význam v prostředí ulehlých nesoudržných či pevných a tvrdých soudržných zemin a samozřejmě v horninách. Tomu odpovídají i oblasti, kde lze hloubkové zlepšování aplikovat. Jsou to především oblasti kolem vodních toků (nížiny, delty řek, naplaveninami vyplněná údolí apod.) a dále plochá území v přímoří, vše se zeminami měkkých konzistencí či kyprých ulehlostí. Významné a společensky velmi záslužné je nasazování těchto metod do prostředí skládek, výsypek či jiných ploch s antropogenní činností.

Zlepšení smykových a deformačních parametrů zemin je možné zmíněnými metodami dosáhnout v intervalu primární konsolidace, ale určitě není možné si představovat jakékoliv zlepšování v oblasti konsolidace sekundární, tedy creepu. To znamená, že můžeme vylepšovat polohy zemin jemnozrnných (soudržných) s nízkým stupněm konzistence (kašovité až tuhopevné) nebo hrubozrnné (nesoudržné) s nižším indexem ulehlosti (max. střední). Naopak nedává vůbec smysl se bavit o zlepšování zemin s pevnou a tvrdou konzistencí nebo zemin ulehlých či dokonce hornin. Energie a finanční prostředky k tomuto vynaložené by byly zcela neadekvátní.

Čtěte také: Lepidlo na dřevo a cement

Technologie Deep Soil Mixing (DSM)

Mezi země, kde jsou podmínky pro technologii hloubkového zlepšování zemin Deep Soil Mixing vhodnější, patří například USA, Japonsko, Švédsko, Polsko, Německo, a to zásluhou téměř všech velkých společností zabývajících se speciálním zakládáním (jako je např. SOLETANCHE, KELLER, BAUER). Technologie DSM byla vyvinuta v Japonsku nejprve pro zabránění ztekucení podloží při zemětřesení, později se začala používat při výstavbě dočasných pažících stěn.

Výrobní postupy

Výrobní postupy se v zásadě dělí na mokrý a suchý proces.

• Mokrý proces: Je založen na míchání zeminy s cementovou suspenzí. Ta se připravuje v míchacím centru a čerpadlem se dopravuje do koncového vrtného-míchacího nářadí. Použití mokré metody DSM je vhodné v měkkých jemnozrnných (jílovitých) zeminách, dále v organických zeminách (rašelinách), v některých antropogenních navážkách a samozřejmě především v kyprých nesoudržných zeminách. Vylepšují se takto podloží například pod násypy silnic a železnic, podlahové či základové konstrukce pozemních objektů.
• Suchý proces: Využívá popílku, vápna či sádry. Typické zařízení pro suchou metodu Deep Soil Mixing se skládá ze stacionárního nebo mobilního zásobníku a čerpadla na pojivo a speciálně vyvinuté vrtné soupravy pro instalaci pilířů vytvářených typovým nářadím na konci mísicí kolony. Obvyklý průměr pilíře je 0,6 až 1,0 m a hloubka zlepšení může být až 25 m. Přísun a mixování suché směsi se zeminou se spouští, jakmile vrtné nářadí dosáhne plánované hloubky a jeho rotace se změní do protisměru oproti penetrační fázi. Pojivo je dopravováno ze zásobníku ke stroji hadicemi pomocí stlačeného vzduchu. Množství pojiva je při plnění profilu pilíře upravováno rychlostí rotace. Množství pojiva dodaného do upravované zóny zeminy automaticky souvisí s tlakem vzduchu a tedy množstvím transportované směsi. Zatímco plastické jíly a silty jsou zpevňovány vápnem nebo cementem s vápnem, tak organické zeminy jsou míchány s vysokopecní struskou.

Pro volbu procesu je podstatný stupeň nasycení zeminy a typ zemního prostředí, resp. druh konstrukce. Suchá metoda zatím v ČR použita nebyla, zřejmě s ohledem na velmi speciální zařízení, které není logisticky a tedy cenově příliš dostupné. Na druhou stranu by se právě použití vápence, jako stabilizátoru, hodilo do v České republice rozsáhlého výskytu jílovitých zemin, ať již při zlepšování podloží železničních náspů nebo jeho sanacích.

Strojní vybavení a proces vytváření pilíře

Z hlediska strojního vybavení se jedná o dvě základní části:

1. Vrtná souprava: Není příliš odlišná od vrtaček nasazovaných na zhotovování velkoprůměrových pilot (nejčastěji BAUER, LIEBHERR, ABI aj.), které mohou být podle parametrů vrtání vybaveny jedno- až třítyčovým (hlavovým) vrtným nářadím. Postavení, resp. počet vrtáků (šlehačů) má pak zásadní vliv na tzv. mixovaný tvar tělesa. V případě jednoho nástroje se podle síly stroje vytvářejí kruhové pilíře odpovídajícího průměru. Při použití většího počtu nástrojů vznikají lamely. Dalším podstatným aspektem metody je druh nasazeného mechanizmu. Využívá se jednoho či více míchacích aparátů (nářadí), jako jsou pádla, šneky a vrtule různých průměrů (0,4 až 2,0 m). Ty jsou sestaveny buď samostatně, nebo jako soustavy v řadě. Vytvářejí se tak jednotlivé pilíře promíchané zeminy v určitém systému, tvarech, resp. vzdálenostech, či se takto zpracovává (míchá) 100 % objemu původní zeminy. Ve špici vrtného nářadí je osazena soustava zubů pro rozpojování zeminy. Často je využíváno i šneků nebo spirál. Pro kvalitní mechanické míchání jsou zásadní tzv. pádla osazená na vrtné tyči, která jsou podle ulehlosti zeminy odpovídajícím způsobem namáhána. Extrémní abrazi pádel i dalších částí způsobují například ulehlé zeminy, balvanitý štěrk nebo hrubozrnné navážky. V takovýchto zeminách je i rozpojování, a tím i celý postup velmi obtížný. Pro posílení erozivní energie se občas používá i vysokotlakého paprsku vody nebo cementové suspenze, který je přiváděn do zeminy tryskami umístěnými těsně nad špicí vrtného nářadí.
2. Stacionární míchací zařízení: To se skládá ze zásobníků nebo přívodů komponentů (cement, vápno, voda apod.), míchačky se zásobníkem na suspenzi a pumpy, resp. čerpadla směsi. Z míchacího centra se směs vede hadicemi k vrtnému stroji, resp. až ke špici vrtného-míchacího nářadí.

Proces vytváření pilíře DSM se skládá ze dvou základních fází:

Čtěte také: Výběr nástrojů pro řezání cementových desek

1. Zavedení vrtného-míchacího nástroje do požadované hloubky, což lze za sucha (například ve zvodnělých píscích) vcelku snadno. Pokud zemina vykazuje větší odpor, lze zavrtávání usnadnit pomocí menšího množství suspenze (výjimečně vody) nebo i řezným paprskem. Postup vrtání zcela závisí na strojníkovi, který musí rychlost a rotaci usměrňovat právě podle odporu zeminy.
2. Po dosažení předepsané hloubky se zahájí čerpání suspenze předepsaného množství do vrtného nářadí a za jeho současného otáčení - míchání se postupuje vzhůru k hlavě pilíře. V závislosti na zemině je pak vhodné opakovat míchání v celé délce pilíře. Dosáhne se tak homogennějšího promísení zeminy se suspenzí, čímž se zvýší integrita produktu.

Průměry vrtání (resp. míchání) se pohybují mezi 0,5 až 2,0 m a dosahuje se hloubek téměř 15 m. Množství cementového pojiva bývá asi 80 až 450 kg/m³, vápna hašeného či nehašeného pak v množství 6 až 10 % objemové tíhy zeminy. Výsledné pevnosti stabilizací dosahují od asi 1,0 MPa v organických zeminách až více než 10 MPa v píscích.

V mnohem větší míře než u předchozího typu dochází k vytěžení části zeminy z vrtu a tudíž k vyšší spotřebě suspenze. Pokud jsou pilíře či lamely DSM navrženy v těsné blízkosti nebo tak, že se vzájemně dotýkají, pak je pracovní postup obdobný jako při zhotovování přeřezávaných pilot či lamel podzemních stěn. Ve velmi měkkých jemnozrnných, organických a kyprých nesoudržných zeminách, zvláště plně nasycených vodou, je zpracování (míchání) velmi efektivní a rovnoměrné. Naopak jíly s vysokou plasticitou či suché spraše se mícháním se suspenzí nedaří zpracovat do homogenní podoby.

Testování a monitorování kvality DSM pilířů

Metoda je náročná a závislá na návrhu správné receptury (míchací energie) a množství a druhu pojiva apod. V současnosti je zřejmý značný technologický a mechanizační rozvoj, teorie však ještě dost často pokulhává za praxí, ač máme k dispozici numerické metody. Procesem míchání se v důsledku vylepší blok zeminy, přesně řečeno zlepší se vlastnosti základové půdy, nicméně se výrazně zkomplikuje zadávání parametrů do výpočtu, resp. sestavení výpočtového modelu.

Získání návrhových podkladů pro zlepšenou zeminu je ještě obtížnější než pro zeminu přirozenou. Správná interpretace výsledků polních a laboratorních zkoušek je v zásadě jedinou možností jak dospět k dobrému výsledku. Zlepšená zemina se skládá ze dvou komponentů (původní - přirozený a zlepšovací - výztužný) čili je nehomogenní (paralelu lze najít např. v železobetonu). Funguje spolupůsobení obou částí, a proto ji v širším měřítku naopak považujeme za homogenní. Je proto problém, jak interpolovat mezi krajními hodnotami přetvárných charakteristik obou částí, jak stanovit takové ekvivalentní hodnoty, které se budou v maximální míře přibližovat chování zemního tělesa.

Nezbytné je tedy rozsáhlé testování in situ před zahájením instalace a porovnání s výsledky v laboratoři. Možností jsou zatěžovací zkoušky jak pilířů, tak širší oblasti zeminy s pilířem a také penetrace SCPT (speciálního hrotu s křídly). Zatěžovacími zkouškami jsou míněny statické zkoušky deskou průměru mezi cca 0,5 až 1,0 m.

Čtěte také: Cementová lepidla na polystyren: komplexní průvodce

Samozřejmě důležitý je monitorovací proces v průběhu provádění a po dokončení. Především je třeba kontrolovat množství a konzistence pojiva, resp. čerpané směsi. Na vzorcích odebraných jádrovým vrtání se provedou laboratorní testy za účelem zjištění pevnosti, deformačních modulů apod. Metodika laboratorních zkoušek vychází z vlastností zatvrdlé směsi, která svým charakterem připomíná spíše beton než zeminu.

Základní zkouškou je pevnost v prostém tlaku zjišťovaná na válcových tělesech vzniklých odlitím čerstvé suspenze do polystyrenové formy, která se po zatvrdnutí odstraní, a válce se upraví řezáním. Pro výsledný produkt je průkaznější a zásadní zkouška provedená na vzorcích zatvrdlé suspenze odebrané z již hotového sloupu DSM jádrovým vrtáním. Z vývrtů prováděných běžně do hloubky 4,0 m lze získat informace o kvalitě promíchání zeminy s cementem v různých hloubkách sloupu. Z částí vrtných jader se řežou zkušební tělesa - válce s poměrem délky ku průměru 2 : 1. Kromě pevnosti v tlaku se zjišťuje i modul pružnosti zatvrdlé směsi (materiál se chová pružně, neboť svými vlastnostmi se podobá spíše betonu).

Pro zkoušení stejnorodosti materiálu ze sloupu DSM je výhodné použití ultrazvukové impulzní metody. Ultrazvukem lze zkoušet celý vývrt v příčném směru nebo vyřezaná válcová tělesa v podélném směru. Kromě stejnorodosti materiálu lze z rychlosti šíření ultrazvukových vln vypočítat i dynamický modul pružnosti. Po nedestruktivním měření ultrazvukem následuje zatěžování těles v lisu se současným měřením poměrných přetvoření pro výpočet modulu pružnosti. Pro výpočty se však doporučuje snížit hodnoty mechanicko-deformačních charakteristik cca 2 až 3krát. Z protokolů o instalaci pilířů a z výsledků laboratorních a polních zkoušek jsou získávána data ke kontrole kvality a pro rizikovou analýzu.

Příklad výsledků zkoušek stabilizace hlinito-písčitého podloží (Brno)

Následující tabulka uvádí příklad výsledků zkoušek stabilizace hlinito-písčitého podloží z brněnské lokality. Zkoušky byly provedeny po 28 dnech zrání na válcových tělesech z jádrových vývrtů z různých hloubek od 1,0 do 2,5 m.

Aplikace DSM v České republice

V České republice se doposud metoda DSM nevyužívala, a to ze tří důvodů. Především zde není tak vhodné geologické prostředí jako např. v Polsku nebo Německu. Čeští projektanti neúměrně často navrhují všechny náročnější objekty v obtížnějších geologických podmínkách zakládat na pilotách. Třetím důvodem je nedostatek potřebného technického vybavení. Technologie hloubkového zlepšování podloží včetně DSM jsou proto obecně v České republice spíše přehlíženy.

V posledních dvou letech však byla metoda DSM využita v rámci založení skeletů dvou vícepodlažních budov v Brně, dále podlahových konstrukcí hal v Brně a Vodňanech nebo základové desky sportovní haly v Lužicích. Vždy byla nasazena varianta mokrého procesu s cementovou suspenzí za použití jednoho vrtného-míchacího nářadí s průměrem 600 mm. Vzhledem k tomu, že nebylo možné využít zkušenosti z místních poměrů, provedlo se vcelku rozsáhlé testování kvality vzniklého materiálu. Samozřejmě důležitý byl monitorovací proces již v průběhu provádění. Především se kontrolovalo množství a konzistence cementového pojiva, resp. čerpané směsi. Na vzorcích odebraných jádrovým vrtáním se pak provedly laboratorní testy.

Případové studie z ČR

Polyfunkční objekt s jednopodlažním suterénem (Brno)

Výstavba polyfunkčního objektu s jednopodlažním suterénem (garážemi) byla prvním případem využití DSM v ČR. Skeletová konstrukce byla nejprve navržena se založením na vrtaných pilotách. Vzhledem k inženýrsko-geologickým poměrům a tvaru konstrukce objektu jevilo se vhodné založení změnit. Základová spára se nachází těsně nad úrovní podzemní vody, resp. na povrchu jílovito-štěrkovité vrstvy o mocnosti asi 2,0 m, hlouběji pak byl zastižen neogenní jíl (brněnský tégl). Horní část o mocnosti do 2 m je tuhé konzistence, hlouběji je pak pevné konzistence. Základová konstrukce se skládá s celoplošné železobetonové desky s hydroizolací. V místech sloupů skeletu je deska podporovaná blokem vylepšené zeminy. Tento blok je podle konkrétní reakce ve sloupu tvořen odpovídajícím počtem pilířů DSM (1 až 9 kusů), seskupených šachovnicově tak, že vykrývají celou plochu. Hloubka vylepšení byla asi 4 m, resp. dosahovala poloh pevných jílů. Hlavy pilířů jsou pak překlenuty betonovou patkou tloušťky do 600 mm.

Administrativně-obchodní budovy Nové Semilasso (Brno)

Typ objektu, jeho konstrukce a rovněž osazení do terénu odpovídá předchozímu příkladu. Pouze mocnost štěrkovité vrstvy dosahuje až 6 m při její větší ulehlosti. Rovněž granulometricky se jedná o písčitý štěrk s významnou příměsí velikosti zrn nad 63 mm.

Skladovací haly REDA (Brno)

Pro předpokládané zatížení podlahy v hale bylo nutné vylepšit stávající podloží. To bylo tvořeno sprašemi a sprašovými hlínami. V základní variantě byly navrženy štěrkové pilíře. Vzhledem k tomu, že v blízkosti haly hrozilo prokazatelně pronikání vody z vadné kanalizace do propustných pilířů a následně do prosedavých spraší, bylo vhodné vyztužit podloží jinak. Zde se projevil problém s mícháním jílovitých zemin v podobě množství vynesené zeminy na povrch pracovní plošiny.

Sportovní hala (Lužice)

Podloží pod základovou deskou je tvořené proměnlivou vrstvou jílovitého písku a neogenním jílem. V hloubce více než 15 m byly zastiženy důlní objekty. Pod základovou desku vzhledem k jejímu zatížení a vlivu poddolování byla vybrána varianta hloubkového zlepšování pomocí DSM. Pilíře v celé ploše desky jsou v rastru 2 × 2 m a hloubky 1,5 až 2 m.

Doplnění podloží pod podlahu po dokončení skeletu (Vodňany)

Použití DSM bylo zvláštní tím, že po dokončení skeletu a střechy zjistil investor nezbytnost vylepšit dodatečně podloží pod podlahu. Podloží je tvořeno vertikálně i horizontálně měnícím se uložením jílovitých a písčitých zemin, kdy písky jsou převážně zvodnělé. V hloubce asi 3 m se pak vyskytovala vrstva křemeliny. Pilíře DSM byly zhotoveny v rastru 3 × 3 m do hloubky asi 4 m, na což pak byla dimenzována konstrukce podlahy. Specialitou bylo využití soupravy, která musela vyhovět omezení daného již zbudovanou skeletovou konstrukcí.

Srovnání s jinými metodami zlepšování podloží

Především je třeba konstatovat, že metoda DSM zcela nahrazuje efektivitou pracovního procesu i ekonomikou provozu použití tryskové a jiné injektáže jako metod vylepšování podloží v případě, že není z pracovní plošiny třeba vrtat přes betonové, zděné či jiné obtížně vrtatelné překážky nebo produkovat stabilizaci v hloubkách několika desítek metrů. Pokud lze procházet míchacím-vrtným nářadím průměru zhotovovaného pilíře v celé jeho délce, je na místě použít DSM a ne například tryskovou injektáž. Samozřejmě metody injektáží, ač technologicky výrazně náročnější, jsou u nás dostupnější. Avšak projektanti i investoři by měli nasazení DSM ve vhodných případech upřednostnit.

Metody hloubkového zlepšování tělesa železničního spodku jsou pro železniční stavitelství vhodné a dnes již nenahraditelné. Například v případech rekonstrukcí, kdy nelze zajistit úplné vyloučení provozu, nelze stávající těleso náspu odstranit (odvoz na skládku apod.) nebo vyměnit jeho podzákladí do potřebné hloubky a vše pak nahradit zemním tělesem novým. Obrovskou výhodou je hluboký dosah sanace (zlepšení) tělesa železničního spodku a možnost homogenizace porušených a nesourodých náspů prakticky z čehokoliv a v kterékoliv jeho části.

DSM je moderní metodou hloubkového zlepšování zemin, resp. podzákladí. Vzhledem k tomu, že využití je vázáno na určitý okruh geologických poměrů, nelze předpokládat masivní využívání této technologie v ČR, avšak v mnoha případech může být tato metoda naopak velmi vhodná a efektivní. Je třeba, aby projektanti dobře analyzovali její výhody oproti jiným způsobům zakládání nebo těsnění a nebáli se ji navrhnout.

tags: #cementove #pilire #dsm #informace

Oblíbené příspěvky:

• Montáž dřevěného roštu
• Vše, co potřebujete vědět o kuchyňských dřezech
• Vše, co potřebujete vědět o omítkové krabici IP44
• Zateplení a prevence vlhkosti OSB půdy
• vše o tenkých fixech Posca