Vlastnosti pilierov prúdovej injektáže pri sanácii základového podložia

Výsledky skúšok spôsobov sanácie základového podložia nadzemnej uskladňovacej nádrže na ropu preukázali, že aj v nepriaznivých podmienkach ílov a ílovitých zemín možno vykonať jeho sanáciu pomocou pilierov prúdovej injektáže. Aj v tomto prípade však rozhodnutie treba starostlivo zvážiť.

Hoci vložené prostriedky do skúšobných pilierov prúdovej injektáže (PI) neboli malé a výsledky skúšok boli viac ako priaznivé, investor uskladňovacej nádrže na ropu pri sanácii základového podložia túto možnosť predsa len nevyužil. Prijal ponuku iného zhotoviteľa, ktorý navrhol zlepšiť deformačné vlastnosti podložných ílov plošným injektovaním základového podložia nádrže. Čo tomuto rozhodnutiu predchádzalo?

Meranie parametrov deformácií
Nadzemné uskladňovacie nádrže na ropu, riešené ako tenkostenné oceľové konštrukcie, majú plášť obvodových stien navrhnutý ako samonosnú membránu s výstužnými prstencami a dno ako jednoduchú membránu. Toto konštrukčné riešenie je veľmi citlivé na prejavy poklesov a zvislých deformácií. V základnej požiadavke uvedenej v norme sa definuje ako vhodné základové podložie iba to, ktoré je stabilné a nestlačiteľné. Nerovnomerné prejavy deformácií základového podložia nádrží sú totiž príčinou deformácie tvaru nádrže s negatívnymi až havarijnými dôsledkami na jej úžitkové vlastnosti. Pri takmer všetkých nádržiach bolo základové podložie nutné vhodne upraviť, aby sa dosiahla dostatočná nosnosť a stabilita.

Skúškou spoľahlivosti pred začiatkom používania nádrží je vykonanie záťažovej skúšky skúšobným napustením vodou. Zároveň sa tak čiastočne konsoliduje základové podložie a zistia sa jeho možné deformácie a poklesy. Prstenec, podopierajúci po obvode stenu nádrže, má povolenú výškovú tolerančnú odchýlku ±3,0 mm na vzdialenosť 10 m s limitnou odchýlkou výšky dvoch ľubovoľných bodov na prstenci 10 mm. Neprípustné je presadnutie dna nad sklon 1 : 120 od stredu k okraju. Z tohto dôvodu musí byť stred dna nádrže vyhotovený s navýšením o veľkosť tohto sklonu a hodnotu deformácie konsolidácií základového podložia.

Realizácia zásobníka na ropu a skúšobné napustenie vodou
Nádrž bola postavená ako dvojplášťová na maximálny objem 12 000 m³. Vnútorný plášť – stena skladovacej nádrže – mal priemer 34,3 m a výšku 16 m; pri maximálnom naplnení hladina kvapaliny dosahovala výšku 13 m. Vonkajší plášť – stena ochrannej nádrže – mala priemer 38,15 m a výšku 13,1 m; pri poruche vnútorného plášťa by zadržala kvapalinu pri maximálnej výške hladiny 10,5 m. Vlastná váha oceľovej konštrukcie nádrže bola 530 000 kg a uskladneného média 10 200 000 kg. Kruhová kontaktná plocha membránového oceľového dna nádrže mala priemer 38,29 m a výmeru 1 151,5 m².

Zásobník bol umiestnený v lokalite s nevhodným základovým podložím na úpätí svahu, ktorý bol charakterizovaný geologickým profilom takto: sprašové hliny mäkkej konzistencie hrúbky do asi 3 m, prachovité plastické íly mäkkej až tuhej konzistencie do hĺbky asi 13 m, od hĺbky asi 13 m íly postupne prechádzajú do mäkkého až tuhého zvetraného ílovca, od hĺbky asi 15 až 18 m sú podložné vrstvy s vyššou nosnosťou. Horizonty rozhrania jednotlivých vrstiev sú sklonené, približne v sklone svahu pôvodného neupraveného terénu. Hladina spodnej vody sa nachádza v hĺbke asi 4 m pod pôvodným povrchom.

Základ a stabilizáciu základového podložia tvorila: nevystužená betónová doska s priemerom 40,3 m, strednou hrúbkou 15 až 25 cm z betónu B20 s dvoma železobetónovými prstencami šírky 0,6 m a výšky 0,8 m pod stenou nádrže a stenou ochrannej nádrže, základový vankúš vo forme polotuhej zemnej dosky, zhotovenej prevažne zo zhutnených sprašových hlín s vápennou stabilizáciou s celkovou hrúbkou do asi 1,8 m, vystuženie zemín pôvodného základového podložia vŕtanými betónovými pilótami s priemerom 0,4 m z betónu B20 v počte 148 kusov dosahujúcich do hĺbky asi 8 m a v počte 148 kusov dosahujúcich do hĺbky asi 10 m, v rovnomernom rastri rozmiestnenom pod zemnou doskou.

Po zhotovení zásobníka nasledovala záťažová skúška napustením vodou. Pri zaťažení zodpovedajúcom asi 60 % objemu nádrže nerovnomerné sadanie nádrže vyvolalo vydutie stien. Po obvode plášťa nádrže sa nameralo sadnutie s hodnotami minimálne 13 mm a na protiľahlej strane maximálne 56 mm. Ďalšie zaťažovanie a nárast deformácií boli z užívateľského hľadiska absolútne neprípustné.

Chyby pri založení zásobníka, dodatočný inžinierskogeologický prieskum
Na zaistenie potrebných úžitkových vlastností zásobníka sa investor rozhodol vykonať sanáciu základového podložia. Vyslovil však podmienku, že nesmie prísť k zásahu do konštrukcie, pri ktorom by sa narušilo oceľové dno nádrže, t. j. sanačné práce sa musia urobiť z vonkajšieho priestoru nádrže, prípadne z medzipriestoru medzi plášťom nádrže a plášťom ochrannej nádrže. Na základe prešetrenia podkladov a poznatkov sa vyznačili chyby v návrhu a vo vyhotovení základovej konštrukcie zásobníka: Betónové pilóty v základovom podloží nemôžu v žiadnom prípade plniť funkciu hlbinného základu alebo výstuhy mäkkých vrstiev – ich hlavy sa nachádzali na úrovni plochy pod poddajnou zemnou doskou a korene vôbec nedosahovali do tuhších a nosnejších vrstiev základového podložia. Poddajná zemná doska základovej konštrukcie svojou zanedbateľnou tuhosťou nemôže zaistiť rovnomerné vyrovnanie deformácií.

Pôvodný inžinierskogeologický (IG) prieskum sa urobil iba do hĺbky asi 10 m pod úroveň terénu. Pritom len na základe veľkosti zaťaženia a pôdorysného rozmeru nádrže možno odhadnúť, či deformovaná zóna pod nádržou môže dosiahnuť do výrazne väčších hĺbok a prieskum sa mal urobiť až do hĺbky asi 25 m. Na základe odporúčaní investor zaistil dodatočný IG prieskum do hĺbky viac než 25 m. Po obvode nádrže sa urobili štyri jadrové vrty a tri vpichy statickej penetrácie do hĺbky 23 až 35 m pod úroveň dna nádrže. Poznatky z vrtov a vpichov sa porovnali a umožnili tak jednoznačne určiť vlastnosti podložných vrstiev i polohu ich rozhrania.

Aj keď výsledky tohto prieskumu boli skutočne prínosné, možno vysloviť kritické vyjadrenie platné pre takmer všetky výsledky IG prieskumov, s ktorými sme sa stretali: Ak ide o skutočne náročné konštrukcie postavené na málo vhodných základových podložiach, spracovatelia IG prieskumov v rozpore so zásadami 3. geotechnickej ­kategórie veľmi často stanovujú niektoré veličiny z STN 73 1001 Zakladanie stavieb ako smerné normové hodnoty. Prevažne ide o objemovú hmotnosť a takmer vždy o Poissonovo číslo. Hodnota opravného súčiniteľa m na výpočet sadania základových konštrukcií sa bežne neuvádza a zmenu nemožno očakávať ani v budúcnosti.

Možné riešenie sanácie
Ako jedno z mála možných optimálnych riešení sanácie, spĺňajúce podmienku investora nerealizovať sanačné práce vo vnútri nádrže, sa navrhli piliere PI vo vhodnej polohe a ich rozmiestnenie na zabránenie poklesom stien a priľahlého dna nádrže. Ako optimálne na podoprenie plášťa nádrže sa navrhli zvislé piliere PI s priemerom 0,9 m a hĺbkou 18 m, navyše do hĺbky asi 9 m vystužené vloženým armokošom z prútov z betonárskej ocele. Bohužiaľ, podmienka investora nenarušiť dno nádrže neumožňovala výrazné zlepšiť deformačné parametre základového podložia vo vnútornom priestore pod dnom nádrže.

Ílovité horniny sú najmenej vhodné na použitie PI. Za optimálny návrh rozmiestnenia a počtu pilierov PI na sanáciu základového podložia sa navrhli zhotoviť tri skúšobné piliere (obr. 2) a overiť ich deformačné vlastnosti a nosnosť zaťažovacími skúškami (obr. 5) podľa metodiky pre veľkopriemerové pilóty a overiť aj ich mate­riálové vlastnosti.

Piliere PI sa zhotovili modifikovanou metódou M1 tak, aby sa aj v ílovitých zeminách dosiahol priemer 0,9 m. Na zistenie materiálových vlastností pilierov PI sa už úplne bežne využíva odber vzoriek premiešanej prebytočnej zmesi z výronu z ústia vrtu (obr. 3). Po ich vyzretí v mokrom prostredí sa vykonali laboratórne skúšky na stanovenie pevnosti a deformačných modulov. Zhotoviteľ pilierov PI na preukázanie skutočne dosiahnutého priemeru a účinnosti zvolenej technológie v ílovitých zeminách vsadil navyše dva krátke pokusné piliere PI do hĺbky 4 m a následne ich vykopal (obr. 4). Z týchto pilierov sa jadrovými vrtmi odobrali vzorky na stanovenie materiálových vlastností laboratórnymi skúškami (obr. 6).

Výsledky skúšok pilierov PI
Aj keď piliere boli v ílovitom prostredí, ich materiálové vlastnosti, nosnosť a deformačné vlastnosti veľmi príjemne prekvapili. Na základe výsledkov záťažových skúšok bolo možné konštatovať, že pri dosiahnutí zaťaženia 750 až 900 kN nedošlo ani k náznaku straty nosnosti piliera. Aj deformačné vlastnosti pilierov boli veľmi priaznivé, nezanedbateľnú úlohu v tomto prípade hralo i čiastočné vystuženie dĺžky driekov pilierov vloženými armokošmi zo štyroch betonárskych prútov. Priebeh deformácií všetkých troch pilierov bolo možné zjednotiť do dvoch spriemerovaných grafov s lineárnymi priebehmi – grafu priebehu deformácií pri zaťažovaní (obr. 7) a grafu priebehu vetiev deformácií pri opakovanom odľahčovaní a zaťažovaní (obr. 8).

Záver
Záťažovými skúškami sa preukázala veľká nosnosť pilierov a priaznivé deformačné parametre. Napriek uvedeným priaznivým výsledkom nemožno piliere PI zamieňať s tuhými konštrukciami pilót. V prípade pilierov PI ide vždy iba o spevnenú a vylepšenú zeminu. Uvedené výsledky však nemožno zovšeobecňovať – vlastnosti pilierov PI sa menia v závislosti od zemného prostredia lokality i spôsobu vyhotovenia. Ak ide o zvlášť významné uplatnenie pilierov, odporúča sa parametre vždy overovať a uvažovať aj o ďalších možnostiach. Rovnako sa zachoval aj investor nadzemnej uskladňovacej nádrže na ropu.

Obr. 7  Pracovný diagram pilierov PI pri zaťažovaní

Obr. 8: Pracovný diagram pilierov PI – vetva odľahčenia a opakovaného zaťaženia

Ing. Jiří Pechman
Foto: archív autora

Autor pracuje ako vedúci projektant v spoločnosti Amberg Engineering Brno, a. s.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.