Navrhování konstrukcí z tryskové injektáže

1. Definice, druhy tryskové injektáže

Obr. 1: Schéma technologie provádění jednofázové TI:
1 – monitor, 2 – kulička

Obr. 2: Schéma technologie provádění dvojfázové vzduchové TI: 1 – monitor, 2 – paprsek cementové suspenze, 3 – stlačený vzduch

Obr. 3: Schéma technologie provádění dvojfázové vodní TI: 1 – monitor, 2 – vodní paprsek, 3 – paprsek cementové suspenze

Obr. 4: Schéma technologie provádění trojfázové TI:
1 – monitor, 2 – vodní paprsek, 3 – stlačený vzduch, 4 – paprsek cementové suspenze

Trysková injektáž (dále jen TI) je metoda zlepšování vlastností základové půdy založená na rozrušení struktury základové půdy v okolí vrtu vysokou mechanickou energií tryskaného média, jejího částečného nahrazení a smíchání rozrušené základové půdy s cementačním pojivem. Technologie TI se vyvíjela v posledních asi 40 letech a řídí se ustanoveními evropské normy ČSN EN 12716: Provádění speciálních geotechnických prací – Trysková injektáž. Podle metody provádění se TI dělí následovně:

• jednofázový systém, při němž se rozrušování zeminy, jakož i její zpevnění dosahuje jedním médiem o vysoké mechanické energii, obyčejně paprskem cementové suspenze (obr. 1)
• dvojfázový systém vzduchový, zahrnující technologii TI, při níž rozrušování zeminy a její zpevnění se dosahuje vysokou mechanickou energií tryskaného paprsku, zpravidla cementové suspenze, za podpory stlačeného vzduchu jakožto druhého média (obr. 2); stlačený vzduch obyčejně obaluje paprsek cementové suspenze a činí jej průraznějším,
• dvojfázový systém vodní zahrnující technologii TI, při níž je rozrušování zeminy dosaženo pomocí vysoké mechanické energie vodního paprsku a zpevnění nastává odděleným paprskem injekční směsi, vesměs cementové (obr. 3)
• trojfázový systém, což je technologie TI, při níž je rozrušování zeminy dosaženo vysokou mechanickou energií vodního paprsku za podpory stlačeného vzduchu a zpevnění nastává odděleným paprskem injekční směsi, vesměs cementové (obr. 4).

Jednotlivé druhy TI se volí s ohledem na geotechnické poměry na staveništi, na geometrických tvar výsledných prvků TI, popř. konstrukcí z TI, jakož i s ohledem na výsledné vlastnosti prvků i konstrukcí z TI. Obecně platí, že čím vyšší stupeň TI, tím větší jsou výsledné rozměry jednotlivých prvků, jejichž realizace se však stává náročnější a často „agresivnější“ k zemnímu prostředí, a zvláště pak ke stavebním konstrukcím. Proto se jednotlivé metody různě kombinují za účelem dosažení nejlepšího efektu v daných geotechnických podmínkách a s ohledem na výsledné parametry jednotlivých prvků či konstrukcí. Trojfázová TI se ovšem používá zřídka, neboť pro její realizaci je třeba ve vrtném soutyčí vést 3 oddělená média (vodu, vzduch a cementovou suspenzi), což klade značné nároky jak na vlastní zařízení, tak na technologii provádění. Celkově je však třeba zdůraznit, že provádění TI je mimořádně specializovanou a náročnou technologií, jež vyžaduje speciální, kvalitní a mimořádně nákladné zařízení, kvalifikované a zodpovědné pracovníky, a zvláště dostatek zkušeností, které lze získat pouze dlouhodobou praxí.

Technologie TI umožňuje realizaci následujících prvků a z nich vytvářených konstrukcí:

• sloup TI – válcový prvek vytvořený pomocí TI, kdy se monitor otáčí,
• lamela z TI – plošný prvek vytvořená pomocí TI, kdy se monitor neotáčí,
• konstrukce z TI je sestava prvků TI, jež se částečně, nebo zcela dotýkají, či překrývají; nejvíce užívané konstrukce z TI jsou:
  
  • stěna z TI – stěna vytvořená z jednotlivých prvků TI,
  • deska z TI – horizontální konstrukce vytvořená pomocí spojených vertikálních sloupů TI omezené výšky,
  • klenba z TI – konstrukce vytvořené z horizontálních, popř. subhorizontálně ukloněných sloupů TI,
  • blok z TI – třírozměrná konstrukce vytvořená většinou ze sloupů TI.

2. Technologie provádění TI

Dodržování správné technologie provádění TI je základním předpokladem pro dosažení správného tvaru i pevnosti výsledného prvku či konstrukce s minimálním rizikem na porušení sousední základové půdy a stavební konstrukce. Před návrhem TI musí být k dispozici následující podklady:

1. geotechnické, tj. detailní popis základové půdy na staveništi s údaji o jejich geotechnických vlastnostech v rozsahu dotčeném TI. Zvláštní pozornost musí být věnována zejména:
   
   • výskytu tuhých a pevných vrstev a čoček jemnozrnných zemin,
   • bobtnavým jílům,
   • vysokému obsahu organických látek v zemině,
   • výskytu senzitivních jílů,
   • stmeleným, nebo jakkoliv zpevněným vrstvám nebo čočkám zemin,
   • úrovni hladiny podzemní vody,
   • výskytu napjaté hladiny podzemní vody,
   • vysokému hydraulickému spádu podzemní vody,
   • agresivitě podzemní vody,
   • ulehlosti hrubozrnných zemin,
   • výskytu kamenů a balvanů,
   • výskytu dutin v základové půdě,
   • výskytu chemického odpadu nebo skládek,
   • granulometrickému složení základové půdy, její vlhkosti, konzistenčním mezím,
   • smykové pevnosti zemin,
2. stavební (okrajové podmínky na staveništi), což jsou základy sousedních budov, podzemní stavby a inženýrské sítě, vzdušná vedení a ostatní pracovní překážky, přístupnost staveniště,
3. požadavky na ochranu životního prostředí, zvláště s ohledem na nakládání s vyplaveným materiálem,
4. přípustné deformace podchytávaných, nebo sousedních objektů.

Při projektování a provádění TI se obyčejně postupuje podle seznamu činností, (tabulka 1), přičemž jejich uvedené pořadí nemusí nutně odpovídat časovému pořadí.

Vlastní technologický postup provádění TI sestává z následujících činností:

• vrtání (bezjádrových) maloprofilových vrtů předem určených geometrických vlastností,
• zavedení monitoru spojeného s vrtným soutyčím pro TI na dno vrtu; (tento krok obyčejně odpadá, neboť monitor bývá montován na soutyčí již v průběhu vrtání),
• tryskání média rozrušujícího strukturu zeminy a pomocí pojiva zpevňujícího zeminu při současném vytahování a otáčení soutyčí s předem určenými hodnotami pro rychlost vytahování a otáčení, pro tlak a průtok každého jednotlivého média.

Strojní zařízení pro provádění TI zahrnuje:

• vrtnou soupravu, vybavenou pro TI, tj. se soutyčím pro TI, monitorem a zařízením k pohonu soutyčí, jež musí být tak uzpůsoben, aby umožnil pohyb vrtného soutyčí stanovenou rychlostí otáčení a posunu,
• míchací zařízení pro přípravu médií TI vč. jejich skladování (jde vesměs o cementovou suspenzi),
• vysokotlaké čerpadlo,
• vysokotlaká potrubí spojující čerpadlo s vrtnou soupravou,
• zařízení k měření tlaku, průtočné rychlosti a množství, rychlosti otáčení a posunu, jakož i okamžité hloubky monitoru,
• zařízení pro hospodaření s vyplaveným materiálem.

Vrty pro TI se provádějí jako maloprofilové stejnou technologií jako vrty pro mikropiloty, kotvy, či klasickou injektáž. Průměr vrtů je 100–200 mm, obecně platí, že pro vícefázovou TI je zapotřebí větší průměr vrtů. Vrtáno může být na vzduchový, vodní, cementový, jílocementový, popř. i pěnový výplach. Odchylka osy ohlubně vrtu by se neměla od projektované polohy lišit více než o 50 mm a sklon osy vrtu více než o 2 %. Průměr vrtů se volí takový, aby při tryskání mohl vyplavený materiál volně vytékat mezikružím mezi stěnou vrtu a vrtným soutyčím.

Míchací a čerpací stanice sestává pro různé systémy TI z těchto komponentů:

• pro jednofázový systém: skladovací zařízení na cement (obyčejně silo), aktivační míchačka, pomaloběžní míchačka (domíchávač), vysokotlaké čerpadlo,
• pro dvojfázový systém vzduchový: jako výše, a navíc výkonný kompresor se vzdušníkem,
• pro dvojfázový systém vodní: jako pro jednofázový systém, a navíc vysokotlaké čerpadlo pro tryskání vody,
• pro trojfázový systém: jako pro dvojfázový systém vodní, a navíc kompresor se vzdušníkem.

Po dovrtání do projektované hloubky se obyčejně ihned začne s tryskáním. Tryská se odspodu a při provádění sloupů se monitorem rotuje pomalými otáčkami a soutyčí se povytahuje. Toto povytahování není plynulé, nýbrž po 2–5 otáčkách monitoru dojde k náhlému povytažení monitoru o několik centimetrů, (tzv. stepování). Tyto operace se provádějí automaticky a řízeny jsou přes mikroprocesor. Při jednofázové injektáži se obyčejně ihned po dovrtání na výplach, tvořený cementovou suspenzí prakticky shodného složení, jako pro TI, popř. s několikaprocentním přídavkem bentonitu, započne s tryskáním. Přívod výplachu k vrtnému nářadí se přeruší spuštěním ocelové kuličku do přívodního kanálu, která uvízne v sedle a usměrní tok suspenze vodorovným směrem přes trysku monitoru. Zvýší se příslušně tlak této suspenze a souprava se nastaví na zvolené otáčky a stepování. Tak započne proces realizace sloupu TI. Přitom se pečlivě sleduje jak průtok suspenze a její tlak, tak zejména množství a průtok vyplaveného materiálu u ústí vrtu. Tento průtok musí být pravidelný a rovnoměrný. Zjistí-li se jakákoliv anomálie v chování vyplaveného materiálu, musí být tryskání okamžitě přerušeno a vzniklá závada odhalena a odstraněna. Jedná se zejména o velmi nebezpečné ucpání mezikruží, kdy tlak tryskaného média, jež nemůže být volně rozptýlen při vyplavování, může způsobit náhlé zvednutí základové půdy spojené s negativními jevy, (nadzvednutí objektů, vznik deformací, trhlin apod.). Sloup se tryská až do projektované úrovně, jež však musí být pod úrovní pracovní plošiny, neboť do její úrovně nelze efektivně tryskat, neboť není k dispozici potřebný odpor. Tento výškový rozdíl, který je ostatně potřebný též pro vhodný návrh geometrického uspořádání sloupů TI např. při podchycování stávajících konstrukcí, by měl být nejméně 1,0 m. Vyplavený materiál je smíchaný s rozrušenou zeminou a nemůže být použit pro další tryskání. Skladuje se obyčejně ve vyhloubených jámách, (je-li možné je na staveništi zřídit), tam se nechá sedimentovat a po zatuhnutí se vybagruje a odváží na skládky. Tam, kde to není možné, odváží se v tekutém stavu cisternami. Vyplavený materiál není závadný a nepředstavuje žádnou ekologickou zátěž. S výhodou jej lze použít např. do stabilizací. Z vyplaveného materiálu se pravidelně odebírají vzorky, u nichž se ihned (na staveništi) měří objemová hmotnost (např. baroid váhami). Ostatní vzorky se ponechávají ztvrdnout pro zkoušku pevnosti v prostém tlaku různého stáří, popř. zkoušky propustnosti.

Vlastní cementová suspenze má různé složení dané vodním součinitelem, který se pohybuje od 0,5 do 1,5 (typické složení je např. c:v = 0,8:1). Výjimečně se přidává několik % bentonitu za účelem snížení sedimentace. U vyrobené cementové suspenze se zkouší její hustota, odstoj vody, viskozita, doba tuhnutí a pevnost v prostém tlaku. Přibližný rozsah parametrů TI je v tabulce 2.

3. Oblasti použití TI

Využití technologie TI v oblasti speciálního zakládání staveb je rozsáhlé. Bez nadsázky lze o technologii TI hovořit jako o jednom z mezníků v zakládání staveb, neboť prvky z TI a konstrukce z těchto prvků umožňují elegantně a velice účinně řešit mnoho závažných a zásadních problémů v daném oboru. Technologii TI lze využít v následujících oblastech:

• pro zakládání nových staveb, (jako náhrada hlubinných základů),
• pro podchycování stávajících základů a konstrukcí za účelem zvýšení únosnosti v základové spáře,
• pro podchycování stávajících základů a konstrukcí za účelem umožnění jejich odkopání, popř. podkopání,
• jako pažící a současně i těsnící konstrukce pro těsnění boků stavebních jam,
• pro dotěsňování jiných konstrukcí, (např. štětových stěn nebo záporového pažení), při jejich napojování na stávající stavby,
• pro těsnění dna stavebních jam v propustných zeminách,
• pro dočasné zajišťování výrubu štol, kolektorů i tunelů,
• pro zlepšování vlastností základové půdy,
• pro urychlení konsolidace podloží násypů,

přičemž tento výčet není jistě konečný. Je ovšem zřejmé, že technologie TI je:

1. mimořádně náročná na její zvládnutí, tj. na návrh, provádění, kontrolu a monitoring,
2. relativně nebezpečná z hlediska možných rizik, a to nejen při jejím nevhodném použití,
3. relativně drahá jak z hlediska nároků na nutné vybavení, tak z hlediska spotřeby hmot (např. cementu) a hospodaření s vyplaveným materiálem.

Technologie TI by měla být tedy realizována pouze zkušenými a specializovanými firmami, což dává záruku jejího správného využití a nikoli komerčního zneužití, jak jsme tomu svědky např. při zbytečných a nevhodných realizacích mikropilotových základů.

Obr. 5 Hlubinné zakládání pomocí sloupů TI

Budování hlubinných základů novostaveb (obr. 5) pomocí sloupů, popř. lamel z TI je v souvislosti se snižující se cenou těchto prvků stále častější. Je pochopitelné, že výsledný prvek TI nelze srovnávat s železobetonovým průřezem vrtané piloty, a to jak z hlediska kvality (pevnosti) betonu, tak z hlediska možnosti vyztužení, což je potřebné zvláště u prvků namáhaných kombinací ohybu s tlakem (popř. i tahem). Výjimečně lze využít hlubinných základů sestávajících ze sloupů TI na těch stavbách, kde je technologie TI uplatněna ve velké míře např. pro podchycování a současně je třeba založit hlubinně konstrukce, pro něž by se nevyplatilo instalovat novou technologii (piloty, mikropiloty).

Obr. 6 Sestava statické zatěžovací sloupu TI prof. 800 mm dl. 10,0 m

Obr. 7 Výsledky statické zatěžovací zkoušky sloupu TI v Brně

Na obr. 6 je příklad sestavy statické zatěžovací zkoušky sloupu TI a na obr. 7 je grafický záznam průběhu této statické zatěžovací zkoušky. Výsledky byly mimořádně uspokojivé a prokázaly, že:

• k ustalování deformací na každém zatěžovacím i odlehčovacím stupni docházelo velmi rychle, tudíž příslušná doba na každém z těchto stupňů činila vesměs 1 hod,
• celková deformace dosažená při maximálním zatížení 1000 kN činila 3,85 mm, což svědčí o značné únosnosti tohoto prvku,
• trvalá deformace po odlehčení z 1000 kN na 0 kN činila pouze kolem 1,0 mm, tj. cca 25 %, tudíž zcela převládá deformace pružná (75 %), což rovněž svědčí o té skutečnosti, že zatím nedochází k výrazným plastickým deformacím, tudíž mezní únosnosti sloupu TI nebylo zdaleka dosaženo.

Jednou z rozhodujících oblastí použití TI je podchytávání stávajících základů. To může být navrhováno v případě nástaveb, dostaveb a rekonstrukcí, a to jednak za účelem zvýšení únosnosti v základové spáře z titulu jejího přitížení, (obr. 8), jednak za účelem umožnění (obyčejně jednostranného) výkopu podél stávajících základů zasahujícího pod stávající základovou spáru (obyčejně plošných) základů (obr. 9), popř. v kombinaci obou požadavků. Hlavní výhodou zesilování stávajících základů podchycováním pomocí sloupů TI je skutečnost, že při vhodném geometrickém uspořádání není třeba budovat žádné „spojovací“ konstrukce zprostředkující přenos zatížení ze stávajících základů do podchycovacích prvků, neboť sloupy TI obyčejně přímo podepírají stávající základovou spáru. Lze též regulovat potřeby podchycení, a to jak půdorysným uspořádáním prvků TI, tak jejich délkou. Při využití miniaturních vrtných souprav lze podchycovat konstrukce i z úrovně suterénu apod. Při této práci je třeba vždy zajistit podrobný stavebně-technický průzkum stávajících objektů a pasportizaci stávajícího stavu tak, aby po skončení práce nevznikly zbytečné dohady o míře zavinění při případném poškození konstrukcí. Současně je třeba zajistit přístup do všech sousedních (např. sklepních) prostor tak, aby průběh provádění TI mohl být neustále monitorován a popř. dočasně přerušen, nebo upraven.

Obr. 8: Podchycování stávajících základů pomocí sloupů TI za účelem zvýšení jejich únosnosti

Obr. 9: Podchytávání stávajících základů pomocí sloupů TI za účelem umožnění jednostranného odkopání podchycených základů

Technologie TI v podstatě jako jediná umožňuje ve vhodných podmínkách prohloubení výkopu prakticky těsně podél stávajících základů, a to v souvislosti s jejich podchycením. Podle stavebního stavu stávajícího základového, resp. suterénního zdiva, podle charakteru základové půdy a podle potřebné výšky podchytávání se volí geometrické uspořádání sloupů TI, resp. nutnost kotvení, nebo i rozepření této konstrukce tak, aby byla zajištěna její stabilita. Lze konstatovat, že právě podchytávání pomocí sloupů TI umožnilo výstavbu hlubokých suterénu v prolukách mezi mělčeji založenými objekty s maximálním využitím příslušného prostoru, například pro podzemní parking či pro jiná zázemí novostaveb.

Konstrukce ze sloupů TI lze využít pro utěsnění dna stavebních jam, popř. šachtic (obr. 10), kdy se s výhodou využívá různých průměrů sloupů, jež se vzájemně překrývají a vytvoří tak dostatečně těsné dno šachty.

Značné využití nalézá TI při dočasném zajišťování podzemních staveb, a to jak obyčejně mělce pod povrchem budovaných štol, (kolektorů), tak i v případě tunelů, kde nahrazují tzv. deštníky prováděné z ocelových trubek, obr. 11.

Obr. 10: Těsnění dna stavebních jam a šachtic

Obr. 11: Schéma vytváření subhorizontálních „deštníků“ ze sloupů TI za účelem zajištění výrubu podzemních děl

Literatura

1. ČSN EN 12716: Provádění speciálních geotechnických prací – Trysková injektáž, 2019
2. Masopust, J. a kol.: Rizika prací speciálního zakládání staveb, ČKAT Praha, 2011
3. Masopust, J.: Navrhování základových a pažicích konstrukcí, ČKAIT Praha, 2019.