Vystužovanie telesa cestnej komunikácie a ochrana svahov

Rozvoj dopravnej infraštruktúry a jej rovnomerné rozloženie po celom území Slovenska si vyžaduje najmä rozvoj oblastí, do ktorých v súčasnosti nie je dobrý prístup. Tento faktor podmieňuje aj vysokú nezamestnanosť, ktorá sa stále zväčšuje. Takéto regióny sa nachádzajú vo východnej, severovýchodnej a juhovýchodnej časti Slovenska.

Výstavba ciest a diaľnic sa dostáva z hľadiska geológie a terénu do veľmi zložitých a nepriaznivých oblastí. Realizácia dopravných stavieb si tak vyžaduje len také technológie, ktoré sa v tomto území dajú aplikovať. Často sa tu vyskytujú pasívne či aktívne zosuvné pásma a málo únosné podložie. Spolu s požiadavkami na ochranu prírody a cenu pozemkov tieto faktory nútia projektantov zamýšľať sa nad výstavbou takých telies cestných komunikácií, ktoré budú schopné zohľadniť všetky podmienky vyskytujúce sa v danom prostredí.

Parametre a charakteristiky podložia
Podložie zemného telesa je tvorené zemným prostredím (zeminami, horninami), ktoré je umiestnené v lokalite s určitými geologickými, hydrologickými a materiálovými charakteristikami. Vlastnosti podložia ovplyvňujú mechanickú účinnosť lokality, ktorá má podstatný vplyv na kvalitu konštrukcie vozovky, jej životnosť a prevádzkovú výkonnosť. Podľa vlastností materiálov, zemín, sa volí aj technológia stavby cestného telesa.
Pevnosť zemín a hornín potrebujeme poznať kvôli stabilite svahov, výpočtu zemných tlakov, stanoveniu dovoleného namáhania podložia atď. Najmä šmyková pevnosť môže spôsobiť deštrukciu zemného telesa.

V cestnom staviteľstve sa na stanovenie pevnosti zemín najčastejšie používa skúška CBR [1]. Určuje sa ňou odpor zeminy proti vniknutiu skúšobného tŕňa. Pre podložie cestného telesa sú vhodné zeminy, ktorých hodnota CBR je 7 a viac.

Do úvahy treba brať aj deformačné charakteristiky zemín v podloží, ktoré sa správajú ako pružné látky. Pri väčšom pomernom pretvorení sa v zemine uplatňujú väzko-pružné alebo pružne-väzko-plastické vlastnosti. Sú charakterizované modulom pružnosti. Deformačné vlastnosti podložia sa stanovujú výpočtom s použitím rovníc Boussinesqua pre pružný polpriestor. Na výpočet je potrebné poznať priehyb podložia zo zaťažovacích skúšok, veľkosť Poissonovho čísla, predpokladaný dotykový tlak a parametre zaťažovacej plochy.

Tvar zemného telesa
Tvar zemného telesa je daný jeho stabilitou a posudzuje sa podľa stupňa bezpečnosti. Tento sa definuje ako pomer síl alebo momentov, ktoré zabraňujú šmyku k silám, ktoré šmyk spôsobujú. Minimálne stupne bezpečnosti pre zárezy požadované pri riešení stability klasickou metódou bez vplyvu bočných síl sú takéto:

• zárez v súdržných zeminách pri uvažovaní vrcholovej šmykovej pevnosti – 1,50;
• zárez v nesúdržných zeminách – 1,20;
• zosunutý svah po sanácii pri použití reziduálnej šmykovej pevnosti – 1,10;
• skalný zárez pri predpoklade zosúvania pozdĺž rovinných plôch.

Reziduálne šmykové parametre sa používajú pri starých, opakovaných zosuvoch, pri výskyte porúch alebo iných odôvodnených prípadoch. Keď ide o špecifický prípad, je potrebné stanoviť stupeň bezpečnosti individuálne. Ak ustanovenia STN 73 6133 a STN 73 3050, alebo geologické pomery lokality nestanovujú inak, sklony svahov zárezu možno navrhnúť jednotne:

• do 2,00 m vrátane – 1 : 2,00;
• od 2,00 m do 6,00 m vrátane – 1 : 1,75.

Sklony vyšších zárezov treba preukázať výpočtom stability. Iné sklonové pomery sú v skalných zárezoch.

Pri návrhu násypov je dôležité stanoviť na základe výsledkov geologického prieskumu únosnosť podložia a jeho sadanie. Nesmieme zabúdať ani na vplyv a ochranu proti účinkom vody. Požadované minimálne stupne bezpečnosti svahov násypov sú takéto:

• násyp zo súdržnej zeminy na únosnom podloží – 1,30;
• násyp z nesúdržnej zeminy na únosnom podloží – 1,20;
• násyp na málo únosnom podloží po ukončení konsolidácie pri uvažovaní efektívnych parametrov šmykovej pevnosti – 1,30.

Málo únosné je také podložie, ktoré svojimi vlastnosťami ovplyvňuje tvar násypového telesa.
V priaznivých podmienkach sa násypové svahy navrhujú odstupňované podľa výšky násypu:

• v pásme do 3,00 m – 1:2,50;
• v pásme od 3,00 m do 6,00 m:
  • s výškou násypu do 6,00 m – 1:1,50;
  • s výškou násypu nad 6,00 m – 1:1,75;
• v pásme nad 6,00 m – 1: 1,50.

Použitie tvarov zemného telesa s uvedenými sklonmi je možné len v ideálnych podmienkach, ku ktorým sa ale v súčasnosti pri stavbe ciest len ťažko dopracujeme. Najčastejšie nám v tom bránia kvalitatívne parametre podložia, terénne podmienky, ale aj veľký záber pôdy. Trasy cesty sa vedú v podmienkach, kde nie je šanca vyhnúť sa územiam v súkromnom vlastníctve či chráneným krajinným územiam. V takýchto prípadoch využívame geosyntetické materiály a možnosť realizácie strmých svahov či iné technické vymoženosti na zmenšenie záberu pôdy, ale zároveň na vytvorenie estetického a technicky vysoko hodnotného diela.

Vystužené zemné teleso
Vystužovanie zemných telies je v poslednom období často využívaným prvokom pri návrhu a realizovaní cestných komunikácií, ale aj iných dopravných stavieb. Vystužovanie nám umožňuje znížiť spotrebu klasického stavebného materiálu a zúžiť záber poľnohospodárskej a lesnej pôdy. Týmto spôsobom sa dá navrhnúť hospodárnejší projekt. Použitie geosyntetických prvkov zároveň umožňuje predĺžiť čas výstavby aj počas zimného obdobia.

Zeminy používané do zemného telesa sú najčastejšie tvorené jednotlivými zrnami pôsobiacimi samostatne, preto je ich ťahová pevnosť skoro nulová. Použitie geosyntetických alebo iných výstužných prvkov tento nedostatok odstráni. Preberajú na seba ťahové napätia, ktoré zemina nedokáže preniesť.

Výstužný prvok v zemine zvyšuje aj bočné napätia (confinement effect), pri pôsobení zvislého napätia nedovolí roztlačenie zeminy do strán, nakoľko dochádza k treniu zeminy o výstuž. Zvýšené hodnoty bočného napätia zároveň znamenajú zvýšený šmykový odpor, čo má priaznivý účinok na stabilitu a sadanie zemného telesa s výstužnými prvkami.

Geosyntetické výstužné prvky majú rôzne tvary, rozličnú kvalitu a sú od rôznych výrobcov. Ich použitie je ovplyvnené požiadavkou na výsledný efekt a požadovanú kvalitu zemného telesa.

Keď je zemné teleso vytvárané sendvičovým spôsobom alebo po vrstvách, geosyntetická výstuž sa umiestňuje medzi jeho jednotlivé vrstvy (obr. 2). Ak sa na vystuženie používa materiál s rôznou pevnosťou v oboch smeroch, v smere pôsobenia hlavného vodorovného napätia sa použije materiál s vyššou pevnosťou. Do násypových telies cestných komunikácií teda výstuž ukladáme kolmo na os komunikácie. To isté platí aj pri zemnom telese železničných stavieb. Ukladanie výstužných prvkov rovnobežne s osou komunikácie sa realizuje v prípade, keď potrebujeme vystužiť podložie zemného telesa, a keď ­chceme zabrániť jeho sadaniu alebo prepadu. Takto sa snažíme dosiahnuť čo najväčšiu kotevnú dĺžku.

Možnosť použitia vystužených zemín závisí od terénnych a klimatických podmienok výskytu zemného telesa. Vystuženie umožňuje vytvoriť zemné teleso štíhlejšieho tvaru s dodržaním všetkých požadovaných kvalitatívnych parametrov. Umožňuje úsporu materiálu do zemného telesa a do veľkej miery aj využitie menej vhodných materiálov, miestnych materiálov a opätovne použitých stavebných materiálov aj z iných oblastí stavebníctva a priemyslu (obr. 3).

V nepriaznivých geologických podmienkach, kde únosnosť podložia nedosahuje požadované parametre, sa na zlepšenie jeho kvality používa geodoska. Ide o prvok vytvorený z tuhej viacosovej geomreže a kamennej výplne frakcie 16 – 63 mm so zaklinením horného povrchu frakcie 4 – 8 mm. Geodoska môže byť vytvorená ako jednovrstvová alebo viacvrstvová. Slúži ako tuhá doska zabezpečujúca prenos a roznos stáleho a náhodného zaťaženia rovnomerne na celú plochu (obr. 4).

Hrúbka jednovrstvovej geodosky je 30 cm a viacvrstvovej násobok tejto hodnoty. Geodoska sa môže uplatniť aj v miestach s vysokou hladinou spodnej vody (obr. 5).

Ochrana svahov zemného telesa
Svahy zemného telesa sú po výslednej úprave tvaru zemného telesa obnažené, nie sú chránené pred eróziou, povrchovými a podpovrchovými vodami, ani pred mechanickým poškodením. Na ochranu a zabezpečenie svahov môžeme použiť prírodné prostriedky, objekty a umelé prostriedky. Jedným z vhodných prostriedkov sú geosyntetické materiály. Pomocou nich môžeme vytvoriť svahy v klasických sklonoch, kedy geo­syntetika slúži na počiatočnú ochranu svahu, kým sa uchytí vegetácia (obr. 6). Môžeme použiť rôzne typy agrofólií, fólií kombinovaných s prírodnými materiálmi napomáhajúcimi zakoreneniu vegetácie (obr. 7).

Iný spôsob využitia geosyntetiky je pri vytváraní strmých svahov. Tieto sa používajú najmä na zníženie záberu pôdy pri stavbe zemného telesa, v nepriaznivých terénnych podmienkach alebo z iného závažného dôvodu. Strmé svahy môžeme stavať až do sklonu 70° od vodorovnej roviny. Povrchová úprava je možná geosyntetickými materiálmi, obkladovými kamennými prvkami, ktoré v teréne tvoria prirodzený prechod medzi okolitým prostredím a cestným telesom, alebo vhodnou kombináciou uvedených prvkov (obr. 8).

V nepriaznivých terénnych podmienkach je potrebné ochrániť svahy zárezu pred účinkami spodnej vody. V takýchto prípadoch sa používajú odvodňovacie rebrá vytvorené v pravidelných intervaloch. Rebrá sú vyhĺbené ryhy do nestabilného svahu vyplnené kamenitým nesúdržným materiálom, obaleným do geosyntetického materiálu a povrchovo upravené vegetáciou do požadovaného tvaru. Keď tento spôsob ochrany nepostačuje, navrhujú sa zárubné múry vytvárané rôznymi technológiami. V nepriaznivých klimatických a terénnych podmienkach sa používajú objekty, ktoré sa dajú realizovať s minimalizáciou mokrých procesov a hlavne využitím nehmotných prvkov – vystužením.

Násypové teleso a svahy násypového telesa môžeme realizovať presne takým istým spôsobom. Môžeme použiť strmé svahy vystužené len geosyntetickými prvkami, geosyntetickými prvkami s použitým oceľových sietí a výstuh, geosyntetickými prvkami zabudovanými do lícnych betónových prefabrikátov a pokračujúcou výstužou (obr. 9).
 
Záver
Využitie vystuženého cestného telesa a ochranu svahov si vyžiadala súčasná doba. Je to podmienené technickým rozvojom materiálovej, ale aj technickej základne dodávateľov stavebných prác a výrobou materiálov napomáhajúcich k tvorbe takýchto objektov.

doc. Ing. Katarína Bačová, PhD., Stavebná fakulta STU, Bratislava

Literatúra
[1] Firemné podklady Tensar international.
[2] STN 73 6101 Projektovanie ciest a diaľnic, platnosť od 1. 6. 2008.

Článok bol uverejnený v knižnej publikácii Stavebnícka ročenka 2009.