Zabezpečenie stability stien výkopov

Vďaka súdržnosti jemnozrnných zemín (hlinité, ílovité) a začiatočnej pevnosti hrubozrnných zemín (štrkovité, piesočnaté) sa steny výkopov udržia na určitú výšku zvislé (obr. 1a). Konkrétna výška závisí najmä od vlastností zemín. Môžu ju však nepriaznivo ovplyvňovať voda, seizmické účinky a blízke zaťaženia. Preto sa výška nepažených zvislých stien výkopov väčšia ako 1,1 až 1,3 m nepripúšťa, aby nebolo ohrozené zdravie a životy ľudí.

Väčšie hĺbky výkopov sa dajú dosiahnuť vhodným sklonom svahov, čo si však vyžaduje dostatok voľného priestoru v okolí jám alebo rýh (obr. 1b).

V hrubozrnných zeminách musí byť sklon svahu menší ako uhol vnútorného trenia; vplyvom vztlaku a hydrodynamických účinkov pod hladinou podzemnej vody sa sklon svahu zmenšuje o polovicu. Uhol vnútorného trenia a začiatočná pevnosť sú hlavnými charakteristikami pevnosti hrubozrnných zemín, určujú sa šmykovými skúškami. Svahy v hrubozrnných zeminách porušujú pevné častice, ktoré sa zosúvajú do jamy po povrchu výkopu.

V jemnozrnných zeminách treba zohľadniť objemovú tiaž zeminy, uhol vnútorného trenia, súdržnosť, hĺbku výkopu i zaťaženia pôsobiace v blízkosti svahu. V literatúre, napríklad P. Turček, J. Hulla (2004), sú grafické pomôcky, ktoré umožňujú navrhnúť stabilný sklon svahu pre bežné prípady. Pri zložitejších úlohách treba posúdiť stabilitu navrhnutého svahu. Svahy v jemnozrnných zeminách sa porušujú zosúvaním celých blokov po šmykových plochách, ktoré prechádzajú cez pätu svahu alebo pod ňou.

V každom prípade sa svahy výkopov môžu dostať do rovnovážneho stavu aj v prípade, že nie sú správne navrhnuté. Vtedy sa však zmenšuje plocha dna jamy alebo ryhy, čo je neprijateľné. Okrem toho sú v takéto jamy ohrozujú ohrození ľudí.

Pri nedostatku voľného priestoru v okolí jamy alebo ryhy je potrebné hlbšie výkopy pažiť, v prípade vysokej hladine podzemnej vody aj tesniť.

Pri hĺbkach 5 až 6 m sa používajú železobetónové alebo oceľové steny; ich stabilitu zabezpečuje vhodná hĺbka votknutia pod dnom jamy (obr. 2a).

Pri hĺbkach 6 až 8 m sa používajú steny stabilizované v jednej úrovni rozperami alebo kotvami; aj v takýchto prípadoch je pre stabilitu steny dôležitá jej hĺbka votknutia pod dnom jamy (obr. 2b).

Pri hĺbkach väčších ako 8 m treba železobetónové alebo oceľové steny rozopierať alebo kotviť vo viacerých úrovniach (obr. 2c). Hĺbkou steny pod dnom jamy sa zabezpečuje vnútorná stabilita systému alebo ochrana jamy pred prítokom podzemnej vody.

Pri navrhovaní jednotlivých prvkov pažiacich konštrukcií treba rešpektovať vlastnosti zemín i zaťaženia pôsobiace v blízkosti výkopov.

Na obr. 3 je paženie vhodné pre úzke ryhy vodovodných alebo kanalizačných potrubí s inventárnymi rozperami. Jeho hĺbka sa dá nastavovať podľa konkrétnych potrieb.

Na obr. 4 (titulný obr.) je stavebná jama pre podzemné garáže pred hotelom Carlton v Bratislave. Stabilita strmého svahu v jej hornej časti bola zabezpečená klincami, oceľovou sieťou a striekaným betónom. Hlbšie sa použili železobetónové prefabrikované podzemné steny s vystuženými medzerami zo samotvrdnúcej suspenzie. Prefabrikáty boli v hornej časti stabilizované tyčovými kotvami, v dolnej časti sa časť kotiev na žiadosť belgického investora nahradila oceľovými rozperami. Steny boli zaviazané do nepriepustného ílovitého podkladu pomocou samotvrdnúcej suspenzie. Jama sa nachádza v bezprostrednej blízkosti Dunaja; počas povodní je stabilita ľahkej podzemnej garáže zabezpečená proti vztlaku ťažkou základovou doskou a možnosťou zníženia vztlaku z tesneného priestoru medzi základovou doskou a povrchom ílovitého podkladu vŕtanými studňami.

Vplyv vody sa v hrubozrnných zeminách neprejavuje zmenšením pevnosti, ale treba uvažovať zmenšenú objemovú tiaž zeminy vztlakom.

V jemnozrnných zeminách sa okrem pôsobenia vztlaku významne prejavuje aj zmenšenie parametrov šmykovej pevnosti.

Pažiace konštrukcie musia mať aj tesniaci účinok a okrem zhoršenej pevnosti treba pri ich dimenzovaní počítať aj s tlakom vody.

Veľkú pozornosť si zasluhujú stavebné jamy v jemnozrnných zeminách, ak sú pod nimi štrkovité zeminy, v ktorých prúdi voda s napätou hladinou. Pri hĺbení jamy sa zmenšuje hrúbka a tiaž jemnozrnnej zeminy pod jej dnom. Keď vztlak vody na jemnozrnnú zeminu zospodu bude väčší ako zvislý tlak jemnozrnnej zeminy, tenká vrstva jemnozrnnej sa prelomí a objekt už ťažko bude možné založiť na tomto mieste. Ak by takéto nebezpečenstvo hrozilo, bolo by treba znížiť vztlak pomocou hĺbkového odvodnenia štrkovitej vrstvy.

Vplyvom seizmických účinkov sa zväčšujú tlaky zemín na aktívnej strane pažiacich konštrukcií a zmenšujú tlaky zemín na ich pasívnej strane. K statickým tlakom vody pribúdajú aj dynamické zložky. Intenzita seizmických účinkov závisí od geografických oblastí, pre ktoré sú dané seizmické zrýchlenia alebo inak definované účinky zemetrasení.

Na obr. 5 sú znázornené informatívne závislosti ohybových momentov pre železobetónovú podzemnú stenu, kotvenú v jednej úrovni, ktorá v štrkovitej zemine paží suchú stavebnú jamu s hĺbkou 8 m.

Obr. 5 Vplyv seizmických účinkov na ohybové momenty v kotvenej pažiacej stene v Bratislave (BA) a v Komárne (KN) s rôznymi výpočtami

Najmenšie hodnoty sa získavajú pri statických podmienkach. Nepatrne zväčšené ohybové momenty dostaneme pre zemetrasenie 7° MSK-64, ktoré sa môže vyskytnúť v Bratislave (na obr. 5 ako seizm. BA). Podstatne väčšie hodnoty dostávame v prípade takejto stavebnej jamy v Komárne, kde sa môže vyskytnúť zemetrasenie 9° MSK-64; výsledky výpočtov na obr. 5 sa získali na základe seizmických súčiniteľov aktívneho tlaku a pasívneho odporu podľa B. I. Dalmatova (1981), pretože STN 73 0036 Seizmické zaťaženia stavebných konštrukcií takéto súčinitele neuvádzala (na obr. 5 ako seizm. KN-Dal.). Nová Európska norma Eurokód 8, STN EN 1998-1, resp. STN 73 0036 (nová) Navrhovanie konštrukcií na seizmickú odolnosť z augusta 2005 a jej časť EN 1998-5 Základy, pažiace konštrukcie a geotechnické aspekty uvádza definície súčiniteľov, ktoré vedú pre podmienky Komárna k extrémnym hodnotám ohybových momentov (na obr. 5 ako seizm. KN-EC). Pre takéto intenzívne seizmické účinky by bolo potrebné použiť v Komárne pažiacu stenu s dvoma radmi kotiev.

Stavebné jamy bývajú otvorené pomerne krátky čas, podstatne kratší, ako je reálna životnosť stavebných konštrukcií. Výskyt intenzívneho zemetrasenia s ničivými dôsledkami na stavebné konštrukcie ohrozujúce životy a zdravie ľudí však nemožno vylúčiť ani v takýchto prípadoch.
 

Existujúce poznatky i technologické prostriedky stavebných firiem vytvárajú podmienky na realizáciu bezpečných výkopov stavebných jám, rýh i zárezov. Zvislé steny nepažených výkopov majú obmedzené možnosti len pre malé hĺbky. Stabilnými sklonmi svahov a spoľahlivými pažiacimi konštrukciami však možno vytvárať aj hlboké výkopy.

Prvoradé zostáva zdravie ľudí a minimalizácia prípadných škôd na rozostavaných podzemných častiach objektov. Pritom je potrebné zohľadniť aj nepriaznivé vplyvy blízkych zaťažení, intenzívnych zrážok, povodňových stavov i seizmických účinkov.