W 2010 roku został przeprowadzony remont drogi II/405 Juhlava-Trebic na odcinku Priseka i Brtnice. Część drogi została zbudowana na bardzo słabych, nienośnych gruntach. Odcinek drogi przebiegał na wysokim nasypie, gdzie jego wysokość sięgała od 2 m do 4 m.
Wysokość nowo zaprojektowanego nasypu wynosiła 6,5 m, z tego powodu, w nasypie spodziewano się problemów związanych z niejednorodnymi osiadaniami skarpy a potem z pojawiającymi się strukturalnymi zmianami w geometrii obiektu. Ze względu na ograniczony czas zamknięcia drogi, był kładziony duży nacisk na szybki postęp prac i wykonywanie prac zgodnie z hormonogramem.
GEOLOGICZNE WARUNKI LOKALNE
Według badań inżyniersko – geologicznych, warunki były ocenione jako bardzo skomplikowane. Stara, nasypowa skarpa była wykonana z słabych, przepuszczalnych gruntów składających się z iłów, które miały konsystencję od miękkoplastycznej do twardoplastycznej. Ze względu na projektowe zmiany wysokości niwelety (aż o 4 m) wykonano wyraźne rozszerzenie podstawy nasypu, która częściowo ingerowała w osady czwartorzędowe.
Prawą stronę nasypu tworzyły nienośne warstwy składające się głównie z morskich sedymentów, zaś po lewej stronie występowały głównie błotniste osady, które zostały zdeponowane głębiej w istniejącym terenie i znajdowały się poniżej poziomu pierwotnego nasypu.
HYDROGEOLOGICZNE WARUNKI LOKALNE
Hydrogeologiczne pomiary wykonywane były biorąc pod uwagę występowanie w przeszłości na tych terenach stawu. Poziom podziemnej wody w tym przypadku zależy głównie od litologicznego charakteru osadów rzeki i występuje ona w kilku wysokościach. Ze względu na występowanie stawu na tym terenie, podłoże jest bardzo zróżnicowane pod względem konsystencji, od zwartej aż do płynnej.
WYBÓR PRAWIDŁOWEGO ROZWIĄZANIA
Problematyka fundamentów w tym przypadku nie była z projektowego punktu widzenia jednorodna. Ponadto, wybrana technologia powinna być szybka w wykonaniu z powodu niedalekiego terminu końca realizacji, który następował po dwóch miesiącach od rozpoczęcia budowy.
Z punktu widzenia projektanta, jedyne możliwe rozwiązanie spełniające oczekiwania, stosowane w bardzo trudnych warunkach jest wymiana nienośnych gruntów na grunt o dobrych geotechnicznych parametrach.
Rozwiązanie to byłoby natomiast bardzo trudne do wykonania, głównie ze względu na bardzo krótki czas realizacji, duży zakres prac gruntowych, odwodnienie konstrukcji oraz zabezpieczenie wykopu (głębokość nienośnych gleb sięgała nawet 6 m). Z tych względów rozwiązanie to było nie do zaakceptowania.
Można było również rozważyć projektowanie za pomocą wielu konwencjonalnych technologii, niestety, byłyby one nieodpowiednie lub warunkowo odpowiednie i/lub trudne do wdrożenia lub drogie finansowo.
Alternatywnym rozwiązaniem jest (po usunięciu wodnych naleciałości) wykonanie gruntowej „deski” z użyciem stabilizacyjnych geosyntetyków.
W zależności od jakości podłoża, dopuszczalnej wartości osiadania oraz kosztów, można użyć jednego z trzech rozwiązań:
- trójosiowa geokratowa struktura Tensar, która zapewnia równomierne osiadanie oraz redukuje maksymalne deformacje o około 50 % w porównaniu do klasycznych sposobów
- powierzchniowa poduszka z warstwą żwirową wzmocniona stabilizacyjnymi geosiatkami, które zapewniają równomierne osiadania, ale również nie zwiększają rozmiarów konstrukcji (jej wysokości)
- powierzchniowa platforma LTP (Load Transfer Platform), która łączy wzmacniającą warstwę tzw. „poduszkę” i głębokie fundamenty (pale), co zapewnia zmniejszenie osiadań do minimum
Ze względu na typ konstrukcji oraz na złe warunki w fundamencie zdecydowano się na technologię składającą się z geokratowych struktur Tensar, których używa się w przypadku nienośnego podłoża.
Jest to trójwymiarowa struktura geokratowa, która w połączeniu z stabilizacyjnymi geosyntetykami tworzy warstwę o bardzo dużej sztywności. Z punktu widzenia układu przestrzennego geokrat rozpoznajemy dwie struktury, „Chevron” oraz „Diamond”, gdzie ta ostatnia jest sztywniejszą odmianą tej pierwszej.
Tak wykonana struktura zapewnia stabilny nasyp, który eliminuje nierównomierne osiadanie oraz poziome przesunięcia. Geokratowa struktura zapewnia:
- wytworzenie roboczej powierzchni zapewniającej wygodny dostęp do konstrukcji w celu dalszej budowy
- wytworzenie powierzchniowego drenażu zatrzymującego kapilarne podciąganie oraz oddzielającego ziemię od poziomu wody gruntowej
- zwiększenie stabilności konstrukcji nasypu, obszar ścinania występuje w geokratowej strukturze, co znacznie poprawia stabilność konstrukcji
WZMOCNIENIE NASYPU
W przekroju geologicznym terenu przeznaczonym na inwestycję występowało niedostatecznie nośne podłoże, zastosowano geokraty w miejscach, gdzie nośność gruntu była niezadowalająca. W celu minimalizacji ingenerencji prac ziemnych w nasypie, wykonana została geokratowa struktura zaprojektowana jako warstwa separacyjna po obu stronach nasypu jako dwie oddzielne konstrukcje.
W przekroju poprzecznym, konstrukcja została wykonana na dwóch różnych wysokościach i szerokościach, 10 m i 12 m. W celu zapewniania całkowitej sztywności nasypu i wzajemnej interakcji poszczególnych elementów konstrukcji, została ona jeszcze wzmocniona dwoma warstwami geosiatek.
Pierwsze wzmocnienie polegało na wzajemnym połączeniu oddzielnych geokratowych struktur za pomocą sztywnych, monolitycznych geosiatek Tensar RE, które zostały zamocowane do geokraty na długości co najmniej 10 m. Taka konstrukcja została umieszczona symetrycznie po obu stronach nasypu w odstępach co 20 m, a następnie połączona na wysokości górnej powierzchni geokraty.
Połączenie obu struktur zostało wykonane również w najniższym miejscu nasypu, gdzie prowadzono wykopy na szerokości 10 m w celu wykonania drenażu. W tym obszarze została wykonana geokratowa struktura w kształcie litery H. W dalszej fazie budowy, cała konstrukcja została powierzchniowo wzmocniona drugą warstwą wzmacniających geosiatek, które znajdowały się w połowie wysokości nasypu.
Opisane powyżej stabilizacyjne i wzmacniające środki, z geotechnicznego punktu widzenia, zapewniły jednorodność obu części nowo wybudowanego nasypu a także ogólną stabilność konstrukcji.
ELEMENTY PROJEKTU GEOKRATOWYCH STRUKTUR
W miękkim podłożu, z powodu rosnącego obciążenia, pole naprężenia przesuwa się w kierunku środka konstrukcji (patrz poniższy rysunek).
W przypadku przekroczenia nośności dochodzi do wytłaczania gruntu poza konstrukcję oraz do utraty jej stabilności. Konstrukcja geokratowych struktur zapobiega temu zjawisku. Zasady projektowania są częściowo opisane w normie BS 8006:2010 Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills.
Ogólnie rzecz biorąc, wymiar struktury zależy od właściwości gruntu i podłoża oraz od typu zasypowego materiału. Wysokość geokraty wynosi najczęściej 1 m. Odstępy głównych ścian nośnych zależą przede wszystkim od parametrów gruntu zasypowego (kąta tarcia wewnętrznego).
W projekcie nasypu został uwzględniony żwir o frakcji 32/63 mm, który umożliwił wykonanie głównych, nośnych ścian w odstępach co 1 m. Do określenia wymiarów poszczególnych elementów struktury należy wziąć pod uwagę nośność gruntu oraz jego maksymalne poziome naprężenie działające na geokraty.
Analiza osiadań
Niezbędną częścią projektu była również analiza osiadań. Obliczenia zostały przeprowadzone metodą skończonych elementów przy użyciu oprogramowania PLAXIS, gdzie osiągnięto maksymalne osiadanie nasypu w granicy 12-16 cm, a po wykonaniu konstrukcji - osiadania zostały zredukowane do około 70% całkowitego osiadania konstrukcji (około 10 cm).
Realizacja geokratowej struktury
Budowa geokratowej struktury została prowadzona w następujących krokach:
- ułożenie separacyjnej geowłókniny Geomatex NTB
- ułożenie stabilizacyjnej, trójosiowej geosiatki Tensar TriAx
- wykonanie podłużnych ścian z jednoosiowej geosiatki Tensar RE, ich zamocowanie i naprężenie w pozycji pionowej
- stężenie poprzecznych ścian jednoosiową geosiatką Tensar RE
- wykonanie częściowego zasypu żwirem o frakcji 32/63 mm
MONITORING
Podczas budowy w miejscu drenażowego żebra został osadzony miernik, który miał za zadanie monitorować konsolidację oraz ciśnienie porowe w zbiorniku. Pomiary były prowadzone w kilku etapach, osiadanie zostało mierzone za pomocą metody hydrostatycznej niwelacji w profilu o długości 47 m, z częściwoym mierzeniem porowego ciśnienia na wysokości 1.5 m poniżej podstawy nasypu.
Zmierzona maksymalna wartość pierwotnego osiadania wynosiła około 5 cm, przy znacznym zmniejszeniu jego prędkości od października 2010 roku. Obserwowano również wzrost ciśnienia porowego, które trwało od początku maja do początku września 2010 (max. wzrost 7-10 kPa), od tamtej pory ciśnienie porowe systematycznie się zmniejsza.
PODSUMOWANIE
Geokratowa struktura była użyta już przy remoncie kolejowego nasypu w Holubicach. Projekt i realizacja rekonstrukcji drogi II / 405 opierały się na doświadczeniach z wcześniejszych realizacji oraz z zagranicznych wdrożeń, gdzie technologia ta jest wykorzystywana znacznie częściej między innymi dzięki nowoczesnemu podejściu do rozwiązywania konkretnych problemów.
Wyniki pomiarów pokazują, że geokratowa struktura Tensar redukuje wielkość deformacji nasypu o około połowę. Umożliwia to wykonanie nasypu na nienośnych gruntach, których nie można było zastąpić poprzez wymianę gruntu, a inne metody nie były z różnych powodów odpowiednie.
Pod nasypem został wykonany powierzchniowy drenaż, który zwiększa stabilność całej konstrukcji oraz nie wpływa na hydrogeologiczne parametry lokalne umożliwiając bezproblemowe funkcjonowanie całej konstrukcji.