GRADNJA VKOPOV Gradnja vkopov je eden najbolj tveganih gradbenih posegov, saj vkop pomeni zavestno spremembo geometrije prostora v manj varno stanje. Ker je natančna struktura tal in lastnosti slojev, predvsem kontaktov med sloji, težko ugotovljiva s preiskavami, pri gradnji vkopov lahko pride do neljubih presenečenj. Vkop je gradbeni objekt z različnimi fazami: raziskave tal v celotnem vplivnem območju vkopa načrtovanje, izvajanje, kontrola kvalitete izvedenih del, uporaba, tehnično opazovanje (monitoring), vzdrževanje. Primerjava z nasipom: vkop je v celoti grajen v pogojih, ki jih narekuje geološka zgradba prostora, nasip je kontrolirano grajen iz izbranega materiala na temeljnih tleh, kakršna so na lokaciji. Alternativa pri vkopih globine (okvirno) 15 do 50 m globine je gradnja predora. Vkop Cenejši praviloma hitreje dokončan veliko izkopnega materiala velik poseg v prostor za vožnjo prijeten Predor dražji počasna izvedba malo izkopnega materiala okolju bolj prijazen za vožnjo manj prijazen 1
NAČRTOVANJE VKOPOV Nujne kvalitetne raziskave. Ugotoviti je potrebno: zgradbo tal, predvsem so pomembna menjavanja prepustnih in manj prepustnih slojev in kontakti med njimi, usmerjenost plastovitosti in razpok v hribinah, režim podtalnice in prepustnost posameznih slojev, strižne karakteristike in prostorninsko težo zemljin in hribin, občutljivost materialov na atmosferske vplive in razbremenitev. Tipične raziskave za gradnjo vkopov: inženirsko geološko kartiranje, sondažna dela s terenskimi preiskavami karakteristik tal, geofizikalne meritve, laboratorijske preiskave. Kaj spremenimo z gradnjo vkopa? Geometrijo terena (nove brežine so strmejše od prvotnih). Vkop pomeni odstranitev materiala in s tem podpore za preostali material poslabšanje statičnih razmer. Tok podtalnice. Materiali na vkopnih brežinah so bili pred izkopom skriti globoko pod površjem, nenadoma pa so izpostavljeni velikim razbremenitvam in atmosferskim vplivom: padavinam, zmrzali, eroziji, kar vse pospešuje preperevanje materiala in s tem spreminjanje njegovih mehanskih lastnosti. 2
Projektni kriteriji Pri načrtovanju vkopov moramo misliti na naslednje dejavnike: 1. stabilnost vkopnih brežin, 2. vpliv vkopa na bližnjo okolico (stabilnost bližnjih področij, posledice spremembe režima podtalnice na posedke objektov ali presahnitev vodnih virov,...), 3. vpliv okolice na vkop (stabilnost obstoječega terena, seizmičnost terena, prisotnost vod,...) 4. vzdrževanje vkopnih brežin, 5. vpliv vetrov (snežni zameti ali peščeni nanosi, erozija), 6. izgled vkopa in vklapljanje v okolico, 7. ekonomiko. Stabilnost vkopa je primarna naloga projektanta. Nanjo vplivajo: materialne karakteristike hribin in zemljin (predvsem strižne karakteristike, prostorninska teža ter posredno prepustnost), lega in lastnosti stikov med posameznimi sloji, geološka zgodovina prostora (morebitna prisotnost»fosilnih«plazov) smer in vpad plasti oziroma razpok v hribinah, medsebojna oddaljenost razpok, hrapavost njihove površine, odprtost razpok in če so razpoke zapolnjene, še karakteristike materiala v razpokah (trdnost monolitnega vzorca hribine ni merodajna za načrtovanje naklona brežine). Voda je najpogostejši vzrok za nestabilnosti vkopnih brežin. Površinska voda povzroča erozijo. Podtalna voda povzroča strujne sile in zmanjšuje efektivne tlake ter lahko povzroča notranjo erozijo slabše vezane hribinske mase. razpoka H=4m c>100kpa u bloki peščenjaka trden siv lapor 3
ANALIZE STABILNOSTI r R r = r N r + T r N = A σ da r T = τ da A τ = c ' +σ ' tanϕ' τ u = cu F τ = τ m < 1 = 1 > 1 4
MEJNI NAKLON BREŽINE V HOMOGENIH TLEH BREZ VODE Nekoherentna tla Koherentna tla W 2 = 1 γh (ctgϑ ctg β ) 2 T ϕ = N tgϕ Ravnovesna pogoja: N = 0 : N W cosϑ = 0 T ϕ c = 0 : T + T W sinϑ = 0 5
Iz pogoja, da je vsota sil na drsini minimalna: F ϕ c = T + T W sin ϑ = min. sledi naklon kritične drsine: ϕ + β ϑ = 2 Mejna višina vkopa v homogenem koherentnem sloju je: h mej 2 = c γ sin β cosϕ 2 β ϕ sin 2 Vertikalne brežine (n.pr. jarki) so na meji stabilnosti pri višini: h mej ( β = 90 ) = 4c π ϕ ctg γ 4 2 oziroma pri dani višini h, če znaša kohezija vsaj: c potr ( β = 90 ) γh π ϕ = tg 4 4 2 UGOTOVI! V geotehničnih pogojih za gradnjo vkopa je zapisano, da se sme (mora) izkop izvajati v nagibu največ 1:1,5. Pri delu pride do slučaja, da je treba vkop pomembno poglobiti. Kako boš ukrepal (boš nadaljeval z vkopom v istem naklonu do večje globine ali boš naklon spremenil), če izvajaš vkop: a) v koherentni zemljini b) v nekoherentni zemljini? 6
PRIMERJAVA TRAJNIH IN ZAČASNIH VKOPOV Začasni vkopi (stabilnost takoj po izgradnji) Takoj po izgradnji vkopa je stanje najbolj ugodno na račun zmanjšanja pornih tlakov v tleh, ki so lahko sprva celo negativni (površinska napetost med zrnci zemljine, ki se želijo razmakniti zaradi razbremenitve). Začasni vkopi so lahko strmejši. Začasne vkope (»nedrenirano stanje«) analiziramo z upoštevanjem nedrenirane strižne trdnosti. Začasno stanje je v prepustnih zemljinah zelo kratkotrajno, nanj lahko resno računamo le v glinah. Da bi bil učinek čim daljši, je potrebno vkopne brežine zaščititi pred padavinami. Trajni vkopi (stabilnost po daljšem času) Po začetnih ugodnih vplivih se porni tlaki povečajo, material zato izgubi nekaj prvotne trdnosti. Na površini lahko začenja material pod vplivom atmosferskih dejavnikov preperevati, kar dodatno slabša mehanske lastnosti. Končno stanje je v prepustnih zemljinah doseženo hitro, v manj prepustnih pa lahko šele v več letih. Trajne vkope analiziramo z upoštevanjem drenirane strižne trdnosti. 7
TEHNIČNE MOŽNOSTI ZA VAROVANJE IN OBLIKOVANJE VKOPOV: prost vkop brez dodatnih ukrepov v primernem naklonu, po potrebi z vmesnimi bermami, vegetativna zaščita brežin za protierozijsko zaščito in kot ojačitev površinskega sloja, ki je podvržen preperevanju, zaščita brežin z žičnimi mrežami za zadrževanje odkrušenega materiala, po potrebi tudi odmik brežine od prometnice (prostor za zbiranje odkrušenega materiala), izdelava prečnih kamnitih reber za ojačitev brežin in znižanje podtalnice, varovanje brežin s pasivnimi sidri, neugodne vplive relaksacije in preperevanja brežin lahko omilimo z roliranjem brežin, kamnito oblogo pa lahko prekrijemo s humusom in ozelenimo, različni drenažni sistemi za kontrolo podtalnice, izgradnja podpornih konstrukcij, po potrebi sidranih, preostali del vkopa je lahko v blažjem naklonu, poljubne kombinacije naštetih ukrepov. Pasivna sidra (soil nailing) Varovanje vkopne brežine s pasivnimi sidri. Pasivna sidra se štejejo za sistematičen ukrep, če so vgrajena vsaj z gostoto 1 sidro/6m 2. 8
Pasivna sidra v stabilnostni analizi (upošteva se manjšo od sil: F in mejna nosilnost sidra) IBO sidra Najpreprostejše pasivno sidro je rebrasta armaturna palica, vtisnjena v predhodno izvrtano in z injekcijsko maso zapolnjeno vrtino. Razvita so raznovrstna sidra za različne razmere: Ko vrtina ni stabilna (se ruši), uporabljamo sidra, ki imajo lastno vrtalno krono in so votla, da omogočajo naknadno injektiranje (n.pr. IBO sidra). Ko potrebujemo takojšen učinek (pretežno v suhih kamninah), lahko uporabimo Swellex sidra (sidra iz tanjše pločevine, ki se po vstavitvi s tlakom vode napne tako, da ima dober trenjski stik s kamnino.) 9
Običajno zaporedje del pri varovanju vkopne brežine s pasivnimi sidri. Drenažna rebra Z drenažnimi rebri odvajamo vodo iz brežine. S tem preprečujemo erozijsko delovanje talni vodi. Istočasno pomenijo drenažna rebra tudi ojačitev brežine, saj so izdelana iz kamnitega materiala. Lociramo jih lahko sistematično v pravilnih medsebojnih razdaljah ali lokalno na mestih, kjer se na površini pojavi izvir (mokra cona). Levo: kamnita drenažna rebra, desno: kamnita»plomba«s katero je nadomeščen razmočen, delno splazel material. 10
Berme Na višjih vkopih izvajamo berme na 6 do 12 m višine (največkrat na 8 do 10 m). Njihov namen je: vzdrževanje brežine, omogoča zbiranje odkrušenega kamenja, povečanje varnosti (manjši generalni nagib), zmanjšujejo erozijsko moč površinske vode ob močnejših padavinah, zmanjšujejo ogroženost zaradi zdrsov snega. IZVEDBA VKOPOV Izvedba sledi v naslednjih korakih: zakoličba in postavitev profilov, odstranitev in deponiranje humusa, izkop s sprotnim odvodnjevanjem, ureditev trajnega odvodnjevanja, humusiranje in zatravitev ali zasaditev. Glede na uporabljeno mehanizacijo delimo gradnjo vkopov na: strojni izkop (buldozer, bager, buldozer z rijačem, rezkar, bager s pnevmatskim kladivom, transportna sredstva) izkop z miniranjem (pre-splitting) Glede na materiale v vkopih je izkop različno težko izvajati, oziroma so dela različno zahtevna. Zato za potrebe načrtovanja in obračuna del materiale v prostoru vkopa klasificiramo. Pri gradnji cest se uporablja kategorizacija s petimi kategorijami, ki je prikazana s preglednico na naslednji strani. 11
Kate gorija 1 2 3 4 5 Naziv kategorije Plodna zemljina Slabo nosilna zemljina Drobnozrnata (vezljiva) in grobozrnata (nevezljiva) zemljina Mehka kamnina Trdna kamnina Opis materiala Nahaja se na površini terena: humus in ruša, s primesmi gramoza, peska, melja in/ali gline Je v lahkognetni do židki konsistenci, lahko vsebuje organske snovi (šoto, preperine) Nahaja se pod plodno zemljino - v srednje gnetni do trdni konsistenci (zemljine), ali - - v zbitem stanju (pesek, grušč, jalovina) Lapor, fliš, skrilavec, tuf, konglomerat, breča ter razpokani, drobljivi in prepereli peščenjak, dolomit in apnenec Kompaktni dolomit in apnenec ali material z nad 50% kosov Ø>600 mm, ki jih je treba minirati Zrnavost materiala - >15% Ø<0,063mm >15% Ø<0,063mm <15% Ø>0,063mm <30% Ø>63mm Ø<300mm >30% Ø>63mm >30% Ø>300mm Ø<600mm Raščena kamnina Ø>600mm (pretežno) Način izkopa Buldozer Bager Bager, buldozer Buldozer, bager, buldozer z rijačem (občasno) Buldozer z rijačem, bager s konico, rezkanje, miniranje (občasno) Miniranje, rezkanje (izjemoma) Ocena uporabnosti Primerna samo kot osnova za ozelenitve; ni nosilna niti stabilna niti odporna proti eroziji V naravnem stanju ni uporabna V naravnem stanju in ustreznem vremenu uporabna za nasipe; nosilnost in stabilnost sta odvisni od zunanjih vplivov Praviloma dobro nosilns in stabilna; ustrezne zrnavosti je primerna za nasipe in posteljico Ustrezne zrnavosti je zelo dobro nosilna in stabilna ter primerna za nasipe in /ali predelavo 12
Izkop lahko izvajamo kot: čelni odkop, odkop v terasah ali slojih (plasteh). Značilnosti čelnega odkopa: omogočeno je dobro odvodnjevanje, stalna vožnja težke mehanizacije po že dokončanem delu uničuje dno vkopa, zato v slabih materialih odkopljemo sprva 0,5 do 1,0 m manj; ta plast se nato odkoplje ob zaključku izkopnih del, segregacija materiala (slabše za vgradnjo v nasipe), zahtevnejša organizacija zaradi ožjega delovnega prostora. Značilnosti izkopa v plasteh: material odkopavamo v slojih, zato je boljši za vgradnjo v nasipe, večja delovna površina, dobre trasportne poti, potrebna stalna skrb za odvodnjevanje, bolj občutljivo za delo v slabem vremenu (velika površina je razmočena in tak material ni vgradljiv v nasipe), 13
ZAKLJUČNA DELA Zaključna dela niso namenjena le esteskemu videzu vkopa: humuziranje brežin in vegetativna zaščita preprečujeta erozijo in vdor meteornih vod, odvodnjevanje (zbiranje površinskih vod in vod iz izvirov) preprečuje erozijo in razmakanje brežin in varuje konstrukcije v dnu vkopa (vozišče, objekt). TEHNIČNA SPREMLJAVA MED GRADNJO geološka spremljava (kartiranje odkopnih brežin natančna zgradba terena) omogoča morebitne korekcije projekta (točna lokacija drenaž, berm, dodatni ukrepi za stabilizacijo brežin,...), geodetsko opazovanje, inklinometri (opazovanje deformacij verifikacija stabilnosti vkopa) TEHNIČNA SPREMLJAVA MED UPORABO periodični pregledi brežin, vseh drenažnih sistemov omogočajo pravočasno odkrivanje težav, občasno geodetsko opazovanje in meritve z inklinometri opozarjajo na pojave nestabilnosti. 14