Pozemní stavitelství - základové konstrukce «

1. Základové konstrukce

Základové konstrukce přenášejí zatížení z vrchní stavby do základového podloží. Základy musí přenést veškeré zatížení ze stavby na základovou půdu v základové spáře, tj. rovině ve které základ spočívá na základové půdě. Základové konstrukce jsou nedílnou součástí nosných konstrukcí všech typů stavebních objektů. Návrh základové konstrukce vyžaduje znalost základové půdy, její fyzikálně mechanické vlastnosti a reakce na zatížení vrchní stavbou. Při návrhu základových konstrukcí je třeba uvažovat nosné konstrukce objektu, vlastní základové konstrukce a základovou půdu komplexně.

Podle způsobu přenášení zatížení ze stavby do základové půdy rozeznáváme dva konstrukční typy základů:

• Základy plošné
• Základy hlubinné

Při navrhování základových konstrukcí vycházíme z výsledků inženýrsko geologického průzkumu (IGP); dále zohledňujeme konstrukční řešení objektu a jeho význam, technologie provozu v daném objektu, místní stavební podmínky (okolní zástavbu, provoz, komunikace, zakládání na hranici pozemku), zvláštní podmínky pro zakládaní (poddolované území, s organickými zeminami, prosedavé zeminy, sypaný zemní materiál, úložiště odpadu, seismické oblasti, zátopových oblasti). Součástí navrhování základových konstrukcí je způsob a hloubka založení, materiál, ochrana základových konstrukcí, zlepšení podmínek pro zakládání, odvodnění.

Sonda

Inženýrsko geologický průzkum

Rozsah a podrobnost průzkumu staveniště závisí na druhu a velikosti zamýšlené stavby a na složitosti geologických a hydrogeologických poměrů území. Geologický a hydrogeologický průzkum a výsledky tohoto průzkumu jsou důležitým podkladem pro návrh a provádění základových konstrukcí a současně i zemních prací a také pro volbu konstrukčního systému staveb.

Průzkum pro stavební účely rozlišujeme na:

• předběžný průzkum
• podrobný průzkum
• průzkum během výstavby
• průzkum během existence stavby

Předběžný průzkum

Tento průzkum se provádí převážně pro zastavovací (urbanistický) plán a jeho výsledkem je předběžný posudek. Úkolem je zejména určení stability území jako celku a jeho vhodnost pro navrhovanou konstrukci. Podkladem pro vypracování posudků o průzkumu jsou geologické mapy, prohlídka (rekognoskace) staveniště a sondovací práce. Při předběžném průzkumu určujeme alespoň odhadem dovolená namáhání (únosnost) a stlačitelnost základové půdy.

Podrobný průzkum

Upřesňuje předběžný průzkum tak, abychom dostali jasný obraz o geologických poměrech a vlastnostech základové půdy. Vyšetřujeme pevnost, stlačitelnost základové půdy a provádíme výpočet únosnosti a sedání. Současně je třeba stanovit ochranu základové konstrukce proti agresivitě vody. Na základě předchozích poznatků a výpočtu navrhujeme založení, případně stavbu rozčleníme na dilatační celky a navrhujeme postup při zakládání. Současně z hlediska provádění zemních prací stanovujeme zabezpečení stavební jámy (nebo stavební rýhy či stavební šachty) proti účinkům vody a sesouvání.

Průzkum během výstavby

Tento průzkum někdy také nazýváme provozním průzkumem a je nutný v případě realizace rozsáhlé stavby, aby se ověřily poznatky podrobného průzkumu. Je nutný také v případech, narazí-li se při zemních pracích na zeminu jiného složení a jiných vlastností, než bylo zjištěno předchozími průzkumy.

Průzkum během existence stavby

Průzkum se provádí například v případě, pokud se změní dokončení stavby nebo v průběhu následujících let se změní hladina podzemní vody. Dalším příkladem může být změna charakteru budovy, apod.

IGP a sondovací práce

Sondy rozdělujeme na:

1. kopané
2. vrtané

Sonda vrtaná

Kopané sondy:slouží k ohledání inženýrsko geologických poměrů na staveništi. Minimální rozměry kopaných sond jsou 1200x1800 mm, přičemž rozměry se zvětšují při hloubkách větších než 6000 mm nebo při nutnosti čerpání vody.

Vrtané sondy:mají zpravidla průměr 150-300 mm, v zeminách, které neobsahují štěrk může být jejich průměr přibližně 50 mm; v hrubém štěrku jejich průměr bývá větší než 300 mm. V zeminách nesoudržných a nestabilních musí být vrty paženy ocelovými trubními výpažnicemi.

Sondy je vždy důležité zaměřit polohově i výškově. Vycházíme z nivelační sítě a počátek sondy vztáhneme k mořské hladině. Sondy umisťujeme vně budovy, co nejblíže budoucích základů, aby základová půda v místě základů nebyla narušena ani poškozena. Pouze u rozlehlých staveb můžeme vrtané sondy umístit do plochy budoucí základové konstrukce, před vlastním provádění základů však musí být zasypány a zhutněny, event. zabetonovány.

Vzorky zemin při sondování se odebírají z každé odlišné vrstvy, nejméně však z každého metru hloubky sondy. Jejich objem je zpravidla cca 1 dm3. Vzorky se označují, ukládají do vzorkovnic a okamžitě po odběru musí být chráněny před účinky vnějších vlivů (mráz, déšť, vysoké teploty).

Vzorky vody se odebírají do lahví se vzduchotěsným závěrem v množství nejméně 1l. Při odběru se zjišťuje úroveň hladiny podzemní vody při naražení a po ustálení (kolísání hladiny ovlivňuje změny vlastnosti zeminy, např. při zvodnění nebo vysýchání).

Sondovací práce mohou být doplněny dalším geofyzikálním měřením, prováděným v terénu různými metodami, jimiž je možno zjišťovat vlastnosti základové půdy.

Rozmístění a hloubka sond se volí tak, aby bylo možné zakreslit geologický profil území, který poskytne dostatečný obraz o poměrech v podloží stavby do potřebné hloubky. Vzdálenost sond se pohybuje v rozmezí 20 až 50 m, podle členitosti terénu a stavby. Mění-li se značně podloží, vzdálenost sond se zmenšuje. Ve složitějších případech volíme síť sond podle potřeby, např. po 5 m. Hloubka sond se stanovuje podle zatížení konstrukce a podle jejich rozměrů, musí však projít všemi vrstvami základové půdy, na které bude působit přitížení stavbou.

Pro pozemní stavby se sondy provádějí do hloubky 3b, (kde b je šířka základové konstrukce v metrech) pod základovou spáru, min. však do hloubky 6m.

Výsledky průzkumu základové půdy slouží jako podklady pro výběr staveniště a pro posouzení jeho vhodnosti.

Průzkum základové půdy poskytuje podklady pro:

• posouzení vhodnosti staveniště
• zjištění vlastností základové půdy
• zhodnocení vlivu podzemní vody na zakládání
• návrh hloubky založení a způsob založení
• stanovení vlivu nově zakládané stavby na stávající okolní objekty.

Výkres úprav terénu

Výběr staveniště

Při volbě a způsobu založení jsou rozhodující tyto podmínky:

1. konstrukční a stavební řešení objektu a jeho význam
2. výsledky inženýrsko geologického průzkumu
3. zvláštní podmínky daného staveniště
4. technologie provozu v daném objektu

Výběr staveniště

Přihlíží se dále k pozemkům, které leží na zásobách nerostných surovin, k pozemkům zemědělsky hodnotným, k území, které je ohroženo sesouváním nebo se nachází v záplavovém území, v území se zvýšeným rizikem radonu v podloží, území ohroženém důlním metanem, event. území zamořené chemickými látkami nebo průmyslovými odpady.

Podle výhodnosti pro zakládání rozlišujeme tři základní typy staveniště:

1. staveniště vhodné: to je takové staveniště, jehož základová půda je únosná, málo stlačitelná, hladina podzemní vody leží pod úrovni základů a základové poměry neovlivňují celkové uspořádání objektů a návrh její konstrukce;
2. staveniště podmínečně vhodné: základová půda je únosná nebo neúnosná, silně nebo nestejnoměrně stlačitelná a hladina podzemní vody vyžaduje čerpání během výkopů a provedení hydroizolace základů;
3. staveniště nevhodné: únosná půda se nachází ve velkých hloubkách, podzemní voda je agresivní a dosahuje téměř povrchu území, staveniště je ohroženo sesuvem poddolováním, aj.


Základové podmínky

ČSN 73 1001 rozděluje základové poměry staveniště na:

• jednoduché: základová půda v rozsahu celého objektu nemění, jednotlivé vrstvy mají zhruba stálou mocnost a jsou uloženy vodorovně, hladina podzemní vody neovlivňuje koncepční uspořádání objektu a návrh konstrukce objektu;
• složité: základová půda se v rozsahu objektu mění, vrstvy mají proměnlivou mocnost, hladina podzemní vody je zvýšená a ovlivňuje koncepční uspořádání objektu.

Kromě složitosti základových poměrů má na rozsah průzkumu vliv náročnost konstrukcí objektů (nadzákladové konstrukce).

ČSN 73 1001 podle náročnosti rozděluje stavební konstrukce na:

• nenáročné: tyto konstrukce nejsou citlivé na nerovnoměrné sedání, specifickou podskupinu tvoří stavební objekty nízké do dvou nadzemních podlaží (např. objekty zařízení staveniště, rodinné domy, garáže, apod.);
náročné:
• jsou to ostatní konstrukce (např. výškové objekty, konstrukce staticky neurčité, apod.).

Výsledky inženýrsko geologického průzkumu

Rozsah IGP musí být přiměřený typu a významu navrhovaného objektu. Výsledky IGP představují závazný podklad pro stavební objekt, který doporučuje nebo předepisuje způsob založení. Výsledky IGP musí poskytnout veškeré geologické a geotechnické podklady, nedílnou součástí jsou výsledky hydrotechnického průzkumu.

Závěrečná zpráva IGP obsahuje:

• popis geologické stavby a podmínek území,
• výsledky místních prohlídek a vyhodnocení dříve provedených průzkumů,
• rozvržení, provedení a geodetické zaměření sondovacích prací,
• popis polních nebo laboratorních zkoušek základové půdy,
• zhodnocení výsledků sondovacích prací, polních a laboratorních zkoušek ve formě návrhových charakteristik charakteristik základové půdy,
• výsledky hydrogeologického průzkumu, včetně údajů o agresivitě zemního prostředí nebo podzemní vody,
• požadavky a doporučení týkající se způsobu založení, hloubky základové spáry, způsobu otevření stavební jámy, údajů o těžitelnosti zemin a hornin a opatření k zajištění stability území.

Závěrečná zpráva stanoví:

• optimální způsob zakládání objektu v daných základových podmínkách, včetně případného vlivu na návrh nadzákladové konstrukce,
• charakteristiky základové půdy do hloubky možné ztráty únosnosti a účinku přetvoření,
• optimální hloubku základové spáry,
• ochranu základové konstrukce proti účinkům zemního prostředí, event.agresivního prostředí,
• způsob otevření stavební jámy s ohledem na okolní zástavbu,
• opatření pro zajištění stability území,
• způsob založení ve zvláštních podmínkách (např. poddolované území, seizmické vlivy, zátopové oblasti).

Roznášení zatížení v základové půdě

Základová půda tvoří nedílnou součást stavby. Průběh napětí v zemině pod základovou spárou lze přibližně vyjadřujeme izobarami (izobary ukazují na kolik % se zatížení snižuje s hloubkou), tj. křivkami stejného napětí podle vztahu p = P/U (%), kde p je rovnoměrné napětí , P celkové zatížení stavbou a U plocha základové spáry. Prakticky předpokládáme, že zatížení se v základové půdě roznáší pod úhlem 45° až 60°, a že tlaková oblast mizí (účinek zatížení je zanedbatelný) u základových pasů a patek v hloubce rovné cca 2,5 až 3b a u základových desek v hloubce 1,5b.

Rozdělení tlaků pod základovou spárou je však mnohem složitější, protože závisí zejména na vlastnostech zeminy, na její vlhkosti, mocnosti vrstev, na velikosti zatížení, hloubce založení, atd. Tuhost základů je v podstatě poměrem výšky k šířce. Zemina reaguje proti zatížení vztlakem a netuhý (pružný) základ se deformuje a vlivem této deformace rovnoměrné napětí ve skutečnosti nenastává. Výše uvedený průběh napětí platí přibližně do určité velikosti zatížení, kterému odpovídá mez únosnosti základové půdy. Při překročení této meze se zemina porušuje smykem [5, 6].

Zvláštní podmínky staveniště

Zvláštní podmínky mají zejména staveniště:

• S organickými zeminami:staveniště se vyznačuje zvýšenou stlačitelností základové půdy a tím i vyššími hodnotami rovnoměrných a nerovnoměrných složek sednutí. Způsob využití staveniště je závislý na uvedeném typu organické zeminy, mocnosti a uložení organické vrstvy vzhledem k základové spáře.
• S prosedavými zeminami:k prosedání může docházet u jemnozrných zemin eolického původu (zejména spraše), kde obsah prachové složky je vyšší než 60% a jílové složky menší než 15% hmotnosti suché zeminy. Prosedání, které dosahuje několika procent mocnosti prosedavé vrstvy je nebezpečné pro stavební objekt zvláště lokálními rozdíly hodnot sednutí. Metodu pro zakládání představuje hlubinné zakládání pod úroveň prosedavé zeminy.
• Se sypaným zemním materiálem:zakládání na zeminách tvořených sypaným zemním materiálem představuje a) záměrně vytvořené hutněné sypaniny v podobě násypů, zásypů a podsypů, jejichž charakteristiku předepisuje projektová dokumentace, takové sypaniny se uplatňují zejména k náhradě nevhodných základových půd; b) ve druhém případě se jedná o nezhutněná násypová tělesa, která se poměrně často vyskytují ve staré městské zástavbě nebo průmyslové zástavbě s proměnlivým složením a ulehlostí, násypová tělesa jsou vytvořena jako úložiště různorodých domovních, stavebních nebo průmyslových odpadů. O jejich využitelnosti pro zakládání rozhoduje posouzení inženýrsko geologického průzkumu (IGP).
• Na úložištích odpadu:úložiště tvoří tzv. výsypky, které vznikly v oblasti vytěžených povrchových dolů, a v rámci rekultivace jsou zpátky zasypány skrývkovým materiálem. Pro zakládání je nutné provést IGP, provádět dlouhodobá měření velikosti a časového průběhu sedání násypového tělesa. Jistá příbuznost z hlediska zvláštních podmínek staveniště je zde s poddolovaným územím. V oblasti nad vytěženou slojí vzniká typické dno poklesové kotliny s nejvyšší hodnotou sedání smax, ale menší nerovnoměrné sedání, které se projeví na její okrajové části nakloněním, zakřivením, a vodorovným přetvořením výsypky.
• V seizmických oblastech:zakládání se týká nejen samotných základů stavby, ale i celé nadzákladové konstrukce. Seizmické účinky na stavební objekty mohou být přírodní (zemětřesení) nebo účinky dopravy, strojního zatížení, průmyslové exploze, výbuchy, apod.
• Na poddolovaném území:poddolovaným územím nazýváme území v dosahu účinků hlubinné těžby užitkových nerostů. Povrchové objekty na poddolovaném území jsou v době své životnosti vystaveny vlivu deformací terénu, které se projevuje jako zatížení stavebních konstrukcí od nerovnoměrných přetvoření základové půdy. Základní požadavky pro zajištění staveb zahrnuje ČSN 73 0039.

Sedání základů a zmenšení sedání

U budov zděných se připouští rovnoměrné sedání až do hodnoty 50 mm, u železobetonových skeletů až 100 mm. Časový průběh sedání je různý. Zpravidla k podstatnému sedání stavby dochází již při realizaci stavby (např. u zemin nesoudržných, štěrkopískových a štěrkových). U zemin soudržných a málo propustných má sedání objektu dlouhodobý průběh; závisí na rychlosti vytlačování vody z pórů zeminy. U staveb se snažíme docílit rovnoměrného sedání základů. Nerovnoměrné sedání může způsobit poruchy i deformace konstrukce. S hloubkou založení roste přípustné zatížení základové půdy a zmenšuje se i míra sednutí.

Zmenšení sedání lze docílit dělícími spárami (v odborné literatuře nazýváno též spárami posuvnými). Posuvné spáry rozdělují objekt po celé výšce vč. základů na menší samostatně založené celky. Posuvné (dělící) spáry je nutné odlišit od spár dilatačních, které nám u staveb eliminují teplotní změny, které působí na stavební konstrukci. Dilatační spáry, na rozdíl od spáry posuvné, neprobíhají základovou konstrukcí.

Pro urychlení sedání stavebních objektů, založených v soudržných zeminách, se používají různé úpravy, například tzv. „polštáře“ ze štěrkopísku, které jsou v tloušťce cca 200 mm a ukládají se jako podkladní vrstva pod základy. Štěrkopískové polštáře působí současně jako drenáž, která odvádí vodu, vytlačenou ze soudržné zeminy a základová konstrukce rychleji klesá.

Zlepšování základové půdy

Zlepšování základové půdy se týká především zvětšení smykové pevnosti, zmenšení deformací nebo i zmenšení propustnosti. Změnu vlastností základové půdy lze dosáhnout například jejím nahrazováním jinou zeminou (tzv. polštáře), mechanickými změnami stavu zeminy (odvodňování, zhutňování), přísadami do základové půdy (injektáže, stabilizace) nebo také vysoušením a vypalováním.

1. Konstrukce štěrkopískových polštářů: základní podmínkou pro správnou funkci štěrkopískového polštáře je jeho hutnění. Polštář se zhutňuje po vrstvách tloušťky cca 300 mm deskovými vibrátory nebo vibroválcováním. Štěrkopísek vytváří porézní vrstvu, která působí v podzákladí jako drén. Rozměry průřezu štěrkopískového polštáře se stanovují podobně jako rozměry základových pásů nebo patek, protože polštář představuje spodní stupeň vlastního základu.
2. Termické zpevňování podloží (tzv. vypalování půdy): je to způsob zlepšování základové půdy pro soudržné zeminy. Princip vypalování půdy spočívá na fyzikálně mechanických přeměnách vlastností a složení zemin po jejich zahřátí proudem horkých plynů, zaváděných do svislých, šikmých nebo i horizontálních vrtů. Horké plyny se vytlačují z vypalovací pece. Zemina, která se zahřívá nad 600oC pozbude trvale plasticitu a rozbřídavost a při dalším zvyšování teploty, zpravidla až na 800o-900oC se její jednotlivé částice spojí chemickými reakcemi v pevný celek. Vznikne keramická hmota s příznivějšími vlastnostmi.
3. Injektování podloží: injektování podloží se používá ke zvýšení pevnosti sypkých zemin nebo jejich utěsnění proti vodě. Injektáže jsou tím účinnější, čím je zemina propustnější. Injektážní hmota se vhání do základové půdy pod tlakem (0,2–2 MPa) pomocí injekčních jehel, zasunutých do pažnic z ocelových trub. Rozmístění jehel a velikost tlaku se volí podle složení zeminy a požadované míry jejího zhutnění, a to tak, aby se injektována pásma překrývala. Uvažuje se, že pruh ve kterém injektážní roztok působí je široký u písku a štěrku cca 500-1000 mm, ve skále 1000-5000 mm a ve skále s průběžnými puklinami široký i několik desítek metrů.
4. Odvodnění podloží: únosnost zvodnělé základové půdy se může zvýšit zmenšením obsahu vody, tj.trvalým snížením hladiny podzemní vody.
5. Vyztužování zemin: speciálními rohožemi zvyšujeme smykovou pevnost zemin, stabilitu a spolupůsobení. Výztužné vložky zamezují posunutí a vytlačování zeminy z podloží, snižují příčné deformace a tím celkově snižují sedání. Používají se pásy hliníkové, z oceli, umělých hmot. Do této skupiny řadíme i vyztužování zemin geotextiliemi.
6. Jiné možnosti: stabilizace jinou zeminou, cementem, asfaltem nebo dehtem, chemické látky, stabilizace vápennými nebo štěrkopískovými pilotami.

Základové konstrukce a hloubka založení

Hloubka založení se označuje jako rozdíl úrovně základové spáry a nejbližšího bodu terénu u základové konstrukce. Hloubka založení se určuje s ohledem na stabilitu a sedání stavby, na klimatické vlivy, jako je například promrzání nebo vysychání základové půdy, dále s ohledem na geologický a hydrogeologický profil.

Minimální hloubku založení určují klimatické vlivy. Základová spára musí být v nezámrzné hloubce, protože v zámrzné hloubce se voda, která je obsažena v základové půdě, mění při nízkých teplotách na led, zvětšuje svůj objem a zvedá základy. V jarním období, při vyšších teplotách vzduchu nastává u soudržných zemin jejich sesychání a smršťování, což vede k nadměrnému sedání základových konstrukcí a četným poruchám celých staveb.

Minimální hloubka založení je 800 mm pod upraveným terénem. Menší hloubka založení může být použita u základů vnitřních stěn a sloupů, které jsou chráněny před klimatickými vlivy. V soudržných zeminách, kde se podzemní voda vyskytuje v hloubce menší než 2000 mm pod povrchem území, volí se základová spára v hloubce minimálně 1200 mm. S ohledem na promrzání zeminy a podle místních podmínek daných lokalit se hloubka založení zvětšuje (viz Witzany, J. a kol.: Konstrukce pozemních staveb 20, [6]).

Vytisknout | Nahoru