PRIMENA NOVIH TEHNOLOGIJA GEOTEHNIKE U URBANIM USLOVIMA

Miloš Hranisavljević*, David Mandić**, Aleksandra Kiković***

* Novkol, Surčinski put 1k, 11077 Novi Beograd; milhran@gmail.com

** Sanus, ul.Borivoja Stevanovića 23, 11000 Beograd

*** Novkol, Surčinski put 1k, 11077 Novi Beograd

REZIME

Usled brzog razvoja gradske sredine sve češće se tokom izgradnje novih objekata nameće potreba za intervencijom na temeljima već postojećih objekata. Poduhvatanje i ojačanje temelja ili „underpinning“ predstavlja jedan kompleksan i odgovoran zadatak. U tekstu će biti prikazani razne metode pristupa ovom problemu, od tradicionalnih metoda pa do savremenih koje primenjuju nove tehnologije u geotehnici. Na konkretnom primeru prikazaće se primena mikrošipova prilikom obezbeđenja temeljne jame, kao i razlozi zbog kojih se ovo rešenje u datom slučaju nametnulo kao najracionalnije.

KLJUČNE REČI: underpinning, jacked pile, jet grouting, mikrošipovi

APPLICATION OF NEW GEOTECHNIC TECHNOLOGIES IN URBAN CONDITIONS

ABSTRACT

Due to very fast development of urban areas, during new object construction there is often a need for intervention on foundations of existing objects. Foundations undertaking and strenghtening or “underpinning” is an unique, complex and responsible task. In this paper various methods, from traditional techniques to contemporary geotechnic technologies of approach to this problem will be shown. Micropiles application in foundation pit ensuring will be shown on actual case, as well as reasons why this solution was chosen as the most rational one.

KEY WORDS: underpinning, jacked pile, jet grouting, micropiles

UVOD

U drugoj polovini XX veka, izgradnju objekata u urbanim sredinama karakteriše pojava novih uslova izgradnje u odnosu na prethodni period. Naime, usled brzog razvoja gradske sredine i smanjenja urbanog prostora, uslovi izgradnje objekata, kako zgrada tako i infrastrukturnih objekata postaju sve komplikovaniji. Sve češće su se javljali sledeći slučajevi:

- novi objekati su locirani sve bliže u odnosu na postojeće, pa čak i bez medjuprostora,

- novi objekti imaju dublje podzemne etaže od susednih,

- iskopi pored postojećih objekata postaju sve dublji,

- izgradnja infrastrukturnih objekata (metro, kanalizacioni kolektori i sl.) ispod postojećih objekata,

- izgradnja novih etaža ispod postojećih,

- sanacija objekata velike kulturne, istorijske i građevinske vrednosti.

Odgovor na nastale uslove je bio razvoj pojedinih segmenata građevinarstva, a posebno geotehnike.

Praktično, osnova rešenja je da se u cilju izgradnje novog objekta, moraju preduzeti izvesne radnje u pogledu intervencija na susednim ili postojećim, kako ne bi došlo do njenih oštećenja, pa i do destrukcije.

Definicija zadatka je da se postojećem fundamentu odredi i izvede novi transfer i distribucija opterećenja. Na enleskom jeziku postoji izraz za takvu radnju i to je "underpinning". Nažalost, u srpskom jeziku nema izraza koji bi mogao da iskaže isto, ali u širem smislu moglo bi se reći: poduhvatanje građevine, povećanje dubine fundiranja, ojačanje temelja i dr. U nastavku su, zbog prethodno iznetih činjenica, ukratko prikazane raspoložive, od ranije poznate, kao i nove metode za poduhvatanje temelja, kao vitalnih elemenata primene prilikom projektovanja u geotehnici. Biće prikazana njihova koncepcija, sa pratećim karakteristikama, prednostima, ali i nedostacima.

„UNDERPINNING“ I NAČIN PRIMENE

Generalno, postoje dve grupe metoda:

- Prva grupa, koja se bazira na tradicionalnoj geotehnici. Tradicionalna, iz razloga što se intervencija na temelju tj. fundamentu dešava nakon što se izvrši iskop ispod temelja. Prvi predstavnik ove grupe je takozvano podziđivanje ili podbetoniranje. Veoma često korišćena metoda, ali ograničenih mogućnosti, pa se u daljem tekstu neće analizirati.

Slika 1. Podbetoniranje temelja Slika 2. Iskop radne jame

Figure 1. Underpinning – traditional technique Figure 2. Sequence for traditional technique

Drugi predstavnik ove grupe je metoda "mega šipova" (jacked pile). Metoda je našla široku primenu, naročito na našem prostoru. Oprema za izvodjenje ove vrste radova se sastoji od hidraulične prese i sistema oslanjanja prese na postojeći temelj ili ploču. Relativno precizno se meri sila ostvarena prilikom utiskivanja čeličnih segmenata (ili prefabrikovanih betonskih elemenata). Ovom tehnikom čelični ili armiranobetonski segmenti utiskuju se u tlo u blizini ili tačno ispod zida koji se treba poduhvatiti. Svaki šip se prvobitno utiskuje silom većom od potrebne, a zatim sila zaključava na projektovanu. Kada se dostigne zahtevana nosivost šipa, prese se zamenjuju čeličnim elementima, i

izvodi se betoniranje glave šipa. U praksi dominiraju dva sistema: izrada šipova od čeličnih segmenata pored postojećeg zida, ili izrada ispod postojećeg temelja. U prvom slučaju segmenti mogu biti dužine 1,0-2,0m, odnosno zavise od spratne visine objekta. U drugom slučaju segmenti su obično dužine oko 0,50m, kako bi zahtevali što manji gabarit jame za njihovo utiskivanje.

Slika 3. Faze izrade „mega šipova“ ispod postojećeg temelja

Figure 3. Jack-down segment pile – stages of construction

Korišćenjem „mega šipova“ moguće je dobiti značajan prirast nosivosti postojećeg temelja. Konstrukcija objekta i fundamenta, kao i materijal od kojeg je temelj izrađen mogu biti limitirajući faktori. Nekada izvođenje komplikuje prisustvo podzemne vode ili potreba za podgrađivanjem iskopanih zona. Pošto je u najvećem broju slučajeva iskop za potrebu izvođenja ove metode veoma rizičan u pogledu bezbednosti, kako objekta tako i radnika, u razvijenim zemljama je u poslednjih 20-tak godina ova metoda je skoro napuštena. Ovde treba napomenuti da se ova vrsta šipova ne treba primenjivati za poduhvatanje postojećih objekata prilikom izvođenja temeljnih jama susednih objekata, jer isti nemaju mogućnost prijema horizontalnih pritisaka tla (Smoltczyk, 2003). Naime, tokom iskopa bi pretila deformacija i izvijanje segmenata.

- Druga grupa predstavlja savremene geotehničke metode koje se baziraju na konceptu da se intervencija na fundamentu vrši bez prethodnog iskopa, tj. sa nivoa iznad kote dna temelja. Prvi predstavnik ove grupe je metoda mlaznog injektiranja ili "jet grouting".

Slika 4. Underpinning „jet grouting“ metodom

Figure 4. Underpinning by “jet grouting“ method

Oprema za izvođenje se sastoji iz dve celine - bušeće garniture (čija masa može da varira od 0,5t do 40t) na jednoj strani i sistema za mešanje cementne emulzije i pumpe visokog pritiska, na drugoj. Osnova ove metode je činjenica da se prilikom intervencije na fundamentu vrši zamena i ojačanje tla. Tlo određenih karakteristika pre tretmana postaje tlo sasvim drugih karakteristika nakon intervencije. Veoma je primenjivana metoda u zapadnim zemljama i Rusiji, naročito u delikatnim situacijama (kod starih objekata, čiji je konstruktivni sistem u lošem stanju, ili kada je potrebno obaviti fundiranje objekta u lošoj geotehničkoj sredini uz prisustvo podzemne vode i sl.). U zadnjih 10-ak godina sa mogućnošću pumpi da proizvedu pritisak i preko 450 bara, primena ove metode je kako u nekoherentnom, tako i u koherentnom tlu vrlo efikasna, bez razlike. Sve više nalazi primenu kod izrade protivfiltracionih zavesa kod brana, na sanaciji klizišta i gde god je potrebno u podzemlju precizno izvesti poboljšanje tla bez otkopavanja.

Drugi predstavnik grupe savremenih metoda je metoda mikro šipova izvedenih „jet grouting“-om. U zadnje vreme postaje najzastupljenija metoda. Praktično, predstavlja moguće rešenje za sve nabrojane slučajeve u uvodnem delu teksta.

Slika 5. Primer poduhvatanja temelja stambenog objekta mikrošipovima

Figure 5. Example of the underpinning of a residential building

Mikrošipovi su šipovi malog prečnika koji se mogu izvoditi u različitim vrstama tla, kako vertikalno, tako i pod uglom. Jedan od najefikasnijih načina izvođenja mikrošipa je pomoću „jet grouting“ tehnologije. Kod ove tehnologije, cevi za bušenje na vrhu imaju bušaću krunu koja je opremeljena injekcionim brizgaljkama. Prilikom bušenja, kroz bušaću cev se pod pritiskom injektira cementna emulzija. Injekcionu masu čini mešavina cementa i vode. Cementno mleko pod visokim pritiskom od 350-450 bara istovremeno razara tlo oko bušotine i meša se sa tlom. Bušaća cev se simultano rotira i spušta, i na taj način formira u tlu mikrošipove do dna bušotine. Po dostizanju potrebne dubine, cev ostaje u masi i služi kao centralna armatura mikrošipa. Za potrebe poduhvatanja temelja, sa kote terena izvodi se više kosih elemenata pod različitim uglovima, formirajući na taj način gravitacioni potporni zid.

Prednosti ovakve metode su brojne, a najznačajnije su:

- prenos opterećenja u dublje slojeve vrši se preko postojećih temelja, tako da nema potrebe za uvođenjem novih konstruktivnih elemenata,

- svi radovi se izvode sa kota postojećih površina (ulica, trotoara, postojećih podova), tako da se ne vrši otkopavanje postojećih temelja, čime bi se eventualno dovela u pitanje njihova stabilnost,

- pošto nema iskopa ispod temelja, samim tim nema potrebe za crpljenjem podzemnih voda za vreme izvođenja, čime bi se dodatno ugrozio objekat (sufozija, promena pornog pritiska),

- bezbednost na radu veća je nego drugih metoda, jer ne postoje zone podgrađivanja,

- bušenje se izvodi olakšano, bez upotrebe bilo kakve zaštite bušotine i bez obzira na vrstu tla u kome se buši,

- postupak se izvodi velikom brzinom i ne izaziva poremećaje okolnog tla i susednih objekata,

- nema iskopanog materijala iz bušotine, pa samim tim ni potrebe za odvozom istog,

- mogu se izvoditi bez obzira na postojanje podzemne vode ispod kote fundiranja,

- izvode se bez potresa, što je bitno u gradskim uslovima.

Šipovi izvedeni ovom tehnologijom mogu imati visoke karakteristike čvstoće na pritisak, zavisnosti od vrste tla u kome se buše. Zahvaljujući malom gabaritu opreme za izvođenje mikošipova i lakog manevrisanja, oni se mogu uspešno izvoditi i unutar postojećih objekata (FHWA, 2000).

Ne postoje egzaktne metode za tačno određivanje prečnika mikrošipa izvedenog na opisan način. Međutim, na osnovu iskustva u izvođenju u sličnim materijalima, preporukama u literaturi (Candogan,2009), (Tanzini, 2004) i na osnovu obaveznog probnog ispitivanja i vršenja kontrole, može se uvek unapred predvideti minimalni očekivani prečnik mikrošipa.

U konkretnom slučaju, kada je potrebno intervenisati na temeljima, kriterijumi po kojima će se vršiti odabir metode za primenu trebalo bi da budu:

- bezbednost objekta na kome se vrši intervencija,

- bezbednost izvođača radova,

- cena koštanja i vreme izvođenja radova.

JEDAN OD NAČINA PRIMENE NOVIH TEHNOLOGIJA GEOTEHNIKE U URBANIM USLOVIMA

Primer primene mikrošipova nalazimo u izvođenju temeljne jame objekta „Tri lista duvana“. Objekat je lociran u centru Beograda, na uglu ulica Kneza Miloša i Bulevar kralja Aleksandra. Glavnim Arhitektonsko-građevinskim projektom predviđeno je da poslovno-stambeni objekat ima dve podzemne etaže, prizemlje, osam spratova i galeriju. Dubina ukopavanja podzemnih etaža, u kojima je predviđen garažni prostor, bila je 8-9m. Po geološkom sastavu, idući od površine terena, tlo je bilo sastavljeno od:

- nasipa i šuta debljine 2,5-4,3m

- lesa i prašinasto peskovite gline čija je debljina od 0,8-3,7m

- laporovito-glinovitih sedimenata, koji se javljaju ispod lesoidnih sedimenata u sloju debljine od 9-14m

Nivo podzemne vode bio je na kontaktu lesa i laporovitih glina.

Po konturi budućeg objekta nalazile su se susedne zgrade, pa se posebna pažnja morala posvetiti njihovoj bezbednosti. Od toga, neke zgrade su bile u vrlo trošnom stanju, sa temeljima od opeke direktno zidanim u tlu, a pritom i zaštićene kao spomenici kulture. Obezbeđenje temeljne jame razmatrano je u varijantama i prilagođavano mogućnostima specijalizovanih firmi za izvođenje radova. Iz tog razloga, zaštita temeljne jame bila je predviđena bušenim šipovima. Probitna ideja bila je da se zaštita po celoj konturi izvede šipovima prečnika 60 cm, pridržanih u vrhu geotehničkim

sidrima. No, usled nedostatka prostora za smeštaj potporne konstrukcije, na mestima pored postojećih objekata bilo je potrebno redukovati poprečni presek konstrukcije. Jedini način bio je u poduhvatanju temelja susednih objekata i prenosa opterećenja do dobro nosivog sloja, kako bi se rasteretila potporna konstrukcija i smanjio prečnik šipova na 40cm. Glavni projekat obezbeđenja temeljne jame po kome su se izvodili radovi 2007. godine izradilo je preduzeće „Sanus“ iz Beograda. Investitor je izvođenje radova poverio preduzeću “Novkol” iz Beograda.

Realizacija ovog projekta, koji je pored ostalog trebalo da bude racionalan, zahtevala je detaljno analiziranje svih elemenata kako bi se omogućila primena najefikasnijeg rešenja, vodeći računa pre svega o bezbednosti tokom izvođenja radova. Opterećenje na temeljni kontakt suseda, prema sprovedenoj analizi opterećenja bilo je od 180-380 kN/m2 (Mandić, 2007). Podbetoniranje temelja je bila jedna od mogućnosti, ali zbog lošeg stanja trošnih temelja od opeke, iz bezbednosnih razloga odustalo se od te odluke. Mnogo toga išlo je u prilog primeni principa savremenijih tehnologija građenja. I na kraju, tehnološki zahtevi uslovili su primenu mikrošipova. Mikrošipovi su se izvodili uz primenu „jet grouting“ tehnologije. Ovom metodom su se poduhvatili temelji susednih objekata tako da se smanjio pritisak na potpornu konstrukciju i spečila deformacija susednih objekata. Raspodela ukupne sile od temelja izvršena je na dve komponente koje su bile pod različitim uglovima u odnosu na vertikalu - rezultantu. Stoga je jedna komponenta prihvatala silu pritiska, a druga odgovarajuću zatežuću silu. Ovakvi parovi mikrošipova za prihvatanje sila izvedeni su na svakih 100-120cm, tj. pratili su položaj i razmak šipova. Ovim se doprinelo stabilnosti potporne konstrukcije umanjujući aktivni pritisak, odnosno povećavajući njenu stabilnost. Potporna konstrukcija na pojedinim mestima sada je mogla biti izvedena od šipova prečnika 40cm, oslonjenih na zatege, čime su ispoštovani zadati arhitektonski zahtevi.

zid suseda

KFS

KPo

novi objekat

Slika 6. Detalj projektovanog rešenja

Figure 6. Detail of designed solution

Prva faza izvođenja radova podrazumevala je izvođenje mikrošipova ispod temelja sa površine terena, a tek nakon prihvatanja temelja urađeni su šipovi prečnika 40cm i vršilo otkopavanje jame. Na taj način sprečila su se dodatna sleganja susednog objekta. Omogućeno je racionalnije korišćenja prostora, ušteda vremena i radne snage pri izvršenju radova.

Slika 7. Detalj iskopanog mikrošipa i postojećeg temelja

Figure 7. Detail of the excavated micropile and existing foundation

ZAKLJUČAK

Ovaj rad je pokušao da prikaže i analizira različite geotehničke metode u uslovima urbane izgradnje. Stručna literatura, ali i iskustva iz prakse ukazuju da se danas sve više susrećemo sa ovakvom vrstom problematike.

Slika 8 Deo potporne konstrukcije – šipovi i mikrošipovi

Figure 8 Retaining wall – concrete piles and micropiles

Kako u svetu, tako i kod nas, prilikom izgradnje moraju se zadovoljiti najoštriji standardi u primeni tehnike u građevinarstvu Ovaj tekst je bio pokušaj i da se tehnička javnost upozna sa primenom

mikrošipova i njihovom konkurentnošću u odnosu na tradicionalne metode u geotehnici. Treba ukazati na to da se brojni postojeći objekti kojima je potrebna intervencija na temeljima mogu rešiti njihovom efikasnom primenom.

Na osnovu svega rečenog možemo zaključiti da razvoj tehnologije i sredstava za rad, kao i sve šira primena novih tehologija otvaraju mogućnosti za realizaciju sve većih građevinskih izazova.

LITERATURA

1. Arhiva preduzeća „Novkol“ 2. Candogan, A. (2009), The Art and Practice of Foundation Engineering, Ali Candogan, Istanbul 3. Federal Highway Administration (2000), Micropile design and construction guidelines, Report No. FHWA

SA-97-070, United States Dept. Of Transportation, Washington, D.C. 4. Mandić, D. (2007), Izmena Glavnog projekta obezbeđenja temeljne jame objekta „Tri lista duvana“ u

Beogradu, Sanus, Beograd 5. Ou, C. Y. (2006), Deep Excavation – Theory and Practice, Taylor & Francis Group, London 6. Smoltczyk, U. (2003), Geotechnical Engineering Handbook,Vol. 2, Ernst & Sohn, Berlin 7. Tanzini, M. (2004), Micropali e pali di piccolo diametro - Aspetti progettuali e tecnologici, D. Flaccovio,

Palermo, 2004, 495p