Institut geologického inženýrství
Analýza vybraných případových studií inženýrských objektů s problémovými inženýrskogeologickými
poměry Disertační práce
Autor: Ing. Dominik Niemiec
Školitel: doc. Ing. Marian Marschalko, Ph.D.
Studijní program: Geologické inženýrství
Obor: Geologické inženýrství
Ostrava 2016
inženýrských objektů s problémovými inženýrskogeologickými poměry, pomocí realizace 5 studií. Práce klade důraz na skutečnost, že jedno geologické prostředí nebo inženýrský objekt v geologickém prostředí se může pro různé praktické účely a situace chovat zcela odlišným způsobem. Tato okrajová podmínka měla, z pohledu selekce výběru situací, klíčovou roli. Předmětem disertační práce byly čtyři geologická prostředí a jeden inženýrský objekt v geologickém prostředí, které byly charakterizovány ze všech možných inženýrskogeologických pohledů. Dále byl proveden návrh metodiky selekce vhodných situací, ve kterých byly prezentovány případové studie s různými problémovými inženýrskogeologickými poměry (dle různých účelů) v určitém konkrétním geologickém prostředí (selekce vybraných 4 prostředí) a v jednom konkrétně vybraném inženýrském objektu v geologickém prostředí, vzniklém antropogenním ovlivněním (lomová jáma).
Důležitost, kladená na výběr typových lokalit, je motivována možností aplikace v jiných oblastech České a Slovenské republiky. Čtyři realizované studie se týkaly rozdílného chování vybraných geologických prostředí sprašových (studie č.1), fluviálních (studie č.2), deluviálních (studie č.3) a neogenních sedimentů (studie č.4). Poslední (studie č.5) charakterizovala inženýrský objekt umístěný v geologickém prostředí (lomová jáma).
Provedené studie v disertační práci jsou příspěvkem k jedné z nedůležitějších rolí inženýrské geologie, a to poukázat na rozdílnou roli inženýrskogeologických poměrů, na jejich různé chování při různých situacích nebo geodynamických procesech. Uvědomění si tohoto rozdílného chování je nejdůležitějším příspěvkem práce, protože umožňuje porovnání studií v jedné práci, co umožní lepší informovanost inženýrských geologů, geotechniků a projektantů o této problematice.
Klíčová slova: případové studie, problémové inženýrskogeologické poměry, chovaní různých geologických prostředí, spraše, fluviální sedimenty, deluviální sedimenty, neogenní sedimenty, prostředí lomových jam
structures with problem engineering-geological conditions by means of implementing 5 studies. The dissertation emphasises the fact that one geological environment or engineering structure in the geological environment may behave differently considering diverse practical purposes and situations. This boundary condition was of the key importance in terms of selecting the situations. The subject of the dissertation were four geological environments and one engineering structure in the geological environment that were characterised from all possible engineering-geological points of view. Next, a methodology of selection of suitable situations was proposed, which presented case studies with various problem engineering-geological conditions (based on various purposes) in certain specific geological environments (selected were 4 environments) and one specifically selected engineering structure in the geological environment that had been shaped anthropogenically (quarry). The importance of the choice of the type localities was motivated by potential application in other localities of the Czech Republic and Slovakia.
The four implemented studies concerned different behaviours of selected geological environments of loess (Study 1), fluvial (Study 2), deluvial (Study 3) and Neogene sediments (Study 4). The last study (Study 5) characterised an engineering structure situated in the geological environment of a quarry. The implemented studies within the dissertation contribute to one of the most crucial roles of engineering geology, i.e. point at the differences in the engineering-geological conditions, their diverse behaviours in different situations or geodynamic processes. The awareness of the differences in their behaviours is the most important contribution of the dissertation as it permits a comparison of several studies in one work. This may provide up-to-date information on the issue to engineering geologists, geotechnicians and designers.
Keywords: case study, problem engineering-geological conditions, behaviour of various geological environments, loess, fluvial sediments, deluvial sediments, Neogene sediments, environment of quarries
„Prohlašuji, že jsem celou disertační práci vypracoval samostatně, podle pokynů školitele, s použitím uvedené literatury, v souladu se směrnicí děkana č. 1/2010 „Disertační práce a autoreferát“ a v souladu se Studijním a zkušebním řádem pro studium v doktorských studijních programech Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava.
V souladu s §47a zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů souhlasím s publikováním textu své práce na webové stránce HGF VŠB-TU Ostrava.“
Poděkování:
Tímto bych chtěl poděkovat mému školiteli doc. Ing. Marianovi Marschalkovi, Ph.D., za odborné vedení při psaní disertační práce, za jeho obětavost a čas. Rád bych také poděkoval kolegyni Ing. Petře Zástěrové za pomoc a skvělou spolupráci během celého studia. Nakonec můj dík patří i celé mé rodině za poskytnutí zázemí a morální podporu během celého studia.
1 Úvod a motivace práce ... 1
2 Cíle a metodika práce ... 3
3 Analýza terminologie práce ... 7
4 Současný stav ... 13
5 Vybrané studie disertační práce dle okrajových podmínek cílů a metodiky práce ... 26
5.1 Studie č. 1 – geologické prostředí sprašových sedimentů... 26
5.1.1 Charakteristika ... 26
5.1.2 Studované situace ... 34
5.1.3 Podrobná případová studie vlivu povrchového odtoku na spraších – lokalita Bravantice ... 38
5.2 Studie č. 2 – geologické prostředí fluviálních sedimentů ... 50
5.2.1 Charakteristika ... 50
5.2.2 Studované situace ... 55
5.2.3 Případová studie vlivu zaplavování lokality protiproudem u soutoků dvou řek ... 62
5.3 Studie č. 3 – geologické prostředí deluviálních sedimentů ... 66
5.3.1 Charakteristika ... 66
5.3.2 Studované situace ... 66
5.3.3 Případová studie rozdílného charakteru deluvií v Ostravské pánvi a jejím blízkém okolí ... 77
5.4 Studie č. 4 – geologické prostředí neogenních sedimentů ... 83
5.5.1 Studované situace ... 111
5.5.2 Případová studie - využití lomu dle varianty č. 8 ... 117
5.5.3 Řešení a postup výstavby ... 123
6 Závěr ... 125
7 Použitá literatura ... 130
8 Seznam vlastních prací ... 139
9 Seznam obrázků ... 141
10 Seznam tabulek ... 150
1 Úvod a motivace práce
Hlavním cílem disertační práce je analýza vybraných případových studií inženýrských objektů s problémovými inženýrskogeologickými poměry. Tento hlavní cíl bude splněn pomocí realizace dílčích cílů. Dílčí cíle jsou definovány v kapitole cíle práce.
Motivací práce je skutečnost, že základní úlohou inženýrské geologie je řešit interakci stavebních objektů a geologického prostředí. Ve vědecké literatuře však postrádáme větší množství prací, které řeší přímo tento problém. Nedostatečná je rovněž analýza terminologie, související s touto problematikou. Přesněji řečeno, chybí jednoznačnější definování složek geologického prostředí, resp. geofaktorů, které jsou hlavními okrajovými podmínkami případných problémů se zakládáním inženýrských staveb nebo s jinými potřebnými praktickými problémy spojenými s inženýrskogeologickými poměry.
Další motivací práce je sestavení metodiky selekce vhodných situací, ve kterých budou prezentovány případové studie s různými problémovými inženýrskogeologickými poměry (dle různých účelů) v určitém konkrétním geologickém prostředí (selekce vybraných 4 prostředí) a v jednom konkrétním vybraném inženýrském objektu v geologickém prostředí vzniklém antropogenním ovlivněním (lomová jáma). Je zřejmé, že není technicky možné popsat velké množství případových studií v rámci jedné disertační práce. Zároveň je však důležitý fakt, že pokud máme případových studií méně, pak musí být zvoleny vhodným způsobem, založeným na selekci okrajových podmínek, významných pro inženýrskou geologii. Příkladem takto zvolené případové studie může být prostředí, představující určitý vybraný geofaktor s určitou problémovou geologickou stavbou, způsobující například deformaci staveb nebo jiný specifický vliv. Zároveň bude splňovat skutečnost, že se jedná opravdu o typovou záležitost, která bude následně aplikovatelná v dalších lokalitách.
Důležitost kladená na výběr typových lokalit je motivována možností aplikace v jiných oblastech České a Slovenské republiky. Další okrajovou podmínkou je tedy selekce regionálních inženýrskogeologických poměrů České a Slovenské republiky. Byla vybírána geologická prostředí, která jsou dominantní. Takto bude realizována případová studie, například v prostředí neogenních sedimentů. Tento typ prostředí je velice významný, protože
2016 2 Práce klade důraz na skutečnost, že jedno geologické prostředí nebo inženýrský objekt v geologickém prostředí se může pro různé praktické účely a situace chovat zcela rozdílným způsobem. Tato okrajová podmínka měla z pohledu selekce výběru situací klíčovou roli.
Předmětem disertační práce jsou čtyři geologická prostředí a jeden inženýrský objekt v geologickém prostředí, které jsou následně charakterizované ze všech možných inženýrskogeologických pohledů. Ponaučení z disertační práce nebude představovat pouze těchto pět studií, ale také jejich jedna vybraná podrobněji popsaná podvarianta (případová studie).
Vybrané situace jsou lokalizované v České a Slovenské republice. Disertační práce vznikla ve spolupráci Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava a Žilinské univerzity - katedry Geotechniky. Jak už bylo zmíněno, motivace práce je ovlivněna nedostatkem vědeckých prací, týkajících se výše uvedených základních problémů inženýrské geologie. Motivace je založena na potřebě vědecky se postavit k řešení problematiky tohoto typu a zároveň také se dokázat ponaučit z provedených studií.
2 Cíle a metodika práce
Realizace hlavního cíle disertační práce je analýza vybraných případových studií inženýrských objektů s problémovými inženýrskogeologickými poměry, která bude naplněna pomocí dílčích cílů.
Prvním dílčím cílem je sestavení metodiky selekce vhodných situací geologických prostředí a inženýrského objektu v geologickém prostředí (viz Obrázek 1), demonstrujících různorodý vliv inženýrskogeologických poměrů (vhodnost a nevhodnost) v různém praktickém využití člověkem. Smyslem této metodiky bude nejenom samotný výběr situací, ale také pochopení všech okrajových podmínek, které ovlivňují problémy inženýrskogeologických děl v interakci s geologickým prostředím.
Dalším dílčím cílem je rešeršně popsat problematiku teorie a klasifikace složek geologického prostředí, které mají vliv na realizaci a zakládání inženýrských objektů.
Tyto složky můžeme také nazývat geofaktory, geobariérami, geohazardy nebo ještě dalšími termíny, které lze v této souvislosti používat. Smysl této kapitoly bude rozdělen na dvě části.
Za prvé, obsáhnout veškerou terminologii, která s geologickým prostředím souvisí a uvědomit si, že se jedná o věc stejnou nebo jen do určité míry podobnou. Druhým smyslem bude obsáhnout všechna možná geologická prostředí, která existují a rovněž geodynamické procesy, mající vliv na změnu geologického prostředí a na samotná inženýrská díla.
Následujícím dílčím cílem práce je realizace selekce pěti vybraných studií, přičemž 4 z nich se týkají vybraných geologických prostředí (sprašové, fluviální, deluviální, neogenní sedimenty) s charakteristikou různých podsituací s rozdílným chováním v souvislosti s určitým praktickým účelem.
Poslední studie popisuje inženýrský objekt umístěný v geologickém prostředí (lomová jáma), která má různé způsoby využití. V souvislosti s nimi je potřeba vnímat toto prostředí rozdílným způsobem. Také při inženýrskogeologickém průzkumu nastávají určité odlišnosti v postupu v souvislosti s výše uvedeným. Jednou z případových studií bude realizace zakládání staveb obchodního domu v bývalé lomové jámě v městě Myjava. V případové studii bude analyzováno jednak samotné založení v tomto konkrétním případě, ale v rámci
2016 4 investorům, projektantům, stavařům a studentům stavitelství, pochopit problematiku různých variant využití lomových jam s jedním dobývaným petrografickým typem hornin, které jsou také určitými inženýrskými objekty. Hlubší význam bude mít použití jiných lomových jam s analogickými geologickými poměry, které jsou v rámci této případové studie. Zbývající orientační a schématické zpracování variant poslouží k orientaci investorům, projektantům a stavařům, v souvislosti s dalším jiným využitím lomových jam.
Analogický přístup bude proveden u zbývajících pěti případových studií.
Po etapě výběru geologických prostředí pro disertační práci a po etapě studia jejich inženýrskogeologických poměrů byly provedené samotné studie č.1 až č.5 (dílčí cíl disertační práce - viz Obrázek 2). V těchto studiích byly provedené rešerše literatury, závěrečných zpráv a studium empirie různých odborníků. Kritérium selekce zohledňovalo různý vliv jednotlivých prostředí na zakládání staveb, geodynamické procesy, a také zohledňovalo možnost znalosti tohoto prostředí pro jiná praktická využití. Ze čtyř vybraných geologických prostředí, dle výše uvedených okrajových podmínek, bylo nejdříve hodnoceno prostředí sprašových sedimentů (studie č.1), poté prostředí fluviálních sedimentů (studie č.2), deluviálních sedimentů (studie č.3) a posledním geologickým prostředím bylo prostředí neogenních sedimentů (studie č.4). Každá jednotlivá studie charakterizovala minimálně 6 dílčích situací s rozdílným chováním prostředí, nebo jeho projevy pro určitý praktický záměr. To znamená, že každá studie měla nejméně 6 podsituací. U každé studie byla jedna podstudie (případová studie) detailněji provedena s doplňkovým terénním výzkumem.
Následně byla provedena poslední 5. studie. Její odlišnost byla v tom, že se jednalo o inženýrský objekt, umístěný v geologickém prostředí (lomová jáma), který má různá praktická využití. Jinak byly metodika a cíl této studie analogické s předchozími studiemi.
Obrázek 1: Metodika selekce 5 vybraných studií disertační práce a okrajové podmínky jejich výběru
2016 6 Dominik Niemiec: Analýza vybraných případových studií inženýrských objektů s problémovými inženýrskogeologickými poměry
Obrázek 2: Metodika postupu realizace disertační práce
3 Analýza terminologie práce
Vzhledem k tomu, že se disertační práce zabývá vybranými inženýrskogeologickými charakteristikami, které způsobují problémy při zakládání staveb, je potřeba provést analýzu používané terminologie, která souvisí s touto problematikou.
Postupně budou popisovány termíny, které jsou používány v širších souvislostech a dále je budou následovat termíny, které jsou používány v určitých specifických krajních podmínkách resp. účelech. Účelem takovéto analýzy je skutečnost, že i když třeba mluvíme o IG charakteristikách nebo o geofaktorech, může jít často o termín se stejným významem nebo obsahem. To je jeden z účelů realizace této terminologické analýzy.
Prvním z těchto termínů jsou geologické faktory, kterých synonymem jsou geofaktory resp. geologičtí činitelé v anglickém překladu geological factors nebo geofactors.
(viz Obrázek 3). Jsou to vlastnosti složek geologického prostředí, které ovlivňují činnost člověka na zájmovém území.
Obrázek 3: Geologické faktory, geofaktory, geologický činitel (zpracováno dle Hrašna, 2008)
Adekvátním termínem jsou geologické faktory životního prostředí (viz Obrázek 4), které představují analogickou definici ve vztahu k životnímu prostředí, což logicky, svým
2016 8
Obrázek 4: Geologické faktory životního prostředí, environmentálněgeologické faktory (zpracováno dle Hrašna, 2008)
V širší specifikaci rozlišujeme dva termíny: geologické potenciály (viz Obrázek 5) a geologické bariéry (viz Obrázek 6). Rozdíl mezi nimi je v tom, že geopotenciály umožňují určitý způsob využití životního prostředí (i území). Geobariéry, na druhou stranu, ohrožují, omezují nebo znemožňují určitý způsob využití životního prostředí (i území), což znamená, že první termín je pozitivní a druhý spíše negativní.
Obrázek 5: Geologické potenciály, geopotenciály (zpracováno dle Hrašna, 2008)
Obrázek 6: Geologické bariéry, geobariéry (zpracováno dle Hrašna, 2008)
Dále jsou používány termíny určité užší specifikace. Z pohledu inženýrské geologie to jsou např. geofaktory výstavby (viz Obrázek 7), které je definují v souvislosti s realizací výstavby.
Obrázek 7: Geofaktory výstavby (zpracováno dle Hrašna, 2008)
Obdobnými termíny, se zhruba analogickou náplni, jsou inženýrskogeologické poměry (viz Obrázek 8), inženýrskogeologické podmínky (viz Obrázek 9)
2016 10
Obrázek 8: Inženýrskogeologické poměry (zpracováno dle Hrašna, 2008)
Obrázek 9: Inženýrskogeologické podmínky (zpracováno dle Hrašna, 2008)
Obrázek 10: Inženýrskogeologické faktory (zpracováno dle Petro, 2008)
Dále je terminologie, která okrajové podmínky využívané terminologie ještě dále zužuje což je iniciační nebo spouštěcí faktor (viz Obrázek 11), který představuje vybraný geofaktor, jenž iniciuje určitý geodynamický proces.
Obrázek 11: Spouštěcí faktor (zpracováno dle Kováčik, 2008)
Dále uvádíme terminologii, která ukazuje případové ukázky jednotlivých geofaktorů, takže jsou zde uvedeny faktory prosedavosti (viz Obrázek 12), faktory svahových pohybů (viz Obrázek 13) nebo zde máme ukázku jedné složky geologického prostředí, což jsou inženýrskogeologické vlastnosti hornin (viz Obrázek 14).
Obrázek 12: Faktory prosedavosti (zpracováno dle Modlitba, 2008)
Obrázek 13: Faktory svahových pohybů (zpracováno dle Vlčko, 2008)
Obrázek 14: Inženýrskogeologické vlastnosti horniny (zpracováno dle Vlčko a Petro, 2008)
2016 12
Obrázek 15: Technicky nejvýznamnější geodynamické procesy (zpracováno dle Pašek et al., 1995)
Poslední část popisuje termín geologický hazard (viz Obrázek 16, Obrázek 17), což je pravděpodobnost výskytu škodlivého přírodního jevu v daném prostředí, souvisejícího výhradně s geologickými procesy (jako zemětřesení, sesuv, vulkanická erupce apod.) v dané oblasti v určitém časovém období. Synonymem k tomuto termínu je geohazard.
Podle příčiny vzniku lze jej dělit na přírodní (naturální) a antropogenní (člověkem způsobený) (Ondrášik et al., 2010).
Obrázek 16: Geologický hazard (zpracováno dle Petro, 2008)
Obrázek 17: Faktory geologických hazardů (zpracováno dle Ondrášik et al., 2010)
4 Současný stav
Posouzení inženýrskogeologických poměrů, které slouží k hodnocení základových půd a jejich interakci s inženýrským dílem, je značně složité. Geologické prostředí je úzce propojeno s dalšími faktory, které zásadním způsobem ovlivňují jeho chování. V kapitole je specifikováno deset základních faktorů, které mohou negativně působit na vznikající nebo stávající inženýrské dílo. Každý faktor je blíže popsán pomocí jednotlivých složek, spojujících podobný zdroj problému. Je nutno podotknout, že jednotlivé faktory a jejich složky nelze striktně oddělit a řada problémů tak vzniká především vzájemnou kombinací dvou a více složek.
Prvním významným faktorem ovlivňujícím kvalitu inženýrskogeologických poměrů je samotná hornina, resp. existence „problémových hornin“ (viz Obrázek 18). Většina takto označených hornin vytváří riziko v kombinaci s dalšími uvedenými faktory. Faktor problémových hornin dále členíme na podfaktor, označený jako tzv. „horniny měkké“, které mohou působit negativně na stavební dílo zejména z pohledu nízké únosnosti, nerovnoměrného sedání, nebo vzniku sesuvů. Problematika měkkých hornin, je řešena v řadě publikací. Autory (Dykes and Warburton, 2008) byly studovány organické zeminy, které v kombinaci s nadměrnými srážkami iniciovaly řadu sesuvů, ohrožujících místní komunikaci.
2016 14
Obrázek 18: Problémové horniny (Marschalko et al., 2002)
Do skupiny měkkých hornin patří také jíly a hlíny. (Wan and Kwong, 2002) se zabývali problematikou jílu z pohledu pevnosti ve smyku a pomalého sesouvání. Dále ve skupině měkkých hornin nesmí chybět jezerní sedimenty, uvedené v publikaci autorů (Williams and Flint, 1990), zabývající se kolapsem struktury a s tím spojeným rotačním sesouváním materiálu do vícestupňového kanálu v povodí Rýna. Problém může nastat také u obecně měkkých hornin, v souvislosti se změnou stavu ve zmrzlém nebo rozmrzlém prostředí, jak uvádí autor (Waltham, 1994).
Druhým podfaktorem problémových hornin jsou tzv. „jiné problémové horniny“.
Jedná se o ostatní problémové horniny, nespadající do skupiny první, ale rovněž způsobující řadu problémů ve vztahu k inženýrským objektům a to v podobě iniciace sesuvů, nízké únosnosti, nerovnoměrného sedání, krasovění, filtračních poruch a řady dalších. Patří zde flyšové sedimenty, uvedené ve studii (Marinos et al. 2006), zabývající se chováním těchto
problémových sedimentů při výstavbě tunelů. Problémy způsobuje také tekutý písek, jak je uvedeno v publikaci (Bhattacharya et al. 2008), která se zabývá vlivem tekutého písku aktivovaného zemětřesením a v souvislosti s použitím pilotových základů. Prosedavý bazalt způsobuje také řadu problémů. Problematika založení přehrady s bazaltovým podložím je popsána autory (Cabria and Barbi, 1981). Rozšířenost problematiky sprašových sedimentů je zřejmá z publikace autorů (Jefferson et al. 2003), která shrnuje studie z oblasti bývalého Sovětského svazu, řešící kolaps struktury těchto sedimentů a zakládání staveb. Stavbou mostní konstrukce v sádrovcové krasové oblasti se zabývali (Cooper and Saunders, 2002).
Tato uvádí především problém nerovnoměrného sedání tohoto podloží. Vysoké riziko pro stavební konstrukce představuje také vápenec, jak je tomu v publikaci (Fookes and Hawkins, 1988), která řeší problematiku zvětrávání vápence ve vztahu k inženýrským objektům.
Další faktor, navazující na výskyt problémových hornin označujeme jako „porušenost horninového systému“ (viz Obrázek 19). Porušenost horninového systému negativně ovlivňuje inženýrské objekty nejen v souvislosti s výše uvedenými horninami. V případě, že se vyskytnou u jinak zcela zdravých a pevných hornin, mohou být důsledkem mnoha škod, kdy dochází ke zhoršení fyzikálně-mechanických vlastností, snížení pevnosti v prostém tlaku a také k řadě dalších problémů. Do této skupiny patří chemická alterace.
Stabilitou alterovaných hornin v okolí přečerpávací elektrárny, se zabývali (Wang et al.
2012). Patří zde také napěťo-přetvárné změny. (Cai et al. 2004) zkoumali napětí, vznik a šíření trhlin v důlním prostředí. Velmi rozšířeným problémem jsou také geodynamické procesy, jako například sesuvy, analyzované autory (Van Westen and Lulie Getahun, 2003).
Ti pomocí leteckých snímků hodnotili v čase vývoj sesuvu Tessina v Itálii, představujícího silnou hrozbu pro vesnici Funes. Existence ploch diskontinuit je rovněž iniciátorem mnoha problémů. Jejich existencí se zabývá (Priest, 1993). Dalším faktorem, který nelze podceňovat je tektonické porušení. Touto problematikou se zabývá (Korup, 2004), který studuje tektonické oslabení v souvislosti s dalšími projevy a dopadem na místní říční systém, infrastrukturu a v neposlední řadě i na okolní sídla. Také špatná orientace puklinových systémů je zdrojem mnoha problémů. S tímto problémem se setkáváme zejména při hloubení tunelů, což dokládá také publikace autora (Barton, 2000), který se zabýval hloubením tunelů v porušeném horninovém systému a jeho riziky. Na existenci puklin dále můžeme navázat
2016 16
Obrázek 19: Porušenost horninového masivu (Marschalko et al., 2002)
Faktor „geologická stavba horninového masivu“ (viz Obrázek 20) vytváří problémové prostředí kombinací jejich jednotlivých složek, tj. vzájemným uspořádáním horninových těles, tvarem, velikostí, genezí, stářím a hloubkou kůry zvětrávání (zvětralinový plášť), ale zejména v kombinaci s ostatními faktory, kdy může docházet například k nerovnoměrnému sedání. Lze tedy říci, že v každé publikaci, zmiňované v této kapitole se vyskytuje v menší či větší míře faktor geologické stavby horninového masivu.
Obrázek 20: Geologická stavba horninového masivu (Marschalko et al., 2002)
Dalším, neméně důležitým faktorem je „napjatost“ (viz Obrázek 21). Stav napjatosti a jeho prognóza tvoří velmi důležitou složku, ovlivňující bezpečnost inženýrského díla.
Jedním z rizik, vedoucích k deformaci inženýrského objektu jsou velké hodnoty napjatosti, kterými se zabývali (Barton et al. 1974) při klasifikaci horninového masivu pro návrh tunelu.
Další rizika vyplývají ze změny způsobené přitížením. Problematikou přitížení pod násypem s výpočtem napětí se zabýval (Jifu, 2003). V opačném případě, kdy mohou nastat změny způsobené odlehčením, se jedná také o potenciální hrozbu. Tyto změny mohou nastat nejen v případě zářezů, ale také v případě hloubení podzemních děl, uváděné autory (Hoek and Brown, 1980). Velmi problematická je změna hladiny podzemní vody, která může nastat například při hloubení základů a vyvolat tak sedání okolních objektů a řadu poruch, jak uvádí (Gue and Tan, 2004). Po odlehčení zůstává v hornině reziduální napjatost, která může být vyvolána například ústupem ledovce. Nejen reziduální napjatost,
2016 18
Obrázek 21: Napjatost (Marschalko et al., 2002)
Změnu napjatosti mohou vyvolat také tektonické síly, jejichž účinky bývají často velmi ničivé a znatelné na podstatně rozsáhlejším území, než je tomu u předchozích složek.
V případě Turecka se projevila síla tektonických sil na zdivu a betonových budovách, jak uvádí (Celep et al. 2011). V neposlední řadě faktor napjatosti zahrnuje existenci tahových napětí v patě svahu a v horní části, které mohou být iniciátorem sesuvů, jak uvádí (Highland and Bobrowsky, 2008). Poslední složkou je vytlačení plastických hornin ve dně údolí (bulging), vzniklého v důsledku změny stavu napětí. Bulging je rovněž problematický při vytláčení horninového prostředí před čelbou tunelu do volného vytěženého prostoru, vytláčení částí opěrných konstrukcí, ale i např. z pohledu nerovnoměrného sedání (pokud na jedné straně dojde k většímu vytlačení materiálu než na straně druhé, může dojít k nerovnoměrnému sedání). Stejně jako předchozí složky, působí bulging destruktivně v zastavěných aglomeracích, jak dokládá (Bird and Bommer, 2004).
Rozsáhlý a významný faktor tvoří „změna hydrogeologických poměrů“
(viz Obrázek 22), která popisuje účinky vody na změnu napjatosti, sedání, zatopení a mnoha dalších. Hydrogeologické poměry jsou zásadní nejen pro každé nově vznikající inženýrské dílo, ale i stávající, protože jejich stav se může měnit. Proto je zjišťována hladina podzemní vody, která při styku se základovou konstrukcí přináší řadu problémů a je nutné toto riziko vyloučit. Hladina podzemí vody způsobuje u architektonicky cenných objektů v Uzbekistánu jejich nerovnoměrné sedání, jak uvádí (Khasanov et a. 1997). Při kolísání hladiny podzemní vody mohou, zejména v kombinaci s určitými typy geologické stavby, nastat problémy se změnou napjatosti, nebo nerovnoměrným sedáním. Dlouhodobá studie kolísání hladiny podzemní vody je v publikaci autorů (Taylor and Alley, 2001).
Směr a rychlost proudění podzemní vody může způsobovat například vymývání podzemí.
Pro města, nejen v blízkosti pobřeží, může být správná úprava režimu podzemních vod klíčová pro jejich samotný vznik, jak uvádí (Jiao, 2000). Kontaminace a agresivita vod porušuje beton a kovové konstrukce, a proto chemismus vody není zanedbatelným údajem.
Agresivitu vody na betonovou přehradu popisuje (Mason, 1990).
2016 20 Existence geohydrodynamického systému s napjatou hladinou představuje další problematickou složku, zejména z důvodu tlakových účinků nebo problémů s izolací.
V Šanghaji byla řešena problematika podzemních vod, v souvislosti s napjatou hladinou na výstavbu a údržbu infrastruktury autory (Xu et al. 2009). Jestliže se v podloží nachází jemnozrnné zeminy, mohou při styku s proudící vodou vyvolat tzv. sufózi.
(Khomenko, 2006), popisuje sufózi jako současnou i budoucí hrozbu měst. Zatopení, šíření kontaminace a další problémy, mohou nastat při hydraulickém propojení zvodní.
Možná rizika a důsledky těchto jevů na Floridě, jsou analyzovány autorem (Tihansky, 1999).
Znečištěním zvodní v důsledku průmyslu a důležitostí jejich izolace se zabývali (Nativ and Weisbrod, 1994). Vztlakové účinky podzemní vody mohou ohrozit stabilitu například u vodní nádrže, jak popisují (Liu et al. 2005). Podobně jako sufóze, působí také ztekucení zemin. Ztekucení zemin může být příčinou deformací zářezů silnic, nebo značně zkomplikovat podzemní stavby. Ztekucení zemin v souvislosti se stabilitou svahů jsou uvedeny autory (Highland and Bobrowsky, 2008). Jako poslední byla do této skupiny složek zařazena změna fyzikálně-mechanických vlastností, která může být více, nebo méně destruktivní, což dokládá ohrožení stability vodní nádrže v Číně, která ve svém důsledku vyvolala nejen fatální destrukci objektů, ale také oběti na lidských životech, jak uvedli (Wang et al. 2008).
Faktor „endogenní procesy“ (viz Obrázek 23) zahrnuje procesy probíhající v zemském tělese. Na povrchu způsobují řadu nepředvídatelných jevů, způsobujících problémy inženýrským dílům. K endogenním procesům řadíme tektonické procesy, v jejichž důsledku může docházet k poklesávání, svahovým pohybům, erozi, zemětřesení a mnoha dalším jevům. Příklad síly tektonických pohybů a dalších průvodních jevů, způsobujících totální destrukci budov i komunikací je v publikaci autora (Doǧangün, 2004). Zemětřesení, zmíněné již několikrát v souvislosti s jinými faktory, je nedílnou součástí endogenních procesů. V řadě případů dochází ke změně reliéfu, subsidenci, svahovým pohybům, nebo ztekucení zemin s fatálními dopady na řadu budov, kterými se zabývali (Bird et al. 2006).
Nepříznivé geotechnické vlastnosti vykazuje také sopečná činnost, spojována zejména s rizikem svahových pohybů, změnou reliéfu a dalšími. Chováním sopečného materiálu se zabývali (del Potro and Hürlimann, 2008).
Obrázek 23: Endogenní procesy (upraveno dle Ondrášik et al., 2010)
Faktor „exogenních procesů“ (viz Obrázek 24) tvoří skupinu procesů, odehrávajících se na zemském povrchu, nebo v bezprostřední blízkosti pod povrchem. Často relativně pomalým, ale negativně působícím procesem je eroze, abraze (zvětrávání), působící na zemský povrch v každém okamžiku. Vliv zvětrávání na stabilitu svahů, ohrožujících komunikace, analyzovali (Jiao et al. 2005). Mezi exogenní procesy patří rovněž svahové pohyby. Jednotlivé typy svahových pohybů mají různý dopad na inženýrská díla.
Pravděpodobností míry rizika na objekty a komunikace v oblasti s vysokou mírou svahových pohybů v Lisabonu se zabývali (Zêzere, 2008). Krasovění představuje jednoznačně nepříznivé prostředí. Při interakci s inženýrským dílem vytváří podzemní dutiny, působí změny hydrogeologického režimu vod, propady podloží atd. V souvislosti se stavbou přehrady v USA, se existencí krasu zabýval (Johnson et al. 2008). Zejména pro spraše je typické prosedání v důsledku kolapsu jejich struktury, kterou se v Číně zabýval (Derbyshire, 2001).
2016 22 Faktor „geomorfologické poměry“ (viz Obrázek 25), zahrnuje nejrůznější tvary reliéfu, které mohou být hlavním iniciátorem, nebo působit v kombinaci s jinými faktory na aktivaci svahových pohybů, inundaci, nerovnoměrném sedání a dalších.
Geomorfologické poměry zahrnují složky jako velká členitost, vyšší sklonitost, nižší sklonitost, typy reliéfu, horizontálně a vertikálně silně členitý reliéf, tvar, meandrující vodní toky a výskyt pohřbených koryt, zdvojené hřbety v horských masivech, zlomová údolí a změny reliéfu. Geomorfologie hraje významnou roli v případě výběru přehradního místa, které musí splňovat řadu náročných kritérií. Tato problematika byla studována autory (Fell et al. 2005, Ghobadi et al. 2005, Turkmen et al. 2002), nebo (Malkawi and Al-Sheriadeh, 2000).
Obrázek 25: Geomorfologické poměry (Marschalko et al., 2002)
Výše uvedené faktory mohou být zcela přírodního původu. Vedle nich existují také
„faktory antropogenní“ (viz Obrázek 26), vyvolané působením člověka, na základě kterých mohou vyvstat problémy, spojené s nerovnoměrným sedáním, sníženou únosností, změnou režimu vod a s řadou dalších. Patří mezi ně poddolované území a těžba, spojené s poklesáváním, nerovnoměrným sedáním, sesuvy, kontaminací vod a řadou dalších.
Problémy stability území, spojené s ukončením těžby byly publikovány autory (Merad et al. 2004). Problematika indukovaného napětí, často spojována s hornickou činností, byla autory (Drozd and Rybář, 1983) zkoumána, v důsledku povrchové těžby hnědého uhlí. Uměle vytvořené násypy mohou být příčinou nerovnoměrného sedání.
Možnostmi zlepšení stability násypů se zabývali (Abusharar and Han, 2011). Další složku tvoří antropogenní sedimenty, pod kterými si lze představit například haldy, které mohou v případě přítomnosti uhelné složky podléhat vzniku termických procesů nebo materiál odkališť, jejichž stabilitou se zabývali (Psarropoulos and Tsompanakis, 2008).
2016 24 Rozšiřující se aglomerace přinášejí problémy spojené s nadměrnou deformací, sedáním staveb, narušením stability, kontaminací vod a řadou dalších problémů, zařazených do složky rozsah urbanizace. (De Rienzo et al., 2008) zjišťovali pomocí geologicko- geotechnického modelování optimalizaci plánování a vývoje podzemních staveb v hustě zastavěné aglomeraci. V souvislosti s urbanizací se také vyskytuje řada problémů, spojených s hospodářskou činností, kdy může docházet ke změnám infiltrace a odtokům vod, degradaci půdy, povodním, illimerizaci a řadě dalších jevů. Posuzování bezpečnosti zemědělské půdy v příměstských i venkovských oblastech jsou popsány autory (DeGraff and Canuti, 1988).
Budování skládek a umělá hnojiva s sebou přináší zejména kontaminaci půd, hornin a vod, negativní dopad na faunu a flóru a řadu dalších problémů. Budování objektu na podloží skládky s sebou nese mnoho rizik, jak uvádí (Emberton and Parker, 1987). Narušení režimu vod, změny mineralizace, subsidence a další, mohou být způsobeny nadměrným využíváním zásob podzemních vod. Příkladem poklesů v důsledku čerpání podzemních vod v Šanghaji je publikace autorů (Chai et al. 2004).
Poslední faktor, označený jako tzv. „jiné faktory“ (viz Obrázek 27), zahrnuje další vlivy, které není radno podceňovat, ale které nelze zařadit do žádné z předcházejících skupin faktorů. Jedná se o hydrologickou změnu, tedy vody na povrchu Země, které způsobují povodně, eroze, svahové pohyby a další. Příklad, kdy srážky podnítily vznik svahových pohybů v Itálii, je popsán autory (Polemio and Sdao, 1999). Určitým způsobem může negativně působit také fauna a flóra. Činností živočichů a vegetačními procesy se zabývali (Jones and Jefferson, 2012). Extrémní změny, které mohou být vyvolány v důsledku nepříznivých klimatických poměrů, způsobují řadu škod, jak uvádí ve své publikaci (Andersland and Ladanyi, 2004). Většina uvedených složek způsobuje zejména škody na inženýrských dílech. Neméně důležité jsou však geochemické procesy ohrožující zdraví, například z nadbytku olova, kadmia, arzénu, radioaktivních látek, hromadění metanu a řada dalších. Takovým příkladem je znečištění ovzduší z uhelného dolu, kterým se zabývali (Chen et al. 2007). Další složku tvoří geofyzikální anomálie, ohrožující, v prvé řadě, zdraví, poruchy přístrojů, havárie vodovodů a další. Rizika a opatření při havárii plynovodů jsou popsány autory (Metropolo and Brown, 2004). Problémy způsobené nadměrnou intenzitou slunečního záření, nebo pádem meteoritů, označujeme jako kosmické vlivy.
Dopady meteoritů na zemský povrch, které jsou jen velmi ojedinělé, popisuje (Mason, 1961).
Obrázek 27: Jiné faktory (upraveno dle Ondrášik et al., 2010)
Ze studie současného stavu publikací, nepublikovaných prací a závěrečných zpráv je možné konstatovat, že doposud nebyla realizována práce o podobné problematice, náplni a obsahu jako uváděná disertační práce.
2016 26
5 Vybrané studie disertační práce dle okrajových podmínek cílů a metodiky práce
5.1 Studie č. 1 – geologické prostředí sprašových sedimentů
5.1.1 Charakteristika
Spraš je úlomkovitá usazená hornina pokrývající 5-10% povrchu všech kontinentů.
Jejich výskyt převládá ve stepních oblastech s intenzivním prouděním vzduchu.
Spraše vznikly zejména v chladném období pleistocénu až holocénu za periglaciálních podmínek. Z hlediska zakládání se jedná většinou o středně únosné půdy, tuhé až pevné konzistence, s nízkou až střední plasticitou. Dle ČSN 73 1001 je tedy řadíme do kategorie F6 – jíly s nízkou plasticitou (Cl) a dle ČSN 73 3050 je v závislosti na plasticitě řadíme do 2. - 4. třídy těžitelnosti. Mezi další vlastnosti patří možnost nerovnoměrného sedání, větší propustnost ve svislém směru a velká pórovitost. Jsou tvořeny zrny prachu velikostí
~ 0,05 mm, které jsou transportovány větrem v suspenzi (viz Obrázek 28). Zrna s větší frakcí (písek) jsou transportována u zemi procesem saltace (viz Obrázek 29). Pro tento typ transportu je charakteristické opracování povrchu jednotlivých zrn. Jako zdroje prachu lze uvést pouště a holé deflační plochy v místech, kde se čerstvě uložily ledovcové, říční, aluviální nebo proluviální sedimenty. Pokud jde o využití spraší, tak kromě vysoké zemědělské hodnoty jsou vhodnou surovinou pro výrobu cihel. (Čurda et al., 1992;
Růžičková et al., 2003; Sloboda et al., 1990)
Obrázek 28: Schéma dvou transportních modelů prachu (upraveno dle Pye, 1995)
Obrázek 29: Model eolického transportu a sedimentace (upraveno dle Pye, 1995)
Složení a struktura spraší
Spraše jsou složeny převážně z křemene, v podstatně menší míře pak obsahují zrna karbonátů, živců, a slídy. Důležitou součástí jsou jílové minerály, dále cca 40% CaCO3. Charakter spraší záleží na zdrojových horninách. Vápnitost spraší není závislá na geologickém podkladu. Pomocí sialicko-karbonátového větrání a činnosti mikroorganizmů dochází k uvolňování karbonátu ze silikátů, který zůstává při povrchu spraše. Pokud jde o strukturu spraší, tak ta se vyznačuje vysokou pórovitostí (n > 40 %) a sloupcovitou odlučností bez výrazného zvrstvení (viz Obrázek 30). (Čurda et al., 1992;
Růžičková et al., 2003; Sloboda et al., 1990)
Vyskytují se v ní makroskopické póry charakteristické tím, že po změknutí, způsobeném zvlhčením, se uzavírají. Typická pro spraše je postoupnost svislými kanálky (trhlinami), podél kterých dochází, v přítomnosti vody, k jejich rozpouštění. Za sucha se spraše vyznačují značnou pevností, avšak pokud dojde k jejich zvlhnutí, svou pevnost ztrácejí a začnou se stlačovat. Svislá propustnost je u nich 40x větší než vodorovná.
Díky výše uvedeným vlastnostem považujeme spraše za velmi stlačitelné zeminy. Místo spraše se však častěji setkáváme se sprašovou hlínou, kde jsou póry vyplněné jílovými částicemi. Pokud γs nedosahuje hodnoty 1,3 t/m2, je potřeba řešit situaci, například piloty do hlubšího podloží (viz Tabulka 1). Sprašové hlíny lze poměrně dobře stabilizovat chemicky vápnem nebo cementem. Díky tomu můžeme výrazně snížit sedání, případně
2016 28
Tabulka 1: Rozdílnost parametru γs (t/m) pro spraše ve vztahu k vhodnosti pro zakládání (Kalandra, 2015)
γs (t/m2) Zakládání staveb
< 1,3 Velmi nebezpečné
1,3 – 1,5 Nebezpečné
1,5 – 1,6 Relativně bezpečné
Obrázek 30: Mikrostruktura spraše (upraveno dle Tana, 1988)
Rozšíření spraší
Ve světě jsou spraše rozšířený zejména v Severní a Jižní Americe, Evropě, Asii a na Novém Zélandu (viz Obrázek 31).
V centrální Asii se vyskytují spraše svrchního a středního pleistocénu.
Díky dlouhodobějším interglaciálním podmínkám jsou některé půdní horizonty mocnější než recentní půda. V Číně spraše zaujímají rozlohu 275 600 km2, kde dosahují průměrné mocnosti 100 m a maximální mocnosti až 300 m. Vytvořily se za aridních glaciálních podmínek a vzniklo zde 37 půdních jednotek za posledních 2,5 miliónu let. Zdrojem prachu transportovaného severozápadním větrem jsou poušť Gobi a sibiřské roviny.
V USA spraše zabírají 30% z celkové plochy tj. od severozápadní částí Skalnatých hor až po údolí Mississippi. Jejich mocnost nepřesahuje 60 m. Většinou se jedná o spraše z posledního glaciálu, výjimečně se mohou vyskytovat i 400 – 500 tisíc let staré.
Podobně jako v USA jsou v Argentině většinou spraše z posledního glaciálu.
Jejich celková rozloha činí 200 000 km2.
V Evropě (viz Obrázek 32) se spraše vyznačují vyšší humiditou. Táhnou se jako nesouvislý, 150 km široký pás ze severu Francie po Ukrajinu. Jeho mocnost se pohybuje většinou do 50 m.
V České republice (viz Obrázek 33) je výškový limit rozšíření vápnitých spraší 300- 400 m n. m. Ve vlhkých oblastech, např. na Ostravsku, se vyskytují i ve výšce 200 m n. m.
Rozlišujeme zde dva hlavní zdroje prachu, kterými jsou lokální a vzdálený zdroj.
Mezi lokální místní zdroje prachu patří například opukový prach a písek (Kladensko) a také prach a písek z labských teras (Hradec Králové). Vzdáleným zdrojem prachu jsou například glacifluviální sedimenty v podhůří Alp a sedimenty kontinentálního zalednění na severní Moravě. (Růžičková et al., 2003)
Obrázek 31: Rozšíření spraší ve světě (upraveno dle Wilson et al., 2001)
2016 30
Obrázek 32: Rozšíření spraší v Evropě (upraveno dle Fink a kol., 1977)
Obrázek 33: Rozšíření spraší a příbuzných uloženin v Československu. 1 – spraše, 2 – prachovce, 3 – vápnité a sprašové váté písky. (upraveno dle Ložek, 1973)
Mechanické vlastnosti spraší
Na (viz Obrázek 34) lze vidět graf zobrazující mechanické chování spraší (pevnost vs.
deformace) na základě obsahu karbonátů a jílovitých částic. Vyšší pevností se vyznačují spraše s vyšším obsahem karbonátů v poměru k obsahu jílových částic. To platí až do momentu porušení struktury, kdy dochází k deformaci a následnému zhroucení spraše.
Naopak spraše s vyšším obsahem jílovitých částic sice mají nižší počáteční pevnost, ale v případě narušení struktury jejich zhroucení není tak rychlé, jako u spraší s vyšším obsahem karbonátů. Nejlepší jsou v tomto ohledu spraše s vysokým obsahem jílů, které se při zatížení prakticky nedeformují a chovají se, podobně jako jemnozrnné soudržné zeminy, elastoplasticky. (Ondrášik a kol., 2010)
Obrázek 34: Vztah mezi pevností a deformací spraše. Spraše s přítomností karbonátů jsou dočasně stabilní, jejich pevnost ale rapidně klesá po vzniku počáteční deformace; naopak spraše s převahou jílovitých
2016 32 Obrázek 35 se zabývá vyhodnocením náchylnosti spraší na prosedavost. Jako základní charakteristiku pro výpočet náchylnosti spraší na prosedání se používá koeficient prosedavosti Imp. Používá se k výpočtu sedání objektů a na všeobecnou charakteristiku prosedavosti zemin. Je to poměr sednutí zkušebního vzorku zeminy (viz Obrázek 35) při daném zatížení a následujícím převlhčení k výšce vzorku před nasycením (rozdíl výšky před a po nasycení). Zeminy lze považovat za prosedavé, když je hodnota koeficientu prosedavosti Imp > 1% při svislém napětí odpovídajícím tíze nadloží, včetně přitížení např.
stavební konstrukcí.
Vzorec pro výpočet koeficientu prosedavosti:
Imp =∆hp
h0 ∙100%
Δhp - svislá deformace zkušebního vzorku po zalití vodou při daném napětí v mm.
h0 = h – Δh - rozdíl mezi původní výškou vzorku přirozeně vlhké zeminy h v mm a svislou deformací Δh od začátku zkoušky do začátku úplného nasycení.
(Ondrášik a kol., 2010)
Obrázek 35: Graf prosedavosti spraše v oedometru vyhodnocený metodou jedné křivky (upraveno dle Šajgalíka a Modlitby, 1983); σz – svislé napětí, Δh – svislá deformace, 1 – deformace přirozeně vlhkého
vzorku, 2 – deformace po nasycení
V (viz Tabulka 2) je uvedené hodnocení náchylnosti zemin na prosedání na základě indexu prosedavosti (Lin a Wang, 1988), jak rovněž na základě Směrnice MŽP SR pro sestavování geologických faktorů životního prostředí (MŽP SR, 1996)
Tabulka 2: Náchylnost zemin na prosedání
dle Lina a Wanga, (1988) in Rafie et al., (2008) a Směrnice MŽP SR (1996)
Hodnocení náchylnosti zemin na
prosedání Index prosedavosti (%) Lin a Wang (1988)
Index prosedavosti (%) Směrnice MŽP SR
(1996)
neprosedavé 0 – 1 < 1
středně / slabě prosedavé 1 – 5 1 – 1,5
vysoce prosedavé 5 – 10 1,5 – 3
velmi vysoce / vysoce prosedavé 10 – 20 > 3
extrémně prosedavé > 20 –
Tabulka 3 nám určuje stupeň prosedavosti dle pórovitosti (Maslov a Kotov, 1971), zatímco Obrázek 36 nám určuje stupeň prosedavosti na základě vztahu mezi objemovou hmotností suché zeminy a mezí tekutosti (Gibbs a Bara, 1962). Tito autoři vycházejí z předpokladu, že pokud zemina dosáhne rovné nebo vyšší vlhkosti, než je obsah vlhkosti na mezi tekutosti, lze zeminy považovat za neprosedavé. (Ondrášik a kol., 2010)
Tabulka 3: Závislost stupně prosedavosti spraší od pórovitosti dle Maslova a Kotova, (1971) a Směrnice MŽP SR (1996) Náchylnost
zemin na prosednutí
Pórovitost %
Kotov, Maslov Pórovitost % MŽP, SR
Modul prosedavosti (mm·m-1) Kotov, Maslov
Modul prosedavosti (mm·m-1) MŽP, SR
neprosedavé < 40 < 40 0 < 10
slabě prosedavé 40 – 45 40 – 46 10 10 – 15
prosedavé 46 – 50 46 – 52 50 15 – 30
silně prosedavé 51 – 55 > 52 100 > 30
velmi silně
prosedavé > 50 – > 100 –
2016 34
Obrázek 36: Graf prosedavosti spraší na základě vztahu mezi objemovou hmotností suché zeminy a mezí tekutosti (Gibbs a Bara, 1962)
5.1.2 Studované situace
Sprašové sedimenty jsou specifickým geologickým prostředím, které si vyžaduje řadu rozdílných přístupů v rozdílných situacích (viz Obrázek 37). Postupně budou popsány studované situace, které mohou nastat v souvislosti se sprašovými sedimenty.
Obrázek 37: Sumární obrázek studie č. 1 se všemi situacemi (každá situace je zvlášť uvedena v samostatném obrázku u příslušného odstavce, kde je situace popsána)
První situace (viz Obrázek 38) ukazuje vybrané charakteristické geologické prostředí spraší Ostravské pánve, které tvoří povrchovou část geologické stavby. Pod nimi se často nachází glacilakustrinní písky. Když tato geologická stavba je zároveň umístěna ve svazích, tak je potřeba při zakládání staveb počítat s několika možnými variantami. V případě, že zakládáme na povrchu, tak většinou fyzikálně-mechanické vlastnosti spraší jsou v tomto regiónu z pohledu únosnosti vyhovující. Když zakládáme hloubkově, pak se setkáváme s variantou, že spraše mají různou mocnost pod základovou spárou, což znamená, že musíme ověřovat, aby nedocházelo k nerovnoměrnému sedání z pohledu nestejné mocnosti sprašových sedimentů v jednotlivých rozích stavebního objektu. Další variantou je, že když zakládáme hloubkově s podsklepeným stavebním objektem, může nastat situace, kdy se stavební objekt ocitne částečně v prostředí glacilakustrinních písků.
Z pohledu možného ohrožení může nastat několik možností. V případě, že je období sucha, tak tento stav stavbu hydrogeologicky neohrožuje. V případě klimatických poměrů s velkou dotací vody, může dojít k úplnému zaplnění prostředí, což způsobí vytvoření napjaté hladiny a možné ohrožení stavby. Nejhorší situací bude stav, kdy budeme mít stavbu hotovou a výskyt napjaté hladiny zjistíme až po nějakém čase. Takovéto situaci se lze stavebně bránit velmi těžce a za velkých finančních nároků, které mohou řádově převyšovat běžné stavební náklady, než kdybychom inženýrskogeologickým průzkumem tento stav detekovali předem. O něco lepší stav je situace, kdy se jedná o variantu s volnou hladinou podzemní vody. I v tomto případě je třeba, abychom o tomto stavu věděli před začátkem stavby. Problémem celé situace je skutečnost, že pro toto prostředí je typická občasná volná nebo občasná napjatá hladina. Často se však provádí průzkum v období sucha, kdy tam voda nemusí být vůbec. To znamená, že při interpretaci průzkumu, který dostatečně nevyšetří režimní změny hydrogeologických poměrů, může docházet k špatnému vyhodnocení hloubkového založení bez izolace, což dodatečným řešením může znamenat velký technický i finanční problém.
2016 36
Obrázek 38: Spraše – první situace – riziko kombinace výskytu izolátoru spraší s podložným kolektorem při různém zakládání stavby
Druhá situace (viz Obrázek 39) řeší stav, kdy máme mocnější vrstvu spraší, které jsou namrzavé a prosedavé. To znamená, že tato situace není obecná pro všechny typy spraší, ale pouze pro jejich méně vhodné typy. Zde nemůžeme založení realizovat (v geografických podmínkách České republiky a jiných zemích s podobnou pozicí) do hloubky 0,9 až 1,1 m, která je zde stanovená jako nezámrzná hloubka. To znamená, že v takovýchto poměrech musíme založit do větší hloubky, aby nedošlo k vlivu promrzání. V geografických podmínkách ČR a podobných krajinách je doporučena empirická hloubka pod 1,6 m.
Obrázek 39: Spraše – druhá situace – potřeba zakládání do větších hloubek při namrzavých a prosedavých spraších
Třetí situace (viz Obrázek 40) upozorňuje na stav, který může nastat v případě termického působení stavebního objektu na podloží se sprašovými sedimenty. Když stavební technologie není dostatečně uzpůsobená pro přenos teplot do podloží a zároveň ve stavebním objektu probíhá výroba, která generuje teplo, může pod sprašovými sedimenty docházet k nerovnoměrnému sedání se změnou vlhkosti ve spraších pod stavebním objektem, v porovnání se sprašemi v okolí, kde termická aktivita není. Vliv tohoto faktoru záleží na dalších okrajových podmínkách, především na vlhkosti. U spraší s vyšší hodnotou vlhkosti
je větší pravděpodobnost tohoto vlivu. Dále to také souvisí s mineralogickým složením spraší, což znamená, že pokud je mineralogické složení více tepelně diletující, tak pravděpodobnost tohoto vlivu je větší.
Obrázek 40: Spraše – třetí situace – vliv tepla z výrobní technologie s možným následkem nerovnoměrného sedání
Čtvrtá situace (viz Obrázek 41) poukazuje na skutečnost, že ne všechny věci týkající se geologického prostředí souvisí pouze se samotným zakládáním staveb a s jejich umisťováním do podloží. Jejich cílem je poukázat na to, že spraše mají další praktické důsledky na okolí stavebního objektu a vůbec na celý región, ve kterém dominují.
Spraše musíme vnímat, vzhledem k jejich nepropustnosti, ve dvou základních klimatických stavech. Prvním klimatickým stavem je převládající srážková činnost. V tomto období jsou spraše díky své nepropustnosti v povrchové vrstvě rozbřídavé, lidé mají při chůzi v takovémto terénu zablácenou obuv a na kola mechanizace se tyto zeminy lepí. Díky této skutečnosti má mechanizace problém s hybností, dále dochází k zablácení silnic, což přináší zvýšené náklady na jejich čištění. Zároveň to přináší zvýšené náklady i na pojezd zemědělské techniky po poli, protože pokud srážkové období trvá delší dobu, nevyhnou se nutnosti pojezdu mechanizace v takovýchto podmínkách. Jinak čekají na období sucha, aby umožnili technickou realizovatelnost prací a snížili náklady. Dalším problémem jsou zemní práce, protože v tomto klimatickém období dochází k vícenákladům souvisejícím s lepivostí na pracovní nástroje těžební a dopravní techniky. To vše, co zmiňujeme, má pak důsledky na okolí stavebních objektů v oblastech se sprašemi, což znamená, že v těchto oblastech musíme mít větší hustotu chodníků, cest a cestiček, pro možnost pohybu v terénu se sprašemi. Znamená to, že v oblastech, které nemají takovéto vlastnosti, bývá jejich
2016 38
Obrázek 41: Spraše – čtvrtá situace – specifický vliv spraší v okolí stavebních objektů
Pátá situace (viz Obrázek 42) se věnuje stavu, kde se vyskytují prosedavé spraše a stavební objekt má umístěné okapy do podloží bez vyvedení dešťové kanalizace. V tomto případě dochází v rozích objektu k tomu, že díky zvýšené vlhkosti spraš více prosedá a následně může dojít k nerovnoměrnému sedání celého objektu. Tento princip nastává i v dalších konkrétních situacích týkajících se umístění vodovodů, kanalizací a všech produktovodů vedoucích tekuté látky. Pokud dojde k únikům tekutiny do spraší, pak dochází v tomto místě k nerovnoměrnému sedání.
Obrázek 42: Spraše – pátá situace – možnost nerovnoměrného sedání v prosedavých spraších při únicích z dešťové kanalizace, vodovodních potrubí, nebo jiných produktovodů s tekutými látkami
5.1.3 Podrobná případová studie vlivu povrchového odtoku na spraších – lokalita
Bravantice
Šestá situace (viz Obrázek 43) řeší jeden z velkých inženýrskogeologických a geotechnických problémů spraší, kterým může být velký povrchový odtok z důvodu nepropustného prostředí. Případová studie, která to demonstruje, je na lokalitě Bravantice v okrese Nový Jičín, na severovýchodě České republiky. Je to lokalita, kde relativně úzké údolí Seziny obklopují plošně rozsáhlá zemědělská pole tvořená sprašovými sedimenty,
zejména charakteru jílu. Je to obec, ve které dochází relativně pravidelně k povodňovým situacím ze zajímavého důvodu. Dochází ke kombinaci kumulace povodně z řeky Seziny, která je navyšována velkým přítokem z plošně rozsáhlých polí. V této obci bývají ohrožovány rodinné domy v nivě samotnou povodní, ale také i domy, které jsou ve svazích, a to právě tímto velkým povrchovým odtokem ze zemědělských ploch. Proto tato příp. studie je výborným vědeckým příkladem demonstrujícím nebezpečnost tohoto faktoru.
Největším nebezpečím je velikost plochy samotných polí. To je způsobeno charakterem morfologie zdejšího regionu, který je predisponován geologickou stavbou, protože sprašové sedimenty se nacházejí buď na glacilakustrinních sedimentech, nebo na prvohorních kulmských drobách, prachovcích a jílovcích. Vzhledem ke stáří této geologické jednotky, jsou zde relativně menší sklony svahů. V minulosti byl řešen velký povrchový odtok polí podzemním melioračním systémem, který však již byl zastaralý a neudržovaný. Vzhledem k této situaci docházelo k poškozování objektů velkým povrchovým odtokem. Také u pat svahů docházelo i k tečení jemnozrnných zemin, které přehrazovaly silnici. Za katastrofické situace v roce 2013 zde došlo k dopravním nehodám, protože k tečení přes silnici došlo v nočních hodinách. Řidiči do tohoto půdotoku najeli a ocitli se mimo silnici. Z důvodu poškozování objektů povrchovým odtokem, z důvodu ohrožování silnice tečením a z důvodu velkého přítoku z polí bylo přikročeno k vybudování rozsáhlého systému ochrany proti tomuto velkému povrchovému odtoku, což bylo realizováno pomocí malých protipovodňových hrází umístěných po okrajích sprašových polí (Obrázek 44). Hráze byly osazeny pruhem stromové vegetace, která byla ohrazena plotem zabraňujícím zvířatům v ničení zeleně. Tento systém byl doplněn v místech, kde se nacházely velké erozní rýhy s poldrovými hrázemi. Zde by menší hráze nestačily zachycovat zvýšenou kapacitu těchto erozních rýh, protože v těchto místech, kromě kumulace vody vyplývající s dotace na plochu, jsou navíc dotovány ze svahů polí a také jsou místem, kde dochází k větší kumulací tohoto povrchového odtoku přirozeným spádem do erozní deprese. Takovýto rozsah povrchové ochrany v České republice není obvyklý a případová studie Bravantic je vzorovou lokalitou pro další regiony, kde mají podobné ohrožení. Rozsah protipovodňových opatření je zřejmý z turistické mapy (viz Obrázek 45), nového a starého leteckého snímku (viz Obrázek 46 a Obrázek 47) a také z inženýrskogeologického řezu
2016 40
Obrázek 43: Spraše – šestá situace – možnost velkého povrchového odtoku
Obrázek 44: a) ochranné hráze chránící stavební objekty proti povrchovému odtoku v studované ploše č. 2 b) ochranný poldr v studované ploše č. 2 c), d) ochranné hráze v studované ploše č. 1 – zde je patrná velká
plocha polí, kde se vytváří ohrožující povrchový odtok
Obrázek 45: Topografická mapa Bravantic s vyznačením s vyznačením trasy inženýrskogeologického řezu, studovaných ploch ohrožených povrchovým odtokem (s vyznačením jeho směru), ochranných hrází a poldrů
(mapový podklad - www.mapy.cz)
2016 42
Obrázek 46: Nová letecký snímek Bravantic (2016) s vyznačením studovaných ploch ohrožených povrchovým odtokem (s vyznačením jeho směru), ochranných hrází a poldrů
(letecký snímek - www.mapy.cz)
Obrázek 47: Starý letecký snímek Bravantic (2012) s vyznačením studovaných ploch ohrožených povrchovým odtokem (s vyznačením jeho směru), ochranných hrází a poldrů (na tomto leteckém snímku
nejsou ještě vybudovány ochranné hráze a poldry - www.mapy.cz)
2016 44
Obrázek 48: Schématický inženýrskogeologický řez procházející zkoumanými plochami č. 1, č. 2 a č. 3 (viz Obrázek 45) (zpracováno dle Roth Z. a Šibrava V., 1970)
Obrázek 49: Inženýrskogeologická mapa Bravantic s vyznačením studovaných ploch ohrožených povrchovým odtokem (s vyznačením jeho směru), ochranných hrází, poldrů a jednotlivých rajónu: Lp – Rajón polygenetických sprašových sedimentů (podrajóny 39-48), Sf – Rajón střídajících se jemnozrnných, písčitých a štěrkovitých sedimentů (podrajón 4), Fn – Rajón náplavů nížinných toků (podrajóny 49-61), Gf –
Rajón glacifluviálních a glacilakustrinních, převážně nesoudržných sedimentů (podrajóny 13-18), D – rajón deluviálních sedimentů (podrajóny 39-48), Du – rajón deluviofluviálních sedimentů (podrajóny 62-67).
(upraveno dle Sloboda et al., 1993)
