Destrukce stokové sítě vlivem přitížení povrchu

Úvod

Všechna velká evropská města mají vybudován důmyslný kanalizační systém, jehož hlavní částí jsou zděné páteřní stoky. Například v Praze se nachází cca 375 km zděných stok vejčitého profilu a celková délka stokové sítě je 3660 km. Oprava havárií těchto páteřních stok je technicky náročná a finančně nákladná. Jedním z častých spouštěcích mechanismů kolapsu zděných stok je nadměrné přitížení povrchu, jehož následkem vzniknou trhliny (obr. 1), které vedou ke ztrátě vodotěsnosti konstrukce. Těmito trhlinami dochází k průsakům podzemní vody a současně vyplavování malty mezi jednotlivými cihlami. Uvolněné cihly „vypadnou“ do profilu stoky, tím dojde ke ztrátě stability celé konstrukce a k následnému závalu (obr. 2), který se projeví propadem povrchu nad poškozeným místem (obr. 3). Pokud se tedy uvažuje o přitížení povrchu v blízkosti kanalizační stoky, je bezpodmínečně nutné prokázat její odpovídající mechanickou odolnost a stabilitu. V současné době lze tyto geotechnické úlohy řešit pomocí numerické simulace, jež jednoznačně určí maximální hodnotu přitížení, kterou je daná stoka schopna přenést.

Přitížení povrchu

Nejběžnější příčiny přitížení povrchu souvisejí se stavebními pracemi, které jsou prováděny v blízkosti stokové sítě. Toto přitížení může být krátkodobé (stavební stroje), nebo dlouhodobé (základové konstrukce nových budov). Pro výstižné řešení dané geotechnické úlohy je nutné si uvědomit, že účinky napětí od přitížení povrchu se projevují i mimo dosah tzv. deformační zóny (obr. 4). Podle ČSN 73 1001 Základová půda pod plošnými základy je deformační zóna pod základem omezený prostor v základové půdě, v němž dochází k nezanedbatelným deformacím vyvolaným zatížením stavbou. Jedná se tedy o oblast, v níž je hodnota svislého napětí σ_z rovna strukturní pevnosti zeminy σ_or redukované násobkem geostatického napětí m. Pokud je tedy napětí od přitížení povrchu přenášeno pouze skeletem zeminy, jsou deformace základové půdy zanedbatelné a dochází pouze ke zvýšení napětí.

Specifikou podzemních konstrukcí je jejich aktivní a pasivní spolupráce s horninovým prostředím. Konstrukce se vlivem působení zatížení deformuje a působí na okolní horninové prostředí. Tím dochází k aktivaci pasivního odporu horniny. Tento jev výrazně ovlivňuje únosnost podzemních konstrukcí, a proto je nezbytné pasivní odpor horniny ve statickém výpočtu uvažovat. Horninové prostředí je ve výpočetním modelu simulováno radiálními a tangenciálními pružinami. Radiál ní pružiny jsou definovány tak, aby působily pouze v tlaku, při vlastním výpočtu tedy dojde k vyloučení tažených oblastí. Tangenciální pružiny simulují tření na plášti konstrukce a jsou definovány jako pružné.

Příklad 1

V tomto případě došlo k mechanickému porušení zděné kanalizační stoky v důsledku přitížení povrchu autojeřábem. V souvislosti s výstavbou nových inženýrských sítí byl z prostorových důvodů umístěn autojeřáb do blízkosti nadloží zděné stoky PN III – 800/1430 mm (obr. 6), která se nacházela v hloubce 4,0 m pod stávajícím terénem. Přírůstek napětí v zemině od patky autojeřábu byl uvažován podle Boussinesqa, tzn. lineárně pružný homogenní, izotropní poloprostor. Podloží je tvořeno hlínou písčitou (F3 – MS) s následujícími parametry:

E_def = 10 MPa, ν = 0,35, γ = 18 kN/m³, m = 0,2.

Maximální síla v patce autojeřábu byla 330 kN při hmotnosti břemene 12 t a vyložení 10 m. Vlivem tohoto přitížení povrchu působilo na konstrukci stoky nesymetrické radiální zatížení o maximální intenzitě 9 kN/mb (obr. 5). Výpočtem bylo prokázáno, že v tomto případě je nejslabším místem konstrukce horní část klenby. V této oblasti došlo k překročení tahové pevnosti malty a následnému vzniku trhlin o šířce cca 5 mm (obr. 8). Tuto šířku trhliny nelze z hlediska provozuschopnosti konstrukce stoky považovat za akceptovatelnou. Výsledky numerické simulace prokázaly velmi dobrou shodu s reálným porušením skutečné konstrukce (obr. 8).

Příklad 2

V souvislosti s realizací developerského projektu došlo k zatížení sklolaminátové stoky DN 1400 (obr. 9) věžovým jeřábem. Stoka se nacházela v hloubce 4,2 m pod stávajícím terénem. Toto přitížení vedlo k její okamžité destrukci (obr. 10). I v tomto případě prokázaly výsledky numerické simulace velmi dobrou shodu s reálným porušením skutečné konstrukce.

Závěr

Na výše uvedených příkladech z praxe je názorně vidět, že i když hloubka deformační zóny nezasahuje do úrovně kanalizační stoky, může přitížení povrchu vyvolat nevratné poškození na předmětné konstrukci. V prvním případě došlo u zděné stoky ke vzniku nadměrných trhlin, čímž se aktivoval mechanismus kolapsu zděné stoky (průsaky, vyplavování pojiva, vypadávání cihel, zával a propad na povrchu). V druhém případě došlo k okamžité mechanické destrukci sklolaminátové stoky. V současné době lze tyto složité geotechnické úlohy výstižně řešit numerickými simulacemi a tím předcházet finančně i technicky náročným rekonstrukcím stokové sítě.

Celý článek naleznete v archivu čísel 09/2017.