Ojačanjem temeljnog tla objekta do povećane potresne otpornosti - stručni rad

Temeljno je tlo posljednji strukturni element na koji se prenose seizmičke sile i nezaobilazan je faktor stabilnosti, ali i ugorza nekim građevinama. Dugogodišnje iskustvo u ispitivanju i ojačavanju temelja zgrada u urbanom području Zagreba i Banovine pokazalo je da se tlo u mnogim slučajevima degradira, prvenstveno sekundarnim utjecajima. Među najizraženijima su tu utjecaji vode proizašli iz zastarjele infrastrukture vodoopskrbe i odvodnje, te klimatske promjena koje uzrokuju duge suše i obilne kiše. Takvo tlo ima lošija geomehanička svojstva od onih prema kojima je objekt projektiran prije izgradnje, te samim time ne pruža dovoljnu nosivost objektu koji se na njemu nalazi. Ovaj problem je još izraženiji prilikom potresnih oscilacija koje proizvode dodatno dinamičko opterećenje na temeljno tlo što rezultira većim pomacima objekta, a time i većim rizicima za ljude i građevine.

U ovom će se radu kroz matematičke modele, ali i primjere iz prakse, prikazati utjecaj potresa na zgrade s degradiranim temeljnim tlom, kao i utjecaj na one gdje je temeljno tlo ojačano ili sanirano metodom injektiranja dvokomponentne poliuretanske ekspandirajuće smole neposredno prije potresnih događanja. Bez obzira na način poboljšanja temeljnog tla, svaka od metoda ojačavanja temeljnog tla pridonosi stabilnosti zgrade, a time i seizmičkoj otpornosti; posebno u slučajevima kada je došlo do degradacije temeljnog tla nakon njegove izgradnje. 

Temeljno tlo predstavlja područje tla neposredno ispod temelja i posljednji je građevinski medij u koji se prenose sva statička i dinamička opterećenja zgrade. Temelj je najniži strukturni element konstrukcije koji opterećenje zgrade prenosi na temeljno nosivo tlo te ga ravnomjerno raspodjeljuje na dovoljno veliku nosivu površinu čime se zbijanje tla zadržava unutar prihvatljivih vrijednosti, a time i sprječava pretjerano slijeganje, nagibanje ili oštećenje građevine. Pri projektiranju / sanaciji zgrade, uvjeti tla i / ili svojstva tla možda neće biti dovoljno dobri, tj. nosivost temeljnog tla ispod temelja može biti neadekvatna, pa su stoga potrebne mjere za poboljšanje tla. Djelovanje prirodnih katastrofa poput potresa, uslijed indukcije velikih inercijskih sila i širenja seizmičkih valova, posljedično smanjuje nosivost temeljnog tla i posljedičnog utjecaja na prekoračenja nekih graničnih stanja konstrukcije što može dovesti do intenzivnih oštećenja na konstrukciji. Zbog izravne povezanosti konstrukcije i tla, smanjenja nosivosti temeljnog tla (degradacija tla) ispod temelja i određenih oscilacija konstrukcija i temelja rezultirat će pojavom pukotina, vrlo često na donjim katovima samog objekta. Različite vrste tla tijekom potresa različito provode generirane seizmičke valove potresa čiji utjecaj na objekte stoga uvelike ovisi o samim karakteristikama temeljnog tla. Time se ukazuje na važnost karakteristike temeljenog tla i njegove ulogu u stabilnosti konstrukcija.

Temeljna tla u našoj klimi podložna su vlaženju i sušenju, a time i promjeni volumena i geomehaničkih karakteristika. Tlo ispod zgrada u gradu Zagrebu često se degradira zbog loših sustava odvodnje. Loša temeljna tla i lokalno ukapljivanje najčešće su uzrokovani lošim i zastarjelim instalacijama vodovodne i kanalizacijske infrastrukture. Loša odvodnja oborinskih voda i zastarjeli sustavi odvodnje sanitarne vode s vibracijama uzrokovanim prometom i potresima ogromni su 'krivac' lošeg tla koje tada u potresnom stanju ne može izdržati dinamička opterećenja.

Temeljno tlo kao važan faktor kod oštećenja građevina

Za razliku od sekundarnih utjecaja koji mogu dovesti do pukotina u "mirnim" uvjetima, potres predstavlja dodatno dinamičko opterećenje koje dovodi do znatno većih šteta na konstrukciji. Kako se potresni valovi preko temeljnog tla prenose prvo na temelje, a zatim i na objekt, temeljno tlo jest prva "linija obrane" i njegovo stanje uvelike utječe na razinu oštećenja. U trenutku potresa do popuštanja temelja može doći zbog dva različita mehanizma: jedan, iako trenutan, nastaje uslijed povećanja sila i momenata koji se prenose na temelj pri čemu sile drastično premašuju sile u statičkom stanju; drugo, opetovano opterećenje može dovesti do gubitka čvrstoće tla kao u slučaju tla podložnih likvefakciji. Kako bi se problem s temeljnim tlom riješio, pored obnove podzemnih instalacija potrebno je pristupiti i poboljšanju tla.

Prilikom projektiranja objekti se konstruiraju prema stanju tla na kojem će se graditi, no ukoliko se to stanje tla tijekom korištenja objekta promijeni i oslabi, smanjit će se razina potresne otpornosti za koju je objekt projektiran. U tim uvjetima nužno je tlu vratiti čvrstoću i nosivost. Sanacijske mjere za poboljšanje nosivosti temelja mogu se razvrstati u dvije glavne kategorije: jedna je sanacija temeljnog tla, a druga je sanacija temelja. Metode sanacije tla uvelike poboljšavaju čvrstoću tla i otpornost na likvefakciju istovremeno. S obzirom na slučaj postojećih građevina, posebno u gradskom okruženju, velika većina raspoloživih metoda u ove dvije široke kategorije nije primjenjiva ili je ozbiljno ograničena zbog pretjerane buke ili vibracija nastalih tijekom izvedbe, veličine potrebne opreme ili zbog ograničene uporabljivosti objekta tijekom izvođenja radova.

S druge strane, ojačavanje temeljnih tla metodom injektiranja ekspandirajućih smola ima izuzetne prednosti u pogledu takvih problema u gradskom okruženju i pruža relativno visoku razinu učinkovitosti u usporedbi s mogućim alternativama, posebno za postojeće građevine. Primjer pozitivne povratne informacije važnosti sanacije temeljnog tla te otkrivanja uzorka degradacije tla kao i pozitivnog utjecaja prilikom potresa govori projekt sanacije na zgradi s 12 stanova u Haulikovoj ulici izgrađenoj početkom 20. stoljeća, saniranoj prije potresa. Tlo je bilo ugroženo zastarjelim i uništenim kanalizacijskim sustavom i vibracijama u blizini zgrade, što je ispitivanjem stanja temeljnog tla DPM metodom i korelacijom s SPT metodom utvrdilo stvarno stanje tla te pozicija ugroženog dijela temeljnog tla te sanacija istog.

Deep Injections Multipoint

Kako bi zaustavio proces slijeganja zgrada ili poboljšale karakteristike tla te kako bi se omogućila dogradnja i nadogradnja objekta, URETEK je razvio tehnologiju lokalnog ubrizgavanja ekspanzijske smole pod visokim pritiskom u temeljno tlo s malim utjecajem. Tehnologija dubokog injektiranja u svijetu se koristi već 25 godina, a sama dinamika izvođenja radova relativno jednostavna i ne zahtijeva invazivna iskopavanja ili sustave spajanja na postojeće i nove temeljne konstrukcije. Sustav Multipoint predstavlja najnovije poboljšanje tehnologije dubokih injekcija s daljnjim prednostima.

Uretek DEEP INJECTIONS multipoint sistem je brz, neinvazivan i pokazuje trenutne rezultate. Bušenje bušotina malog promjera jamči niske vibracije i uklanja potrebu za bilo kakvim strojevima za iskop ili teške bušilice. Cijev za injektiranje gurne se u izbušene rupe i započinje proces injektiranja smole u tlo.

Injekcijske cijevi i smola

Cijev za injektiranje je perforirana te ima promjer 12 mm. Same rupe na cijevi se nalaze na određenoj udaljenosti kako bi se dobio optimalan protok smole u tlo. Promjer otvora raste s dubinom kako bi se zajamčila jednolična emisija smole i koherentno poboljšanje tla. Smola izlazi iz cijevi za ubrizgavanje s tlakom koji je dovoljno visok da lomi tlo i stoga također može zadirati u kohezivna tla.

URETEK GEOPLUS je dvokomopnentna poliuretanska smola. Postoji nekoliko vrsta smole, koje se brzo šire sa različitim tlakovima ekspanzije u rasponu od srednjih do visokih. Male količine smole ubrizgavaju se točno ispod razine temelja u volumen tla kada naponsko stanje dosegne svoj vrhunac. Da bi se izbjeglo istjecanje materijala iz ovog volumena, širenje zajedno s povećanjem viskoznosti smole mora biti vrlo brzo.

Stoga, nakon ubrizgavanja u tlo koje treba tretirati, smola se odmah počinje širiti. Visok tlak ekspanzije injekcijske smole također je potreban da bi se osiguralo pravilno sabijanje tla te mora biti puno veći od naponskog stanja u tlu izazvanog opterećenjem konstrukcije kako bi se omogućila određena brzina širenja. Proces širenja prvo dovodi do zbijanja okolnog tla, a zatim, u slučaju prikladnih konstrukcija, i do samog podizanja.

Slika 1. Raspodjela izlaznih otvora i širenje smole

Injektiranje

Kako bi se spriječio nepotreban gubitak smole, ali i osigurala stvarno potrebna količina i postigao odgovarajući efekt ojačanja, injektiranje se prekida nekoliko puta na nekoliko sekundi. U to se vrijeme smola širi i sabija okolno tlo, gradeći prepreku za nadolazeću slijedeću smolu sljedećeg intervala. Sav postupak prate električni prijamnici osvijetljeni laserskim odašiljačem i usidreni na zgradu čiji se temelj obrađuje.

Rezultati

Ispitivanja penetracijskim uređajem prije i nakon injektiranja pokazuju značajan porast potrebnog broja udaraca. Tijekom pokusa izvršenih prije rada spomenutom tehnologijom, prosječno povećanje zbijenosti tla iznosilo je 48% za kohezivna tla i 75% za zrnasta tla.

Sanacija temeljnog tla: Zgrada u centru Zagreba

Stambeni objekt izgrađen 1880-tih godina (Slika 2.), u četiri etaže tlocrtnih dimenzija  22,0 × 22,0 m, nalazi se u centru grada Zagreba, pored prometnice intenzivnog cestovnog prometa. Objekt je smješten pročeljem na zapadu uz pločnik, sa sjevera i juga je sljubljen sa ostalim objektima. Građevina je ugrožena uslijed slijeganja pretežito istočnog dijela koji je pokriven ravnim krovom nepoznatog pokrova a u prizemlju sa dvorištem i starim raslinjem.

Prilikom pregleda objekta uočene su značajne pukotine uzduž stubišta, koje su u dnu širine 1,0 - 5,0 mm, pa sve do vrha, gdje su i do 10 mm, te uzduž oba svjetlarnika, više prema istočnoj strani cca 1/5 od ruba. Objekt je izgrađen na trakastim ne armiranim temeljima čije je ziđe mješavina cigle sa betonom i kamenom.  Dubina temelja iz podruma je 0,4 m, a sa vanjske površine na istoku 1,4 m te sa zapada 1,8 m, širina temelja 0,75 m. 

Opis uvjeta u tlu

Istražni radovi obavljeni su 15. svibnja 2018. Ispitano je tlo provedbom 8 penetracijskih bušotina (DPM),  iskopom jedne sondažne jame i provjerom geometrije temelja na 4 lokacije Maksimalna dubina penetriranja je na bušotini B2 do dubine 4,6 m u odnosu na nivo okolnog tla.

Slika 3. Tlocrtna dispozcija istražnih radova

Na osnovu rezultata provedenih istražnih radova zaključuje se da su karakteristike  tla, neposredno ispod temeljne konstrukcije, u  područjima  ispitivanja  B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7 i B8, nezadovoljavajuće. Riječ je o mekom do srednje gnječivim glinama ili glinovitim pijescima. Otpornost temeljnog tla uvjetovana je prisutnošću vlage, koja oscilira ovisno o meteorološkim uvjetima mikro lokacije. Slojevi temeljnog tla na relevantnim dubinama nemaju zadovoljavajuće vrijednosti parametara čvrstoće. Iz tog razloga potrebno je provesti njihovo poboljšanje. Zamjećuje se značajan utjecaj oborinskih voda u depresiji, koja se nalazi u dvorištu, okruženo okolnom objektima.

Pojava podzemnih voda tijekom kišnih perioda godine, a koja nije utvrđena provedenim istražnim radovima, predstavlja dodatni čimbenik povećanju vlažnosti temeljnog tla, odnosno smanjenju njegove otpornosti i posljedično nepovoljnim oscilacijama ponašanja temeljne i nosive konstrukcije predmetne građevine.

Cjelovitija slika stanja temeljnog tla dobila bi se detaljnijim ispitivanjem (SPT ili CPT), ali s obzirom na iskustva u Hrvatskoj i svijetu prilikom ojačavanja temeljnog tla poliuretanskim smjesama i na temelju pregleda lokacije, ispitivanja tla DPM-om 30 i korelacijom sa SPT ispitivanjem dovoljno je za određivanje zone ugroze i za predlaganje ojačanja tla.

Zahvat sanacije temeljnog tla

Temeljem nalaza i izvršenog ispitivanja ustanovljeno je da je na predmetnom objektu od strane dvorišta, došlo do pojave neprihvatljivih slijeganja temeljne konstrukcije na njegovom južnom, istočnom i sjevernom bloku, uzrokovanih nepovoljnim utjecajem slivnih i oborinskih voda kroz duži niz godina, te posljedično devastiranjem temeljnog tla. U zatečenoj situaciji smatra se da ono nema zadovoljavajuće vrijednosti relevantnih parametara čvrstoće i deformabilnosti.

U svrhu poboljšanja nosivosti i karakteristika tla ispod trakastih temelja na dvorišnom dijelu zgrade,  te središnjeg temelja unutar objekta u podrumu, predviđena je sanacija tla ispod temelja na osnovi projekta sanacije napravljenog u lipnju 2018. godine. Budući da se radi o stambenom objektu u urbanoj sredini, rješenje sanacije razmatrano je sa više aspekata. Odabrana je tehnologija sanacije pomoću ekspandirajuće smole. Prednosti odabrane tehnologije je sljedeća:

• ne koriste se teški strojevi i nema građevinskog otpada
• radovi na injektiranju traju relativno kratko
• nema narušavanja svakodnevnih aktivnosti ljudi u objektu
• smanjuje se utjecaj vlage na temelje te poboljšava temeljno tlo
• nema zagađivanja okoliša

Za spomenuti projekt izvršeno je injektiranje na ukupnoj dužini od 50,0 metara (slika 4) dvokomponentnom,  poliuretanskom, ekspandirajućom smolom tipa URETEK GEOPLUS metodom Deep Injections . Injektiranje tla je izvedeno sve do dubine 3,0 m ispod dna temelja odnosno oko 4,4 m od okolnog tla uz paralelno lasersko praćenje pomaka zidova objekta.

Za vrijeme injektiranja, utvrđene vrijednosti pomaka se kreću od 0,5 do 2,0 mm prema gore. Razmak bušotina za injektiranje se kreće od 0,8 m do 1,2 m, ovisno od položaja otvora na zidovima i zatečenih instalacija.  Radovi su izvedeni većim dijelom, ukupno 37 bušotina sa vanjske strane i 13 bušotina unutar objekta s pozicije podruma.

Analitički rezultati

Geotehnički model tla, uključuje prostorni raspored slojeva ili zona tla sličnog geološkog podrijetla i sličnih mehaničkih svojstava, parametre tla (na temelju korelacije DPM i SPT) te uvjete i pretpostavke pod kojima predstavljaju prihvatljivu aproksimaciju prirodnog ponašanja tla u rasponu značajnosti za predviđeni građevinski projekt i graničnim uvjetima koji mogu utjecati na odabrani geotehnički model. Parametri tla dobiveni na temelju korelacije su sljedeći (Stroud & Butler (1975)).

1. Layer – CL from 0,0 m to 1,4 m (γ = 20 kN / m3; c = 20 kPa; φ = 26; Ms = 6 MPa),
2. Layer – CI from 1,4 m to 2,4 m (γ = 19 kN / m3; c = 18 kPa; φ = 25; Ms = 3,5 MPa),
3. Layer – CH from 2,4 m to 7,0 m (γ = 20 kN / m3; c = 30 kPa; φ = 20; Ms = 11 MPa).

Geostatički proračun proveden je pomoću Plaxis 2D i 3D ver. 2017 (metoda konačnih elemenata). Tlo se modelira pomoću nelinearnog modela stvrdnjavanja tla. Udaljenosti granica proračunskog modela od mjesta najvećih promjena napona odabrane su prema uobičajenim pravilima numeričkog modeliranja. U čvorovima vertikalnih granica spriječeni su vodoravni pomaci, dok su u čvorovima donje granice spriječeni vertikalni pomaci.

Slika 5. a) 2D model b) 3D model

Procijenjeno slijeganje temelja zgrade prije ojačavanja temeljnog tla od same težine zgrade (156 kN/m2) iznosi 3,84 cm (slika 6, a), dok je uz dodatno opterećenje od 30% (200 kN/m2) 6,39 cm, što je dodatno slijeganje od 2,55 cm. Prema analizi ojačanja temeljnog tla koristeći tehnologiju DEEP INJECTIONS MULTIPOINT i nanošenju dodatnog opterećenja od 200 kN/m2, slijeganje iznosi 4,34 cm (slika 6, b), što je dodatno slijeganje od 0,5 cm u odnosu na slijeganje  objekta bez dodatnog opterećenja, što nam govori kako je omjer učinka poboljšanja 5,1 puta veći.

Slika 6. a) Slijeganje objekta bez dodatnog opterećenja b) slijeganje objekta nakon ojačavanja temeljnog tla

Usporedba rezultata ispitivanja temlejnog tla prije i nakon injektiranja

Nakon ojačanja temeljnog tla pristupa se kontrolnom ispitivanju uređajem DPM 30, a uspoređuju se dobiveni rezultati ispitivanja tla prije i nakon injektiranja (prema dobivenom broju udaraca) kako bi se dobili podaci o povećanju zbijanja temeljnog tla i uspjehu injektiranja U tablici 1. dati su rezultati ispitivanja penetrometrom DPM-30 i korelacija s SPT metodom za bušotinu B1 prije injektiranja i  rezultati dobiveni nakon injektiranja i ojačanja temeljnog tla korištenjem dvokomponentne poliuretanske smole metodom DEEP INJECTIONS.

Tablica 1 – Rezultati ispitivanja temeljnog tla prije i nakon inektiranja

Na temelju gore prikazanih rezultata u Tablici 1, vidljivo je kako je nakon izvedenog ojačanja temeljnog tla injektiranjem pomoću dvokomponentne poliuretanske smole, broj udaraca dobivenih ispitivanjem pomoću DPM-30, a samim time i dinamička otpornost, veći su u odnosu na rezultate dobivene prije procesa ojačanja temeljnog tla. Time se može izvesti zaključak da je nosivost tla nakon injektiranja veća, što nam i dokazuje kako je provedena sanacija temeljnog tla bila uspješna. Također nakon potresa koji je pogodio Zagreb u ožujku 2020. godine utvrđeno je kako se na zgradi pojavilo par sitnih pukotina bez ikakvih većih oštećenja ili ugrožavanja stabilnosti.

Zaključak

Ekspanzivno ubrizgavanje polimera poboljšava otpornost tla kroz dva različita načina, ovisno o vrsti tla i načinu injektiranja: prvo, u dijelovima tla kroz koje se smola impregnira, prazni prostor u tlu ispunjava ekspanzivna smola i daje se kemijska veza između čvrstih čestica koje čine tlo; drugo, zbog ekspanzivnog karaktera smole, ubrizgano tlo se povećava u volumenu, vršeći značajne pritiske na okolinu što rezultira povećanjem efektivnog naprezanja i smanjenjem praznina (sabijanja) u masi tla.

Geostatička analiza ali i oštećenja zgrade u Haulikovoj ulici prije potresa u ožujku 2020. doveli su do zaključka da zgradi prijeti stabilnost uslijed slijeganja, što je dovelo do potrebe za ojačavanjem tla radi povećanja statičke i dinamičke (potresne) otpornosti. Primjenom parametara Uspjeh ojačavanja temeljnog tla potvrđen je praćenjem pomaka na zgradi nakon intervencije, pri čemu u oba razdoblja (od intervencije do potresa i nakon potresa) nisu zabilježene značajnije promjene.

Iskustva u primjeni tehnologije ojačavanja temeljnog tla poliuretanskim smolama u gradu Zagrebu i okolici naknadnim praćenjima pokazala su vrlo slične rezultate uspješnosti izvedbe sanacije temeljnog tla.

Literatura:

1. Kvasnička P,Domitrović D. (2007) Mehanika tla, Sveučilište u Zagrebu, Rudarsko geološko naftni fakultet
2. Lukić Kristić, I,Szavits-Nossan, V.,Miščević,P. (2016.): Direct method for determination of shallow foundation settlements, Građevinar, vol.6, br.69., str. 467-477.  https://hrcak.srce.hr/185035
3. Simović, V. (2000): Potresi na zagrebačkom području, Građevinar, 52 11, str. 637-645. https://hrcak.srce.hr/file/20003
4. Veinović, Ž., Domitrović, D., Lovrić, T. (2007): Pojava likvefakcije na području Zagreba u prošlosti i procjena mogućnosti ponovne pojave tijekom jačeg potresa, Rudarsko-geološko-naftni zbornik, 19, str. 111-120. EN 1997-1: Eurocode 7: Geotechnical design - Part 1: General rules, European Standard, CEN, Brussels, 2004.111-120. http://geotechnicaldesign.info
5. AIT – Austrian Institute of Technology: Tehnička dokumentacija proizašla iz postojećih dokumenata i provedbe općih testova GEOPLUS proizvoda
6. TUVIT-ISP-2012001-URETEK S.R.L. - Certifikat-Procjena postupaka URETEK DEEP INJECTIONS metode za konsolidaciju i stabilizaciju temeljnog tla injektiranjem ekspandirajuće smole
7. Stroud, M.A. and Butler, F.G. (1975): The standard penetration test and the engineering properties of glacial materials, Proc. of the Symposium on the engineering behaviour of glacial materials pp 117 - 128. University of Birmingham.
8. Dei Svaldi A., Favaretti M., Pasquetto A., Vinco G.,2005. Modellazione analítica del miglioramento del terreno attraverso iniezioni di resina ad alta pressione d’espansione, Conference on Ground imrovement techiques, Coimbra, 6 pages.

Autori:

• Tomislav Gregurić
• Matija Orešković
• Alberto Pasquetto
• Eda Fett