6.3.2.1
Doporučení k budování plošných základů
Ing. Bohumír Číhal
Plošné základové konstrukce přenášející zatížení vrchní stavby na větší plochu tak, aby byly splněny požadavky I. a II. skupiny mezních stavů, najdou uplatnění obvykle tam, kde se pod základovou spárou vyskytují dostatečně únosné vrstvy základové zeminy. Z konstrukčního hlediska jsou to základové pásy, patky, rošty a desky. Jaký druh základů se hodí pro konkrétní objekt, závisí na konstrukčním systému objektu, velikosti zatížení budovy a druhu, složení a únosnosti základové půdy. V této kapitole se zaměříme na volbu druhu základových konstrukcí a doporučení k jeho návrhu a provedení.
Základové konstrukce (včetně podloží) jsou nedílnou součástí celého nosného systému objektu. To vyžaduje především optimalizovat tuhost jednotlivých částí nosného systému a vzájemných spojovacích vazeb mezi nimi. Obvykle se pohybujeme (a hledáme optimální řešení) mezi krajními stavy – velkou tuhostí vrchní stavby i základů a relativně malou tuhostí stavby i základové konstrukce. Zatímco v prvním případě je kritériem použitelnosti nosného systému mezní stav únosnosti nosných konstrukcí a spojovacích vazeb (základů a základové spáry), v druhém případě je kritériem použitelnosti mezní stav přetvoření nosného systému (zpravidla zohledňující provozní a funkční požadavky). Řešení nebývá vždy přímočaré, neboť do rozhodování vstupují provozní, prováděcí a případně i další požadavky. Jedná se například o řešení přenášení dynamických účinků (v obou směrech), účinky seismických vlivů, účinky nerovnoměrného sedání v oblastech s nestálými hydrologickými poměry a další.
Základová konstrukce je technicky důležitou částí objektu, rozhodující mnohdy doslova o jeho životaschopnosti, vždy však o jeho ceně. Návrh technicky vhodné a ekonomické základové konstrukce je mnohdy velmi složitý problém, ve kterém se prolínají technická řešení s výrobními možnostmi i zájmy zhotovitelů (technologické vybavení, zkušenosti, technická podpora, výrobní základna a další) a požadavky investorů (např. lhůta realizace, náklady, provozní omezení, ekologická hlediska, hygienická omezení). Odpovědný projektant proto nikdy neprojektuje izolovaně, ale pro svůj návrh si obstará potřebné podklady ze všech zmiňovaných oblastí.
Základy dřívějších staveb se zpravidla navrhovaly jako samostatné konstrukce, pouze zprostředkující přenos sil z vrchní stavby do zeminy, bez uvážení vzájemných interakcí. Že tento přístup nebyl správný, dokazuje řada poruch staveb a rozbory jejich příčin. Tuhost vrchní stavby je zpravidla řádově větší, než tuhost základové konstrukce, což způsobuje, že značná část namáhání, způsobeného reakcí základového podloží přebírá vrchní stavba. Současné stavebnictví přijalo jako samozřejmou zásadu, že základové podloží, základová konstrukce a vrchní konstrukce stavby (včetně vložených a nenosných prvků) tvoří statický celek, v němž jednotlivé prvky vzájemně spolupůsobí. Přispívají k tomu i rozšířené výpočtové metody, dávající výstupy s vysokou vědeckou vypovídací schopností. Spolupůsobení konstrukčních částí lze tak nejen optimalizovat, ale odlišná řešení jednoduše porovnávat.
Vyšetření základů s ohledem na podloží se obvykle provádí jak podle mezního stavu únosnosti základové půdy, tak i podle mezního stavu přetvoření základové půdy (obvykle sedání). Vyšetření betonové základové konstrukce se musí provést podle mezních stavů první skupiny, tj. s přihlédnutím k mezním stavům únosnosti základu, popř. i podle mezních stavů druhé skupiny, tj. obvykle s přihlédnutím k mezním stavům trhlin. Je samozřejmé, že přístup k řešení zakládání musí být přizpůsobeny konkrétnímu objektu a podmínkám, nicméně zásady platí v přiměřeném rozsahu obecně.
Exaktní matematické řešení základové konstrukce je poměrně pracné a složité a věrohodnost výsledků je přímo úměrná vloženým charakteristikám podloží. S ohledem na obvyklou nestejnorodost vrstev zemin bývá mnohdy velmi obtížné stanovit exaktní vlastnosti podloží a výsledky řešení často neodpovídají vynaloženému úsilí. Proto je často vhodnější zavést výstižné přibližné předpoklady řešení a konstrukci řešit (resp. vyztužit) s přihlédnutím k těmto zavedeným předpokladům (s uvážením možných odchylek řešení při zavedených předpokladech od skutečnosti). Obvykle vycházíme z předpokladu lineárního rozdělení reakce (vztlaku) v základové spáře a při určování reakce v základové spáře nepočítáme s vlastní tíhou základu a případným dalším rovnoměrným zatížením na základu (toto zatížení působící rovnoměrně shora vyvozuje stejnou reakci v základové spáře).
ZÁKLADNÍ PODMÍNKY BEZPEČNÉHO A HOSPODÁRNÉHO ZALOŽENÍ
Na volbu základové konstrukce má rozhodující vliv řešení a uspořádání nosného systému budovy, hydrogeologické poměry a okolní zástavba. Složité základové podmínky vznikají v oblastech s různorodým složením a mocnosti jednotlivých vrstev a jejich uspořádání, s přítomností proudící nebo agresivní podzemní vody, s kolísáním hladiny spodní vody (zejména u hlín, slínů, jílů, měkkých břidlic, sypkých a jemných písků), v oblastech poddolovaných, svážných, sesuvných a s navážkami. Je třeba respektovat následující zásady:
• základ musí být navržený tak, aby únosnost základové půdy byla dostatečně využita. Významnou roli zde hraje pevnost základové půdy;
• stavba nesmí být ohrožena nadměrným nebo nestejnoměrným sedáním. Významnou roli zde hrají svislé složky zatížení, způsobující deformaci základové půdy, ale též další vlivy (např. změna hladiny spodní vody, přitížení v sousedství);
• návrh musí správně reagovat na přítomnost podzemní vody v základové zemině. Je nutné znát a sledovat hydrogeologické poměry a z propustnosti základové půdy a účinků působící vody odvodit patřičné závěry.
PLOŠNÉ ZÁKLADY V NEPŘÍZNIVÝCH ZÁKLADOVÝCH PODMÍNKÁCH
Uvádíme některá doporučení, jak se orientovat při rozhodování o použití plošného založení v případě nepříznivých podmiňujících vlastností základových půd:
a) Navrhování základů na prosedavých zeminách.
K prosedání dochází při zvýšení vlhkosti nad určitou úroveň. Proto je třeba posoudit riziko zvýšení vlhkosti přítokem povrchové nebo podzemní vody, hromadění vody infiltrací povrchových vod nebo uzavřením povrchu. K preventivním opatřením patří výměna základové půdy a řešení zamezující přístupu vody, ke konstrukčním např. dilatace nebo založení na desce. Radikálním řešením je použití hlubinného založení.
b) Navrhování základů na objemově nestálých základových půdách.
Objemové změny, bobtnání a smršťování, se projevují ve svislém i vodorovném směru (např. vodorovný tlak na základy a podzemní část objektu, ztrátě tření mezi základy a zeminou). Dochází k nim obecně při změnách vlhkosti. Z toho také vycházejí preventivní opatření: ochrana proti kolísání vlhkosti (např. zamezení přístupu vody, zamezení vysychání), použití kompenzačních pískových polštářů, výměna objemově nestálé zeminy. Radikální řešení spočívá opět v hloubkovém založení, které je třeba nákladově porovnat s potřebnými konstrukčními opatřeními u založení plošného.
c) Založení na biogenních, bahnitých a podobných stlačitelných půdách.
Zde hrají rozhodující roli vypočtená přetvoření základové půdy. Jsou-li větší než mezní hodnoty, je třeba použít hlubinné založení, úplné nebo částečné nahrazení biogenní nebo bahnité zeminy vhodným materiálem (např. pískem, přírodním štěrkem, kamennou drtí), popř. provést zlepšení vlastnosti základové půdy (např. zhutněním, zpevněním, apod.).
Nedoporučuje se zakládat objekty s plošnými základy v oblastech zaplavované údolní nivy, bažin a slatin, postižených nebo ohrožených sesuvy a na okraji lomů a strží.
Podmínečně vhodné jsou málo únosné až neúnosné základové půdy silně nebo nestejnoměrně stlačitelné, poddolovaná území, s hladinou spodní vody v dosahu základové spáry, se zeminami s cyklickými objemovými změnami vlivem vlhkosti, se snadno rozbředavými zeminami apod.
PŘÍČINY PORUCH ZÁKLADŮ:
Poruchy základů jsou obecně způsobeny změnou tvaru základové spáry. Velmi často se projevují vznikem poruch na vrchní stavbě, která je zatížena účinkem vynucené deformace a přetvoření. Příčin těchto změn je celá řada a obvykle působí ve vzájemné kombinaci. Mohou být způsobeny špatným návrhem, nekvalitním provedením i změnou vnějších podmínek. Mezi hlavní příčiny poruch lze zahrnout:
• nedostatečnou únosnost v základové spáře;
• výraznou nesourodost základového podloží (únosnost, stlačitelnost, propustnost, soudržnost apod.);
• změny geotechnických, hydrologických a klimatických podmínek (výška hladiny podzemní vody, podmáčení základové spáry srážkovou vodou, únik vody z potrubí, snížení terénu v okolí stavby, nová výstavba v okolí a další);
• zanedbání nebo změna okolních základových poměrů (účinky vedlejší dopravy, účinky technologických provozů v okolí, svážné území, provlhávání nebo vysušování území, okolní vegetace apod.);
• změny skutečného zatížení základové konstrukce (nedodržení zadávacích podmínek zatížení, změny využití, modernizace výroby, koncentrace zatížení, přístavba apod.)
• změny klimatických nebo vnějších podmínek (obnažení základů, změna úrovně okolního terénu, podmáčení, vysychání, promrzání apod.);
• nesprávný návrh (nedostatečná dimenze, chybné řešení jednotlivých částí konstrukce a celku, zanedbání interakce základů a vrchní stavby, chyby v hloubce založení apod.);
• nekvalitní provedení (nesprávně ošetřená, zvětralá a nedokonale zhutněná základová spára, nekvalitně provedené podsypové vrstvy, nekvalitně provedené základy a další).
Nejčastější příčinou poruch základových konstrukcí (a tím i vrchní stavby) je nerovnoměrné sedání způsobené nerovnoměrným stlačováním základového podloží. Velikost stlačení a časový průběh sedání závisí především na
• hloubce založení;
• rozměrech a uspořádání základových konstrukcí;
• vlastnostech zeminy základového podloží;
• velikosti a způsobu zatížení základové spáry;
• hydrologických podmínkách v základovém podloží a jejich změnách v čase.
Prevence poruch spočívá v podrobné analýze hlavních vlivů a činitelů způsobujících změnu tvaru základové spáry a následném odpovídajícím konstrukčním řešení základů v komplexu s nosným systémem objektu.
Dobře navržená konstrukce základů zaručuje, že nevyhnutelné sedání objektu je rovnoměrné pod všemi částmi a celkově nepřesahuje přípustné hodnoty. Konstruktér si musí uvědomit, že plošně větší základy zatěžují zeminu do větší hloubky (větší zemní těleso než základy menších rozměrů) a při stejném napětí v základové spáře vykazují větší sedání v porovnání se základy menších rozměrů. Proto zpravidla v případech, kdy se pod únosnější a méně stlačitelnou vrstvou nachází méně únosná a stlačitelná vrstva zeminy s větší mocností, nelze omezit nežádoucí sedání zvětšením základu. Je třeba tuto situaci řešit oddělením různě zatížených základů a částí svislou dilatací, nebo objekt založit na tuhé základové konstrukci, navržené tak, aby zajistila redistribuci účinků zatížení (jak je tomu např. u založení na roštových deskách, deskách vyztužených stěnami apod.). V záloze máme opět založení hlubinné.
HLOUBKA ZALOŽENÍ
Hloubka založení je vzdálenost mezi nejnižším bodem upraveného terénu kolem základů a nejvyšší úrovní základové spáry. U podsklepené budovy, která nemá ve sklepě tuhou podlahu, měříme hloubku založení od úrovně podlahy podzemního podlaží. Základovou spáru volíme obvykle tak hluboko, aby se dosáhlo vrstvy málo stlačitelné s dostatečnou únosností, chráněné před klimatickými účinky a objemovými změnami z vysychání a bobtnání.
Hloubka založení závisí na
• geologickém profilu území;
• klimatických vlivech;
• úrovni spodní vody;
• druhu, účelu a umístění objektu;
• úrovni základové spáry sousedních základů;
• dalších specifických vlivech a požadavcích.
Výčet závislostí je obsahově značně rozsáhlý, některé z nich platí obecně pro určité typy zakládání a jejich nerespektování přímo ohrožuje kvalitu realizovaného díla, jiné jsou naopak vyvolané specifickými podmínkami staveniště a požadavky uživatelů a projektant musí na tyto skutečnosti správně reagovat. Celou problematiku lze shrnout do jedné věty: je třeba znát věrohodné údaje (technické a technologické podklady) a požadavky zadání a k nim navrhnout technické řešení, které je ekonomicky nejvýhodnější. V dalším se zaměříme na jednotlivé oblasti.
Minimální hloubku založení ovlivňují klimatické podmínky, zejména promrzání zeminy, závislé na druhu zeminy a hladině podzemní vody. Tomu odpovídají doporučované (normové) hloubky základové spáry v následující tabulce.
Tab. č. 1: Doporučované hloubky základové spáry
Uvedené rozdělení zemin je informativní, neboť jednoznačné kritérium namrzavosti nelze jednoduše formulovat. Namrzavost zemin závisí na nasákavosti zeminy, na kapilární elevaci, zrnitosti a pórovém systému. Při promrznutí základové půdy je pro stavbu nebezpečné nejen zvětšování objemu (který např. při opakovaném promrznutí způsobuje postupné narůstání deformací, dosahující až mnohonásobku počáteční deformace), ale i následné rozmrznutí, při kterém dochází k stlačování zeminy, v některých případech i k přechodnému rozbředání spojenému s ohrožení stability konstrukce. Není bezpředmětné připomenout, že požadavky na hloubku založení musí být dodrženy i v místech, kde jsou základy nejméně zapuštěny do země (jako je tomu např. při zakládání ve svahu, v místech zapuštěných vjezdů, odvodňovacích terénních úprav apod.).
NahoruOpatření před promrzáním
Základní opatření před účinkem promrzání zeminy v okolí základové spáry:
• umístění základové spáry do nezámrzné hloubky;
• ochrana zemního tělesa tepelně-izolační vrstvou (λ = 0,63W.m-1.K-1);
• ochrana zemního tělesa a základové spáry před vodou a podmáčením (např. nepropustnou vrstvou, odvodem povrchových vod, vysušováním);
• náhradou namrzavé zeminy (např. nenamrzavou zeminou, nenamrzavým materiálem);
• konstrukčními úpravami základů (např. oddělením základové konstrukce od zeminy nad základovou spárou).
Obr. č. 1: Opatření před účinky promrzání základové spáry
Podle zásad ochrany proti promrzání musíme navrhovat též podlahy nevytápěných budov. Například pod betonovou podlahou je vhodné provést vrstvu nenamrzavé zeminy min. tloušťky150 mm. Zvláštní pozornost je třeba věnovat tepelné ochraně základové spáry související s prostorami pod 0 °C, zejména pokud se jedná o chladící a mrazírenské prostory (s teplotou např. – 27 °C).
Při volbě hloubky založení je třeba si uvědomit její vztah k rozměru základu. Ve stejnorodé zemině s hloubkou roste únosnost zeminy a klesá její stlačitelnost. Při konstantním kontaktním napětí v základové spáře se zvětšováním plochy základu roste zvětšování namáhání základového podloží a sednutí. Překročíme-li při stejné hloubce založení a zvětšování kontaktní plochy hodnotu mezního sednutí, lze zvýšit celkovou únosnost základu pouze zvětšením hloubky založení.
DILATACE ZÁKLADŮ
Na konstrukci působí též nesilové účinky, vyvolané objemovými změnami od teploty a vlhkosti, reologické účinky a změna tvaru základové spáry. Abychom vyloučili, nebo alespoň omezili jejich nepříznivý vliv na chování konstrukce, dělíme konstrukci na jednotlivé konstrukční části – dilatační celky, mezi kterými tak vznikají dilatační spáry. Rozdělení budovy a jejich konstrukčních částí na menší části je preventivním opatřením z hlediska pravděpodobného vzniku mechanických poruch a narušení konstrukce.
Druhy dilatačních spár
Dilatační spáry navrhujeme v místech očekávaných napěťových maxim způsobených účinkem vynuceného přetvoření, tj. v místech očekávaných poruch, projevujících se jako drcení, tahová nebo smyková trhlina. Z toho také vycházejí konstrukční a rozměrové řešení dilatačních spár, které musí odpovídat velikosti deformace, způsobené příslušným zatěžovacím účinkem. Účinky jednotlivých vlivů se prolínají a proto je účelné při návrhu dilatační spáry zohlednit několik zatěžovacích účinků a vlivů a provést oapovídající dilatační úpravy ve všech navazujících konstrukcích (nosných i nenosných).
Podle dominantního účinku navrhujeme dilatační spáry z důvodů
• rozdílného sedání v základové spáře;
• deformačních účinků objemových změn způsobených teplotou a vlhkostí;
• reologických změn od účinků dotvarování a materiálového smršťování.
Dilatace z důvodu rozdílného sedání v základové spáře
Obr. č. 2: Druhy nerovnoměrného sedání
Hlavní složkou deformace způsobené sedáním je zpravidla svislé posunutí v základové spáře. V důsledku zakřivení základové spáry (např. vypouklý tvar po deformaci, naklonění) je v určitých konkrétních podmínkách třeba počítat s požadavky na oddilatování též ve směru vodorovném.
Charakter deformace základové spáry je ovlivněn vlastnostmi základové zeminy, způsobem založení objektu a tuhostí základové i nadzemní konstrukce. Minimální šíře spáry v základech, kdy nedochází k vodorovnému posunu v dilatační spáře je 25 mm. Konstrukčně musí být spára řešena tak, aby nedocházelo k nežádoucímu přitížení jedné konstrukce druhou. Dilatační spára oddělující část konstrukce dynamicky namáhané musí být navržena tak, aby zamezila přenosu těchto namáhání na zbývající část konstrukce. K rozdělení na menší dilatační celky přistupujeme nejčastěji v následujících případech zakládání:
• v nesourodých základových podmínkách;
• při nevhodných základových podmínkách;
• na poddolovaném území;
• v oblastech se zvýšenou seismicitou;
• v místech vystavených dynamickým účinkům a otřesům od dopravy, průmyslu apod.;
• při rozdílném způsobu a hloubce založení;
• při rozdílných velikostech kontaktních spár stejného druhu základu;
• při rozdílném zatížení (velikosti, druhu, charakteru) v jednotlivých částech objektu;
• při rozdílném konstrukčním uspořádání částí nosného systému objektu;
• při větších rozdílech ve výšce nebo počtu podlaží (zpravidla větším než 10 m a rozdílu 4 podlaží);
• u předsazených konstrukcí.
Uvedený výčet je třeba chápat jako nasměrování pozornosti – návrh rozdělení konstrukce (budovy) na menší úseky a návrh dilatačních spár vyžaduje podrobnou analýzu základových podmínek ve vztahu ke konstrukci budovy jako celku. Návrhem dilatačních spár řešíme preventivní důsledky, vyplývající z nadměrných rozdílů v sedání jednotlivých částí konstrukce, nikoliv problémy, které mohou být způsobeny velikostí celkového sedání. Je třeba si též uvědomit, že bezprostředně sousedící základové konstrukce, přestože jsou oddělené dilatační spárou, vzájemně spolupůsobí prostřednictvím základového podloží. Přitom dochází k vzájemné interakci tlakových oblastí a sedání jedné části způsobené stlačením základové zeminy se projeví částečným sedáním i sousední části objektu.
Při řešení dilatace objektu z důvodu rozdílného sedání je vždy vhodné posoudit možnost alternativního založení objektu a konstrukční opatření k omezení rozdílného sedání (v oblasti konstrukčního systému objektu i zlepšení základových podmínek).
Dilatace z důvodu deformačních účinků objemových změn způsobených teplotou a vlhkostí
Součinitel tepelné roztažnosti betonových konstrukcí závisí na jeho složkách (včetně…
