sveučilište u zagrebu građevinski fakultet zavod za · pdf filearmiranog mlaznog...

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

GRAĐEVINSKI FAKULTET

ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Sveučilište u Zagrebu

Građevinski fakultet

PODZEMNE GRAĐEVINE

9. Predavanje

Elementi primarnog podgradnog sustava

Zavod za Geotehniku



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Primarna podgrada se ugrađuje odmah nakon iskopa

tunela.

• Kod iskopa miniranjem, nakon miniranja i odstranjivanja

nestabilnih blokova ugrađuje se podgrada, te se tek zatim

kreće u sljedeću seriju miniranja.

• Kod iskopa tunela prem NATM ili NTM metodi, primarna

podgrada se ugrađuje nakon iskopa pojedine faze

(razrada profila), te se daljnji iskop obavlja tek kada je na

prethodnom dijelu ugrađena podgrada. Duljina tunela

koja je stoji nepodgrađena prije nego li se ugradi

primarna podgrada se zove ‘korak napredovanja’.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Prema osnovnim postavkama NATM primarna

podgrada tunela se može sastojati od:

1. Stijenska masa

2. Mlazni beton

3. Čelične mreže

4. Čelični lukovi

5. Sidra

STIJENSKA MASA

SIDRA

MLAZNI BETON

ČELIČNE MREŽE ČELIČNI LUKOVI

PRIMARNI PODGRADNI SKLOP

Slika 9.1. Elementi primarne podgrade tunela



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

STIJENSKA MASA



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Prema NATM i NTM, tunelogradnja se u biti zasniva na

prirodnom fenomenu aktiviranja funkcije nosivosti

stijenske mase u kojem se tunel izvodi.

• Dakle, stijenska masa čini dio sustava primarne podgrade

i kao takvu ju je potrebno prihvatiti i poznavati njezine

karakteristike.

• Pritom je potrebno poznavanje pojmova i mehanizama

povezanih s čvrstoćom i krutosti stijenske mase,

čvrstoćom diskontinuiteta, stanjem naprezanja i

deformacija u stijenskoj masi i klasifikacijama stijenske

mase (*).



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

* napomena - Detaljnije o navedenom se može pronaći u

predavanjima iz Geotehničkog inženjerstva (5. semestar):

• ‘2. predavanje – Stanje naprezanja i deformacija’

• ‘5. predavanje – Klasifikacije stijenskih masa’

• ‘6. predavanje – Čvrstoća stijenske mase’

• ‘7. predavanje – Čvrstoća diskontinuiteta’

• ‘8. predavanje – Krutost’



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Osnovne svojstva klasifikacija su :

1. Jednostavna, razumljiva, lako se shvaća i pamti

2. Svaki izraz mora biti jasan, a terminologija opće prihvaćena

3. Uključena samo najznačajnija svojstva stijenske mase

4. Temeljena na parametrima koji se mogu mjeriti i odrediti

brzim i jeftinim pokusima na terenu

5. Temeljena na bodovnom sustavu koji može ocijeniti relativnu

važnost klasifikacijskih parametara

6. Daje kvantitativne podatke za projekt podgradnog sustava



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

GLAVNE METODOLOGIJE PROJEKTIRANJA I MODELIRANJA

OPAŽAČKI

PRISTUP

EMPIRIJSKE

METODE

ANALITIČKE

METODE/MODELI

NUMERIČKE

METODE/MODELI

• Empirijski pristup se temelji se na iskustvu stečenom prilikom

realizacije prijašnjih projekata.

• Pristup obuhvaća metode i procedure u rasponu od

jednostavnih iskustvenih pravila kao što su odnosi dužine sidara

i dimenzija podzemnih iskopa do složenih klasifikacija

stijenskih masa s detaljnim preporukama za podgrađivanje

tunela.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

PREPORUKE RMR KLASIFIKACIJE:

• Za iskop:

- Puni profil ili razrada profila

- Koraci napredovanja

- Vrijeme podgrađivanja

• Za podgradu:

- Sidra

- Mlazni beton

- Čelični lukovi



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

PREPORUKE Q KLASIFIKACIJE:

• Lijevani betonski lukovi (LBL)

• Mikroarmirani mlazni beton, lukovi od

armiranog mlaznog betona, sistematsko sidrenje

(MMB+LAMB+SS)

• Sistematsko sidrenje i mikroarmirani

mlazni beton (SS+MMB)

• Sistematsko sidrenje i mlazni beton (SS+MB)

• Mikroarmirani mlazni beton (MMB)

• Mlazni beton (MB)

• Sistematsko sidrenje (SS)

• Pojedinačno sidrenje (PS)

• Bez podgrade (BP)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

MLAZNI BETON



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Mlazni beton se upotrebljava za sprečavanje rahljenja stijene i kao podgradni element.

• Obloga od mlaznog betona zatvara pukotine u stijeni, sprečava ispadanje blokova stijene iz kalote i bokova i time pojavu progresivnog loma.

• Vezanjem za stijenu poboljšava mehaničku kvalitetu stijene i sprečava redukciju njezine čvrstoće.

STIJENSKA MASA

MLAZNI BETON

MLAZNI BETON

Slika 9.2. Mlazni beton kao

dio primarne podgrade



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Osim spomenute funkcije, mlazni beton se upotrebljava i u

stijenskima masama koje su osjetljive na promjene vlažnosti,

kao što su bujajuće stijenske mase ili stijenske mase podložne

ljuštenju.

• Primjena mlaznog betona je neizbježna kod izvedbe tunela

NATM i NTM metodom, miniranjem, a koristi se i kod

izvedbe tunela TBM metodom ali samo u slučaju kada su

uvjeti izvedbe dobri (čvrste stijene) gdje nije potrebna

instalacija prefabriciranih betonskih elemenata kako iskop

napreduje.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Ugrađeni mlazni beton djeluje u početku kao popustljiva

podgrada zbog niskog modula elastičnosti i čvrstoće.

Čvrstoća mlaznog betona raste, a time i konačna stabilnost

podgrade.

• Mlazni beton se nanosi na površinu iskopa s dovoljnom

brzinom u cilju postizanja zadovoljavajuće zbijenosti – od 20

do 100 m/s. Zbijenost omogućuje bolje vezanje i veću

čvrstoću mlaznog betona.

• S obzirom na postupak ugradnje i potreba za dostatnom

ranom čvrstoćom zahtijevaju da mlazni beton ima drugačiji

sastav od klasičnih betona. U pravilu se pri izradi mješavina

za mlazni beton koriste ubrzivači koji povećavaju adheziju,

vrijeme slijeganja i ranu čvrstoću.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Slika 9.3. Mlazni beton



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Mlazni beton ‘apsorbira’ tangencijalna naprezanja koja

poprimaju vršne vrijednosti na rubu otvora. Kao rezultat interakcije između mlaznog betona i stijenskih blokova, stijenska masa ostaje u približno svom početnom, neporemećenom, stanju. Mlazni beton je visoko-kvalitetni beton s niskim vodocementnim faktorom.

• Za agregat se ne preporučuju koristiti sitnje frakcije (npr. fini pijesci). Što je finiji agregat koji se koristi za izradu mlaznog betona, to on ima veću specifičnu površinu, što u pravilu rezultira s većim potrebnim količinama vode.

• Ovo povećanje vode može uzrokovati naknadne pukotine uslijed skupljanja mlaznog betona.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Veći vodocementni faktori mogu uzrokovati mogu uzorkovati lošu raspodjelu agregata čime mlazni beton neće imati dovoljno dobru kvalitetu.

• Također, veći vodocementi faktor mlaznog betona može imati negativan utjecak na čvrstoću i gustoću mješavine.

• Treba uzeti u obzir i činjenicu da će mlazni beton koji je ugrađen imati sitnije agregate nego sama mješavina, a razlog je naveden u nastavku.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Kad se mlazni beton počne nanositi na otvorenu površinu, veće frakcije (do 20 mm) će se odbijati od površine stijene i sama ugrađena mješavina će sadržavati veći postotak sitnijih frakcija.

• Međutim kada su prvi slojevi naneseni, daljnim nanošenjem se krupnije frakcije neće odbijati jer se sada nanose na prethodno nanešni mlazni beton čija površina neće uzrokovati odbijanje (mlazni beton je još uvijek ‘mekan’).



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Neke karakteristike mlaznog betona su:

Zapreminska težina 300-425 kg/m3

Najveća moguća čvrstoća iznosi oko 70 MPa, ali se uobičajeno kreće u rasopnu od 20-30 MPa.

Rana čvrstoća iznosi do 7 MPa (1 sat) i do 20 MPa (5 sati)

Sastav agregata treba biti pažljivo odabran, jer veći udio sitnijih frakcija uzrokuje skupljanje, a veći udio krupnih frakcija uzrokuje odbijanje pri nanošenju.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Za izgradnju primarne podgrade i sekundarne obloge tunela može se umjesto normalnog mlaznog betona primijeniti mikroarmirani mlazni beton (MAMB) primjenom čeličnih ili polipropilenskih vlakana propisanih karakteristika.

• Žilavost je pokazatelj po kojem se najbolje razlikuje mikroarmirani od nearmiranog betona. Definirana je kao ukupna energija deformacija apsorbirana prije potpunog sloma uzorka.

Slika 9.4. Čelična vlakna i beton spremni za ugradnju



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Kada naprezanja u betonu dostignu vlačnu čvrstoću betona, nastaju pukotine u betonu. Na tim mjestima beton se relaksira, a naprezanja preuzimaju vlakna.

• Kod klasičnog nearmiranog betona nema dodatne deformacije nego dolazi do razdvajanja polovica (nastaje krti lom), dok se kod mlaznog betona s čeličnim vlaknima (MAMB) uočava znatna postpukotinska nosivost .

Slika 9.5. Krivulje naprezanje –deformacija za armirani i nearmirani beton



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Čelična vlakna su najčešće čelične, 25 do 38 mm

deformabilne trake s omjerom duljine prema

debljini od 50 do 70.

• Količina ovih vlakana je oko 50-80 kg/m3 mlaznog

betona.

• Osim što primarno povećavaju duktilnost mlaznog

betona, također povećavaju njegovu posmičnu i

vlačnu čvrstoću.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Trenutačno postoji širok raspon opreme za ugradnju mlaznog betona i dodataka betonu iz kojih se može odabrati optimalna kombinacija za svako pojedino područje primjene.

• Nanosi se pod velikim pritiskom, i to na dva načina: mokrim i suhim postupkom.

• Može se nanositi ručno ili strojno.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Slika 9.6. Ručno i strojno nanošenje mlaznog betona



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Kod mokrog postupka mort je u startu pomiješan s vodom, i

ta se gusta plastična mješavina cijevima dovodi do mjesta

iskopa. U mlaznici na kraju cijevi dodaje se stlačeni zrak

koji daje potreban pritisak. U praksi se većinom koristi

mokri postupak.

Slika 9.7. Shema nanošenja mlaznog betona mokrim postupkom



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Prednosti mokrog postupka:

Smanjena emisija prašine

Postojana konzistencija morta

Jednostavna završna obrada

Pogodno za primjenu u skučenom radnom prostoru

Manji odskok i manji gubitak materijala

Minimalna okolna zaštita

Moguća i ručna primjena morta



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Kod suhog postupka suhi materijal se kroz tanke cijevi

komprimiranim zrakom provodi do mjesta nanošenja, gdje se

u mlaznici miješa s vodom i nanosi pod pritiskom od oko 2

bara.

Slika 9.8. Shema nanošenja mlaznog betona suhim postupkom



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Prednosti suhog postupka:

Velika duljina transporta

Nije potrebno prethodno miješati komponente

Deblji slojevi u jednom koraku

Nije potreban predsloj

Dugi životni vijek opreme

Oprema se rijetko blokira u radu

Pogodno za učestale prekide u radovima



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Slika 9.9. Prikaz pravilnog i nepravilnog prskanja mlaznog betona



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

ČELIČNE MREŽE



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• U lošim tlima je dodatna duktilnost mlaznog betona

poželjna. Stoga se čelične zavarene mreže se mogu

upotrebljvati u kombinaciji s mlaznim betonom. Kao i

vlakna kod MAMB betona, povećavaju žilavost mlaznog

betona.

• Uobičajeno se primjenjuju mreže ‘Q’ i ‘R’.

• Kod većih debljina mlaznog betona (> 25 cm) primjenjuje

se dvostruka mreža.

ČELIČNE MREŽE MLAZNI BETON

Slika 9.10. Čelične mreže u mlaznom betonu



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Slika 9.11. Mreže kao dio mlaznog betona



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

ČELIČNI LUKOVI



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• U slaboj stijeni potrebni su čelični lukovi. Ti lukovi podupiru

iskop zajedno s armiranim mlaznim betonom kao elastična

podgrada i sprečavaju rastresanje stijene.

• Postavljaju se neposredno nakon iskopa ako nema izgleda da

čeličana podgrada zaustaviti napredovanje deformacija stijene.

• Čelični elementi podgrade, zajedno s drvenim, predstavljaju

najstarije tehnike podgrađivanja tunela. Dok su se u početku

intezivno koristili čelični masivni lukovi (U ili H profili) koji su

zamijenili drvene elemente, njih su pak u novije vrijeme

zamijenili čelični rešetkasti lukovi koji se koriste u sprezi s

mlaznim betonom. Masivni lukovi se i danas koriste u izrazito

teškim uvjetima građenja.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Čelični masivni lukovi se obično formiraju odozdo prema gore prilikom čega

je nužno osigurati dobro temeljnje luka i bočnu krutost. Ovi lukovi moraju

imati kontinuitet što je posebno značajno na mjestima spojeva. To su

predgotovljeni elementi koji se mehanič ki spajaju (pritezni vijci).

RAZUPORA

Slika 9.12. Varijante čeličnih masivnih lukova (lijevo), detalj spoja (desno gore) i ugrađeni lukovi (desno dolje)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Čelični rešetkasti lukovi su izvedeni od šipki povezanih

u trokustasti raspored i valjani su tako da odgovaraju

obliku otvora.

• Nakon ugradnje se prostor između rešetki ispunja

mlaznim betonom.

• S obzirom da im je specifična površina manja u

odnosu na mlazni beton, rešetkasti lukovi ne pridonose

značajno ukupnoj nosivosti, ali su njihove prednosti

navedene u nastavku.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Obično su na jednakom

razmaku kao i sidra tako da

pružaju privremenu potporu

nestabilnim blokovima koji

imaju tedenciju ispadanja

odmah nakon iskopa.

• Pružaju predložak prema

kojem se može znati točna

debljina nanesenog mlaznog

betona.

Slika 9.13. Čelični rešetkasti luk (lijevo)

i ugrađeni rešetkasti luk u tunel Javorova Kosa (gore)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Dakle, čelični rešetkasti lukovi služe ponajprije kao privremeni podgradni elementi kojima se omogućava siguran rad na čelu tunela prije ugradnje mlaznog betona i nakon što on ne dostigne punu čvrstoću.

• Čelični rešetkasti lukovi upotrebljavaju se za rano preuzimanje opterećenja.

ČELIČNE MREŽEČELIČNI LUKOVI MLAZNI BETON

Slika 9.14. Čelični rešetkasti lukovi u mlaznom betonu



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Da bi primjena bila efikasna potrebno je ostvariti kontakt luka i stijenske mase po cijeloj duljini luka.

• Čelični lukovi osobito su osjetljivi na neravnomjerno opterećenje.

• Kao što je već spomenuto, nosivost im je relativno mala, no uz sudjelovanje s betonom u kojem predstavljaju krutu armaturu, znatno povećavaju nosivost podgradnog sustava tunela.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

SIDRA



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Sidra su osnovni podgradni

element s kojim se poboljšavaju

fizičke i mehaničke karakteristike

stijene oko iskopa.

Ugrađuju se sustavno kao dio

standardnog podgradnog sustava.

Broj sidara, njihova dužina,

nosivost i raspored ovise o kvaliteti

stijene, veličini i obliku poprečnog

presjeka i dužini napredovanja.

STIJENSKA MASA

SIDRA

MLAZNI BETON

ČELIČNE MREŽE ČELIČNI LUKOVI

SIDRA

Slika 9.15. Sidra kao dio

primarne podgrade



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Korištenje štapnih sidara kao elemenata ojačanja stijenske mase u podzemnim, ali i

otvorenim iskopima započelo je krajem 19. stoljeća, a šira primjena štapnih sidra

započela je tek četrdesetih i pedesetih godina 20. stoljeća.

• Prva istraživanja ponašanja stijenske mase ojačane štapnim sidrima zasnivala su se

na principima prijenosa opterećenja s podgrade, kao grednog sustava, na stijensku

masu ne uzimajući u obzir stvarno ojačanje stijenske mase štapnim sidrima.

• Posljednjih godina primjena štapnih sidara u ojačanju stijenske mase znatno se

proširuje uslijed razvoja saznanja u mehanici stijena, kao i primjene štapnih sidra

u otvorenim i podzemnim iskopima, a kao alternativa tradicionalnim oblicima

podgrađivanja.

• Danas se štapna sidra standardno primjenjuju u osiguranju stabilnosti iskopa u

rudarstvu i građevinarstvu širom svijeta uz ugradnju stotina milijuna štapnih

sidara godišnje.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Sidra se općenito dijele na aktivna i pasivna.

• Kod aktivnih sidara se unosi sila prednapinjanja, dok se kod

pasivnih sidara ne provodi prednapinjanje nego se ona

aktiviraju tek pomacima stijenske mase.

• Iako je u stijenskim masama najčešća upotreba štapnih sidara

koji se aktiviraju pomakom stijenske mase, koriste se i

prednapeta sidra u koja se unosi vlačna sila čime se dodatno

povećava sila otpora na plohu sloma.

• U ovom predavanju će naglasak biti na pasivnim sidrima, koja

se često nazivaju i štapnim sidrima.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• primjena štapnih sidara (slike 9.16. – 9.19.):

rudarstvo

tunelogradnja



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

zaštita građevnih jama

zaštita pokosa



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Tunel ‘Pećine’, Rijeka

Ukupno sidara: 27600, Ukupna duljina sidara: cca 165.6 km

POPREČNI PRESJEK IZVEDENO STANJE

Slika 9.20. Tunel ‘Pećine’



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Predusjeci tunela ‘Stupica’, D512 Vrgorac-Makarska


POGLED NA

SJEVERNI PREDUSJEK

IZVEDENO STANJE

Slika 9.21. Predusjeci tunela ‘Stupica’



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Građevna jama u urbanom području ‘ZTC’, Rijeka


POPREČNI PRESJEK IZVEDENO STANJE

Slika 9.22. Građevna jama ‘ZTC’, Rijeka



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• U tunelogradnji, sidra se ugrađuju najčešće u radijalne bušotine u kaloti i bokovima.

• Djelovanje sidara u stijenskoj masi može se opisati kao:

- Dodatni unutrašnji pritisak na granicu iskopa,

- Poboljšanje karakteristika stijenske mase,

- Pridržanje nestabilnih blokova,

- Povezivanje slojeva uz povećanje posmične čvrstoće u diskontinuitetima,

- Formiranje nosivog svoda od stijene ojačane sidrima.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Uloga pojedinačnog sidrenja je da

sanira lokalne pojave nestabilnosti

i smanjuje mogućnost geoloških

odvala stijenske mase (pojam

stabilizacije).

• Uloga sistematskog sidrenja je

povećanje ili održavanje čvrstoće

stijenske mase i ravnomjerna

raspodjela opterećenja oko

podzemnog iskopa (pojam

ojačanja).

Slika 9.23. Ojačanje i stabilizacija

prema NATM-u



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• štapna sidra predstavljaju jedan od osnovnih sustava ojačanja stijenskih

masa, pri čemu se sustav ojačanja sastoji od četiri osnovna elementa:

1 Stijenska masa 2 Element sustava ojačanja – čelična šipka 3 Unutarnja veza elementa ojačanja i stijenske mase – injekcijska smjesa 4 Vanjska veza elementa ojačanja i stijenske mase

1 3 2 4

Slika 9.24. Elementi štapnog sidra



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Postoji cijeli niz prednosti ojačanja stijenske mase

štapnim sidrima, od kojih su najznačajniji slijedeći:

svestrana mogućnost uporabe, za bilo koju odabranu

geometriju iskopa

jednostavnost i brza mogućnost uporabe

ugradnja je u potpunosti mehanizirana

relativno niska cijena



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Danas je u upotrebi veliki broj različitih tipova štapnih sidara, pri čemu

se brojni tipovi sidra razlikuju u malim konstrukcijskim razlikama, a

pri tome pripadaju istom konceptu u smislu prijenosa opterećenja.

Podjela na grupe štapnih sidra može se izvršiti prema različitim

načinima sidrenja. Pri tome se mogu razmatrati slijedeće grupe štapnih

sidara:

1. Mehanički usidrena štapna sidra,

2. Injektirana štapna sidra i pletena sidra od čeličnih niti,

3. Trenjem usidrena štapna sidra.

• Analizirajući pri tom pripadnost klasi sustava ojačanja, štapna sidra

mogu pripadati u tri klase sustava ojačanja :

Sustavi s kontinuiranim mehaničkim prijenosom opterećenja,

Sustavi s kontinuiranim prijenosom opterećenja trenjem,

Sustavi s diskontinuiranim mehaničkim prijenosom opterećenja ili

prijenosom opterećenja trenjem.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Mehanički usidrena štapna sidra

• Štapna sidra s ekspanzijskom

glavom koja onemogućuje pomake

sidra je najčešći oblik mehanički

usidrenih štapnih sidara.

Ekspanzijska glava konusno se širi

rotacijom sidra pri čemu dolazi do

utiskivanja elementa glave u zidove

bušotine. Sidrenje se ostvaruje na

osnovi dva mehanizma: trenja

ekspanzijske glave i zidova bušotine

te uklještenja glave u neravnine

zidova bušotine. Pri tome uklještenje

predstavlja značajniju komponentu

u ukupnoj nosivosti sidra.

Matica

Podložna ploča

Ekspanzijskaglava

Glatko sidro

Podloška

Slika 9.25. Mehanički usidreno štapno sidro



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Koriste se uglavnom kao privremena ojačanja stijenske

mase jer uslijed djelovanja korozije vremenom dolazi do

smanjenja nosivosti. Za uvjete trajnih konstrukcija nužna

je primjena naknadnog injektiranja bušotine.

• Prednost mehanički usidrenih sidara je mogućnost

trenutnog preuzimanja opterećenja nakon ugradnje, kao i

unošenja predopterećenja u stijensku masu.

• Nedostatak mehanički usidrenih sidara je moguće

slabljenje ili potpun prestanak njihovog djelovanja ako se

iskop tunela izvodi miniranjem.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Injektirana štapna sidra i

pletena sidra od čeličnih niti

• Injektirana štapna sidra i pletena

sidra od čeličnih niti ugrađuju se

u bušotine ispunjene cementnom

smjesom. Sidrenje, odnosno veza

sa stijenskom masom, uspostavlja

se cijelom injektiranom dužinom

elementa ojačanja na osnovi

kemijskih veza, trenja i

uklještenja. Veći značaj pri tome

imaju trenje i uklještenje, dok se

kemijske veze s vremenom mogu u

potpunosti razgraditi.

Slika 9.26. Injektirano štapno sidro



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Injektirana štapna sidra predstavljaju najčešće ojačanje stijenske

mase u svijetu posljednjih pedeset godina, kako u građevinarstvu,

tako i rudarskoj industriji. Materijal za štapna sidra najčešće je

rebrasto obrađeni čelik, koji se koristi u građevinarstvu ili

odgovarajuće obrađeni presjeci čelika posebno proizvedeni za

geotehnička sidra. Za injektiranje se koriste suspenzije na bazi

cementa ili umjetnih smola, pri čemu je upotreba umjetnih smola,

uglavnom zbog cijene, značajno rjeđe u uporabi. Injektiranje sidara

izvodi se na dva različita načina i to:

1. Izvedena bušotina zapunjava se injekcijskom smjesom, a štapno sidro ugrađuje se u zapunjenu bušotinu,

2. U izvedenu bušotinu ugrađuje se štapno sidro nakon čega se

injektira prostor između sidra i zidova bušotine. Injektiranje se

izvodi ili ugradnjom cijevi za injektiranje do dna bušotine i injektiranjem do povrata smjese na ušće bušotine ili ugradnjom

pakera i injektiranjem od ušća bušotine do postizanja odgovarajućeg

pritiska propisanog projektom.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

1. izvedena bušotina zapunjava se injekcijskom smjesom, a štapno sidro ugrađuje

se u zapunjenu bušotinu.

2. u izvedenu bušotinu ugrađuje se štapno sidro nakon čega se injektira prostor

između sidra i zidova bušotine.

BUŠENJE BUŠOTINE INJEKTIRANJE ZAPUNJENA BUŠOTINA UGRAĐIVANJE ŠIPKE

BUŠENJE BUŠOTINE UGRAĐIVANJE ŠIPKE INJEKTIRANJE ZAPUNJENA BUŠOTINA

BUŠENJE BUŠOTINE INJEKTIRANJE



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• U posljednje vrijeme u uporabi je tip samobušivih sidara, vrlo

praktična aplikacija štapnih sidara odgovarajuće obrađenog čeličnog

presjeka namijenjenog za ojačanje stijenske mase. Samobušiva sidra

koriste se kao dio bušaćeg sustava na način da se umjesto bušaće

šipke koriste elementi samobušivog sidra, koji na vrhu imaju

odgovarajuću bušaću glavu.

Slika 9.27. Samobušivo štapno sidro

Spojnica

Glava zabušenje

Sidrena šipka

Matica

Podložna ploča

smjesaInjekcijska

Injektiranjekroz sidro



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Elementi sidra proizvode se u sekcijama standardne dužine (2, 3

ili 4 m) i po potrebi nastavljaju odgovarajućim spojnicama.

Bušenjem sidra odgovarajuće dužine završeno je i postavljanje

sidra. Injektiranje sidra izvodi se kroz samo sidro, pri čemu

injekcijska smjesa izlazi kroz otvore na bušaćoj glavi, sve dok

injekcijska smjesa ne počne izlaziti na ušću bušotine.

• Prednosti samobušivih sidara su u mogućoj značajnijoj dužini

izvedbe, kao i izbjegavanje mogućnosti zarušavanja bušotine

uslijed izvlačenja bušaće šipke i ulaganja sidara u klasičnim

postupcima izvedbe sidara, te upotreba u oštećenim stijenskim

masama. Injektirana štapna sidra u većini slučajeva koriste se

kao pasivna sidra, odnosno sidra u koja se u toku izvedbe ne

unose dodatna opterećenja, koja se prenose na stijensku masu.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Aktiviranje potpuno injektiranih štapnih sidara odvija se uslijed

deformacija stijenske mase pri čemu uslijed deformacija u

stijenskoj masi, štapna sidra preuzimaju dio naprezanja. U

posljednje vrijeme u uporabi je tip samobušivih sidara koji

omogućuje injektiranje samo određenih dijelova bušotine, a što

omogućuje formiranje slobodnih dionica i unošenje

odgovarajućih naprezanja u stijensku masu napinjanjem

štapnog elementa.

Slika 9.28. Parametri IBO samobušivih sidara



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Injektiranje pletenih sidara od čeličnih niti radi ojačanja stijenske mase

koristi se posljednjih trideset godina. Po definiciji pleteno sidro predstavlja

element ojačanja stijenske mase, uobičajeno izveden od čeličnih niti pletenih

kao čelično uže i ugrađeno bez unesenog vlačnog opterećenja ili kao vlačno

opterećeno i injektirano u kontaktu sa stijenskom masom. Prednost pletenih

sidara je u mogućnosti uporabe velike duljine istih kao i kombinacije

unošenja vlačnih naprezanja i prijenosa na podgrađenu stijensku masu.

Slika 9.29. Pleteno sidro od čeličnih niti; a) Standardni tip, b) Garford bulb, c) Nutcase i d) Birdcage



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Pletena sidra od visokokvalitetnog čelika upotrebljavaju se u SAD i Australiji češće nego kruta štapna sidra. Standardno pleteno sidro sastoji se od ravne centralne čelične niti promjera 5.41 mm opletene sa 6 ovojnih čeličnih niti promjera 5.16 mm. Ukupan promjer iznosi 15.24 mm ili više. U odnosu na kruta štapna sidra odlikuje ih velika specifična površina, ali i velika deformabilnost. Zbog visoke kvalitete upotrijebljenih čelika u pravilu su veće nosivosti od krutih štapnih sidara.

• Zbog velike upotrebe i iskustva postignutih upotrebom dolazi do razvoja različitih tipova pletenih sidara. Modifikacije se sastoje u načinu pletenja čime se u određenim područjima povećava promjer sidara, ali i specifična površina poprečnog presjeka. Također se modificiraju i oblici poprečnog presjeka pojedinih niti u pletivu.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Trenjem usidrena štapna sidra

• Trenjem usidrena štapna sidra predstavljaju najnovija dostignuća u

tehnici ojačanja stijenske mase. U praksi su uporabi dva tipa ovakvih

sidara i to Split Set (Ingersoll – Rand Co., USA) i Swellex (Atlas Copco

AB, Švedska). U oba sustava prijenos opterećenja realizira se trenjem (a

kod Swellex sustava i uklještenjem) uslijed radijalne sile koja djeluje na

zidove bušotine duž cijele dužine bušotine. I u jednom i drugom sustavu

sidro se sastoji od čelične cijevi koja se mehaničkim (Split Set) ili

hidrauličkim putem (Swellex) širi sve dok stijenke cijevi dostignu kontakt

sa zidovima bušotine.

• Opterećenje stijenske mase prenosi se na element ojačanja izravno, bez

nužno potrebnog završnog elementa prijenosa i injektiranja bušotine.

Prednosti trenjem usidrenih sidara su relativno jednostavna ugradnja i

trenutno preuzimanje opterećenja neposredno nakon ugradnje. Nedostaci

su relativno visoka cijena, kao i ograničenost uporabe za trajne

konstrukcije zbog korozije. Najčešće se koristi za tunelske primarne

podgrade.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Split Set koristi naglavnu ploču radi osiguranja dijela stijenske mase na klizanje duž sidra. Ugradnja sidra izvodi se mehaničkim utiskivanjem sidra u bušotinu, pri čemu je promjer cijevi sidra veći od promjera bušotine. Sidro se pri tom može prilagoditi velikim pomacima bez sloma.

Slika 9.30. Trenjem usidreno štapno sidro, Split Set

Naglavna ploča

"Split" čelična cijev



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Swellex je po mehanizmu sidrenja sidro koje nosi trenjem i uklještenjem u zidove bušotine. Izvodi se proširivanjem ugrađene cijevi hidrauličkim pritiskom unutar cijevi, pri čemu se cijev skraćuje. Sidro može podnijeti velike deformacije stijenske mase.

Slika 9.31. Trenjem usidreno štapno sidro, Swellex

Ekspandirajućačelična cijev

Naglavna ploča

Slika 9.32. Proširivanje Swellex sidra



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Modeliranje ponašanja sidara u stijenskoj masi još uvijek je, unatoč brojnim predloženim modelima, jedno od značajnijih područja istraživanja u mehanici stijena. Pri tome autori posjeduju različite pristupe rješenju problema. Težnja većine istraživanja je utvrditi praktičan model koji dobro opisuje stvarno ponašanje tri potpuno različita materijala (čelika, injekcijske smjese i stijenske mase) i njihove dvije veze (sidro-injekcijska smjesa i injekcijska smjesa-stijenska masa). Pri tome su prepoznati različiti mogući modeli sloma unutar sustava ojačanja stijenske mase:

Slom u čeliku štapnog sidra,

Slom veze sidra i injekcijske smjese,

Slom u injekcijskoj smjesi,

Slom veze injekcijske smjese i stijenske mase,

Slom stijenske mase u okolišu sidra i

Slom stijenske mase oko zone ojačane sidrima.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Temeljni izraz za raspodjelu naprezanja duž sidra izveo je Farmer (1975.) iz rezultata pokusa čupanja sidara razvojem analitičkog izraza.

• Farmer koristi pojednostavljeni model elastičnog sidra okruženog injekcijskom smjesom podložnoj smicanju, simetrično postavljenog u bušotini u relativno krutoj stijenskoj masi.

Raspodjela naprezanja duž štapnih sidara



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Elastično ponašanje sidra opisano je modulom elastičnosti sidra ‘Eb’, a injekcijska smjesa modulom posmika ‘Gg’. Modul elastičnosti stijenske mase u okolišu sidra je za red veličine veći od modula elastičnosti injekcijske smjese.

• Uz pretpostavku da se vlačno naprezanje ‘σx‘ u sidru radijusa ‘r’ prenosi na injekcijsku smjesu preko veza i posmičnih naprezanja kroz vezu sidra i injekcijske smjese ‘τx’, za diferencijalno kratak element sidra vrijedi da je:

xrr xx 22(1)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Uz pretpostavku elastičnog

ponašanja sidra, vlačno

naprezanje u sidru (uz

pretpostavku raspodjele

naprezanja donjoj slici)

iznosi:

(2)

gdje su: ux – deformacija sidra

σx – vlačno naprezanje

Eb – modul elastičnosti sidra

x

uE x

bx

Slika 9.33. Raspodjela naprezanja oko elastičnog

štapnog sidra, Farmer, 1975.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Diferencijalna jednadžba produženja sidra u zavisnosti od

prijenosa naprezanja na okolnu injekcijsku smjesu:

(3)

gdje su: ux – deform. sidra

τx – posmično naprezanje

Eb – modul elastičnosti sidra

• Farmer predlaže da je za tanki sloj injekcijske smjese posmično

naprezanje na kontaktu sidra i injekcijske smjese odgovara

posmičnim naprezanjima u injekcijskoj smjesi.

b

xx

Ex

u 22

2



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Ukoliko debljina injekcijske smjese nije mala (R-r>r, R-polumjer injekcijske smjese, r-polumjer sidra), posmična naprezanja na kontaktu sidra i injekcijske smjese bit će izložena dodatnim radijalnim naprezanjima i promjenama naprezanja uslijed istih. Iz rezultata pokusa čupanja sidara slijedi:

- za R-r<r - za R-r>r

(4) (5)

b

xx

Ex

u 22

2

gx

x GrR

u

gx

x G

r

Rr

u

ln



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Uvrštavanjem jednadžbi (3), (4) i (5) u jednadžbu (1) dobiva se:

(6)

gdje su: (7) - za R-r<r

(8) - za R-r>r

ovisno o debljini injekcijske smjese u odnosu na radijus sidra.

• Jednadžba (6) predstavlja diferencijalnu jednadžbu drugog reda koja

opisuje raspodjelu naprezanja (ili deformacije) duž sidra. Pri tome su

usvojena dva značajna kriterija za ponašanje potpuno injektiranih

štapnih sidara. Prvi je ponašanje štapnog sidra u skladu s Hookovim

zakonom, a drugi posmično ponašanje veze štapnog sidra i injekcijske

smjese.

02

2

2

xx u

dx

ud

)(

22

rRrE

G

b

g

r

R

rE

G

b

gln

22

2



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

OSTALE MJERE PRILIKOM

PODGRAĐIVANJA ILI ISKOPA



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Predpobijanje (eng. forepoling/soiling)

• Predpobijanjem se stvara ‘kišobran’ ojačane stijenske mase nakon čije

izvedbe slijedi iskop. Izvode se u lošijim stijenskim masama. Postoji više

varijanti.

a) Varijanta 1 - Cijevni kišobran (pipe roof)

• Cijevi promjera 80 – 200 mm se ugrađuju u kalotu neotkopanog dijela

tunela tvoreći zaštitnu kupolu.

• Nakon ugradnje vrši se injektiranje cijevi cementnom smjesom.

Tijekom iskopa ispod cijevi se ugrađuju razni elementi primarne

podgrade ( čelični lukovi, mlazni beton, sidra)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Slika 9.35. Ugradnja Pipe-roof (gore) tunel Sv. Marko (dolje)

Slika 9.34.Skica ugradnje pipe - roof-a

• Prilikom instalacije cijevi u dvije faze,

važno je da postoji njihovo preklapanje.

• Cijevi su najčešće duljineo ko 15,0 m, a

uobičajeni preklop je oko 3,0 m,

• Cijevi se buše pod nagibom (oko 5°)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

b) Varijanta 2 - Podupiračka čelična koplja ili čelični profili

• Privremeni podupirački elementi koji se zabijanjem

postavljaju u longitudinalnom smjeru tunela prije

iskopavanja.

• Smanjuju slobodan raspon nepoduprte površine iskopa.

Slika 9.36. Podupirački čelični I profili



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

• Ova varijanta se izvodi u izrazito teškim uvjetima kada je

potrebno izvesti tunel uz minimalna slijeganja površine.

• Stabilnost se osigurava se i kišobrana od većeg broja cijevi

velikog promjera (do 1200 mm) ili više mikrotunela po konturi

tunela.

c) Varijanta 3 – Izvedba cijevi većeg promjera¸ili mikrotunela

Slika 9.37. ‘Kišobran’ od cijevi većeg promjera ili mikrotunela



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

d) Varijanta 4 - Mlazno injektiranje (Jet Grouting)

• U nisko kohezivnim materijalima (šljunak i pijesak), umjesto

pipe-roof-a se može korisititi mlazno injektiranje za

formiranje ‘kišobrana’. Na slici 9.38. je prikazan primjer

izvebe na lokaciji Aeschertunnel-a u Njemačkoj.

Slika 9.38. Jet-Grouting Aeschertunnel-a, Njemačka



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Zamrzavanje tla i stijene

• Primjena u vrlo teškim terenskim prilikama (žitak, pokretljiv

materijal)

• Cijevima se dovodi hladni zrak ili hladna tekućina (tekući dušik) u

dio koji se treba iskopati. Sustav za zamrzavanje se isključuje kada

se izvede primarna podgrada.

• Osim što se privremeno poboljša tlo za potrebe iskopa, ujedno se

spriječava dotok podzemne vode.

Slika 9.38. Zamrzavanje tla na tunelu ispod rijeke Limmat, Švicarska



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Iskop pod komprimiranim zrakom

• Ekonomična i efikasna metoda zadržavanja uvjeta podzemnih voda,

minimaliziranja površinskih slijeganja i stabiliziranja radne okoline

iskopa.

• Rizici postoje u slučaju naglog pada tlaka.

Odvodnja

• Odvodnja se primjenjuje kada se u stijenskoj mase nalaze veće količine

vode.

• Kod tunela s manjim nadslojem, odvodnja se vrši izvedbom površinskih

drenažnih bunara.

• Kod tunela sa većim nadslojem, izvode se drenažne bušotine na čelu tunela

ili drenažni tunel.

sveučilište u zagrebu građevinski fakultet zavod za · pdf filearmiranog mlaznog...

Documents