Deep soil mixing

Deep soil mixing je metoda zlepšování základové půdy a sanace znečistěných zemin, která v posledním desetiletí prodělala významný rozvoj. V loňském roce se ve Velké Británii konala konference věnovaná současnému stavu této technologie. V článku jsou uvedeny principy a metody provádění DSM a praktické zkušenosti s její aplikací ve stavební a ekologické praxi.

Stále častěji se v geotechnické praxi v oboru speciálního zakládání a ekologických staveb setkáváme s pojmem "Deep soil mixing" (DSM). Jedná o technologii zlepšování základové půdy, pro jejíž název sice dosud neexistuje ustálený český ekvivalent, ale která za uplynulé desetiletí prodělala ve světě výrazný rozvoj. Na konferenci o použití DSM ve stavebnictví a ekologii konané v lednu 1999 ve Velké Británii zazněly příspěvky přibližující současný stav a možnosti této technologie. Následující článek shrnuje základní principy technologie DSM a praktické poznatky a zkušenosti s její realizací.

Technologie DSM byla vyvinuta v Japonsku nejprve pro zabránění ztekucení podloží při zemětřesení, později se začala používat při výstavbě dočasných pažících stěn. Principem metody je vnášení (injektáž) vlhkého pojiva do vrtu vnitřkem dutého průběžného spirálového vrtáku. Injektáž se provádí jak při zavrtávání tak při vytahování spirálu, proces zlepšení základové půdy probíhá in-situ bez vynášení zeminy na povrch a jejího odstraňování. Typické parametry procesu DSM jsou následující :

Poměr voda/cement v pojivu   0,2 - 0,5
Poměr objemu inj. směs/zemina   0,2 (jíly) - 0,7 (materiál skládek odpadů)
Počet otáček břitu spirálu   20 - 60 ot/min
Rychlost zavrtávání/vytahování   0,2 - 2,0 m/min
Typická hloubka úpravy   10 - max. 40 m
Lze použít jednoduchý, dvojitý, trojitý nebo čtyřnásobný spirál v řadě
Přísady do pojiva   bentonit, popílek, sádra, plastifikátory

Metoda DSM umožnit vytvořit tzv. "zeminu s projektovanými vlastnostmi" - tj. zeminu s určenou pevností, tuhostí, propustností a chemickými vlastnostmi. Avšak i přes dosažený technologický pokrok zbývá vyřešit stále mnoho otázek a neznámých, větších než jsou např. při realizaci pilot CFA nebo u tryskové injektáže. Jedná se zejména o způsob řízení množství vnášeného pojiva a dále o značnou závislost konečného produktu na základových poměrech. DSM není dosud technicky zralou technologií, a proto je zajímavé sledovat její vývoj na základě zkušeností získávaných postupně z již realizovaných staveb.

Účastníci konference prezentovali řadu zajímavých použití a zobecnění výsledků dosažených technologií DSM.

Její využití se v zásadě dělí na :

  1. zlepšování základové půdy
  2. odstraňování ekologických zátěží
  3. kombinace a) a b)

A. Zlepšování základové půdy:

Vnesením pojiva do zeminy s nepříznivými fyzikálními parametry se zlepšují jejich přetvárné vlastnosti, zejména pevnost a únosnost, případně propustnost. Na obrázku 1 jsou uvedeny praktické možnosti uspořádání sloupů DSM při zlepšování základové půdy. Buňkové uspořádání sloupů o hloubce 10 m bylo např. použito pro zlepšení základové půdy pro založení pětipodlažní budovy na neúnosném podloží. V prostředí neulehlých písků a písčitých siltů se celkové sedání stavby podařilo udržet na přijatelné hodnotě 30 - 100 mm. Jak vypadají odhalené sloupy vytvořené pomocí DSM lze vidět na fotografii z uvedené stavby.

Na obrázku č. 2 je zobrazeno rozsáhlé použití DSM jako pažící stěny dočasného pažení výkopu tunelu v Bostonu. Sloupy DSM a TI byly použity ke zlepšení základové půdy jak v prostoru pažící stěny, tak v podloží zářezu.

Pažící stěny z DSM se obvykle používají pouze jako dočasné, protože je u nich obtížné určit pevnostní charakteristiky a problematická je i plošná a vertikální stálost vlastností směsi zemina/pojivo. Podle dosud uveřejněných výsledků z polních zkoušek činí běžně rozdíly v pevnosti v tlaku okolo 40%.

Nejnovější modelové zkoušky DSM za použití 400 mm spirálu s různou tloušťkou břitu, při kterých se zkoumala účinnost a stupeň promíchání v jílovitém písku s pevností v tlaku 29 kPa, ukázaly následující závislosti :

  • Stupeň promíchání se zvyšuje s rostoucí rychlostí otáčení
  • Tenčí břit obecně umožňuje lepší promíchání a tím dosažení vyšší pevnosti v tlaku
  • Pevnost v tlaku je přímo úměrná rychlosti otáčení břitu
  • Pevnost v tlaku je přímo úměrná celkovému počtu otáček
  • Pevnost v prostém tlaku je nepřímo úměrná rychlosti zavrtávání a vytahování

Z toho vyplývá, že k dosažení pevnosti "dokonale" promíchané zeminy je nezbytná nízká rychlost zavrtávání a vytahování při vysoké rychlosti otáčení tenkého břitu.

Výsledky dalších zkoušek ukazují značnou nehomogenitu výsledného produktu. Například při zlepšování vlastností soudržné zeminy o cu = 55 kPa, kterou byl zasypán vytěžený lom, byl zásyp na hloubku 20 m nejprve spirálem předmíchán k zhomogenizování zeminy a poté promíchán pomocí DSM s cementovou směsí v poměru cement/zemina 0,2. Neodvodněná pevnost zjišťovaná na základě stovek měření z různých hloubek činila od méně než 0,25 po 1,25 MPa. Rozdílné jsou i pevnosti v jádru sloupu a na jeho styku se sousedním sloupem. Zkouškami se zjistilo, že na styku je dosaženo pouze 70% pevnosti jádra. Pevnost závisí i na čase zhotovení - po 6 dnech mezi zhotovením sousedních pilířů byla naměřena nulová styková pevnost. Vliv na rychlost tvrdnutí má kromě času, charakteru zlepšované zeminy i použité pojivo a jeho množství - např. při použití popílků a sádry dochází k nárůstu pevnosti velmi pomalu. Značný vliv na pevnostní charakteristiky má obsah organických hmot v zemině - překročí-li obsah humózních látek 2% je nárůst pevnosti jem velmi malý. Organická příměs může snížit pevnost až 10x

Velký problém pro širší využití DSM je nedostatečná podpora této technologie ucelenou metodikou pro její použití. Jelikož je realizace DSM vysoce specifická pro jednotlivá staveniště, je extrapolace výsledků z různých míst velmi obtížná a jejich využití na jiném staveništi vyžaduje značnou obezřetnost.

Kvalitní projekt zlepšování vlastností zemin metodou DSM musí být založen na provedení rozsáhlého programu míchacích pokusů jak polních, tak laboratorních. Výsledky pokusů ve formě výsledných pevností, propustnosti a životnosti zlepšení se určují pomocí statistických metod. Při realizaci DSM je pak nezbytný podrobný monitoring se záznamy, které jsou obdobné jako při CFA (množství směsi, počet otáček, rychlost postupu atd.). Nepostradatelnými jsou k závěrečnému vyhodnocení účinnosti DSM laboratorní zkoušky na odvrtech z dokončených sloupů. Podle dosavadních zkušeností je k ověření správnosti předpokladů návrhu potřeba velké množství vzorků, často se požadují i zatěžovací zkoušky (zkoušky únosnosti) k ověření pevnosti, případně i odhalení sloupů zlepšené zeminy.

Jelikož je hlavní složkou v procesu DSM zemina, která je vysoce proměnlivým materiálem, je nezbytné očekávat velkou proměnlivost výsledků. DSM lze s výhodou použít tam, kde se jedná o zlepšení rozlehlých nebo mocných bloků málo únosných, nebo jinak nepříznivých zemin, které neobsahují plochy potenciálního oslabení nebo vysoké propustnosti.

B) Použití DSM při odstraňování kontaminace

Provádění DSM na kontaminovaných staveništích vyžaduje zvláštní pozornost. Kromě vyhodnocení uvedených v předchozí kapitole se musí přistoupit k potřebnému monitoringu, který ověřuje účinnost prací z hlediska ochrany životního prostředí. DSM se používá zejména pro stabilizaci a solidifikaci při odstraňování kontaminace na staveništi. Přestože technologie DSM se používá jak pro stabilizaci tak pro solidifikaci, jedná se o dva odlišné postupy. Stabilizací se pomocí reagentů chemicky převádějí rozpustné, snadno migrující a vyluhovatelné polutanty na stabilnější, méně pohyblivé a méně rozpustné sloučeniny. Solidifikací se přidáním pojiv snižuje propustnost a zvyšuje celistvost zemin, čímž se fyzikálním způsobem zabraňuje přístupu rozpouštěcích činitelů, zejména vody, k vyluhovatelnému polutantu.

V závislosti na okolnostech může úprava znečištěných zemin pomocí DSM úspěšně splnit jeden výše uvedený proces, ale může selhat při zajištění druhého. Výběr procesu úpravy záleží na požadavcích, které určují, čeho se má úpravou dosáhnout, a na vlastnostech upravované zeminy. Obvykle je snazší ovlivnit fyzikální vlastnosti (pevnost, propustnost, vyluhovatelnost), ale mnohem obtížnější je snížit působení kontaminantů na prostředí. Možnost snížit nepříznivé účinky na prostředí je dáno tím, zda kontaminant chemicky reaguje a vytváří méně rozpustné sloučeniny, zda lze kontaminanty absorbovat přimíchanými látkami a zda dojde k vytvoření hmoty s dostatečně nízkou propustností.

Při výběru parametrů stabilizace/solidifikace se musí vzít v úvahu všechny faktory, které mohou úspěšnost prací ovlivnit. Proces musí splnit i další požadované vlastnosti a účinnost stabilizace/solidifikace musí být dlouhodobá. Teoreticky lze použít různé reagenty a pojiva, ale k DSM jsou obecně vhodné zejména ty, které jsou založeny na systému cementace. Nejběžněji se využívají : portlandský cement, směsné cementy, popílky, struska a vápno. K vázání organických polutantů se před vlastní solidifikací používají absorbenty, jako např. aktivní uhlí nebo speciální jílové minerály.

Příprava stabilizace/solidifikace vyvolává řadu otázek, které je před jejich realizací nutné zodpovědět, aby se zajistila úspěšnost provedených prací. Již v předstihu je proto nutné určit zkoušky, kterými se ověří účinnost stabilizace/solidifikace s dlouhodobou životností. Jedná se, kromě jiných, o následujících stanovení:

  • Jak reagují kontaminanty navzájem
  • Jak reaguje použitý absorbent s pojivem
  • Jaká je účinnost pojiva při fixaci jednotlivých kontaminantů
  • Zda dojde při míchání k dostatečnému kontaktu kontaminantů a reagentů
  • Zda kontaminanty nepůsobí negativně na tvrdnutí, vývoj pevnosti a trvanlivost účinku reagentů

Důležitým podkladem pro návrh úpravy znečištěných zemin pomocí DSM je podrobný průzkum staveniště, protože rozmístění, druhy a koncentrace polutantů se mění plošně i hloubkově. Odstranění polutantů pomocí DSM je složitý fyzikálně-chemický proces. Je třeba vzít v úvahu i možné negativní účinky použité metody, která např. může změnit pH v okolí zásahu a vytvořit tak prostředí s vyšší vyluhovatelností, např. olova a arzénu. Stabilizace/solidifikace odpadů s větším počtem polutantů je obtížnější než stabilizace jednoho nebo několika málo polutantů. Vhodným kompromisem pro multipolutantové znečištění může být fyzikální enkapsulace solidifikací, kdežto chemická stabilizace je vhodná pro jednoduchou kontaminaci, nebo pro kontaminanty s jednoduchými chemickými vlastnostmi. Dalším nezbytným podkladem je studie proveditelnosti zásahu se zaměřením na účinnost procesu stabilizace/solidifikace, která má obsahovat přesně specifikované požadavky na výsledek procesu. Stejně tak se má provést analýza výsledků po provedení stabilizace/solidifikace s vyhodnocením dosažených účinků dle studie.

Odborníci se lze zatím na výsledky DSM stabilizace/solidifikace pomocí pojiv na bázi cementu dívají skepticky - výsledky zatím nejsou dobře zdokumentovány a spolehlivost údajů pro další využití je nízká a nelze je zobecnit pro další úspěšná použití.

Podle článku Deep soil mixing (GE IX/1999) napsal :
RNDr. Ivan Beneš


English summary

Deep soil mixing
Deep soil mixing is a method of a soil treatment an a polluted soil remediation that went last decade through a significant development. An international conference dedicated to the actual state of this technology was held in Great Britain last year. In this article there are stated principles and methods of DSM realization and practical experiences with its application in a building and enviromental industry.