Předložený článek je zhuštěným překladem studie “Grouting design and control using the GIN principe” uveřejněné v časopise Water Power & Dam Construction, VI/1993. Jednou z kontrolních metod, které mají umožnit dokonalejší projektování a kontrolu injektáže hornin, je metoda GIN. Její autoři, G. Lombardi (Studio d’Ingegneria, Locarno, Švýcarsko) a D. Deere (Gainesville, USA), ji vyvinuli v 90. letech pro tlakovou injektáž skalních masivů cementovou injekční směsí. Svoje předpoklady si ověřili při výstavbě injekčních clon na projektech několika velkých hydroelektráren v různých zemích a považují ji za technicky i ekonomicky výhodnou. Základními vlastnostmi metody je: 1) užití stabilních injekčních směsí pro celý injekční proces (směs v : c = 0,68-0,81) s přísadou superplastifikátorů, 2) stálá, nízká až střední rychlost injektáže, při které dochází k postupnému nárůstu injekčního tlaku, 3) monitoring tlaku, rychlosti toku, objemu směsi v reál-ném čase pomocí PC grafických programů, 4) ukončení injektáže v okamžiku, kdy křivka diagramu závislosti tlaku na celkovém objemu směsi protne některou z křivek diagramu pro mezní objem, mezní tlak nebo mezní intenzitu injektáže, které jsou znázorněny hyperbolickou křivkou GIN (křivka s konstantní hodnotou spotřebované energie udané jako součin tlaku a objemu injektované směsi).

Autoři udávají, že metodu vyvinuli pro injektáž skalních hornin cementovými směsemi, ale předpokládají její použitelnost i pro nekohezní zeminy a jiné injekční směsi.

Základním teoretickým předpokladem metody GIN je chování injekční směsi jako binghamské kapaliny, při jejímž sledování je nezbytné brát v potaz jak viskozitu, tak i kohezi, přičemž viskozita určuje rychlost toku, koheze maximální vzdálenost, kterou směs urazí při daném tlaku a velikosti trhliny v hornině. Binghamským kapalinám se vlastnostmi blíží zejména stabilní směsi s dekantací pod 5 %, řídké směsi jsou nestabilní a vlivem nahodilé sedimentace cementových částic při průtoku trhlinami hornin nelze jejich chování charakterizovat pomocí rovnic pro binghamské kapaliny. Autoři upřednostňují používání směsí o poměru v : c = 0,67 : 1 až 0,8 : 1, které při použití superplastifikátoru snižujícího kohezi i viskozitu poskytují injekční směs s vysokou hustotou a pevností. Určení vlastností směsí se provádí v laboratořích, kde se určuje koheze a viskozita, specifická hmotnost a pevnost v tlaku. Při použití superplastifikátoru lze snížit relativní kohezi husté injekční směsi z hodnoty 0,2-0,35 mm na hodnoty 0,08 až 0,15 mm, které jsou doporučované pro in- jektáž. Mezi další typické hodnoty hustých injekčních směsí patří specifická hmotnost 1,59-1,67 g/cm3, viskozita Marsh 29-32 s a 28denní pevnost v tlaku 15-20 MPa.

Kromě toho je při návrhu injektáže nezbytné zohlednit i vlastnosti injektovaného prostředí - při návrhu směsi je nutné počítat s potenciální ztrátou vody při použití injektáže v suchých horninách, kterou může dojít ke zvýšení koheze a viskozity do míry, která znemožní další aplikaci injekční směsi. Dalším parametrem injektáže je velikost trhlin v horninách - průnik injekční směsi v jemných trhlinách závisí více na velikosti cementových zrn než na zředění směsi a namísto ředění je možné dosáhnout vyšší penetrace použitím jemnějšího cementu. Metoda GIN používá jednotnou směs pro injektáž jak širokých, otevřených puklin, tak i drobných jemných puklin. Je vhodné použít středně hustou směs pro oba typy trhlin, kterou se nejprve vyplní při nízkém tlaku široké trhliny a poté při vyšším tlaku trhliny jemné.

Metoda GIN
GIN - česky hodnota intenzity injektování, je číselným vyjádřením spotřebované energie přibližně rovné součinu působení finálního injekčního tlaku p a objemu injektované směsi V, matematicky vyjádřeno p.V Objem může být vztažen na délku injektovaného úseku a vyjádřen v l/m (nebo jako hmotnost injektovaného cementu v kg/m). Tlak se tradičně vyjadřuje v barech a jednotkou GIN pak je bar. litr/metr.

Metoda GIN vyžaduje, aby byly zvolené meze intenzity injektování užívány jak pro trhliny snadno injektovatelné s velkými objemy absorpce směsi při malém tlaku, tak pro jemnější trhliny s nízkou absorpcí při vyšším aplikovaném tlaku. Tímto postupem zůstává hodnota GIN konstantní.

Zachování stálé hodnoty GIN během celého procesu injektování pro všechny injektované úseky umožňuje získat téměř konstantní využití injekční směsi a v podstatě automaticky limituje objem směsi u otevřených, širokých trhlin, umožňuje zvýšit tlak v zónách s těsnějšími a méně dostupnými trhlinami. Zároveň je znemožněna kombinace vysokého tlaku a velkého objemu, tedy uspořádání, které by vedlo k rozsáhlému vztlaku nebo k poškození horniny (klakáži). Podobně je znemožněna i kombinace nízkého tlaku s nízkou absorpcí směsi, v jejímž důsledku by nebyly trhliny adekvátně zaplněny.

Konstantní hodnota GIN dává po vynesení do grafu vyjadřujícího závislost tlaku na objemu hyperbolickou křivku: čím vyšší je intenzita injektování, tedy i hodnota GIN, tím větší je vzdálenost křivky od počátku. Křivka GIN tak doplňuje chybějící článek spojující dvě omezení - limitní objem a limitní tlak. Kombinace těchto tří parametrů tak dává soubor mezních hodnot pro realizaci a regulaci injektování.

Soubor limitních hodnot pro různé intenzity injektování
Použití metody GIN v praxi ukazují obrázky č. 1. a 2. Na obr. 1 je patrná křivka zvolené hodnoty GIN a injekční záznamy pro různé typy trhlin. Otevřená trhlina s širokým ústím je znázorněna křivkou 1, která naznačuje zvyšující se objem injektované směsi s pouze nepatrným injekčním tlakem. Křivka 2 znázorňuje trhlinu průměrné velikosti, u které se postupně zvyšuje tlak i objem injektované směsi; pouze v bodě a’ je nárůst tlaku výraznější, a to proto, že odpor při penetraci směsi se zvyšoval nepravidelně. Křivka 3 znázorňuje těsnou trhlinu, kde injekční tlak rychle roste při současném malém zvýšení spotřeby. Podobně i křivka 4 znázorňuje extrémně těsnou trhlinu s velmi malou spotřebou a rychlým nárůstem injekčního tlaku. Obr. 2 znázorňuje pět navržených souborů limitních hodnot pro různé intenzity injektování. Hodnota GIN, limitní tlak a limitní objem jsou ve skutečnosti tři více či méně nezávislé parametry definující omezení pro injekční práce. Podle navržené definice spolu navzájem souvisejí, ale zároveň tomu tak nemusí nezbytně být. Nejvýše umístěný soubor limitních hodnot znázorňuje velmi vysokou intenzitu injektování s hodnotou GIN 2500 bar. l/m s velmi vysokým limitním tlakem 50 barů a s velmi vysokým limitním objemem 300 l/m. Nejníže položený soubor limitních hodnot znázorňuje velmi nízkou intenzitu s hodnotou GIN = 500 bar. l/m s maximálním tlakem 15 barů a s limitním objemem 100 l/m. Pro většinu případů autoři doporučují soubor limitních hodnot se střední mírou intenzity s danou hodnotou GIN = 1500 bar. l/m, limitním tlakem 30 barů a limitním objemem 200 l/m.

Pro geologicky kritické oblasti (blízko povrchu a na strmých svazích) může být aplikována křivka z níže položené části grafu. Z kombinace obrázků 1 a 2 je snadno patrné, že proces injektování bude zastaven v různých bodech v závislosti na hodnotě zvolené pro dotyčný soubor limitních hodnot injektování. V křivce 1 (obr. 1) bude injektování zastaveno v bodě a pro nízkou intenzitu injektování, a to vzhledem k omezení objemu na hranici 150 l/m při současném výsledném injekčním tlaku 3 bary. Pokud se však projektant rozhodne pro středně intenzivní soubor limitních hodnot, bude injektování pokračovat až k bodu b odpovídajícímu maximálnímu objemu v hodnotě 200 l/m, výsledný tlak bude opět přibližně 3 bary. Bude-li zvoleno injektování s vysokou intenzitou, bude injektování pokračovat až k bodu c, tj. k maximálnímu objemu 250 l/m s konečnou hodnotou tlaku přibližně 6 barů. A konečně, pokud bude zvolena možnost injektování s velmi vysokou intenzitou, bude injektování pokračovat až do bodu d V tomto případě nebude injektování omezeno objemem, ale protnutím GIN křivky v hodnotě 2500. V tomto bodě činí celkový injektovaný objem 285 l/m a konečný tlak bude 9 barů. Podle zadané hodnoty GIN se tak budou injektované objemy pohybovat v rozmezí 150 až 285 l/m a výsledný tlak bude činit 3 až 9 barů.

V křivce 2 (obr. 1) bude objem injektovaný v bodě a činit přibližně 60 l/m a konečný injekční tlak bude 13 barů. Bude-li injektování pokračovat až do bodu d, představujícího velmi vysokou intenzitu (p.V = 2500), vzroste spotřeba směsi pouze na 90 l/m, ale hodnota tlaku dosáhne 28 barů, i tak ovšem značně méně, než je hraniční hodnota 50 barů. Podobná situace nastane i u křivky 3; injektování se zastaví kdekoliv mezi body a a d v závislosti na dříve zvolených kritériích GIN a omezení tlakové zátěže. Část x-y znázorňuje příklad poruchy horniny způsobené injektáží, kdy se struktura horniny nebo puklina vlivem působící síly nenadále otevře za současného poklesu tlaku a zvýšení absorpční rychlosti. V takových případech je možné pokračovat v injektáži nízkou rychlostí a pokusit se dosáhnout zvolené části GIN křivky. V případě zvýšení tlaku může patrně dojít k dalším poruchám při zachování stejného nebo jen nepatrně vyššího tlaku. Zda za těchto okolností pokračovat v injektování je sporné. V řadě případů však bylo bez velkých problému provedeno úspěšné injektování i v takových podmínkách. Tak jako tak, limitní křivky bude jednou stejně dosaženo a injektování bude zastaveno.

Volba hodnoty GIN
Projektanti hrází a jejich geotechnici či pracovníci provádějící injektování si musí pro projektovanou injekční clonu zvolit správnou hodnotu GIN. Autoři tohoto článku doporučují pro začátek střední hodnoty GIN 1500 bar. l/m, přičemž je třeba zvážit geologické podmínky, hodnoty příštích vodních ztrát a vztlakové síly po vytvoření nádrže. Pro speciální použití mohou projektanti či kontrolní inženýři změnit rovněž i maximální hodnoty objemu a tlaku. Patrně nejlepší metodou je vyzkoušet před definitivní volbou daného souboru limitních hodnot jedno nebo dvě různá uspořádání.

Injektování kontrolované počítačem
Počítače dnes mohou být snadno instalovány a provozovány přímo v místě injektování a umožňují kontrolu injektování v reálném čase. Systém počítače musí nepřetržitě vyhodnocovat pouze dvě hodnoty: aktuální injekční tlak p a rychlost toku q; z těchto hodnot lze integrováním získat kumulovaný objem V na jednotkovou délku (aplikovaný od počátku injektování v dotyčné hloubce). V případě potřeby může být objem injektované směsi V změřen přímo a rychlost toku q pak může být odvozena derivací.

Pomocí dvou měřených hodnot p a q může počítač znázornit a vyhodnotit řadu grafů v závislosti na čase (např. tlak, rychlost toku, kumulovaný objem, schopnost penetrace v závislosti na čase). Zvláštní pozornost je třeba věnovat křivce průběhu specifického toku (g/p) neboli schopnosti směsi pronikat trhlinami. Tato křivka znázorňuje rychlost zaplnění pórů a trhlin a vznik odporu při injektování, způsobený zvyšováním celkové kohezní síly v důsledku pokračujícího průniku směsi a postupného zaplňování trhlin ve skalní hornině. Případné náhlé nárůsty rychlosti toku (ostré špice na grafu) mohou naznačovat vznik prasklin nebo trhlin v podloží vyvolaných nadměrným tlakem při injektáži.

GIN a křivky znázorňující závislost penetračních schopností a objemu jako kontrola injektování v praxi
Zvolením limitních hodnot pro daný injektovaný objekt nebo celou danou oblast projektu lze na počítači ovládat průběh injektáže. Na displeji počítače se kromě hlavních kontrolních grafů závislosti tlaku a objemu injektované směsi objevuje hyperbolická křivka GIN a limitní hodnoty mezního tlaku p a mezního objemu V na jednotkovou délku. Křivka znázorňující aktuální průběh injektování se vynáší v podobě malých přírůstků v čase jako závislost injekčního tlaku na kumulované injekční rychlosti na jednotkovou délku. Při protnutí křivky GIN je injektování zastaveno při konečném tlaku p a celkovém kumulovaném jednotkovém objemu injektované směsi V.

Injektáž lze monitorovat v reálném čase pomocí křivky znázorňující závislost penetrační schopnosti q/p na kumulovaném injekčním objemu, nikoliv na čase. Z průběhu této křivky lze pozorovat např. pokles penetrační schopnosti naznačující, že dochází ke snižování efektivity injektování. Při konstantním injekčním tlaku se rychlost toku snižuje, nebo pokud je udržena konstantní rychlost toku (a to téměř až do konce), injekční tlak se zvyšuje. Naopak pokles v průběhu křivky znázorňující závislost penetrační schopnosti na objemu ukazuje, že injektování probíhá dobře.

Aplikace metody GIN na injekční clony
Metoda GIN, tak jak byla prezentována, původně pracovala pouze s jednotlivými úseky nebo etapami. Postupně se aplikovala na všechny vrty I. pořadí a posléze na celou injekční clonu. Pro některé vysoce propustné nebo kavernózní horniny (lávové naplaveniny, některé vápence, popraskané pískovce) byly vytvořeny až třířadé injekční clony. Pomocí metody GIN lze jejich injektáž snáze projektovat a posléze i řídit. Na křivce GIN lze určit pravděpodobné konečné rozmístění vrtů I., II, III. a dalšího (IV. nebo V. ) pořadí. Průměrný absorbovaný objem injekční směsi se bude ve vyšších pořadích snižovat a naopak průměrný injekční tlak se bude od pořadí k pořadí zvyšovat. Tento průběh nastává automaticky vždy, kdy je použit postup GIN.

Jako kontrola mohou být vyžadovány kontrolní vrty pro realizaci VTZ podle Lugeona k ověření, zda bylo dosaženo přijatelně nízké propustnosti skalních hornin; pro těsnící clony mohou být někdy stanoveny velmi přísné požadavky, například 90 % všech testovaných etáží by mělo zůstat pod hranicí 1 Lugeon (1 x 10-5 cm/s) a žádná hodnota by neměla překročit 3 Lugeony.

Vztah mezi rozmístěním vrtů a GIN
Je zřejmé, že mezi rozmístěním vrtů a požadovanou hodnotou GIN musí existovat určitý vztah. Například pokud je zvolené rozmístění vrtů I. pořadí příliš široké a zvolená GIN je zároveň příliš nízká, nedojde během přechodu od prvního do druhého, a někdy dokonce ani do třetího pořadí vrtů k významnému snížení spotřeby injekční směsi. V takovém případě neexistují žádné záruky, že bude úspěšně vytvořena injekční clona, a to i přesto, že byly vynaloženy značné výdaje na hloubení vrtů a injektování. Pokud jsou vrty I. pořadí příliš blízko u sebe nebo pokud je zvolena příliš vysoká hodnota GIN pro první dvě série vrtů, je spotřeba směsi velmi nízká a vrty III. pořadí jsou pak zbytečným plýtváním finančních prostředků. GIN souvisí rovněž i se vzdáleností, do které se směs dostane, a tedy i s mocností injektované clony ve skalní hornině. Důležitou zásadou je zvolit správnou hodnotu GIN a rozmístění vrtů tak, aby se množství injektované směsi na metr injektované etáže snižovalo v každém dalším pořadí vrtů vždy o 50 % (v realistickém pohledu v rozmezí 25 až 75 %). Takové chování naznačuje, že dochází k rychlému utěsňování clony. Během projektování nebo v první fázi injektování je opět možné realizovat jedno až dvě zkušební uspořádání, která umožní přesnější stanovení GIN a rozmístění vrtů.

Kritéria pro utěsnění clony
Pokud průběh injektování ve vrtech poslední série (řekněme například ve vrtech III. pořadí) nebude takový, aby dosáhl maximální limitní hodnoty tlaku pro zvolenou hodnotu GIN (a přednostně na polovině přivrácené k levé ruce), měly by být injektovány další vrty, a to po každé straně vrtu, který nesplňuje uvedená kritéria. Tímto způsobem se podaří zalít všechny části clony (ačkoli ne všechny vrty I., II., a III. pořadí), a to při maximálním mezním limitním tlaku a přiměřeně nízké spotřebě injekční směsi. Metodou GIN lze úspěšně kontrolovat správnost optimální volby rozmístění vrtů. Využitím vhodného technologického postupu injektáže (autoři uvádějí např. slit-spacing) a křivek GIN lze ověřit, že při injektování do poslední série vrtů je aplikován mezní tlak s minimálním jednotkovým příjmem směsi. Autoři jsou přesvědčeni, že pokud budou dodržena pravidla a předpoklady prezentované v tomto článku, je možné dosáhnout optimální distribuce celkového objemu injekční směsi podél injekční clony. Navržený postup bere téměř automaticky v potaz aktuální nepravidelnosti geologických podmínek ve skalních horninách. Správným využitím metody GIN je možné maximalizovat poměr úspěchu k vynaloženým nákladům.

Poznámka redakce: Použité termíny a postupy uvedené v článku se v některých bodech neshodují s naší dosavadní praxi při injektáži skalních hornin.

The article gives information published in the journal Water Power & Dam Construction VI/93, describing the method GIN for designing and checking grouting of rocks or noncohesive soils. The value of the grouting intensity GIN is numerical expression of consumed energy i.e. product of final grouting pressure and mixture volume per one unit of the length. The dimension of it is bar x l x m-1. The GIN value is constant for different conditions of ground. In the graph of volume - pressure relation there is the GIN value expressed by a curve, where the grouting should be finished when the chosen intensity was reached. Assumptions of this method are 1. stabile grouting mixture with superplasticisizer, 2. constant rate of grouting, 3. monitoring of the pressure, flow rate and mixture volume in real time by PC graphic programmes, 4. finish grouting when limit values were reached. Designer and geotechnical expert choose optimal GIN value according to test results. The grouting can be monitored by the dependence of penetration ability on cumulated volume of the grout. This way it is possible for example to evaluate the correctness of choice of bore spacing in grounted curtain. The GIN method helps to achieve wanted technological as well as economical effect of grouting.
Administrative building in a clearance between residential houses is founded on anchored diaphragm walls of 600 mm thickness, which simultaneously constitute the periphery walls of the basement. First of all underpinning of facing walls of adjacent houses was necessary by jet-grouting method M1. Fixing of diaphragm walls into the bedrock was minimised because of the presence of very hard quartzite inserts underlying slates. Packing membranes were put into the wall-locks, reinforcing cages were provided with joining plates for ceiling slab and corner braces. 16 m long anchors located in two levels are assembled from four or six strands. Corrosion protection against vagabond currents is applied and some anchors are completed with checking dynamometers. A net of earthing strips from the foundation concrete slab is connected to the lightning conductors.