Články, Poruchy

Problémy úprav základových konstrukcí a možnosti řešení

V poslední době jsme prověřovali několik problematických rekonstrukcí zděných základových pásů i patek, které vedly k poruchám a haváriím. V tomto příspěvku jsou popsány příčiny a následky těchto havárií i možnosti jejich řešení.

Čas od času se při rekonstrukcích staveb zasahuje do stávajících základů. Pro jakoukoliv rekonstrukci (zesilování) základů se doporučuje zajistit si nejprve inženýrsko-geologický posudek staveniště. Ten by měl vypracovat inženýrský geolog. Statik a inženýrský geolog by se měli rámcově dohodnout na předpokládaném řešení rekonstrukce či zesilování základů. 

Geologický posudek se má zabývat únosností a možnými deformacemi podzákladí, přítomností a složením vody v podzákladí i tvarem a konstrukci starých základů (např. skutečné uspořádání, hloubky založení, antropogenní vlivy apod. (obr. 1, 2, 14). Mělo by se zjistit, jsou-li základy betonové či zděné z cihel, kamene, smíšeného zdiva, také stav malty nebo betonu, či byly-li základy hlubinné.

Obr. 1: Neočekávané středověké uspořádání kamenných klenbových základů pod uliční zdí městského domu.Obr. 2: Raně středověké pece na pálení vápna (šipka) si vynutily změnu provedení nových pásových základů

Počet a místa sond se určí po dohodě statika a inženýrského geologa. Sondy by měly být situovány tak, aby z nich bylo možné sestavit inženýrsko-geologické řezy stavebním pozemkem. Mělo by být rozhodnuto o tom, budou-li sondy kopané nebo vrtané (tj. bude-li zapotřebí vrtací zařízení). 

Inženýrsko-geologický průzkum není laciný; je vždy zapotřebí počítat s náklady na jeho provedení. Náhradou inženýrsko-geologického průzkumu může být podobný posudek blízkého staveniště nebo znalost podzákladí z inženýrsko-geologického archivu. Pro základní (nezávaznou) informaci o podzákladí lze použít i inženýrsko-geologickou mapu.

Funkčnosti nově vytvořeného (rozšířeného) základu se dosáhne vhodnou aktivací (např. přitížením nadstavbou). Ta by měla být na konstrukci přiložena až dodatečně – tedy základ by měl být zesílen jako prvý. Je třeba počítat s tím, že společné působení starého a nového základu nastane až po určité době, kdy základ dále mírně sedne [4–13].

Příčiny poruch
Projevem poruch jsou povětšinou trhliny. Příčiny poruch a důvody pro zesilování základů mohou být vyvolány:
– změnami silového působení z horní stavby při nárůstu vnějších sil (např. při změně účelu stavby, kdy dochází ke zvětšení užitného zatížení);
– přestavbami (při přerozdělení zatížení, vyvolaném odstraněním částí původní konstrukce nebo při jejím doplnění novými nosnými prvky);
– nadstavbami či jiným zvýšením zatížení;
– snížením základové spáry (např. při zřizování dalšího podzemního podlaží, při zvýšení výšky úrovně suterénu, při stavbě v proluce, při změně dispozice v suterénu apod.);
– zvýšením sedání starých základů, náklonem objektu (např. byla-li stavba postavena na nedostatečně ulehlém násypu);
– nevhodným přitížením okolního terénu;
– snižováním hladiny podzemní vody při odvodňování nebo čerpání;
– vnikem povrchové nebo podzemní vody do podloží z porušených svodů, kanalizace, vodní přípojky).
– dynamickými vlivy (zemětřesením, silničním nebo železničním provozem);
– poddolováním;
– svahovými pohyby (v terénu náchylném k sesouvání se doporučuje předem ověřit jeho stabilitu a zajistit bezpečnost na něm stojících staveb – nových, původních i rekonstruovaných). Zkoumáním stability svahů se zabývá specialista – inženýrský geolog [8].

Ve všech případech je nezbytné vzít v úvahu interakci mezi základy a podzákladím na jedné straně a horní stavbou na straně druhé. Proto je při jakémkoliv zásahu do konstrukce (např. při opravě či zesílení) nutné pečlivě zhodnotit možné vlivy na obě části stavby (tj. jak pro základy, tak i pro horní stavbu). Analýza interakce horní a dolní stavby obvykle umožní porozumět změnám relativní tuhosti objektu – např. změnou polohy globálního těžiště stavby se může zhoršit její stabilita a vyvolat její naklánění.

V seismických oblastech je nezbytné provádět obzvláště podrobný rozbor interakce mezi horní a dolní stavbou, neboť podloží musí být hodnoceno ve dvojí funkci, tedy v přenášení seismických vlivů a v podporování konstrukce.

Dva příklady havárií
U nekvalitně vyzděné a novými otvory oslabené střední zdi v 1. PP objektu z roku 1872 došlo při nevhodně prováděném podbetonování jejího základu k poklesu a k následnému zřícení stavby s obětmi na lidských životech (obr. 3, 4).

Obr. 3: Zřícená střední zeď, sesuté stropní klenby (internet)Obr. 4: Destrukce stropu pod bývalou střechou (internet)

Odstranění zeminy pod úrovní základové spáry totiž vyvolává ztrátu únosnosti podloží pásového základu – viz např. G. G. Meyerhof [1], respektive [2, 3, 7–13].

V druhém příkladu vyvolalo odbourání řadového domu v proluce mezi dvěma objekty bez dostatečné pozornosti pásovému základu štítové zdi staršího z nich rozsáhlou poruchu, kterou bylo nutné řešit nákladným statickým zajištěním pro záchranu poškozeného domu (obr. 5, 6). Volné zdi, pod nimiž se má pracovat, je vždy nezbytné předem staticky zajistit a vzepřít.

Obr. 5: Potrhání (šipka) uliční fasády při nezajištěném výkopu v proluceObr. 6: Dodatečné zajištění štítové stěny vzpěrami při stavbě v proluce

Plošné zesilování základů
Problematické může být rozšíření kontaktní plochy základu. Pokud je sedání ovlivněno vrstvou podloží ležící v hloubce, pak je možné stabilitu konstrukce zlepšit redukováním celkového zatížení. Na druhé straně, jestliže jsou povrchové vrstvy podzákladí měkké, může být rozšíření základu pro přenášení dodatečných zatížení užitečné. Tuto úpravu lze akceptovat u nepřetížených základových spár u běžně prováděných zesílení základů, rozšířených za účelem zvýšení jejich únosnosti při nástavbách, přestavbách apod. Taková řešení jsou u zděných konstrukcí poměrně běžná. Plošné rozšíření základů se má vždy provést tak, aby starý a nový základ byly spojeny zazubením (vyřezaným nebo vybouraným ve starém základu) nebo ukotvenými a injektovanými mikrohřeby do vrtaných děr ve starém základu.

V následující části budou zmíněna řešení plošného rozšíření základů. Další možnosti (jako jsou dodatečné hlubinné podepření – mikropiloty, piloty, šachtové pilíře či ztužení základů předpínáním) zmiňovány nebudou. Plošné rozšíření (zesílení) základů je možné provést dle místních podmínek.

Obetonování a podbetonování
Pokud se u stávajícího objektu dodatečně zvětšuje hmotnost budovy (nadstavbou, změnou účelu budovy apod.) nebo pokud se vyskytne trvalé a neodstranitelné snížení pevnosti základové půdy, navrhuje se tato úprava často. Přichází v úvahu i tehdy, jsou-li základy chatrné nebo z různých příčin porušené.

Také prohlubování základů se zajišťuje podobnými adaptačními postupy, obvykle složitými a nákladnými. Přistupuje se k němu tehdy, neleží-li pata základu v nezámrzné hloubce (např. při dodatečném snižování úrovně terénu), zřizují-li se nové sklepy, zakládá-li se budova hlouběji než sousední stavba apod.

Vždy se musí postupovat obzvlášť opatrně, podchytit alespoň rohy staré zdi a nový základ provádět po částech. Ve zdech nad adaptovanými základy se doporučuje vypažit všechny otvory, podepřít stropy a zdivo podchytit oboustranně vzpěrami (zevnitř i zvenčí podobně jako při zvětšování nebo zřizování otvorů). Zvláště je třeba dobře podepřít klenby (které jsou citlivé na pohyby ve zdivu (obr. 7, 8) a vzepřít i pilíře kleneb (obr. 18 až 21).

Obr. 7: Podepření klenbového pásu v objektu z roku 1905Obr. 8: Podepření klenby mezi klenbovými pásy

Obr. 9: Rozšíření základů v 1. PP při nadstavbě domuObr. 10: Přibetonování základů zvenčí domu (šipka)

K vlastní adaptaci se přikročí až po zabezpečení budovy a odlehčení základů. Zemina se smí nejprve odkopat jen jednostranně, do úrovně paty starých základů. Další hloubení, podkopávání, podezdívání základů či jejich vyměňování se provádí po částech a v malých úsecích, zhruba 0,8 až 2,0 m dlouhých (podle druhu zeminy, stavu základů a horní stavby, obr. 11, 15 [11]).

Obr. 11: Dva způsoby (i jiné varianty jsou možné) postupného podchycování pásových základů (v délkách cca od 0,8 do 2,0 m – podle druhu zeminy, stavu základů a horní stavby)

Začíná se pod nárožními a meziokenními pilíři, přičemž místa, kde se současně pracuje, by měla být od sebe vzdálena cca 4,0 m. Vedle úseku již opraveného je možné pracovat, až když zdivo nebo beton řádně ztvrdly. Tyto informace lze nalézt v téměř každé odborné literatuře [2, 4–15].

Pod původním základem se může zajistit i výkop pro podélný ozub ze železobetonu (ozub není vždy nutný). Místo od místa se mohou odstranit cihly tak, aby vznikly kapsy (zhruba po 0,5 m, obr. 13).

Před prováděním kotvení a ukládání výztuže se položí podkladový beton, zdivo se očistí a spáry proškrabou. Beton se používá kvalitní (alespoň C20/25 a lepší), pro vyztužení se volí betonářská hřebínková ocel; totéž platí i pro kotevní trny – mikrohřeby z profilů ∅ 14–20, které se osazují do zálivky z dobré cementové malty s vhodnou příměsí (obr. 12, 14–16).

Obr. 12: Podélná a příčná výztuž zesílení (rozšíření) základového pásu s kotvením mikrohřeby (šipka)Obr. 13: Směrné detaily provedení zesilujícího pásu s ozubem (nahoře) a mikrohřebu (dole)

Obr. 14: Stav původních základů – mohutná kaverna pod dolní hranou základu (šipka)Obr. 15: Betonáž rozšíření základu po částech (viz také obr. 11, 14, 16, 17)

Obr. 16: Úprava staréno základu mikrohřeby (šipka)Obr. 17: Nový základ po vybetonování (viz také obr. 14 až 16)

V novém základu se nejprve položí příčná třmínková výztuž, dále podélná věncová výztuž; výztuž se nastavuje a spojuje svařením. V kříženích a rozích a v návaznosti na příčné ztužující prvky se podélné a příčné pruty dobře provážou. Předpokládá se, že aktivace rozšířených základů nastane při realizaci nadstavby.

Úpravy základů se obvykle navrhnou ve formě směrných detailů. Nelze nikdy vyloučit, že tvar zesílení bude nutné modifikovat podle okolností zjištěných při rekonstrukčních pracích na stavbě.

Technologický postup zesílení se musí podrobně (nejlépe v bodech) popsat v technické zprávě k projektu. Při návrhu a provádění zesilování základů je nezbytné pečlivé vypracování projektu a při realizaci je třeba zajistit zvýšený dozor projektanta.

Obr. 18: Stav pilířů kolonády zámku před rekonstrukcí (šipka); v pozadí zámecká věžObr. 19: Průběh opravy – pilíř i základ odstraněny; podepření a opravy kleneb

Obr. 20: Nový základ (šipka) a nově vyzděný zděný sloup zámkuObr. 21: Zámecká kolonáda po opravě (viz také obr. 18)

Rozšíření kontaktní plochy základu
Poměrně často je nutné velmi podstatně zvětšit plochu základových pásů. Většinou se to stává v případech změny únosnosti podzákladí k horšímu nebo pokud přitížení horní stavbou nadměrně vzrostlo; nelze též vyloučit nezbytnost ztužení základů ve vodorovné rovině.

Pokud je mezi stávajícími základy volný prostor, je možné využít např. únosnosti zeminy mezi nimi (u pásů, patek) [4–7, 9–13]. Hlavní myšlenkou je použití obrácené železobetonové klenby, která může být nepředpjatá nebo předpjatá (obr. 22–24).

Obr. 22: Sklepní pilíř (bez základu) před započetím statického zajištění (šipka).Obr. 23: Obrácená klenba ve středověkém sklepení (viz i obr. 22, 24)Obr. 24: Opravený sklep z obr. 22 a 23; v pozadí zaslepený otvor do dalších sklepních prostor. Sklep je přístupný a je běžně využívaný.

Doporučuje se místo styku základu a klenby upravit šetrným odsekáním stávajícího základu nebo do styčné plochy osadit injektované mikrohřeby (obr. 12–16).

Závěr
Při úpravách podélných základů je nutné:
1. Zajistit inženýrsko-geologický posudek;
2. Ověřit stav a materiál původního základu;
3. Rozhodnout o způsobu zesílení (např. z jedné či obou stran, tvar přibetonování, obrácená klenba apod.);
4. Všechny práce pod terénem původního základu provádět po částech a se statickým zajištěním;
5. Lze zvážit zvýšení možného namáhání podzákladí o cca 15–20 % u konsolidované půdy (tj. po existence stavby po 5–10 letech).

Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu Národní program udržitelnosti I.

ZDENĚK BAŽANT
foto archiv autora

Literatura:
1) MEYERFHOF, G. G. Bearing Capacity of Foundations. Géotechnique II. 1951, č. 4.
2) MENCL, V. Mechanika zemin a skalních hornin. Academia Praha, 1966.
3) PRANDTL, L. Anwendungsbeispiele zu einem Henckyschen Satz über das plastische Gleichgewicht. Zeitschrift für angewendete Mathematik und Mechanik. 1923.
4) BAŽANT Z., L. KLUSÁČEK. Statika při rekonstrukcích. 6. vydání (upravené). Brno: CERM, s. r. o., 1/2015.
5) VANĚK, T. Rekonstrukce staveb. Praha: SNTL, 1989.
6) WITZANY, J. Poruchy a rekonstrukce staveb. ČVUT Praha, 1994.
7) BAŽANT, Z. Zakládání staveb. Praha: SNTL, 1960.
8) BAŽANT, Z., F. HUBATKA, A. PASEKA. Vliv některých faktorů na stabilitu svahu [online, cit. 12. 10. 2015]. Dostupné z www.tzb-info.cz.
9) HULLA, J. a kol. Zakladanie stavieb. ALFA Bratislava/SNTL Praha, 4/1987, případně Jaga Group Bratislava, 1998.
10) HULLA, J. a kol. Predpoklady a skutočnosť v geotechnickom inženierstve. Bratislava: Jaga Group, 2002.
11) PETER, P., J. KOS, Z. TKANÝ, J. VERFEL. Zakládání staveb. Praha: SNTL, 1973.
12) KOS, J. Rekonstrukce staveb. Brno: CERM, s. r. o., 1999.
13) KLUSÁČEK, L., Z. BAŽANT, M. VOLF, A. PASEKA: Zesilování základů předpjatými konzolami a klenbami – věž radnice ve Vyškově. Beton TKS, č. 6/2015.

Doc. Ing. Zdeněk Bažant, CSc., (*1933)
absolvoval FAST VUT v Brně v r. 1956, pracoval jako stavbyvedoucí firmy Průmyslové stavby Gottwaldov, n. p., a projektant v oboru statiky pozemních staveb PVÚ VUT v Brně. Pracuje jako docent a vědecký pracovník ÚBZK FAST VUT v Brně. Je autorizovaným inženýrem pro statiku a dynamiku a znalcem v oborech rekonstrukce staveb a plošné a montované konstrukce.