Urmarirea de lunga durata, prin masuratori in situ, a deformatiilor terenului de fundare

In Municipiul Constanta, in zona centrala a falezei, situata intre strazile Traian si Marinarilor, a fost inceputa in anii 2006-2007 executia unei constructii cu destinatie de spatii comerciale si birouri. Pentru construirea cladirii cu 6 subsoluri (3 complet subterane, 3 partial), a fost necesara o incinta de lucru cu dimensiunile in plan de 200 m (lungime) si 50 m (latime), avand adancimea maxima de cca. 30 m (fig. 1). 

Amplasarea excavatiei pe faleza care avea panta initiala de 1:2 (spre Marea Neagra, str. Marinarilor) a necesitat prevederea a 2 ecrane de sprijin, verticale, executate din piloti de beton armat (f = 80 cm) la 1,20 m interax, ancorati prin 2.037 ancore cu lungimi de pana la 50 m, pe 8 nivele (str. Traian) si 4 nivele (str. Marinarilor) [1], [2].

Vecinatatile construite ale incintei erau caracterizate prin diversitatea lor structurala si ca destinatie / folosinta, astfel:

• pe latura de Nord – Vest (partea superioara a falezei, corespunzatoare adancimii maxime de excavare), adiacent ecranului, exista strada Traian cu 2 benzi de circulatie (latime cca. 10 m), iar lateral strazii (cca. 22 m fata de ecran), in lungul ei, exista un complex de blocuri inalte de locuinte, construite in anii 1963.

In subteranul strazii Traian, la adancime de cca. 14 m fata de nivelul acesteia, este amplasat vechiul sistem de drenaj (galerie principala longitudinala si galerii transversale, executate intre anii 1955-1957), precum si alte retele edilitare;

• pe latura sud-estica, adiacenta ecranului, se afla str. Marinarilor cu 2 benzi de circulatie, iar dincolo de aceasta, catre port, se afla partea inferioara a falezei.

Conditiile geotehnice si hidrogeologice ale amplasamentului sunt caracteristice zonei de faleza din Constanta, terenul fiind alcatuit dintr-un complex de materiale coezive, cu grosimi maxime de cca. 40 m, asezat pe roca de baza calcaroasa [1], [2].

Complexul coeziv este constituit dintr-o succesiune de straturi, cu caracteristici si comportari diferite, pornind de la partea superioara a falezei, cota +39 (NMN), astfel:

• sub umpluturi antropice (cu grosimi variabile) de materiale pamantoase coezive, un strat cu grosimea de pana la 5 mm de argile prafoase si prafuri de natura loessoida in stare tare, fara sensibilitate marcata la umezire (i_m 300 » 0,7-0,8), cu compresibilitate mare la medie;
• un strat cu grosimi de cca. 12 m – 14 m de argile grase structurate, cu concretii calcaroase, denumite local „argile rosii”, in stare plastic vartoasa / tare, cu un comportament mecanic (rezistenta la forfecare) cunoscut ca instabil in raport cu apa (argile glomerulare), avand compresibilitate medie;
• un strat cu grosimi de cca. 6 m – 8 m de argile grase cafenii – cenusii, in stare plastic vartoasa,
  cu compresibilitate medie, in cadrul caruia se distinge o intercalatie cvasi-continua de gips; si aceste argile au comportament mecanic influentat de apa (argile glomerulare);
• un strat cu grosimi de 10-11 m de argile cenusii verzui, insensibil prin raport cu apa, avand compresibilitate medie si rezistente la forfecare sporite, strat stabil al zonei avand si capacitate portanta ridicata [3], [4];
• sub cota ±0,00 (NMN) terenul devine calcaros.

Apa subterana in amplasament exista sub forma a doua acvifere:

• de mica adancime, cu nivel liber, influentat de precipitatii, avand o directie de curgere NV-SE; se afla la adancimi de 14-15 m fata de nivelul terenului (cote +25 NMN), in zona blocurilor (amonte de galeria de drenaj), iar in zona fara drenaj la adancimi de 10-12 m fata de nivelul terenului (cote +26 … +29 NMN);
• de medie adancime, sub presiune, avand sens de curgere NNV – SSE, este cantonat in calcare, la cote masurate +6 … + 7 (NMN).

Amplasamentul a fost caracterizat cu „risc geotehnic mare”, „categoria geotehnica 3”, iar investigatiile geotehnice desfasurate in mai multe etape (2006, 2007, 2011, 2014) au corespuns cerintelor: 11 sondaje pana la 6 m, 10 penetrari PDG pana la 13-17 m, 30 foraje geotehnice pana la 50 m cu incercari SPT si prelevari de probe pe care s-au efectuat incercari complexe de laborator. Unele foraje au fost echipate ca piezometre, executandu-se pompaje de proba si masurand periodic variatiile nivelului apei subterane.

Avand in vedere complexitatea lucrarilor, a fost prevazut un program de monitorizare corespunzator, atat pentru urmarirea comportamentului constructiilor existente invecinate, cat si a lucrarilor pe parcursul executiei. Prin modul de derulare a investitiei in timp, programul a fost extins, efectuand masuratori sistematice pe o perioada de peste 5 ani.

PROGRAMUL DE MONITORIZARE PREVAZUT

Conform proiectului, incepand cu luna decembrie 2007 au fost prevazute masuratori (fig. 2) pentru urmarirea comportarii incintei de lucru si a constructiilor invecinate acesteia, astfel:

• Deplasari verticale ale constructiilor de locuinte, prin cate 6 reperi pe fiecare din blocurile
  A4, A5, A6, A7, A8 si o casa, situate pe Str. Traian, la 22,0 m fata de peretele incintei (topografic);
• Comportarea rostului dintre cele doua tronsoane ale fiecarui bloc (topografic);
• Deformatii verticale ale peretelui incintei, masurate pe reperi (E1 … E22) montati pe grinda
  de coronament (topografic);
• Deformatii orizontale in adancime, prin masuratori inclinometrice in tevi montate in pilotii
  peretelui de incinta (14, 15, 16) si in terenul din exteriorul incintei, in dreptul blocurilor A4, A5, A6 (fatade est), in apropierea lor (II, 12, D);
• Tasari si fisuri preexistente in carosabilului din str. Traian (topografic pe reperii R1 … R38);
• Variatia nivelului apei subterane;
• Debite de apa infiltrate in incinta, colectarea si evacuarea lor.

Masuratorile s-au efectuat periodic, lunar, pana in 2013 si ca urmare a finalizarii in incinta a unor lucrari pentru punerea in siguranta a falezei, s-a hotarat ca masuratorile pentru monitorizarea incintei si cladirilor invecinate sa fie efectuate la intervale mai mari de timp – cca 3 luni. Prin realizarea investigatiilor geotehnice in mai multe etape au fost urmarite si variatiile nivelului apei subterane in zona in functie de stadiul lucrarilor, cat si in consecinta, posibile modificari ale starii de consistenta a materialelor din terenul de fundare.

Ritmul de executie a impus urmarirea comportarii sistemului de ancoraje provizorii evidentiind, prin masuratori specifice (expertizare) periodice, functionalitatea acestuia (1.087 ancoraje). Dupa o perioada de cca. 9 ani de la inceperea lucrarilor, incinta a fost pusa in siguranta (2015) prin executarea de umpluturi controlate [5].

REZULTATELE MASURATORILOR EFECTUATE

Caracterizarea geotehnica si hidrogeologica

Au fost efectuate investigatii geotehnice in diferite etape, in anii 2006 – 2007 cele necesare proiectarii complexului comercial, in anul 2011 in cadrul Expertizei realizate de Universitatea Politehnica Timisoara, iar in anul 2014 pentru proiectarea lucrarilor de punere in siguranta prin umplerea incintei (GT Ground Engineering & Construction Services).

Din punct de vedere al alcatuirii terenului, toate investigatiile au caracterizat materialele in acelasi mod, fara a se evidentia modificari ale starii de consistenta, ale parametrilor, rezistentei la forfecare, compresibilitatii etc. Valorile caracteristice ale principalilor parametri geotehnici atesta o grupare a acestora cu variatii in limite foarte restranse. Comparand valorile cu cele din literatura [3], [4], se observa, de asemenea, concordanta lor pe o perioada de cca. 40 ani.

In ceea ce priveste nivelul apei subterane in exteriorul incintei, in zona blocurilor A5, A6, s-au inregistrat variatii nesemnificative in acviferul de mica adancime (±0,5 m), variatii cauzate de aportul de precipitatii si local, de colmatarea partiala a galeriei de drenaj prin executia ancorajelor [7].

Deformatii in zona exterioara incintei

• Deplasari ale constructiilor de locuinte de pe str. Traian

Blocurile (A1 – A8), cu regim de inaltime P+8, aflate la o distanta minima de 22 m fata de ecranul incintei, au fost construite in anii 1962, fiind fundate pe perne de loess compactat cu grosimea de 1 m, realizate pe terenul natural constituit din pacheul coeziv.

Monitorizarea blocurilor a inceput din timpul executiei, tasarile masurate in perioada 1963 – 1965 atingand valori absolute de 2 – 6 cm, remarcand, in evolutia acestora, ritmul rapid in primele cca. 12 luni si apoi, stabilizarea lor (fig. 3).

La expertizarea acestor constructii (1977, 2007, 2009) s-a constatat mentinerea tasarilor inegale stabilizate masurate in anii 1965.

Prin masuratorile topografice actuale, pe reperii situati la nivelul de cca. 1 m deasupra terenului pe fiecare bloc, au fost urmarite deplasarile pe directiile orizontale x (orientare N-S), y (orientare E-V) si pe directie verticala z. Prelucrarea si sinteza masuratorilor pe o perioada de 60 luni au permis obtinerea unor concluzii relevante [6].

Deplasarile pe directiile orizontale (x, y) au suferit, in decursul timpului, variatii ciclice (+, -) de ordinul zecimilor de mm, pana la 5 mm. Curbele infasuratoare ale acestor deplasari atesta variatii intr-o banda maxima de cca. 2 mm – 3,5 mm pe directia x in lungul tarmului (fig. 4) si respectiv 3,2 mm – 3,3 mm pe directia y uscat – mare (fig. 5). Cvasiconstanta acestor valori caracterizeaza miscari de suprafata ale terenului, practic insesizabile, provocate de variatiile climatice (temperatura, umiditate), fara a fi influentate in niciun mod de executia incintei si lucrarile aferente acesteia.

Deplasarile pe verticala au fost masurate de la pozitiile in care blocurile se aflau la inceputul lucrarilor pentru incinta. Periodic au fost masurate tasari (-z) si ridicari locale (+z) de maximum 6 mm (fig. 6), astfel ca la sfarsitul monitorizarii (august 2015) fata de 2010 situatia se prezenta astfel: A5 ridicari +(1,1-1,7) mm, A6 tasari -(2,6-3,1) mm, A7 ridicari +(1,1-4,3) mm, A8 ridicari +(0,2-3,7) mm. Pe baza curbelor infasuratoare ale deplasarilor verticale se constata variatii intr-o banda de 3,5 mm – 6 mm (fig. 7).

In cazul deplasarilor verticale, ciclicitatea acestora este in corelare mai evidenta cu variatiile climatice (vara/iarna) si regimul pluviometric, care influenteaza sensibil comportarea terenului de fundare.

A fost urmarit, de asemenea, efectul acestor deplasari, prin masurarea deschiderii rostului dintre cele doua tronsoane ale unui bloc, la nivelul superior al constructiei. S-a constatat ca si marimile rosturilor au variat in consecinta (tendinte de marire, respectiv inchidere) cu valori intre etape de 0,5 mm – 6,5 mm, astfel ca, in ansamblu, rosturile s-au deschis cu valori de 1,5 mm – 6,5 mm si local s-au inchis cu 0,6 mm.

• Deformatii orizontale in adancime ale terenului din dreptul blocurilor

Masuratorile in tuburile inclinometrice, montate de la inceperea lucrarilor (2008) in terenul adiacent blocurilor (I1, I2, I3), au functionat numai pana la mijlocul anului 2012.

Deplasarile masurate pana la adancimi de cca. 20 m au aratat o tendinta de deformare catre Marea Neagra, cu valori la partea superioara a terenului (2 m) de ordinul a 0,5 cm – 3 cm si in adancime de ordinul milimetrilor, fara a se evidentia fenomene de cedare in terenul de fundare. Deformatiile s-au manifestat in perioada de incepere a lucrarilor (2008), in urmatorii ani ele fiind cvasiconstante.

• Deformatii pe str. Traian

Masuratorile efectuate pe cei 38 de reperi de pe strada Traian, in zona adiacenta incintei, au aratat variatii ciclice pe toate cele 3 directii (x, y, z).

Deplasarile pe cele doua directii orizontale (fig. 8), au variat periodic cu valori maxime ±3-3,5 mm, iar pe baza curbelor infasuratoare s-a constatat variatia intr-o banda de 2,5 mm (directia x) si 3 mm (directia y).

Deplasarile pe verticala au fost tasari cu valori maxime de -10 mm si ridicari de +(3-5) mm, astfel ca, la sfarsitul perioadei de monitorizare, fata de etapa de referinta, tasarile sunt de -(1,6-10) mm si ridicari de +(0,1-3) mm (fig. 9).

Se remarca similitudinea marjei de variatie a deplasarilor orizontale (x, y) din zona blocurilor si din zona strazii Traian (Dx = 2,5 mm, Dy = 3 mm), atestand periodicitatea provocata de cauzele naturale, climatice.

Deformatii ale peretelui incintei

A fost monitorizat ecranul adiacent strazii Traian, avand adancimi de cca. 33 m.

Pe baza masuratorilor topografice ale grinzii de coronament pe trei directii au rezultat deplasarile orizontale (x, y) si cele verticale (z).

In plan orizontal, deformatiile ciclice (x, y) au variat in limitele unor benzi de (2-2,5) mm, valori apropiate cu cele de la nivelul blocurilor si al strazii Traian (fig. 10).

Deplasarile verticale (fig. 11) au prezentat, intre etape, variatii ale valorilor extreme de -9 mm (tasari) si +5 mm (ridicari), astfel ca, fata de etapa de referinta, la sfarsitul monitorizarii, peretele a prezentat o usoara tasare la capete, zona de sud -(0,6-4) mm si zona de nord -(0,3-1,7) mm si o ridicare in zona centrala +(1,5-5) mm.

Deplasarile verticale masurate sunt cauzate de deformatiile structurii sub efectul variatiilor de temperatura, avand in vedere ca ecranul a fost constituit din elemente de beton armat, expuse la variatii sezoniere mari de temperatura (+40° … -20°) pe adancimi diferite, functie de nivelul excavatiilor in incinta. A fost observata tendinta de dilatare ciclica in perioadele calde (vara – toamna). Se remarca valorile diferentiate intre zonele de capat ale ecranului (suprafate expuse de 500 – 600m2, respectiv cca. 10 m2/ml) si zona centrala (suprafata expusa de cca. 2.000 m2, respectiv 30 m2/ml), unde inaltimea libera (fata de baza sapaturilor) a fost diferita.

Deplasarile maxime orizontale cu directia spre blocuri s-au masurat inclinometric la partea superioara a ecranului (2 m adancime), diferentiate pe zone, fiind cca. 8,4 cm in centru (excavatie maxima), 7,4 cm la capatul sudic si 4,6 cm la cel nordic (excavatie redusa).

Alura deformatiilor ecranului in adancime nu s-a modificat in cei 6 ani de masuratori, observand variatii valorice (±) de ordinul milimetrilor, ca si o tendinta de revenire catre incinta in zona centrala, in ultimii 2 ani (2014-2015), inainte de inceperea lucrarilor de umplere controlata. Aceste date au confirmat stabilitatea ecranului ancorat, aflat dupa cca. 7 ani intr-o stare apropiata cu cea de la inceperea excavatiilor in incinta.

Deplasarea ecranului spre blocuri (str. Traian) este o consecinta a faptului ca solicitarile orizontale manifestate au fost inferioare celor avute in vedere in calcule (presiuni, seism, trafic auto, apa subterana, suprasarcini constructii), care au fost intocmite pentru ipoteze maxime de incarcare. Astfel, sarcina de blocare a ancorajului a fost mai mare fata de solicitarile manifestate in cei 7 ani de exploatare, presand terenul adiacent spre blocuri. Acest aspect este recunoscut in literatura de specialitate, relevandu-se si efectele ce se pot manifesta adiacent unui perete ancorat, prin aparitia deformatiilor de umflare in suprafata terenului alaturat [8], [9].

In acest sens, efectul unei sprijiniri executate in zona centrala nu a fost resimtit, ancorajele fiind inca functionale, dar necesitatea sprijinirii definitive a peretelui incintei era obligatorie pentru punerea in siguranta a zonei, avand in vedere durata de viata limitata a ancorelor, astfel ca s-a decis umplerea controlata a excavatiei si refacerea falezei [5].

Urmarirea comportarii ancorajelor

Pentru realizarea excavatiilor in incinta au fost prevazute ancoraje temporare a caror durata de exploatare (conform normelor tehnice in vigoare) a fost de 2 ani (2008 – 2010). Depasirea termenelor de executie a lucrarilor a necesitat verificarea situatiei ancorelor si a evolutiei in timp a capacitatii portante a acestora.

Expertizarea, in 6 etape (2011-2014), a 15% din ancorajele executate prin masuratori in situ, pe 155 ancore, au aratat ca, in anul 2014, capacitatea portanta a acestora reprezenta 88 % pana la 50% fata de cerintele prevazute in proiectul initial pentru asigurarea stabilitatii peretilor excavatiei (str. Traian si str. Marinarilor).

Scaderea capacitatii interne a ancorelor, cu 12% in cca. 10 ani, este cauzata de efectul de coroziune al atmosferei marine, pus in evidenta prin cercetari in laborator.

Scaderea capacitatii externe a ancorajelor a fost apreciata la cca. 5% pe an, in functie de natura, de evolutia in timp a caracteristicilor acestora si de nivelul apei subterane.

Infiltratii in incinta

Pentru a permite scurgerea naturala spre mare a apelor din teren, au fost prevazute lucrari specifice: ecran permeabil (piloti distantati) si o retea de drenuri orizontale si verticale pentru colectarea si evacuarea controlata a infiltratiilor in afara incintei. Au fost masurate debite de apa cu valori maxime de 1 l/s.

CONCLUZII

Activitatea sistematica de monitorizare, timp de peste 5 ani, a amplasamentului unei excavatii adanci de 30 m, cat si a elementelor constructive ale incintei de lucru, a permis prelucrarea si interpretarea masuratorilor complexe validate la scara naturala si de factorul timp, atestand mentinerea stabilitatii zonei si a vecinatatilor construite.

Proiectarea geotehnica a unor lucrari de excavatii adanci in zone in panta, cu vecinatati diverse si conditii geotehnice si hidrogeologice complexe, implica luarea in considerare, cu discernamant, a ipotezelor de calcul si a caracteristicilor geotehnice si hidrice ale terenului, care genereaza principalele actiuni in evaluarea stabilitatii generale.

In conditiile proiectarii unei incinte de excavatie corect dimensionate, cu prevederea solutiilor de sprijinire adecvate, in asociere cu solutii de drenaj si evacuare controlata a apelor subterane, s-a constatat ca influenta acestor lucrari asupra vecinatatilor este extrem de redusa, manifestandu-se, in general, la inceperea activitatilor de executie (trafic utilaje), apoi devenind practic nesemnificativa.

Valorile masurate sistematic, periodic, intr-un interval de 60 de luni, au aratat ca toate deformatiile (pana la adancimi de cca. 2 m) ale vecinatatilor construite (blocuri, strada) nu au fost provocate de incinta, ci de variatiile climatice sezoniere (umiditate, temperatura, precipitatii), inregistrand variatii identice de ordinul a 2-3 mm, confirmand existenta unor microdeformatii permanente, insesizabile in mod curent. Deplasarile verticale ale acelorasi vecinatati s-au manifestat ca tasari si ridicari ciclice cu valori milimetrice, atestand influenta umiditatii la nivelul cotei de fundare (cca. 1-2 m), astfel ca toate imobilele si drumul adiacent incintei se aflau, la sfarsitul perioadei de monitorizare, intr-o stare apropiata cu cea de referinta.

Urmarirea comportarii elementelor constitutive ale incintei a relevat ca deformatiile acestora s-au inscris in limitele prevazute in proiect, atat valoric, cat si ca sens si evolutie.

S-a constatat efectul variatiilor de temperatura, care genereaza dilatari si contractii ale peretelui ecran cu suprafata expusa prin excavare.

Prin comportamentul peretelui ancorat, care si-a mentinut pozitia deformata in toata perioada de masuratori catre exteriorul incintei, s-a constatat ca efectul ancorelor, desi temporar, se manifesta o perioada mai indelungata fata de cea normata (2 ani), dar se impune verificarea / atestarea periodica a functionalitatii ancorelor.

Observatiile si concluziile obtinute prin masuratorile sistematice efectuate si analizate pe o perioada indelungata constituie elemente utile pentru proiectarea si executia unor astfel de lucrari.

Asocierea activitatilor de monitorizare si interpretare a masuratorilor, tinand seama de factorii de influenta naturali si antropici asupra lucrarilor, a dovedit ca, in prezent, printr-o proiectare judicioasa, pot fi realizate excavatii adanci de cca. 30 m, in conditii geotehnice complexe.

BIBLIOGRAFIE

1. R. Ciortan, S. Manea – Building in the urban area of Constanta city (Romania), acting as a high cliff stabilization structure. Proceedings of the International Geotechnical Conference „Geotechnical Challenges in Megacities”, Moscow, June 2010;
2. S. Manea, R. Ciortan – Stabilizarea falezei inalte din Constanta in zona unui complex comercial, Volumul A Xl-a Conferinta Nationala de Geotehnica si Fundatii, Timisoara, sept. 2008;
3. I. Stanculescu – Referat privind conditiile de realizare a detaliului de sistematizare elaborat de IPJ Constanta in zona de faleza dintre Biserica Greaca (str. Karatzaly) si Podul pescarie in functie de caracteristicile geotehnice ale terenului – Bucuresti, 1980;
4. I. Stanculescu – Sicherung der gelanderutshung in Stadtgebiet von Konstantza – Dresda, 1962;
5. I. Manoliu – Expertiza tehnica privind investitia „Lucrari de punere in siguranta a incintei din Str. Traian nr. 62B, Constanta” – Bucuresti, 2015;
6. SC HECON – Rapoarte tehnice privind interpretarea masuratorilor de monitorizare a incintei si cladirilor invecinate constructiei Complexului Comercial din str. Traian Constanta (masuratori topografice si inclinometrice) – 2010-2015;
7. Universitatea Politehnica din Timisoara – Expertiza tehnica pentru zona cuprinsa intre Bdul. Ferdinand si str. Traian – blocurile A1-A8 din Municipiul Constanta, 2011;
8. Chang-YU On – Deep excavation – New York – 2007;
9. D Konstantakos – At rest lateral earth pressure for retaining walls – New York, 2010.

Autori:
prof. dr. ing. Sanda Manea – Universitatea Tehnica de Constructii din Bucuresti
prof. dr. ing. Romeo Ciortan – Universitatea Ovidius Constanta, Membru Corespondent al Academiei de Stiinte Tehnice din Romania 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 135 – aprilie 2017, pag. 60