Calculul structurilor de sustinere a unor excavatii adanci

Excavatiile adanci in zone urbane reprezinta lucrari curente in marile orase. In functie de constructie si de amplasament este necesara stabilirea acelor solutii tehnice care sa protejeze vecinatatile, reducand riscurile asociate excavatiilor adanci la un minim acceptabil. Aceasta limita acceptabila este, insa, dificil de estimat, fiind necesare investigatii complexe ale amplasamentului si apoi modelari, de asemenea complexe, ale structurii de sustinere in ansamblu pentru a se putea estima comportamentul acesteia si impactul asupra vecinatatilor.

Structurile de sustinere a excavatiilor adanci sunt lucrari comune in constructii, dar, cu toate acestea, riscul asociat este mare. Efectul excavatiei adanci asupra structurilor invecinate poate fi important. Din aceasta cauza, sunt necesare masuri speciale in proiectarea, executia si monitorizarea peretelui de sustinere [1]. Extinderea zonei de influenta depinde de solutia adoptata pentru structura de sustinere, aceasta fiind aleasa pe baza mai multor factori precum: amplasament, geometrie, vecinatati, caracteristicile terenului, apa subterana, adancimea excavatiei, starea constructiilor invecinate etc. Complexitatea si numarul acestor factori conduc la utilizarea unor modele si metode complexe in proiectare, capabile sa ia in considerare toti factorii implicati.

Utilizarea unor modele complexe in dimensionarea peretilor de sus­tinere a excavatiilor adanci presupune, de asemenea, realizarea unor investigatii geotehnice detaliate, capabile sa furnizeze toti parametrii necesari modelarii [2]. Toate aceste aspecte pot conduce, in final, la o cumulare a erorilor si la rezultate de calcul diferite de cele reale, in timp ce influenta asupra vecinatatilor este dificil de estimat cu acuratete.

Articolul de fata prezinta cazul unei structuri de sustinere pentru care a fost aleasa tehnologia top-down de executare [3]. Peretele de sustinere este realizat din panouri executate pe loc (perete mulat), cu o grosime de 80 cm si o lungime de 24 m. Adancimea maxima de exca­vare este de circa 15 m. Sectiunea verticala prin structura de sustinere corespunzatoare etapei finale de excavare este prezentata in figura 1. Dupa cum se poate observa in figura, peretele mulat este sprijinit in etapa finala de excavare prin planseele 1 si 3 ale subsolului constructiei. Aceasta etapizare a fost ceruta de catre constructor in scopul simplificarii lucrarilor de excavare sub planseele turnate (inaltimi de lucru mai mari, echivalente cu doua nive­luri de subsol).

Solutia top-down a fost aleasa in concordanta cu conditiile de pe amplasament. Din cauza vecinata­tilor – un bulevard important cu numeroase retele de utilitati si cladiri prevazute cu subsol – nu au putut fi utilizate ancorajele. Tinand cont de dimensiunile excavatiei (circa 110 m x 60 m), spraiturile au fost, de asemenea, considerate ca o solutie inadecvata si, in final, solutia top-down a fost agreata de toate partile implicate: beneficiar, executant, proiectant. Datorita suprafetei mari in plan a subsolului a fost posibila prevederea unor goluri tehnologice largi in planseele subsolului in scopul simplificarii lucrarilor de excavare. Figura 2 prezinta o fotografie a lucrarilor din timpul etapei finale de excavare.

INVESTIGATII GEOTEHNICE

Investigatiile geotehnice au fost efectuate in mai multe etape. Intr-o prima etapa au fost realizate 3 foraje: doua foraje de 45 m adancime, res­pectiv unul de 60 m adancime. Din acestea au fost prelevate probe pentru incercari de laborator, cu realizarea concomitenta a unor pe­netrari de tip SPT. Forajele de 45 m au fost echipate ulterior cu piezometre pentru analiza hidrogeologica a amplasamentului.

Din cauza unor neconcordante intre rezultatele penetrarilor SPT si  cele ale incercarilor de laborator, s-a impus o noua investigatie intr-o etapa secunda a amplasamentului, investigatie bazata, de aceasta data, pe penetrari de tip CPT (10 penetrari CPT pana la adancimi de 30 m).

Investigatiile geotehnice au condus, in final, la concluzia ca terenul de fundare este alcatuit, sub un prim strat de umpluturi cu grosime variabila intre 0,50 m si 1,50 m, dintr-o alternanta de straturi coezive si slab coezive cu straturi de materiale granulare. Materialele coezive sunt alcatuite in principal din argile si argile prafoase (vartoase si tari), in timp ce straturile granulare sunt compuse din nisipuri fine si medii, adesea prafoase sau argiloase, aflate in stare de indesare medie. Tabelul 1 indica principalii parametri geotehnici pentru fiecare strat (stratul 1 fiind primul strat de sub umpluturi).

Nivelul apei subterane a fost intal­nit la o adancime de circa 7,4÷7,9 m sub nivelul terenului natural.

Parametrii de forfecare au fost determinati prin incercari de laborator in aparatul triaxial si in cel de forfecare directa.

MONITORIZAREA STRUCTURII

Monitorizarea structurii de susti­nere a cuprins urmatoarele aspecte:

• urmarirea tasarilor si evolutiei fisurilor cladirilor invecinate;

• inregistrarea tasarilor si depla­sarilor laterale (deformatiilor) ale pere­telui de sustinere;

• monitorizarea nivelului apei sub­terane in interiorul si in exteriorul incintei de pereti mulati.

Pentru monitorizarea deplasarilor laterale ale peretelui mulat au fost instalate 5 tuburi inclinometrice in zonele sensibile (panourile de langa constructiile alaturate si in zona rampelor de acces in subsol). De asemenea, un tub inclinometric a fost instalat in teren, in spatele peretelui de sustinere, la o distanta de circa 3 m de acesta, pentru monitorizarea deplasarilor terenului corelate cu cele ale peretelui.

Figura 3 prezinta deformatiile pere­telui de sustinere inregistrate in tubul inclinometric amplasat in zona constructiilor invecinate. Cele trei curbe corespund etapelor principale de excavare:

• etapa 1: construirea peretelui mulat pe intregul contur al incintei; excavarea pana la cota -3,75 m; realizarea planseului peste nivelul 2 al subsolului, cu pastrarea unor goluri tehnologice necesare lucra­rilor ulterioare de excavare si constructie;

• etapa 2: coborarea nivelului apei subterane prin lucrari de epuizment in interiorul incintei pana la
cota de circa -17,0 m; excavarea pana la cota -10,15 m; realizarea planseului peste subsolul 4, cu
pastrarea unor goluri tehnologice necesare lucrarilor ulterioare de excavare si constructie;

• etapa 3: excavarea pana la cota finala de -15,05 m.

Dupa cum poate fi observat din graficele din figura 3, deplasarile la­terale maxime inregistrate sunt de circa 7-8 mm, la o adancime de aproximativ 10 m. Trebuie mentionat ca precizia de masurare a fost de 0,02 mm pentru 500 mm adancime.

MODELAREA STRUCTURII

Structura de sustinere a fost modelata prin metoda coeficientului de reactiune (MCR) si prin cea a elementelor finite (MEF). Calculele au urmat etapele tehnologice de reali­zare a excavatiilor si structurii de sustinere.

Modelarea pe baza metodei

coeficientului de reactiune

Calculele prin MCR au fost reali­zate inainte si dupa executarea in­cintei, parametrii de calcul fiind imbunatatiti in scopul unei mai bune corelari intre rezultatele de calcul si masuratori.

In figura 4 sunt prezentate deplasarile orizontale ale peretelui pentru ambele calcule: in figura 4a se regasesc rezultatele obtinute prin calculul initial, in timp ce figura 4b prezinta deplasarile obtinute prin calculul secund, dupa calarea parametrilor de calcul.

Prin calculul initial deplasarile maxime orizontale obtinute au fost de circa 11-12 mm si au fost atinse pentru etapa corespunzatoare exca­varii finale. In comparatie cu valorile masurate se poate observa o dife­renta de aproximativ 50%. De ase­menea, valorile maxime sunt atinse la o adancime de circa 16 m, ceea ce inseamna cu 6 m mai jos decat in cazul valorilor masurate. Diferentele in alura curbelor sunt date in principal de rigiditatea sprijinirilor peretelui de sustinere. In calculele initiale prin MCR au fost considerate sprijiniri infinit rigide, care blocau practic orice tendinta de deplasare a pere­telui. In realitate, planseele se defor­meaza (comprima) sub efectul compresiunii transmise de peretele de sustinere la care se adauga si valoarea data de contractia betonului. O diferenta a deplasarilor poate fi observata si la partea inferioara a peretelui. Masuratorile indica practic o valoare nula a acestora la baza peretelui, in timp ce calculele arata o tendinta de deplasare a varfului peretelui pe masura avansarii lucra­rilor de excavare.

Calculele ulterioare, dupa calarea parametrilor, indica valori maxime ale deplasarilor de 7 – 8 mm, ceea ce este in concordanta cu masuratorile. Punctul de maxim al deplasarilor ramane insa sub cel real, la circa 14 m adancime (fata de capul peretelui).

Modelarea pe baza metodei elementului finit

Modelarea numerica a fost reali­zata in 2D, modelul numeric avand 749 elemente finite si 6.275 noduri. Figura 5 prezinta reteaua de elemente finite in stare deformata cores­punzatoare etapei 3 de calcul (etapei finale de excavare). Pentru teren au fost utilizate elemente triunghiulare cu 15 noduri, in timp ce peretele a fost modelat prin elemente finite de tip placa. Pentru interfata perete – teren au fost utilizate elemente speciale de contact, iar sprijinirile peretelui (planseele subsolului) au fost modelate cu elemente de tip bara. Calculele au fost realizate cu programul Plaxis – versiunea 8.5.

Pentru modelarea terenului au fost utilizate doua criterii de compor­tare: Mohr-Coulomb si Hardening Soil. Parametrii utilizati pentru mo­delul Hardening Soil sunt indicati in tabelul 2. In ceea ce priveste mo­delul Mohr-Coulomb, pentru modulul de elasticitate s-a considerat ca

E = E₅₀ref

unde:

E₅₀ref _{– modulul de elasticitate secant;}

E_oedref – modulul de elasticitate tangent initial;

E_urref – modulul de elasticitate pentru ciclul de descarcare / reincarcare;

m – parametru in functie de relatia intre efort si rigiditate.

Datorita faptului ca rigiditatea peretelui este mult mai mare comparativ cu cea a terenului, s-a considerat pentru perete o comportare elastica liniara, caracterizata printr-un modul de elasticitate E_r = 45.000 MPa si un coeficient al lui Poisson n = 0,3.

Figura 6 prezinta deplasarile late­rale ale peretelui corespunzatoare celor trei etape de calcul si pentru doua serii de calcule: figura 6a – Mohr-Coulomb (MC) si figura 6b – Hardening Soil (HS).

Dupa cum se poate observa, modelul Mohr-Coulomb ofera depla­sari ale peretelui mult mai mari decat cele reale. Astfel, deplasarea ma­xima este de circa 34 mm, ceea ce inseamna de aproximativ 4 ori mai mare decat valoarea maxima masu­rata. Rezultatele au fost imbunatatite prin utilizarea criteriului Hardening Soil, pastrand ceilalti parametri neschimbati. Deplasarea maxima scade la circa 18 mm, dar chiar si aceasta ramane de mai bine de 2 ori mai mare decat valoarea masurata. Ambele calcule indica o usoara tendinta de rotire a peretelui de sustinere si o deplasare orizontala destul de importanta la baza a acestuia (24 mm pentru MC si 8 mm pentru HS), in timp ce, in realitate, baza peretelui ramane nemiscata. Aceasta tendinta este totusi normala pentru un calcul prin MEF fiind cauzata de modelarea lucrarilor de excavare ceea ce induce o tendinta generala de deplasare a terenului, peretele fiind astfel antrenat in aceasta miscare.

CONCLUZII

Lucrarile de sustinere reprezinta lucrari pentru care interactiunea teren – structura este puternica. O analiza corecta presupune utilizarea unor modelari complexe si a unor modele constitutive avansate pentru teren.

Cu toate acestea, obtinerea unor rezultate intr-o buna concordanta cu valorile reale masurate nu este si­gura. Din prezentul studiu de caz se poate observa ca, chiar dupa o calare a parametrilor de calcul bazata pe masuratorile realizate, rezultatele difera destul de mult fata de cele reale. Acest lucru arata ca, si daca au fost utilizate modele avansate de calcul si o serie de parametri au fost imbunatatiti, raman incertitudini asupra multor altor factori de influenta: rigiditatea sprijini­rilor peretelui, incarcarile trans­mise de constructiile invecinate etc. Bineinteles, incertitudini exista si in ceea ce priveste masuratorile reali­zate pe structura de sustinere.

Toate acestea conduc spre concluzia ca monitorizarea structurilor de sustinere este extrem de importanta, acest lucru oferind, pe de o parte, posibilitatea interventiei in timp real daca o comportare periculoasa este inregistrata si pe de alta parte, oferind posibilitatea de imbu­natatire a modelelor si metodelor de calcul, in vederea proiectarii unor lucrari similare viitoare.

BIBLIOGRAFIE

1. Popa H., Deep excavations in urban areas – influence on the neighbouring structures; measurements and calculation. Geotechnical Challenges in Megacities – International Geotechnical Conference, 7-10 june 2010, Moscow, Russia,
(2010);

2. Popa H., Batali L., Using Finite Element Method in geotechnical design. Comparison between soil constitutive laws and case study, The 3rd WSEAS Int. Conf. on Finite Differences – Finite Elements – Finite Volumes – Boundary Elements (F-and-B’10) – University Politeh­nica, Bucharest, Romania, April 20-22, 2010, pp. 228-233, ISBN 978-960-474-180-9, ISSN 1790-2769, (2010);

3. Popa H., Manea S., BAtaLi L., Geotechnical design and monitoring of a deep excavation in Bucharest, Romania. 17th International Conference on Soil Mechanics & Geotechnical Engineering, 5-9 October 2009, Alexandria, Egypt, pp. 1985-1988, ISBN 978-1-60750-031-5, (2009).

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 91 – aprilie 2013, pag. 70

Autori:
conf. univ. dr. ing. Horatiu Popa,
prof. univ. dr. ing. Loretta Batali,
prof. univ. dr. ing. Sanda Manea – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Departamentul de Geotehnica si Fundatii