Utilizarea incluziunilor din beton pentru imbunatatirea terenului de fundare

Realizarea unor constructii pe terenuri cu capacitate portanta redusa, subconsolidate, necesita imbunatatirea acestora pentru a putea fi preluate solicitarile transmise, cu deformatii compatibile cu structura. In acest scop, au fost utilizate incluziuni rigide, sub forma unor piloti din beton simplu dispusi dupa un anumit caroiaj, prevazand la partea superioara un strat de transfer, granular sau din loess stabilizat.

Se urmareste, in principal, ca sarcina data de constructie sa fie transmisa in adancime, la un teren cu capacitate portanta corespunzatoare. Pentru a spori eficienta lucrarii se poate prevedea ca pilotii de consolidare sa fie utilizati si ca piloti termici.

SCOPUL IMBUNATATIRII TERENULUI

Scopul principal al imbunatatirii terenului de fundare este acela de a indeplini, in acelasi timp, o serie de cerinte:

• anularea caracterului colapsibil al depozitelor loessoide (dupa caz);

• indeplinirea conditiilor privind verificarea starii limita de exploatare (SLE) si a starii limita ultime (SLU);

• asigurarea unei valori accep­tabile a tasarii generale si a celei diferentiate;

• asigurarea rezistentei in conditii seismice.

Pentru aceasta este necesar sa fie prevazuta ranforsarea terenului cu o retea de incluziuni verticale. Intre radierul structurii si terenul consolidat se executa, de regula, un strat de transfer, pentru asigurarea repartitiei solicitarilor transmise de constructie si conlucrarea incluziunilor.

Modulul de elasticitate echivalent al terenului imbunatatit depinde de caracteristicile geotehnice ale tere­nului, inclusiv ale celui de sub nivelul inferior al incluziunilor, de dispu­ne­rea, materialul, lungimea si marimea sec­tiunii transversale a incluziunilor, de valoarea coeficientului Poisson etc.

Calculele teoretice, experimenta­rile si verificarile efectuate pentru solutia cu incluziuni de beton au aratat ca se poate produce o crestere a modulului de elasticitate initial al terenului, rezultand un modul de elasticitate mai bun cu pana la 10 ori (modul de elasticitate echivalent).

Pentru a obtine valorile de calcul vor fi aplicati o serie de coeficienti partiali, prin care se va tine seama de influenta factorilor aratati mai sus.

Deformabilitatea globala a terenu­lui este mai redusa, favorizand astfel structura. Aceasta solutie are o larga aplicabilitate pentru diverse constructii (fig. 1).

TIPUL INCLUZIUNILOR RIGIDE

Incluziunile se realizeaza prin forare cu indesare si se utilizeaza betonul simplu de clasa min. C 12/25. Sectiunea este circulara, cu diame­trul minim de 30,0 cm iar cel maxim de 60,0 cm.

Au fost aplicate doua solutii:

• cu sectiune constanta (fig. 2)

• cu sectiune profilata, tip Screwsol (fig. 3)

Prima solutie este avantajoasa in special in cazul in care incluziunile patrund intr-un strat cu capacitate portanta ridicata.

In cea de a doua solutie, tronso­nul central are o serie de nervuri cu inaltimea de 6,0 cm – 8,5 cm, dispuse la un interval de 25,0 cm – 35,0 cm. Prin aceasta se obtine o mai buna conlucrare cu terenul, la care „frecarea“ este data si de forfecarea materialului dintre nervuri.

Avantajul unui asemenea tip de pilot este evident atunci cand forta de frecare are o pondere insemnata comparativ cu cea pe baza.

Este necesar ca Normativul NP 123-2010 privind fundarea geo­tehnica a fundatiilor pe piloti sa prevada coeficienti partiali de siguranta adaptati tipului de pilot cu nervuri.

LUCRARI EXECUTATE

Pentru consolidarea terenului de fundare in aceasta solutie au fost deja executate sau se afla in curs de realizare lucrari care cuprind peste 51.000 buc., respectiv cca. 695.000 ml de incluziuni rigide (tabelul 1).

Parcuri eoliene

Pentru asigurarea stabilitatii struc­turii unei turbine eoliene a fost prevazut un radier din beton armat, de regula circular sau octogonal, cu diametrul de cca. 16 m pana la 22,0 m in functie de teren si puterea turbinei eoliene. Grosimea maxima a radie­rului, in zona centrala, este de 3,0 m – 3,7 m, iar cea minima la margine de 1,0 m – 1,5 m.

Acest radier este fundat direct pe terenul consolidat cu 100 – 150 de incluziuni din beton simplu de clasa min. C 16/20 si diametrul de 0,35 m – 0,4 m, fiecareia revenindu-i max. 4,0 m2 (fig. 4).

Bazinele statiilor de epurare (Braila, Galati)

Solutia tehnica prevede fundarea directa a radierelor bazinelor, cu suprafete de pana la 3.000 mp si consolidarea terenului cu incluziuni rigide din beton f 40 cm de clasa min. C 12/16, dispuse intr-o retea triun­ghiulara cu latura de 2,2 m. Lungimea maxima a incluziunilor a fost de 23,5 m.

La unele statii de epurare s-a adoptat, din motive tehnologice, diametrul incluziunii de 60,0 cm.

Rezervoare (Fundulea)

Terenul de sub rezervoarele de petrol cu diametrul de 12,0 m a fost consolidat cu incluziuni avand diametrul de 0,4 m si lungimea de cca. 17,0 m (fig. 5).

Hale comerciale (Braila, Navodari)

La acestea s-a prevazut ca pentru fundarea stalpilor sa se execute incluziuni din beton simplu, solidarizate la partea superioara cu un strat de transfer. Si in aceste cazuri diametrul incluziunilor a fost de 0,36 m – 0,40 m (fig. 6).

Pardoseli ale halelor (Braila, Topoloveni, Galati)

La hale se constata ca tasarea pardoselilor este neuniforma. Valorile minime se inregistreaza langa stalpi, la care au fost luate masuri pentru reducerea la maximum a tasarilor, iar cele maxime, spre centru. Tasarile diferentiate pot crea dificultati in circulatia utilajelor de aprovizionare.

In scopul diminuarii tasarilor (fig. 7) a fost necesar sa fie imbunatatite caracteristicile terenului utilizand in acest scop incluziuni din beton simplu f 40 cm dispuse intr-o retea triunghiulara. Suprafata de teren care revine unei incluziuni a variat intre 2,5 m2 si 3,5 m2 (fig. 8). In cazul fundarii pe radier general, s-a prevazut, in acelasi mod, consolidarea generala a terenului, inclusiv a celui de sub stalpi.

EXECUTIA INCLUZIUNILOR RIGIDE

Executia incluziunilor rigide presupune adoptarea unei tehnologii care sa produca indesarea terenului adiacent. In functie de conditiile de teren, pot fi adoptate metode care utilizeaza vibrarea sau forarea cu indesare si apoi umplerea cu beton.

Pentru realizarea forajului se foloseste un burghiu (fig. 9) care avanseaza prin indesarea laterala a terenului, ceea ce conduce la cresterea capacitatii portante a acestuia, la reducerea porozitatii si a potentialului colapsibil. Utilajul de forat are un moment de torsiune ridicat si o mare forta de apasare, ceea ce asigura avansarea pana la adancimea de 40,0 m. Un efect si­milar se obtine si in cazul vibrarii. In acest caz, gaura este obtinuta prin introducerea in teren, prin vibrare, a unui tub metalic provizoriu, in care se toarna betonul (fig. 10).

Betonul se introduce prin centrul burghiului cu o presiune scazuta, iar prin retragerea controlata a acestuia se umple spatiul liber, sau prin metoda palniei ridicatoare aplicata in cazul vibrarii.

STRATUL DE TRANSFER A INCARCARILOR

Pentru a asigura transmiterea sarcinilor la incluziuni si conlucrarea lor, este necesar sa se execute la partea superioara a acestora un strat de transfer (fig. 11). Acesta poate fi realizat din:

• material granular (piatra sparta sau balast), care prin compactare poate sa atinga moduli de defor­matie E_n2 de 50 – 100 MPa. Cerinta tehnica este aceea de a obtine un grad de compactare de min. 98% Proctor modificat si raport E_n2 / E_n1 < 2. Stratul granular poate fi armat cu geogrile, in functie de distanta intre incluziuni si natura terenului.

• loess stabilizat prin amestecarea cu cca. 6% ciment, urmarind obtinerea unor caracteristici speci­fice care pentru un strat cu grosimea de 55 cm au fost: modul de deformatie E_n2 > 70 MPa; E_n2 / E_n1 < 2; rezistenta la compresiune la 28 zile: 3,2 MPa. Acest material este ames­tecat intr-o betoniera si compactat cu un rulou.

Deasupra platformei de transfer se prevede un strat de egalizare din beton C 8/10 de 10 cm grosime.

In cazul in care stratul de transfer are grosimea redusa sau lipseste, incluziunile de beton trebuie armate.

ELEMENTE DE CALCUL

Pentru dimensionare sunt necesare calcule privind incluziunile, terenul de fundare si stratul de transfer. Se verifica, astfel, urmatoarele:

• Incluziuni: capacitatea portanta geotehnica; rezistenta la flambaj; capacitatea structurala

• Teren de fundare: capacitatea portanta a terenului imbunatatit; estimarea tasarii

In calculele preliminare se poate considera ca terenul imbunatatit, datorita densitatii distributiei incluziunilor, devine ca un bloc de fundatie care reazema pe un teren ce are capacitatea portanta corespunzatoare.

Pentru calculul tasarii se poate neglija aportul frecarii pe contur al „blocului de fundare“ cu terenul inconjurator. Se calculeaza atat tasarea terenului cat si cea a incluziunilor si apoi se insumeaza.

Trebuie tinut seama ca o parte din tasare se consuma in timpul executiei.

• Strat de transfer: grosimea platformei de transfer, elementele geogrilei

Se considera ca geogrila trebuie sa preia sarcina transmisa de platforma de transfer, cu eforturi si deformatii admisibile (fig. 12).

Faza finala a proiectarii reflecta conlucrarea dintre incluziuni si teren, prin modulul de deformatie echivalent al terenului imbunatatit, variatia eforturilor verticale si de forfecare, rezultand deplasarile verticale si orizontale.

TESTE IN SITU

Pentru verificarea elementelor proiectate si realizate, trebuie prevazute o serie de teste privind atat incluziunile cat si platforma de transfer.

Incluziuni rigide

• Incercari privind capacitatea portanta a incluziunilor (fig. 13)

Aceasta se poate face utilizand ca masa de reactie chiar utilajul de forat care are greutatea de cca. 1.000 KN. In urma incarcarii va rezulta dependenta dintre sarcina si tasare precum si evolutia tasarii in timp.

• Teste privind integritatea inclu­ziunilor

In acest scop vor fi prevazute teste sonice de integritate (TSI) prin care se verifica calitatea incluziunii, respectiv daca sunt defecte. Capul pilotului va fi lovit manual cu un ciocan in timp ce oscilatia este inregistrata cu un accelerometru (fig. 14).

• Teste privind calitatea betonului folosit la incluziuni, in special rezistenta

• Teste de calibrare

Pentru stabilirea parametrilor care trebuie urmariti in executie, se vor face la inceput teste de calibrare pentru corelarea parametrilor cu profilul efectiv al terenului, cu consumul de beton si definirea criteriului de refuz.

• Controlul executiei prin dispozitivul de control electronic al utilajului (fig. 15)

Se urmareste profilul pilotului, consumul de beton, viteza de rotatie, presiunea de pompare, energia de forare, viteza de avansare, cuplul de rotatie, forta de apasare.

Stratul de transfer al sarcinii

Pentru verificarea calitatii vor fi prevazute incercari cu placa si calculul modulelor de deformatie E_n1 si E_n2. Cerintele sunt: E_n2 > 70 MPa, iar E_n2 / E_n1 < 2, care arata o buna compactare a platformei de transfer.

CONCLUZII

In functie de caracteristicile terenului si ale constructiei, se poate adopta fundarea directa consolidand terenul prin utilizarea incluziunilor rigide. Acestea prezinta urmatoarele avantaje:

• compactarea terenului prin forare de indesare, vibrare sau presare;

• reducerea eforturilor in terenul de fundare imbunatatit, prin concentrarea acestora in mare parte in incluziuni;

• transmiterea eforturilor la un teren cu capacitatea portanta cores­punzatoare;

• tratarea in adancime a straturilor de teren cu caracteristici geo­tehnice slabe;

• eliminarea sensibilitatii terenului loessoid la prezenta apei;

• grad mare de adaptabilitate la variatia de grosime a terenului;

• evitarea excavarii terenului si in consecinta a transportului acestuia cu efecte benefice asupra mediului inconjurator;

• randamentul mediu de executie, relativ ridicat, de cca. 500 m/zi / utilaj, lucrandu-se cca. 10 ore/zi.

Pentru conlucrarea incluziunilor si fundarea radierului constructiei este necesara o platforma de transfer, care poate fi realizata din material granular, cu sau fara armatura, din geogrile, loess stabilizat sau chiar beton simplu, plastic, in functie de natura terenului, distanta intre incluziuni etc.

Comportarea buna a lucrarilor fundate pe un teren imbunatatit prin incluziuni a demonstrat eficienta acestor solutii atat din punct de vedere tehnic, cat si tehnologic.

Pentru utilizarea incluziunilor se considera ca este necesara elaborarea unei norme tehnice, care sa trateze complexitatea aspectelor prezentate in aceasta lucrare.

BIBLIOGRAFIE

1. Ciortan R., Plomteux C., Ground improvement solution for the largest wind farm project in Europe, Bratislava, 2010;

2. Tsitsas G., Pasqualin K.,  Ground improvement solution  for the construction of a waste water treatment plant in Braila, Romania, 2010;

3. Brandl H., Energy foundations and other thermo-active ground structures. Geotehnique 50 nr. 2 – 2006;

4. BS 8006:1001 Code of practice for strengthened / reinforced soils and other fills;

5. Berthelot, P., s.a., Amélioration des sols naturals ou anthro­piques par colonnes semi-rigides: Le procede CMC – 2009;

6. Liausu, Ph., Pezot, B., Reinforcement of soft soils by means of controlled modulus colums – 2008;

7. Indusol, France: Amélioration des sols par inclusions semi-rigides – 2006;

8. Hasanov A. Z., Consolida­rea terenurilor loessoide prin metoda armarii verticale si recomandari practice de utilizare (lb. rusa) – 2011;

9. Combarieu O., Fondations combinées semelle pieux avec ou sans liaison directe – 1990;

10. European Foundation Screw pile – Instalation and design in stiff clay – 2001;

11. Bustamante, M., Instalation, parameters and capacity of screwed piles, Gianeselli, L., 1998;

12. Proiecte: Imbunatatirea carac­teristicilor geotehnice ale tere­nului utilizand incluziuni rigide.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 94 – iulie 2013, pag. 48

Autori:
prof. univ. dr. ing. Romeo Ciortan – Universitatea „Ovidius“ Constanta, Facultatea de Constructii
prof. univ. dr. ing. Sanda Manea – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Hidrotehnica, Departamentul de Geotehnica si Fundatii
ing. G. Tsitsas – SC Edrasis
ing. Lorand Sata – SC Soletanche Bachy Romania