Monitorizarea unei excavatii adanci sustinute prin pereti ingropati ancorati (I)

Lucrarea de fata prezinta programul de monitorizare si masuratorile de teren ale unei excavatii adanci din Bucuresti, sustinuta prin pereti ingropati ancorati. Sunt redate comparatiile intre valorile masurate si cele estimate prin calcul ale deformatiilor peretelui ingropat si ale terenului de fundare.

Valorile experimentale au rezultat din masuratorile efectuate in coloane inclinometrice montate in peretele mulat, in tasometre instalate in terenul de fundare, precum si din masurarea topografica a deplasarilor verticale ale peretelui mulat si ale constructiilor aflate in vecinatate.

Etapele de monitorizare au tinut cont de stadiile de executie a excavatiei. Pentru interpretarea corespunzatoare a influentei excavatiei asupra constructiilor din vecinatate, programul de monitorizare a mai cuprins: cartarea si masurarea evolutiei fisurilor acestora, precum si masuratori ale nivelului apei subterane in exteriorul incintei de pereti ingropati.

Descrierea cladirii proiectate

Pe un amplasament din nord-estul Bucurestiului se afla in curs de executie un ansamblu de cladiri de birouri, avand ca regim de inaltime 3 Subsoluri, Parter si 11(12) etaje, cu o suprafata totala desfasurata de cca. 90.000 m2, dintre care cca. 60.000 m2 in partea supraterana a cladirilor (fig. 1).

Subsolul se intinde pe aproape toata suprafata proprietatii, iar cele trei corpuri supraterane de cladire ocupa aproximativ 60% (conform indicatorilor urbanistici autorizati) din suprafata terenului.

Structura de rezistenta este realizata din beton armat, avand un sistem constructiv alcatuit din pereti structurali din beton armat, individuali, cuplati sau sub forma de nuclee de pereti din beton armat, dispuse in jurul caselor de scari si de lifturi, stalpi din beton armat si plansee dala.

Structura subsolului, mai extinsa in plan decat partea de suprastructura, este alcatuita similar, prin continuarea elementelor verticale din suprastructura, la care se adauga stalpi si pereti din beton armat suplimentari, inclusiv peretele suplimentar perimetral.

Sistemul de fundare este de tip radier general, avand grosimea de 1,80 m in zonele de nuclee, unde apar concentrari de eforturi datorate preluarii si transmiterii sarcinii seismice, respectiv 1,00 m in rest.

Asa cum se intampla in mod curent la dezvoltarile imobiliare de mari dimensiuni, s-a optat pentru o abordare in faze a executiei, realizandu-se, mai intai, o incinta de pereti mulati corespunzatoare primelor doua corpuri supraterane, urmand ca, ulterior, sa fie continuata incinta pentru realizarea subsolului celui de al treilea corp.

La momentul intocmirii prezentului articol, executia primului corp se gasea la etajul 3, la al doilea corp se definitiva structura subsolului, in timp ce executia celui de al treilea corp urma sa inceapa ulterior.

Descrierea lucrarilor aferente excavatiei adanci

Cota terenului natural este la cca. +89,00 m rMN, iar cota finala a excavatiei este +77,10 m rMN, respectiv + 77,90 m rMN, deci cu cca. 11-12 m sub cota terenului natural.

Nivelul hidrostatic indicat in studiul geotehnic era aproximativ +77,00 … +79,00 m rMN, insa, in realitate, el s-a intalnit chiar mai jos in interiorul incintei executate. Pentru realizarea excavatiei de pe o platforma de lucru realizata la cota +86,00 m rMN, prin sapatura in taluz inclinat (protejat cu torcret in vederea mentinerii conditiilor de umiditate naturale) sau local prin sprijinire berlineza, s-a construit un perete ingropat de 60 cm grosime si 18 m adancime, executat prin tehnologia peretilor mulati, cu excavare sub protectia noroiului bentonitic.

Dupa realizarea unui studiu de fezabilitate, s-a optat pentru cel mai economic mod de sprijinire temporara a peretelui de incinta, respectiv sprijinirea prin ancoraje pretensionate dispuse pe un singur orizont, la cota +82,20 m rMN. Aceasta inseamna ca, dupa executia peretilor de incinta si a grinzii de coronament de pe capul lor, s-a facut o sapatura pana la cota de aproximativ +81,70 m rMN, de pe care s-a realizat forarea, instalarea si tensionarea ancorajelor, avand lungimi de 20 m, forate sub un unghi de 200.

Ancorajele au fost tensionate, in cea mai mare parte a incintei, pana la forte de 500 kN, forta stabilita prin calcul si verificata prin incercarile preliminare pe ancorajele de proba. Pe o zona unde s-a dorit stabilizarea sporita a taluzului si a constructiei vecine, din cauza traficului greu din zona respectiva, ancorajele au fost tensionate pana la 560 kN. Pe zona respectiva, litologia a permis patrunderea partiala a bulbului intr-un strat necoeziv cu capacitate portanta sporita, lucru confirmat si prin incercarile preliminare pe ancorajele de proba.

Platforma de pe care s-au realizat ancorajele a fost constituita de fapt de o contrabancheta avand berma de 8-10 m latime si cu taluz cu panta de 3:2. Astfel, se lucra pe de o parte la stabilizarea peretelui mulat si, in acelasi timp, la atacarea lucrarilor de radier si de structura a subsolului pentru zona centrala (fig. 2).

In acest interval, peretele ingropat a lucrat dupa o schema statica de tip consola. Dupa tensionarea ancorajelor, s-a efectuat sapatura pe contur pana la cota finala a excavatiei, acesta reprezentand si stadiul de maxima solicitare pentru peretele mulat. Ulterior s-a trecut la completarea radierului prin executia zonei sale marginale si apoi la executia elementelor de subsol.

Ancorajele au fost detensionate, parte din ele chiar extrase din teren (conform cerintelor proprietarilor care si-au dat acordul pentru executia ancorajelor in terenurile lor), dupa intarirea betonului din placa peste subsolul 3.

Pentru unele zone de colt de incinta (8-12 m), s-a optat pentru inlocuirea sistemului de sprijinire prin ancoraje de teren cu un sistem de spraituri metalice orizontale, montate la un unghi cat mai apropiat de 450.

Din punctul de vedere al conditiilor litologice, sa consemnam ca in amplasament s-a intalnit succesiunea de straturi tipica pentru Bucuresti, cu o zona de umplutura si apoi de argile prafoase in zona superioara (pe aproape toata adancimea excavatiei), urmate de nisipurile si pietrisurile de Colentina (foarte variabile ca nivel de aparitie si grosime, aici), de pachetul argilelor intermediare si de zona de nisipuri de Mostistea. Variabilitatea amintita mai sus a condus la imposibilitatea adaptarii ancorajelor cu lungimi si orientari diferite, astfel incat bulbul sa fie incastrat, pe cat posibil, intr-un strat necoeziv cu capacitate portanta sporita.

Conform studiului geotehnic se prevedea necesitatea coborarii nivelului apei subterane cu circa 3 m, in acest scop fiind executate 13 puturi de epuizment. In realitate, ca urmare a variatiei importante a stratului acvifer de Colentina pe amplasament, apa subterana s-a gasit cu 2 m mai jos (doar in interiorul incintei), epuizmentul dovedindu-se nesemnificativ.

Desi nu constituie o lucrare de mare dificultate, realizarea unei excavatii adanci intr-o zona urbana intra sub prevederile normativului NP 120-06, ceea ce reclama o atentie particulara pentru constructiile invecinate, in sensul limitarii influentei pe care o are construirea noului imobil asupra acestora.

PROGRAMUL DE MONITORIZARE

Practica moderna curenta, ca si prescriptiile de proiectare si executie, cer o monitorizare atenta si eficienta a constructiilor aflate in executie, dar si monitorizarea pe termen lung, pe perioada de viata a constructiei. Sunt unele cazuri deosebite, cu situatii la limita, in care criteriul cel mai drastic si uneori chiar singurul este limitarea deformatiilor peretelui de incinta sau limitarea tasarilor constructiilor invecinate. In acest sens, inainte de toate, este necesar un studiu geotehnic deosebit de consistent, cu multe investigatii de teren si cu incercari de laborator corespunzatoare. Cu toate acestea, calibrarea parametrilor geotehnici reclama o experienta vasta si, de multe ori, un raspuns definitiv in acest sens este dat tocmai de o foarte atenta si stricta monitorizare in teren.

Valorile masurate sunt prelucrate fie pentru a confirma valorile estimate prin proiectare, fie pentru o recalibrare a parametrilor sau a modelului de calcul, atunci cand exista diferente intre valorile estimate si cele masurate. Acest lucru se face, de multe ori, chiar pe masura inaintarii lucrarilor de executie, iar intr-un sens mai larg, putem vorbi de inscrierea procesului respectiv in metoda observationala de dimensionare.

Dispozitive inclinometrice

Pentru determinarea valorilor deformatiilor din peretele ingropat s-au instalat 7 coloane inclinometrice, fiecare cu lungimea aproximativa de 30 m, depasind, deci, lungimea panourilor de perete mulat, pentru a surprinde efectul de deplasare a bazei acestuia.

Dispozitivele inclinometrice au fost amplasate, conform pozitionarii din proiect (fig. 3), in special in mijlocul laturilor incintei unde deplasarile peretelui sunt cele mai mari.

Dispozitive tasometrice

S-au montat 3 coloane tasometrice pana la adancimi de 50 m, in pozitiile indicate in proiect (fig. 3): S1 si S3, sub nucleele de beton armat unde se vor concentra eforturile din structura si S2, intr-o zona de incarcare minima, intre cele doua corpuri de suprastructura.

Tasometrele au fost echipate cu reperi inelari, dispusi din 2 m in 2 m pe primii 10 m adancime (zona care s-a excavat dupa citirea initiala) si intre adancimea de 30 m – 50 m (unde se resimte mai putin efectul deformatiilor pamantului). Intre adancimile de 10 m si 30 m, reperii inelari s-au dispus la interax de 1 m.

Puturi piezometrice

Pentru monitorizarea nivelului apei subterane, in exteriorul incintei s-au realizat 3 puturi piezometrice in zonele din interiorul limitei de proprietate acolo unde a mai fost posibil accesul dupa executia platformei de lucru de la cota +86,00 m rMN. Fiecare put piezometric a fost executat cu adancimea de 14 m, avand baza pozata la +72,00 m rMN, in stratul de argila intermediara.

In plus, puturile de epuizment din interiorul incintei s-au transformat in puturi de observare dupa realizarea epuizmentului.

Masuratori topografice

Conform studiilor efectuate pe un numar considerabil de structuri de sprijin, se considera ca zona din masivul de pamant pe care se resimte schimbarea starii de eforturi si de deformatii, ca urmare a influentei executiei noii constructii, se poate extinde pana la de 3 ori adancimea excavatiei. In acest sens, s-au inclus in programul de monitorizare constructiile care se intalnesc pe o distanta de pana la maximum 40 m in jurul incintei nou proiectate, in vederea determinarii deplasarilor verticale si, eventual, a fisurilor din aceste constructii, produse ca urmare a excavatiei din vecinatate si a construirii noului imobil: un post trafo si o cladire parter, aflate la circa 4 m de incinta, un grup scolar, cu regim de inaltime D+P+3E, aflat la o distanta de circa 30 m de incinta si un sopron deschis din elemente prefabricate de beton armat, aflat la o distanta de 4,7 … 5,5 m fata de excavatie.

Frecventa masuratorilor

Prin programul de monitorizare s-a prevazut ca masuratorile mai sus mentionate sa se efectueze pentru fiecare etapa de executie a excavatiei, dupa cum urmeaza:

• citirea de zero, dupa executia peretilor mulati;

• dupa excavarea la cota +81,70 m rMN, inainte de tensionarea ancorajelor;

• dupa tensionarea ancorajelor;

• dupa excavarea la cota finala;

• dupa detensionarea ancorajelor;

• dupa executia fiecarui nivel de subsol.

Programul de monitorizare elaborat de proiectant a indicat criteriile si procedeele de investigare. Respectarea programului este esentiala, chiar daca pe parcursul lucrarilor se recurge la ajustari sau suplimentari ale punctelor de masurare.

Pentru perioada de exploatare sunt vizate si alte elemente de monitorizare, cum ar fi instalarea de accelerometre pentru monitorizarea seismica.

DEFORMATIILE ESTIMATE IN FAZA DE PROIECTARE

Pentru calculul starilor de eforturi si deformatii s-a utilizat modelul 2D cu stare plana de deformatii prin metoda elementului finit, considerand, pentru pamant, legea de comportare elasto-plastica cu rigidizare in domeniul deformatiilor mici. In tabelul de mai jos, sunt redate stratificatia schematizata si valorile caracteristice ale principalilor parametri geotehnici, bazate pe datele din studiul geotehnic.

Valorile modulilor de deformatie indicate in tabelul 1 sunt asociate nivelului de eforturi de 200 kPa.

Simbolurile utilizate pentru parametrii geotehnici au urmatoarele semnificatii:

g – greutatea volumica in stare naturala a pamantului;

F’ – unghi de frecare interioara in stare drenata;

c’ – coeziune in stare drenata;

E₅₀ – modulul secant pentru 50% din rezistenta;

E_ur – modulul de descarcare-reincarcare;

g_0,7 – deformatia pentru 0,7 G₀;

G₀ – modulul de forfecare pentru eforturi mici.

Elementele de interfata au fost considerate rigide (factor unitar de reducere a rezistentei fata de cea a pamantului) si s-au modelat prin intermediul relatiei Mohr-Coulomb, considerand valorile F = F’, c = c’, E = E_ur, v = v_ur.

Pentru peretele mulat, ancoraje si spraituri s-a considerat modelul de comportare linear elastic.

Conform studiului geotehnic, nivelul apei subterane varia de la 78,70 m rMN in zona de N-V  a amplasamentului (zona piezometrului P3), la 76,70 m rMN ÷ 77,75 m rMN in S-E (zona piezometrelor P1 si P2).

Deoarece s-a incastrat peretele mulat in stratul de argila cvasi-impermeabil, s-a considerat ca epuizmentul din interiorul incintei pentru realizarea excavatiei in uscat nu are influente asupra terenului din exteriorul incintei. Drept urmare, la calculul excavatiei, nivelul apei subterane in exteriorul incintei s-a considerat constant, la cota maxima indicata de studiul geotehnic +79,00 m rMN.

Calculul deplasarilor, prezentat in continuare, s-a facut cu valorile caracteristice ale parametrilor geotehnici si excluzand suprasarcina considerata initial in proiectare, pentru a simula cat mai real situatia din teren din timpul executiei.

Deformatiile peretelui ingropat

Din calculele efectuate, s-au extras deplasarile orizontale ale peretelui mulat de incinta si ale masivului de pamant de dedesubt, pentru fiecare etapa de realizare a excavatiei. Pe diagramele de deplasari orizontale, prezentate in figura 4, s-au indicat si deplasarile verticale pe capul peretilor mulati, dupa cum rezulta din calcule, pentru comparatia cu masuratorile prin metode topografice. Valorile pozitive, dupa cum reies pentru deplasarile orizontale, indica miscari ale peretelui spre interiorul excavatiei, iar valorile negative pentru deplasarile verticale indica tasari.

Deformatiile terenului de fundare

In figura 5 sunt redate deformatiile verticale ale terenului de fundare rezultate din calcul, ca urmare a schimbarii starii de eforturi din timpul executiei excavatiei: descarcare pentru etapa de excavatie si reincarcare pentru etapa de realizare a radierului din beton armat.

Sunt reprezentate valorile rezultate la 20 m distanta de peretele mulat, distanta la care sunt instalate tasometrele pe amplasament.

Deformatiile constructiilor vecine

Din calculele efectuate, deformatiile induse de realizarea incintei in fundatiile postului trafo si cladirii parter se situeaza sub 10 mm, ceea ce conduce la incovoieri relative intre doua elemente verticale de rezistenta succesive ale aceleiasi constructii de 1/500….1/1000. Aceste valori se afla sub limitele admise de norme (STAS 3300/2-90 si NP 112-04) pentru orice tip de cladiri, chiar pentru cele neadaptate in mod special la concepte seismice.

Tasarea diferentiata indusa intre fundatiile celor doua siruri de stalpi ai sopronului este de max. 12 mm, adica o incovoiere relativa de 1/500.

(Va urma) 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 103 – mai 2014, pag. 50

Autori:
ing. Alexandra ENE, ing. Dragos MARCU – SC Popp & Asociatii Inginerie Geotehnica SRL Bucuresti
conf. univ. dr. ing. Horatiu POPA – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Departamentul de Geotehnica si Fundatii