Solutie eficienta pentru fundarea constructiilor pe un cheu portuar

Operatorii portuari se confrunta cu cereri din ce in ce mai mari pentru manipularea volumelor de cereale si alte marfuri. Ca urmare, este necesar sa se construiasca, pe platforma adiacenta fronturilor de acostare, depozite de capacitate mare, cu tehnologie de operare moderna. Din cauza locatiei si a spatiului disponibil limitat, constructiile devin inalte, transmitand terenului presiuni medii de 300 KPa. Aceste sarcini pot fi preluate doar de un teren cu capacitate portanta adecvata.

Lucrarea de fata prezinta un studiu de caz unde a fost folosita o solutie de imbunatatire a terenului de fundare cu incluziuni de beton, pentru a permite transferul sarcinilor, in conditii de siguranta, la adancimea necesara asigurarii stabilitatii cheului portuar existent.

Cheul existent

Pe platforma unui cheu existent din Portul Constanta se amenajeaza un depozit mare de cereale. Cheul este de tip gravitational, format din blocuri de beton, de 1.000 kN fiecare. Blocurile sunt plasate unul peste altul, rezultand pile de 5,5 m latime, unite cate 5 la partea superioara cu un coronament din beton. Cheul are 14 m inaltime, din care 11,5 m sunt situati sub nivelul marii. Este fundat pe un strat de anrocamente cu grosimea de 1,5 m, situat deasupra unei argile tari, cu capacitatea portanta de 400 kN/m2. Pentru a reduce impingerea umpluturii pe cheu a fost prevazut un prism descarcator din piatra bruta.

Cheul este deservit de macarale care ruleaza pe doua file: una pe coronament si una la o distanta de 10,875 m, fundata pe traverse din beton armat. De asemenea, sub portalul macaralei sunt doua linii de cale ferata si alte doua in exteriorul caii de rulare. Una dintre liniile exterioare a fost scoasa din functiune deoarece se afla pe amplasamentul noului depozit. Latimea totala a platformei portuare este de 60 m. Tehno­­logia de manipulare a cerealelor prevede si transbordarea directa, ceea ce con­duce la o incarcare a platformei de 40 kN/m2 (fig. 1).

Pentru imbunatatirea capacitatii de operare a navelor a fost prevazuta constructia unui depozit tampon pentru depozitarea temporara a cere­alelor. Depozitul are lungimea de 135 m si o capacitate de 50.000 de tone. Spatiul limitat al platformei portului a impus adoptarea latimii depozi­tului la aproximativ 29 metri (fig. 2).

Incarcarea transferata platformei este de aproximativ 300 kN/m2, ceea ce conduce la cresterea solicitarilor orizontale pe cheu. In aceste conditii, a rezultat ca nu este asigurata stabi­litatea cheului, fiind necesare investigatii suplimentare.

Evaluarea stabilitatii generale

Pentru a evalua efectele noilor sarcini asupra stabilitatii cheului si a oferi o solutie fezabila, care ar putea satisface si termenul de constructie impus, s-au efectuat diferite calcule si analize, inclusiv modelarea nume­rica si experimente in situ.

Conditiile geotehnice

Stratificatia terenului din ampla­sament a fost determinata prin foraje de 35 m lungime, cu prelevare de probe si realizarea de teste standard de penetrare (SPT), de penetrare dinamica (DPT), precum si de laborator. A rezultat ca terenul de fundare are urmatoarea stratificatie: un strat cu grosimea de 9,5 m umplutura de nisip si blocuri (de beton si de cariera), cu indesare medie pe primii 4 m  (N_SPT = 5 – 12 lovituri) si indesat la baza (refuz), urmat de un strat moale de argila, cu grosimea de 0,8 m si de nisip fin, indesat, cu grosimea stratului de 1,3 m. Sub stra­tul de nisip fin este un pachet coeziv in stare tare, format din 6% – 30% nisip, 31% – 19% praf si 63% – 51% argila, N_SPT = 38 – 50 lovituri, DPT = 30 lovituri/10 cm si indicele de consistenta Ic = 0,93 – 0,95. La adan­cimi de peste 15 – 17,5 metri se gaseste roca de baza constituita din calcar in diferite stadii de degradare si N_SPT > 50 lovituri.

Modelarea numerica

Modelarea numerica a fost efectuata pentru a evalua stabilitatea cheului sub actiunea noilor sarcini. Obiectivele analizei au fost determinarea fortelor orizontale si evaluarea stabilitatii generale a structurii, in conditiile  noilor presiuni aplicate pe patul de fundare si pe teren.

Rezultatele analizei indica faptul ca, potrivit noilor incarcari, stabilitatea cheului nu este asigurata, marimea fortelor orizontale avand o crestere de ordinul a 25%, de la 470 kN/m la 590 kN/m. Coeficientii de siguranta la alunecare si rastur­nare sunt nesatisfacatori (mai mici de 1,5). De asemenea, presiunile maxime pe patul de anrocamente si argila au depasit 400 kPa, de unde a rezultat un factor de siguranta neco­respunzator in ceea ce priveste capa­citatea portanta.

Experimente in situ privind coeficientul de frecare

Coeficientul de frecare determina stabilitatea la alunecare si volumul lucrarilor, raportat la greutatea constructiei. In cazul cheurilor de greutate, frecarea dintre elementele constructive, tehnologia de executie sub nivelul apei si alti factori au o mare influenta asupra comportamentului la alunecare.

Pentru determinarea coeficientului de frecare a fost efectuata o cer­cetare la scara naturala, intr-o cuva de beton armat cu dimensiunile de 5,60 m x 2,50 m x 1,25 m (fig. 3). Deasupra patului de piatra sparta cu grosimea de 80 cm au fost asezate suprapus blocuri din beton avand fiecare 150 kN. Pentru a simula conditiile reale, supra­fata de alune­care a fost aco­perita cu 10 cm de apa de mare. La aplicarea sarcinii orizontale au fost utilizate prese hidraulice. Au fost analizate diferite situatii, prin utili­zarea unui numar de blocuri variabil si a geometriei ase­zarii lor, rezultand presiunea maxima de 225 kPa (fig. 4).

Prin testarea la scara naturala a rezultat un coeficient de frecare egal cu 0,65 (fig. 5), mai mare decat coeficientul de frecare utilizat initial in analiza teoretica. Analizand noua valoare, s-a obtinut un coeficient de siguranta la alunecare mai bun, dar inca nesatisfacator.

SOLUTII PENTRU ASIGURAREA STABILITATII CHEULUI

Pentru a asigura stabilitatea cheului, au fost luate in considerare urmatoarele solutii:

• Consolidarea capacitatii structurale a cheului;

• Fundarea depozitului pe piloti de diametru mare;

• Imbunatatirea terenului de fundare a depozitului si transferul sar­cinilor in adancime.

Din analiza acestor solutii a rezultat ca primele doua au un cost mult mai mare comparativ cu a treia. In plus, prima solutie necesita scoa­terea din functiune a cheului pentru o perioada de minimum trei luni. Prin urmare, a fost selectata a treia solutie, care este descrisa in detaliu mai jos.

IMBUNATATIREA TERENULUI DE FUNDARE CU INCLUZIUNI RIGIDE

Aceasta tehnologie presupune construirea unei platforme de transfer al sarcinii si a unor incluziuni rigide, pentru (i) a transmite sarcinile la incluziunile rigide si teren si (ii) pentru consolidarea terenului. Terenul, astfel imbunatatit, se comporta ca un bloc si transmite sarcinile la un strat cu capacitate portanta corespunzatoare. Solicitarile orizontale transmise cheului sunt, astfel, mult diminuate, prin transferul in adan­cime al solici­tarilor verticale produse de depozitul pentru cereale. Terenul din adancime are o compactitate mare, ceea ce conduce la reducerea sarcinilor care se manifesta asupra cheului.

Incluziunile sunt realizate prin forare cu un burghiu, care avan­seaza prin indesarea laterala a terenului. Betonarea se realizeaza prin centrul burghiului iar prin retragerea controlata a acestui echi­pament se umple spatul liber (fig. 6). In general, incluziunile strabat straturile slabe ale terenului de fundare, fiind incastrate intr-un strat tare. Executate cu un utilaj de forat care are un moment de torsiune ridicat si o putere de apasare mare, incluziunile pot ajunge la lungimi de 25 – 30 metri.

Avantajele acestei tehnologii sunt:

• Datorita indesarii terenului, mate­rialul excavat este aproape inexistent;

• Consum de beton si beton armat redus, in raport cu alte solutii;

• Capacitatea portanta a terenului de fundare este imbunatatita.

Transferul sarcinii de la depozit la incluziuni a fost realizat printr-un strat de piatra sparta armat cu geogrile, denumit, in mod uzual, strat de transfer al sarcinii. Sub acest strat se afla incluziunile rigide, dispuse intr-o distributie triunghiulara, carora le revine 2,1 m2 ÷ 3,5 m2. Incluziunile au un diametru de 0,40 m si o lungime de 12 m, cu penetrare minima de 0,50 m in stratul de argila tare. Incluziunile sunt realizate din beton simplu C20/25 (fig. 7).

Pentru controlul calitatii s-au efec­tuat diverse inregistrari si teste, unele cu inregistrare continua, teste sonice de integritate (SIT) si teste statice de compresiune axiala. Asa cum se prezinta in figura 8, aceste teste au fost efectuate la o sarcina maxima de 45 tone (450 KN) si a fost obtinuta o tasare maxima de 3,0 mm.

Solutia aplicata indeplineste urma­toarele cerinte de proiectare:

• Solul este imbunatatit, prin inde­sare laterala, pe adancimea de 12 metri;

• Tasarea si inclinarea obtinute sunt de 2 cm si respectiv, la 1/1.000, sunt admisibile;

• Se asigura transferul sarcinilor in adancime, la stratul de teren cu capacitate portanta corespunzatoare (400 kPa).

CONCLUZII

Pentru a evalua efectele incarcarii suplimentare a platformei care se transmit la structura unui cheu existent in terminalul de cereale din Portul Constanta, au fost efectuate studii incluzand analiza stabi­litatii generale si experimente in situ. Incarcarile suplimentare au rezultat din construirea unui depozit nou in zona terminalului. Analizele au inclus atat structura cheului cat si fundatia depozitului.

Rezultatele au indicat ca imbu­­na­tatirea terenului de fundare al depo­zitului a fost justificata. Au fost analizate trei solutii pentru asigurarea stabilitatii cheului. Pe baza rezultatelor si a cerintelor beneficiarului fata de timpul de executie, a fost aleasa imbunatatirea terenului prin executia unor incluziuni rigide si a unui strat de transfer.

NOTA: Autorii multumesc United Shipping Agency (Beneficiar), Convas Construct (Contractor General) si GT Ground Engineering & Construction Services (Contractor de Specialitate) pentru transmiterea datelor necesare acestui articol.

Bibliografie

A.S.I.RI. Proiect National (2013). Recomandari pentru proiectarea, constructia si controlul imbunatatirii terenului cu incluziuni rigide;

CIORTAN R., Manea S., Tsitsas G., Dumitru M. (2014). “Cost effective solution for construction adjacent to waterfront structures”, A XV-a Conferinta Dunareana – Europeana de Inginerie Geotehnica, Viena, Austria;

CIORTAN R., Manea S., Tsitsas G., Dumitru M. (2013). “Tehnologie ecologica privind consolidarea de adancime a terenului de fundare”, Zilele Academiei de Stiinte Tehnice din Romania, Brasov, Romania;

CIORTAN R., Manea S., Tsitsas G., Sata L. (2012). “Imbunatatirea terenului cu incluziuni din beton”. A 12-a Conferinta Nationala Romana de Geotehnica si Fundatii, 2012, Iasi, Romania. vol. 1, pp. 77-85;

CIORTAN R. (2011), Constructii hidrotehnice portuare. Agir;

CIORTAN R., Plomteux C., (2010). “Solutii de imbunatatire a terenului pentru cel mai mare proiect eolian din Europa”, Bratislava;

TSITSAS G., Pasqualin C., Ciortan R. (2010). “Solutia de imbunatatire a terenului pentru o statie de tratare a apelor uzate din Braila – Romania”, Referinte, A 6-a Conferinta Pan-Elena de Geotehnica si Ingineria Geo-Mediului in Volos, Grecia;

TSITSAS G., Ciortan R., Konstantakos D., Dumitru M. (2014), “Aspecte tehnice si econo­mice ale tehnologiilor curente de imbunatatire a terenului pentru structurile adiacente frontului de acostare in Romania”, Al 33-lea Congres International PIANC, San Francisco, SUA.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 104 – iunie 2014, pag. 24

Autori:
prof. univ. Romeo Ciortan – Universitatea Ovidius, Constanta, membru corespondent al Academiei de Stiinte Tehnice
prof. univ. Sanda Manea – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti
ing. George Tsitsas – director GT Ground Engineering & Construction Services
drd. ing. M. Dumitru – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti