NAUE ROMANIA: Performanta relativa in exploatare a materialelor geosintetice folosite pentru stabilizarea substratului

In general, geogrilele au un efect de stabilizare a substratului, materializat prin cresterea capacitatii portante a sistemului rutier si mentinerea separarii intre materialele folosite in corpul drumului si cele din substrat. Interactiunea dintre geogrila si materialul granular si activarea rezistentelor la intindere la alungiri reduse produc un efect combinat de stabilizare, care poate fi privit ca o etapa initiala a mecanismului de armare, pronuntat la deformatii mici.

Stabilizarea substratului cu materiale geosintetice permite obtinerea unor structuri cu capacitate portanta corespunzatoare, folosind cantitati mai mici de agregate si in conditiile unui timp de executie mai scurt, comparabil cu situatiile in care nu se folosesc materiale geosintetice. Aplicatiile tipice sunt drumurile temporare de exploatare si drumurile nepavate cu trafic redus.

Pe parcursul verii anului 2012, Institutul Vestic pentru Transporturi (Western Transportation Institute – WTI) si Universitatea Statului Montana (Montana State University – MSU) au desfasurat un proiect de cercetare pentru a evalua performanta a 12 materiale geosintetice diferite folosite pentru stabilizarea substratului, construind 17 sectiuni de testare la platforma experimentala TRANSCENT din Lewistown, Montana.

Proiectarea si dispunerea sectiunilor de testare

Proiectarea sectiunilor de testare a avut in vedere rezultatele obtinute in 2009, in cursul fazei anterioare de testare (numita in continuare Faza 1) si a fost axata pe constructia unei cai de rulare uniforme, care sa permita studierea stabilizarii cu materiale geosintetice, a rezistentei substratului si grosimii stratului portant din agregate. Una dintre concluziile Fazei 1 fusese ca un drum construit pe un substrat cu capacitate portanta redusa (CBR_sub = 1,7%), avand un strat portant relativ subtire de agregate (t = 200 mm), suporta un numar foarte mic de treceri ale unui camion standard cu 3 osii, complet incarcat. Acelasi studiu a aratat ca, in conditiile sus-mentionate, rigiditatea la intindere a armaturii geosintetice in directie transversala (in special la 2% si la 5%) a fost conside­rata direct legata de performanta materialului respectiv si ca metodele de calcul pentru aplicatiile de stabilizare a substratului indicau in mod inadecvat grosimea necesara a stratului de agregate in vederea stabilizarii substra­tului.

Pentru a investiga, in continuare, performanta materialelor geosintetice, in conditii mai putin severe decat cele din Faza 1, in cadrul Fazei 2 au fost construite sectiuni de testare pe un substrat cu capacitate portanta de asemenea redusa (CBR_sub = 1,7%), folosindu-se acelasi camion standard cu 3 osii, complet incarcat, dar un strat de agregate mai gros (t ³ 300mm).

Proiectul de cercetare a avut ca scop precis cuantificarea diferentelor de performanta intre diverse materiale geosintetice, functionand in conditii identice (aceeasi capacitate portanta a substratului si aceeasi grosime a stra­tului de agregate de deasupra lor).

Au fost construite, in plus, mai multe sectiuni de testare, pentru a se studia efectele produse de variatii ale rezistentei substratului sau variatii ale grosimii stratului de agregate asupra performantelor obtinute. Au fost construite trei sectiuni de control, fara materiale geosintetice, fiecare avand o grosime diferita a stratului de agregate. Au fost construite, de asemenea, trei sectiuni cu acelasi tip de geogrila (Tensar BX Tip 2) dar cu capacitati portante diferite ale substratului.

In total au fost testate 12 materiale geosintetice diferite (10 geogrile, 1 geo­textil tesut si 1 geotextil netesut). Una dintre cele 10 geogrile testate a fost Secugrid 30/30 Q1. Pentru a se crea substratul cu capacitate portanta sca­zuta, a fost instalat un strat de argila slaba, nisipoasa, cu o grosime de aproximativ 3 ft (0,91m) pe o latime de aproximativ 15 ft (aproximativ 4,5 m), ceea ce a permis obti­nerea unei capacitati portante exprimata printr-un CBR de aproximativ 1,4%…2%.

Mai apoi, a fost instalat un strat de agregate 0/25 mm cu o grosime de 12-24 inch (aprox. 30-61 cm), peste straturile de materiale geosinte­tice in sectiunile armate si direct peste stratul suport in sectiunile nearmate. Circulatia deasupra structurii rutiere a fost simulata folosindu-se un camion cu osii in tandem, in conditii de monito­rizare pe tot parcursul procesului, a adancimii sleaurilor formate si a deformatiilor aparute in structura rutiera. O sectiune transversala tip este pre­zentata in figura 1.

Figura 2 prezinta pozitionarea si dimensiunile sectiunilor de testare, cu specificarea materialelor geosintetice folosite pentru armare, a grosimii stra­tului de agregate si a rezistentei substratului.

In tabelul 1 sunt prezentate rezistentele la intindere ale diferitelor produse utilizate in sectiunile experimentale.

Producerea Sleaurilor si analiza mecanismelor de cedare

Principala modalitate de determinare a modului de comportare si performantei fiecarei sectiuni de testare a fost masurarea adancimii sleaurilor in directie longitudinala si transversala. Adancimea sleaului a fost masurata avand ca nivel de refe­rinta cota suprafetei de rulare inainte de circulare. Acest tip de sleau a fost denumit denivelare si este prezentat in figura 3.

In ciuda eforturilor depuse in timpul constructiei sectoarelor experimentale, de a elimina orice abatere in pri­vinta grosimii straturilor de agregate si capacitatii portante a substratului, mici variatii au fost inevitabile. Ca atare, a fost necesara aplicarea unei proceduri de corectie empirice, astfel incat sa se poata compara direct rezultatele din toate sectiunile experimentale, tinand cont de micile variatii ale grosimii si capacitatii portante. Grosimea medie a stratului de agregate, pentru toate cele 14 sectiuni armate, a fost de 10,9 inch (277 mm) similara grosimii din Sectiunea de Control 1, care a avut 11,3 inch (287 mm). Din sectiunea de Control 1 au fost selectate, in scopuri analitice, toate punctele care au avut o grosime a stratului de agregate de 10,9± 0,5 inch. Rezultatele corectate, care descriu adancimea sleaurilor longitudinale in functie de numarul de treceri ale camionului, sunt prezentate in figura 4.

Comparand rezultatele obtinute se observa ca toate sectiunile in care au fost folosite materiale geosintetice au avut performante superioare celei obtinute in cazul Sectiunii de Control 1, de 280 mm grosime; in mod evident insa, materialele geosintetice au functionat cu eficiente diferite. Prin comparatie cu Sectiunile de Control 2 (415 mm grosime) si 3 (630 mm grosime), toate sectiunile armate cu materiale geosintetice (305 mm grosime)  au fost mai putin performante. In sectiunile armate cu materiale geosintetice, produsele care au avut cele mai bune performante au fost geogrila Secugrid 30/30 Q1, geogrila monolitica biaxiala si geotextilul tesut. Adancimile sleaurilor in directie longitudinala au fost folosite pentru a determina care dintre proprietatile materialelor geosintetice au avut o influenta decisiva pentru performanta sectiunilor de testare in care au fost incorporate. A fost efectuata o analiza prin regresie liniara pentru adancimi diferite ale sleaurilor (25 mm, 50 mm si 75 mm), pentru a se vedea in ce masura diferite proprietati ale materialelor au influentat performanta lor la diverse adancimi ale sleaurilor. Prima analiza a concluzionat ca, in principal, rezistenta si rigiditatea jonc­tiunilor in directie transversala (CMD – Cross Machine Direction) sunt un bun indicator al performantei, in special pentru adancimi ale sleaurilor mai mari de 2 inch (50 mm). Plecand de la aceasta concluzie, ca rezistenta si rigiditatea jonctiunilor in directie tranversala sunt un indicator important al performantei, s-a facut o a doua ana­liza prin regresie liniara, de data aceasta fiind eliminate din analiza materialele geosintetice care au avut performante slabe (ca de exemplu cele din Sectiunea de Test 7 – geogrila tesuta si Sectiunea de Test 9 – geogrila impletita), deoarece acestea nu au putut transmite eforturile in elementele structurale tranversale din cauza jonctiunilor slabe.  Rezultatele celei de-a doua analize prin regresie liniara au aratat ca rezistenta la intindere mobilizata la 2% si 5% alungire in directie transversala si rezistenta la rupere in directie longitudinala sunt buni indicatori de performanta.

Comportamentul sectiunilor de testare in directie transversala a fost evaluat prin masurarea adancimii sleaurilor perpendicular pe directia de circulatie. Pierderea capacitatii portante a fost evidentiata de umflarea suprafetei drumului in zona adiacenta urmelor de roti. Umflarea a aparut in fiecare sectiune de testare, la un numar diferit de treceri ale camionului, dar, in cele mai multe cazuri, a inceput intre 100 si 300 de treceri. Deplasarile incipiente ale materialelor geosintetice au fost constatate in afara zonei de sleauri. Dupa un numar de 40 de treceri ale camionului senzorii au indicat o deplasare catre zona sleaurilor in formare, in care geosinteticele erau „trase”. Acest comportament indica o tranzitie (la o adancime a sleaurilor de aproximativ 50 mm) de la efectul de confinare laterala a stratului de agregate (efectul de stabilizare) asigurat de o geogrila, la un efect de membrana tensionata, cu o adancire a sleaurilor si activarea fortelor de intindere in geogrila. Se observa, de asemenea, ca efectul de stabilizare (inclestarea dintre agregate si geo­grila) este cel care initiaza functia de armare a geogrilei prin activarea rezistentelor la intindere cand sleaurile au depasit o adancime minima de 50 mm, in acest caz.

Pe baza constatarii ca fortele mobilizate in directie transversala la 2% si 5% alungire si rezistenta la rupere in directie longitudinala sunt indicatori importanti ai performantei, comportamentul bun al geotextilului tesut poate fi explicat mult mai bine. Geotextilul tesut a avut valori ale rezistentei la rupere in directie longitudinala si ale fortelor mobilizate la 2% si 5% alungire de aproximativ doua ori mai mari decat ale geogrilelor care au avut cea mai buna performanta, Secugrid 30/30 Q1 si geogrila monolitica biaxiala, ceea ce a facut ca mecanismul de armare tip membrana tensionata sa profite la maximum de pe urma acestora. In plus, geotextilul tesut a avut si proprietati de separare si filtrare, care au lipsit in cazul geogrilei Secugrid 30/30 Q1 si geogrilei biaxiale extrudate (ca si in cazul tuturor celorlalte geogrile). Aceasta a condus la o reducere a contaminarii stratului de agregate cu particule fine din substrat, cu efecte benefice asupra reducerii deformatiilor suprafetei de rulare ca urmare a circulatiei.

Investigarea ulterioara a sectiunilor de testare armate cu materiale geosintetice

Aceasta evaluare a fost necesara pentru a se constata eventualele avarii aparute la materialele geosintetice ca urmare a operatiunilor tehnologice de instalare si ca urmare a circulatiei si, de asemenea, pentru a se constata daca s-a produs o contaminare a stra­tului de agregate cu particule fine din substrat. Evaluarea a fost facuta in doua faze, prima imediat dupa in­cetarea circulatiei pe sectiunile de testare (dupa 740 de treceri ale camionului standard), in noiembrie 2012 si a doua in vara urmatoare (iulie 2013). Prima evaluare a fost axata pe investigarea acelor zone din fiecare sectiune de testare in care s-au produs sleauri longitudinale cu adancimi diferite, intr-o incercare de a investiga cauzele care au condus la acestea.

In timpul celei de-a doua evaluari, facuta dupa ce sectiunile de testare au fost expuse mai multe luni conditiilor de iarna, au fost extrase bucati mari de materiale geosintetice, pentru a se face o evaluare a avariilor suferite de acestea. Mostrele au fost prelevate din zonele in care s-au constatat sleauri cu adancimi mai mari de 3 inch (75 mm), adancimea maxima atinsa inainte de a se repara sectiunile respective pentru a se permite circulatia in continuare.

Investigarea stratului de agregate

Au fost prelevate mostre din stratul de agregate, din toate sectiunile de testare pentru a se evalua contami­narea cu particule fine, ca urmare a operatiunilor tehnologice si circulatiei. Pe baza distributiilor granulometrice ale materialului din substrat si materialului din stratul de agregate, au fost verificate performantele de separare si filtrare folosindu-se criteriile de filtrare ale lui Terzaghi [3]. Deoarece cerintele necesare pentru separare si filtrare intre stratul de agregate si argila nisipoasa nu erau complet indeplinite, ar fi fost poate necesar sa fie recomandata folosirea intre ele a unui geotextil de separare si filtrare care sa previna amestecarea lor.

In cadrul procesului de evaluare a stratului de agregate au fost prelevate mostre din fiecare sectiune de testare, din zonele cu sleauri, direct de deasupra materialului geosintetic, de la 4 inch (aproximativ 10 cm) si de la 6 inch (aproximativ 15 cm) inaltime deasupra sa. Evaluarea nu a fost facuta si in sectiunile de control deoarece ar fi fost foarte dificil sa se determine exact zona de tranzitie intre stratul de agregate si substrat. S-a efectuat o cernere prin sita a materialelor prelevate pentru a se determina procentul de parti­cule fine (procentul de trecere al particulelor cu dimensiunea < 0,075 mm). Rezultatele acestei analize sunt pre­zentate in figura 6.

Dupa cum se poate observa in figura 6, mostrele din stratul de agregate prelevate de la 4 si 6 inch deasupra materialului geosintetic au avut cantitati similare de particule fine (intre 8,5 si 10 procente), identice cu cele prezente din start in stratul de agregate. Continutul de particule fine din stratul de agregate prelevat direct de deasupra materialelor geosintetice a fost in general cu 5% mai mare. In cazul geotextilului tesut (Sectiunea de testare 13) si geotextilului netesut (Sectiunea de testare 14) au fost masurate cele mai mici cantitati de particule fine, lucru normal de altfel avand in vedere ca ambele materiale sunt configurate pentru a functiona ca straturi de separare. Niciunul dintre celelalte produse testate, cu exceptia celor doua geotextile, nu a avut functie de separare. Este un lucru cunoscut ca si un procent mic de particule fine care migreaza din substrat in stratul de agregate poate avea un impact asupra performatei globale a structurii armate a drumului. Yoder si Witczak (1975) [4] de exemplu afirma ca, daca stratul de agregate este con­taminat cu particule fine din substrat intr-un procent de numai 20% din masa sa, capacitatea portanta a stratului de agregate va fi redusa la aceea a substratului. Aceasta subliniaza importanta deose­bita pe care o are folosirea unui geotextil cu rol de separare pentru asigurarea unei performante cores­punzatoare a stratului portant si explica avantajul pe care l-au avut geotextilele tesut si netesut asupra tuturor geogrilelor folosite in test prin prisma blocarii migrarii parti­culelor fine din substrat.

Investigarea materialelor geosintetice

Principalul scop al evaluarii gradului de avariere al geogrilelor, dupa instalare si circulatie pe segmentele de testare in care au fost incorporate, a fost acela de a se examina fiecare jonctiune si bara si a se stabili in ce masura ele au fost sau nu afectate, pentru ca aceasta ar fi afectat capacitatea lor de a prelua si transmite incarcari. Marea majoritate a jonctiunilor avariate a aparut in zona in care s-au format sleaurile, pentru ca aici eforturile au fost extreme prin comparatie cu cele exercitate in zonele din afara sleaurilor. Tabelul 2 prezinta numarul de jonctiuni si bare intacte pe intreaga latime a mostrelor de geogrila prelevate in timpul celei de-a doua faze a procesului de investigare, in sectiunile unde au fost masurate sleauri mai adanci de 3 inch (aproximativ 75 mm). Din cauza diferentelor evidente intre structura geogrilelor folosite in test si cea a materialelor geotextile, in cazul acestora din urma nu a putut fi efectuata nicio analiza a integritatii barelor si jonc­tiunilor si ca atare au fost eliminate din evaluare.

Pe baza datelor prezentate in tabelul 2 se poate observa ca geogrila Secugrid 30/30 Q1 a avut un procent foarte mic de jonctiuni si bare avariate, ceea ce demonstreaza robustetea ei in timpul instalarii si circularii structurii rutiere in care a fost incorporata si capacitatea ei de a permite transferul incarcarilor prin jonctiunile solide, importanta pentru asigurarea unei distributii eficiente a incarcarilor. La prelevarea mostrelor de geogrile multi­di­rectionale din zonele cu sleauri adanci (>7 inch / 180 mm), imediat dupa circularea sectiunilor in care au fost incorporate, s-a constatat ca aceste materiale au suferit rupturi.

Concluzii

Pe baza datelor furnizate din sectiunile de testare cu grosime (³ 300 mm), amplasate pe un teren slab cu (CBR_sub = 1,7%)  armate cu diferite materiale geosintetice s-a putut face o evaluare a posibilei relatii dintre proprietatile materialelor geosintetice si performanta relativa a sectiunilor in care acestea au fost incorporate. Dintr-un total de 12 geosintetice diferite, geo­grilele cu cea mai buna performanta au fost Secugrid 30/30 Q1 si o geogrila monolitica biaxiala.

Testele efectuate la scara naturala au aratat clar ca performanta geosinteticelor folosite pentru stabilizarea substratului este legata de diferite proprietati ale acestora, care capata importanta in functie de stadiul dezvoltarii sleaurilor formate la suprafata caii de rulare a drumurilor nepavate. In stadiul incipient de formare a sleaurilor, este necesara stabilizarea (cunoscuta si ca prevenirea miscarii laterale a agregatelor), care apare ca urmare a interactiunii prin inclestare intre agregate si geogrila. In stadiul de dezvoltare a sleaurilor, rezultatele testelor au aratat ca apare o tranzitie de la stabilizare / prevenirea miscarii agregatelor catre asa numitul „efect de membrana tensionata” care produce mobilizarea rezistentelor la intindere ale materialelor pe masura ce creste adancimea sleaurilor. S-a constatat ca doua dintre geogrilele folosite (cele monolitice tri-axiale), care au avut cele mai mici rezistente la intindere dintre toate produsele testate, au suferit rupturi in zonele cu sleauri adanci (>7 inch / >180 mm). Aceasta arata ca este necesara o anumita rezistenta la intindere pentru a avea asigurata integritatea materialului in cazul in care se formeaza sleauri adanci – situatie tipica pentru drumurile nepavate. Geosinteticele care nu au fost capabile sa transmita eforturi in directie transversala din cauza jonctiunilor mai slabe (geogrila tesuta si geogrila impletita) au avut performante slabe.

Pe baza distributiilor granulome­trice ale materialelor minerale din stratul de agregate si din substrat au fost verificate performantele de filtrare si s-a stabilit ca ar fi fost recoman­dabila folosirea unui geotextil de separare si filtrare pentru a se preveni migrarea particulelor fine din substrat in stratul de agregate. Dintre toate materialele folosite in test, functii de separare si filtrare au avut doar geotextilul tesut si cel netesut. Performanta buna a geotextilului tesut poate fi explicata datorita capa­citatii de a actiona ca strat de separare, prevenind fenomenele de pompaj sub sarcina, concomitent cu o rezistenta mare la intindere (aproximativ de doua ori mai mare decat a celei mai puternice geogrile testate), importanta pentru efectul de membrana tensio­nata, la adancimi mari ale sleaurilor (>50 mm).

Testele au demonstrat ca geogrila de modul inalt Secugrid 30/30 Q1 are performante excelente datorita rezistentei la rupere, rigiditatii mari si rezistentei jonctiunilor si fortelor mobilizate la alungiri scazute, proprietati decisive pentru asigurarea performantei drumurilor nepavate tinand cont de cele doua etape de dezvoltare a sleaurilor.

In prima etapa incarcarile rezultate ca urmare a aparitiei sleaurilor sunt transmise materialului geosintetic, in special in directie transversala, pe masura de geosinteticul confineaza / stabilizeaza stratul de agregate cand acestea tind sa se deplaseze lateral sub sarcinile aplicate. S-a constatat ca acest mecanism este decisiv influentat de rigiditatea geosinteticului in directie transversala (la 2% si 5% alungire) si de rezistenta la rupere in directie longitudinala.

In a doua etapa, pe masura ce creste adancimea sleaurilor (³50 mm) rezistenta si rigiditatea jonctiunilor impreuna cu rezistenta la intindere in directie transversala (la 2% si la 5% alungire) si rezistenta la rupere in directie longitudinala sunt decisive.

Testele la scara naturala din cadrul acestui experiment au relevat ca geogrilele folosite pentru stabilizarea substratului in constructia drumurilor nepavate trebuie sa fie capabile sa ofere stabilizare si armare, in mod special in cazul pamanturilor cu capacitate portanta scazuta. Se pot trage de aici concluziile ca “stabilizarea” nu este o functie ci un efect al unui material folosit pentru constructia drumurilor nepavate si ca geogrilele folosite in aceste aplicatii trebuie sa fie capabile sa combine functia de armare cu un efect de “stabilizare” pentru a functiona corespunzator in conditii comparabile cu cele din aceste teste.

Bibliografie

[1] Cuelho, E. and Perkins, S. (2009) “Field Investigation of Geosynthetics Used for Subgrade Stabilization” Final report to the Montana Department of Transportation, FHWA/MT-09-003/8193, 140 pp.;

[2] Cuelho, E., Perkins, S.W., Morris, Z. (2014) Relative Operational Performance of Geosynthetics Used for Subgrade Stabilization – Final Report, May 2014;

[3] Holtz, R., Christopher, B. and Berg, R. (2008) Geosynthetic Design and Construction Guidelines. U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington DC, Report No. FHWA-NHI-07-092, 592 pp.;

[4] Yoder, E.J. & Witcak, M.W. (1975) Principles of Pavement Design, 2nd Edition, John Wiley and Sons, 711.

Autor:
NAUE Romania

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 106 – august 2014, pag. 18