Parametrii de rezistenta si deformatie ai terenului de fundare, compactat, de la Arena Nationala Bucuresti

Dupa cum stiti, tara noastra a castigat dreptul de a gazdui in anul 2020 una dintre finalele fotbalului european.

Este o recunoastere a performantelor asigurate de Arena Nationala din Bucuresti. In cele ce urmeaza, iata argumentele prezentate de specialistii care au realizat acest obiectiv. 

Articolul descrie conditiile de teren existente la data inceperii demolarii vechiului stadion si modul in care s-a creat un teren nou de fundare, imbunatatit prin compactare, astfel incat acesta sa suporte, in siguranta, solicitarile noii structuri a stadionului si in limitele unor deformatii acceptabile.

Se prezinta caracteristicile de rezistenta si deformatie ale terenului de fundare avute in vedere la proiectare, precum si cele determinate in timpul executiei.

Amplasamentul fostului Stadion National, si respectiv al actualei Arene Nationale, se afla pe o fosta groapa de cca. 8 m adancime, rezultata cu cca. 80 de ani in urma, atunci cand lutul de Bucuresti era exploatat pentru caramidarii, iar nisipul cu pietris de sub acesta, pentru lucrari de constructii. Cota terenului inconjurator este de cca. 77,0 m RMN.

Fostul Stadion National avea gradenele de b.a. turnate pe panta taluzului, acesta fiind inaltat la creasta cu cca. 7 m fata de terenul inconjurator; de asemenea, intre tribune si terenul de joc exista pista de atletism.

Actuala Arena Nationala are gradenele prefabricate, montate pe o structura de b.a., partial monolit, partial prefabricat. Totodata, gradenele existente pornesc din vecinatatea terenului de joc, renuntandu-se la pista de atletism.

La Tribuna 1 cota talpilor de fundare este 69,70 m RMN (-3,0 m), iar la Tribuna 2 si Peluze este 78,20 m RMN (+ 5,50 m), cota ± 0,0 fiind 72,70, respectiv cota terenului de joc. Fostul teren de joc avea cota 71,0.

Fata de situatia de mai sus si fata de cele constatate pe amplasament, s-a concluzionat:

• in zona inalta a gradenelor terenul de fundare este „bun“, el fiind consolidat timp de peste 50 de ani prin suprainaltarea taluzului peste sarcina geologica; in zona joasa a gradenelor si in zona pistelor de atletism, terenul de fundare este „slab“, el fiind descarcat de sarcina geologica;
• configuratia tribunelor si peluzelor este favorabila, in zona inalta a structurii de b.a. (cota maxima este +35,38 m) existand un teren bun de fundare, iar in zona joasa, unde este un teren slab de fundare, incarcarile sunt reduse;
• fata de cota ridicata de fundare la Tribuna 2 si Peluze, terenul a trebuit sa fie suprainaltat prin realizarea unei perne de pamant compactat, tema de proiectare fiind de a se utiliza, in cat mai mare masura, pamantul excavat de la Tribuna 1;
• fostele gradene erau fisurate si crapate, executate dintr-un beton slab, in consecinta fiind inlaturate;
• sub fostele gradene, umplutura executata predo­minant dintr-un pamant nisipos s-a afanat in timp, in urma siroirii apelor din precipitatii prin crapaturile existente si, drept urmare, aceasta a fost inlaturata.

La Tribuna 1, presiunile maxime transmise terenului de fundare au fost estimate prin Proiect la cca. 280 kPa, in gruparea fundamentala si la cca. 420 kPa, in gruparea speciala a incarcarilor. La Tribuna 2 si Peluze presiunile maxime transmise terenului de fundare au fost estimate prin Proiect la cca. 200 kPa, in gruparea fundamentala si la cca. 300 kPa, in gruparea speciala a incarcarilor.

CONDITII DE AMPLASAMENT SI SOLUTIA DE FUNDARE LA TRIBUNA l

Amplasamentul Tribunei 1 are o forma semi-eliptica in plan, cu o suprafata de cca. 145 (287) m x 59 m.

Conform Studiilor geotehnice realizate in zona stadionului, a rezultat urmatoarea stratificatie a terenului de fundare de pe amplasament:

• 84,4 (creasta fostelor tribune – peluze) … 77,0 (75,5) m – umpluturi de pamant compactat, coezive si uneori necoezive;
• 77,0 (75,5)… 72,7 (71,5) m – luturi de Bucuresti, in general plastic vartoase;
• 72,7(71,5) … 60,2 (60,4) m – nisipuri si nisipuri cu pietris de Colentina, mediu indesate – indesate, avand valori NSPT = 20 … 51 lov/30 cm, cu o lentila argiloasa de cca. 1 m grosime, in zona dintre fosta Tribuna 1 si terenul de joc, la cota de ~66,0 m;
• 63,0 (60,5) … 56,0 m (adancimea investigata) – argile intermediare, plastic vartoase, cu valori NSPT = 25-28 Iov/30 cm si Ic = 0,8 – 0,83.

Apa subterana a fost intalnita in foraje la cote de 69,2 m – 69,5 m, respectiv cu cca. 1,5 m sub cota
fostului teren de joc (71,0); nivelul apei poate oscila sezonier cu ± 1,0 m.

Fata de stratificatia de mai sus, luand in considerare ca nisipurile cu pietris de Colentina pot fi mediu indesate sau indesate, s-a optat pentru fundarea directa pe perna de balast (fig. 1) de 1,0 m grosime, deoarece aceasta are urmatoarele avantaje:

• mareste capacitatea portanta a terenului de fundare, in special sub talpa fundatiei unde actioneaza presiunea reactiva;
• uniformizeaza tasarile.

Grosimea pernei s-a ales din motive constructive, legat de necesitatea eliminarii in totalitate a umpluturilor heterogene improprii fundarii directe, cat si din necesitatea de a avea un strat uniform si compact sub talpa fundatiilor.

Pentru perna de balast de la Tribuna 1 s-a folosit balastul de Aricesti, care a fost gasit corespunzator, avand parametrii Proctor determinati de catre GTF Laborator Bucuresti: w_opt = 5,2%, g_dmax = 21,3 kN/m3.

Umiditatea optima de compactare a balastului din depozit s-a verificat zilnic, admitandu-se o variatie a acesteia in limitele (5,2 ± 1)%.

Determinarea curbei granulometrice si parametrilor Proctor s-a facut pentru fiecare transport nou de balast si ori de cate ori conducatorul tehnic al lucrarii constata ca materialul este diferit.

Verificarea umiditatii balastului pus in opera (in strat) s-a facut cel putin zilnic si dupa fiecare aport de precipitatii. In cazul unor ploi importante s-a intrerupt compactarea si s-a asteptat infiltrarea apei in teren; s-a reverificat umiditatea stratului.

Prin Proiectul de structura s-a adoptat fundarea pe radier general de beton armat (in zona centrala a Tribunei 1), combinat cu talpi din beton armat in zonele marginale (fig. 1).

Pregatirea terenului in vederea inceperii executiei pernei de balast compactat s-a facut conform Proiectului de sapatura intocmit de SC CONSILD (ing. Lazar Dorin).

Analizandu-se, dupa normativul C 29-77, elementele necesare pentru realizarea pernei de balast, a rezultat:

• grosimea necesara a pernei hp = 1,0 m (cu baza pernei la cota 68,7 si partea superioara la 69,7 m);
• densitatea in stare uscata, minima, a balastului de Aricesti compactat din corpul pernei, r_d > 2,05 t/m3;
• modulul de deformatie, minim, estimat al pernei de balast a fost E = 30.000 kPa;
• tasarile probabile (calculate) ale constructiei au fost de 1…3,5 cm, tinand cont de neomogenitatile terenului, de incarcarile diferite ale constructiei si mai ales de faptul ca forma fostului taluz a consolidat terenul de fundare pe jumatatea exterioara a viitoarei Tribune si mai putin sau deloc pe jumatatea interioara. Pentru redu­cerea acestor diferente de tasare s-a adoptat, la proiectarea pernei de balast, armarea cu 2 randuri de geogrile (fig. 1); geogrilele au rolul de a uniformiza in si mai mare masura tasarile si de a mari capacitatea portanta a terenului de fundare, acest lucru fiind foarte util in special la seism;
• geogrila a fost de tip PORNIT 30/30, avand nodurile tesute, cu o rezistenta la rupere de minimum 30 kN/m si o deformatie la rupere │8%; ochiurile retelei au fost de 4 cm;
• pentru perna de balast compactat s-a acceptat un grad de compactare D │96%, care satisface conditiile de rezistenta si deformatie ale pernei.

Grosimea stratului elementar de pamant afanat (initial) a fost in functie de cilindrul compactor folosit, astfel:

Grosimea stratului compactat a rezultat cu cca. 20% mai mic. SC APOLODOR a inceput executia pernei in aprilie 2008 cu 2 utilaje si 2 parcele succesive.

Din numarul de treceri de mai sus, jumatate s-au rea­lizat fara vibrare, iar jumatate cu vibrare.

Latimea zonei de garda (de extindere a pernei fata de perimetrul exterior al fundatiilor) a fost de 1,0 m (adica egala cu grosimea pernei).

Sapatura pe amplasament s-a executat cu taluz 3:2 in lutul de Bucuresti si 1:1 in nisip cu pietris de Colentina. Toate taluzurile s-au protejat, impotriva apelor de siroire, cu folie de plastic ancorata bine sus si jos.

Dupa realizarea, strat cu strat compactat, a pernei de balast si dupa receptia acesteia (pe baza rezultatelor probelor cerute prin Caietul de sarcini), s-a turnat  betonul de egalizare si apoi s-a cofrat, s-au armat si s-au betonat fundatiile, conform Proiectului de structura intocmit de SC CONSILD.

Deoarece pentru realizarea pernei s-a sapat cu 0,7 m – 0,9 m sub nivelul apei subterane, a fost necesar sa se execute un sistem de epuisment conform Proiectului de epuisment intocmit de SC INFRACON.

Umpluturile in jurul fundatiilor (precum si in jurul subsolurilor) s-au executat din pamant nisipos compactat (rezultat din sapatura de deasupra lutului de Bucuresti de la Tribuna 1), avand r_d │ l,70 t/mc.

Desi fundatiile pentru Tribuna 1 nu sunt in apa (NH = 69,4, cota talpa = 69,7), dar deoarece in timp este posibil ca nivelul apei sa mai urce cu 1 m – 1,5 m, atat pardoseala cat si peretii exteriori (ingropati) ai subsolurilor au fost hidroizolati; pardoseala a fost armata.

Dupa turnarea peretilor de subsol s-au montat reperii de masurare a tasarilor, conform Programului de urmarire in timp a constructiilor, intocmit prin Proiectul de structura.

CONDITII DE AMPLASAMENT SI SOLUTIA DE FUNDARE LA TRIBUNA 2 SI PELUZE

Amplasamentele Tribunei 2 si Peluzelor au, in plan, o forma cvasitrapezoidala (cu baza mare si baza mica curbilinii), dimensiunile fiind:

• Tribuna 2, baza mare 164 m, baza mica 116 m si inaltimea ~ 56 m;
• Peluzele, baza mare 146 m, baza mica 68 m si inaltimea ~ 56 m.

Conform Studiilor geotehnice realizate pe amplasament, a rezultat urmatoarea stratificatie a terenului de fundare:

• 84,4 (creasta actualelor tribune – peluze) … 77,0 (75,5 si 69,5 spre terenul de joc) m – umpluturi de pamant compactat, necoezive si uneori slab coezive;
• 77,0 (75,5) … 71,2 (71,6) m – luturi de Bucuresti, in general plastic vartoase (spre terenul de joc acestea lipsesc);
• 71,2 (71,6) … 63,0 (60,2) m – nisipuri si nisipuri cu pietris de Colentina, mediu indesate – indesate, avand valori NSPT = 22 … 50 lov/30 cm;
• 63,0 (60,2) … 56,0 m (adancimea investigata) – argile intermediare, plastic vartoase, cu valori NSPT = 25-28 Iov/30 cm si Ic = 0,8 – 0,83.

Apa subterana a fost intalnita in foraje la cote de 69,2 m – 69,5 m, respectiv cu cca. 1,5 m sub cota fostului teren de joc (71,0); nivelul apei poate oscila sezonier cu ± 1,0 m.

Fata de stratificatia de mai sus, luand in considerare ca terenul de fundare trebuia suprainaltat cu cca. 7,0 m si tinand cont de presiunile pe talpa, s-a optat pentru fundarea directa, partial pe lut de Bucuresti natural (spre exterior) si partial pe perna de pamant local (lut de Bucuresti) compactat pe cca. 7,0 m grosime (fig. 2), deoarece aceasta are urmatoarele avantaje:

• asigura capacitatea portanta a terenului de fundare;
• uniformizeaza tasarile, executia fiind controlata.

Lutul de Bucuresti folosit pentru executia pernelor la Tribuna 2 si Peluze a fost cel excavat de la Tribuna 1 (cf. Proiect sapatura intocmit de SC CONSILD).

Pentru lutul de Bucuresti caracteristicile Proctor de compactare au fost r_dmax = 1,7 t/m3 si W_opt = 18%. Umi­ditatea optima de compactare a Lutului de Bucuresti din depozit s-a verificat zilnic; s-a admis o variatie a acesteia in limitele (18 ± 1)%. Grosimea pernei s-a ales din motive constructive, legat de necesitatea inaltarii si nivelarii terenului la cota de fundare, cat si din necesitatea de a avea un strat uniform si compact sub talpa fundatiilor.

Prin Proiectul de structura s-a adoptat fundarea pe radier general de beton armat (in zona centrala a Tribunei 2 si Peluzelor), combinat cu talpi de beton armat in zonele marginale (fig. 2). Trasarea pe teren a pernelor de pamant la Peluza N, Peluza S si la Tribuna 2 s-a facut prin raportare la axele constructiilor; suprafata in plan a fost materializata pe teren prin tarusi. Planeitatea fundului sapaturii, precum si a suprafetei fiecarui strat compactat, s-a verificat topometric prin nivelment (un punct de masurare la fiecare 600 m2); s-au admis abateri fata de Proiect de ±2 cm.

Analizandu-se, dupa normativul C 29-77, elementele necesare pentru realizarea pernei de pamant, a rezultat:

• grosimea necesara a pernei hp ╗7,0 m (cu baza pernei la cota 70,85 si partea superioara la 78,2 m);
• densitatea in stare uscata, minima, a pamantului (lut de Bucuresti) compactat din corpul pernei, a fost r_d > 1,65 t/m3;
• modulul de deformatie, minim, estimat al pernei de pamant a fost E = 20.000 kPa [1; 2; 3];
• tasarile probabile (calculate) ale constructiei au fost de 2 cm … 5 cm, tinand cont de neomogenitatile terenului, de incarcarile diferite ale constructiei, si mai ales de faptul ca forma actualului taluz a consolidat terenul de fundare pe jumatatea exterioara a viitoarelor Tribuna 2 si Peluze si mai putin sau deloc pe jumatatea interioara. Pentru reducerea acestor diferente de tasare s-a adoptat, la proiectarea pernei de pamant, armarea cu 6 randuri de geogrile (fig. 3); geogrilele au rolul de a uniformiza, in si mai mare masura, tasarile si de a mari capacitatea portanta a terenului de fundare, acest lucru fiind foarte util in special la seism; totodata, geogrilele au rolul de a asigura coeziunea pamantului din perna, coezi­une care pentru pamantul remaniat dispare, refacandu-se in timp [4];
• geogrila a fost aceeasi ca mai sus;
• pentru perna de pamant compactat s-a acceptat un grad de compactare minim D │ 96% care satisface conditiile de rezistenta si deformatie ale pernei;
• caracteristicile de rezistenta pentru proiectare au fost: (j’ = 180, c’ = 15 kPa [1; 2; 3]; pentru lut ranforsat s-a considerat j’ = 200 si c’ = 20 kPa [3] [4].

Grosimea stratului elementar de pamant afanat (initial) va fi in functie de cilindrul compactor folosit, astfel:

Executia pernei a inceput in mai 2008. SC APOLODOR a lucrat cu 2 utilaje si pe 4 parcele succesive. Zona de garda s-a asigurat spre exterior, prin infratirea pernei cu terenul natural, iar spre interior prin panta taluzului.

Din numarul de treceri orientativ de mai sus, jumatate s-au realizat fara vibrare, iar jumatate cu vibrare.

Dupa realizarea, strat cu strat compactat, a pernei de pamant si dupa receptia acesteia (pe baza rezultatelor probelor cerute prin Caietul de sarcini), s-a turnat  betonul de egalizare si apoi s-au cofrat, s-au armat si s-au betonat fundatiile conform Proiectului de structura.

Fundul excavatiei s-a compactat cu 8-10 treceri ale cilindrului compactor.

Dupa turnarea fundatiilor s-au montat reperii de urmarire a tasarilor conform Programului de urmarire in timp a constructiilor intocmit prin Proiectul de structura.

VERIFICAREA TERENULUI DE FUNDARE. CONCLUZII

Tribuna 1

Verificarile pernei de balast, efectuate pe fiecare strat compactat, au condus la urmatoarele rezultate: a) densitati uscate: r_d = 2,15 … 2,23 t/m3 > 2,05 t/m3;

1. b) moduli de deformatie liniara determinati prin incarcari cu placa j600 mm:

Dupa o ploaie consistenta:

• pentru presiuni p = 0,2 – 0,3 Mpa : E = 310 – 450 daN/cm2; p = 0,3 – 0,4 Mpa : E = 320 – 460 daN/cm2

In conditii fara ploaie:

• pentru presiuni p = 0,2 – 0,3 Mpa : E = 820 – 930 daN/cm2; p = 0,3 – 0,4 Mpa : E = 720 – 850 daN/cm2

Tribuna 2 si Peluze

Verificarile pernei de lut de Bucuresti, efectuate pe fiecare strat compactat, au condus la urmatoarele rezultate (argila, argila prafoasa, praf argilos):

a) densitati uscate: r_d = 1,69 … 1,8 t/m3 > 1,65 t/m3;

b) indici de consistenta: Ic = 0,80 … 0,97;

c) moduli de deformatie liniara, determinati prin incercari cu placa j600 mm:
• strat peste geogrila: E_1-2 = 349 … 458 daN/cm2; E_2-3 = 280 … 312 daN/cm2; E_3-4 = 216 … 232 daN/cm2.
• f ara influenta geogrila: E_1-2 = 236 … 380 daN/cm2; E_2-3 = 202 … 285 daN/cm2; E_3-4 = 145 … 231 daN/cm2.

d) incercarile de permeabilitate pe probe prelevate din corpul pernei au condus la valorile:
• argila prafoasa: k = (1,01 … 5,31) x 10-6 cm/s
• argila prafoasa nisipoasa: k = 1,37 x 10-5 … 1,39 x 10-6 cm/s

e) caracteristici de rezistenta din incercari pe probe saturate: j’ = 16-180 si c’ = 15-22 kPa

f) efectuandu-se calculul la deformatii, a rezultat:

Tribuna 1

• p_pl = 2200 kPa
• tasari calculate pe baza incarcarilor pe placa, s_c = 1,0 … 2,8 cm
• tasari masurate, s_m = 1,4 … 2,0 cm (in iunie 2010 practic s-au amortizat).

Tribuna 2

• p_pl = 690 kPa
• tasari calculate pe baza incarcarilor pe placa, s_c = 1,5 … 4,0 cm
• tasari masurate, s_m = 1,5 … 3,5 cm (cf. masu­ra­torii din iunie 2011; in iunie 2012 a urmat o noua masu­ratoare).

8. g) folosindu-se programul de calcul Fine – Geo5 (Cehia) din dotarea SC CONSILD, s-a efectuat calculul stabilitatii taluzului pentru Tribuna 2 si Peluze, rezultand pentru sarcini statice un factor de siguranta FS = 2,7, iar pentru sarcini seismice FS = 1,58.
9. h) probele netulburate prelevate din corpul pernei de pamant au indicat valori ale gradului de saturatie crescand cu adancimea astfel: St = 0,62 la 1,0 m, St = 0,73 la 2,0 m, St = 0,85 la 3,0 m, St = 1,0 la 4,0 m si in continuare. Deci practic de la 4,0 m in jos pamantul din perna este saturat. Totusi, rosturile dintre gradene s-au etansat cu mastic special si in plus acestea au caneluri speciale de colectare a eventualelor infiltratii de apa, care vor fi conduse la canalizare.

BIBLIOGRAFIE

1. INCERC (1980) – Incercari efectuate pe teren natu­ral si consolidat. Corelatii privind rezultatele obtinute in laborator si pe teren si modul de utilizare in proiectare si executie, pentru pamanturi slab coezive (Ctr. 532/1980 – 4 faze), nepublicat;
2. INCERC (1991) – Experimentari in laborator de compresibilitate edometrica si triaxiala (sarcini statice) efectuate pe pamanturi slab coezive, nesaturate si saturate (Ctr. 258/1991-4 faze), nepublicat;
3. INCERC (1983) – Determinarea caracteristicilor de rezistenta si deformatie ale loessurilor consolidate prin
   procedee mecanice (Ctr. 10/1982 – 4 faze), nepublicat;
4. INCERC (1984) – Comportarea la solicitari statice si dinamice ale pamanturilor ranforsate. Experimentari de laborator si in poligonul INCERC (Ctr. 127/84 – 5 faze), nepublicat.

Autor:
Nicolae Raduinea – SC INFRACON SRL, Bucuresti 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 108 – octombrie 2014, pag. 38