Influenta metodelor de prelevare asupra parametrilor specifici ai pamanturilor sensibile la umezire

Realizarea in Romania a unui numar mare de centrale electrice eoliene, cu turnuri avand inaltimi de peste 100 m, fundate pe pamanturi sensibile la umezire, impune realizarea de studii geotehnice care sa evidentieze, in mod adecvat, particularitatile comportamentului mecanic al acestui tip de pamant.

Prezentam, prin intermediul unui studiu comparativ, in ce masura metodele de investigare in amplasament influenteaza calitatea esantioanelor netulburate de loess si rezultatele incercarilor de laborator pe acestea. Sunt analizate rezultatele de laborator provenind din esantioane recoltate in prelevatoare si sub forma de monoliti.

In cazul cresterii umiditatii in teren, fenomen al carui risc de aparitie nu poate fi eliminat in timpul executiei si pe perioada de exploa­tare a constructiilor, loessul sufera tasari suplimentare importante, atat sub efectul presiunii geologice, cat si al incarcarii suplimentare aduse de constructii. [1]

Deosebit de importanta, pentru efectuarea calculelor de tasare, este calitatea esantioanelor netulburate, recoltate in cadrul lucrarilor de investigare geotehnica, de care depind hotarator rezultatele incercarilor de laborator specifice pamanturilor sensibile la umezire. Dispozitivele de recoltare in prelevatoare utilizate pentru pamanturile coezive obisnuite (argile, prafuri, maluri etc.) produc o indesare pronuntata a pamanturilor loessoide macroporice si conduc, implicit, la subevaluarea tasarii la umezire.

Cadrul oferit de numarul mare de studii geotehnice, realizate in ultima perioada pentru centrale eoliene amplasate in zone unde terenul de fundare este alcatuit din loess de grosimi variabile, depasind local chiar si 30 m, a permis studierea mai multor metode de prelevare a esantioanelor netulburate, prin prisma rezultatelor incercarilor mecanice de laborator geotehnic si, in special, a incercarilor de compresiune edometrica.

Loess-ul este o roca sedimentara detritica, predominant prafoasa, friabila, cu porozitate mare, neconsolidata sau slab consolidata, de culoare galbuie pana la brun-galbuie, care acopera peste 17% din teritoriul Romaniei. Din punct de vedere mineralogic, este specifica prezenta carbonatilor, predominant de calciu, existand insa si loess lipsit de carbonati. Loess-ul este permeabil, apele de infiltratii determinand procese de sufoziune care conduc la tasare si la formarea crovurilor. [2]

Granulometric, pamanturile sensibile la umezire, sau, pe scurt, P.S.U. se impart in:

• loess argilos – cu textura fina avand un continut de argila de aproximativ 25-30%;
• loess nisipos – cu textura mai grosiera, avand un continut de argila de aproximativ 10-15%;
• loess tipic – cu textura mijlocie, avand un continut de argila de aproximativ 15-25%.

In figura 1 se prezinta amplasarea zonelor studiate pe harta pamanturilor macroporice.

Nu s-a considerat necesara reluarea, in cadrul prezentului studiu, a criteriilor privind identificarea, incadrarea si clasificarea P.S.U. aceste elemente fiind descrise, pe larg, in normativul privind fundarea constructiilor pe pamanturi sensibile la umezire, indicativ NP 125:2010 si in literatura tehnica de specialitate. Este necesar a se preciza, totusi, ca pentru selectarea esantioanelor de loess in cadrul studiilor comparative realizate,  au fost luate in considerare criteriile de identificare privind umiditatea naturala, indicele de plasticitate si distributia granulometrica. Principiul de incadrare a P.S.U. in functie de porozitate nu a constituit un criteriu de excludere, acesta fiind chiar parametrul investigat in cadrul prezentei analize.

Comportamentul mecanic al pamanturilor sensibile la umezire depinde de o serie de factori, dintre care cei mai importanti sunt: distributia granulometrica, umiditatea naturala, compozitia chimica, istoria geologica a amplasamentului si porozitatea. Acest din urma factor este cel care influenteaza in mod decisiv rezultatele de laborator obtinute pe probele de pamant sensibil la umezire, fiind, in acelasi timp, singurul parametru dintre cei enumerati care poate fi afectat de prelevare. Astfel, prin intermediul unor studii comparative in termeni de porozitate initiala si tasare suplimentara la umezire sub treapta de 300 kPa (im300), se analizeaza influenta metodelor de prelevare asupra parametrilor specifici ai pamanturilor sensibile la umezire.

SISTEMELE DE PRELEVARE ANALIZATE

Informatii generale

Sunt analizate si comparate rezultatele de laborator obtinute pe esantioane netulburate de pamant sensibil la umezire prelevate prin urmatoarele metode:

• prelevarea prin decupare manuala de probe monolit, considerate etalon in cadrul studiilor realizate;
• prelevator tip Shelby, avand 60 cm lungime, diametrul interior de 101,9 mm si grosimea peretelui 2 mm;
• prelevator tip Shelby, avand 40 cm lungime, dia­metrul interior de 101,9 mm si grosimea peretelui 2 mm;
• prelevator clasic cu retragere din otel, avand 45 cm lungime, diametrul interior de 123 mm si grosimea peretelui 3 mm;
• prelevator metalic avand 30 cm lungime, diametrul interior de 94 mm, grosimea peretelui 1 mm, prevazut cu „liner“ din PVC de 2 mm grosime;
• prelevator din inox avand 40 cm lungime, diametrul interior de 101,9 mm, grosimea peretelui 2 mm si retragere 0,5 mm, realizat conform cerintelor ASTM D 1587 [3].

Pentru fiecare sistem de prelevare sunt calculati indicii de suprafata (Ca) si de degajare interioara (Ci) conform SR EN ISO 22475-1 :2007 [4]:

Recoltarea esantioanelor din sondaje deschise

Monolitii in forma de cub sau paralelipiped cu latura de aproximativ 20 cm au fost obtinuti prin decupare manuala din masiv, din santuri in trepte. Santurile au avut adancimea maxima de 3 m, cu prelevare de monoliti de la 1 m, 2 m si 3 m. Au fost luate masuri in vederea izolarii suprafetei monolitului pentru conservarea umi­ditatii sale naturale.

Pentru transport, monolitii au fost introdusi in cutii rigide, spatiul intre proba si peretii cutiei fiind umplut ferm cu pamant.

Trebuie remarcat faptul ca, in practica, nu se pot obtine probe absolut netulburate din punct de vedere teoretic, deoarece insasi operatiile de executie a sondajului si de prelevare prin degajare provoaca modificari ale starii de eforturi in masivul de pamant din care se realizeaza prelevarea. S-a convenit, insa, a se considera drept netulburate esantioanele de pamant pentru care efectele perturbatoare datorate executiei sondajului si recoltarii propriu-zise au fost reduse la minimum. [5]

Prelevator tip Shelby 60 cm lungime, prelevator tip Shelby 40 cm lungime

Prelevatorul are grosimea peretilor de 2 mm si este prevazut cu cutit taietor; in schimb, nu prezinta retragere interioara (D1 = D3). Prelevatoarele Shelby se prezinta sub o mare varietate de lungimi si diametre. Pentru prezentul studiu, au fost folosite prelevatoare cu diametrul interior (D3) de 101,6 mm si lungimi de 60 cm, respectiv 40 cm (fig. 2). Prelevatoarele Shelby au fost introduse in teren prin presare.

Prelevator clasic cu retragere din otel, avand 45 cm lungime, diametrul interior de 123 mm si grosimea peretelui 3 mm

Prelevatorul are grosimea peretilor de 3 mm, este prevazut cu cutit taietor, prezinta o retragere interioara de 1 mm si are o lungime de 45 cm (fig. 3).

Acest prelevator a fost si este inca folosit pe scara larga in tara noastra pentru toate tipurile de pamanturi coezive. In cadrul lucrarilor de foraj considerate in prezenta lucrare, prelevatorul a fost introdus in teren prin presare.

Prelevator metalic avand 1 mm grosime cu „ liner“ din PVC de 2 mm grosime

Prelevatorul este format dintr-o piesa exterioara meta­lica de 1 mm grosime (diametru interior D3’=94 mm) si „liner“ interior din PVC cu grosimea de 2 mm. „Linerul“ sprijina, la partea inferioara, pe cutitul piesei exterioare metalice, formand impreuna cu aceasta un sistem fix (fig. 4).

Dupa prelevare, linerul din PVC se extrage din stutul exterior metalic si se parafineaza. Avantajul principal al acestui sistem este acela ca, in laborator, proba este extrasa din liner prin taierea acestuia pe generatoare, evitandu-se astfel riscul indesarii suplimentare a probei prin extragerea in presa.

Dezavantajele sunt reprezentate de absenta retragerii interioare, astfel D1 = D3, indicele de degajare interioara fiind egal cu zero, si grosimea relativ mare a peretelui sistemului (3 mm) raportata la diametrul sau interior. Datorita diametrului inte­rior relativ mic, lungimea de prelevare a trebuit limitata la circa 25 cm, pentru a evita mobilizarea unei frecari prea mari intre pamant si peretii linerului, care ar produce indesarea esantioanelor.

Prelevator inox, grosime perete 2 mm si retragere 0,5 mm, realizat pe baza cerintelor ASTM D 1587

Acest prelevator a fost conceput de autori si confec­tionat special pentru prelevarea esantioanelor de loess in foraje pe baza cerintelor pentru prelevatoare cu pereti subtiri ASTM D 1587. Pana in prezent, prelevatorul a fost testat pe un numar restrans de amplasamente facand parte din Parcul Eolian 4. Prezentam in figurile 6 si 7 fotografii ale sistemului de prelevare descris mai sus.

STUDIU COMPARATIV AL REZULTATELOR METODELOR DE PRELEVARE

In vederea evaluarii gradului de remaniere suferit de esantioanele de loess in timpul prelevarii in amplasament, s-a realizat un studiu comparativ pe mai multe locatii de parcuri eoliene situate in zona Dobogea si in judetul Galati.

Valorile obtinute din incercarile de laborator au fost selectate in baza cerintelor NP 125:2010 pentru inca­drarea P.S.U. Criteriul de porozitate n > 40% nu a fost luat in considerare, avand in vedere cele prezentate in continuare.

Pentru o cuantificare generala a rezultatelor si evidentierea clara a diferentelor intre metodele de prelevare, este prezentata variatia valorilor porozitatii si sensibilitatii la umezire cu adancimea, iar medierea rezultatelor s-a realizat cu aceeasi pondere pentru toate valorile obtinute pentru stratul de loess, independent de adancime.

Parc Eolian 1

In graficele din figurile 8 si 9 este redata comparatia intre rezultatele de laborator obtinute pentru esantioane recoltate in prelevatorul tip Shelby avand 60 cm lungime si monoliti, in termeni de porozitate si sensibilitate la umezire pentru intregul parc eolian (toate amplasamentele investigate).

Porozitatile foarte mici, necaracteristice loessului, determinate in laborator pe esantioanele recoltate in prelevatorul Shelby de 60 cm, au demonstrat o evidenta indesare a probelor. Dat fiind faptul ca acest tip de pre­levator nu este prevazut cu retragere interioara, indesarea esantioanelor se produce ca urmare a mobilizarii frecarii intre pamant si peretii laterali ai prelevatorului pe intreaga lungime a acestuia, atat la recoltare cat si la extragerea acestora in laborator.

Dupa cum se poate observa din graficele prezentate, exista diferente marcante intre cele doua metode de prelevare analizate. Remanierea probelor prin recoltare in prelevatoare Shelby de 60 cm este evidenta si se cuantifica in diferente de porozitate fata de probele monolit cuprinse intre 8,3% si 13,3%, iar in termeni de sensibilitate la umezire diferentele sunt cuprinse intre 6,2% si 9,5%.

Parc Eolian 2

Pentru acest parc eolian au fost folosite doua dintre metodele de prelevare prezentate, si anume prelevatorul Shelby de 40 cm lungime si prelevatorul clasic (fig. 10, 11).

Desi sensibilitatile la umezire determinate pentru parcul eolian 2 prezinta valori mici, si pentru acest amplasament au fost inregistrate diferente intre metodele de prelevare. Diferenta intre media valorilor obtinute pentru pre­levatoarele Shelby de 40 cm si prelevatoarele clasice este de pana la 1%. Cu toate acestea, media sensibi­litatii la umezire pentru prelevatoarele clasice aflandu-se sub limita de 2%, ar putea avea implicatii majore in procesul de proiectare, conducand la alegerea eronata a solutiei de fundare directa.

In ciuda caracteristicilor geometrice favorabile ale acestor prelevatoare, se remarca in primul rand dispersia foarte mare a rezultatelor obtinute. Aceasta se datoreaza calitatii inferioare a esantioanelor, cauzata, cel mai probabil, de faptul ca nu au fost respectate, in permanenta, cerintele privind mentinerea cutitului ascutit, a prelevatorului curat si neruginit, lubrifierea acestuia si monitorizarea lungimii de avansare.

Trebuie remarcat ca monitorizarea atenta a lungimii de avansare a prelevatorului este deosebit de importanta, deoarece s-a dovedit ca adesea, in cadrul investigatiilor geotehnice in situ, aceasta nu este atent urmarita, uneori avansarea garniturii de foraj depasind chiar lungimea prelevatorului. Efectul de indesare astfel rezultat este de neacceptat pentru o prelevare corecta a esantioanelor netulburate.

Se precizeaza ca in fazele urmatoare de investigare geotehnica pentru definitivarea proiectarii acestui parc eolian, vor fi recoltate atat esantioane in prelevatorul ASTM, cat si probe monolit, rezultatele acestor investigatii facand obiectul unor comunicari viitoare.

Parc Eolian 3

Pentru parcul eolian 3 sunt prezentate in figurile 12 si 13 comparatii intre rezultatele de laborator obtinute pentru esantioane prelevate in prelevatoare Shelby 60 cm, Shelby 40 cm, prelevatoare clasice, prelevatoare cu liner si probe monolit. Dimensiunile mari ale acestui parc eolian au facut posibil studiul in paralel al tuturor metodelor de prelevare descrise mai sus pentru un teren de fundare cu proprietati similare. Data fiind situatia expusa, comparatiile au fost realizate la nivelul intregului parc eolian prin medierea valorilor obtinute pentru toate amplasamentele si nu pentru o locatie specifica.

Prelucrarea statistica a datelor obtinute pe seriile de rezultate a aratat diferente mici (nesemnificative) ale va­lorilor umiditatii si indicelui de plasticitate, ceea ce a condus la concluzia ca loess-ul din zona parcului eolian 3 prezinta proprietati fizico-chimice similare pe tot amplasamentul.

Pana la data redactarii prezentei lucrari, nu au fost disponibile rezultate obtinute pe esantioane recoltate in prelevatoarele confectionate pe baza cerintelor ASTM, in schimb acestea sunt in curs de realizare si vor fi prezentate in cadrul unor comunicari viitoare.

Au fost analizate rezultatele obtinute din incercari edometrice duble (pe probe la umiditatea naturala si probe inundate initial) si din incercari inundate la treapta de 300 kPa.

Si in acest caz, se pot observa diferente marcante ale porozitatii cat si ale sensibilitatii la umezire intre esantioanele prelevate din foraj si cele prelevate din sondaje deschise, sub forma de monoliti.

Se precizeaza ca, pentru unele dintre esantioanele prelevate cu prelevatorul Shelby 60 cm, pentru care s-au realizat incercari edometrice duble, probele supuse inundarii initiale au prezentat umflare in conditiile unui continut de argila injur de 25 – 30% (pu = 10…25 kPa). Nu a fost observat acelasi comportament in cazul incercarilor duble in edometru pentru probele prelevate din monoliti. Acest aspect conduce la concluzia ca umflarea probelor se datoreaza remanierii la prelevare si ca sensibilitatea la umezire obtinuta pe esantioane prelevate din foraj are valori reale mai mari decat cele inregistrate.

Parc Eolian 4

In urma studierii sistemelor de prelevare cunoscute autorilor ca fiind utilizate pana in acest moment in Romania, care adesea au provocat remanierea excesiva a esan­tioanelor de loess, pentru lucrarile proprii s-a introdus prelevatorul conceput pe baza cerintelor ASTM, care a inregistrat rezultatele prezentate in figurile 14 si 15.

Pentru parcul eolian 4, atat prelevatorul ASTM, cat si prelevatorul cu liner au fost introduse in teren prin batere.

Pe esantioanele extrase din liner, in laborator au fost observate fisuri orizontale care se presupune ca sunt datorate modului de introducere in teren a prelevatorului. Aceste fisuri orizontale se presupun a fi explicatia cea mai plauzibila a faptului ca, pentru unele probe, porozitatile inregistrate pe esantioane prelevate din foraj au avut valori mai ridicate decat cele inregistrate pe monoliti. Desi porozitatile esantioanelor din prelevatorul cu liner sunt uneori mai ridicate decat cele ale monolitilor, sensibilitatea la umezire este mai redusa, acest comportament fiind pus pe seama unei usoare remanieri suferite la prelevarea in liner. O alta cauza probabila este posibila remaniere suferita de esantioane in timpul transportului din amplasament in laboratorul geotehnic din cauza materialului plastic usor deformabil din care este fabricat linerul.

Pentru investigatiile geotehnice in curs de realizare, prelevatorul ASTM se introduce prin presare, aceasta metoda de prelevare fiind considerata a produce o remaniere mai redusa decat metoda prin batere si asi­gurand un control mai exact al lungimii de inaintare.

CUANTIFICAREA INFLUENTEI POROZITATII ASUPRA TASARII SUPLIMENTARE LA UMEZIRE

Graficele prezentate in cadrul capitolului anterior evidentiaza pentru toate amplasamentele diferente intre cele sase metode de prelevare analizate. Diferentele observate pentru amplasamentele studiate au fost influentate atat de proprietatile loessului investigat cat si de conditiile de prelevare.

Prezentam in figurile 16 si 17 graficele de variatie a sensibilitatii la umezire cu porozitatea pentru toate ampla­samentele analizate atat pentru monoliti cat si pentru esantioanele recoltate in prelevatoare.

Pentru esantioanele sub forma de monolit nu este pusa in evidenta dependenta sensibilitatii la umezire de porozitate, deoarece intervalul de variatie a porozitatilor este restrans, diferentele de sensibilitate la umezire fiind puse mai degraba pe seama variatiilor de chimism intre amplasamentele analizate.

Pentru esantioanele prelevate din foraje se observa ca in intervalul de porozitate 35 – 40%, nespecific loessului, dar provocat de indesarea probelor prin prelevare, nu este pusa in evidenta dependenta fireasca de poro­zitate a sensibilitatii la umezire.

Pentru intervalul de porozitate 40% – 55%, tendinta graficului devine insa usor de urmarit, si anume, se evidentiaza cresterea sensibilitatii la umezire direct proportional cu cea a valorilor porozitatii. Astfel se dovedeste inca o data faptul ca sensibilitatea la umezire este influentata de porozitatea probelor.

CONCLUZII

S-a observat ca metoda de prelevare care asigura remanierea minima este recoltarea de monoliti. Datorita faptului ca pentru aceasta metoda adancimea de investigare este limitata la numai cativa metri, realizarea de foraje geotehnice care sa investigheze stratul de loess pe intreaga adancime este implicit necesara.

Efectele nedorite de indesare provocate de prelevarea in foraj pot fi diminuate daca prin tema de investigatii geotehnice sunt prevazute masuri specifice evitarii remanierii esantioanelor. S-a dovedit util ca implementarea cerintelor formulate prin tema de investigatii sa fie asigurata prin asistarea lucrarilor de catre un inginer geotehnician cu experienta, care sa nu fie in acelasi timp responsabil si de productie.

Din experienta acumulata pana in prezent in realizarea de studii geotehnice pentru parcuri eoliene de mari dimensiuni amplasate pe P.S.U., in cele ce urmeaza se specifica masurile care pot asigura calitatea superioara a probelor de loess prelevate.

Forarea trebuie realizata in sistem uscat (fara circulatie de fluid de foraj).

Se recomanda utilizarea prelevatoarelor cu pereti subtiri (<2 mm), avand lungimi de prelevare de maximum 40 cm si diametre mai mari sau egale cu 100 mm, introduse in teren prin presare.

Pentru reducerea frecarii dintre esantion si peretii interiori ai prelevatorului, acestea trebuie sa fie prevazute cu o retragere interioara de 0,5 pana la maximum 1 mm. O retragere mai mare de 1 mm poate conduce la un grad de detensionare nedorit al esantionului sau la pierderea de material din prelevator la extragerea din gaura de foraj.

Pentru reducerea frecarii dintre peretii interiori ai pre­levatorului si esantion, este necesara ungerea acestuia cu lubrifiant biodegradabil.

Avansarea prelevatorului in teren trebuie atent supravegheata. Lungimea de patrundere nu trebuie sa depaseasca 90% din lungimea prelevatorului pentru a evita indesarea probei.

Prelevatoarele trebuie sa fie curate si netede, fara proeminente sau neregularitati care pot sa provoace remanierea esantionului. Cutitul taietor al prelevatorului trebuie mentinut ascutit in permanenta.

Dupa infigerea prelevatorului pana la adancimea dorita, trebuie sa se astepte 5-10 minute pentru crearea aderentei pamantului pe peretii interiori ai prelevatorului.

Data fiind dispersia mare a rezultatelor, apare absolut necesara prelevarea de probe netulburate sub forma de monoliti din cate un sondaj deschis realizat pentru fiecare grup de foraje pentru corelarea rezultatelor obtinute.

A fost demonstrat ca efectul de remaniere a esantioanelor prin indesare creste odata cu lungimea prelevatorului, in special in conditiile inexistentei unei retrageri interioare. De asemenea, s-a pus in evidenta ca nerespectarea cerintelor privind mentinerea cutitului taietor ascutit, controlul strict al lungimii de patrundere, lubrifierea prelevatorului si mentinerea acestuia curat, a influentat parametrii specifici ai P.S.U. in mod defavorabil, afectand bazele proiectarii geotehnice.

Dintre prelevatoarele folosite pe scara larga pana in prezent in Romania, gradul de tulburare cel mai redus a fost obtinut pentru prelevatoarele de tip Shelby avand lungimea de 40 cm, in conditiile controlului strict al lungimii de avansare si ungerii prelevatoarelor cu lubrifianti.

Sistemele de prelevare cunoscute autorilor ca fiind utilizate pana in acest moment in tara noastra, au provocat adesea remanierea excesiva a esantioanelor de loess cu implicatii directe in afectarea valorilor tasarii specifice suplimentare la umezire, sporind astfel riscul in proiectarea geotehnica. Societatea SAIDEL Engineering SRL a conceput si introdus pentru lucrarile proprii un prelevator pe baza cerintelor ASTM (fig. 5), care a inre­gistrat primele rezultate favorabile. Acesta este in continuare folosit de autori pentru obtinerea unei prelevari de clasa A in pamanturi sensibile la umezire, confirmarea primelor rezultate disponibile pentru prezentul articol fiind asteptata in publicatiile viitoare.

BIBLIOGRAFIE

1. Saidel T., Butulescu G., Raileanu L, Marcu D., Coman M., Badea L, Bita M., Marcu A., 2011. Particularitatile calculului structurilor din beton armat ale centralelor eoliene in conditii dificile de fundare si seismice. A XXI-a Conferinta Nationala AICPS, Review AICPS 1-2/2011;
2. NP 125:2010, Normativ privind fundarea construc­tiilor pe pamanturi sensibile la umezire;
3. ASTM D 1587-00, Standard practice for Thin-Walled Tube Sampling of Soils for Geotechnical purposes;
4. SR EN ISO 22475-1:2007, Investigatii si incercari geotehnice. Metode de prelevare si masurari ale apei subterane. Partea 1: Principii tehnice pentru executie;
5. Marcu A., Cercetarea terenului de fundare si determinarea caracteristicilor geotehnice de calcul, Institutul de Constructii Bucuresti, 1983;
6. Marcu A., Stoica R., 1998. Particularities of geotechnical investigation on loessial soils. Proceedings of the International Conference on Site Characterization, Atlanta, Georgia, U.S.A. (1998), 381-385.A.A. Balkema.

Autori:
ing. Georgiana Butulescu,
ing. Tudor Saidel  – SC SAIDEL ENGINEERING SRL

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 113 – aprilie 2015, pag. 20