Solutii moderne de fundare pe terenuri moi

Articolul prezinta un nou sistem de fundare, Geotextile Encased Columns (GEC), sistem utilizat pentru construirea unui dig pe un teren mlastinos.

Plecand de la metodele clasice de consolidare a terenurilor moi, cu coloane din beton sau piloti executati prin vibrocompactare sau piloti din nisip sau balast, s-a creat un sistem nou de fundare, oarecum neconventional la prima vedere, din coloane capsulate cu geotextile GEC, umplute cu nisip.

Spre deosebire de sistemele clasice, aceste coloane capsulate cu geotextile pot fi folosite pentru cresterea portantei in soluri foarte moi, de exemplu mlastini cu un coeficient C_u < 15 kN/m2.

O aplicatie deosebita a acestui sistem o constituie realizarea fundatiilor unui dig pe un teren foarte moale, in cadrul unei amenajari pe raul Elba, in zona orasului Hamburg, Germania.

Digul, in lungime de 2,4 km, a fost construit pentru a se recupera un teren in suprafata de 140 ha din lacul Mulenberger si a se amenaja pe el o platforma pentru ca fabrica de avioane din Hamburg – Finkenwerder sa isi poata dezvolta, aici, o noua linie de productie pentru noul Airbus 380.

Sistemul a mai fost folosit in amenajari pe raul Elba, prima data in anul 2001, de firma Josef Mobius Bau-Gesellschfat (GmbH&Co) din Hamburg, care detine brevetul de inventie pentru acest nou sistem de fundare. Coloanele de fundare ale digului au fost executate folosind un geotextil special, produs de firma germana Huesker Syntetic, iar proiectantul lucrarii a fost firma Kempfert+Partner Geotechnik.

CONDITII GEOTEHNICE. ELEMENTE DE PROIECTARE

Pentru a realiza umplutura este necesara inchiderea temporara a incintei cu un strat de nisip (cu cota de aproximativ 3,0 m deasupra nivelului marii) in conditii de plutire, din cauza prezentei apei. In lipsa coloanelor de nisip ar fi posibil sa apara probleme de stabilitate deoarece terenurile foarte moi s-ar putea deplasa, antrenate de curentii raului. Reamplasarea sau schimbarea configuratiei malului nu este permisa de organismele abilitate cu protectia mediului.

Proiectul initial de inchidere prevedea realizarea unui batardou temporar din palplanse pe o lungime de aproximativ 2,5 km, adancimile de infigere ajungand pana la 40 m cu ancoraje, batardoul urmand sa asigure protectia impotriva inundatiilor.

Proiectul ales in final utilizeaza GEC pentru consolidarea fundatiei digului de inchidere a incintei. Dupa executia sistemului de fundare, digul poate fi construit imediat, batardoul temporar din palplanse nemaifiind necesar. Rolul de inchidere a incintei este jucat chiar de corpul digului.

Fundatia necesara pentru dig s-a realizat cu cca. 60.000 coloane (sistem Mobius GEC) avand un diametru de 80 cm, care au fost executate pana la stratele cu portanta suficienta, situate la adancimi cuprinse intre 4 m si 14 m sub baza digului. Datorita sistemului de fundare GEC, digul a putut fi construit pe terenuri deosebit de moi, care admit eforturi tangentiale foarte mici si prezinta deformatii sub sarcina foarte mari. Timpul de executie al lucrarii a fost de aproximativ 9 luni.

Amplasamentul lucrarii se caracterizeaza prin existenta unui strat de mal, cu grosimea variind intre 8 m si 14 m si prin prezenta unor variatii mari de nivel, datorate mareelor ca au loc de doua ori pe zi. Din acest motiv, metodele conventionale de imbunatatire a terenului de fundare, cu piloti vibrocompactati sau cu piloti din balast, nu au putut fi aplicate, iar mutarea malului contaminat ar fi fost foarte costisitoare si in orice caz, nu ar fi fost permisa din motive de protectie a mediului si modificare a ecosistemului raului.

SISTEMUL GEC SI MODELUL DE CALCUL

Coloanele GEC sunt asezate in nodurile unei retele regulate. Diametrul coloanei si al geotextilului de capsulare sunt amandoua de 0,8 m. In mod obisnuit, distanta dintre axele coloanelor variaza intre 1,7 m si 2,4 m.

Extinzand teorii din MEF, pe baza conceptului celulei unitare, o coloana singulara poate fi considerata intr-o retea infinita de coloane. Sunt folosite notatiile Ac pentru suprafata coloanei si Ae pentru suprafata de influenta sub forma hexagonala a unei coloane intr-o retea triunghiulara, care poate fi transformata intr-un element circular avand o suprafata echivalenta. Figura 2 prezinta conceptul celulei unitare descris mai sus.

Spre deosebire de fundatiile cu coloane conventionale, GEC poate fi folosit ca o metoda de imbunatatire a terenurilor foarte moi, intrucat suportul radial este asigurat de geotextil. Coloanele actioneaza simultan si ca un dren vertical, dar efectul principal este de transmitere a incarcarilor spre strate cu capacitate portanta mai mare din adancime.

Pentru a suporta fortele mari de tensiune perimetrale, geotextilul de capsulare este produs fara cusaturi. Din cauza eforturilor verticale s_v,c aplicate pe capul coloanei, in coloana se produc eforturi orizontale s_h,c. De asemenea, exista presiunea orizontala a pamantului s_h,tot datorata eforturilor verticale s_v,s aplicate pe terenul moale, precum si sprijinului orizontal al capsularii. Astfel, apare o diferenta intre eforturile orizontale s_h,dif care provoaca o forta de intindere perimetrala in geotextilul de capsulare. Sprijinul orizontal depinde, de asemenea, de presiunea verticala aplicata pe terenul moale s_v,s, care poate fi mult mai mica. Se obtine, deci, o concentrare a eforturilor pe capul coloanei si o presiune verticala mai mica pe terenul moale, si prin urmare o reducere importanta a tasarii.

Pe baza procedurii obisnuite pentru calculul si dimensionarea coloanelor de pietris si nisip, s-a dezvoltat un model de calcul analitic, care ia in considerare geotextilul de capsulare (Raithel & Kempfert – 1999). Mai multe detalii sunt prezentate in Raithel (1999) si, de asemenea, in Raithel & Kempfert (2000).

REZULTATELE PROIECTULUI

Coloanele de fundare au fost capsulate cu geotextile tesute circular, fara cusatura pe verticala, tip Ringtrac®, fabricate din fibre de poliester. Pe baza modelului analitic de calcul descris mai sus si al calculelor aditionale efectuate prin metoda elementelor finite (MEF), s-au stabilit toate elementele necesare pentru definirea elementelor de proiectare, si anume:

1. Rigiditatea cofrajului din geotextil tesut Ringtrac® a fost cuprinsa intre 1.700 si 2.800 kN/m.
2. Valoarea maxima a rezistentei la rupere a geotextilului a variat in limitele (100…400) kN/m pe intreaga sectiune transversala a digului.
3. Lungimea coloanelor a fost in functie de adancimea terenului moale (malos) in lungul digului si a variat intre 4 m si 14 m.
4. Pentru acest proiect, raportul dintre suprafata coloanei Ac si suprafata de influenta Ae (Ac/Ae) a variat in limitele 10% si 20%.

In urma calculelor de stabilitate a rezultat necesitatea folosirii unui geocompozit cu o rezistenta mare la rupere, cuprinsa intre 500 si 1.000 kN/m, amplasat la baza digului, perpendicular pe axul central al digului, pentru a accelera construirea digului si a obtine un grad ridicat de stabilitate in stadiul initial de constructie.

A fost, de asemenea, necesar sa creasca stabilitatea, deoarece suprafata din spatele digului urma sa fie ridicata la o cota cu cca. 5 m pana la 8 m deasupra nivelului marii.

Factorul b (b = tasare fara GEC / tasare cu GEC) pentru pamantul imbunatatit are in terenurile maloase valori in limitele b = 2,5 pana la 4. Valori similare pentru factorul b al terenurilor imbunatatite s-au realizat in teste pe model.

EXECUTIA COLOANELOR CAPSULATE CU GEOTEXTILE

In mod obisnuit, exista doua metode de executie: metoda prin excavare, in care un tub deschis de otel este introdus in terenul natural iar continutul lui este schimbat prin metoda „gaurii de foraj” si metoda introducerii prin vibrare, mai economica si mai utilizata.

Un tub de otel cu doua clapete rabatabile la baza (care se inchid dupa contactul cu solul) este introdus in sol, prin vibrare, pana la stratele purtatoare, inlocuind terenul malos. Geotextilele de capsulare Ringtrac® sunt introduse in tub si umplute cu nisip. In acest stadiu, nisipul din coloana este destins (liber). Dupa extragerea coloanei de otel, tot prin vibrare, se obtine o coloana geotextila capsulata cu nisip, avand densitate medie.

Analizand ambele criterii, economic si ecologic, pentru proiectul Hamburg s-a folosit metoda inlocuirii prin vibrare. Totusi, adancimea terenului malos in lungul digului proiectat a variat in limitele 0,8 m si 2,5 m deasupra nivelului marii. Prin urmare, la instalarea criteriului de fundare GEC au fost utilizate metode de constructie diferite.

Majoritatea coloanelor au fost instalate folosind echipamente amplasate pe pontoane (110 x 11) m pentru a se adapta mai bine fluctuatiilor de nivel provocate de maree (3,5 m diferenta de nivel). La maree scazute, executia s-a facut cu pontoanele asezate direct pe sol. Dupa instalare, capetele coloanelor au fost stabilizate, umpland spatiul dintre coloane cu nisip. De retinut ca nu s-au observat eroziuni provocate de maree.

Dislocuirea solului moale are drept consecinta o ridicare a acestuia in interiorul si de jur imprejurul grilei de coloane. Umflarea a produs deformatii la suprafata grilei, asemanatoare celor produse de valuri. Umflarile au masurat aprox. (3… 8)% din adancimea coloanei. Aceste efecte au reprodus rezultatele obtinute pe modelele la scara Geduhn si altii (2001), realizate inainte de inceperea acestui proiect. Rezultatele masurate pe modelele la scara au fost direct validate de cele obtinute in acest amplasament.

Nu s-a inregistrat lichefierea solului moale, ca efect al operatiunilor de compactare. Masuratorile au aratat o crestere a efortului tangential in stare nedrenata pentru solul moale de jur imprejurul coloanelor.

Figura 5 prezinta rezultatul masuratorilor adancimii solului moale, inainte si imediat dupa instalarea coloanelor. S-a masurat o crestere de cca. 2 ori a efortului tangential in terenul moale care inconjoara coloanele, ceea ce arata efectul stabilizator aditional al metodei de instalare (a coloanelor).

MASURATORI

Din cauza conditiilor de sol diferite in lungul digului, au fost necesare 7 sectiuni transversale pentru masuratori.

Intr-o sectiune transversala tip pentru masuratori s-au amplasat 4 grupe cu o celula pentru masurarea presiunii pamantului, o celula pentru masurarea presiunii apei deasupra stratului de sol moale, precum si doua piezometre in solul moale. In fiecare sectiune transversala s-au folosit un inclinometru orizontal si doua inclinometre verticale, pentru inregistrarea deformatiilor.

Masuratorile au aratat ca imbunatatirea conditiilor reale de sol a depasit estimarile din documentele de ofertare, in special cu privire la efectul de consolidare.

Datorita eficientei ridicate a sistemului de fundare, digul, cu o inaltime de 7 m, s-a putut executa in doar 9 luni. Ca urmare, dupa 39 de saptamani, s-a putut atinge inaltimea de siguranta necesara in raport cu nivelul apei. In figura 6 sunt prezentate valorile masurate ale tasarii in sectiunea VI a digului.

CONCLUZII

Suprafata, apartinand fabricii de avioane din Hamburg-Finkenwerder, va fi marita cu cca. 140 ha pentru dezvoltarea unor noi linii de productie, in speta pentru producerea unui nou Airbus A 380. Suprafata necesara extinderii este amplasata in lacul „Muhlenberger Loch”, in vecinatatea laturii vestice a fabricii. Extinderea suprafetei se obtine prin realizarea unui polder in lac cu un dig de cca. 2,4 km lungime.

Fundatia digului s-a executat cu 60.000 de coloane capsulate cu geotextile (sistemul M6-bius GEC), avand un diametru de 80 cm, care au fost scufundate pana la stratele cu portanta mai mare, situate la adancime variabila in limitele 4 m pana la 14 m sub fundatia digului.

Datorita sistemului de fundare GEC digul s-a putut construi, in doar 9 luni, pe un teren foarte slab, caracterizat de eforturi tangentiale admisibile foarte mici si potential mare de deformabilitate, la care nu s-au putut folosi solutii clasice de consolidare din cauza costurilor ridicate.

BIBLIOGRAFIE

1. Rheithel, M & Kempfert, H-G, 1999, Bemesseung von Geokunststofrummantelten Sandsäulen. Bautechnik 76 Heft 11:983-991;
2. Raithel, M., 1999, Zum Trag und Verformumngsverhalten von Geokunststoffummantelten Sandsäulen Schriftreihe Geotechnik. Universität Kassel. Heft 6 Kassel;
3. Raithel, M & Kempfert H.-G, 2000, Calculation Models for Dam Foundation with Geotextile Coated Sand Columns. Proc. International Conference on Geotechnical Engineering Geo Eng., 2000, Melburne;
4. Kempfert, H.-G et al., 1999, Tests for Analysis of the Bearing and Deformation Behaviour of Column Foundations;
5. Geduhn M. et al., 2001, Practical Aspects of the Design of Deep Geotextile Coated Sand Columns for the Foundation of a Dike on Very Soft Soils. 

Autori:
Reithel – Kempfert, H.-G. Kempfert, A. Kirschner – Huesker Synthetic GmbH Germania, reprezentata in Romania de Stefi Primex SRL 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 134 – martie 2017, pag. 32