Stabilitatea unui ecran de piloti. Analiza comparativa folosind programe moderne cu elemente finite

Articolul prezinta un studiu de caz privind stabilitatea unui ecran de piloti in zona Constanta. Alunecarea si cedarea acestui ecran de piloti ar putea produce pagube materiale si umane. De aceea este necesar ca situatia sa fie studiata cu atentie de specialistii din domeniile civil si geotehnic. Evaluarea stabilita­tii se face cu metode numerice prin utilizarea programelor: Midas GTS NX si Plaxis V8.2. Pentru o analiza cat mai corecta a stabilitatii sunt necesare mai multe metode si programe de calcul. 

Ecranul de piloti (Fig. 1) se afla in zona cuprinsa intre Bulevardul Ferdinand si strada Traian, intre blocurile A1 – A8, zona administrata de primaria municipiului Constanta.

Studiul urmareste evaluarea cladirilor existente in perimetrul investigat si a lucrarilor executate la Centrul Comercial WTC – Constanta, pentru a decide daca sunt necesare interventii structurale si ma­suri de consolidare ale obiectivului mentionat, precum si analiza influ­entei modificarilor asupra sigurantei zonei in cauza.

Conditii geotehnice – din foraje au fost prelevate probe de pamant tulburate si netulburate, care au fost analizate macroscopic si corelate cu analizele de laborator. Pe baza lor, stratigrafia amplasamentului (Fig. 2) poate fi descrisa astfel:

• stratul de umplutura neomogena, format din resturi de materiale de constructii (cara­mida, mortar, piatra, beton etc.) cu liant argilos. Acesta are o grosime variabila, de 1,0 m – 1,5 m, dezvoltandu-se in cele sase foraje F1 – F6, incepand cu cota maxima de +39,4 m si sfarsindu-se la cota minima de +36,9 m fata de NMN.
• pachetul loessoid, format din argile prafoase / prafuri argiloase, cafenii / cafenii – galbui, de la plastic consistente la plastic vartoase, pe alocuri cu oxizi de fier si concretiuni feromanganoase si carbonatice, cu fractiunea volumica de argila cuprinsa intre 5% – 41%, cea de praf intre 58% – 94% iar cea de nisip intre 0% si 7%, avand caracteristici fizico-mecanice prezentate in Tabelul 1.

Acest strat are o grosime cuprinsa intre 11,5 m – 14 m, dezvoltandu-se in foraje, incepand cu cota maxima de +38,4 m si sfarsindu-se la cota minima de +23,5 m fata de NMN.

• pachetul argilos, format din argila cenusiu-roscata, de la plastic vartoasa la plastic tare, cu oxizi de fier, pe alocuri cu concretiuni feromanganoase si carbonatice cu fractiunea volumica de argila cuprinsa intre 24% – 60%, cea de praf intre 39% – 75% iar cea de nisip intre 0% – 2%, avand caracteristicile fizico-mecanice prezentate in Tabelul 2.

Stratul are o grosime cuprinsa intre 1,5 m – 12 m, dezvoltandu-se in foraje incepand cu cota maxima de +26,4 m si sfarsindu-se la cota minima de +14,1 m fata de NMN.

CALCULUL STABILITATII ECRANULUI DE PILOTI FOLOSIND PROGRAMUL PLAXIS V8.2 CU METODA SRM

Tipul de analiza efectuat este metoda SRM (metoda reducerii parametrilor terenului). Legea de comportare a terenului este Mohr-Coulomb. Ancorele sunt definite folosind o combinatie intre do­ua elemente care apartin programului Plaxis, si anume ancora nod – nod si geogrid. Pilotii sunt modelati cu elemente de tip „plate”. Forma elementelor discretizari e triunghiulara [6].

Metoda reducerii consta in diminuarea rezistentei caracteristice a materialelor, cu un anumit factor de reducere, pana cand are loc pierderea stabilitatii structurii. Reciproca acestui factor de reducere este coeficientul de siguranta a structurii investigate. De obicei, programele pentru calculul coeficientului de siguranta cu ajutorul elementului finit au module separate pentru acest calcul [1].

In cazul calculului automat s-a utilizat programul PLAXIS. S-au folosit datele din studiul geotehnic elaborat in anul 2011, considerand pentru f si c valori minime [2].

Pentru blocurile din apropiere, A4, A5 si A6, s-au considerat incarcari de 180 kN/m2, iar pentru strada Traian, de 30 kN/m2. Calculele au fost efectuate in situatiile cu seism si fara seism.

Suprasarcina blocuri: 180 kN/mp, suprasarcina strada: 30 kN/mp, valori minime c si j.

REZULTATE OBTINUTE CU SOFTWARE-UL MIDAS GTS NX

Calculul cu programul Midas CTS NX este 2D. Analiza folosita este de tip „Plain Strain”. Discretizarea elementelor este de forma dreptunghiulara si triunghiulara. Ancorelele si pilotii sunt elemente ld, fiind discretizate pe lungime [3]. Legea de comportare a terenului este Mohr-Coulomb.

Astfel s-a obtinut un factor de siguranta F_s = 2,175 (Fig. 5) in grupare fundamentala si F_s = 1,50 (Fig. 6) in gruparea seismica.

Aceasta metoda consta in efectuarea, in prima faza, a analizei starii de tensiuni din taluz cu aju­torul metodei elementului finit. Apoi, aceste tensiuni calculate din taluz sunt folosite pentru calculul factorilor de siguranta asociati mai multor suprafete de alunecare, considerate pentru metoda echilibrului limita. Printre aceste cazuri se numara si cel mai defavorabil, impreuna cu suprafata de alunecare corespunzatoare [5].

Legea de comportare a terenului, pentru analiza tensiunilor din taluz, e Mohr-Coulomb, identica cu cea folosita in metoda echilibrului limita.

Pentru a se putea realiza e nevoie ca suprafata de alunecare sa fie definita de catre utilizator. Am definit aceasta suprafata de alunecare cu ajutorul metodei SRM.

Elementele modelului au aceleasi caracteristici ca si cele de la analiza tip SRM [4].

Dupa efectuarea analizei s-a obtinut un factor de siguranta F_s = 1,67 (Fig. 9), in gruparea fundamentala si 1,23 (Fig. 8), in gruparea seismica.

COMPARAREA REZULTATELOR INTRE METODA SRM SI SAM (MIDAS GTS)

Din Tabelul 3 se observa ca valorile factorilor de siguranta sunt apropiate, in ambele grupari variatia maxima fiind de 23%. Aceasta precizand faptul ca, atunci cand se doreste definirea stabilitatii masivelor de pamant, e recomandata folosirea ambelor metode [4].

Se observa, de asemenea, ca valorile obtinute cu metoda SAM sunt mai mici in ambele grupari. Aceasta se datoreaza faptului ca metoda SAM imbina elemente atat din metoda elemente­lor finite cat si din cele analitice (clasice).

COMPARAREA REZULTATELOR CELOR 2 PROGRAME DE CALCUL FOLOSIND METODA ELEMENTELOR FINITE SRM PLAXIS V8.2 SI MIDAS GTS NX

Din Tabelul 4 se constata ca variatia factorului de siguranta, atat in gruparea seismica, cat si in cea fundamentala, e sub 20%. O asemenea variatie e in domeniul de toleranta.

Se observa, de asemenea, ca folosind programul Plaxis obtinem valori mai mici decat cu Midas GTS metoda SRM, valori ce se apropie de cele obtinute cu Midas GTS metoda SAM.

MASURI DE PUNERE IN SIGURANTA A ZONEI

Varianta A. In conditiile de reluare a executiei, pentru continuarea si finalizarea lucrarilor la Complexul Comercial WTC – Constanta in termen cat mai scurt, cu prevederea unor solutii minime de asigurare a stabilitatii ecranului de piloti din apropierea strazii Traian si bulevardului Marinarilor.

Aceasta presupune:

• retensionarea tuturor ancorajelor actuale si executia suplimentara a cel putin 3 nivele de an­corare intre cele existente;
• decolmatarea, consolidarea si extinderea sistemului actual de drenare;
• mentinerea, in continuare, a inchiderii circulatiei autovehiculelor pe strada Traian.

Varianta B. Intreruperea lucrarilor pe o durata mai mare (1-2 ani) dar cu prevederea unor solutii
de interventie majore, in vederea punerii in siguranta a zonei dintre strazile Ferdinand si Traian, cat
si a lucrarilor efectuate la Complexul Comercial WTC – Constanta.

Varianta B1 – Ancoraje definitive

• Se impune reproiectarea si executia de ancoraje definitive ale ecranelor incintei de fundare de la WTC Constanta;
• Decolmatarea, consolidarea si extinderea sistemului actual de drenaj.

Varianta B2 – Umplerea incintei cu material drenant.

CONCLUZII
Pentru o cat mai buna evaluare a stabilitatii structurilor geotehnice e necesara folosirea cat mai mul­tor programe si metode disponibile. Se poate observa, de asemenea, ca in cazul analizei cu meto­da SAM, rezultatele sunt mai defavorabile.
Folosind programul Plaxis obtinem valori mai mici decat cu Midas GTS cu metoda SRM, valori ce se apropie de cele obtinute cu Midas GTS cu metoda SAM.
Rezultatele obtinute arata ca ecranul de piloti trebuie pus in siguranta. Acest lucru se poate indeplini prin doua variante: varianta temporara si varianta definitiva.

BIBLIOGRAFIE

1. Wei W.B., Y.M. Cheng, L. Li, Three-dimensional slope failure analysis by the strength reduction and limit equilibrium methods, Computers and Geotechnics, Volume 36, Issues 1-2, January-March 2009, Pages 70-80, ISSN 0266-352X, http://dx.doi.org /10.2016 /j.compgeo.2008.03.003;
2. Singeorzan, B., Vilceanu, C. – ., & Scarlat, C. A., (2012), Verifying the stability of a 28 m high pile – wall from an ex-
   cavation site using finite element method. Paper presented at the 12th International Multidisciplinary Scientific GeoConference and EXPO – Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection, SGEM 2012, vol. 2, pp. 347-354;
3. Zhang Ga Zhang Jian-min (Institute of Geotechnical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China), Experimental study on cyclic behavior of interface between soil and structure [J], Chinese Jounal of Geotechnical Engineering, 2004-02;
4. Singeorzan B., Contributii aduse la evaluarea rezistentei si stabilitatii fundatiilor incastrate elastic in teren si a incintelor de fundare. Teza de doctorat, Universitatea Politehnica Timisoara, 2016;
5. Manual de ultilizare Midas GTS NX (manual.midasuser.com);
6. Manual de utilizare Plaxis 2D, V8.2. 

Autori:
Beniamin Singeorzan,
Florin-Catalin Miron,
Marin Marin – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea Constructii, Departamentul CCTFC
Sabina R. Gugu – Universitatea din Oradea, Facultatea de Constructii si Cadastru, Departamentul de Constructii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 136 – mai 2017, pag. 36