Corelatia intre testarea statica si testarea dinamica pe piloti prefabricati batuti

In acest articol se prezinta o modalitate noua de testare a pilotilor si se descriu rezultatele obtinute in urma testarii statice si dinamice efectuate asupra unor piloti prefabricati, introdusi in teren prin batere, in cadrul unui proiect industrial avand ca locatie portul din Barcelona, Spania. Se face o comparatie intre rezultatele obtinute in urma testarii statice si cele dinamice pentru a valida viabilitatea acestei metode in determinarea capacitatii portante a pilotilor. Informatiile in urma testarii dinamice au fost obtinute „in-situ” cu ajutorul dispozitivului PDA (Pile Driving Analyzer) si interpretate in laborator prin intermediul programului CAPWAP (CAse Pile Wave Analysis Program). In timpul testarii au fost analizate atat caracteristicile terenului, cat si cele legate de procesul de batere. In urma corelarii dintre cele doua metode de testare, a rezultat atat importanta respectarii timpului de refacere a terenului, cat si importanta achizitiei datelor, procesarii acestora si interpretarii lor.

Pilotii batuti reprezinta una dintre cele mai vechi metode de fundare indirecta. Odata cu dezvoltarea industriala, a crescut si interesul asupra optimizarii fundatiilor, in termeni de materiale utilizate, numar, caracteristici geometrice. Astfel, inginerii au incercat sa gaseasca metode rationale, prin observatii din teren, pentru determinarea capacitatii portante a pilotilor. Au aparut primele relatii de calcul, sub forma de formule empirice, care au la baza energia cinetica dezvoltata de dispozitivul de batere (ciocan), raportata la rezistenta pilotului in timp ce penetreaza terenul. Aceste formule poarta denumirea de formule dinamice si reprezinta prima metoda de determinare a capacitatii portante a unui pilot batut.

Incertitudinile rezultatelor obtinute prin intermediul unor asemenea formule, raportate la rezultatele testelor statice, au impus conceperea unor metode noi de calcul, asa numita ecuatie a undei, care simuleaza, intr-un mod realistic, procesul de batere si impactul produs de ciocan. Este pentru prima data cand pamantul este modelat ca un material complex si nu aproximat pe baza penetrarilor pilotului.

Aceasta abordare a fost dezvoltata de E. A. L. Smith (1960) [1] si integrata, cativa ani mai tarziu (1976), intr-un program de calcul, denumit WEAP (Golbe si Rausche) [2], care determina fortele si deplasarile produse de impact in sistemul alcatuit din ciocan, amortizori, caciula de protectie, pilot si pamant. Ulterior, programul a cunoscut imbunatatiri importante, ajungand ca in forma finala (GRLWEAP [3]), sa fie acceptat la scara nationala (in Statele Unite) pentru folosirea in proiectele publice.

Totusi, utilizarea ecuatiei undei nu conduce la determinarea capacitatii portante a unui pilot bazata pe informatiile geotehnice obtinute din teren sau laborator. Ecuatia calculeaza o rezistenta de batere corespunzatoare unei anumite capacitati, sau atribuie o capacitate portanta unui pilot, bazata pe rezistentele de batere observate in teren. Pentru o estimare cat mai corecta a capacitatii portante, s-au dezvoltat sisteme de testare dinamica ce utilizeaza inregistrari ale deformatiilor si acceleratiilor masurate aproape de capul pilotului (cu ajutorul accelerometrelor si tensiometrelor), pe masura ce acesta este batut sau re-batut. Aceste sisteme pot fi folosite pentru a evalua performanta sistemului de batere, pentru a calcula eforturile din corpul pilotului in timpul baterii, pentru a determina integritatea acestuia si pentru a estima capacitatea portanta statica a pilotului.

Rezultatele testarii dinamice pot fi evaluate ulterior, folosind procedeul de potrivire a semnalelor, pentru a determina distributia relativa a rezistentei statice a terenului pe pilot (pe suprafata laterala si pe varf). Acest procedeu iterativ, de potrivire a semnalelor, poarta denumirea de CAPWAP (CAse Pile Wave Analysis Program) [4].

Sistemul de testare este relativ ieftin si rapid in determinarea rezistentei mobilizate de pilot, precum si pentru determinarea integritatii structurale a acestuia. Prin corelarea corespunzatoare cu testarea statica, sistemul poate fi folosit pentru anticiparea comportarii pilotului. Testarea statica este, de regula, costisitoare si necesita mai mult timp pentru pregatirea si efectuarea testului. Rausche si colab. (1985) [5] au conclus ca capacitatea pilotului determinata prin testarea dinamica se poate corela bine cu rezultatele testarii statice, si, deci, poate reprezenta o alternativa viabila pentru estimarea capacitatii portante a pilotilor.

Acest articol descrie un studiu de caz pentru un proiect industrial, avand ca locatie portul din Barcelona, Spania, la care s-a realizat o campanie de testare ce cuprinde atat teste statice cat si teste dinamice, pentru verificarea capacitatii portante a pilotilor prefabricati folositi in proiect. Capitolul 2 prezinta descrierea proiectului si procedeele de testare utilizate iar rezultatele testelor sunt detaliate in capitolul 3. In capitolul 4 se face o comparatie intre rezultatele celor doua tipuri de testare si sunt redate concluziile studiului.

STUDIU DE CAZ. CENTRALA TERMICA DE CICLURI COMBINATE DIN PORTUL BARCELONA

Descrierea proiectului

Investitia consta in construirea unei instalatii termoelectrice de cicluri combinate, compusa din doua grupuri termice de 425 MW, care folosesc gazul natural drept combustibil. Avand in vedere litologia specifica acestei zone (strat de umpluturi cu adancimi ce depasesc 10,0 m) si limitarea tasarilor diferentiale, toate partile ansamblului au fost fundate indirect, pe piloti prefabricati, executati din beton armat si beton precomprimat, cu sectiunea de 350 mm si 400 mm si cota de fundare situata in jurul adancimii de 33,0 m – 36,00 m.

Din punct de vedere litologic, amplasamentul este caracterizat prin prezenta unui strat de umpluturi cu grosimea de 12,0 m, urmat de un strat de argila prafoasa / praf argilos plastic consistent cu grosimea de 2,0 m. Pe urmatorii 4,0 m apare primul orizont de nisipuri fine, in stare afanata, cu rare intercalatii prafoase, caracterizat printr-o rezistenta medie la penetrare, N₃₀, in jurul valorii de 15. Urmeaza orizontul doi, format din terenuri coezive (argile prafoase, prafuri argiloase) cu o grosime de aproximativ 3,0 m si o rezistenta medie la penetrare de 13. Orizontul trei este reprezentat de nisipuri fine spre medii, cu indesare medie spre foarte indesate, avand N₃₀ situat in jurul valorii de 40-50. Acest orizont incepe de la cota -21,00 si continua pana la cota -40,00, cota la care s-a oprit cercetarea geotehnica.

Pentru verificarea capacitatii portante a pilotilor a fost propusa o campanie de testare cuprinsa din 2 teste statice si 8 teste dinamice, pentru un nivel echivalent de testare de tipul N3 [6].

Testarea statica a pilotilor

Conform cerintelor proiectului, pentru testarea statica a pilotilor s-a folosit standardul american de incercare ASTM D 1143-81 (Standard test method for piles under static compressive load) [7]. Obiectivul incercarii este studiul comportarii unui pilot precomprimat cu latura de 350 mm (PT-350) sub actiunea unei sarcini statice verticale de 3.000 kN. Forta a fost aplicata in doua cicluri de incarcare, cu trepte de 250 kN si 500 kN. Primul ciclu a fost compus din patru trepte mentinute timp de 1 ora, pana la atingerea fortei de 1.000 kN, urmata de descarcare la 0. Cel de-al doilea ciclu a fost compus din trepte de 250 kN si 500 kN pana la atingerea fortei maxime de 3.000 kN, urmat de un ciclu de descarcare (in trepte de 1.000 kN).

In fig. 1 este prezentat modul de efectuare a testului.

Sistemul de testare este alcatuit din:

• Ancoraje de reactiune

S-au folosit 4 ancoraje cu o lungime suficienta pentru preluarea eforturilor rezultate din aplicarea fortei asupra pilotului (fig. 2). Pilotul a fost centrat pe intersectia ancorajelor, astfel incat distributia fortei sa fie uniforma.

• Grinzi de reactiune

Grinzile (fig. 4) au avut o grosime si o rigiditate structurala suficiente pentru a permite absorbirea eforturilor aplicate asupra pilotului fara nicio deformatie. Imbinarea dintre grinzile de reactiune si ancoraje s-a facut prin conexiuni speciale.

• Presa hidraulica

Presa hidraulica (fig. 3) utilizata are o capacitate de 5.000 kN, astfel incat permite atingerea fara probleme a fortei de incercare de 3.000 kN. Pentru transmiterea incarcarii asupra pilotului se foloseste o placa de repartitie sau un inel, astfel incat suprapunerea dintre acestea si presa sa se realizeze centrat pe axul pilotului. Presa se conecteaza la o pompa hidraulica pentru a atinge diferitele nivele de incarcare.

• Microcomparatoare

Masurarea deplasarii pilotului s-a facut cu 4 microcomparatoare (fig. 5) avand cursa minima de 50 mm si o precizie de 0,01 mm. Micrometrele s-au asezat pe doua grinzi de referinta paralele, diametral opuse si dispuse la 90° (pentru masurarea deplasarilor laterale sau de rotire cauzate de eventuale incarcari excentrice).

• Grinzi de referinta

Aceste grinzi (fig. 4) reprezinta suportul microcomparatoarelor, fiind pozate pe reazeme infipte ferm in teren si amplasate la o distanta de minimum 2,5 m fata de pilot si elementele de ancoraj.

Testarea dinamica a pilotilor

Monitorizarea dinamica s-a realizat cu Analizatorul de Batere a Pilotilor (Pile Driving Analyzer – PDA) calibrat conform normei ASTM D4945 (Standard Test Method for High-Strain Dynamic Testing of Deep Foundations) [8].

Un sistem uzual de testare dinamica este compus din minimum doua accelerometre si doua extensometre (fig. 6) dispuse pe fetele diametral opuse ale unui pilot, pentru monitorizarea si inregistrarea deformatiilor si acceleratiilor si pentru determinarea impactelor neuniforme. Extensometrele si accelerometrele sunt dispuse la doua pana la trei diametre sub capul pilotului si sunt conectate prin intermediul unor cabluri, care converg intr-unul singur la echipamentul de achizitie a datelor (Analizatorul de Batere a Pilotilor / Pile Driving Analyzer – PDA; fig. 7). PDA-ul este un calculator digital care masoara si analizeaza semnalele de forta si viteza pentru fiecare lovitura si compun curbele de forta si viteza dependente de timp.

Pe santier, pentru a calcula capacitatea statica a pilotului PDA-ul foloseste un program bazat pe formula CASE, utilizand valorile masurate ale fortei si vitezei. Valoarea capacitatii este verificata ulterior prin intermediul analizei iterative CAPWAP, pentru confirmarea acesteia.

Forta este calculata in functie de deformatia masurata, determinandu-se deformatia specifica, e, inmultita cu modulul de elasticitate al betonului, E si cu aria transversala a pilotului, A:

F(t) = EAe(t)                 (1)

Viteza este obtinuta prin integrarea acceleratiei masurate, a:

v(t) = òa(t)dt                  (2)

Descrierea metodei de testare dinamica

Fiecare lovitura a ciocanului produce o unda de efort in corpul pilotului, unda care parcurge toata lungimea acestuia. Instrumentele (extensometre si accelerometre) montate pe pilot masoara deformatiile si acceleratiile pe masura ce unda parcurge pilotul. Materialul din care este executat pilotul si terenul din jur transmit si reflecta unda pe masura ce aceasta inainteaza in pilot. La varful pilotului unda este reflectata inapoi spre capul acestuia. Atunci cand ajunge sus, dispozitivele masoara deformatiile si acceleratiile produse de unda reflectata. Cunoscand rigiditatea pilotului, forta poate fi calculata din masuratorile deformatiilor (Ecuatia (1)).

Acceleratiile pot fi integrate in raport cu timpul pentru a determina viteza (Ecuatia (2)). Forta si viteza reprezinta principalele date folosite de PDA pentru a determina rezistenta necunoscuta a terenului. In majoritatea aplicatiilor, ciocanul nu este instrumentat, ci doar sistemul pilot – teren este considerat si analizat. Daca testul dinamic se executa in timpul baterii, rezistenta terenului astfel determinata este rezistenta terenului la batere, denumita in mod uzual RTB. Daca testul dinamic este efectuat la scurt timp dupa finalizarea baterii, este denumit test de re-batere. Daca insa testul dinamic este efectuat la un anumit timp de la finalizarea baterii, scopul acestuia este de a determina rezistenta statica ultima a pilotului. In mod normal, este recomandat un timp de asteptare de cel putin o saptamana dupa instalare. In structurile „offshore” (pe apa) asemenea intarzieri nu pot fi acceptate. In consecinta, testul de re-batere este utilizat ca un indicator grosier pentru comportarea pe termen lung a rezistentei pilotului.

Pentru determinarea rezistentei terenului, au fost concepute doua metode de analiza a inregistrarilor dinamice: CASE si CAPWAP. In teren, PDA-ul foloseste ecuatiile Metodei CASE pentru estimarea rezistentei statice a pilotului, pentru calcularea eforturilor de batere si a integritatii pilotilor dar si pentru calculul transferului de energie al ciocanului. Metoda de analiza CAPWAP este una numerica, mult mai riguroasa, care utilizeaza inregistrarile dinamice ale fortei si vitezei, impreuna cu modelarea pilotului si a terenului, folosind ecuatia undei pentru a calcula rezistenta statica a terenului, distributia relativa a rezistentei terenului si proprietatile dinamice ale acestiua, cum ar fi quake-ul (constanta elastica) si amortizarea (constanta vascoasa).

• Metoda CASE de calcul a capacitatii portante

Studiile de cercetare efectuate de Universitatea CASE din Cleveland, Ohio, au condus la o metoda care foloseste masuratori electronice facute in timpul baterii unui pilot, pentru determinarea capacitatii portante statice. Presupunand ca pilotul se comporta liniar-elastic si are sectiune constanta, rezistenta statica si dinamica a pilotului in timpul baterii, RTL, poate fi exprimata prin urmatoarea ecuatie:

RTL = 1/2[F(t₁) + F(t₂)] + 1/2[v(t₁) – v(t₂)]EA/c                  (3)

t₂ = t₁ + 2L/c                  (4)

unde F = forta masurata; v = viteza masurata; t₁ = timpul impactului initial; t₂ = timpul la care unda initiala este reflectata de la varful pilotului; E = modulul de elasticitate al betonului; c = viteza undei prin beton; A = aria pilotului; L = lungimea pilotului masurata de la varf la pozitia senzorilor.

Pentru a obtine rezistenta statica a pilotului, trebuie eliminata rezistenta dinamica (amortizarea) din ecuatia de mai sus.

Golbe (1975) [9] a determinat ca rezistenta dinamica poate fi aproximata ca o functie liniara dependenta de amortizare, inmultita cu viteza pilotului si ca viteza pilotului poate fi estimata din masuratorile dinamice de la capul pilotului. Aceasta ipoteza a condus la ecuatia standard de determinare a rezistentei statice, RSP:

RSP = RTL – J[V(t₁) EA/c + F(t₁) – RTL]              (5)

unde J = factor adimensional de amortizare, determinat in functie de tipul pamantului din apropierea varfului pilotului.

• Metoda CAPWAP

CAPWAP este un program informatic dezvoltat pentru determinarea capacitatii statice a pilotului, a distributiei relative a rezistentei terenului pe lungimea acestuia si a caracteristicilor dinamice ale terenului. Analiza CAPWAP poate fi facuta pentru fiecare lovitura de ciocan, care este, de obicei, aleasa la momentul finalizarii baterii (EOD – end of driving) sau inceputul re-baterii (re-strike). Ca atare, analiza CAPWAP finiseaza rezultatele dinamice obtinute cu metoda CASE, pentru o anumita adancime de penetrare sau interval de timp.

CAPWAP foloseste modelarea pilotului si a terenului corespunzatoare ecuatiei undei; inregistrarile fortelor si vitezelor cu PDA-ul sunt folosite drept conditii de limita, inlocuind modelarea ciocanului.

In modelul CAPWAP, pilotul este modelat ca o serie de segmente continue iar rezistenta terenului ca o serie de resorturi elasto-plastice (rezistenta statica) si amortizoare (rezistenta dinamica). Inregistrarile fortelor si acceleratiilor din PDA sunt utilizate pentru a cuantifica forta in pilot si miscarea acestuia, care reprezinta doua dintre cele trei necunoscute. Necunoscuta ramasa o reprezinta conditiile de contur, care sunt definite de modelarea terenului. Mai intai sunt facute estimari rezonabile ale distributiei rezistentei terenului, deformatiei elastice (quake) si a amortizarii. Apoi, acceleratia masurata este folosita pentru a pune in miscare pilotul. Programul calculeaza forta de echilibru de la capul pilotului, care poate fi comparata cu cea determinata cu ajutorul PDA-ului. Initial, valorile masurate si calculate ale fortelor nu vor corespunde. Sunt facute ajustari asupra modelului considerat si este repetat procesul de calcul.

REZULTATE

Rezultatele testarii statice

Deformatiile inregistrate de cele 4 microcomparatoare au fost mici, rezultand la finalul incarcarii o deformatie maxima de 3.000 kN de 8,057 mm, pentru care nu s-a atins rezistenta ultima. Revenirea terenului dupa finalizarea solicitarii a fost buna, cu o tasare remanenta inregistrata la 120 minute dupa finalizarea descarcarii de 1,795 mm.

Rezultatul testului este prezentat in fig. 8.

Rezultatele testarii dinamice

Au fost testati in total 8 piloti cu sectiune diferita (3 piloti cu sectiunea de 400 mm si 5 piloti cu sectiunea de 350 mm).

Analiza dinamica efectuata cu PDA-ul a servit la colectarea informatiilor disponibile din teren, stabilind o ipoteza reala pentru obtinerea capacitatii portante a pilotilor. In urma incercarilor s-au putut cuantifica parametrii rezistentei unitare la frecare pe suprafata laterala si presiune pe varf, pentru diferite straturi de pamant traversate de pilot.

Se poate semnala ca, odata analizate informatiile obtinute cu PDA-ul, pilotii au traversat o zona cu caracteristici de rezistenta mica, pana la o adancime medie ce variaza intre 12,00 m si 14,00 m, avand o rezistenta unitara pe suprafata laterala mai mica de 20 kN/m2. In continuare apare o zona cu rezistenta medie, amplasata la adancimi cuprinse intre 12,00 m si 28,00 m, avand valori ale rezistentei unitare pe suprafata laterala mai mari de 90 kN/m2. In final, apare o zona cu rezistenta ridicata, zona in care se incastreaza pilotii. Valorile rezistentei unitare pe suprafata laterala se situeaza intre 90 si 100 kN/m2, crescand pana la valori cuprinse intre 110,3 si 144,9 kN/m2. Pentru rezistenta unitara pe varf, valorile rezistentei sunt cuprinse intre 14.260kN/m2 si 17.130 kN/m2.

Tinand cont de aceste valori unitare, se obtine rezistenta totala plasata intre 3.550 kN si 3.850 kN pentru pilotii de sectiune PT-350 si intre 4.350 si 4.400 kN pentru pilotii de sectiune T-400; tinand cont de natura nedistructiva a testului, aceste rezistente sunt inferioare rezistentei ultime a terenului.

In ceea ce priveste integritatea structurala a pilotilor, se poate concluziona ca niciunul dintre registrii masurati nu prezinta reflectii anormale ale undelor pe suprafata laterala. Deci, pilotii sunt integri din punct de vedere structural. Incercarile efectuate au confirmat inexistenta intinderilor sau compresiunilor in beton, incompatibile cu tipul de pilot ales, confirmand functionalitatea sistemului de fundare. In Tabelul 1 sunt centralizate rezultatele testelor dinamice.

Valorile rezistentelor din Tabelul 1, pentru fiecare pilot testat, sunt extrase din raportul analizei CAPWAP. In fig. 9 – 14 sunt prezentate grafic rezultatele obtinute pentru pilotul PL-1.

COMPARATIE SI CONCLUZII

In urma analizei rezultatelor testelor dinamice si statice se poate considera ca metoda CAPWAP, folosita pentru prelucrarea datelor rezultate din incercarea dinamica, furnizeaza rezultate comparabile cu cele obtinute in urma testului static (fig. 15). Fiind o metoda rapida de determinare a rezistentei mobilizate, se poate folosi in-situ pentru confirmarea proiectarii, mai ales atunci cand santierul se dezvolta pe o suprafata mare. Durata mica de testare si costurile asociate, in paralel cu cel putin un test static, confirma utilitatea acestui sistem, conducand la optimizarea globala a fundatiei de adancime, prin alegerea unui factor de siguranta optim.

BIBLIOGRAFIE

1. Smith, E. A. L., Pile-Driving Analysis by the Wave Equation, J. Soil Mechanics and Foundations Div., ASCE, 86, No. 4, p. 35-61, 1960;
2. F. Rausche, G. G. Golbe, G. E. Likins, Recent WEAP developments, Proceding of the 3rd International Conference of the Application of Stress Wave Theory to Piles, Ottawa, Canada, 1988, Vol. l, 164-173;
3. G. G. Golbe, F. Rausche, Wave Equation Analysis of Pile Driving, WEAP Program vol. l through 4, FHWA IP-76-14.1 through IP-76-14.4, 1976;
4. Rausche, F., Likins, G. E., Liang, L., Hussein, M.H., Static and Dynamic Models for CAPWAP Signal Matching. The Art of Foundation Engineering Practice, Geotechnical Special Publication No. 198, Hussein, M. H., J. B. Anderson, W.
   M. Camp Eds, American Society of Civil Engineers: Reston, VA; 534-553, 2010;
5. F. Rausche, CAPWAP Developments and Recommendations, Notes from PDA User’s seminar, Cleveland, Ohio, Pile Dynamics Inc., 1988;
6. Rausche, F., Goble, G. G. and Likins, G. E., Dynamic Determination of Pile Capacity, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 111, No.3, p.367-383, 1985;
7. NP 045-2000, Normativ privind incercarea in teren a pilotilor de proba si a pilotilor din fundatii;
8. ASTM D 1143-81, Standard test method for piles under static compressive load;
9. ASTM D4945, Standard Test Method for High-Strain Dynamic Testing of Deep Foundations. 

Autori:
Adrian Botezatu – SC TERRATEST GEOTEHNIC SA
Nicoleta Radulescu,
Daniel Manoli – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Hidrotehnica, Catedra de Geotehnica si Fundatii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 139 – august 2017, pag. 24