Alegerea parametrilor rezistentei la forfecare folositi la analiza stabilitatii alunecarilor de teren

Alunecarile de teren pot fi stabilizate aplicand diverse solutii, in functie de particularitatile hidrogeologice si morfologice ale amplasamentului, de cauzele aparitiei acestora, inclusiv de eventuale interventii antropice asupra geometriei initiale a versantilor.

Pentru a putea alege o solutie de stabilizare este foarte important sa cunoastem cat mai exact valorile rezistentei la forfecare a stratelor de pamant din alcatuirea litologiei terenului afectat de fenomenele de instabilitate. Exista mai multe metode de determinare a rezistentei la forfecare a pamanturilor: in laborator, prin incercare in aparatul de forfecare directa sau in aparatul triaxial, pe baza unor corelatii cu incercari de penetrare dinamica sau statica efectuate in situ etc.

Pentru a determina corect valorile rezistentei la forfecare a pamanturilor, trebuie ca metoda de incercare aleasa sa reproduca conditiile (drenate sau nedrenate in functie de fazele de consolidare, respectiv de forfecare) in care s-a produs alunecarea la scara naturala.

Aceasta lucrare descrie un studiu de caz al unui versant natural afectat de o alunecare de teren, cu accent pe analiza la stabilitate a acestuia, subliniindu-se importanta alegerii corecte a parametrilor rezistentei la forfecare ai pamantului, astfel incat sa reflecte conditiile de producere a alunecarii. 

Alunecarile de teren ce afecteaza versantii naturali sunt incercari de forfecare la scara naturala, in care masivul de pamant este consolidat iar incarcarile sunt, de regula, aplicate suficient de lent, permitand disiparea presiunii in exces a apei din pori, astfel incat forfecarea se produce in conditii drenate.

Pentru a cuantifica stabilitatea la alunecare a unui versant, se efectueaza analize de stabilitate, in urma carora se determina factorul de siguranta (gradul de utilizare) la alunecare, specific unei suprafete posibile de cedare. Factorul de siguranta calculat este cu atat mai aproape de valoarea corecta, cu cat datele de intrare folosite in analiza de stabilitate sunt mai aproape de valorile reale ale parametrilor ce intervin in calcule si cu cat metoda de analiza folosita descrie mai fidel mecanismul de producere a alunecarii.

Dintre parametrii care intervin in calculele de stabilitate, cei care influenteaza intr-o mai mare masura rezultatele obtinute sunt rezistenta la forfecare a stratelor de pamant, unghiul de frecare interna (f) si coeziunea (c).

In general, acestia se determina in laborator, pe probe netulburate prelevate din amplasament, prin incercari in caseta de forfecare directa sau in aparatul triaxial. In functie de modul in care sunt realizate fazele de consolidare si forfecare ale incercarilor de forfecare, acestea pot fi de tip UU (neconsolidat – nedrenat), CU (consolidat – nedrenat) sau CD (consolidat – drenat). Prin incercarea probelor de pamant, in conformitate cu un anumit tip de test, se poate determina setul corespunzator de parametri ai rezistentei la forfecare.

Un tip particular de incercare la forfecare, ce se poate efectua in aparatul de forfecare directa, este incercarea de forfecare directa reversibila, in urma careia se obtin parametrii rezistentei la forfecare reziduali, caracteristici unor deplasari mari, datorate eforturilor de forfecare. Dupa consolidarea probei, faza de forfecare a acestei incercari se desfasoara cu o viteza suficient de mica pentru a permite disiparea presiunii in exces a apei din pori. Prin urmare, in functie de tipul de analiza de stabilitate care se doreste a se efectua, trebuie ales tipul parametrilor rezistentei la forfecare, care descriu cat mai aproape de realitate fenomenul de instabilitate investigat.

In continuare, se va prezenta un studiu de caz, evidentiindu-se implicatiile folosirii unor parametri diferiti ai rezistentei la forfecare, corespunzatori conditiilor de forfecare drenate si nedrenate. In ceea ce priveste programele de calcul utilizate, acestea au la baza fie o metoda de echilibru limita, fie metoda elementelor finite.

STUDIU DE CAZ

Descriere

In cele ce urmeaza este analizata o alunecare de teren care afecteaza un tronson al caii ferate 210, din judetul Sibiu. Alunecarea este mai veche si se reactiveaza in perioadele de precipitatii abundente. Din punct de vedere al sensului de extindere, alunecarea este de tip regresiv. In figura 1 se pot vedea mai multe trepte de desprindere in zona crestei alunecarii.

Alunecarea de teren se desfasoara pe o lungime de aproximativ 120 m, iar diferenta de nivel intre linia de desprindere si platforma caii ferate, situate la baza versantului, este de aproximativ 18 m. La piciorul alunecarii de teren exista un zid de sprijin de greutate, care a cedat sub actiunea impingerii pamantului, dupa cum se poate vedea in figura 2.

Investigatii geotehnice si masuri de stabilizare anterioare

O prima actiune pentru stabilizarea alunecarii de teren a fost intreprinsa in anul 2009, atunci cand s-a facut o expertiza tehnica, cu scopul de a identifica masurile necesare pentru stabilizarea alunecarii de teren.

Studiul geotehnic aferent expertizei a cuprins investigatii de teren constand in foraje de adancimi reduse de 3-8 m ce au interceptat un strat de argila prafoasa. In laborator s-a urmarit determinarea naturii si starii probelor de pamant, precum si efectuarea unor incercari de forfecare directa. Din pacate, studiul geotehnic nu specifica in ce conditii s-au realizat fazele de consolidare si forfecare ale incercarii de forfecare directa (drenate sau nedrenate), precizandu-se doar valorile unghiului de frecare interna si ale coeziunii (f = 12-14° si c = 30-35 kPa).

Studiul geotehnic identifica pozitia planului de alunecare la o adancime de 1,5 m – 2,0 m. Pentru stabilizarea alunecarii de teren se propune o solutie de stabilizare constand dintr-un zid de sprijin de greutate, din beton, la baza versantului.

Fenomenele de instabilitate au continuat, insa, cu deplasarea noului zid de sprijin propus si executat, ceea ce a condus la concluzia ca trebuie efectuate noi investigatii si trebuie reevaluata situatia stabilitatii versantului. Astfel, in anul 2012 s-au facut investigatii geotehnice, care au constat din: foraje cu adancimi intre 6 m si 16 m si incercari de penetrare dinamica grea, in urma carora s-au evidentiat doua straturi diferite din punct de vedere al consistentei, un complex argilos – prafos plastic moale si unul (de asemenea argilos – prafos) plastic consistent – plastic vartos. Adancimea suprafetei de alunecare a fost presupusa la aproximativ 7-8 m, la limita dintre cele doua straturi definite prin consistente diferite. Pe probele netulburate recoltate, au fost efectuate, in laborator, incercari de forfecare directa de tip UU.

Din lipsa de fonduri, stabilizarea alunecarii de teren s-a rezumat la o reprofilare a terenului la partea superioara a versantului, cu scopul de a elimina zonele de baltire a apelor acumulate din precipitatii si la saparea unui sant de pamant, care sa le conduca pana la un casiu existent, cu deversare la un podet.

In pofida acestor masuri, nu s-a reusit stabilizarea alunecarii de teren, deplasarile tronsoanelor zidului de sprijin continuand, favorizate si de o serie de perioade bogate in precipitatii. De altfel, toate aceste masuri nu au fost sustinute de un calcul care sa cuantifice efectul lor stabilizator.

Dat fiind ca masurile de consolidare luate pana la acea data nu si-au dovedit eficienta, in anul 2013 s-a decis efectuarea unei noi expertize [1], care sa reia investigarea cauzelor fenomenelor de instabilitate. In cadrul studiului geotehnic aferent expertizei au fost executate doua foraje geotehnice, de 20 m si respectiv 30 m adancime, care, ulterior, au fost echipate cu tubulatura inclinometrica. In urma analizarii citirilor inclinometrice, s-a putut deduce ca adancimea suprafetei de alunecare variaza de la 8 m, in zona cornisei, pana la 10 m, spre piciorul versantului, in zona din spatele zidului de sprijin existent.

In laborator au fost efectuate incercari pentru determinarea naturii si starii fizice a probelor de pamant, incercari de forfecare directa si triaxiala, precum si incercari de consolidare in edometru. Atat incercarile de forfecare directa (simpla si reversibila), cat si cele triaxiale s-au efectuat in conditii consolidat-drenate (CD).

In Tabelul 1 sunt prezentati parametrii mecanici ai stratului de argila prafoasa, furnizati de studiile geotehnice din anii 2012 si 2013.

Calcule de stabilitate

In continuare sunt descrise analizele de stabilitate efectuate asupra versantului afectat de alunecarea de teren. S-au folosit programe de calcul bazate pe metode de analiza de tip echilibru limita si metoda elementelor finite. De asemenea, s-a efectuat si o analiza prin calcul invers (metoda dreptei limita) prin care, plecand de la premisa ca, in faza premergatoare alunecarii, masa alunecatoare se afla intr-o situatie de echilibru limita si cunoscand geometria suprafetelor terenului si a celei de alunecare, se poate determina o relatie intre parametrii rezistentei la forfecare c’ si f’.

In analizele efectuate s-au folosit parametrii rezistentei la forfecare furnizati de studiile geotehnice din anii 2012 si 2013. Parametrii furnizati de studiul din 2009 nu au putut fi folositi, necunoscandu-se conditiile in care au fost efectuate incercarile de forfecare directa.

Suprafata de alunecare a fost determinata pe baza interpretarii citirilor inclinometrelor instalate, a analizarii rezultatelor incercarilor de penetrare dinamica grea, precum si a fiselor forajelor geotehnice efectuate.

Datorita faptului ca alunecarea de teren se activeaza in perioadele de precipitatii abundente, pentru analizele in conditii drenate au fost considerate mai multe niveluri ale apei subterane, pentru a determina influenta acestui parametru asupra stabilitatii versantului.

Toate analizele de stabilitate au fost efectuate atat luand in considerare abordarile de calcul (A.C.), conform standardului SR EN 1997-1:2004 [2], cat si fara a se tine seama de coeficientii partiali de siguranta corespunzatori acestora.

Analiza stabilitatii la alunecare prin metode de tip echilibru limita

Metodele de analiza de tip echilibru limita se bazeaza pe cunoasterea geometriei suprafetelor terenului natural si a celei de cedare, pe cunoasterea nivelului hidrostatic al apei subterane, a greutatilor volumice in stare naturala si saturata a stratelor de pamant, cat si pe cunoasterea parametrilor rezistentei la forfecare ai stratelor de pamant intersectate de suprafata de cedare [3, 4]. Pentru analizele de stabilitate de acest tip, prezentate in articol, s-a folosit programul de calcul GEO5 – Stabilitatea taluzurilor.

In cazul analizei de tip drenat, s-a considerat ca, din cauza deplasarilor mari care au avut loc pe suprafata de alunecare, pamantul a mobilizat rezistenta reziduala la forfecare si, drept urmare, in modelul de calcul a fost introdus un strat de pamant cu o grosime mica, caracterizat de o rezistenta la forfecare reziduala (c’_rez, f’_rez).

In figura 3 este prezentat modelul geotehnic de calcul al versantului analizat.

Analiza de stabilitate utilizand parametrii rezistentei la forfecare in conditii nedrenate obtinuti in studiul geotehnic din 2012 a fost efectuata considerand cele doua straturi de argila prafoasa delimitate din punct de vedere al consistentei, limita de separatie dintre ele fiind considerata la aceeasi adancime ca si in cazul analizei efectuate in conditii drenate. La interfata dintre aceste straturi nu s-a considerat un strat de argila prafoasa cu caracteristici de forfecare reziduale.

Rezultatele analizelor de stabilitate efectuate sunt prezentate sistematizat in Tabelul 2.

Analiza stabilitatii la alunecare prin metoda elementului finit

Analiza stabilitatii versantului a fost efectuata si cu un program de calcul bazat pe metoda elementelor finite (Plaxis 2D 2015). Programul cuantifica stabilitatea unui masiv de pamant, printr-o metoda ce poarta numele de „c-f reduction” si care consta in reducerea succesiva a parametrilor rezistentei la forfecare a stratelor de pamant pana la valori pentru care, in unele elemente ale modelului, apar deplasari mari, ce conduc la neconvergenta solutiei [6]. Raportul dintre valorile parametrilor initiali ai rezistentei la forfecare si valorile reduse ale parametrilor, pentru care se ajunge la deplasari mari, reprezinta factorul de siguranta la stabilitate al respectivului masiv de pamant.

Terenul a fost modelat plecand de la aceeasi geometrie a masei alunecatoare folosita la analiza prin metoda echilibrului limita (fig. 4).

In cazul analizei in conditii drenate, suprafata de alunecare a fost modelata ca o interfata intre cele doua straturi de argila prafoasa, careia i-au fost atribuiti parametrii reziduali ai rezistentei la forfecare c’_rez, f’_rez, rezultati in urma incercarii de forfecare directa reversibila si a incercarii triaxiale.

In cazul analizei in conditii nedrenate, straturile de pamant, geometria si parametrii rezistentei la forfecare ai acestora au fost considerate aceleasi ca si la analiza prin metoda echilibrului limita in conditii nedrenate.

Rezultatele analizelor de stabilitate efectuate sunt prezentate sistematizat in Tabelul 3.

Analiza stabilitatii la alunecare prin calcul invers

In cele mai multe cazuri, valorile parametrilor rezistentei la forfecare obtinute in laborator au o variabilitate foarte mare. De aceea, in astfel de situatii, este indicat sa se efectueze si un calcul invers, in care sa se determine valorile parametrilor rezistentei la forfecare ai stratului de pamant prin care se dezvolta suprafata de alunecare. Chiar si in cazul unei stratigrafii neomogene, cea mai mare parte a lungimii suprafetei de alunecare se localizeaza in stratul cu rezistenta la forfecare minima, ceea ce face ca rezultatele acestui tip de analiza sa fie foarte aproape de realitate.

Metoda calculului invers considera masa alunecatoare de teren intr-o stare de echilibru limita (Fs = 1) si permite, plecand de la date cunoscute sau care pot fi cunoscute in urma investigatiilor geotehnice (geometria suprafetei terenului, a celei de alunecare, nivelul apei subterane, greutatile volumice ale stratelor de pamant), sa se determine o relatie intre parametrii rezistentei la forfecare c’ si f’ necesari pentru realizarea acestei stari de echilibru [5].

Conform analizelor de stabilitate descrise in capitolele anterioare, considerand conditii drenate de forfecare, valoarea factorului de stabilitate, pentru o anumita suprafata de cedare, variaza in functie de nivelul apei subterane. Astfel, analiza prin calcul invers s-a efectuat pentru un nivel al apei subterane localizat la adancimea de aproximativ 1,5 m fata de CTN, nivel pentru care factorul de siguranta obtinut in analizele de stabilitate a fost in jurul valorii unitare.

Pentru aceeasi geometrie a suprafetei terenului natural si a suprafetei de alunecare, ca si cea folosita in analizele de stabilitate prin calcul direct, a fost obtinuta relatia dintre parametrii rezistentei la forfecare c’-tgf’, pentru care masa alunecatoare considerata se afla in echilibru limita. Relatia dintre parametrii c’-tgf’ este liniara (fig. 5), taieturile acestei drepte cu axele c’ si tgf’ fiind tgf’ = 0,251 (f’ = 14°), respectiv c’ = 25,2 kPa.

Pe acelasi grafic, prezentat in figura 5, au fost reprezentate si patru perechi de valori c’, tgf’ reprezentand parametrii rezistentei la forfecare determinati in urma incercarilor de laborator de tip forfecare directa reversibila si triaxiala.

Interpretarea rezultatelor

In cazul ambelor metode de analiza (metoda elementului finit si metoda echilibrului limita), apar diferente semnificative intre analizele efectuate conform SR EN 1997-1:2004 si cele in care nu sunt utilizate abordari de calcul.

Oricat de atent ar fi facuta investigarea geotehnica, exista o multitudine de factori care introduc variabilitate in modelele de calcul, cum ar fi: extinderea pe o suprafata mare a alunecarilor de teren, numarul limitat de foraje executate si de probe prelevate pentru incercari in laborator, imperfectiunile aparatelor de incercare, erorile ce pot aparea in efectuarea incercarilor etc. Toate aceste variabile pot conduce la o situatie de proiectare mai defavorabila, care poate fi acoperita doar prin folosirea coeficientilor partiali.

In cazul analizelor de stabilitate efectuate in conditii drenate, factorii de siguranta devin subunitari pentru o ridicare a nivelului apei subterane peste o anumita cota, aspect confirmat si de activarea fenomenelor de instabilitate in perioadele cu precipitatii abundente.

In cazul analizei in conditii nedrenate, stratelor de pamant li s-au atribuit valorile nedrenate ale parametrilor rezistentei la forfecare, obtinandu-se factori de siguranta supraunitari, ceea ce nu explica alunecarea de teren activa din amplasament.

In figura 5 se poate observa ca doua dintre punctele reprezentate, unul corespunzator valorilor determinate in aparatul triaxial (f’ = 13,1°, c’ = 0,4 kPa) si unul corespunzator unui set de valori determinate prin forfecare directa reversibila (f’ = 12,5°, c’ = 4,1 kPa) sunt situate aproape de dreapta limita, ceea ce arata o foarte buna corelatie intre rezultatele analizei inverse si parametrii rezistentei la forfecare obtinuti in laborator. De asemenea, valorile coeziunilor corespunzatoare celor doua puncte sunt mici, ceea ce confirma reducerea drastica a coeziunii pentru valori mari ale deplasarii relative prin forfecare, situatie caracteristica alunecarilor de teren.

Trebuie remarcat faptul ca incercarea triaxiala ofera rezultate mai aproape de realitate (desi deplasarile in faza de forfecare nu sunt la fel de mari ca in cazul forfecarii directe reversibile) datorita modului riguros in care pot fi controlate conditiile in care se efectueaza incercarea (saturarea probei si mentinerea gradului de saturatie, controlul eforturilor aplicate, frecari reduse ale partilor in miscare ale aparatului etc.).

CONCLUZII

Articolul prezinta cazul unei alunecari de teren care afecteaza un versant natural, impreuna cu investigatiile de teren si de laborator efectuate pentru determinarea parametrilor rezistentei la forfecare ce trebuie considerati in analiza stabilitatii generale a versantului si pentru dimensionarea, mai departe, a lucrarilor de sustinere necesare.

Este important ca in calcule sa se analizeze stabilitatea de lunga durata, care reclama folosirea parametrilor rezistentei la forfecare in conditii drenate, orice alti parametrii obtinuti prin incercari de forfecare de tip neconsolidat – nedrenat sau consolidat – nedrenat putand duce la rezultate eronate, neconforme cu realitatea. Mai mult, deplasarile pe suprafata de alunecare sunt mari, ceea ce conduce la mobilizarea rezistentei reziduale la forfecare.

Investigatiile geotehnice trebuie efectuate conform unei teme care sa stabileasca numarul si adancimea forajelor, a incercarilor in-situ ce vor fi efectuate, probele netulburate care trebuie recoltate, numarul si tipul incercarilor de laborator etc. Tema trebuie elaborata de inginerul geotehnician proiectant si nu de executantul investigatiilor geotehnice (asa cum se intampla, in multe cazuri, in practica curenta).

Masivele de pamant nu sunt structuri omogene iar parametrii fizico-mecanici pot varia, chiar si in cazul unui strat bine delimitat. Datorita variabilitatii proprietatilor fizico-mecanice ale pamanturilor si a geometriei amplasamentului, precum si incertitudinilor si erorilor legate de efectuarea investigatiilor geotehnice, in analiza stabilitatii masivelor de pamant trebuie utilizate abordarile de calcul prevazute in standardul SR EN 1997-1:2004.

Completarea investigatiilor geotehnice cu un program de monitorizare ce poate cuprinde masurarea nivelului apei subterane, efectuarea unor masuratori inclinometrice, masuratori topografice etc., aduc un plus in investigatiile geotehnice si in obtinerea unei solutii de stabilizare eficiente in proiectare, din punct de vedere al sigurantei, precum si al reducerii costurilor de executie.

BIBLIOGRAFIE

1. Actualizare expertiza tehnica pentru lucrarea „Stabilizare versant km 32+250 – 32+350, Sibiu – Vintu de Jos” (2014);
2. SR EN 1997-1:2004 Eurocode 7: Proiectarea geotehnica, Partea 1: Reguli generale;
3. Spencer E., A method of analysis of the stability of embankments assuming parallel inter-slice forces, Geotechnique, Vol. 17, 11-26, 1967;
4. Morgenstern N., Price V. E., The analysis of the stability of general slip surfaces, Geotechnique, Vol. 15, 79-93, 1965;
5. Mihail E. Popescu, Stabilitatea taluzurilor si versantilor, Institutul de Constructii Bucuresti, 1982;
6. Brinkgreve, R.B.J., Bakker, H. L., Non-linear finite element analysis of safety factors, Proc. 7th Int. Conf. on Comp.
   Methods and Advances in Geomechanics, Cairns, Australia, 1117-1122, 1991.

Autori:
Mircea Galer,
Ioan Buzila – Geostruct Expert SRL 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 150 – august 2018, pag. 16