Imbunatatirea capacitatii portante a terenului suport pentru terasamente prin metoda inlocuirii dinamice

Imbunatatirea capacitatii portante a terenurilor slabe de fundare pentru terasamente prin meto­da inlocuirii dinamice, intr-o zona mlastinoasa din lunca raului Mures, a necesitat executia unui tronson ex­perimental si monitorizarea rezultatelor, comparand valorile calculate cu cele masurate.

In cadrul sectorului experimental s-au folosit si alte tipuri de materiale (zgura de furnal) pentru inlocuirea pernei de re­partitie din material granular si a materialelor geosintetice.

S-a utilizat metoda inlo­cuirii dinamice pentru a obtine o impanare cat mai eficienta si in profunzime. Inlocuirea dinamica este o ex­tensie a compactarii dinamice. Compactarea dinamica a fost prezentata in detaliu de Louis Ménard, in anii ‘60, ca o solutie importanta de imbunatatire a capacitatii portante a pamanturi­lor. Ea se executa prin lansarea maiului, care are o greutate intre 10 si 25 tone si o baza circulara, in cadere libera de la o inaltime stabilita in functie de energia de batere necesara compactarii.

Studiul de caz evidentiaza rezultatele incercarilor de teren efectuate cu succes pe tronsonul experimental din amplasamentul lucrarii. 

Ideea de a folosi piatra, ca material pentru construirea de drumuri, a apartinut romanilor, care o folo­seau pentru pavaje si la ranforsarea bazei acestora. Ca dovada, arheologii au descoperit, chiar pe teritoriul tarii noastre, intre localitatile Sibiu si Deva, drumuri roma­ne executate integral din piatra pana la o adancime de 70-100 cm.

In prezent, aceasta solutie se aplica pentru imbunatatirea terenu­ri­lor slabe de fundare si se preteaza la terenuri alcatuite din pamanturi coezive (nisipuri argiloase, prafoase, argile plastic moi), umpluturi slab consolidate si slab coezive.

Din antichitate au ramas un numar important de constructii impunatoare (piramide, palate, poduri etc.), iar analiza lor a aratat ca ele au fost bine construite, avand o fundatie solida care s-a bazat pe cateva principii simple, respectiv alege­rea unui „teren bun de fundare”, constituit din soluri rezistente, stancoase sau imbunatatite cu roci.

In Romania se afla in desfasurare un vast program de construire de autostrazi, drumuri expres si variante de ocolire a centrelor urbane, de tip „Greenfield”, de-a lungul coridoare­lor trans-europene, pentru fluidizarea traficului. In unele situatii, traseul cailor rutiere traverseaza zone de lunca formate din mlastini sau pamanturi cu compresibilitate mare, care intra in categoria terenurilor slabe de fundare.

Sub incarcari exterioare, terenurile de fundare slabe sufera deformatii mari si adesea neunifor­me, iar pentru utilizarea lor necesita masuri de imbunatatire.

Proiectarea terasamentelor pe astfel de terenuri necesita studierea si analizarea factorilor care exer­cita influenta asupra rezistentei, deformabilitatii si stabilitatii generale.

In practica inginereasca se apli­ca mai multe solutii pentru imbuna­tatirea terenurilor. Printre cele mai des folosite sunt acelea care prevad reducerea excesului de umiditate (coloane drenate, slituri drenante, coloane de var) precum si imbunatatirea terenurilor (coloane de balast, jet-grouting, compactare dinamica, vibro indesare, inlocuire dinamica, excavarea si inlocuirea stratelor moi prin aport de material granular imbunatatit cu materiale geosintetice).

Descrierea metodei de inlocuire dinamica

Inlocuirea dinamica este o tehnologie semiempirica de imbunatatire a proprietatilor mecanice ale terenului, ea fiind dezvoltata ca o extensie a compactarii dinamice. Inlocuirea dinamica a inceput sa fie folosita pe sca­ra larga la inceputul anilor ‘70, odata cu aparitia maca­ralelor capabile sa reziste la incarcari ciclice mari.

Conform „Instructiunilor tehnice (C 251-1994) pentru proiectarea si executarea lucrarilor de im­buna­tatire a terenurilor slabe de fundare”, metoda inlocuirii dinamice prin impanare cu materiale locale de aport (piatra bruta, bolovani de rau, refuz de ciur grosier) se poate aplica la terenuri de fundare alcatuite din pamanturi argiloase avand consistenta redusa si/sau la umpluturi slab consoli­date. Imbunatatirea prin impanare nu este conditionata de existenta unei umiditati op­time de compactare si nu este influentata de nivelul apelor subterane.

Aceasta solutie se poate aplica pentru grosimi maxime ale straturilor slabe de 3-4 m. Adancimea maxima pe care se obtine imbunatatirea terenului, ca urmare a impanarii, depinde de dimensiunile materialelor utilizate si de caracteristicile de compactare, respectiv de dimensiunile in plan ale maiului, de masa acestuia, precum si de energia de compactare.

Pentru adancimi mari de compactare se recomanda folosirea unor materiale de aport (piatra bruta, bolovani de rau) cu dimensiuni mari (20-30 cm), care favorizeaza o poansonare usoara a straturilor de teren slab si realizarea unei zone impanate cu dimensiuni mai mari pe adancime.

Avantajele acestei tehnologii combina coloanele din piatra si compactarea dinamica, prin aportul de indesare in adancime si in lateral, in faza finala dimensiunile coloanelor fiind mult mai mari.

Imbunatatirea terenurilor slabe de fundare prin impanare cu piatra bruta se realizeaza prin:

• crearea unei zone de teren de fundare imbunatatit, constituit din piatra bruta, piatra sparta, bolovani de rau, refuz de ciur grosier, cu impanare a materialelor de aport prin actiune dinamica;
• efectul de indesare laterala si in adancime a terenului (de modificare a porozitatii), ca urmare a inglobarii prin actiune dinamica (batere cu maiul greu) a materialului de aport;
• aducerea unui raport de inlocuire a materialului de pana la 20-25%.

Studiu de caz

Amplasament

Sectorul experimental a fost stabilit intr-o zona mlastinoasa, inundabila, foarte aproape de raul Mures, pe amplasamentul lucrarilor de terasament al unui tronson de autostrada din culoarul IV PANEUROPEAN. Valea raului Mures este o vale permanenta, avand un bazin hidrografic propriu, cu afluenti nesemnificativi in zona de campie.

La nivelul albiei minore si al luncii inundabile, in zona in care se inscrie amplasamentul, este de remarcat:

• cursul meandrat care se datoreaza atat stadiului de maturitate, cat si aportului de debit solid de la afluentii importanti, dar si modificarilor antropice cauzate de exploatarea materialelor sau de evolutia acesteia;
• agresivitatea cursului de apa la debite de viitura.

In plus, zona se afla la confluenta Vaii Certeju, afluent de dreapta al raului Mures, in apropierea unor canale de desecare apartinand Agentiei Nationale de Imbunatatiri Funciare care, in prezent, sunt colmatate de suspensii provenite de la fostele mine din amonte si care la varsarea in emisar favorizeaza baltirea apelor.

Caracteristicile terenului de fundare

In urma investigatiilor geoteh­nice efectuate pe amplasament a rezultat urmatoarea stratificatie:

• depozite aluvionare fine (N) reprezentate de nisipuri fine cu liant prafos, cu trecere la argile nisipoase plastic moi, cafenii-galbui, saturate sub adancimea de 2,00 m; din analizele de laborator pe materialele analizate a rezultat un continut de materii organice sub 3%;
• depozitele aluvionare grosiere (P+N) recente din albia si lunca raului Mures, sub stratul de aluviuni fine, alcatuite din nisipuri medii-fine si pietrisuri, nisipuri cu indesare medie spre indesate, saturate;
• roca de baza: argile marnoase / marne (M) vinetii plastic tari, compacte, interceptat sub stratul de aluviuni grosiere.

Tipurile geotehnice evidentiate in succesiunea investigata in primele doua straturi conduc la concluzia ca terenul nu admite fundarea directa, fiind definit ca teren dificil, conform NP 074/2014.

Principiile de proiectare

In prima faza au fost efectuate calcule la SLU si SLS, conform SR EN 1997/1-2004 si normelor in vigoare, alegandu-se o sectiune de calcul din zona respectiva, respectiv un ram­bleu cu inaltimea maxima de 6,00 m cu profil de autostrada (fig. 2).

Etapa I

S-au efectuat calcule cu parametrii geotehnici ai terenului natural fara imbunatatire, rezultatele fiind pe masura asteptarilor, adica total nefavorabile. Valorile obtinute ale tasarii au fost de ordinul zecilor de cen­timetri (24 cm), iar stabilitatea la alunecare a taluzului nu era satisfacatoare (Fs = 0,75) (fig. 3).

Etapa II

Au fost luate in considerare mai multe solutii de imbunatatire a terenului suport, punand in balanta: timpul de executie, tehnologia folosita si factorul economic.

O solutie radicala era inlaturarea stratelor de consistenta moale si inlocuirea lor cu un material bun cu caracteristici mecanice superioare celor existente. Aceasta solutie a rezultat neeconomica din cauza volumului mare de excavat, a necesitatii depozitarii materialului excavat, a costurilor ridicate de transport si volumu­lui mare de umplutura din material granular. Solutia aleasa a fost una de mijloc, optandu-se pentru excavarea unui strat de circa 1,00 m – 1,50 m, in functie de zona, si adaugarea de piatra bruta, introdusa pe cale dinamica pentru a patrunde in pamantul moale ramas dupa excavare, rezultand, in final, imbunatatirea capacitatii portante a terenului.

Au fost refacute calculele cu noua varianta iar rezultatele au indicat valori ale tasarii de cativa cm (5-6 cm) si un factor de siguranta la alunecare in regim dinamic satisfacator (Fs = 1,4) (fig. 4).

Etapa III

Verificarea stabilitatii terenului de fundare (capacitatea portanta) Principiile si ipoteza metodei:

• Masivul de pamant este considerat un mediu continuu si omogen. Sub incarcarea transmisa de rambleu, in acest mediu se dezvolta o stare de eforturi caracterizata in orice punct prin eforturi unitare s1 si s2;
• Conditiile de stabilitate cer ca in toate punctele starea de eforturi sa fie compatibila cu rezistenta terenului;
• Rezistenta mediului este reprezentata prin dreapta intrinseca;
• In cazul pamanturilor coezive, aplicand principiul starilor corespondente, se calculeaza eforturile principale cu luare in considerare a coeziunii;
• Terenul este stabil daca pentru niciun punct din masiv cercul lui Mohr nu intersecteaza dreapta intrinseca, implicit daca unghiul de deviere maxim θ_max este mai mic decat unghiul de frecare interna ø;
• In acest sens se defineste factorul de stabilitate.

In cazul analizat Fsmin > 2.

Verificarea prin calcul a eficientei compactarii cu maiul

Energia aplicata

Pentru a avea un aport la impa­nare si a obtine imbunatatirea terenului, in timpul compactarii trebuie aplicata o cantitate suficienta de energie, care se calculeaza pentru estimarea preliminara a efici­en­tei proce­deului compactarii inainte de a se deplasa utilajul de teren. Aceasta energie este data, in general, ca energie medie aplicata pe intreaga suprafata iar un nivel ridicat se obtine din greutatea maiului si inaltimea de la care se face lansarea. Energia aplicata se calculeaza cu formula:

AE = N·W·H·P/(spatiu cratere)2 (1)

unde:

AE = energia aplicata,

N = numarul de lovituri,

W = masa maiului,

P = numarul de treceri,

Spatiu cratere = distanta interax.

Aria de influenta

Aria de influenta este zona din jurul craterului pe care se resimte eficienta impanarii si compactarii in lateral. Aceasta depinde de energia aplicata, de numarul de caderi, de greutatea maiului, de inaltimea de cadere, de tasarea pietrelor, de latimea craterului si spatiul dintre cratere. In urma impactului apar unele deplasari in lateral iar cu ajutorul inclinometriei se masoara influenta fata de punctul de aplicare la diferite inaltimi. Aceasta arie a fost necesara pentru estimarea distantei dintre cratere, astfel incat zona imbunatatita cu piatra din prima faza de executie sa se intersecteze cu zona de influenta din faza a doua. Se creeaza, astfel, o zona imbunatatita cat mai uniforma si nu circulara ca la coloanele din material granular.

Etapele tehnologice de realizare a imbunatatirii prin inlocuire dinamica in poligonul experimental

1. Excavarea partii superioare a materialului plastic moale, pe o grosime de 1,00 m – 1,50 m in functie de zona stabilita conform studiului geotehnic.
2. Asezarea primului strat de piatra in groapa excavata, pe o grosime de 50-80 cm, completat cu un strat de split. Pentru primul strat se recomanda dimensiuni mai mari ale materialului, ceea ce asigura o patrundere mai usoara.

III. Impanarea primului strat de aport prin caderea libera a maiului. Loviturile se aplica la inceput de la inaltime mai mica, apoi se mareste progresiv inaltimea de cadere. Primul strat se considera impanat atunci cand s-a atins cota initiala a sapaturii.

1. Asternerea, respectiv impana­rea celorlalte straturi s-a efectuat in acelasi mod ca si pentru primul strat. Imbunatatirea s-a considerat terminata atunci cand amprenta facuta de maiul greu, lasat sa cada de la inaltimea maxima, este de ordinul a 4÷5 cm, iar alte pietre de aceeasi marime puse in fata maiului nu mai patrund in teren si sunt sfaramate.
2. Realizarea unei perne din material granular (balast) pe o grosime de circa 30 cm pentru uniformizarea presiunilor date de rambleu.

Sectorul experimental

Sectorul experimental a fost realizat pe o latime de 40 m si o lungime de 200 m in amplasamentul lucrarii, urmand pasii din etapele tehnologice de executie iar perna de repartitie din material granu­lar a fost inlocuita cu zgura. S-a masurat modulul de deformatie liniar cu placa pe terenul suport, in­fluenta compactarii dinamice pe teren fara aport de material, tasarile si zonele de influenta (latimile craterelor) ale zonei imbunatatite, modulul de deformatie liniara cu placa dupa efectuarea imbunatati­rii si a umpluturii din zgura.

Modulul de deformatie liniar cu placa Lucas s-a realizat conform standardelor in vigoare in doua cicluri de incarcare si diametrul placii Ø = 300 mm, in prima faza pe terenul natural, fara niciun aport de imbunatatire valorile au fost Ev1 = 8 MPa respectiv Ev2 = 12 MPa.

Compactarea dinamica a fost facuta pe o singura amprenta, cu 3 lovituri de la inaltimea de 20 m, cu o greutate a maiului de 18 tone, rezultatele fiind sintetizate in Tabelul 2.

Inlocuirea dinamica s-a executat conform specificatiilor din caietul de sarcini: excavare material, adaugarea piatrei brute, compactarea si strat de split. Au fost realizate mai multe cratere cu un nu­mar de 3 lovituri de la inaltimi variabile cu o greutate a maiului de 18 t.

In Tabelul 3 sunt sintetiza­te rezultatele obtinute din compactare pe 4 amprente, cu un numar de 3 lovituri de la o inaltime de 10 m cu greutatea maiului de 18 t.

Ultimul test a fost efectuat peste stratul de zgura, cel pentru determinarea modulului de deformatie  liniara iar rezultatele au relevat modulul Ev1 = 76,27 MPa, Ev2 = 250 MPa iar raportul Ev2/Ev1 = 3,278.

CONCLUZII

Solutia a fost implementata cu succes, modificarile aduse proiectului dupa realizarea tronsonului experimental au fost cele de revenire la stratul de repartitie din material granular acoperit cu un material geosintetic, pentru a crea un strat de separatie, iar umplutura de rambleu executata peste lucra­rea de imbunatatire nu a suferit niciun fel de degradare (pierderea stabilitatii sau tasari).

In momentul de fata, tronsonul de autostrada este deschis traficului, fiind incadrat in normele de siguranta.

BIBLIOGRAFIE

1. Lukas R. G., Dynamic Compactation Geotechnical Engineering Circular No. 1, U.S. Department of Transportation. Federeal Highwaz Administration (1995);
2. Manea S., Comeaga L., Antonescu L., Jianu L., Indrumator pentru proiectul de geotehnica si fundatii. Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti (1998);
3. MÉnard L., Broise Y., Theoretical an practical aspects of dynamic consolidation. Geotechnique London U.K. (1975);
4. Speficication for Ground Treatment. The Institution of Civil Engineers Oxford published by Thomas Telford (1987);
5. Stanciu A. Lungu L., Fundatii, Ed. Tehnica Bucuresti (2006);
6. Tsitsas G., High energy dinamic compaction for improvement of colapsible loess – teza de doctorat. Universitatea Ovidius Constanta (2016);
7. SR EN 1997/1-2004. Proiectarea geotehnica. Reguli generale;
8. C 251-1994. Instructiuni tehnice pentru proiectarea, executarea si receptionarea lucrarilor de imbunatatire a terenurilor slabe de fundare prin metoda impanarii cu materiale locale de aport, pe cale dinamica;
9. NE 008-1997. Normativ privind imbunatatirea terenurilor de fundare slabe prin procedee mecanice.
10. Dynamic Replacement Vibro Menard.co.uk (1978).

Autori:
ing. Teodor Malancu – SC CONSITRANS SRL
prof. univ. dr. ing. Sanda Manea – Universitatea Tehnica Bucuresti
ing. George Tsitsas – GT Ground Engineering & Construction Services 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 152 – octombrie 2018, pag. 26