«

»

Rezervor de gaz fundat pe teren dificil. Modelare numerica si masuratori in situ

Share

Prezentul articol este un studiu de caz bazat pe o lucrare recenta din Franta – un rezervor de gaz circular cu diametrul de 56 m fundat pe piloti forati de adancime mare dispusi radial si un radier elastic de grosime variabila. Conditiile geotehnice au fost deosebit de dificile, stratificatia constand intr-o alternanta de straturi cu proprietati foarte diferite in care s-au gasit terenuri foarte compresibile pana la adancimea de 29 m. Investigatiile geotehnice s-au bazat pe determinari CPT si presiometrice, iar proiectarea fundatiei s-a rea­lizat folosind metoda radierului echivalent.

Dupa construirea fundatiei, s-a aplicat progresiv, timp de 12 luni, o incarcare de cca. 1,65 ori sarcina de serviciu. Tasarea radierului in timpul incercarii s-a masurat cu ajutorul a doua inclinometre orizontale dispuse pe directii ortogonale in cadrul radierului. In aceasta lucrare fundatia mixta pe radier pilotat este modelata folosind o serie de metode de complexitate diferita, de la metode simpli­ficate pana la numerice, iar rezultatele sunt comparate intre ele, respectiv cu masuratorile in teren.

Scopul lu­crarii este de a analiza eficienta a diferite metode de calcul in modelarea unei fundatii de mari dimensiuni. De asemenea, se analizeaza detalii specifice ale modelarii numerice.

 

Fundarea constructiilor care transmit incarcari mari pe terenuri de fundare dificile este una dintre problemele principale ale ingineriei geotehnice. in cele mai multe cazuri se adopta o solutie de fundare directa pe teren imbunatatit sau una de fundare indirecta.

Proiectarea acestor sisteme de fundare este un proces complex si care implica riscuri importante in exploatare, din cauza posibilelor degradari care pot aparea si a dificultatii realizarii unor lucrari de reparatie. Din aceasta cauza, aceste lucrari necesita investigatii geotehnice complexe, insotite de metode de proiectare care sa modeleze realist comportamentul ansamblului structura – fundatie -teren de fundare si sa indeplineasca cerintele de proiectare la starea limita ultima (SLU) si la cea de serviciu (SLS).

Prezentul studiu de caz descrie procesul de investigare a terenului de fundare, proiectare si modelare a fundatiei unui rezervor de gaz de forma circulara de diametru mare (56 m) in conditiile unui teren de fundare deosebit de dificil. De asemenea, in articol se prezinta modelarea numerica ulterioara a fundatiei utilizand mai multe programe de calcul.

Lucrarea are doua principale scopuri. In primul rand se urmareste prezentarea unei probleme practice din ingineria geotehnica unde s-au utilizat investigatii geotehnice avansate si o monitoriza­re a tasarilor fundatiei in timpul executiei si exploatarii. Pe de alta parte, ilustreaza principa­lele detalii si rezultate ale modelarii numerice pentru aceeasi lucrare, cu accent asupra corelarii pa­rametrilor geotehnici clasici din investigatii in situ, alegerea modelului constitutiv al pamantului si a elementelor de interfata utilizate in modelare.

 

Descrierea lucrarii

Rezervorul de gaz studiat este localizat in nordul Frantei, langa un canal artificial. Stratificatia din amplasament este caracteristica zonelor maritime si consta in prezenta unor terenuri dificile pana la adancimi de aproximativ 30 m, inclusiv orizonturi extinse de argile maloase cu compresibilitate foarte mare. Aceste conditii dificile au impus un program complex de investigatii geotehnice si adoptarea unei solutii de fundare de adancime folosind piloti forati de diametru mare cu lun­gime de aprox. 34 m si un radier general de grosime variabila. Pentru a urmari evolutia tasarilor a fost prevazut un program de monitorizare folosind doua inclinometre orizontale dispuse in radier in timpul constructiei. Suplimentar s-a realizat o incercare de proba prin umplerea rezervorului cu apa pentru a accelera consolidarea primara a terenului si pentru a verifica indeplinirea criteriilor de tasare. Tasarea maxima masurata a radierului a fost de 38,5 mm fata de cea calculata de 31 mm, ceea ce a confirmat corectitudinea calculelor si s-a incadrat in valoarea admisibila de 50 mm.

 

Conditiile geotehnice

Cercetarea terenului de fundare s-a bazat pe sondaje de penetrare statica cu con (CPT) si presiome-trice, conform practicii franceze. In urma interpretarii celor trei sondaje presiometrice cu adancimea de 43-45 m, a celor 7 sondaje presiometrice de aprox. 30 m si a unui foraj adanc de 40 m s-a putut identifica urmatoarea stratificatie caracteristica simplificata: de la nivelul terenului pana la -10,5 m argila maloasa, plastic curgatoare; intre (-10,5 … -20,0) m nisip fin prafos, indesat; intre (-20.0 … -29,0) m praf argilos malos, plastic moale spre plastic consistent; intre (-29,0 … -36,0) m pietris uni­form, foarte indesat si intre (-36,0 .. -45,0) m argila marnoasa tare.

Figura 1 prezinta diagramele modulului presiometric, EM, respectiv a presiunii limita, p1, care au stat la baza proiectarii, inclusiv valorile medii, care evidentiaza alternanta straturilor cu caracteris­tici bune cu cele dificile pe primii 30 m.

 

Prezentarea proiectului

Rezervorul este de forma circulara cu diametrul exterior de 56,2 m. Structura de rezistenta consta intr-un perete perimetral circular cu grosimea de 60 cm din beton armat. Sistemul de fundatie este alcatuit dintr-un radier cu o grosime de 0,9 m (cu ingrosare pana la 1,6 m in partea exterioara cu scopul preluarii eforturilor locale provenite din greutatea peretelui perimetral si a acoperisului) si un grup de 169 piloti, cu diametrul d = 1,02 m si adancimea bazei pilotilor la -34,0 m, fata de cota ±0.00 a constructiei, reprezentata prin cota superioara a radierului (fig. 2). Pilotii au fost execu­tati cu tehnologia Starsol® [1], o tehnologie asemanatoare cu CFA.

Pilotii au fost dispusi pe 7 inele concentrice, la care se adauga si pilotul central. Distanta interax intre piloti variaza intre (3,40 … 4,20) d (d = 1,02 m fiind diametrul pilotilor), ceea ce reprezinta o dispunere obisnuita pentru fundatiile pe piloti. Pilotii au fost dispusi mai des in centrul fundatiei, unde se inregistreaza cele mai mari tasari, respectiv in zona peretelui perimetral, unde apar concen­trari de eforturi.

 

Proiectare initiala

Fundatia s-a proiectat folosind doua metode, amandoua echivaland fundatia pe piloti pe fundatii de suprafata similare: metoda radierului echivalent (care considera radierul cu aria bazei marita la baza pilotilor) si metoda fundatiilor izolate echivalente (care asociaza fiecare pilot cu o fundatie izolata, considerand interactiunea dintre aceste fundatii).

La dimensionarea fundatiei au dominat incarcarile verticale. In lipsa unor incarcari importante din seism sau vant, incarcarea verticala totala aferenta starii limita de serviciu este de aprox. PSLS = 314.000 kN, incluzand si greutatea proprie a radierului (presiune medie pmed = 126,5 kPa), ceea ce este o valoare relativ redusa, dar considerand capacitatea portanta limitata a stratului de suprafata si deformabilitatea foarte mare (modulul de deformatie liniara Es < 2 MPa) este necesara o solutie de imbunatatire a terenului in adancime sau o fundatie indirecta. Tasarea maxima estimata pentru aceasta incarcare a fost de 20 mm (fiind valoarea cea mai mare dintre cele doua metode mentionate anterior).

Tasarea admisibila in orice grupare de incarcari fiind de 50 mm, s-a prevazut o incercare la scara reala prin umplerea treptata a rezervorului cu apa pe parcursul unei perioade de 15 luni, ceea ce a dus la o incarcare de Ptest = 520.000 kN (echivalenta unei presiuni de pmed = 210 kPa). Pentru aceasta incarcare tasarea maxima a fost estimata la 31 mm.

 

Program de monitorizare

Evolutia tasarilor a fost urmarita cu ajutorul a doua inclinometre orizontale dispuse in corpul radie­rului. Tasarile s-au masurat lunar pe parcursul umplerii cu apa a rezervorului. S-a inregistrat tasarea maxima de aproximativ 38,5 mm in centru si 11-15 mm la marginea fundatiei (fig. 3).

 

Modelarea numerica a fundatiei

Pe baza informatiilor prezentate anterior s-a realizat o modelare numerica a fundatiei folosind trei programe de calcul.

 

Interpretarea investigatiilor geotehnice

Proiectarea initiala s-a realizat, conform practicii franceze curente, direct pe baza sondajelor in situ, fara transformarea rezultatelor in parametri geotehnici clasici. De exemplu, pentru a evalua defor-mabilitatea pamantului, se foloseste modulul presiometric, EM, iar valorile caracteristice ale frecarii laterale si rezistentei pe baza a pilotilor se estimeaza folosind presiunea limita, pi (obtinute de ase­menea din incercarea presiometrica) si compozitia granulometrica a stratului. Aceleasi caracteristici se pot extrage si din incercarea CPT, folosind de asemenea tabele si grafice semi-empirice.

Pentru a putea modela fundatia in programe de calcul numeric a fost nevoie de transformarea re-zulatelor incercarilor pe teren in parametri geotehnici clasici. Datorita adancimii mai mari si a gra­dului mare de incredere, s-a ales calculul bazat pe rezultatele sondajelor presiometrice. Modulul de deformatie liniara, Es a fost determinat prin corelatie cu modulul presiometric, EM si pe baza naturii straturilor (compozitie granulometrica si grad de consolidare). Coeficientul lui Poisson, n si greuta­tea specifica, g s-au preluat din incercarile de laborator si tabele de valori uzuale din literatura. Pa­rametrii rezistentei la forfecare, φ si c au fost estimati pe baza graficelor lui Combarieu [2], care ofera pentru fiecare strat o diagrama de pe care proiectantul alege un cuplu de valori φ si c care ca­racterizeaza cel mai bine stratul respectiv. Astfel au rezultat parametri geotehnici pentru cele 5 straturi (Tabelul 1).

 

Modelare numerica

Pe baza acestor parametri geotehnici s-a realizat modelarea numerica a fundatiei folosind programe­le Plaxis 2D, Plaxis 3D si Midas GTS NX 3D. In cazul Plaxis 3D calculele s-au efectuat folosind atat legea constitutiva Mohr-Coulomb, cat si modelul de tip „Hardening Soil”. Aceste calcule fac parte dintr-un volum mai mare de cercetari care sunt prezentate in lucrarea [3]. Se mentioneaza fap­tul ca toate modelarile prezentate se refera la incarcarea maxima din incercarea cu apa (Ptest = 520.000 kN).

Pentru calculul in Plaxis 2D s-a folosit varianta axisimetrica a programului, data fiind simetria circulara a fundatiei si incarcarilor. Sirurile de piloti s-au modelat ca elemente de placa de beton armat cu rigiditate echivalenta, incarcarea apei s-a reprezentat ca incarcare uniform distribuita, iar cea din peretii silozului ca incarcare punctuala in axul peretelui (fig. 4).

In cazul modelelor Plaxis 3D si Midas GTS NX 3D s-a modelat intreaga fundatie folosind elemente de volum, in Plaxis 3D pilotii s-au modelat cu ajutorul functiei „embedded pile”, in care elementul de interfata pilot – pamant este definit automat prin precizarea valorilor limita ale frecarii laterale si a rezistentei la baza pilotului. In cazul programului Midas GTS elementul de interfata se genereaza automat pe baza a trei parametri introdusi in program (capacitatea ultima a pilotului, rigiditatea verticala si orizontala), care se calibreaza in mod ideal pe baza unor incercari de proba prealabile.

Intrucat se cunoaste faptul ca modelul constitutiv Mohr-Coulomb supraestimeaza deformatiile fundatiilor, modelarea numerica tridimensionala s-a reluat folosind legea constitutiva tip „Hardening Soil”, prin aproximarea parametrilor geotehnici avansati ai straturilor, pe baza lucrarii [4]. Par­ametrii avansati E50ref si Eurref s-au estimat pe baza modulului de deformatie liniara, Es, iar factorul adimensional „m” s-a estimat pe baza recomandarilor din literatura de specialitate.

Dintre numeroasele aspecte care se pot analiza la aceasta lucrare, acest articol vizeaza problema tasarii absolute maxime, date fiind diferentele semnificative intre rezultatele calculelor si masuratorile efectuate in teren.

 

Rezultatele modelarii

Principalul aspect studiat este cel al tasarii absolute, aceasta fiind si principala cerinta a lucrarii. De fapt, limitarea tasarii in centrul fundatiei este principala conditie pentru silozuri si rezervoare, in timp ce pentru grupuri de silozuri tasarea diferentiata este de asemenea un criteriu fundamental. Figura 5 prezinta diagramele de tasare pentru toate modelele numerice si masuratorile in teren.

Se mentioneaza faptul ca aceste modelari fac parte dintr-o cercetare mai ampla in care se studia­za comportamentul fundatiilor mixte pe radier pilotat si care includea si o serie de metode simplifi­cate de calcul. Scopul prezentului articol se limiteaza la a trata cateva aspecte ale modelarii numeri­ce a fundatiilor de adancime pe terenuri dificile.

In continuare se vor interpreta diagramele din Figura 5. In primul rand se observa dispersia mare a rezultatelor. Fata de valoarea masurata de 38,5 mm, valorile calculate sunt cuprinse intre (41,3 … 73,7) mm, ceea ce depaseste masuratorile cu (7 … 91)%. Se poate observa faptul ca rezultatele cele mai apropiate de realitate s-au obtinut folosind legea constitutiva Hardening Soil in Plaxis 3D. De asemenea, rezultatele din Midas GTS folosind aceeasi lege constitutiva Mohr-Coulomb sunt mult mai apropiate fata de masuratori, ceea ce se explica cel mai probabil prin modul diferit de conside­rare a interfetei dintre elementele fundatiei.

In ceea ce priveste comparatia intre calculul bidimensional (Plaxis 2D axisimetric) si tridimensi­onal, se observa faptul ca rezultatele obtinute cu Plaxis 2D folosind aceiasi parametri ai pamantului si aceeasi interfata pilot – pamant sunt mult mai apropiate de valorile masurate decat cele obtinute prin modelare 3D, insa depasirile sunt semnificative (47% in centru si cca. de 3 ori in marginea fundatiei). O ultima constatare se refera la forma diagramei: in cazul modelelor Plaxis 3D tasarile maxime s-au inregistrat in zona peretilor perimetrali, in timp ce la celelalte modele, respectiv la ma­suratorile in teren, tasarea maxima s-a inregistrat in centrul fundatiei.

Explicarea tuturor acestor observatii ar necesita informatii si modelari suplimentare, de exemplu o incercare instrumentata pe un pilot individual, determinarea in teren a parametrilor avansati ai terenului pentru modelarile tip Hardening soil si monitorizarea presiunii la baza radierului, respectiv a eforturilor in piloti. Totusi, acceptand anumite presupuneri utilizate in modelare, se pot formula raspunsuri probabile.

 

Comentarii asupra rezultatelor

Posibilele motive pentru diferentele enumerate mai sus sunt erorile in alegerea parametrilor caracteristici ai terenului si corelarea lor cu parametri geotehnici clasici, detaliile de modelare si erorile de masurare a tasarilor radierului. Dintre aceste 3 motive, se vor discuta principalele aspecte ale modelarii numerice, celelalte fiind in afara scopului studiului.

Doua dintre cele mai importante aspecte ale modelarii numerice sunt alegerea legii constitutive a pamantului, respectiv a interfetei dintre elementele fundatiei, in primul rand interfata pilot – pamant, care guverneaza intr-o masura semnificativa comportamentul ansamblului.

In modelele efectuate in Plaxis 3D interfata pilot – pamant este definita prin stabilirea valorilor maxime ale frecarii laterale pentru fiecare strat strabatut de pilot, respectiv a rezistentei pe baza, iar elementul de interfata este generat automat.

Figura 6 prezinta variatia frecarii laterale de-a lungul pilotilor, pentru un pilot central, unul marginal si unul intermediar (aproximativ la jumatatea distan­tei dintre centrul si marginea radierului). Se mentioneaza ca in cazul tuturor pilotilor s-a inregistrat valoarea maxima a rezistentei pe baza.

Se observa faptul ca pilotii marginali sunt mai incarcati decat cei centrali, ceea ce este in concordanta cu distributia incarcarilor transmise de radier, pilotii marginali preluand local incarcarea din peretii silozurilor. Tasarea maxima se inregistreaza de asemenea sub pilotii marginali, ceea ce este in contradictie cu rezultatele masuratorilor. Aceasta diferenta are legatura cu modul in care elementele indepartate ale masivului interactioneaza intre ele in Plaxis 3D si este in afara scopului articolului.

In ceea ce priveste comparativa dintre rezultatele obtinute cu cele doua legi de comportare, se ob­serva o diferenta semnificativa la valoarea frecarii laterale in stratul de baza (aproximativ 20%), ceea ce este in stransa legatura cu diferenta intre tasarile maxime rezultate. Tasarea in centrul fundatiei de­terminata cu legea Hardening Soil este foarte apropiata de valoarea masurata, prin urmare aceasta lege de comportare ofera rezultate mai realiste in domeniul deformatiilor mici, insa tasarea la mar­ginea fundatiei este semnificativ mai mare decat valoarea masurata, prin urmare schimbarea legii de comportare nu are influenta asupra preluarii incarcarilor concentrate.

In calculul efectuat cu programul Midas GTS NX, alura frecarilor laterale este semnificativ dife­rita fata de Plaxis 3D, inregistrandu-se valori foarte mici (local chiar si negative) pe inaltimea pri­melor 3 straturi, inclusiv de-a lungul stratului de nisip cu caracteristici bune intercalat intre cele do­ua straturi compresibile (fig. 7), iar pe stratul de baza se inregistreaza valori foarte mari.

Practic, incarcarile sunt preluate in totalitate pe ultimii 5 m de la baza pilotului, spre deosebire de Plaxis 3D, unde si stratul de nisip contribuie semnificativ la preluarea incarcarilor.

Aceasta diferenta intre programe rezulta din modul in care ele genereaza interfata intre elemente si comportamentul global al masivului. Este de interes efectuarea unor calcule comparative pe configuratii mai simple pentru studierea aprofundata a aspectelor discutate.

 

CONCLUZII

Acest articol a prezentat cateva aspecte principale ale unor studii de caz practice despre un rezervor de gaz fundat pe piloti in conditii geotehnice dificile. Particularitatea proiectului consta in monito­rizarea tasarilor radierului in timpul unei incercari la scara reala (materializate prin umplerea rezervorului cu apa) prin dispunerea a doua inclinometre orizontale ortogonale in radier.

Au mai fost prezentate conditiile, structura si sistemul de fundare a silo­zului, respectiv procesul de proiectare si monitorizare a fundatiei. Proiectarea s-a realizat folosind o metoda simplificata (metoda radierului echivalent), ale carei rezultate au fost confirmate in urma incercarii de proba.

In continuare s-au prezentat sintetic principalele rezultate ale modelarii numerice ulterioare, fol­osind trei programe de calcul si doua legi constitutive pentru pamant. Rezultatele au aratat o dis­persie mare si subliniaza importanta alegerii corecte a parametrilor avansati in modelarile numerice in cazul unor probleme geotehnice complexe.

Datele referitoare la lucrare (studiu geotehnic, planuri si detalii proiect, detalii si rezultate monitorizare) au fost furnizate de catre Soletanche Bachy Pieux, executantul lucrarii.

 

BIBLIOGRAFIE

  1. Starsol® (Avec ou sans ergot T.pile®), Pleu Fore Injecte au Tube Plongeur – Cahier des Charges Particulier. ®Brevets Soletanche-Bachy, Edition n°4 du 01 janvier 2009;
  2. Utter N., Vidil P., Likiernik A., Malachanne E., Étude de la Détermination des Caractéristiques de Résistance au Cisaillement des Sols par la Méthode de Combarieu, 2013;
  3. Szerzo Á., Studiul comportarii fundatiilor mixte pe radier pilotat. Teza de doctorat, Universitatea Tehnica de Con­structii Bucuresti, Bucuresti, 2015;
  4. Obrzud R., Truty A., The hardening Soil Model – A Practical Guidebook. Z_Soil, PC 100701 Report, 2012.

 

Autori:
Árpád Szerző – SC SBR Soletanche Bachy Fundatii SRL
Loretta Batali, Andreea Carastoian – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Hidrotehnica, Departamentul de Geotehnica si Fundatii

 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 167 – martie 2020, pag. 54

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: https://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2020/03/01/rezervor-de-gaz-fundat-pe-teren-dificil-modelare-numerica-si-masuratori-in-situ/

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa de email nu va fi publicata.