Analize de stabilitate a taluzurilor si versantilor prin programe de calcul (I). Studiu comparativ

In prezent, stabilitatea taluzurilor si versantilor se estimeaza teoretic, folosind diferite metode de calcul, sau practic, prin inregistrarea directa a deformatiilor pe teren. Modelarea structurilor geotehnice prin intermediul programelor de calcul, in special taluzuri si versanti, a cunoscut o dezvoltare rapida in ulti­mul deceniu. Programele de calcul sunt impartite in doua mari grupe: programe de calcul ce au inglobate principiile echilibrului limita (M.E.L.) si programe de calcul ce au incorporate procedee de analiza numerica, in special Metoda Elementelor Finite (M.E.F.).

In Romania, la momentul actual, printre cele mai utilizate softuri care pot fi aplicate pentru analiza stabilitatii taluzurilor si versantilor sunt: Geo5, Geostru, Geo-Slope, MidasGTS NX, Midas SoilWorks, Plaxis 2D, Plaxis 3D, Phase2, Abaqus, Cosmos.

La nivel mondial sunt peste 50 de programe care pot fi utilizate in astfel de analize. Lucrarea pune in evidenta influenta mobilizarii rezistentei la forfecare in analizele de stabilitate in cazul masivelor de pamant aflate in panta, prin realizarea unui studiu comparativ pe diferite taluzuri constituite in prima faza dintr-o stratificatie omogena, trecandu-se apoi la cazuri cu masive stratificate, cu proprietati mecanice diferite.

Rezultatele au pus in evidenta ca meto­da elementelor finite, ca varianta de analiza numerica, ofera posibilitatea de modelare a unor masive de pa­mant complexe, alcatuite din materiale cu proprietati fizico-mecanice diferite. Redarea grafica sugestiva permite identificarea zonelor de interes pentru utilizator, iar discretizarea in elemente finite poate oferi rezul­tate in puncte elocvente.

In abordarea problemelor privind mecanica pamanturilor este necesara evaluarea stabilitatii unor masive de pamant cu suprafata inclinata sau estimarea probabilitatii de cedare a acestora.

Primele incercari de analiza matematica si numerica privind stabilitatea masivelor de pamant le-au pus multe probleme inginerilor, sub aspectul rezultatelor ce se obtineau dar si privind la mo­delarea situatiilor specifice si incertitudinile de selectare a proprietatilor pamanturilor care urmau sa se foloseasca in analize.

Este cunoscut faptul ca cedarea masivelor de pamant, versanti si taluzuri, este similara unui pro­ces de forfecare la scara naturala, in care cunoasterea si evaluarea rezistentei si a eforturilor de for­fecare au rol determinant. Rezistenta la forfecare, caracteristica a pamanturilor dependenta de o multitudine de factori, este de asemenea dependenta de stadiul de deformare-deplasare inregistrat la nivelul zonelor de cedare, asimilate ca suprafete potentiale de rupere intr-o problema de analiza a stabilitatii.

Prin urmare, acuratetea metodelor de determinare a parametrilor rezistentei la forfecare, analiza si evaluarea stabilitatii masivelor de pamant au cunoscut o evolutie spectaculoasa in ultimii ani.

Cu toate acestea, in literatura de specialitate s-au raportat multe cazuri de versanti si masive de pamant care au fost analizate si clasificate ca fiind stabile, dar in realitate au cedat producand numeroase pagube [7].

METODE DE ANALIZA A STABILITATII TALUZURILOR SI VERSANTILOR

Estimarea stabilitatii taluzurilor si versantilor se face de regula la doua scari diferite si cu doua sco­puri diferite:

• la scara regionala (zonala), atunci cand pe baza unor cuantificari ale informatiilor calitative si
  cantitative privind alunecarile produse in timp, coroborate cu informatii geomorfologice, stratigrafi-
  ce, hidrogeologice, hidrologice, de folosinta a terenului, a unor studii privind stabilizarea unor lucrari din zona, se propune o harta preliminara a riscului de alunecare pentru diferite amplasamente;
• la scara locala, atunci cand se analizeaza stabilitatea unui amplasament prin metode deterministe, cantitative, care sunt finalizate prin determinarea unui factor de stabilitate, in raport de a carui valoare se ia o decizie tehnica asupra amplasamentului, si eventual asupra metodelor si tehnologiilornecesare pentru asigurarea stabilitatii.

Metode bazate pe echilibrul limita (M.E.L.)

Metodele apartinand acestei categorii admit o ipoteza comuna, conform careia coeficientul de sigu­ranta prezinta o aceeasi valoare constanta pentru orice punct al suprafetei de cedare, conditiile de stabilitate fiind caracterizate printr-o valoare medie a acestuia. Aceste metode considera masa alunecatoare rigid nedeformabila, pentru care starea de echilibru limita are loc simultan intr-o masa de pamant. In fiecare metoda de analiza bazata pe acest concept este considerat un „corp liber”. Acesta este corpul inclinat, separat de restul masei de pamant printr-o suprafata potentiala de rupere, in general denumita suprafata de alunecare. Se presupune ca de-a lungul acestei suprafete masa de pamant se comporta ca un material plastic rigid, ce satisface criteriul de cedare Mohr-Coulomb.

Scopul principal al metodei este de a estima marimea factorului de siguranta pentru „corpul li­ber” delimitat prin suprafata de alunecare. Eforturile de forfecare sunt calculate pe baza fortelor aplicate, iar rezistenta la forfecare este calculata functie de:

1. a) fortele normale, ce actioneaza pe suprafata de alunecare;
2. b) parametrii rezistentei la forfecare ai pamantului.

Metode bazate pe procedee de calcul numeric, ce au in vedere relatia efort – deformatie. Metoda elementelor finite (M.E.F.)

Analiza elasto-plastica a problemelor geotehnice folosind metoda elementelor finite a fost accep­tata pe scara larga de catre cercetatori in urma cu multi ani. Cu toate acestea, utilizarea sa in practi­ca, in analiza stabilitatii versantilor, ramane inca limitata, din cauza complexitatii sale si uneori a datelor insuficiente despre proprietatile terenului studiat. In cazul abordarii corecte a tipului de analiza a stabilitatii versantilor sau taluzurilor prin M.E.F., rezultatele obtinute sunt apropiate de realitate, cu erori mici, oferind o incredere ridicata [2], [3], [8].

Abordarile traditionale, implicand grafice, diagrame, tabele, sunt de multe ori suficiente pentru problemele care implica geometrii simple, clasice. In schimb, abordarea prin M.E.F. este des folosi­ta in cazul in care trebuie rezolvate geometrii complexe sau stratificatia este foarte variata, acestea fiind foarte dificil de analizat prin metode traditionale.

Utilizarea analizei neliniare in practica geotehnica este mai greu de justificat, deoarece exista o crestere semnificativa a complexitatii, in care este necesar ajutorul unui specialist in problemele de modelare. Stabilitatea versantilor si a taluzurilor reprezinta o arie de analiza geotehnica in care o abordare neliniara ofera rezultate mai exacte si superioare ca grad de incredere fata de metodele traditionale. Capacitatile grafice ale programelor care utilizeaza M.E.F. permit o mai buna intelege­re a mecanismelor de cedare, simplitatea de a exporta diagrame, tabele, eforturi etc.

Factorul de siguranta se determina prin tehnica de reducere a rezistentei la forfecare [4], [6], [8]. Aceasta metoda se bucura de mai multe avantaje, inclusiv capacitatea de a estima tensiunile si deformatiile ce apar in elementele de sustinere, cum ar fi: piloti, ancoraje si materiale geotextile.

Tehnica de reducere a rezistentei la forfecare este utilizata in mod sistematic pentru a determina un factor de reducere a efortului (factor de siguranta) care aduce o panta la limita de cedare. Cea mai explicata este abordarea folosind modelul de cedare Mohr-Coulomb. Rezistenta la forfecare redusa, considerand un material cu o comportare de tip Mohr-Coulomb, este descrisa de ecuatia:

unde F este factorul de reducere.

Acest principiu reprezinta baza calculului prin metoda reducerii parametrilor rezistentei la forfe­care a pamantului utilizata in calculul coeficientilor de stabilitate. Reducerea simultana a celor doi parametri ai rezistentei la forfecare este controlata cu ajutorul unui multiplicator (notatie reprezen­tativa pentru programul Plaxis 2D). In timpul calcului acest multiplicator este modificat crescator in cadrul procedurii de calcul iterativ, pana cand se ajunge la o conditie de cedare impusa. In aceste conditii, coeficientul de siguranta este definit ca fiind egal cu valoarea multiplicatorului la momen­tul cedarii. Problema cheie, in cazul metodei de reducere a rezistentei, o reprezinta alegerea criteriu­lui de cedare, de exemplu conectivitatea zonelor plastice, neconvergenta solutiei si evidentierea de­plasarilor in urma analizei (fig. 1).

STUDIU COMPARATIV

Pentru a pune in evidenta scopul urmarit, si anume influenta mobilizarii rezistentei la forfecare in analizele de stabilitate in cazul masivelor de pamant aflate in panta, s-au realizat analize comparati­ve pe diferite taluzuri, constituite in prima faza dintr-o stratificatie omogena, trecandu-se apoi la ca­zuri cu masive stratificate, cu proprietati mecanice diferite (Tabelul 1).

Analizele bazate pe calcule numerice au fost realizate prin intermediul programelor de calcul Plaxis 2D si Phase2 [1], [5], [7]. In cazul analizelor traditionale s-a considerat ca parametrii rezistentei la forfecare se mobilizeaza la aceeasi intensitate pe toata suprafata potentiala de alunecare. Ca metode bazate pe echilibru limita, verificarile s-au realizat prin intermediul programului de calcul GEO5 – modul SlopeStability, metoda Bishop, Fellenius si Janbu.

• Cazul 1. Masiv de pamant cu stratificatie omogena – Analize prin M.E.F

– Analiza cu programul Plaxis 2D

– Analiza cu programul Phase2

• Cazul 1. Masiv cu o stratificatie omogena – calcule bazate pe M.E.L.

In numarul urmator al revistei vom prezenta un exemplu de calcul pentru un masiv de pamant in cuprinsul caruia se regaseste un strat de pamant cu caracteristici de rezistenta diferite fata de masivul omogen (analize prin M.E.F. si calcule bazate pe M.E.L.)

(Va urma)

Autori:
Razvan Mircea Chirila,
Mihai Chirica,
Oana Elena Colt,
Vasile Musat – Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” din Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Departamentul de Cai de Comunicatii si Fundatii

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 181 – iunie 2021, pag. 52