In conformitate cu SR EN 1998-5, evaluarea susceptibilitatii la lichefiere trebuie realizata daca terenul de fundare „contine straturi extinse sau lentile groase de nisip afanat cu sau fara particule fine praf/argila, sub nivelul panzei freatice” [1]. Cele mai des folosite metode pentru a determina aceasta susceptibilitate sunt incercarile de penetrare standard (SPT) sau incercarile de penetrare cu conul (CPT). In continuare sunt prezentate si discutate rezultatele obtinute intr-un amplasament situat in Bucuresti, pe care au fost efectuate: incercari SPT, CPT, dar si incercari de laborator pentru a stabili continutul de parti fine.
Conform SR EN 1998-5:2004, fenomenul de lichefiere este caracterizat de reducerea rezistentei la forfecare si / sau a rigiditatii unui strat de pamanturi necoezive saturate, din cauza cresterii presiunii apei din pori, cauzata de miscari seismice [1]. Lichefierea produce deformatii permanente importante. Nisipurile saturate au tendinta de a se indesa cand sunt supuse la incarcarea ciclica generata de cutremur, astfel ca eforturile normale sunt transferate de la scheletul solid al nisipului la apa din pori [2]. Acelasi standard, SR EN 1998-5:2004, mentioneaza cazurile in care nu este impusa verificarea la lichefiere, respectiv atunci cand acceleratia terenului pentru proiectare ag <0,15 g si daca cel putin una dintre urmatoarele conditii este indeplinita:
- pamanturi nisipoase saturate cu un continut de argila >20% si care au un indice de plasticitate Ip >10%, sau
- pamanturi nisipoase saturate care au un continut de praf >35% si care inregistreaza N1(60) >20
de lovituri/30 cm (valoare rezultata din incercarea SPT normalizata cu energia de batere si cu sarcina geologica) sau - nisipuri curate cu N1(60) >30, in care ag este acceleratia terenului pentru proiectare, ag = aSg, unde:
– a este fractiunea din acceleratia gravitationala, g;
– S este un factor de teren care are valori diferite in SR EN 1998-5 si in Anexa Nationala elaborata
in Romania. Astfel, in Anexa Nationala SR EN 1998-5/NA:2007 [3], valorile factorului S sunt egale cu 1 pentru zonele Z1, Z2 si Z3, asa cum sunt ele definite in Anexa Nationala.
In conformitate cu SR EN 1998-5:2004 [1], evaluarea susceptibilitatii la lichefiere poate fi omisa in cazul cladirilor fundate pe fundatii de suprafata, daca pamanturile nisipoase saturate se afla la adancimi de peste 15 m.
Youd si Perkins [2] au incadrat pamanturile cu potential lichefiabil ca fiind de varsta recenta. Astfel, pamanturile nou formate (umpluturile necompactate sau pamanturile cu o varsta mai mica de 500 de ani) au o probabilitate foarte mare sau mare de a se lichefia. Cele de varsta Pleistocen sau ante-Pleistocen au o probabilitate redusa spre foarte redusa de lichefiere [2].
Incercarile de teren SPT, CPT sau cele de determinare a undelor de forfecare ns, asociate cu determinari ale compozitiei granulometrice sunt preferate incercarilor de laborator [1].
ASPECTE GENERALE ALE ANALIZEI LICHEFIERII
Pentru analiza de lichefiere se calculeaza, in general, un factor de siguranta global, definit ca raportul dintre CRR si CSR, unde CRR este rezistenta la incarcare ciclica normalizata, iar CSR este raportul eforturilor ciclice.
Lichefierea nisipurilor saturate poate fi declansata de diferite combinatii ale raportului eforturilor ciclice uniforme (CSR), care este definit ca raportul dintre efortul unitar tangential ciclic uniform (te) si efortul unitar efectiv initial (s’n0) si numarul de cicluri de incarcare. CSR poate fi calculat cu formula simplificata din ecuatia (1) [2]:
unde:
amax – acceleratia maxima a terenului;
sn0 – efortul normal geologic total;
s’n0 (kPa) – efortul normal geologic efectiv;
rd – factorul de reducere a eforturilor unitare tangentiale, care este functie de adancime si ia valori in domeniul 0,75 – 1, pentru adancimi de max. 20 m. In SR EN 1998-5:2004 formula simplificata (4.4) pentru te nu contine termenul rd, adica a fost considerat rd = 1.
Rezistenta la incarcare ciclica normalizata (CRR) reprezinta valoarea CSR necesara pentru obtinerea lichefierii intr-un anumit numar de cicluri de incarcare (N). Relatia dintre CRR si N poate fi aproximata prin ecuatia (2) [2]:
CRR = aN-b (2)
unde parametrii a si b pot fi determinati prin corelatie cu determinarile experimentale (triaxial, SPT, CPT etc.).
UTILIZAREA INCERCARII SPT PENTRU CARACTERIZAREA LICHEFIERII
Incercarea de penetrare standard (SPT) poate fi utilizata pentru estimarea susceptibilitatii la lichefiere. Are avantajul unui test relativ simplu si utilizat pe scara larga. Principalul dezavantaj il reprezinta caracterul local al incercarii. Ideal ar fi ca aceasta incercare sa fie combinata cu incercari CPT sau de penetrare dinamica, care au un caracter continuu de determinare a rezistentei la penetrare.
Conform SR EN 1998-5:2004, „pentru incercarile SPT, valorile masurate ale indicelui de penetrare NSPT, exprimate in numarul de lovituri/30 cm, trebuie normalizate la o presiune de referinta de 100 kPa si la un raport intre energia de impact si energia teoretica la cadere libera egal cu 0,6. Pentru adancimi mai mici de 3 m s-a convenit a se reduce cu 25% valorile NSPT masurate”.
Se recomanda parcurgerea urmatoarelor etape:
- Normalizarea pentru sarcina geologica se poate realiza prin multiplicare cu factorul (100/s’no)1/2, iar cea pentru energia de batere prin multiplicarea valorii anterioare cu ER/60:
unde:
NSPT – numarul de lovituri SPT/30 cm;
s’no (kPa) – efortul normal geologic efectiv la adancimea la care incercarea SPT a fost realizata si 100 la momentul executiei sale;
– coeficientul de normalizare pentru sarcina geologica, care este recomandat a fi cuprins intre 0,5 si 2.
ER – factorul de energie egal cu de 100 de ori raportul de energie specific echipamentului, CE = ER/60, raportul de energie determinat prin calibrarea echipamentului. Empiric, acest raport variaza intre 0,5 si 1,3, in functie de tipul echipamentului utilizat. ER se determina conform SR EN ISO 22476-3:2005 [4].
In cazul incercarii SPT, Anexa B a SR EN 1998-5 prezinta grafice empirice (fig. 1).
Pentru aplicarea graficelor din figura 1 pentru alte magnitudini, valorile de pe ordonata se inmultesc cu un factor, CM, dat in Tabelul B.1 din SR EN 1998-5:2004.
UTILIZAREA INCERCARII CPT PENTRU CARACTERIZAREA LICHEFIERII
In cazul incercarii CPT, valorile masurate ale rezistentei pe con, qc, trebuie de asemenea normalizate, ceea ce se poate face conform [5] cu formula:
unde:
pa – presiunea atmosferica, considerata la valoarea standard (1.013 mbar);
s’no – efortul vertical efectiv (sarcina geologica efectiva).
Pe baza valorilor corectate se poate utiliza graficul din figura 2(a) pentru determinarea raportului eforturilor ciclice, CSR:
unde:
tmax – efortul tangential ciclic maxim;
tan – efortul tangential mediu ciclic.
Pentru determinarea CRR pe baza rezistentei pe con normalizate se pot utiliza graficele din figura 2(b) [2].
STUDIU DE CAZ
Pentru exemplificarea acestor concepte s-a ales un amplasament situat in Bucuresti, pentru care s-a dispus de mai multe investigatii geotehnice:
- Faza 1 de investigare: 4 foraje geotehnice de 20 – 40 m adancime si incercari de penetrare dinamica standard (SPT), precum si incercari geotehnice de laborator;
- Faza 2 de investigare: 11 incercari de penetrare statica cu conul (CPT) pana la adancimi de 13
– 26 m; - Faza 3 de investigare: 5 penetrari statice cu con executate din groapa existenta pe amplasament,
la adancimi de 5,70 – 12,0 m, 9 penetrari dinamice grele (PDG) executate la adancimi de 6 – 14 m, o penetrare dinamica super grea (PDSG) la adancimea de 14 m.
Pe baza rezultatelor tuturor investigatiilor de teren si de laborator realizate s-a concluzionat ca terenul din amplasamentul studiat este alcatuit din straturi conform Tabelului 1.
Nivelul apei subterane a fost interceptat la adancimi de 5,80 – 14,50 m in foraje, fata de nivelul actual al terenului, respectiv la cote absolute +72,29 ÷ +73,32.
Pentru Unitatea III si orizontul de tranzitie din baza Unitatii II s-a realizat o analiza detaliata a potentialului de lichefiere. De precizat faptul ca, din punct de vedere granulometric, materialele se incadreaza in categoria celor potential lichefiabile conform [6]. In figura 3 sunt reprezentate curbele granulometrice ale probelor prelevate din aceste straturi, fata de limitele zonelor lichefiabile definite in [6], iar in figura 4, rezultatele incercarilor SPT si PDG.
Pentru analiza in conformitate cu SR EN 1998-5:2004 au fost utilizate urmatoarele valori:
- a = 0,30, tip de teren: C, S = 1,15 pentru spectru de tip 1. Rezulta ca aS = 0,35 > 0,15, deci
lichefierea nu poate fi neglijata; - efortul tangential seismic: te = 0,65 a S s’no = 0,65 x 0,30 x 1,15 x s’no;
- rezulta un raport al eforturilor ciclice uniforme CSR = te/s’no = 0,224.
Valorile N1(60) sunt reprezentate in figura 5, unde au fost reprezentate si valori N1(60) rezultate din corelatia cu PDG (cu triunghi). Punctele din stanga curbei (conform fig. 1) sunt in domeniul lichefiabil. Pentru SPT a rezultat o valoare medie N1(60) = 18,2 si CRR = 0,23. Factorul de siguranta fata de producerea lichefierii: Fs = CRR/CSR = 0,23/0,224 = 1,02. Valoarea limita a N1(60) a fost stabilita la aproximativ 18,9. Pana la adancimea maxima de 15 m pana la care lichefierea se poate produce exista doar 6 puncte din Unitatea III pentru care Fs <1.
Daca insa se considera impreuna valorile N1(60) si cele rezultate din corelatiile cu PDG, rezulta o valoare medie mai mare, N1(60) = 23 si CRR = 0,28, respectiv Fs = CRR/CSR = 0,28/0,224 = 1,25. Pentru valorile NSPT rezultate direct din incercari au fost realizate prelucrari si in conformitate cu SR EN 1998-5/NA – Anexa Nationala, adica cu valoarea S = 1, rezultand valorile din figura 6, unde sunt reprezentate valorile minime NSPT pentru care nisipurile din amplasament nu mai sunt expuse riscului de lichefiere. Analizand datele din forajul F1, au putut fi identificate zone cu potential lichefiabil in jurul adancimii de 10 m.
Un punct de discutie este si valoarea acceptata pentru factorul de siguranta (marja de siguranta) care ar trebui adoptata pentru lichefiere. Principial, aplicarea Eurocodurilor presupune utilizarea de coeficienti partiali de siguranta, nu globali, iar in cazul ipotezei seismice (combinatia seismica de incarcari) toti coeficientii sunt egali cu 1. Ceea ce echivaleaza cu un factor de siguranta global unitar. Totusi, in SR EN 1998-5:2004 este precizat ca, in cazul utilizarii unor metode de analiza care se bazeaza pe corelatii intre masuratori in situ si eforturile de forfecare ciclice critice care sunt cunoscute a fi cauzat lichefiere in trecut, se utilizeaza o fractiune l = 0,8, care corespunde unui coeficient de siguranta de 1,25.
Pentru verificare a fost utilizat un program de calcul automat care a dat rezultate asemanatoare cu cele calculate (fig. 7).
Pentru incercarile CPT (cele care au fost relevante pentru analiza) au fost obtinute valorile din Tabelul 2. Dintre CPTurile din Faza 2 se observa 3 valori subunitare ale factorului de siguranta, dintre care 2 in orizontul de tranzitie dintre Unitatea II si III si unul foarte aproape de adancimea maxima. Dintre CPTurile din Faza 3 se observa ca doar 2 puncte dintre cele analizate, ambele facand parte din orizontul de tranzitie, prezinta factor de siguranta la lichefiere subunitar.
CONCLUZII
Analiza de lichefiere trebuie realizata intotdeauna atunci cand amplasamentul este in zona seismica si prezinta materiale nisipoase, saturate, afanate. Articolul a trecut in revista principalele aspecte ce trebuie avute in vedere pentru o analiza in conformitate cu SR EN 1998-5:2004. Pentru studiul de caz prezentat, al unui amplasament din Bucuresti, s-au tras urmatoarele concluzii:
- Materialele necoezive, nisipoase din Unitatea III si din orizontul de tranzitie din baza Unitatii
II prezinta unele caracteristici de materiale lichefiabile asa cum rezulta din prelucrarile efectuate
pe baza analizelor granulometrice si a incercarilor SPT, PDG si CPT efectuate. - Este cunoscut faptul ca zonele periculoase din punct de vedere al lichefierii sunt cele de la adancimi mai mici de 15 m. Analiza realizata pe acest interval de adancimi a identificat cateva puncte izolate cu factor de siguranta la lichefiere subunitar, dar numarul acestora a fost redus.
- Analiza a fost realizata pentru situatia de executie, fara constructie realizata, considerand ca, dat fiind specificul si asimetria amplasamentului, lichefierea s-ar putea produce in zona aval (joasa) imediat in afara amprentei cladirii, ceea ce ar putea conduce la o pierdere de stabilitate a acesteia, mai ales ca diagramele de presiuni pe teren pentru SLU cu seism arata ca exista presiuni foarte mici sau chiar negative pe marginile si colturile cladirii.
- Aceste concluzii tin cont si de faptul ca executia subsolurilor se va face in sapatura deschisa sau semi-deschisa, fara pereti ingropati pe contur.
BIBLIOGRAFIE
[1] Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 5: Fundatii, structuri de sustinere si aspecte geotehnice, SR EN 1998-5:2004;
[2] Idriss, I. M., Boulanger, R. W., Lichefierea pamanturilor in timpul cutremurelor, Editura Politehnica Timisoara, 2010;
[3] Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 5: Fundatii, structuri de sustinere si aspecte geotehnice. Anexa Nationala, SR EN 1998-5:2004/NA:2007;
[4] »*» Cercetari si incercari geotehnice. Incercari pe teren, Partea 3: Incercarea de penetrare standard, SR EN ISO 22476-3:2006;
[5] Lunne, T., Robertson, P. K., Powell, J. J. M., Cone penetration testing in geotechnical practice, CRC Press, 1997;
[6] »*» Tabele, grafice si formule pentru proiectarea fundatiilor, ICB, 1979.
(Lucrare prezentata in cadrul celei de-a XIV-a Conferinte Nationale de Geotehnica si Fundatii CNGF, Bucuresti, 2-3 iunie 2021)
Autori:
s.l. univ. dr. ing. Ioan Boti,
prof. univ. dr. ing. Loretta Batali – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti
…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 189 – martie 2022, pag. 56
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!
Lasă un răspuns