Proiectarea si construirea cladirilor trebuie sa porneasca intotdeauna de la cunoasterea in profunzime a naturii si comportamentului terenului de fundare. Acest teren de fundare este constituit dintr-o multitudine de strate; in mod general, intr-o succesiune depozitionala neintrerupta, depozitele din baza se vor consolida sub incarcarea stratelor mai tinere, de deasupra. Aceste pamanturi vor fi normal consolidate. In trecutul geologic au existat insa conditii pentru erodarea partii superioare. Argilele ramase neerodate pot avea caracteristici de compresibilitate care nu mai sunt in concordanta cu greutatea incarcarii la care sunt supuse in momentul actual, iar depozitele argiloase ramase vor fi supraconsolidate. Timpul este un factor foarte important in consolidarea acestor tipuri de pamant. Majoritatea argilelor mai vechi decat cuaternarul sunt supraconsolidate. Problema o reprezinta faptul ca argile de varsta cuaternara genereaza tasari mult mai mari la aceleasi incarcari decat argilele precuaternare.
In cele ce urmeaza, vom prezenta un studiu de caz in aceasta directie realizat pe un amplasament din judetul Sibiu. Aici, pentru determinarea valorii raportului de supraconsolidare (OCR), am efectuat o serie de incercari edometrice de compresiune – consolidare, in vederea stabilirii valorii presiunii efective maxime la care pamantul a fost supus pe timpul evolutiei sale (σ’p). A fost realizat un program de calcul in QT Creator utilizand limbajul de programare C++, prin care se determina valoarea presiunii de preconsolidare (σ’p) folosind metoda bisectoarei. O parte din rezultatele obtinute in urma interpretarilor facute cu programul de calcul s-au incadrat in marja valorilor asteptate din punct de vedere geologic, ceea ce valideaza partial metoda, abordarea si interfata de calcul.
Raportul de supraconsolidare (OCR) reprezinta un parametru-cheie din punct de vedere geotehnic pentru a aprecia comportamentul de lunga durata al pamanturilor din zonele active ale cladirilor, supuse la compresiune. Coeficientul, definit ca raport intre presiunea de preconsolidare maxima (σ’p) si presiunea geologica curenta (σ), descrie formarea si evolutia terenului de fundare. In cazul pamanturilor argiloase, OCR are o influenta semnificativa asupra parametrilor de compresibilitate, modulului de deformatie edometrica si liniara, respectiv asupra distributiei starii de tensiuni in masivul de pamant. In functie de valorile OCR, pamanturile se clasifica in cinci categorii:
- subconsolidate – OCR < 1;
- normal consolidate – OCR ≈ 1;
- usor supraconsolidate – OCR intre 1÷2;
- moderat supraconsolidate – OCR intre 2÷4;
- puternic supraconsolidate – OCR > 4.
Metoda bisectoarei
Definirea OCR a fost propusa de Casagrande in 1936 [1] si implica o determinare edometrica pe probe netulburate. Trasand un grafic cu axele definite de indicele porilor (e), respectiv valoarea treptelor de incarcare (log σ), valoarea presiunii de preconsolidare maxima (σ’p) se poate calcula prin metoda grafica denumita metoda bisectoarei.
Pentru a determina valoarea σ’p sunt necesari urmatorii pasi:
- pe curba de compresiune – porozitate se alege punctul de curbura maxima (in care raza cercului inscris e minima), punctul A pe figura;
- se traseaza o tangenta la curba prin punctul A;
- se traseaza o orizontala la curba prin punctul A;
- se traseaza bisectoarea unghiului format in punctul A;
- se identifica zona in care curba de compresiune – porozitate devine liniara, si se prelungeste printr-o dreapta;
- din punctul de intersectie al dreptei prelungite cu bisectoarea unghiului format se coboara o verticala pe axa treptelor de incarcare si se determina valoarea presiunii de preconsolidare maxime (σ’p).
Metoda de determinare utilizand incercarea CPT
OCR se poate determina in situ in baza rezultatelor incercarii de penetrare statica cu con (CPT), utilizand relatia:
unde:
- k – coeficient de supraconsolidare (cu valori intre 0,2÷0,5);
- qc – rezistenta la inaintare a conului;
- σvo – presiunea geostatica verticala.
O sinteza bibliografica asupra unor studii comparative ale determinarilor din teren cu determinarile din laborator a relevat o serie de aspecte interesante.
Studiul [2] efectuat in Ungaria, pe argilele din zona Dunaújváros, a concluzionat ca la calculul OCR folosind incercarea CPT valoarea acestuia scade semnificativ in adancime, pe primii 3 m inregistrandu-se valori anormal de mari din cauza rezistentei ridicate la inaintare a conului. Concluzii similare s-au desprins si din studiul [3] efectuat in Lituania, pe argile nisipose prafoase in zona satului Strepeikų. Comparand rezultatele din laborator cu determinarile din teren, studiul sugereaza o alegere a valorii coeficientului k intre 0,2 si 0,25 pentru determinarea OCR utilizand incercarea CPT.
NECESITATEA DETERMINARII OCR. STUDIU DE CAZ SURA MICA
OCR – perspectiva geotehnica
Din punct de vedere geotehnic, determinarea OCR este importanta pentru:
- Calculul tasarii: trasarea curbelor de compresiune – porozitate corecte permite determinarea indicilor de compresibilitate aferenti portiunilor de curba inainte si dupa presiunea de preconsolidare; acest lucru conduce la un calcul mai exact al valori tasarii;
- Identificarea argilelor supraconsolidate cu comportament specific de argile glomerulare: prin decomprimare, aceste argile supraconsolidate fisureaza din cauza atingerii rezistentei la intindere, prezentand ulterior un comportament specific necoeziv, cu coeziuni cu valori modeste, unghi de frecare interna relativ mare si permeabilitate mare.
OCR – perspectiva geologica
Amplasamentul studiat este situat in nord-vestul Depresiunii Sibiu, o depresiune submontana de contact structural si morfologic aflata la sud de Muntii Cindrel, formata prin adancirea retelei hidrografice in depozite miocene. Astfel, in partea mediana si superioara, depresiunea este sapata in depozite pannoniene, pe cand treimea din aval – in depozite badeniene [4]. In cadrul depresiunii se pot recunoaste trei trepte de relief: colinara (inspre munte), a campiei piemontane si cea de lunca. Luncile sunt largi si pot suferi local inmlastiniri. Din punct de vedere geologic, peste fundamentul depresiunii urmeaza depozite eocene (calcare), miocene si cuaternare [5]. Pannonianul (Miocenul superior) afloreaza pe marginile depresiunii si cuprinde in baza argile marnoase cenusii iar in partea superioara nisipuri cu pietrisuri local cu frecvente concretiuni.
Depozitele cuaternare acopera in cea mai mare parte depresiunea. Pleistocenul este reprezentat de nisipuri si pietrisuri, argile nisipoase (terasele raurilor, depozite deluviale-coluviale). Holocenul este reprezentat de pietrisuri si nisipuri (terasele joase) si depozitele sesului aluvial (pietrisuri, nisipuri, argile). Depresiunea Sibiului a functionat incepand aproximativ din Cretacicul superior ca o zona de inecare ce s-a accentuat in timpul Paleogenului si Neogenului. Sedimentele depresiunii au o structura de tip sinclinal.
In forajele realizate au fost interceptate sub terenul vegetal strate de argila / argila nisipoasa / argila prafoasa / praf, galbui/cenusii, de factura moale-consistenta, contractile active, compresibile, cu grosimi intre 4,00 m – 5,10 m, local cu o lentila mai nisipoasa in baza de aproximativ 0,90 m grosime. Acestea sunt urmate de argila prafoasa nisipoasa / argila nisipoasa / praf argilos cenusiu verzui, moale-consistenta, contractila activa, compresibila, cu grosimea de 6,20 m.
In forajul mai adanc urmeaza un strat de mal cenusiu negricios verzui, moale-consistent, contractil activ, foarte compresibil, cu o grosime de 6,80 m.
Succesiunea intalnita in foraje este de varsta cuaternara, formata din sedimente acumulate intr-o zona joasa, cu slaba circulatie a apei (anoxica, cu argile si maluri cenusii). Desi, dupa culoare, depozitele intalnite in foraje se aseamana pannonianului (cenusii), in ce priveste consistenta sunt total diferite. Prezenta depozitelor cu aspect malos inspre adancime confirma varsta cuaternara, deoarece nu exista maluri mai vechi decat cuaternarul [6].
Din punct de vedere al raportului de supraconsolidare (OCR) argilele analizate pot sa fie cel mult usor supraconsolidate. Un raport de supraconsolidare mai mare nu se justifica din punct de vedere geologic. Daca, in schimb, argilele ar fi fost mai vechi decat cuaternarul, foarte probabil ca OCR ar avea o valoare mai mare de 2. Ridicarea produsa in Pliocen a determinat o puternica eroziune in Bazinul Transilvaniei. Unele studii apreciaza ca au fost erodate cel putin 500 m de depozite, local grosimea depasind chiar 1.000 m [7].
INCERCAREA EDOMETRICA CONFORM STAS 8942/1 – 89
Pentru determinarea caracteristicilor de compresibilitate si stabilirea presiunii de preconsolidare s-a efectuat o incercare de compresiune – tasare conform STAS 8942/1 – 89 [8]. Etapele incercarii sunt urmatoarele:
- se aplica o treapta de preincarcare de 5÷25 kPa in functie de consistenta pamantului si se mentine timp de 30 de minute;
- se aduce ceasul comparator la pozitia „0”, se aplica o treapta de incarcare si se porneste cronometrul;
- o treapta de incarcare poate avea urmatoarele valori: 10, 20, 50, 100, 200, 300, 500, 1000 kPa;
- se masoara tasarile probei sub fiecare treapta de incarcare la 1 min, 30 min, 1h, 2h, 4h, 8h, iar dupa acest interval, din ora in ora. Tasarea se considera consumata sub o treapta de incarcare daca la 3 citiri consecutive la intervale de o ora nu apar diferente mai mari de 0,01 mm pe ceasul comparator.
PROGRAMUL DE CALCUL
Principiile matematice
Principala necunoscuta pentru definirea OCR in urma incercarii edometrice este determinarea valorii presiunii de preconsolidare maxime (σ’p). Fiind o metoda grafica, atribuirea punctului de curbura minima, precum si trasarea tangentei la aceasta pot implica greseli de apreciere, care influenteaza valoarea σ’p rezultata. Obiectivul a fost gasirea unei solutii matematice si automatizate care sa uneasca perechile de puncte rezultate in urma determinarii de laborator, iar functia astfel obtinuta sa fie parcursa punct cu punct, pentru determinarea curburii. Curbura curbei plane este rata de rotatie a unghiului de directie tangenta a unui punct pe o curba, definita prin diferenta pentru a indica gradul de curba care deviaza de la linia dreapta.
Programul de calcul are o implementare bazata pe C++ si OpenGL (Open Graphics Library). Pentru a trasa o functie intre perechile de puncte formate din treptele de incarcare (σ0) si valorile tasarii (s) s-a folosit o schema locala de interpolare trigonometrica/hiperbolica tip Overhauser [5], cu parametrizarea exponentiala a lungimilor de arc si parametrul de forma alfa = 0,2, conform figurii 3.
Pentru interpolarea unei secvente de puncte date s-a folosit un numar Cn de curbe Overhauser de tip „spline” generalizate, trigonometrice sau hiperbolice (in functie de necesitatile de a se plia pe pozitia perechilor de puncte obtinute din incercarea edometrica), de ordinul n + 1 (n ≥ 1). Arcele rezultate intre puncte au fost calculate local, fara rezolvarea sistemului liniar de ecuatii, domeniul acestora depinzand de parametrul global de forma (alfa) al curbei „spline” de interpolare. Pentru fiecare trei perechi consecutive de puncte s-a construit un arc de interpolare local, eliptic sau hiperbolic, descris ca o curba de tip B, trigonometrica/hiperbolica de ordinul 1. Au rezultat doua subdiviziuni de arce (stanga/dreapta), care au fost mediate printr-o functie trigonometrica/hiperbolica. Aceasta metoda asigura o ordine arbitrara a continuitatii functiei la punctele de capat considerate.
Determinarea OCR
Presiunea geologica curenta (σ) s-a determinat conform valorilor indicate in Tabelul 1, acestea fiind preluate din studiul geotehnic efectuat pe amplasament. Pozitia forajelor este conform figurii 4. Amplasamentul fiind plan, s-au intalnit aceleasi strate de pamant, presiunea geologica actuala fiind aproximativ egala in punctele studiate.
Interfata programului permite introducerea pe doua coloane a valorilor indicelui porilor (e) si a treptelor de incarcare (ln σ) intr-un fisier cu extensie .txt. Aplicatia va trasa punctele functiei σ-e, dupa care le va uni folosind baza matematica prezentata mai sus. Se indica pozitia punctului de curbura minima (verde deschis in fig. 5, 6 si 7), precum si valoarea numerica a curburii in acest punct. Se identifica zona unde diagrama devine liniara si se prelungeste (linie intrerupta in fig. 5, 6 si 7), pana intersecteaza bisectoarea formata in punctul de curbura minima (punctul verde inchis in fig. 5, 6 si 7). Programul genereaza atat coordonatele punctului de intersectie cat si valoarea exponentiala a proiectiei pe axa orizontala (ln σ), aceasta corespunzand valorii presiunii de preconsolidare maxima (σ’p).
- Forajul S2 P2 – adancimea -4,00 m (fig. 5)
– Presiunea geologica curenta: σ = 76,24 kN/m2
– Presiunea de preconsolidare maxima: σ’p = 144,19 kN/m2
– Raportul de supraconsolidare: OCR = σ’p/σ = 1,89 – usor supraconsolidat
- Forajul S5 P2 – adancimea -4,00 m (fig. 6)
– Presiunea geologica curenta: σ = 76,48 kN/m2
– Presiunea de preconsolidare maxima: σ’p = 144,95 kN/m2
– Raportul de supraconsolidare: OCR = σ’p/σ = 1,90 – usor supraconsolidat
- Forajul S6 P2 – adancimea -2,50 m (fig. 7)
– Presiunea geologica curenta: σ = 46,83 kN/m2
– Presiunea de preconsolidare maxima: σ’p = 117,73 kN/m2
– Raportul de supraconsolidare: OCR = σ’p/σ = 2,51 – moderat supraconsolidat
Rezultatele obtinute pe probele analizate se regasesc in Tabelul 2.
CONCLUZII
In urma incercarilor efectuate si a analizarii datelor din programul propus pentru probele extrase de la adancimi mici, de 2,00-2,50 m, valorile raportului de supraconsolidare sunt mai ridicate decat rezultatele asteptate, conform evaluarii geologice. La adancimi mici determinarea OCR este dificila, indiferent de metoda, studiul [2] intampinand aceleasi probleme in cazul determinarilor efectuate, bazate pe rezultatele obtinute din determinarea CPT. La probele de la adancimea de -4,00 m valorile OCR se situeaza in intervalul preconizat, chiar daca tind spre limita superioara a incadrarii in categoria pamanturilor usor supraconsolidate. Avand in vedere rezultatele satisfacatoare ale aplicatiei in cazul probelor de la adancimi mai mari de 4,00 m, valoarea OCR pentru probele aflate in partea superioara a forajului se poate determina prin calcul invers, cu ajutorul presiunii geologice actuale.
BIBLIOGRAFIE
[1] Casagrande, A., The determination of pre-consolidation load and its practical significance, in Proceedings of the 1st International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 22–26 June 1936, Harvard University, Cambridge, 3: 60–64. (1936);
[2] Józsa, V., Empirical correlations of overconsolidation ratio, coefficient of earth pressure at rest and undrained strength, in 2 CJRCE – Second Conference of Junior Researchers in Civil Engineering, 17–18 June 2013, Budapest, Hungary, 88–92. (2013);
[3] Urbaitis, D.; Lekstutytë, I.; Gribulis, D., Overconsolidation ratio determination of cohesive soil, Proceedings of 13th Baltic Sea Geotechnical Conference: 108-113 (2016);
[4] Pop, Gr., Depresiunea Transilvaniei. Edit. Presa Universitara Clujeana, Cluj (2012);
[5] Krezsek, Cs., Bally, A. W., The Transylvanian Basin (Romania) and its relation to the Carpathian fold and thrust belt: Insights in gravitational salt tectonics. Elsevier, Marine and Petroleum Geology 23, pp. 405-442 (2006);
[6] Florea, M., Mecanica rocilor. Edit. Tehnica, Bucuresti (1983);
[7] Sanders, C. A. E., Huismans, R., van Wees, J. D., Andriessen, P., The Neogene history of the Transylvanian Basin in relation to its surrounding mountains. EGU Stephan Mueller Special Publication Series 3, pp. 121–133. (2002);
[8] STAS 8942/1 – 89 Teren de fundare. Determinarea compresibilitatii pamanturilor prin incercarea in edometru;
[9] Juhász I, Róth Á, 2013 A scheme for interpolation with trigonometric spline curves (Journal of Computational and Applied Mathematics, 263, 2014, 246-261).
Autori:
Denisa-Maria Pasca, Andor-Csongor Nagy, conf. dr. ing. Nicoleta-Maria Ilies,
conf. dr. ing. Vasile-Stelian Farcas – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca
Calin Bruchental – Universitatea Babes-Bolyai
(Lucrare prezentata in cadrul celei de-a XIV-a Conferinte Nationale de Geotehnica si Fundatii CNGF, Bucuresti, 2-3 iunie 2021)
…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 195 – septembrie 2022, pag. 50
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