Eficienta metodelor de imbunatatire a pamanturilor sensibile/active in raport cu apa

Problematica pamanturilor improprii construirii, si – dintre acestea – a celor sensibile/active in raport cu apa nu mai poate fi ignorata in prezent, cand tot mai multe astfel de pamanturi ajung sa fie folosite ca teren de fundare pentru constructii de mai mica sau mai mare dimensiune si importanta, asupra carora – daca nu sunt pregatite corespunzator – pot avea efecte dezastruoase.  Acesta este motivul pentru care, in continuare, vom face o sinteza a cercetarilor pe care le-am efectuat in domeniul imbunatatirii terenurilor dificile de fundare. Un accent deosebit il punem pe imbunatatirea pamanturilor sensibile la umezire (PSU) si a pamanturilor cu umflari si contractii mari (PUCM), prezentand aspecte teoretice, incercari de laborator si studii de caz cu aplicatii ale rezultatelor cercetarilor. Toate acestea demonstreaza practic faptul ca nu exista reteta unica pentru imbunatatirea pamanturilor si, astfel, subliniaza necesitatea incercarilor de laborator ca si a poligoanelor experimentale.

Pamanturi active in raport cu apa sunt considerate pamanturile sensibile la umezire (PSU) [1], respectiv loess-urile si pamanturile loessoide, precum si pamanturile cu umflari si contractii mari (PUCM), respectiv pamanturile argiloase [2]. Acestea intra in categoria terenurilor dificile de fundare. PSU se taseaza suplimentar la umezire, sub greutate proprie si/sau sub actiunea incarcarilor transmise de fundatie si devin terenuri foarte compresibile. PUCM isi modifica ciclic volumul la schimbari ale umiditatii, marindu-si volumul la cresterea umiditatii si contractandu-se atunci cand aceasta umiditate scade.

Metode de imbunatatire a terenurilor dificile de fundare

 Metodele de imbunatatire a pamanturilor sunt intr-un continuu progres, atat cantitativ cat si calitativ, ca rezultat al dezvoltarii de tehnologii noi dar si al constientizarii avantajelor economice si a celor privitoare la protectia mediului prin utilizarea unor abordari moderne.

Pentru utilizarea pamanturilor active in raport cu apa la realizarea terasamentelor este necesara imbunatatirea proprietatilor lor fizice si mecanice . Astfel, in cazul PSU se urmareste reducerea/eliminarea ireversibila a tasarii suplimentare la umezire (prin micsorarea porozitatii), precum si imbunatatirea caracteristicilor mecanice (compresibilitate si rezistenta la forfecare). In cazul PUCM se urmareste reducerea/eliminarea potentialului de contractie – umflare si imbunatatirea caracteristicilor mecanice (reducerea presiunii de umflare si cresterea rezistentei la forfecare). Aceste obiective pot fi obtinute prin imbunatatirea in masa a terenurilor prin diferite amestecuri si prin compactare. In acest sens, pentru obtinerea unor rezultate optime sunt necesare activitati pregatitoare in laborator si in poligoane experimentale.

Incercari de laborator pe probe compactate

Un pas hotarator pentru realizarea in conditii optime a unor terenuri cu proprietati imbunatatite prin compactare si/sau prin amestec il reprezinta determinarea parametrilor optimi de compactare (umiditate, densitate si energie de compactare). Corelarea exacta intre caracteristicile de compactare obtinute in laborator cu cele din teren se realizeaza, in general, intr-un domeniu care se stabileste, asa cum este bine cunoscut, prin incercarea Proctor (rdmax si woc).

In practica curenta, verificarea terenurilor compactate se realizeaza cu ajutorul gradului de compactare (D = (rd/rdmax)*100, %). In functie de natura pamantului si tipul terenului ce va fi imbunatatit prin compactare, precum si de importanta si functia ce urmeaza a o indeplini constructia de pamant, se recomanda valori ale gradului de compactare, D, intre 95 – 100 %, de regula realizate pentru umiditati in domeniul woc ± 3% (fig. 1.a).

Fig. 1: Evaluarea caracteristicilor de compactare: a. caracteristicile optime de compactare pentru D ≥ 95%; b. evidentierea „zonei acceptabile” [1]; c. variatia densitatii in stare uscata pe inaltimea unei probe [3]

 Metodologia de realizare a cercetarilor proprii a pornit de la recomandarea cercetatorilor Daniel si Benson [3], privind stabilirea caracteristicilor optime ale materialelor compactate, care consta in determinarea proprietatilor fizice si mecanice urmarite pe mai multe probe compactate in laborator (probe cu diferite umiditati si densitati in stare uscata) si stabilirea unei „zone acceptabile” pentru toate proprietatile studiate (fig. 1.b) [4].

In urma incercarilor de laborator pe probele de loess compactat s-a observat ca exista diferente ale densitatii in stare uscata pentru esantioanele utilizate. Aceste diferente au aparut cu toate ca esantioanele analizate au provenit din aceeasi proba, fiind insa prelevate de la cote diferite (fig. 1.c). De aici rezulta ca densitatea in stare uscata obtinuta din incercarea Proctor este una medie, ea variind pe inaltimea cilindrului compactat [5].

IMBUNATATIREA PAMANTURILOR ACTIVE IN RAPORT CU APA

In Laboratorul de Geotehnica si Fundatii al Universitatii Tehnice de Constructii Bucuresti au fost propuse, realizate si studiate mai multe programe experimentale urmarind obtinerea unor amestecuri ecologice (cu materiale naturale si deseuri inerte) astfel incat terenurile considerate dificile de fundare (PSU/PUCM) sa devina terenuri „bune de fundare”.

Cercetari privind imbunatatirea PSU

1. Amestecuri PSU cu materiale minerale naturale (nisip, bentonita) [5]

Au fost propuse diverse amestecuri de PSU cu diferite materiale minerale naturale, in vederea eliminarii sensibilitatii la umezire, a imbunatatirii parametrilor geotehnici de comportament mecanic si a limitarii permeabilitatii. In acest scop au fost propuse o serie de amestecuri de PSU cu nisip 1-2 mm (Un = 1.5) si PSU cu nisip si cu adaos de bentonita sub forma de pulbere in doua variante de realizare a amestecului: Amestec 1: 80% loess + 20% nisip (1-2 mm); Amestec 2: 60% loess + 40% nisip (1-2 mm); Amestec 3: 50% loess + 40% nisip (1-2 mm) + 10% bentonita pulbere; Amestec 4: 50% loess + mixtura din (40% nisip (1-2 mm) + 10% bentonita pulbere), ultimele doua amestecuri diferind prin modul de realizare. In primul caz au fost amestecate toate cele trei materiale concomitent, dupa care au fost aduse la diferite umiditati in vederea realizarii incercarii Proctor normal. In cazul ultimului amestec, mai intai a fost mixat nisipul cu bentonita odata cu un adaos de apa, dupa care a fost lasat la uscat si mixtura astfel obtinuta a fost amestecata si cu PSU.

Daca in cazul amestecului 3 diagrama Proctor prezinta un maxim (rdmax, wopt), in cazul amestecului 4, aceeasi stare de indesare a fost obtinuta pentru valori ale umiditatii cuprinse intre 11% si 15% (fig. 2). Avand in vedere ca in procesul de compactare la scara reala umiditatea joaca un rol esential, ultima observatie referitoare la amestecul 4 este importanta deoarece permite compactarea la valori ale umiditatii care se regasesc in domenii mai mari.

Sinteza rezultatelor incercarilor de compresibilitate in edometru a indicat ca valori similare ale modului edometric Eoed 200-300 pot fi obtinute pentru valori mai mici ale umiditatii, dar la o stare de indesare mai buna pe probele cu adaos de 20% nisip, comparativ cu probele medii de loess. Aceasta tendinta dispare odata cu cresterea procentului de nisip din amestec. In cazul amestecului cu bentonita, se poate observa ca valori aproximativ egale ale modulilor edometrici pot fi obtinute la o stare de indesare mai buna decat in cazul probei medii de loess dar mai redusa decat in cazul amestecurilor cu nisip in diferite proportii, aspect confirmat de asemenea si de valorile obtinute in urma realizarii incercarilor Proctor.

2. Amestecuri PSU cu lianti hidraulici (ciment) [6]

 Programul experimental a urmarit obtinerea unui amestec optim de loess cu ciment, in vederea desensibilizarii in raport cu apa. In acest scop au fost realizate mai multe metode de amestec al PSU cu diferite procente de ciment: Metoda 1 (M1): PSU a fost amestecat cu apa, hidratat 24 h, apoi amestecat cu ciment (2%, 4%, 6%) si compactat imediat; Metoda 2 (M2): PSU a fost amestecat cu ciment (4%), apoi amestecat cu apa, hidratat 24 h si compactat; Metoda 3 (M3): PSU a fost amestecat cu ciment (6%), apoi amestecat cu apa si compactat imediat.

Rezultatele obtinute din incercarile Proctor au aratat ca metoda 2 de amestec nu este eficienta. In ceea ce priveste valorile modulului edometric, acesta a inregistrat niveluri similare in cazul ambelor metode utilizate. De asemenea, a fost determinata si rezistenta la compresiune a probelor obtinute prin cele doua amestecuri (fig. 3.b), rezultand valori semnificativ mai mari pentru cele care au fost realizate utilizand metoda 3 de realizare a amestecului.

Cercetari privind imbunatatirea PUCM

1. Amestecuri PUCM cu materiale granulare (zgura, nisip cu pietris, pietris) [7]

Programul experimental isi propune sa determine solutia optima de imbunatatire a PUCM (material local) cu materiale granulare astfel incat sa fie asigurata stabilitatea unui amplasament pe care urmeaza sa se construiasca un depozit ecologic de deseuri. Conform [2], materialul analizat se incadreaza in grupul pamanturilor active in raport cu apa (PUCM), in categoria 4d, respectiv a pamanturilor cu „calitate rea” pentru terasamente. Pentru desensibilizarea PUCM s-au propus urmatoarele amestecuri de PUCM cu materiale granulare: Amestec 1: PUCM + 10%, 20% si 40% zgura (nisip de turnatorie); Amestec 2: PUCM + 10%, 30% si 50% nisip cu pietris; Amestec 3: PUCM + 30% si 40% pietris (d = 5-8 mm).

Pe probele din jurul parametrilor optimi de compactare, s-au determinat valori ale presiunii de umflare, ale parametrilor rezistentei la forfecare, ale modulilor edometrici si valori ale umflarii specifice initiale sub treapta de contact. Pe baza incercarilor de laborator s-au constituit grafice de variatie a umflarii si a presiunii de umflare in functie de diferenta de umiditate fata de umiditatea optima de compactare. In urma amestecului dintre 90% argila si 10% zgura, din fig. 4 reiese ca atat umflarea initiala cat si presiunea de umflare inregistreaza valori foarte mari, chiar mai mari decat valorile inregistrate pe materialul natural, comportament justificat prin prisma faptului ca efectul compactarii este mai mare decat efectul desensibilizarii (rdmax creste de la 1,62 g/cm³ la 1,68 g/cm³). Astfel de grafice constituie un suport solid pentru stabilirea solutiei tehnologice utilizate in lucrare.

2. Amestecuri PUCM cu minerale granulare si lianti hidraulici [8]

Programul experimental isi propune sa gaseasca solutia tehnica optima pentru construirea unei platforme industriale localizate intr-o zona inundabila din lunca Dunarii. In urma unor studii hidrologice s-a impus construirea tuturor obiectelor tehnologice pe o perna de material compactat cu o inaltime de minimum 2.0 m cu scopul de a depasi nivelul de inundabilitate al zonei. Studiul geotehnic arata ca terenul de fundare intra in categoria terenurilor dificile de fundare, fiind alcatuit din straturi foarte compresibile si PUCM. Pentru realizarea pernei de material compactat s-a dorit utilizarea unui material local identificat ca argila prafoasa, care prezinta presiuni de umflare de 120 kPa. Pentru a reduce activitatea in raport cu apa a materialului de adaos s-au propus urmatoarele amestecuri: Amestec 1: PUCM + 16.7%, 26.7% si 36.7% nisip (N); Amestec 2: PUCM + 1.5%, 2.5% si 3.5% liant hidraulic 1 (D); Amestec 3: PUCM + 1.5%, 2.5% si 3.5% liant hidraulic 2 (C) (fig. 5) [6].

 Pentru a stabili amestecurile optime, s-a determinat presiunea de umflare pe toate probele din jurul optimului de compactare si s-au intocmit grafice de variatie a presiunii de umflare fata de umiditatea optima de compactare in cazul amestecurilor 1 si 3. In cazul amestecului 2 s-a observat ca materialul rezultat nu mai prezinta presiune de umflare, devenind inactiv in raport cu apa.

 Pentru validarea incercarilor de laborator in conditii de teren, s-au realizat poligoane experimentale cu urmatoarele amestecuri: Poligonul 1: PUCM + 30% N, Poligonul 2: PUCM + 2.5% D si Poligonul 3: PUCM + 2.5% C.

Timpul de reactie a liantilor hidraulici cu materialul de umplutura a fost studiat in cadrul unor cercetari anterioare pe probe de PSU si PUCM (fig. 7). S-a observat ca prin adaos de var nestins creste temperatura amestecurilor pana la 41…43°C, iar umiditatea materialului scade cu 5…8%. Modificarile de temperatura si umiditate se produc imediat ce varul nestins intra in contact cu pamantul umed, ceea ce conduce la situatia ideala in care nu este nevoie de un timp de asteptare intre etapa de imprastiere a liantilor hidraulici, amestecul si compactarea materialelor in teren [9].

Punerea in opera a amestecurilor de pamant

Materialele rezultate in urma amestecurilor de pamant se compacteaza in straturi cu grosimea maxima de 30 cm pentru grosimi/inaltimi totale de 1,0…5,0 m. Utilajele si variantele tehnologice de compactare difera in functie de natura pamantului care trebuie compactat, si anume: compactare prin cilindrare (pentru pamanturi coezive) si compactare prin cilindrare + vibrare (doar in cazul pamanturilor necoezive).

Etapele realizarii unei perne de material compactat sunt: imprastierea pamantului natural, eliminarea bulgarilor / faramitarea (in special in cazul PUCM), nivelarea cu autogrederul, imprastierea materialelor de adaos, nivelarea cu autogrederul (in cazul amestecurilor cu materiale granulare), amestecarea materialelor in plan vertical cu mixerul, nivelarea cu autogrederul, compactarea cu cilindrul cu came si apoi compactarea cu cilindrul lis. Pernele din material compactat se realizeaza in straturi, iar grosimea fiecarui strat, utilajul de compactare si numarul de treceri ale utilajului de compactare se stabilesc in urma testelor intr-un poligon experimental. Pentru fiecare strat de material pus in opera se efectueaza compactarea pe sectoare si se preleveaza probe pentru determinarea densitatii (a gradului de compactare) la partea superioara, la mijloc si la partea inferioara a fiecarui strat din fiecare sector compactat. Pe baza valorilor obtinute se intocmesc grafice de variatie a gradului de compactare in functie de numarul de treceri ale utilajului de compactare (fig. 8). Solutia optima de realizare a pernei de material compactat imbunatatit se stabileste in functie de caracteristicile optime de compactare rezultate in laborator si gradul de compactare optim obtinut in cadrul poligoanelor experimentale.

CONCLUZII

Conform incercarilor proprii – din care a fost prezentata o sinteza a rezultatelor obtinute -, s-a confirmat ca nu exista o reteta unica pentru imbunatatire, iar stabilirea unei solutii optime trebuie fundamentata prin incercari de laborator si confirmata prin poligoane experimentale. In acest sens, in fig. 9 am sintetizat etapele de realizare a unor astfel de cercetari.

BIBLIOGRAFIE

[1] *** NP 125 – Normativ privind fundarea constructiilor pe pamanturi sensibile la umezire, Bucuresti (2010);

[2] *** NP 126 – Normativ privind fundarea constructiilor pe pamanturi cu umflari si contractii mari, Bucuresti (2012);

[3] DANIEL D., BENSON C., Water content-density criteria for compacted soil liners. Journal of Geotechnical Engineering, (1990);

[4] OLINIC E., Contributii la realizarea sistemelor de etansare ale depozitelor de deseuri, Teza de doctorat, Bucuresti (2010);

[5] BURLACU C., Contributii la solutii de imbunatatire a terenurilor slabe de fundare, Teza de doctorat, Bucuresti (2012);

[6] NGUYEN CONG D., Imbunatatirea terenurilor de fundare loessoide prin amestecuri loess cu ciment, Teza de doctorat, Bucuresti (2019);

[7] IVASUC T., Solutii de fundare pe terenuri dificile pentru constructii din materiale locale, Teza de doctorat, Bucuresti (2013);

[8] OLINIC E., MANEA S., OLINIC T., Soil-mix compacted cushion for rising ground level and distributing loads on a highly compressible foundation soil, Proceedings of the XVII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Reykjavik, Island (2019);

[9] OLINIC T., OLINIC E., The effect of quicklime stabilization on soil properties, Agriculture and Agricultural Science Procedia, Elsevier (2016).

Autori:

conf. univ. dr. ing. Ernest OLINIC, prof. univ. dr. ing. Sanda MANEA – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

sef. lucr. dr. ing. Tatiana OLINIC – Universitatea de Stiinte Agronomice si Medicina Veterinara Bucuresti

sef. lucr. dr. ing. Catalin BURLACU – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

(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. 199 – februarie 2023, pag. 22-22, 24