GEOSTUD: Importanta monitorizarii riscurilor geotehnice ce pot aparea in zonele muntoase si de dealuri in timpul executiei autostrazilor si al reabilitarii liniilor de cale ferata

 Programul national de executie a autostrazilor si cel de reabilitare a liniilor de cale ferata prevede trecerea muntilor si dealurilor prin mai multe zone, dupa cum se poate observa pe harta urmatoare:

Fig. 1: Trasee de autostrăzi și linii de cale ferată în zone de deal și montane

Rocile din care sunt formati muntii nostri − atat cele de natura metamorfica, care sunt sistoase, cat si cele sedimentare, care sunt stratificate − au suferit de-a lungul erelor multe transformari si prezinta astazi discontinuitati, fragmentari, stratificari, alterari, fenomene ce au condus si conduc in continuare la instabilitati (versanti alunecatori), puse in evidenta de cercetarile geologice si geomorfologice necesare elaborarii proiectelor pentru executia lucrarilor de infrastructura (autostrazi, reabilitari cai ferate, drumuri expres etc.)

Aceste fenomene, denumite in continuare riscuri geotehnice, sunt generate de insusirile naturale ale rocilor, si anume:

• Neomogenitatea, data de multitudinea mineralelor cat si a rocilor componente, ce duce la variatia litologiei si aparitia suprafetelor de separatie (discontinuitati si zone de alterare);
• Tensiunile naturale, date de comprimarea din timpul evolutiei istorice sub sarcina geologica, cat si de miscarile tectonice, tensiuni ce conduc in final la expandari in timpul excavatiilor (dilatarea rocilor);
• Anizotropia, ce se poate traduce prin variatia proprietatilor fizice, mecanice si dinamice pe o directie considerata si aparitia suprafetelor de minima rezistenta;
• Deformabilitatea, ce consta in modificarea formei si volumului masivului de roca si conduce la tasari neegale (tasari diferentiate) care produc ruperea rocilor de sub fundatie, cu toate consecintele ce decurg.

Instabilitatile le dau mari batai de cap proiectantilor si constructorilor, intrucat se declanseaza odata cu inceperea executiei sapaturilor, continuand si in exploatarea lucrarii si producand mari neajunsuri, pana la scoaterea din functiune a lucrarii, pagube materiale si chiar pierderi de vieti omenesti.

SC Geostud este direct implicata in realizarea sau reabilitarea lucrarilor de infrastructura ce traverseaza muntii si dealurile. Vom descrie, din aceasta perspectiva, cele mai importante si reprezentative riscuri geotehnice inventariate, conform studiilor geotehnice elaborate de companie in cei 23 de ani de activitate. De asemenea, vom prezenta cauzele aparitiei riscurilor si propuneri de masuri pentru stingere sau atenuare.

DESCRIEREA RISCURILOR GEOTEHNICE: INSTABILITATEA VERSANTILOR SI ALUNECARI DE TEREN 

1. Tipuri de instabilitate

Instabilitatea este data, asa cum s-a mai aratat, de natura rocilor din care sunt formati versantii, cu multiple sisteme de fracturi si discontinuitati, sedimente neconsolidate si grohotisuri de 3-5 m grosime pe versanti, care sunt suprafete iminente de alunecari.

O a doua cauza de instabilitate este prezenta apei sub diferite forme: torenti si izvoare, apa subterana cat si apa pluviala care circula haotic pe versanti.

Instabilitatile identificate sunt de mai multe tipuri:

a) Cedari in roca propriu-zisa

Cedari in roca propriu-zisa sunt provocate de sistemul de fracturi pe diverse directii (NE-SV, NV-SE, E-V, N-E), care a condus la fragmentarea in profuzime, formarea stancilor, desprinderea si caderea acestora sub efectul gravitatiei (foto 1a si 1b)

Acest tip de instabilitate (tridimensionala) este specifica prabusirilor de stanci formate din roci metamorfice.

b) Alunecari pe discontinuitate (alunecari plane, bidimensionale)

Aceste alunecari au loc atunci cand urma discontinuitatilor este paralela sau cvasiparalela cu directia longitudinala a versantului (panta versantilor) si sunt caracteristice rocilor stratificate (sistuoase). Aici se deosebesc 3 cazuri:

• cand planul de separatie a rocilor cade spre interior si unghiul planului de separatie este mai mare decat unghiul de frecare pe discontinuitati (foto 2a si 2b);
• cand planul de separatie a rocilor cade spre exterior si inclinarea stratificatiei este mai mare decat panta versantului (foto 2c – in care se observa familii de fisuri paralele cu panta versantului);

• cand doua familii de discontinuitati se intersecteaza si decapeaza portiuni de roca mai adanci (prisme), avem de-a face cu o alunecare tridimensionala. In acest caz, volumele de roca ce se desprind sunt mai mici decat in cazul caderilor in roca propriu-zisa (foto 3a).
  

Cand se decoperteaza portiuni de roca superficiale, avem de a face cu maruntirea rocii si cu fenomenul caderilor de pietre (foto 3b).

c) Alunecarea pe discontinuitati combinata cu o cadere in roca propriu-zisa

In acest caz, caderea are loc, de regula, prin flambarea coloanelor de roca desprinse (foto 4a si 4b).

d) Alunecari pe versanti in surplomba

Alunecarea are loc prin intinderea rocii de la baza versantului ca urmare a evolutiei in timp a sistemului de fisuri existente si marite prin efectul inghetului-dezghetului, mult mai prezent la baza versantului. In acest mod, se decupeaza bucati de roca catre perete, concomitent cu ruperea bazei, si bucatile de roca aluneca, formandu-se astfel surplomba (foto 5).

2. Cauzele instabilitatilor (alunecarilor)

Cauza principala a acestor fenomene de instabilitate descrise mai sus o constituie apa din versant sub diferitele ei forme si sistemul de fracturi si discontinuitati prin care circula.

Fenomenul se defasoara dupa cum urmeaza:

• parte din precipitatiile care cad si siroiesc pe versant patrund in discontinuitati si exercita forte de presiune pe peretii acestora, care, corelat cu efectul presiunii interstitiale, reduc rezistenta la forfecare a rocii si in final se produce decuparea unor corpuri de roca, care, sub actiunea gravitatiei, se prabusesc. Trebuie aratat ca, in zonele in care versantul este puternic fisurat si alterat, apa din discontinuitati exercita o presiune interstitiala sporita ce provoaca deplasari ale rocii spre fata versantului si spre baza acestuia, creandu-se astfel un pericol de prabusire a intregului versant;
• apa din discontinuitatile de la suprafata versantului este supusa fenomenului de inghet-dezghet ce mareste deschiderea acestora, producand maruntirea rocii si aparitia fenomenului caderilor de pietre, ce reduce in continuare stabilitatea versantului;
• de regula, la baza versantului, nivelul apei din discontinuitati se stabilizeaza si roca de sub acest nivel devine saturata. In aceste conditii, conform studiilor si incercarilor de laborator, rezistenta mecanica a rocii scade practic la jumatate, respectiv scad la jumatate parametrii intrinseci ai rezistentei la forfecare (c si φ). Acest fenomen se amplifica iarna, atunci cand se acumuleaza zapada la baza versantului, care, dupa topire, se infiltreaza, suplimentand astfel cantitatea de apa existenta.

Acest aspect important privind scaderea la jumatate a rezistentei la forfecare trebuie avut in vedere la alegerea parametrilor de calcul ai stabilitatii. La toate aceste cauze se adauga actiunea gravitatiei si seismele.

3. Recomandari privind masuri de stabilizare

La stabilirea masurilor de stabilizare trebuie avute in vedere urmatoarele principii:

• masurile trebuie sa fie compatibile cu tipul de instabilitate (alunecare) identificat prin cartarea geologica si geomorfologica;
• cresterea factorului de stabilitate a versantilor se asigura atat prin reducerea fortelor care genereaza instabilitatea, cat si prin sporirea rezistentei la forfecare pe conturul alunecarii, respectiv reducerea presiunii interstitiale date de apa din versant.

In consecinta, conform practicii si experientei capatate pana in prezent, consideram ca exista 2 metode, cat si o combinatie a acestora, care raspund dezideratelor de mai sus − drenajul si ancorarea versantului:

a) drenarea de suprafata si de adancime a versantului, inclusiv a apelor ce se strang la coama si la baza;

b) executarea de sisteme flexibile de retinere a caderilor de stanci, alcatuite din plase de otel de inalta rezistenta fixate in versant prin ancore active.

Plasele absorb forta de cadere a blocurilor si o transfera ancorelor. Pentru plase se pot avea in vedere sarme din otel de minimum 3 mm grosime, cu o rezistenta la rupere de 1.800 – 2.000 N/mm²; lungimea ancorelor si distanta dintre acestea se va stabili pe baza de proiect, tinand seama de volumul (greutatea) blocurilor si inaltimea de cadere a acestora. In prealabil fixarii plaselor se va curata manual versantul (rangui) de bucatile de roca. Este strict interzisa folosirea mijloacelor mecanizate pentru ranguire, cu scopul de a nu se produce vibratii ce pot mari campul de fisuri in versant.

La proiectarea si executia acestui sistem de ancoraj trebuie avute in vedere urmatoarele:

• mentinerea eforturilor care se manifesta in zona de ancorare sub capacitatea portanta a rocii;
• protectia ancorelor din otel contra actiunii apei (contra coroziunii);
• protectia piciorului versantului cu ziduri de sprijin sau cu o rigola ranforsata ce poate servi si la ancorarea plaselor, precum si executia de santuri si rigole impermeabile.

c) In cazul caderilor si rostogolirilor de pietre cu diametru Ø < 50 cm se pot folosi si sisteme pasive de ancorare, care constau in principal din:

• curatarea versantului;
• amplasarea plaselor pe versant sau placi de beton;
• ancorare cu ancore pasive cimentate. Astfel se naste o legatura intre ancore si masa de roca instabila sau potential instabila, care, in cazul aparitiei unor deplasari relative, face ca ancorele sa se puna in tensiune si sa induca un surplus de forta normala ce mareste rezistenta la forfecare.

Fata de ancorajele active, sistemele de ancorare pasive prezinta o serie de avantaje:

• introduc in roca eforturi mai reduse si mai uniforme;
• maresc rigiditatea masivului de roca, respectiv modulul de deformatie;
• au o durabilitate mai mare, intrucat sunt protejate si de reactia bazica ce se dezvolta in timpul prizei mortarului de ciment.

d) In zonele cu roci sedimentare, stabilitatea versantilor alunecatori se poate asigura si prin executia la baza a zidurilor de sprijin din pamant armat si protectia in continuare a versantului cu sisteme bazate pe geosintetice, care asigura inierbarea, colectarea si dirijarea apelor de suprafata, cat si a celor care eventual se infiltreaza in versant. Avantajul acestui sistem este ca, in rocile sedimentare, preia mai bine deformatiile.

Pentru alunecarile de teren active, se recomanda utilizarea valorilor reziduale ale parametrilor rezistentei la forfecare, ce vor fi stabiliti pe baza valorilor indicelui de plasticitate, asa cum se exemplifica in graficul din figura 2.

e) Se va avea in vedere ca solutiile lichide folosite pe timpul iernii pentru dezghet contin ioni de sodiu; prin stropire, acestea ajung la baza versantului si nu numai, reducand drastic rezistenta la forfecare a rocilor. Acest fenomen genereaza formarea surplombelor, asa cum se vede in foto 6. In acest scop, este bine ca baza versantului sa fie protejata printr-o rigola ranforsata sau, dupa caz, cu ziduri de sprijin.

f) In conformitate cu SR EN 1997-1 si NP 074-2022, este necesar ca executia lucrarilor de stabilizare a versantilor sa fie monitorizata atat in perioada de executie, cat si in continuare, pe timpul exploatarii (postutilizare), atat prin metoda observationala cat si prin masuratori periodice cu echipamente specifice, masuratori finalizate prin intocmirea raportului de monitorizare geotehnica (conform anexei F din NP 074-2022).

In capitolul urmator facem o serie de propuneri detaliate privind monitorizarea care are la baza prevederile NP 074/2022 anexa E si F, cat si elemente din literatura de specialitate.

g) Ca metoda alternativa de stabilizare, se poate avea in vedere si rectificarea formei versantului, alaturi de drenare, pentru asigurarea unui taluz stabil. Aceasta metoda este posibila numai in zonele in care s-au identificat doar discontinuitati superficiale de suprafata. In niciun caz panta taluzului, dupa rectificare, nu trebuie sa depaseasca 35° (β<35° − TERZAGHI, 1962; β≤30° − Silvan ANDREI, 1980)

ACTIUNEA TORENTILOR SI IZVOARELOR 

1. Formarea torentilor

Este bine stiut faptul ca in zonele de deal si munte se formeaza torenti care conduc la eroziuni puternice. Pe acest fond, si de-a lungul traseului Sectiunii 2 a autostrazii Sibiu − Pitesti s-au intalnit zone cu eroziuni puternice.

Torentii se formeaza de regula pe versanti inalti, abrupti si fara vegetatie, prin unirea golurilor lasate de fragmentele de roci cazute (foto 7, 8 si 9 – ravena). In cazul rocilor sedimentare, cand cad cantitati mari de precipitatii intr-un interval scurt, se creeaza intai ogase, apoi ravene, culminand cu formarea torentului, care erodeaza si transporta un volum mare de apa incarcata cu aluviuni (foto 10, 11 – ogas – si 12).

Torentii genereaza urmatoarele actiuni distructive:

• Exista pericolul de acumulare de grohotis si bolovani la baza versantului, pana la cote care sa pericliteze siguranta circulatiei pe autostrada si chiar sa o intrerupa;
• In cazul unor cantitati foarte mari de precipitatii cazute intr-un interval scurt, exista posibilitatea ca, prin puterea lor distructiva, acestea sa rupa local suprastructura autostrazii.

Pentru atenuarea sau stingerea actiunii distructive a torentilor sunt necesare proiecte care trebuie sa aiba la baza urmatoarele:

• delimitarea bazinului de receptie a torentilor;
• calculul intensitatii si frecventei ploilor maxime;
• determinarea parametrilor „ploii de calcul” si a coeficientului de scurgere;
• calculul debitului lichid maxim;
• calculul vitezei medii de scurgere pe versant.

Toti acesti factori, dar si altii, sunt necesari pentru calculul capacitatii de retinere a aluviunilor si dimensionarea lucrarilor hidrotehnice transversale de retinere si de amenajare in lung a traseului torentilor.

In principal, sunt necesare urmatoarele lucrari:

• compartimentarea traseelor torentilor pentru transformarea talvegului cvasiliniar in talveg in trepte prin microbaraje sau bariere elastice de retentie ce pot prelua incarcari statice si dinamice mari. Trebuie precizat ca apa incarcata cu aluviuni are o densitate de 1,8-2,0 t/m³;
• montarea de plase pentru retinerea plutitorilor;
• proiectarea de podete, in dreptul debuseului torentilor, dimensionate conform debitelor de calcul obtinute pentru bazinele de receptie aferente torentilor respectivi.

2. Izvoarele

O parte din precipitatiile care cad pe suprafata unui versant patrund prin discontinuitati in interiorul rocii si formeaza cai preferentiale de scurgere, si de regula ies la baza versantului. Cu timpul, caile preferentiale de scurgere se maresc, apa in miscare spala liantul din discontinuitati, concomitent cu exercitarea de presiuni pe suprafata acestora, si, sub actiunea gravitatiei, bucati de roca se desprind si pot conduce la instabilitatea versantului incepand de la baza acestuia (foto 13).

In concluzie, este foarte important ca aceste izvoare sa fie captate si amenajate.

ZONE CU POTENTIAL DE INFILTRATII IN AMPLASAMENTUL TUNELURILOR 

Exista cazuri cand apa subterana se infiltreaza in zona tunelurilor, atunci cand rocile din amplasament au sisteme de fracturi si fisuri inchise si deschise orientate in 4 directii, cu inclinari mari, ce conduc la fragmentarea puternica a rocilor si aparitia cailor preferentiale de scurgere a apelor. Urmarile acestui fenomen sunt:

• cresterea presiunii interstitiale, ce duce la scaderea rezistentei rocii;
• cresterea fluxului de apa in galeria tunelului, ce poate impiedica executarea excavatiilor;
• caderi de roca in galerii, din cauza antrenarii hidrodinamice.

Practic, se pune in imposibilitate executia galeriilor.

Un caz aparte il constituie efectul drenant al excavatiilor subterane, indeosebi in tunelurile sapate in roci argiloase, avand in vedere ca galeria insasi este un dren. Odata cu coborarea nivelului apei subterane care se scurge in galerie, presiunea in stratele de deasupra scade, si astfel se pot antrena tasari de consolidare (tasari de subsistenta) ce conduc la degradarea eventualelor constructii de deasupra. Interventiile ulterioare sunt greu de facut, si de aceea sunt necesare preinjectii, mai ales in cazul lucrarilor de metrou.

Pentru a impiedica sau reduce la minimum fluxul suplimentar de apa, sunt necesare injectii de impermeabilizare a rocii din jurul viitoarelor galerii, inclusiv 2,00 m sub vatra proiectata a tunelului.

In consecinta, injectarea se face inaintea inceperii executiei galeriilor (injectare predatata sau preinjectare) si are urmatoarele efecte benefice:

• obturarea cailor preferentiale de scurgere a apelor de inflitratii;
• preluarea presiunii hidrostatice care actioneaza din exterior pe conturul galeriei, inclusiv preluarea subpresiunii pe talpa tunelului, contribuind astfel la asigurarea stabilitatii lucrarii atat in faza de excutie cat si in faza de exploatare.

Trebuie precizat ca realizarea preinjectarii nu exclude executia sistemului de drenaj.

Impermeabilizarea rocii se face prin diferite solutii de injectare (injectii cu lapte de ciment, bentonita cu lapte de ciment, rasini etc.).

La executia injectarilor trebuie respectate mai multe reguli ce au legatura cu masivul fisurat si lucrarea:

• presiunea de injectare si volumul solutiei de injectare trebuie sa fie corelate cu sistemul de fisuri (distantarea, deschiderea, absorbtia specifica a rocii, sarcina hidrostatica la care este supusa lucrarea);
• presiunea de injectare induce in peretii forajului eforturi de intindere, care trebuie sa nu depaseasca in niciun punct rezistenta la intindere a rocii, pentru a se evita fracturarea hidraulica a rocii.

In concluzie, presiunea de injectare depinde de natura discontinuitatilor din masa de roca si de rezistenta mecanica a rocii.

Ca impermeabilizarea sa fie eficienta, este necesar ca solutia de cimentare sa indeplineasca urmatoarele 2 conditii:

• sa fie suficient de fina si putin vascoasa, astfel incat sa poata umple si golurile capilare din roca;
• sa se intareasca in asa fel incat sa umple golurile si fisurile cu material solid care sa mareasca rezistenta si sa micsoreze permeabilitatea rocii.

AMENAJAREA VAILOR CU RISC DE VIITURI MARI

La mai toate trecerile prin munti, atat pe autostrazile in lucru cat si pe cele proiectate, s-au identificat vai necadastrate, care la ploi torentiale aduc un debit mare de apa incarcat cu aluviuni, cu efect distructiv asupra autostrazilor sau liniilor de cale ferata (foto 14, 15, 16).

Pentru reducerea pana la stingere a efectelor negative ale viiturilor se pot avea in vedere urmatoarele tipuri de lucrari:

• calibrarea si largirea albiilor;
• proiectarea, in dreptul vailor si viroagelor, de podete dimensionate conform debitelor de calcul obtinute pentru bazinele de acumulare aferente viroagei sau vaii respective;
• perearea sectiunii de scurgere pe cel putin 30 m lungime amonte si aval pentru evitarea fenomenelor de erodare a talvegului in imediata apropiere a autostrazii;
• amenajarea si consolidarea malurilor vaii cu blocuri de piatra asezate pe un geotextil de mare rezistenta pe o inaltime mai mare decat nivelul apelor considerate exceptionale in zona;
• montarea unor bariere flexibile pentru retinerea plutitorilor, impiedicandu-se astfel colmatarea sectiunilor de scurgere in amonte si inlaturandu-se pericolul afluierii in zona fundatiilor structurilor.

In concluzie, din descrierea riscurilor enumerate mai sus rezulta importanta primordiala a monitorizarii acestora.

***

PRINCIPII DE MONITORIZARE A TUNELURILOR SI VERSANTILOR IN TIMPUL EXECUTIEI SI EXPLOATARII

1. Elemente generale

In principal, proiectul de monitorizare geotehnica trebuie sa contina:

• stabilirea tipului de lucrari si de masuratori ce trebuie efectuate;
• descrierea metodelor de masurare, a echipamentelor si precizarea tolerantelor. Periodicitatea masuratorilor;
• stabilirea pragurilor de alerta, de avarie si interventie;
• descrierea sistemului de stocare, transmitere si prelucrare automata a datelor.

2. Tipul masuratorilor

Masuratorile se fac pentru urmatoarele obiecte:

• urmarirea comportarii rocii de fundare in sine;
• urmarirea excavatiilor in roca (excavatii subterane);
• urmarirea comportarii versantilor in timpul excavatiilor si dupa.

Fiecare dintre aceste obiecte au masuratori specifice dar si unele comune.

3. Masuratori privind comportarea rocii

• sistemul de discontinuitati si caracteristicile acestora;
• eforturile interne si reziduale exercitate;
• rezistenta la forfecare;
• existenta deplasarilor si deformatiilor;
• presiunea interstitiala si hidrostatica.

4. Urmarirea comportarii versantilor

• inclinarea copacilor si aparitia denivelarilor;
• existenta planurilor de alunecare, directia si viteza deplasarilor;
• variatia presiunii interstitiale, indeosebi in suprafata de alunecare existena sau potentiala;
• fortele ce se nasc in ancoraje;
• aparitia izvoarelor, masurarea turbiditatii si a continutului de saruri solubile;
• starea lucrarilor de consolidare si eventualele deplasari;
• functionarea filtrelor inverse si a barbacanelor;
• masurarea nivelului hidrostatic.

5. Excavatii subterane in roca

a) Faza investigatiilor de teren

• caracteristicile mecanice si de permeabilitate (masurate in galerii de studiu);
• deformabilitatea si starea initiala de eforturi;
• deplasarile de convergenta in galeriile de studii;
• impingerea, decomprimarea, fenomenul de curgere lenta;
• fracturarea, alterarea etc.

b) In timpul executiei

• interactiunea dintre roca si sistemul de sprijiniri

= masurarea presiunii rocii (presiunea muntelui);

• masurarea deplasarilor de convergenta

= masurarea presiunii de umflare (in cazul cand tunelul se sapa in roci argiloase);

• subpresiunea apei la contactul roca − radier.

c) In perioada de exploatare

• deplasarile conturului, excavatiilor (deplasari de convergenta);
• presiunea exercitata de roca asupra camasuielii;
• deformatia rocii in interiorul masivului;
• subpresiunea hidrostatica pe talpa (vatra) tunelului;
• presiunea interstitiala;
• temperatura, zgomotul, emisiile de gaze;
• infiltratiile prin pereti si talpa, debitele infiltrate, turbiditatea si continutul in saruri solubile.

BIBLIOGRAFIE

[1] ANDREI, Mecanica rocilor. Curs si aplicatii, UTCB, Bucuresti, 1983;

[2] BANCILA & colaboratorii, Geologie inginereasca, Vol. 1 si Vol. 2, Editura Tehnica, Bucuresti, 1979 si 1980;

[3] GRUDNICKI si I. CIORNEI, Bazine hidrografice torentiale, curs, Universitatea Stefan cel Mare, Suceava, Facultatea de Silvicultura, 2006;

[4] MARINESCU, Asigurarea stabilitatii terasamentelor si versantilor, Vol. 1 si Vol. 2, Editura Tehnica, Bucuresti, 1988;

[5] STEMATIU, Mecanica rocilor pentru constructori, Editura Conspress, Bucuresti, 2008;

[6] STANCIU, F. ROMAN, Fundatii, Volumul 3, Editura Tehnica, Bucuresti, 2020;

[7] ZAROJANU, Mecanica pamanturilor pentru infrastructuri de instalatii de transport forestiere, Editura AGIR, 2004;

[8] Colectiile Revista Constructiilor si revista Drumuri si poduri, ianuarie 2014 – august 2023.

Autori:

ing. Aurel BARARIU, consilier pe probleme de geotehnica si mediu− SC GEOSTUD SRL

ing. geol. Vali NITA − SC GEOSTUD SRL

lect. univ. dr. ing. Denisa JIANU − Facultatea de Geologie si Geofizica, Universitatea din Bucuresti

ing. geofizician Cezar IACOB − colaborator SC DIRAC SRL

www.geostud.ro

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 210 – februarie 2024, pag. 38-45