GEOSTUD: Comportarea rocilor argiloase-marnoase in timpul excavatiilor subterane [I]

 CONSIDERATII TEORETICE SI PRACTICE

La lucrarile subterane, masivul de roca ‒ in cazul nostru, argilele marnoase, marnele argiloase si marnele ‒ devine mediu de fundare si construire si este parte integranta a lucrarilor de executie a tunelurilor pentru autostrazi, respectiv de reabilitare a liniilor de cale ferata si metrou.

Odata cu excavarea, pe peretii tunelului, pe tavan si pe vatra, actioneaza presiunea pamantului sub urmatoarele forme:

• presiunea verticala de sus in jos pe tavanul excavatiei, care conduce la formarea boltii de surpare;
• presiunea laterala a pamantului pe peretii verticali, ce conduce la alunecari si surpari;
• presiunea verticala de jos in sus ce actioneaza pe talpa (vatra), diferit de la un punct la altul, generand deformatii.

Intr-un cuvant, apar instabilitati care necesita lucrari de sprijinire ce previn surparile, asigura stabilitatea lucrarii si securitatea oamenilor.

Cauzele care provoaca instabilitatea sunt:

• natura rocii, stratigrafia si starea de umiditate care produce umflarea si deci o presiune suplimentara;
• fenomenele reologice (curgerea lenta) concomitent cu scaderea rezistentei la intindere a rocii;
• marimea si concentratia starii de eforturi initiale din jurul golului format;
• impingerea data de coloana litologica de deasupra tavanului.

Vom face, in continuare, o descriere a acestor fenomene:

a) Nasterea pe tavanul excavatiei a boltii de surpare

Bolta de surpare apare din cauza greutatii de deasupra tavanului excavatiei (presiunea verticala de sus in jos), care faramiteaza roca si, sub actiunea gravitatiei, cade, generand un gol sub forma de parabola (fig. 1).

Factori care influenteaza formarea boltii de surpare sunt:

• pozitia suprafetei terenului (adancimea fata de bolta si inclinarea suprafetei terenului);
• inclinarea straturilor de pamant din masiv;
• existenta planurilor de discontinuitati si a fisurilor.

Cu ajutorul schemei din fig. 1 se poate calcula deschiderea si inaltimea boltii, suprafata parabolei si, in final, greutatea pamantului care genereaza presiunea verticala pe tavanul excavatiei, considerand o lungime de 1 m.

Fig 1: Schema de calcul a presiunii verticale de sus in jos (prelucrare dupa A. STANCIU si Fl. ROMAN, Fundatii Vol. 3)

 Unde:

h₀ = inaltimea excavatiei

2a = deschiderea excavatiei

2b = deschiderea boltii

h = inaltimea boltii

ʃ_rez = coeficientul de duritate a rocii

h = b / ʃ_rez

2b = 2a+2h₀tg(45°+φ/2)

ʃ_rez = 1,5*(argile marnoase)

ʃ_rez = 2,0* (marna argiloasa)

S = suprafata parabolei

G = greutatea pamantului de deasupra boltii

S = 2X2bh/3

G = 4bhɣ/3

 _______________________

*dupa PROTODIACONOV, conform referintei bibliografice [10]

b) Cedarea peretilor laterali ai sapaturii

Cedarea peretilor laterali ai sapaturii are loc sub actiunea presiunii laterale pe peretii verticali si se petrece astfel: odata cu saparea, eforturile tangentiale din zona peretilor laterali cresc semnificativ ca urmare a redistribuirii efortului initial si cedarea se produce prin flambarea peretilor concomitent cu formarea boltei de surpare, fenomene care se amplifica daca roca este stratificata si fisurata.

Pe baza schemei din fig. 2 se poate calcula presiunea laterala care se exercita la partea superioara cat si la baza excavatiei.

Fig 2: Schema de calcul a presiunii verticale laterale dupa A. STANCIU si Fl. ROMAN, Fundatii Vol. 3, Subcapitolul 2.12, 2020

Astfel:

P_a¹ = presiunea laterala la partea superioara a excavatiei

P_a² = presiunea laterala la baza peretilor excavatiei

K_a = coeficientul ȋmpingerii active

q = sarcina verticala uniform distribuita

P_a¹ = qk_a

P_a² = (q+γh₀)k_a

K_a = tg²(45°-φ/2)

c) Aparatia deformatiilor diferentiate pe talpa fundatiei data de presiunea de jos in sus din vatra

Presiunea verticala de jos in sus din vatra apare din cauza greutatii q+γh₀ care apasa la nivelul vetrei, lateral excavatiei. Sub actiunea acestei sarcini, in interiorul planelor verticale CE si DF apare starea activa de solicitare, iar intre aceste plane se creeaza stare pasiva de solicitare. La echilibrul limita, se formeaza planele de alunecare corespunzatoare celor doua stari (fig. 3), iar pe planele verticale CE si DF actioneaza din exterior impingerea activa P_a si din interior impingerea pasiva P_p. Presiunea maxima apare in partea centrala a deschiderii excavatiei.

Fig 3: Schema de calcul a presiunii din vatra dupa A. STANCIU si Fl. ROMAN, Fundatii Vol. 3, Subcapitolul 2.12, 2020

 Unde:

x_o = adancimea in care se dezvolta planele de alunecare

h_a = inaltimea sapaturii

x₀ = h_o • K_a² / 1 – k²a

q = presiunea unitara din vatra

T = presiunea din vatra

φ = 45°

k_a = coeficientul presiunii active

k_p = coeficientul presiunii pasive

N = presiunea maxima in vatra

P_a = impingerea activa

P_p = impingerea pasiva

P = P_a-P_p

K_a = tg²(45°-φ/2)

K_p = tg²(45°+φ/2)

T = P [sin(45°-φ/2) / cosφ]

P_a = (q+ɤh_a)X0²k_a+0,5ɤk_a

N = 2Tsin(45°-ɵ/2)

P_p = 0,5ɤ xo²k_p

Descrierea fenomenului de umflare libera

Asupra excavatiilor subterane, in cazul rocilor argiloase, mai actioneaza suplimentar si presiunea data de umflarea libera. Fenomenul de umflare libera poate fi descris astfel: dupa cum este cunoscut, mineralele argiloase sunt formate in principal din particule extrem de fine sub forma cristalina si cu o structura stratificata-lamelara, compusa din tetraedre de siliciu si octaedre de aluminiu, fier, magneziu, formand retele. O structura argiloasa reprezentativa este montmorillonitul, care are o retea extensibila cu legaturi slabe intre foite, printre care apa patrunde cu usurinta. Apa, fiind dipolara, hidrateaza tetraedrele si octaedrele, provocand umflarea mineralelor si, in final, a masivelor de roca. Fenomenul se amplifica pe fondul prezentei sarcinilor electrice negative ale particulelor argiloase.

In cazul tunelurilor, cresterea volumului rocilor argiloase produce urmatoarele fenomene:

• lateral, are loc deplasarea conturului excavatiei spre interior, reducand suprafata pana la inchidere, daca nu se fac imediat lucrari de sprijinire. In cazul existentei lucrarilor de sprijinire, umflarea libera fiind impiedicata, acestea pot ceda din cauza presiunii de umflare foarte mari care se dezvolta la contactul roca ‒ sprijinire;
• vertical, sub trafic, apa se dreneaza catre vatra, producand umflarea rocii si ridicarea vetrei.

In urma incercarilor de laborator s-a constatat ca umflarea se produce in timp si este provocata de reducerea starii de compresiune a rocii in contact cu apa. Acest fenomen este conditionat de:

• existenta potentialului de umflare a rocii;
• aparitia decomprimarii odata cu excavarea;
• existenta unei surse de apa in exces catre zona decomprimata, data si de galerie, care se constituie ca un dren cu suprafata mare de colectare.

Ca masuri de preventie, se practica:

• etansarea conturului excavatiei cu sprit de beton. In acest mod se impiedica patrunderea apei in argila si declansarea fenomenului de umflare;
• executia de drenaje sub vatra si realizarea de spatiu intre conturul excavat al vetrei si calea de circulatie propriu-zisa a apei.

(va urma)

BIBLIOGRAFIE:

[1] S.C. GEOSTUD, Studiu geotehnic pentru lucrarea „Tren metropolitan Gilau ‒ Floresti ‒ Cluj-Napoca ‒ Baciu ‒ Apahida ‒ Jucu ‒ Bontida”, etapa I a sistemului de transport metropolitan rapid Cluj, magistrala I de metrou si tren metropolitan, inclusiv legatura dintre acestea, mai 2021;

[2] S. ANDREI, Apa in pamanturi nesaturate, Editura Tehnica, Bucuresti, 1967;

[3] S. ANDREI, Mecanica rocilor. Curs si aplicatii, I.C.B, 1983;

[4] A. CHIRICA (1991), Contributii referitoare la influenta macrostructurii pamanturilor coezive asupra tasarii si cedarii terenului de fundare, Teza de doctorat, ICB;

[5] D. P. GEORGESCU si A. C. APOSTU, Evaluarea rezistentei si durabilitatii betonului in laborator, Editura Standardizarea, Bucuresti, 2022;

[6] D. STEMATIU, Mecanica rocilor pentru constructori, Editura Conspress, Bucuresti, 2008;

[7] J. M. HVROSLEV, F. ASCE (1960), Research conference on shear strenght of cohesive soils, ASCI, University of Colorado Boulder (pp. 169-273);

[8] Ion BANCILA s.a., Geologie inginereasca, vol. I si II, Editura Tehnica, Bucuresti, 1981;

[9] M. SANDULESCU, Geotectonica Romaniei, Editura Tehnica, Bucuresti, 1984;

[10] Anghel STANCIU, Florin ROMAN, Fundatii, Vol. 3, Editura Tehnica, Bucuresti, 2020;

[11] A. STANCIU, I. LUNGU, Fundatii, Vol. 1 – Fizica si mecanica pamanturilor, Editura Tehnica, Bucuresti, 2006;

[12] V. ARAD, Mecanica rocilor. Monografie, Editura AGIR, Bucuresti, 2022;

[13] F. ZAMFIRESCU, R. COMSA, L. MATEI, Rocile argiloase in practica inginereasca, Editura Tehnica, Bucuresti, 1985;

[14] P.M. CASHMAN AND M. PREENE, Groundwater Lowering in Construction, Editura Spon Press, 2012.

Autori:

ing. Sebastian MUSTATEA, sef department geotehnica II – SC GEOSTUD SRL

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

 www.geostud.ro

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 214 – iunie 2024, pag. 46-49