GEOSTUD: Investigatii pe teren si in laborator pentru identificarea susceptibilitatii la lichefiere a pamanturilor nisipoase din zona Magistralei 5 de metrou, Sectiunea Eroilor – Piata Iancului, Bucuresti (I)

CONSIDERATII PRELIMINARE 

Conform datelor puse la dispozitie de Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Pamantului (INCDFP) prin portalul ROMPLUS, in tara noastra, in ultimii 300 de ani, s-au produs 21 de cutremure cu magnitudine peste 5 grade pe scara Richter, dintre care 2 (cele din 1940 si 1997) au avut efecte catastrofale asupra municipiului Bucuresti. Una dintre cauzele producerii acestor efecte catastrofale poate fi si prezenta in anumite zone a pamanturilor nisipoase aflate sub nivelul apei subterane, care sub actiuni dinamice se pot lichefia.

In fig. 1 este prezentat un astfel de exemplu ‒ cazul unei zone de pe teritoriul municipiului Bucuresti in care, la cutremurul din 7 martie 1997, nisipul a fost ejectat la suprafata.

Fig. 1: Microzonarea din punctul de vedere al potentialului de lichefiere a unui amplasament din Bucuresti (dupa V. PERLEA si M. PERLEA) [6]

Nisipurile care sub actiunea fortelor seismice isi pierd stabilitatea si curg ca un lichid pot conduce la producerea urmatoarelor evenimente la suprafata terenului, cat si in subteran:

• o tasare generala a terenului concomitent cu deplasari orizontale care conduc la degradarea constructiilor pana la distrugere (in zonele de lunca, cum este cazul in Bucuresti, pot avea loc prabusiri in depozitele aluvionare);
• aparitia de crapaturi longitudinale la lucrarile ingineresti (diguri, canale, conducte, magistrale de gaze, drumuri, autostrazi), cat si la nivelul malurilor raurilor;
• aparitia alunecarilor de teren la versantii naturali si aparitia unor forte de inertie in spatele zidurilor de sprijin, producand cedarea acestora;
• curgeri la suprafata terenului ca urmare a refularii nisipului;
• ruperi de baraje cu efecte catastrofale;
• ruperea depozitelor si a haldelor de mina, ce poate provoca alunecarea unor mase mari de steril.

In consecinta, studierea comportarii la cutremur a nisipurilor susceptibile la lichefiere mai ales in zonele construite devine o problema de importanta nationala.

BAZA TEORETICA A LICHEFIERII PAMANTURILOR

 Prin lichefiere se intelege „scaderea brusca a rezistentei la forfecare a unui pamant necoeziv saturat care produce o transformare temporara a pamantului intr-o masa fluida” [3]. In sinteza, fenomenul se explica astfel: in momentul cand miscarea oscilatorie (seismica) produce tensiuni (socuri) intre granule ce depasesc rezistentele tangentiale (frecarea dintre acestea), particulele aluneca unele pe langa altele, fiind practic determinate sa curga in masa pana ce inceteaza miscarea. Aceasta se intampla din cauza ca eforturile normale sunt transferate de la scheletul solid la apa din pori, care nu poate prelua eforturi, efect ce conduce la pierderea capacitatii portante a pamantului.

In concluzie, trebuie retinut ca actiunea seismica are un efect dublu asupra capacitatii portante a terenului de fundare: pe de o parte reduce rezistenta la forfecare pana la anularea acesteia (φ = 0⁰), si pe de alta parte induce, prin acceleratia miscarii seismice a_g, forte suplimentare fata de regimul static al constructiei, respectiv inca o reducere a capacitatii portante, S = GxK_s= Gx-(a_g/g), unde:

S = forta seismica suplimentara

G = greutatea proprie a masei in miscare

a_g = accelerarea miscarii seismice

K_s = coeficient seismic

Se cunosc doua categorii de fenomene, si anume:

• lichefierea propriu-zisa, prin care masa de pamant necoeziv, saturat, afanat, isi pierde rezistenta la forfecare si curge ca un lichid din cauza unei solicitari monoton crescatoare;
• lichefierea ciclica prin care un pamant saturat supus unei solicitari ciclice in conditiile unui volum constant cedeaza progresiv in timp cu fiecare incarcare care se cumuleaza si produce in final curgerea.

1. Factorii care conditioneaza lichefierea

a) factori care tin de caracteristicile fizice si mecanice ale pamanturilor, denumiti si „indici periculosi” pentru deformatii la miscari seismice atunci cand depasesc anumite limite:

• compozitia granulometrica: continut ridicat de parti fine (d ≤ 0,002 mm) si grad pronuntat de omogenitate (coeficientul de neuniformitate: U_N < 5);
• porozitatea (n ≥ 40%) si gradul de indesare (I_D < 0,6);
• gradul de umiditate sau gradul de saturare (S_r = 0,9-1,0);
• presiunea neutra (interstitiala) a apei;

b) factori care tin de durata si intensitatea miscarii seismice:

• a_g ‒ acceleratia miscarii seismice orizontale (a_g ≥ 0,15 g);
• magnitudinea maxima M_w > 7;

c) factorii geologici:

• tipul depozitului si prezenta sedimentelor necoezive;
• varsta depozitului, sub 500 ani;

d) prezenta apei subterane si nivelul acesteia: Depozitul trebuie sa fie sub nivelul apei subterane. Este posibil ca si nisipurile aflate deasupra apei subterane sa se lichefieze daca nisipul din stratul inferior este lichefiabil [4].

Totodata, toti acesti factori constituie si criterii de apreciere a lichefierii.

2. Criterii de apreciere a lichefiabilitatii

a) Criteriul granulometric: Ca un pamant necoeziv sa fie lichefiabil, curba granulometrica trebuie sa se regaseasca in intregime intr-un anumit domeniu, definit de normativul P 125/84 (tabelul 1).

Tabelul 1

b) Criteriul starii de indesare, I_D: Acesta se obtine prin incercari de laborator, conform formulei:

I_D (%) = (e_max-e)/(e_max-e_min) = [(γd_max) /γd] x [(γ_max-γd)/(γd_max– γd_min)] x 100

unde:

e = indicele porilor pamantului in stare naturala

e_max = indicele porilor pamantului in stare de afanare maxima cu greutatea volumica (γd_min)

e_min = indicele porilor pamantului in stare de indesare maxima cu greutatea volumica (γd_max)

Gradul de indesare la care un pamant nisipos trebuie considerat susceptibil la lichefiere este in functie de intensitatea seismica exprimat in grade MSK (I), conform tabelului 2:

Tabelul 2

 c) alte criterii:

• nivelul apei subterane;
• adancimea pana la care se resimte prezenta stratelor coezive de deasupra si de sub stratul de nisip;
• pozitia in strat: stratul sa fie pozitionat pana la adancimea de 15 m;
• conditii de drenare pe contur.

3. Incercari de laborator si pe teren pentru aprecierea potentialului de lichefiere si a rezistentei la lichefiere

Dupa ce un pamant a fost apreciat ca lichefiabil, este necesar sa se masoare potentialul de lichefiere si rezistenta la lichefiere.

a) Potentialul de lichefiere

Potentialul de lichefiere, P_L, se defineste ca raportul dintre cresterea presiunii apei din pori ce are loc in timpul cutremurului (Δ_u‘)_ƒ si efortul unitar minim efectiv din timpul curgerii in regim stationar (σ’_3ƒ)

P_L = (Δ_u)_ƒ /σ’_3ƒ

 De retinut ca pericolul de lichefiere devine efectiv cand potentialul de lichefiere depaseste valoarea 5: P_L ≥ 5.

b) Rezistenta la lichefiere

Rezistenta la lichefiere este un parametru adimensional definit ca raportul dintre efortul unitar tangential maxim (τ_max) la care se produce lichefierea si efortul unitar normal efectiv initial σ’₀.

R_l = τ_{max, l} / σ’₀

Valorile ‒ atat pentru potentialul de lichefiere cat si pentru rezistenta la lichefiere ‒ se determina in laborator cu aparate triaxiale ciclice pornind de la starea initiala a pamantului.

c) Incercari in teren

In lipsa aparatelor performante de laborator, aprecierea potentialului de lichefiere se poate face si prin incercari de teren, cea mai reprezentativa fiind testul de penetrare dinamica standard (SPT), avand in vedere ca exista o stransa legatura intre numarul de lovituri N₃₀ si gradul de indesare (I_D), pentru pamanturile necoezive, in special nisipurile.

De asemenea, aprecierea susceptibilitatii la lichefiere a unui strat de nisip se poate face si dupa valorile masurate in strat ale undelor de forfecare v_s30, care, conform SR EN 1998-1/2004, trebuie sa fie v_s30 < 100 m/s.

STUDIU DE CAZ 

In cei 24 de ani de activitate, S.C. Geostud a elaborat la nivelul municipiului Bucuresti mai multe studii geotehnice. Dintre acestea, in cadrul a 10 proiecte au fost interceptate zone cu nisipuri susceptibile la lichefiere, conform fig. 2.

Fig. 2: Harta cu amplasamentele lucrarilor geotehnice efectuate de S.C. Geostud pe raza mun. Bucuresti unde s-au identificat depozite susceptibile la lichefiere

De o importanta deosebita este traseul Magistralei de metrou 5, Sectiunea Piata Eroilor ‒ Piata Iancului, care are o lungime de aproximativ 5,20 km. In numarul urmator vom intra in detaliile studiului efectuat pentru acest proiect si vom prezenta analiza susceptibilitatii la lichefiere a nisipurilor de pe traseul viitoarei magistrale de metrou.

BIBLIOGRAFIE

[1]. S.C. Geostud, studiu geotehnic elaborat in cadrul lucrarii „Servicii de proiectare si asistenta tehnica aferente obiectivului Magistrala 5 (Drumul Taberei ‒ Pantelimon), Sectiunea EROILOR (P.S. OPERA) – PIATA IANCULUI”;

[2]. Studii geotehnice elaborate de catre S.C. Geostud pentru lucrari in Bucuresti (anii 2001-2024);

[3]. P125-84 ‒ Indrumator tehnic pentru studiul proprietatilor pamanturilor necoezive lichefiabile;

[4]. Anghel STANCIU, Irina LUNGU s.a, Fundatii, vol. 2, Editura Tehnica, Bucuresti, 2016;

[5]. Ion BANCILA s.a, Geologie inginereasca, vol. 1. Editura Tehnica, Bucuresti, 1980;

[6]. V.G. PERLEA, M. PERLEA, Stabilitatea dinamica a pamanturilor nisipoase. Editura Tehnica, Bucuresti,1984;

[7]. I.M IDRISS, R.W. BOULANGER, Lichefierea pamanturilor in timpul cutremurelor;

[8]. Aurel BARARIU, Fundatii speciale ‒ manuscris. Universitatea Bucuresti, Facultatea de Geologie si Geofizica, Bucuresti, 2015-2016;

[9]. Laura Florina CHETAN, Cercetari privind proiectara sistemelor de epuisment pentru fundatii adanci pe teritoriul Municipiului Bucuresti. Teza de doctorat, Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Hidrotehnica, 2011;

[10]. Dumitru NEAGU, Managementul sistemului acvifer de mica si medie adancime din zona Municipiului Bucuresti. Teza de doctorat, Universitatea Bucuresti, Facultatea de Geologie si Geofizica, 2017;

[11]. A. BALA, D. HANNICH , J.R.R. RITTER, V. CIUGUDEAN-TOMA (2011), Geological and geophysical model of the quaternary layers mased on in situ measurements in Bucharest Romania. Romanian Reports in Physics, Vol. 63, No.1, p. 250-274;

[12]. GT GROUND ENGINEERING & CONSTRUCTION SERVICES: Sustainable ground solutions. Compactare dinamica. Incluziuni rigide. Revista Constructiilor nr. 217/septembrie 2024.

  (va urma)

Autori:

ing. geolog Adelina VLASE-PLESCA, Geostud SRL

ing. geofizician Adrian CEPTUREANU, Geostud SRL

dr. ing. Aurel BARARIU ‒ consilier pe probleme de geotehnica si mediu, Geostud SRL

  www.geostud.ro

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 222 – martie 2025, pag. 46-49