257 Ivasuc Tatiana - Rezumat Ro

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de Hidrotehnică

TEZA DE DOCTORAT

Rezumat

Soluții de fundare pe terenuri dificile

pentru construcții din materiale

locale

Doctorand

Ing. Tatiana IVASUC

Conducător științific

Prof. univ. dr. ing. Sanda MANEA

BUCUREŞTI

2013

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de Hidrotehnică

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a studiilor

universitare de doctorat de bursă atribuită prin proiectul strategic „Burse

oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”, beneficiar UTCB, cod

POSDRU/107/1.5/S/76896, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional

Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale

Europene, din Bugetul Naţional şi cofinanţat de către Univeritatea Tehnică de

Construcții București.

TEZA DE DOCTORAT

Rezumat

Soluții de fundare pe terenuri dificile

pentru construcții din materiale

locale

Doctorand

Ing. Tatiana IVASUC

Conducător de doctorat

Prof. univ. dr. ing. Sanda MANEA

BUCUREŞTI

2013

Soluții de fundare pe terenuri dificile pentru construcții din materiale locale – Tatiana IVASUC

1

CUPRINS

1 INTRODUCERE ............................................................................................................................................. 2

1.1 Definirea și clasificarea terenurilor dificile de fundare ................................................................................ 2 1.2 Obiectivele cercetărilor............................................................................................................................ 2 1.3 Aspecte generale privind pământurile cu umflări și contracții mari .............................................................. 2 1.4 Istoric asupra studierii pământurilor cu umflări și contracții mari ................................................................. 2 1.5 Răspândirea pământurilor cu umflări și contracții mari ............................................................................... 2

2 CLASIFICAREA ȘI IDENTIFICAREA PĂMÂNTURILOR CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI – TERENURI DIFICILE DE FUNDARE ........................................................................................................................................ 2

2.1 Caracterizarea mineralelor argiloase ......................................................................................................... 2 2.2 Indici geotehnici pentru identificarea și caracterizarea pământurilor cu umflări și contracții mari .................... 3 2.3 Metode de încadrare și clasificare a pământurilor cu umflări și contracții mari .............................................. 3 2.4 Factorii care influențează variațiile de volum ale pământurilor cu umflări și contracții mari ........................... 3 2.5 Comportarea pământurilor cu umflări și contracții mari .............................................................................. 3 2.6 Efectele fundării pe pământuri cu umflări și contracții mari asupra construcțiilor .......................................... 3

3 UTILIZAREA PĂMÂNTURILOR CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI CA MATERIALE DE CONSTRUCȚII3 3.1 Aspecte generale ..................................................................................................................................... 3 3.2 Condiții tehnice de execuție a terasamentelor ............................................................................................. 4 3.3 Clasificarea materialelor pentru terasamente .............................................................................................. 4 3.4 Stabilitatea terasamentelor ....................................................................................................................... 4 3.5 Controlul calității compactării .................................................................................................................. 4 3.6 Măsuri constructive, prezentate în norme tehnice, în cazul lucrărilor de terasamente rutiere în zone cu pământuri cu umflări și contracții mari ................................................................................................................... 4

4 METODE DE ÎMBUNĂTĂȚIRE-TRATARE A PĂMÂNTURILOR CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI ÎN VEDEREA UTILIZĂRII ÎN DOMENIUL CONSTRUCȚIILOR ................................................................................. 4

4.1 Generalități ............................................................................................................................................ 4 4.2 Stabilizarea fizică ................................................................................................................................... 4 4.3 Stabilizarea chimica ................................................................................................................................ 5 4.4 Stabilizarea mecanica .............................................................................................................................. 5 4.5 Stabilizarea termica ................................................................................................................................. 5 4.6 Impiedicarea variatiilor de umiditate ......................................................................................................... 5 4.7 Inlocuirea terenului de fundare ................................................................................................................. 5

5 STUDIUL DE CAZ 1: REALIZAREA UNUI RAMBLEU DE AUTOSTRADĂ DIN MATERIAL ACTIV prin raport CU APA DESENSIBILIZAT CU MATERIALE GRANULARE ........................................................................ 5

5.1 Descrierea programului experimental și a obiectivelor încercărilor de laborator și a lucrărilor de teren ............ 5 5.2 Determinarea calității materialului de umplutură din poligonul experimental ................................................ 6 5.3 Caracteristicile amestecului 80% argilă - 20% balast .................................................................................. 6 5.4 Poligonul experimental ............................................................................................................................ 6 5.5 Analiza materialelor de umplutura ............................................................................................................ 7 5.6 Concluzii privind poligonul experimental și amestecul optim de argilă și ballast ........................................... 7

6 STUDIU DE CAZ 2: ASPECTE GEOTEHNICE PRIVIND PROIECTAREA ȘI EXECUȚIA UNUI DEPOZIT ECOLOGIC DE DEȘEURI PE UN TEREN ÎN PANTĂ ALCĂTUIT DIN PĂMÂNTURI CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI .............................................................................................................................................. 7

6.1 Studii geotehnice și de stabillitate pentru materialul natural ......................................................................... 7 6.2 Studiu privind rezistența la forfecare și analiza stabilității argilei destructurate .............................................. 9 6.3 Amestec optim de argilă grasă și materiale granulare care să asigure caracteristici mecanice și hidraulice specifice unui depozit ecologic de deșeuri ............................................................................................................ 10 6.4 Calcule de stabilitate la alunecare a terasamentelor ................................................................................... 11

7 CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE ............................................................................................... 12 7.1 Concluzii ............................................................................................................................................. 12 7.2 Contribuții personale ............................................................................................................................. 13

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ ............................................................................................................................... 14 Cuvinte cheie: pământ cu umflări și contracții mari, îmbunătățire-tratare, material granular, teren bun de fundare, stabilitate la alunecare.


2

1 INTRODUCERE 1.1 Definirea și clasificarea terenurilor dificile de fundare

În România, natura geologică variată și diversitatea formelor de relief au făcut să se întâlnească în terenul de fundare o gamă variată de pământuri cu proprietăți fizice și mecanice extrem de diferite. Realizarea terasamentelor pe și din aceste pământuri, unele având comportament dificil, crează probleme continue inginerilor constructori, atât în perioada de execuție a terasamentelor cât mai ales după începerea exploatării propriu-zise, datorită variațiilor de umiditate, a nivelului hidrostatic; creând nevoia unor soluții de îmbunătățire noi, ecologice, mai eficiente și mai puțin costisitoare. Studierea pământurilor dificile de fundare este de aceea importantă și presupune identificarea și clasificarea acestora în funcție de proprietățile specifice în contact cu anumiti factori perturbatori. Terenurile de fundare, pe care pot fi realizate construcțiile din materiale locale, pot crea probleme majore în timpul execuției și în timpul exploatării.

Conform NP 074/2007 – Normativ privind documentațiile geotehnice pentru construcții, pământurile care intră în categoria pământurilor dificile de fundare sunt: nisipurile afânate, nisipurile saturate susceptibile la lichefiere sub acțiuni seismice, pământurile fine cu consistență redusă (IC<0,5), pământurile loessoide aparținând grupei B de pământuri sensibile la umezire, pământurile argiloase cu umflări și contracții mari, pământurile cu conținut ridicat de materii organice (peste 6%), terenurile în pantă cu potențial de alunecare. 1.2 Obiectivele cercetărilor

Obiectivul principal al acestei lucrări constă în dezvoltarea cunoștințelor generale, teoretice și practice legate de problematica pământurilor dificile de fundare în vederea identificării acestora cu ajutorul indicilor fizici și mecanici și a actualizării soluțiilor ecologice de îmbunătățire a terenurilor dificile de fundare existente la noi în țară pentru a permite fundarea construcțiilor în condiții de siguranță. Pentru atingerea acestui obiectiv s-au ales ca pământuri reprezentative pământurile cu umflări și contracții mari (PUCM), caracterizate prin argilele și materialele argiloase capabile să prezinte umflări și contracții mari la variații curente ale umidității, întâlnite în aproape toate regiunile geografice din țara noastră. Totodată, s-a urmărit dezvoltarea și verificarea posibillităților de utilizare a acestor materiale considerate improprii pentru domeniul construcțiilor, prin tratarea lor în amestecuri. În acest mod, prin tratare și desensibilizare, se consideră că pământurile argiloase ce reprezintă o sursă locală ieftină și inepuizabilă pot fi introduse ca materiale de construcții în cadrul lucrărilor de terasamente. S-a urmărit obținerea unor date științifice riguroase ce pot fi aplicate în proiectare și execuție și, totodată, a unor criterii pentru verificarea lucrărilor realizate din argile contractile stabilizate. 1.3 Aspecte generale privind pământurile cu umflări și contracții mari

Pământurile cu umflări și contracții mari sunt pământuri argiloase, mai mult sau mai puțin active prin raport cu apa (întâlnite în literatura de specialitate sub denumirea de pământuri contractile sau pământuri expansive). Acestea prezintă proprietatea de a-și modifica sensibil volumul la schimbări ale umidității. În consecinţă, fundarea directă pe aceste terenuri, va avea ca rezultat apariţia de tensiuni suplimentare în terenul de fundare care, în lipsa unor măsuri corespunzătoare, vor conduce la degradări importante ale construcțiilor existente pe aceste terenuri. Toate argilele sunt potențial expansive sau contractile însă, din punct de vedere ingineresc, în categoria pământurilor cu umflări și contracții mari intră acele argile capabile să prezinte umflări și contracții mari care pot să pericliteze rezistența și stabillitatea construcțiilor la variații curente ale umidității. 1.4 Istoric asupra studierii pământurilor cu umflări și contracții mari

Prima lucrare despre argilele expansive a fost publicată în 1932 de către Arthur Casagrande, în care este discutată structura argilelor și impactul lor asupra construcțiilor inginerești (Petry, Little, 2003). În România, NP 126/2012 – Normativul privind fundarea construcțiilor pe pământuri cu umflări și contracții mari definește cerințele privind fundarea directă a construcțiilor pe aceste pământuri. 1.5 Răspândirea pământurilor cu umflări și contracții mari

Pământurile cu umflări și contracții mari ocupă suprafețe însemnate în numeroase părți ale lumii (Figura 1.a). În România, răspândirea pământurilor cu umflări și contracții mari se poate observa în Figura 1.b, aceste pământuri întâlnindu-se în majoritatea zonelor geografice ale țării. Aceaste harți nu au un caracter limitativ, pământurile cu umflări și contracții mari își fac simțită prezența în mai multe zone neindicate în Figura 1.

a. b.

Figura 1. Răspândirea pământurilor cu umflări și contracții mari: a. in lume; b. in România 2 CLASIFICAREA ȘI IDENTIFICAREA PĂMÂNTURILOR CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI –

TERENURI DIFICILE DE FUNDARE 2.1 Caracterizarea mineralelor argiloase

Mineralele argiloase reprezintă un grup omogen al filosilicaților; studiul alcătuirii reticulare a acestor minerale a început din secolul XIX. Structura cristalină a mineralelor argiloase a fost determinată în anii '20 ai secolului XX prin


3

difractometrie de raze X. S-a evidenţiat că în reţeaua cristalină a mineralelor argiloase se întâlnesc două unităţi structurale de bază: unitatea octaedrică (structura octaedrică) și unitatea tetraedrică (structura tetraedrică). După modul în care se realizează suprapunerea straturilor tetraedrice cu cele octaedrice se formează minerale argiloase aparținând următoarelor grupe: caolinit-serpentinită, illitului, smectitelor, vermiculitelor, cloritelor și palygorskit-sepiolit. Proprietățile fizice ale mineralelor și pământurilor argiloase depind de structura reticulară a mineralelor argiloase; proprietățile fizice cel mai des studiate sunt limitele de plasticitate și procentul de argilă coloidală. 2.2 Indici geotehnici pentru identificarea și caracterizarea pământurilor cu umflări și contracții mari

Identificarea și caracterizarea pământurilor cu umflări și contracții mari se realizează cu ajutorul unor indici care exprimă cantitativ comportamentul expansiv al acestor pământuri. 2.3 Metode de încadrare și clasificare a pământurilor cu umflări și contracții mari

Literatura de specialitate ne oferă o serie de metode de identificare și clasificare a pământurilor cu umflări și contracții mari (PUCM), cele mai multe metode poartă numele cercetătorilor care le-au determinat. În 2012, în urma sintezelor (Ivasuc, T. - Raport de cercetare 1) privind încadrarea pământurilor cu umflări și contracții mari pe plan internațional, prezentate în lucrarea in extenso, s-a propus noua clasificare privind încadrarea pe plan național a activității acestor pământuri. Datele de sinteză care au dus la noua încadrare din NP 126/2012 sunt concentrate în Tabelul 1.

Tabelul 1. Clasificarea pământurilor cu umflări și contracții mari după NP 126/2012

Activitatea P.U.C.M

A2µ (%)

Ip (%)

IA

Cp

UL (%)

ws (%)

Cv (%)

qumax (J/g)

w15 (%)

pu (kPa)

Tul

bura

t

Net

ulbu

rat

Putin active <15 <12 <0,75 Ip>Cp <70 >16 <55 <15 <12 <10 <50 Cu activitate medie

15-20 12-25 0,75-1,00

Ip>Cp 70-100

16-12

55-75

15-25

12-25 10-12 50-100

Active 20-30 25-35 1,00-1,25

Ip>Cp 100-140

12-10

75-100

25-35

25-37 12-18 100-200

Foarte active >30 > 35 > 1,25

Ip>Cp > 140 <10 >100

>35 >37 >18 >200

2.4 Factorii care influențează variațiile de volum ale pământurilor cu umflări și contracții mari

Variaţiile de volum ale pământurilor, însoţite de variaţii ale umidităţii, se diferenţiază în funcţie de intensitatea fenomenelor de interfaţă care au loc în grosimea complexului de adsorbţie determinând potenţialul de umflare-contracţie, condiţionat de: dimensiunile şi forma particulelor; compoziţia mineralogică; condiţiile de mediu (concentraţia electrolitică, Ph, salinitatea) și natura cationilor adsorbiţi. 2.5 Comportarea pământurilor cu umflări și contracții mari

Umflarea și contracția argilelor se produce până la adâncimea de 2,5 - 3,0 metri, această adâncime variază în funcție de condițiile climatice. Comportamentul expansiv este determinat de: conținutul inițial de apă din pământ, volumul de goluri, starea de îndesare, solicitările la care este supus și de tipul și procentul de minerale argiloase ce intră în alcătuirea pământurilor. 2.6 Efectele fundării pe pământuri cu umflări și contracții mari asupra construcțiilor

Pagubele provocate de comportarea pământurilor cu umflări și contracții mari sunt foarte importante. În ultimii 10 ani, efectele adverse ale fenomelor de umflare-contracție au fost estimate la aproximativ 3 miliarde £, clasând fenomenul de umflare-contracție ca fiind cel mai păgubos geohazard în Marea Britanie. Pagubele anuale, în U.S.A., provocate de comportarea argilelor depășesc 15 miliarde $. The American Society of Civil Engineers a estimat că una din patru locuințe are probleme cauzate de pământurile cu umflări și contracții mari. Într-un an obișnuit, argilele expansive provoacă pierderi financiare mult mai mari decât cutremurele de pământ, inundațiile, uraganele și tornadele la un loc (Jones, Jeffersons, 2011). 3 UTILIZAREA PĂMÂNTURILOR CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI CA MATERIALE DE

CONSTRUCȚII 3.1 Aspecte generale

Construcțiile realizate din materiale locale sunt reprezentate prin: terasamente pentru căi de comunicații, diguri și baraje. În cazul unui amplasament în care sunt predominante pământurile cu umflări și contracții mari, pentru stabilirea utilizării acestora ca materiale de construcții, este necesar să se respecte, încă din faza de studiu, schema din Figura 2.

Îmbunătățirea proprietăților prin stabilizare mecanică se înțelege modificarea compoziției granulometrice a unui pământ prin amestec cu un alt pământ sau cu mai multe pământuri. Prin realizarea amestecurilor de materiale pământoase se urmărește desensibilizarea materialelor

Pământ cu umflări și contracții mari

Teren dificil de fundare Pământ cu calitate „rea” pentru

terasamente

• Teren stabil

• Material bun pentru terasamente

Natural Material de

construcții

Îmbunătățire- tratare

Figura 2. Necesitatea îmbunătățirii pământurilor cu

umflări și contracții mari


4

argiloase în vederea folosirii acestor amestecuri ca materiale pentru terasamente. 3.2 Condiții tehnice de execuție a terasamentelor

Execuția unui terasament presupune îndeplinirea unor condiții tehnice ce țin seama de: forma, dimensiunea și abaterile limită; cercetarea terenului de fundare și a materialelor ce intră în componența terasamentelor materializate prin studii de laborator pentru stabilirea caracteristicilor fizico-mecanice ale acestora; stabilirea categoriilor și a tipurilor de pământuri folosite la execuția terasamentelor. 3.3 Clasificarea materialelor pentru terasamente

În Romania, pământurile utilizate pentru construcția terasamentelor sunt clasificate în cinci grupe (conform STAS 2914-88), și anume: pământuri necoezive grosiere; pământuri necoezive medii și fine; pământuri necoezive medii și fine și pământuri coezive. Pământurile întâlnite în aceste grupe au diferite calități la execuția terasamentelor pentru căi de comunicații; pământurile cu umflări și contracții mari încadrându-se în categoria pământurilor cu o calitate „foarte rea” pentru folosirea ca material pentru terasamente. Din acest considerent se impune îmbunătățirea acestor pământuri dificile cu diverse materiale de adaos. 3.4 Stabilitatea terasamentelor

3.5 Controlul calității compactării

3.6 Măsuri constructive, prezentate în norme tehnice, în cazul lucrărilor de terasamente rutiere în zone cu

pământuri cu umflări și contracții mari

În normele tehnice, se recomandă evitarea folosirii pământurilor cu umflări și contracții mari la realizarea rambleelor. Atunci când nu se dispune de alte materiale se poate recurge la îmbunătăţirea pământurilor cu materiale inactive în raport cu apa. 4 METODE DE ÎMBUNĂTĂȚIRE-TRATARE A PĂMÂNTURILOR CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI

ÎN VEDEREA UTILIZĂRII ÎN DOMENIUL CONSTRUCȚIILOR 4.1 Generalități

Necesitatea îmbunătățirii terenurilor de fundare și a stabilizării pământurilor a fost recunoscută din momentul existenței construcțiilor, soluțiile și tehnologiile avansând în timp. Pământurile argiloase folosite ca materiale pentru terasamente generează degradări ale construcțiilor în exploatare privind stabillitatea la variații ale umidității. La creșterea umidității, pământurile cu umflări și contracții mari își măresc volumul și se contractă pe măsură ce umiditatea scade. Realizarea terasamentelor din materiale argiloase se execută după îmbunătățirea proprietăților fizice și mecanice ale acestora prin diverse metode.

Metodele de îmbunătățire a pământurilor dificile de fundare sunt în funcție de lucrul mecanic folosit și de tipul materialelor ce intră în componența amestecurilor de pământ. Acestea se clasifică în:

1. Metode privind stabilizarea pământurilor prin: stabilizare fizica; stabilizare chimică; stabilizarea mecanică și stabilizare termică. 2. Metode privind împiedicarea variațiilor de umiditate: preumezirea terenului de fundare și impermeabilizarea rambleelor. 3. Înlocuirea pământurilor argiloase cu pământuri inactive. Principalele îmbunătățiri care sunt urmărite în stabilizarea pământurilor cu umflări și contracții mari sunt:

reducerea presiunii de umflare, creșterea rezistenței la forfecare, micșorarea permeabillității și reducerea potențialului de contracție–umflare. 4.2 Stabilizarea fizică

Stabilizarea fizică se realizează prin modificarea compoziției granulometrice a unui pământ prin amestecarea cu un alt pământ. Prin această metodă se urmărește creșterea rezistenței la forfecare și reducerea presiunii de umflare. Cea mai economică metodă de stabilizare a pământurilor cu umflări și contracții mari este reprezentată de amestecurile cu material granular. Amestecurile de argilă cu materiale granulare sunt folosite pentru construcțiile din materiale locale reprezentate prin terasamente de drumuri, baraje de pământ și diguri. Pentru această metodă au fost realizate cercetări și încercări proprii de laborator, care au constat în determinarea proprietăților mineralogice și geotehnice pentru două argile.

Analizele difractometrice de raze X au fost realizate cu ajutorul unui difractometru PANanalytical X´Pert PRO (Figura 3) cu focalizare Bragg-Brentano și anticatod de Cu kα. Acest difractometru se află în dotarea Laboratorului de Mineralogie al Universității București, unde am analizat compoziția mineralogică a probelor argiloase sub îndrumarea lector dr. Barbara Soare. În prelucrarea difractogramelor am folosit programul X´Pert HighScore 2.2, iar interpretarea s-a efectuat pe baza datelor din Lucian Matei – Determinator pentru metode fizice de analiză a mineralelor și a rocilor, București, 1988.

Probele supuse analizelor mineralogice și geotehnice au fost recoltate din zona Moara Vlasiei (Argila 1 - A1) și zona Victoria, Botoșani (Argila 2 - A2).

Încercările geotehnice de laborator au fost efectuate în cadrul laboratorului de Geotehnică, Facultatea de Hidrotehnică din Universitatea Tehnică de Construcții București. În scopul determinării influenței nisipului asupra caracteristicilor geotehnice ale amestecurilor obținute s-au efectuat încercări de identificare (granulozitate și limite de plasticitate), umflări libere și încercări edometrice. Proprietățile fizice ale materialelor argiloase și ale amestecurilor rezultate sunt evidențiate în Tabelul

Figura 3. Difractometrul PANalytical X´Pert PRO


5

2. Adaosul de material granular a fost de 10%, 30% și 50%, raportat la masa uscată a probei de pământ. S-au realizat amestecuri cu 10% nisip fin (0,25 - 0,5 mm) și cu 10% nisip grosier (1,0 - 2,0 mm) pentru proba de argilă 1 și amestecuri cu 10%, 30% și 50% material granular (0,25 – 2,0 mm).

Tabelul 2. Caracteristicile materialelor studiate Material A1 90%A1 +

10%N gr 90%A1 + 10%N fin

A2 90%A2 + 10%N

70%A2 + 30%N

50%A2 + 50%N

Argilă (<0,0063 mm) (%) 55 44 48 67 65 57 38 Praf (0,0063-0,05 mm) (%) 43 42 40 27 22 19 12 Nisip (0,05-2 mm) (%) 2 14 12 6 13 24 50 Umflarea liberă (%) 95 95 95 120 120 120 120 Presiunea de umflare (kPa) 182 102 50 376 307 212 69 Montmorillonit (%) 24 - - 35 - - - Interstratificatii illit-montmorillonnit (%)

30 - - 21 - - -

Illit (%) 32 - - 31 - - - Caolinit (%) 14 - - 13 - - -

Conținut de argilă coloidală(%) 43 37 38 49 48 42 30 Indicele de plasticitate (%) 36,3 33,8 35,0 45,9 44 43,1 41,9 Indicele de activitate 0,84 0,91 0,92 0,94 0,92 1,02 1,4 Criteriul de plasticitate (%) 23,8 22,2 22,7 30,86 29,42 29,05 28,32

Încercările Proctor efectuate pe probele naturale de argilă și pe amestecurile cu material granular aratăt o scădere a umidității optime de compactare și o ușoară creștere a densității în stare uscată (Figura 4). Din punct de vedere al comportamentului mecanic s-a obținut o îmbunătățire a modulului de deformație edometric și o reducere a presiunii de umflare. Proprietățile fizice și mecanice ale pământurilor cu umflări și contracții mari și intensitatea fenomenul de umflare-contracție sunt în strânsă legătură cu compoziția mineralogică, în special cu procentul de minerale argiloase din grupa smectitelor (montmorillonit). Cu cât procentul de montmorilonit din componența argilelor este mai mare, cu atât fenomenele de umflare-contracție ale acestora sunt mai intense, în special valoarea presiunii de umflare este mai mare.

Se observă că presiunea de umflare este singura proprietate care scade considerabil pe măsură ce crește procentul de nisip sau pe măsură ce fracțiunea de nisip este mai fină. În concluzie, presiunea de umflare este singura caracteristică ce încadrează cel mai exact activitatea unui pământ ca fiind pământ cu umflări și contracții mari. 4.3 Stabilizarea chimică

Metodele de stabilizare analizate în acest subcapitol sunt cu caracter bibliografic, stabilizaea chimică se încadrează în stabilizarea pământurilor argiloase cu var, ciment, cenușă de teromocentrală și clorură de calciu. Pentru fiecare tip de stabilizare am ales studii de caz reale, preluate din literatura de specialitate. 4.4 Stabilizarea mecanică

Stabilizarea mecanică se poate realiza prin aplicarea unei presiuni pământurilor cu umflări și contracții mari, presiune care trebuie să fie mai mare decât presiunea de umflare, pentru a putea fi prevenită. 4.5 Stabilizarea termică

Tratarea prin ardere este o tehnică ce se aplică pământurilor cu umflări și contracții mari pentru minimalizarea variațiilor de volum. La temperaturi de peste 400-600°C se produc transformări cu caracter ireversibil al mineralelor argiloase în vederea micșorării sensibillității acestora la acțiunea apei și crează noi legături structurale prin inițierea unui proces de vitrificare. 4.6 Impiedicarea variatiilor de umiditate

4.7 Inlocuirea terenului de fundare

Înlocuirea terenului de fundare cu un material insensibil la variații de volum s-a constatat că este eficientă în cazul excavațiilor cu adâncimi de la 1,5 m la 3,0 m, iar materialul granular aflându-se la distanțe relativ mici. Adâncimea se alege în funcție de potențialul de umflare al pământului respectiv, astfel încât presiunea exercitată de greutatea rambleului și a structurii viitoare să depășescă presiunea de umflare. 5 STUDIUL DE CAZ 1: REALIZAREA UNUI RAMBLEU DE AUTOSTRADĂ DIN MATERIAL ACTIV

PRIN RAPORT CU APA DESENSIBILIZAT CU MATERIALE GRANULARE 5.1 Descrierea programului experimental și a obiectivelor încercărilor de laborator și a lucrărilor de teren

În cadrul proiectului Autostrada Transilvania, pentru umpluturi în corpul rambleelor, s-a dorit utilizarea materialului existent în depozite, material provenit în urma realizării de deblee pe traseul autostrăzii.

Figura4. Caracteristicile optime de

compactare


6

Pe baza informaţiilor geologice şi de arhivă, acest material este susceptibil a fi unul cu umflări şi contracţii mari pentru care, în urma compactării, datorită stării îndesate în care s-ar afla, orice creştere a umidităţii va genera creşteri în volum, văluriri şi implicit degradări ale construcţiei Pornind de la aceste premise obiectivele studiului au fost: identificarea activităţii în raport cu apa şi a caracterului de pământuri cu umflări şi contracţii mari pentru materialele din depozite; stabilizarea materialelor prin amestec cu balast şi determinarea unui procent optim în compoziţia „material local – balast”; verificarea calităţii amestecului obţinut pe teren (în poligon experimental) şi a gradului de compactare obţinut. 5.2 Determinarea calității materialului de umplutură din poligonul experimental

Într-un sector de autostradă s-a realizat un poligon experimental cu material argilos provenit dintr-o zonă adiacentă. Acest material a fost analizat conform NP 126/2012, iar conform testelor efectuate în Laboratorul de Geotehnică şi Fundaţii al Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti a rezultat că pământul analizat este activ în raport cu apa, în special datorită presiunii de umflare foarte mari, iar în compoziţia lui naturală nu poate fi folosit ca material de umplutură. 5.3 Caracteristicile amestecului 80% argilă - 20% balast

Într-o primă etapă s-a propus, ca soluţie de stabilizare a argilei folosită în poligonul experimental, realizarea unui amestec de 80% argilă (material dintr-o zonă adiacentă) şi 20% balast. În Tabelul 3 sunt prezentate caracteristicile argilei folosite în poligonul experimental, în compoziţie naturală şi în adaos de balast în proporţie de 20% şi 30%.

Tabelul 3. Caracteristicile argilei din poligonul experimental Caracteristici 100% argila 80% argila – 20% balast 70% argila – 30% balast wopt (%) 17.5 15.6 15.2 ρd

max (kN/m3) 16.9 17.7 17.9 pu (kPa) 220 132 88 Eoed200-300 (kPa) 9901 15038 13333 ΦCUsat (°) 16.4 27.1 25.4 cCUsat (kPa) 92.1 47.7 42.3 CBR2.54 (%) 11.68 12.6 13.47 CBR5.08 (%) 9.4 9.67 10.75

Principala caracteristică prin care se stabileşte procentajul optim de balast, din compoziţia argilei folosite în poligonul experimental, este presiunea de umflare. Aceasta înregistrează o variaţie liniară în funcţie de procentul de balast folosit în amestec. Valoarea obiectiv s-a stabillit în funcţie de presiunea verticală minimă pe materialul din corpul rambleului estimată de ordinul a 60 kPa ţinând cont de structura autostrăzii şi sarcina utilă. Pentru această presiune, în încercarea edometrică, amestecul 70% argilă – 30% balast are o umflare specifică de cca. 0.4%. Analizând rezultatele obţinute pe cele trei materiale se apreciază că argila folosită în poligonul experimental, în adaos cu minim 30% balast înregistrează valori acceptabile pentru presiunea de umflare şi amestecul obţinut poate fi folosit ca material de umplutură pentru realizarea rambleelor. 5.4 Poligonul experimental

Calitatea amestecului obţinut în teren a fost urmărită în cadrul unui poligon experimental. S-a urmărit obţinerea unui amestec omogen de 80% argilă şi 20% balast. Etapele punerii în operă au fost: împrăştierea argilei; fărâmiţarea argilei (eliminarea bulgărilor de argilă); nivelare cu autogrederul pentru realizarea unui strat de 27 cm; împrăştierea balastului; nivelare cu autogrederul pentru realizarea unui strat de 5 cm; amestecarea materialelor în plan vertical cu mixer CAT RM-350B; nivelare cu autogrederul; compactare cu cilindru cu came – 4 treceri; compactare cu cilindru vibrocompactor lis – 4 treceri.

Utilajul cel mai important pentru realizarea amestecului este mixerul CAT Rm-350B. Acesta este prevăzut cu un rotor cu came care pătrunde sub nivelul terenului amenajat pe o grosime de 50 cm. Amestecul se realizează în plan vertical. O schemă a camerei de amestec preluată din fişa tehnică a utilajului este prezentată în Figura 5.

În poligonul experimental s-au realizat trei straturi pentru verificarea omogenităţii amestecului, inclusiv la interfaţa dintre două straturi succesive. După compactare s-a executat o tranşee în care s-a urmărit prin observaţii vizuale calitatea amestecului şi s-au prelevat probe de material pe un interval de adâncime de 20 cm în scopul determinării granulozităţii. Rezultatele privind distribuţia particulelor solide pe dimensiuni şi amestecul obţinut sunt prezentate în Tabelul 4. Tabelul 4. Verificarea omogenității amestecului

Argila naturală

Proba 1 0.00…0.20m

Proba 2 0.20…0.40m

Proba 3 0.40…0.60m

Proba 4 0.60…0.80m

Diferenţa Diferenţa Diferenţa Diferenţa Argila 52 41 -9 47 -5 45 -7 44 -8 Praf 46 33 -13 34 -12 38 -8 36 -10 Nisip 2 15 +13 11 +9 9 +7 11 +9 Pietriş 11 +11 8 +8 8 +8 9 +9 Procent material grosier

23% 17% 15% 18%

Figura 5. Rotorul mixerului și schema de

obținere a amestecului


7

Atât observaţiile vizuale, cât şi încercările de laborator confirmă faptul că prin procesul tehnologic descris anterior, aplicat în poligonul experimental, se obţine un amestec cvasi-omogen de argilă cu balast. Gradul de compactare obţinut a fost mai mare de 98%. 5.5 Analiza materialelor de umplutura

Ca material de umplutură pentru corpul rambleelor au fost analizate probe provenite din 23 de surse. S-a urmărit ca procentajul optim de balast să se stabilească pe grupe de materiale, în special pe cele mai active în raport cu apa.

Având în vedere faptul că toate probele au înregistrat valori ale umflării libere mai mari de 70 %, conform STAS 2914-88, toate materialele intră în categoria 4d (calitate rea pentru terasamente). În Figura 6, materialele sunt reprezentate în diagrama ternară. Se remarcă faptul că acestea sunt grupate în 3 zone denumite grupe şi notate A, B şi C.

Materialele din grupa A sunt de tip argilă prăfoasă cu un procent de argilă mai mic de 40%. Din analiza caracteristicilor fizice ale acestor materiale se estimează că acestea nu sunt active în raport cu apa, respectiv nu înregistrează variaţii semnificative de volum la variaţii de umiditate.

Materialele din grupa B sunt de tip argilă nisipoasă cu: procentul de argilă cu A2µ = 30 ÷ 33 – pământ activ; indice de plasticitate IP = 27.9 ÷ 33.1 % - pământ activ și indice de activitate IA = 0.93 ÷ 1 – pământ puţin activ – activ. Din analiza caracteristicilor fizice ale acestor materiale şi conform clasificărilor după indicii enumeraţi mai sus, se estimează că acestea nu sunt active în raport cu apa, respectiv nu înregistrează variaţii semnificative de volum la variaţii de umiditate.

Materialele din grupa C sunt de tip argilă – argilă prăfoasă cu: procentul de argilă cu A2µ = 35 ÷ 42 – pământ activ – foarte activ; indice de plasticitate IP = 28 ÷ 41 % - pământ activ – foarte activ; indice de activitate IA = 0.7 ÷ 0.95 – pământ puţin activ și umflare liberă UL = 95 ÷ 118 % - pământ puţin activ.

În grupa C este clasificat şi materialul de umplutură folosit în poligonul experimental şi analizele de laborator pe amestec. Pentru aceste materiale se menţine soluţia de folosire în adaos cu balast. 5.6 Concluzii privind poligonul experimental și amestecul optim de argilă și balast

În Figura7 este prezentată o secţiune tip prin rambleu; faţă de cota amenajată a terenului se dispune un strat de material granular compactat, urmat de corpul rambleului care se va realiza din materialul care a constituit subiectul prezentului studiu. Deasupra acestui strat urmează structura rutieră a drumului cu o grosime de 95 cm.

Ground level after topsoil excavation of 30cm

30cm decapare pamant vegetal

1:11:

1

1:2

4%

2.5% 2.5%2.5% 2.5%

4%

1:2

1:1 1:1

1:10 1:10

4.0%4.0%

25

1:1

25

min. 2% min. 2%

TopsoilPamant vegetal

Umplutura corp drum din pamant corespunzatorFilling with suitable material

Improvement with granular material

TopsoilPamant vegetal

Figura 7. Secțiune transversală prin rambleu cu indicarea zonelor supuse la variații de umiditate și temperatură

Stratul permeabil de la partea inferioară a rambleului, executat cu pante care conduc apa în afara amprizei rambleului, limitează posibillitatea creşterii umidităţii în corpul rambleului în cazul în care sursa ar constitui-o apa subterană.

Structura rutieră şi în special izolarea creată de stratul de asfalt limitează posibilitatea creşterii umidităţii în corpul rambleului în cazul în care sursa ar constitui-o apa din precipitaţii.

Zonele susceptibile a fi supuse variaţiilor de umiditate şi temperatură sunt în zona taluzurilor rambleului, haşurate în Figura7. Acestea sunt zonele în care trebuie realizată o umplutură dintr-un material care nu are variaţii de volum la variaţii de umiditate. În corpul digului, materialul folosit trebuie să corespundă din punct de vedere al caracteristicilor mecanice. Având în vedere rezultatele încercărilor de laborator, în zona taluzurilor rambleului, pe o grosime mai mare decât adâncimea de îngheţ, se recomandă realizarea unui amestec cu un procent minim de balast de 30%. În corpul digului se poate reduce procentul de balast până la nivelul unor caracteristici de compresibillitate similare, respectiv, până la un procent minim de 15%. 6 STUDIU DE CAZ 2: ASPECTE GEOTEHNICE PRIVIND PROIECTAREA ȘI EXECUȚIA UNUI DEPOZIT

ECOLOGIC DE DEȘEURI PE UN TEREN ÎN PANTĂ ALCĂTUIT DIN PĂMÂNTURI CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI

6.1 Studii geotehnice și de stabillitate pentru materialul natural

Studiul experimental își propune să stabilească condițiile de fundare prin determinarea caracteristicilor fizico-mecanice ale terenului, determinarea soluției optime de îmbunătățire cu materiale granulare și stabillitatea unui amplasament pe care urmează să se construiască un depozit ecologic de deșeuri.

În cadrul limitelor amplasamentului s-au executat 21 foraje geotehnice uniform distribuite pe suprafaţa depozitului ecologic de deşeuri. Din probele prelevate s-au efectuat încercări de identificare şi clasificare a materialelor (granulozitate, plasticitate), încercări de evidenţiere a stării naturale a materialelor (umiditate şi îndesare) şi proprietăţile mecanice (deformabillitate şi forfecare).

Figura 6. Reprezentarea în diagrama

ternară a pământurilor analizate


8

Procentul ridicat de argilă, valorile mari ale indicelui de plasticitate şi ale limitei superioare de plasticitate au confirmat ipoteza că aceste materiale intră în categoria pământurilor cu umflări şi contracţii mari. Încercările de compresibillitate în edometru au fost efectuate pe probe inundate iniţial pentru a se putea determina presiunea de umflare înregistrând valori de 40…200 kPa, confirmând caracterul activ în raport cu apa.

Coeficientul de permeabillitate a fost determinat indirect prin încercări de consolidare în edometru, sub treapta de 200 kPa obţinându-se valori de ordinul k = 3.0*10-8÷ 1.9*10-9 m/s. Clasificate după modulul de deformaţie edometrică determinat între treptele de 200 şi 300 kPa, acest pachet are o compresibilitate medie la mare (Eoed200-300 = 6105 ÷ 16883 kPa) dacă sunt interpretate rezultatele încercărilor efectuate pe probe la umiditate naturală. Pe probele inundate iniţial s-au obţinut moduli de deformaţie edometrică aproximativ egali: Eoed200-300

sat = 8369 ÷ 13171 kPa. Parametrii rezistenţei la forfecare au fost determinaţi în încercări de tip CU (consolidat – nedrenat) şi de tip CD

(consolidat - drenat) pe probe la umiditate naturală şi saturate iniţial. Variaţia parametrilor rezistenţei la forfecare este sintetizată în Tabelul 5.

Tabelul 5. Parametrii rezistenței la forfecare Parametrul / Tip forfecare CU CUsat CD CDsat Unghiul de frecare internă, Φ [o] 11 ÷ 29 19 ÷ 28 19 ÷ 30 17 ÷ 23 Coeziunea, c [kPa] 59 ÷ 160 23 ÷ 81 33 ÷ 80 25 ÷ 55

Pe probe medii din cele două straturi s-au efectuat încercări pentru determinarea parametrilor optimi de compactare (Proctor normal) şi a caracteristicilor mecanice pe probe compactate (Tabelul 6). Valorile mari ale presiunii de umflare, obţinută pe probe compactate la umiditatea optimă de compactare nu recomandă utilizarea acestor materiale ca umpluturi.

Tabelul 6. Parametrii optimi de compactare şi caracteristicile mecanice ale probelor compactate Material / caracteristici probe compactate Parametrii optimi de

compactare Caracteristici de compresibillitate

Caracteristici de forfecare

ρdmax

[g/cm3] wopt [%]

Eoed200-300

[kPa] pumfl [kPa]

Φ [°]

c [kPa]

Argilă – argilă grasă, gălbuie – cenuşie 1.47 20 12381 95 17 47 Marnă cenuşie 1.60 18.5 10000 170 20 45

Pentru analiza preliminară de stabilitate, pentru terenul de fundare alcătuit din argilă grasă în suprafață și argilă grasă mărnoasă în bază, s-au considerat parametrii rezistenței la forfecare în funcție de rezultatele încercărilor de forfecare directă.

Din punct de vedere seismic, zona cercetată este caracterizată de valoarea de vârf a acceleraţiei terenului pentru proiectare ag = 0.08g pentru cutremure având intervalul mediu de recurenţă IMR = 100 ani şi perioada de control (colţ) Tc = 0.7 sec (conform „Codului de proiectare seismică – Partea I – Prevederi de proiectare pentru clădiri” - indicativ P 100-1/2006).

Pentru evaluarea stabillităţii generale a amplasamentului au fost efectuate calcule de determinare a factorului de stabillitate la alunecare, cu programul de calcul AZTEC – STAP v9.02b.

Calculele au fost efectuate pe două profile: • Profilul 1-1: zona platformei de sortare; • Profilul 2-2: zona depozitului ecologic de deșeuri.

În Tabelul 7 sunt prezentate rezultatele calculelor de stabillitate efectuate atât în gruparea fundamentală de acţiuni, cât şi în gruparea specială, cu considerarea masivului nesaturat şi integral saturat. Primul set de calcule vizează stabillitatea taluzului rezultat în urma excavaţiei, considerând o pantă de 1:2. În aceleaşi condiţii, analizând stabillitatea locală a rezultat Fs

min = 1.027, valoare la limita stabillităţii care confirmă fenomenele de instabillitate de suprafaţă apărute în zona depozitului de deşeuri, în acelaşi strat de argilă – argilă grasă. În ipoteza realizării unui taluz cu o pantă de cca. 1:3 (panta proiectată) s-au reluat calculele în toate ipotezele, valorile minime fiind obţinute pentru analiza stabillităţii locale, în gruparea specială de acţiuni.

Tabelul 7. Sinteza analizei de stabilitate

Profil Ipoteza Grupare fundamentală Grupare specială (ag = 0.08g) masiv nesaturat

masiv saturat

masiv nesaturat

masiv saturat

1 – 1

Taluz 1:2: calcul preliminar 2.355 1.822 2.116 1.638 Taluz 1:2: calcul conform Eurocod 1.375 Taluz 1:2 calcul conform Eurocod – stabillitate locală

1.027

Taluz proiectat: calcul preliminar 2.632 2.171 1.906 1.875 Taluz proiectat: calcul conform Eurocod 1.677 1.651 1.448 1.426 Taluz proiectat: calcul conform Eurocod – stabillitate locală

1.353 1.331 1.176 1.157

2 – 2 Calcul preliminar: Depozit gol 3.117 3.223 2.668 2.772 Calcul preliminar: Depozit plin 2.704 2.704 2.243 2.243


9

Pe profilul de calcul 2–2, s-a analizat stabillitatea generală a amplasamentului considerând situaţia iniţială a amplasamentului, respectiv depozit gol şi situaţia finală, după umplerea completă a depozitului. Valorile minime sunt înregistrate în gruparea specială de acţiuni (cu luare în considerare a acţiunii seismice) după umplerea depozitului ecologic de deşeuri, situaţie în care suprafaţa de cedare trece prin corpul depozitului, nu prin terenul de fundare.

Se remarcă faptul că pentru nici unul din cazurile analizate nu se înregistrează valori inacceptabile ale factorului de stabillitate. Valorile minime sunt înregistrate în gruparea specială de acţiuni (cu luare în considerare a acţiunii seismice) după umplerea depozitului ecologic de deşeuri, situaţie în care suprafaţa de cedare trece prin corpul depozitului, nu prin terenul de fundare.

În urma cercetărilor de teren şi de laborator efectuate, se constată că în amplasamentul studiat, terenul poate fi clasificat ca teren dificil de fundare în conformitate cu NP 074/2007; iar conform STAS 2914-84, toate materialele interceptate pe adâncimea investigată intră în categoria 4d, a pământurilor cu calitate „rea” pentru terasamente, acestea nu vor putea fi folosite (în starea lor naturală) ca materiale de umplutură pentru corpul digurilor perimetrale ale depozitului sau pentru alte umpluturi.

În cazul folosirii acestor materiale ca materiale de umplutură, ele trebuie desensibilizate în raport cu apa prin adaos fie de material granular (nisip, balast) sau stabilizatori hidrici (ciment, var). 6.2 Studiu privind rezistența la forfecare și analiza stabilității argilei destructurate

După elaborarea studiului geotehnic, s-a recomandat faptul că materialele argiloase nu pot fi folosite în stare naturală ca materiale de umplutură pentru corpul digurilor perimetrale. În scopul asigurării pantelor s-a recomandat adoptarea unor pante maxime de 1:2, evitarea expunerii la variații de umiditate și temperatură prin acoperire imediată cu un strat de pământ vegetal și vegetalizarea cu iarbă și arbuști. Pentru justificarea recomandărilor menționate anterior și pentru explicarea fenomenelor de instabillitate apărute în amplasament (Figura 8) s-a ales o probă reprezentativă de argilă grasă (glomerulară) care a fost supusă la fenomenul de îngheț-dezgheț (la variații de umiditate și temperatură) din luna noiembrie 2012 până în luna februarie 2013. Fazele destructurării probei de argilă pot fi observate în Figura 9.

a. octombrie 2012; b. februarie 2013.

Figura 8. Fenomene de instabillitate a unui terasament Pentru proba de argilă destructurată s-a urmărit determinarea parametrilor rezistenței la forfecare prin încercări de

forfecare directă care să simuleze fenomenul de alunecare din teren. Această situație corespunde cu o încercare de tip neconsolidat-nedrenat pe probă inundată. Din acest motiv încercarea a constat în aplicarea unei trepte de contact de 18 kPa, saturarea probei timp de aproximativ 2h și aplicarea treptei de încărcarea corespunzătoare. Forfecarea directă s-a efectuat cu viteza de 1 mm/min, prin acest tip de încercare s-au simulat condițiile reale din amplasament.

08.11.2012 27.12.2012 02.02.2012

Figura 9. Destructurarea argilei grase la diverse perioade de timp Parametrii rezistenței la forfecare rezultați în urma analizei pe argila destructurată sunt: unghiul de frecare internă

(Φ = 17,48°) și coeziunea (c = 6,94 kPa). Pentru evaluarea stabillității generale a amplasamentului au fost efectuate calcule de determinare a factorului de stabillitate la alunecare cu programul de calcul AZTEC - STAP v9.02b. Calculele au fost efectuate pe două profile, în cazul grupării fundamentale (fără seism): profilul 1-1 (în zona platformei tehnologice) și profilul 2-2 (depozit gol și depozit plin). Rezultatele calculelor de stabilitate efectuate în gruparea fundamentală sunt prezentate în Tabelul8.

Tabelul 8. Sinteza analizei de stabillitate

Profil Ipoteza Grupare fundamentală Calcul preliminar Calcul Eurocod

1 – 1 Taluz 1:2 0,929 0,728 Taluz 1:3 1,294 1,008

2 - 2 Depozit gol 1,078 0,872 Depozit plin 0,942 0,716


10

Valorile factorilor de stabillitate obținuți confirmă faptul că în ipoteza neprotejării prin vegetalizare a taluzurilor, acestea vor fi afectate de fenomene de instabillitate care, de altfel, s-au produs în luna februarie 2013. 6.3 Amestec optim de argilă grasă și materiale granulare care să asigure caracteristici mecanice și hidraulice

specifice unui depozit ecologic de deșeuri

În vederea realizării digurilor perimetrale dintr-un depozit ecologic de deșeuri amplasat pe un teren din pantă, alcătuit din pământuri cu umflări și contracții mari, s-a urmărit desensibilizarea materialului argilos existent prin adaos cu diferite materiale granulare care să corespundă următoarelor cerințe: să dezvolte o presiune de umflare redusă; să se obțină un coeficient de permeabillitate mai mic de 10-9 m/s; să se obțină parametri rezistenței la forfecare care să asigure stabillitatea locală și generală a amplasamentului; să atingă un moduli de deformație care să încadreze pământul în categoria pământurilor cu compresibillitate medie.

Ținând cont de cerințele enumerate anterior, s-a propus un program experimental care a constat în: determinarea caracteristicilor de compactare; determinarea presiunii de umflare și a caracteristicilor de compresibillitate și de consolidare (determinarea coeficientului de permeabillitate) pe probe din jurul parametrilor optimi de compactare și determinarea parametrilor rezistenței la forfecare în condiții CUsat pe probe din jurul parametrilor optimi de compactare.

Acest program experimental s-a efectuat pe materialul natural compactat, cât și pe toate probele rezultate în urma amestecurilor dintre argilă grasă și materiale granulare. Încercările de laborator privind desensibilizarea argilei grase s-au efectuat în Laboratorul de Geotehnică, Departamentul Geotehnică și Fundații din cadrul Facultății de Hidrotehnică a Universității Tehnice de Construcții - București.

Pentru a stabili o metodă de desensibilizare a argilei folosită ca material de umplutură pentru digurile perimetrale, trebuie încadrat acest material în raport cu potențialul de umflare și contracție, conform NP 126-2012. În urma încercărilor de laborator rezultă: compoziţie granulometrică: clasificare conform STAS 1243-88 - argilă grasă; indicele de plasticitate: IP = 41.39 % - pământ foarte activ; procentul de argilă 2µm: 46% - pământ foarte activ; indicele de activitate: IA = 0.9 - pământ cu activitate medie; umflarea liberă: UL = 103 % - pământ activ și presiunea de umflare: pu = 200 kPa – pământ activ. Din analiza încercărilor de laborator rezultă faptul că datorită presiunii de umflare foarte mari, materialul din amplasament intră în categoria pământurilor cu umflări şi contracţii mari şi în compoziţia lui naturală nu poate fi folosit ca material de umplutură. Conform NP 126-2012, materialul analizat se încadrează în categoria pământurilor active în raport cu apa, iar conform STAS 2914-84 materialul analizat se încadrează în categoria 4d, respectiv a pământurilor cu calitate rea pentru terasamente.

Pentru desensibilizarea argilei grase s-au propus trei tipuri de materiale granulare: zgură (nisip de turnătorie), balast și material granular cu diametrul particulelor 5-8 mm.

Zgura este un produs rezidual (deșeu industrial), denumit și nisip de turnătorie. Din punct de vedere geotehnic, zgura se încadrează în categoria nisipurilor fine și mijlocii, acest lucru este evidențiat de curba granulometrică și histogramă. Pentru desensibilizarea materialului argilos cu zgură s-au realizat amestecuri cu 10%, 20% și 40% zgură față de masa uscată a materialului argilos. Variația caracteristicilor optime de compactare față de proba naturală, pentru fiecare amestec în parte se poate observa în Figura 10.a.

Desensibilizarea argilei din amplasament folosită la digurile perimetrale prin amestec cu balast în procent de 10, 30 și 50% este evidențiată în Figura 10.b. Aceste amestecuri s-au realizat în vederea obținerii unui pământ desensibilizat în raport cu apa, bun pentru terasamente. Balastul folosit în amestecurile cu material argilos (materialul folosit în teste) a fost cernut pe sita de 3,15 mm.

Desensibilizarea argilei din amplasament cu material granular 5-8 mm, folosită la digurile perimetrale, a fost realizată în procent de 30 și 40%. Aceste amestecuri s-au realizat în vederea obținerii unui pământ desensibilizat în raport cu apa, bun pentru terasamente. Variația caracteristicilor optime de compactare față de proba naturală, pentru fiecare amestec în parte se poate observa în Figura 10.c.

Pe probele din jurul parametrilor optimi de compactare, s-au determinat valori ale presiunii de umflare, ale parametrilor rezistenței la forfecare, ale modulilor edometrici și valori ale umflării specifice inițiale sub treapta de contact.

a.

b.

c.

Figura 10. Variația caracteristicilor optime de compactare pentru amestecurile cu zgură (a) și

balast (b) și material granular (c)


11

Pe baza încercărilor de laborator s-au constituit grafice de variație a umflării și a presiunii de umflare în funcție de diferența de umiditate față de umiditatea optimă de compactare. În urma amestecului dintre 90% argilă și 10% zgură, din Figura 11 reiese faptul că atât umflarea inițială cât și presiunea de umflare înregistrează valori foarte mari, chiar mai mari decât valorile înregistrate pe materialul natural, comportament justificat prin prisma faptului că efectul compactării este mai mare decât efectul desensibilizării (ρd

max crește de la 1,62 g/cm3 la 1,68 g/cm3). Astfel de grafice constitue un suport solid pentru stabilirea soluției tehnologice utilizată în lucrare.

Un material rezultat în urma unui amestec dintre două pământuri nu are comportamentul unui material natural. Un amestec de pământ identificat în diagrama ternară ca fiind argilă nisipoasă nu se comportă ca un pământ natural identificat în diagrama ternară ca argilă nisipoasă. De exemplu, amestecul de 60% argilă și 40% zgură (identificat în diagrama ternară ca fiind argilă nisipoasă) a dezvoltat o presiune de umflare de 110-120 kPa, în timp ce în general un material natural cu aceiași compoziție granulometrică nu este activ în raport cu apa.

Pentru dezvoltarea unor presiuni de umflare reduse, în cazul desensibilizării cu material granular, se recomandă ca umiditatea materialul pus în operă să fie cu 1...3 % mai mare decât umiditatea optimă de compactare (w = woc + 1...3 %).

În urma tuturor încercărilor de laborator efectuate se consideră ca fiind amestecuri optime următoarele amestecuri:

Tabelul 7. Amestecuri optime cu materiale granulare Proba pu, (kPa) k, (cm/s) Eoed 200-300, (kPa) ΦCUsat, (°) cCUsat, (kPa) 60%A + 40%Z 110 7,63*10-9 11905 27 35 50%A + 50%B 110 1,07*10-8 11111 33 17 70%A + 30%MG 75 4,89*10-8 7380 *25 *35

6.4 Calcule de stabilitate la alunecare a terasamentelor

Pentru evaluarea stabillității taluzului proiectat din zona digului aval de depozitul de deșeuri, au fost efectuate calcule de determinare a factorului de stabillitate la alunecare cu programul de calcul AZTEC - STAP v9.02b. Calculele au fost efectuate pe profilul de calcul 2-2 în ipoteza depozitului plin, în cazul grupării fundamentale (fără seism) și a grupării speciale.

În ipoteza stabilizării argilei din amplasament cu 40% zgură, pentru calculele preliminare de stabillitate ( Figura 12), valorile de calcul s-au considerat egale cu valorile măsurate în urma încercărilor de laborator: kPac 35;27 =°=φ .

Pentru calculul de stabillitate conform SR EN 1997-1:2004 - Eurocod 7. Proiectarea geotehnică. Partea 1. Reguli generale,

valorile măsurate s-au considerat valori caracteristice: °== 6,2125.1infkφ

φ kPac

ck 254.1inf

== .

a.gruparea fundamentală b. gruparea specială Figura 12. Profil 2-2, depozit plin - dig aval stabilizat cu 40% zgură, calcul preliminar

a.gruparea fundamentală b. gruparea specială

Figura 13. Profil 2-2, depozit plin - dig aval stabilizat cu 40% zgură, calcul Eurocod În ipoteza îmbunătățirii argilei din amplasament cu 50% balast, pentru calculele preliminare de stabillitate,

valorile de calcul s-au considerat egale cu valorile măsurate în urma încercărilor de laborator: kPac 17;33 =°=φ .

Pentru calculul de stabillitate conform SR EN 1997-1:2004 - Eurocod 7. Proiectarea geotehnică. Partea 1. Reguli

generale,.valorile măsurate s-au considerat valori caracteristice: °== 4,2625.1infkφ

φ kPac

ck 124.1inf

== .

În ipoteza îmbunătățirii argilei din amplasament cu 30% material granular, pentru calculele preliminare de stabillitate, valorile de calcul s-au considerat egale cu valorile măsurate în urma încercărilor de laborator:

Figura 11. Variația umflării și a presiunii de umflare față de diferența de umiditate dintre proba analizată și umiditatea optimă de compactare pentru amestecul 90%A + 10%Z


12

kPac 35;25 =°=φ . Pentru calculul de stabillitate conform SR EN 1997-1:2004 - Eurocod 7. Proiectarea geotehnică.

Partea 1. Reguli generale, valorile măsurate s-au considerat valori caracteristice: °== 2025.1infkφ

φ kPac

ck 254.1inf

== .

Pentru deșeuri, valorile de calcul au fost preluate din literatura de

specialitate: 3/12,15;20 mkNkPaccc ==°= γφ .

În Tabelul 8 sunt prezentate rezultatele calculelor de stabillitate efectuate în gruparea fundamentală de acțiuni și în gruparea specială conform calculelor preliminare și Eurocod.

Tabelul 8. Sinteza analizei de stabillitate pentru amestecurile optime studiate ale digului aval Amestec optim Grupare fundamentală Grupare specială (ag=0,8g)

Calcule preliminare Calcule Eurocod Calcule preliminare Calcule Eurocod 60%A + 40%Z 2,013 1,502 1,888 1,409 50%A + 50%B 1,776 1,322 1,667 1,243 70%A + 30%MG 1,966 1,469 1,845 1,377

Analizând valorile factorului de stabillitate se observă că stabillitatea digului realizat în cele trei ipoteze de amestec optim cu materiale granulare este asigurată. Valoarea factorului de stabillitate în: calculele preliminare pentru gruparea fundamentală este asigurată (Fs> 1,5), calculele preliminare pentru gruparea specială este asigurată (Fs > 1,1), calculele conform Eurocod pentru gruparea fundamentală este asigurată (Fs > 1,1) și calculele conform Eurocod pentru gruparea specială este asigurată (Fs > 1,0). În aceste condiții, cele trei amestecuri optime propuse asigură stabillitatea digului aval de depozit în ipoteza cea mai defavorabilă, ipoteza depozitului plin. 7 CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE 7.1 Concluzii

Lucrarea s-a axat pe studierea comportării pământurilor argiloase cu umflări și contracții mari ca material de construcții și ca masiv natural suport al construcțiilor din materiale locale. Abordarea cercetărilor a pornit prin realizarea unei sinteze bibliografice, cât mai actuală, pe baza căreia s-au derulat cercetări proprii în laborator și pe teren, în cadrul unor studii de caz. În cadrul cercetărilor proprii, din gama metodelor de îmbunătățire studiate am ales stabilizarea cu materiale granulare, urmărind modificarea structurii interne a pământurilor cu umflări și contracții mari. Amestecurile propuse pentru stabilizare au fost originale fiind alcătuite din materiale minerale naturale și deșeuri industriale inerte. Principalele concluzii, în urma încercărilor de laborator și teren, privind îmbunătățirea pământurilor cu umflări și contracții mari, aplicate în studiile de caz, sunt: - fiecare pământ se comportă diferit în funcție de compoziția sa mineralogică și granulometrică, de aceea nu există o „rețetă” de îmbunătățire a pământurilor argiloase; - prin adaos de materiale granulare, pentru unele procente de adaos, efectul îndesării (compactării) este mai mare decât efectul desensibilizării, rezultând materiale mai „rele” decât proba naturală (conform cerințelor tehnice pentru terasamente); - limita superioară de plasticitate, care încadrează un pământ argilos în diverse categorii privind activitatea acestuia în raport cu apa, în cazul amestecurilor nu este elocventă având în vedere faptul că procedura de determinare a acestui indice impune eliminarea fracțiunilor granulare mai mari de 0,25 mm (conform STAS 1913/4-86); - îmbunătățirea parametrilor optimi de compactare diferă în funcție de dimensiunea particulelor de material granular: umiditatea optimă de compactare scade și densitatea maximă în stare uscată crește pe măsură ce dimensiunile particulelor de material granular scad; - presiunea de umflare este singura proprietate care se modifică în cazul amestecurilor cu materiale granulare, fiind singura caracteristică ce încadrează cel mai exact activitatea unui pământ în raport cu apa, reprezentând totodată o caracteristică geotehnică imperios necesară la alegerea și dimensionarea soluțiilor de fundare a construcțiilor pe pământuri cu umflări și contracții mari; - proprietățile fizice și mecanice ale pământurilor cu umflări și contracții mari și intensitatea fenomenelor de umflare-contracție sunt în strânsă legătură cu compoziția mineralogică a pământului, în special cu procentul de minerale argiloase din grupa smectitelor; - în scopul asigurării stabillității pantelor este obligatorie evitarea expunerii la variații de umiditate și temperatură, înierbarea (vegetalizarea cu arbori și arbuști) și îndepărtarea apelor meteorice; - pentru dezvoltarea unor presiuni de umflare reduse, în cazul desensibilizării cu materiale granulare, se recomandă asigurarea unor grade de compactare de 95-98 % la umidități de compactare cu 1...3% mai mari decât umiditatea optimă de compactare; - un material rezultat în urma unui amestec dintre un pământ cu umflări și contracții mari și un material granular nu are comportamentul unui pământ similar natural. De exemplu, amestecul de 60% argilă și 40% zgură (identificat în diagrama ternară ca fiind argilă nisipoasă) a dezvoltat o presiune de umflare de 110-120 kPa, în timp ce în general un material natural cu aceeași compoziție granulometrică nu este activ în raport cu apa; - în cazul terasamentelor ce utilizează argile, zonele susceptibile la variații de umiditate și temperatură sunt în zona taluzului, și de aceea acestea trebuie realizate din materiale inactive în raport cu apa. În aceste zone se recomandă utilizarea unor amestecuri cu procente mai mari de material granular față de amestecurile din corpul terasamentelor;


13

- pe baza încercărilor sistematice de laborator se pot constitui grafice de variație a umflării și a presiunii de umflare în funcție de diferența de umiditate față de umiditatea optimă de compactare; astfel de grafice constitue un suport solid pentru stabilirea soluției tehnologice utilizată în lucrare; - pentru amestecuri de pământuri sensibile la umezire cu materiale granulare grosiere (diametrul particulelor mai mare de 3,15 mm) aparatura de laborator și încercările conform standardelor nu sunt adaptate. 7.2 Contribuții personale

În cadrul încercărilor întreprinse în cadrul tezei de doctorat, într-o primă fază, am elaborat o amplă sinteză bibliografică privind recunoașterea și clasificarea pământurilor cu umflări și contracții mari.

În 2012, în urma sintezelor privind încadrarea pământurilor cu umflări și contracții mari pe plan internațional s-a propus și s-a aprobat noua clasificare privind încadrarea pe plan național a activității acestor pământuri introdusă în normativul revizuit NP 126/2012: Normativ privind fundarea construcțiilor pe pământuri cu umflări și contracții mari.

În cadrul cercetărilor proprii am realizat: • Sistematizarea principalilor factori care influențează și cuantifică activitatea pământurilor argiloase în raport cu

apa (compoziția granulometrică, presiunea de umflare, compoziția mineralogică, limitele de plasticitate, umflarea liberă);

• Încercări proprii în Laboratorul de Geotehnică și Fundații al Universității Tehnice de Construcții București și în Laboratorul de Mineralogie - Facultatea de Geologie, Universitatea București. În urma încercărilor au rezultat: interpretări din punct de vedere mineralogic ale proprietăților geotehnice, amestecuri originale, alegerea unor parametri de calcul, criterii de alegere a amestecului optim (scăderea presiunii de umflare, moduli edometrici și parametri rezistenței la forfecare îmbunătățiți), abace pentru execuție;

• Stabilirea unor etape în alegerea posibillităților de utilizare a pământurilor argiloase cu umflări și contracții mari ca material de construcții, pe baza sintezei bibliografice, a încercărilor proprii în laborator și a unor calcule specifice;

• Studii de caz în care am testat și validat aplicabilitatea schemei propuse, privind îmbunătățirea pământurilor cu umflări și contracții mari pentru terasamente și ca teren de fundare.

Schema cadru cu etapele care trebuie parcurse pentru stabilirea unei metodologii de îmbunătățire-tratare a pământurilor cu umflări și contracții mati este prezentată în Figura 14.

Figura 14. Etape de îmbunătățire a pământurilor cu umflări și contracții mari pentru terasamente și ca teren de fundare

Încercări de laborator: • Granulometrie: Gr; • Indice de plasticitate: IP; • Indice de activitate: IA; • Umflarea liberă: UL; • Presiunea de umflare: pu; • Compoziția mineralogică.

Condiții tehnice de utilizarea a materialului: • Eoed ≥ Eoed

pr (parametrul 1); • pu ≤ pu

pr (parametrul 2); • ϕ ≥ ϕpr (parametrul i); • c ≥ cpr (parametrul n).

Amestec dozaj 1: Parametrii 1, 2,…n

Amestec dozaj i: Parametrii 1, 2,…n

Amestec dozaj n: Parametrii 1, 2,…n

Analiza parametrilor


Amestec optim în laborator: • wopt; • ρd

max.

Condiții tehnice de execuție

Control calitate


Material bun pentru terasamente.

Teren bun de fundare.

Teren de fundare Material de construcții

Pământ cu umflări și contracții mari


14

Aplicabilitatea schemei propuse am testat-o și validat-o în cercetările proprii în cadrul unor studii de caz. Studiile de caz au avut ca obiectiv stabilirea amestecurilor optime (aport minim de material granular de adaos) prin încercări detaliate de laborator. Eficiența acestor amestecuri a fost verificată cu poligoane experimentale care au evidențiat omogenitatea amestecului datorită tehnicilor folosite, relevând posibilitățile de utilizare a pământurilor cu umflări și contracții mari ca materiale de construcții.

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ 1. Al-Rawas, A., Goosen, M. – Expansive soils. Recent caracterization and treatment. Taylor&Francis, London, 2006 2. Andrei, S., Antonescu, I. – Geotehnică și fundații. Vol I și II. Institutul de Construcții, București, 1980 3. Antonescu, I. –Contribuții la studiul pământurilor argiloase, cu umflări și contracții mari. Institutul de Studii și

Cercetări Hidrotehnice, București, 1959 4. Chen, F.H. – Foundation on expansive soils. Elsevier, Amsterdam, 1975 5. Gasparre, A. – Doctoral thesis. Advanced laboratory characterisation on London clay. London - U.K., 2005 6. Holtz, R.D., Gibbs, H.J. – Engineering properties of expansive clays. Transactions ASCE, 641-677, 1956 7. Ivasuc, T. – Seawater influence on the behavior of the expansive clays. Land reclamation, Earth

Observation&Surveying, Environmental Engineering – Scientific Papers, Serie E, Vol. I, Bucharest, 105-108, 2012 8. Ivasuc, T., Manea, S., Olinic, E., – Studii de laborator privind îmbunătățirea pământurilor argiloase. Volumul A XII-

a Conferință Națională de Geotehnică și Fundații. Editura Politehnium, Iași, 2012 9. Ivasuc, T. – Laboratory Studies on the optimum compaction characteristics of expansive soils. Civil Engineering PhD

International Conference. Eikon, Cluj-Napoca, 2012 10. Ivasuc, T., Siminea, I., Olinic, E. – Influence of climate and vegetation on structures founded on expansive clays.

Land reclamation, Earth Observation&Surveying, Environmental Engineering – Scientific Papers, Serie E, Vol. II, Bucharest, 2013

11. Ivasuc, T., Olinic, E., Manea, S., Soare, B. – Studies on the stabilization of expansive soils treated with granular materials. 13th GeoConference SGEM 2013, Science and Technologies in Geology, Exploration and Mining - Scientific Papers, Vol. I. Albena, 2013

12. Jones, L., Jefferson, I. – Institution of civil engineering. Manual series. C5 – Expansive soils. London – U.K., 2011 13. Manea, S. – Evaluarea riscului la alunecare a versanților. Ed. Conspress, București, 1998 14. Manea, S., Batali, L., Popa, H. – Fizica și mecanica pământurilor. Ed. Conspress, București, 2006 15. Manoliu, I. - Fundaţii şi procedee de fundare. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983 16. Moore, D., Reynolds, R. – X-ray diffraction and the identification and analysis of clay minerals. Second Edition.

Oxford University Press, 1997 17. Matei, L. – Argilele panoniene din Transilvania. Editura Academiei R.S.R., București, 1983 18. Olinic, E. – Eficiența sistemelor de etanșare de bază ale depozitelor ecologice de deșeuri. Editura Conspress,

București, 2009 19. Olinic, E. – Teza de doctorat - Contribuții la realizarea sistemelor de etanșare ale depozitelor de deșeuri, București,

2010 20. Siminea, I, Dobrescu, C., Ivasuc, T. – Geotehnică – Încercări de laborator. Editura Bren, București, 2011 21. Snethen, D.R. – A review of engineering experiences with expansive soils in highway subgrades. Report No. FHWA-

RD-75-48, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Interim Report, Washington, 1975 22. Stanciu, A., Lungu, I. - Fundaţii. Editura Tehnică, Bucureşti, 2005 23. Zamfirescu, F., Comșa, R., Matei, l. – Rocile argiloase în practica inginerească. Editura Tehnică, București, 1985 24. *** NP 126/2012 – Normativ privind fundarea construcțiilor pe pământuri cu umflări și contracții mari 25. SR EN ISO 14688-1: 2004 „Cercetări şi încercări geotehnice. Identificarea şi clasificarea pământurilor. Partea 1.

Identificare şi descriere” 26. *** SR EN 1997-2:2007 „Eurocod 7. Proiectarea geotehnică. Partea 2. Investigarea și încercarea terenului”.

257 Ivasuc Tatiana - Rezumat Ro

Documents

Transcript of 257 Ivasuc Tatiana - Rezumat Ro