Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda...
-
Upload
ovidiu-holoc -
Category
Documents
-
view
277 -
download
5
description
Transcript of Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda...
Universitatea Tehnica
de Constructii Bucuresti
UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI
Facultatea de Căi Ferate, Drumuri şi Poduri
Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a stagiului
de pregătire doctorală de bursă atribuită prin proiectul „Burse doctorale
pentru ingineria mediului construit”, cod POSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar
UTCB, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional Sectorial
Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale Europene,
din Bugetul naţional şi cofinanţat de către UTCB.
TEZĂ DE DOCTORAT
(rezumat)
Aspecte privind îmbunătăţirea
proprietăţilor fizico-mecanice ale
pământurilor prin metoda Jet Grouting
Doctorand
Ing. Claudia NICOLAE
Conducător ştiinţific
Prof.univ.dr.ing. Anton CHIRICĂ
BUCUREŞTI
2011
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
Cuprins Pagina 1 din 43
CUPRINS
1 Sinteză documentară asupra utilizării injectării terenurilor în lucrările inginereşti ..................... 2 1.1 Aspecte privind injectarea terenurilor ................................................................................... 2 1.2 Jet Grouting - scurt istoric ..................................................................................................... 2
2 Aspecte privind metodologia de realizare, factorii procesului şi monitorizarea lucrărilor de jet
grouting ................................................................................................................................................ 4 2.1 Etape principale de execuţie a elementelor de pământ-ciment: ............................................ 5 2.2 Analiza factorilor ce influenţează realizarea elementelor de jet grouting [C6] .................... 8 2.3 Prevederi practice ce influenţează realizarea elementelor de jet grouting ............................ 8
2.4 Măsurarea şi determinarea diametrelor coloanelor de pământ ciment executate prin metoda
jet grouting ........................................................................................................................................ 8 2.5 Controlul calităţii lucrărilor de jet grouting .......................................................................... 8
3 Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting ............ 9
3.1 Controlul apelor subterane .................................................................................................. 10 3.2 Subzidirea cu ajutorul elementelor de jet-grouting ............................................................. 12 3.3 Tuneluri şi galerii – plăci de impermeabilizare ................................................................... 12 3.4 Sprijiniri subterane .............................................................................................................. 13
3.5 Bariere la nivelul cheii ........................................................................................................ 14 3.6 Limitări ale lucrărilor de jet grouting în funcţie de natura pământului ............................... 15
4 Calculul parametrilor de injectare .............................................................................................. 17 4.1 Parametrii operaţionali de bază ai procesului de jet grouting ............................................. 17
4.2 Calculul parametrilor de injectare [2] ................................................................................. 17 5 Principii generale de dimensionare ale principalelor tipuri de lucrări inginereşti executate prin
metoda jet grouting ............................................................................................................................ 18
5.1 Cerinţe specifice de proiectare [6] ....................................................................................... 18
5.2 Cercetarea geotehnică.......................................................................................................... 18 5.3 Condiţii de proiectare .......................................................................................................... 18
5.4 Lucrări de susţinere ............................................................................................................. 18 5.5 Lucrări de îmbunătăţire a capacităţii portante - Calculul fundaţiei directe de adâncime
ţinând seama de interacţiunea cu terenul ........................................................................................ 18
5.6 Exemplu de calcul al elementelor de pământ-ciment [B3], [Z3] ........................................ 18 5.7 Efectele încărcărilor dinamice ale lucrărilor de jet grouting asupra elementelor structurale
aflate in vecinătate .......................................................................................................................... 18 6 Studii de caz ............................................................................................................................... 19
6.1 Donau City Tower - Viena .................................................................................................. 19 6.2 Schönbrunnerstrasse 225 - Viena ........................................................................................ 21
6.3 Westbahnhof – Viena .......................................................................................................... 23 6.4 Transportul, depozitarea şi tratarea probelor ....................................................................... 25 6.5 Rezultatele obţinute ............................................................................................................. 26
7 Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting ....................... 28 7.1 Principii generale ................................................................................................................. 28
7.2 Aspecte specifice modelarii lucrărilor unde s-a utilizat tehnologia “jet grouting” ............. 28 7.3 Metoda Priebe de calcul al îmbunătăţirii terenurilor prin tratament local (ploturi) [P4] .... 34 7.4 Exemplu de calcul utilizând metoda Priebe ........................................................................ 34
7.4.1 Notaţii........................................................................................................................... 34 7.4.2 Factorul de îmbunătăţire de bază n0 ............................................................................. 35
7.4.3 Considerarea suprasarcinii ........................................................................................... 35 7.4.4 Factorul de adâncime ................................................................................................... 36
7.4.5 Valorile eforturilor tangenţiale în pământul îmbunătăţit ............................................. 37 8 Concluzii şi contribuţii personale .............................................................................................. 40 Bibliografie ........................................................................................................................................ 42
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
1. Sinteză documentară asupra utilizarii injectării terenurilor în lucrările inginereşti Pagina 2 din 43
1 SINTEZĂ DOCUMENTARĂ ASUPRA UTILIZĂRII INJECTĂRII TERENURILOR ÎN
LUCRĂRILE INGINEREŞTI
Injectarea terenurilor a avut un domeniu restrâns de utilizare în tehnica construcţiilor, limitată la
impermeabilizarea şi consolidarea terenurilor pentru construcţii ca baraje, galerii de tuneluri şi
soluţii de excepţie la alte tipuri de lucrări.
Anii `80 au reprezentat o perioadă de modificare esenţială a concepţiei privind utilizarea injectării
terenurilor.
Injectarea reprezintă astăzi o tehnologie modernă de construcţii cu aplicabilitate curentă pe plan
mondial în domeniul proiectelor centralelor nucleare, metrourilor, podurilor cu deschideri mari,
platformelor fixe de foraj marin, consolidarea clădirilor de interes istoric şi nu numai.
Poziţia pe care trebuie să o ocupe procedeul de injectare a terenurilor în domeniul construcţiilor
astăzi, a fost evidenţiată în cadrul manifestărilor tehnico-ştiinţifice internaţionale din anii 70 şi 80
cum sunt: Congrese Internaţionale ale Asociaţiei de Mecanică a Pământurilor şi Fundaţii din
Moscova 1973, Stockholm 1981, Conferinţa Europeana de Mecanică a Pământurilor şi Fundaţii de
la Helsinki 1983, Simpozionul International dedicat exclusiv injectării terenurilor din anul 1982
New Orleans (S.U.A), Conferinţa de Mecanică a Pământurilor din Glasgow (1987), Leach şi
Goodger (1991) din Anglia.
Ulterior, după anul 1991, în cadrul Conferinţelor regionale din Asia de Mecanica Pământurilor şi
Inginerie Geotehnică sunt prezentate evoluţiile proceselor de injectare şi tehnologiei, Tailanda
(1991), China (1995), Coreea (1999), Singapore (2003), iar ultima Conferinţa regională cu numărul
13 a avut loc în India în anul 2007.
Trebuie menţionat ca în prezent, atât în cadrul Conferinţelor Europene de Mecanica Pământurilor şi
Fundaţii, Conferinţelor Internaţionale ale Asociaţiei de Mecanica a Pământurilor şi Fundaţii cât şi la
Conferinţele ASCE domeniul Mecanică a Pământurilor şi Inginerie Geotehnică în cadrul unor
capitole distincte sunt prezentate evoluţiile în cercetarea teoretică şi practică a injectării
pământurilor.
În anul 1992, Organizaţia Internaţională a Conferinţelor în domeniul Injectării pământurilor (ICOG
– International Conference Organization on Grouting) în cadrul celei de-a doua Conferinţe, din
Tokyo şi în anul 2003, din New Orleans, în cadrul celei de-a treia Conferinţe Internaţionale, face
publică o sinteză completă a evoluţiei deceniului de cercetare practică şi teoretică a injectărilor.
Aceste manifestări reprezintă pentru oamenii de ştiinţă în domeniul îmbunătăţirii pământurilor prin
injectare, cea mai cunoscută şi completă manifestare ştiinţifică a momentului, urmând ca în anul
2012, în New Orleans, să aibă loc cea de-a patra Conferinţă Internaţională în domeniul injectării
pământurilor şi Deep mixing.
1.1 Aspecte privind injectarea terenurilor
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
1.2 Jet Grouting - scurt istoric
Începutul anilor 70 a reprezentat începutul cercetărilor şi promovării făcute de specialiştii japonezi
şi cei din ţările scandinave, independent, a unei noi tehnici de execuţie a unor coloane sau ecrane
verticale/orizontale mulate în teren prin fracturarea hidraulică dirijată şi umplerea cu fluid de
injectare.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
1. Sinteză documentară asupra utilizarii injectării terenurilor în lucrările inginereşti Pagina 3 din 43
Procedeul a fost prezentat specialiştilor din Romania încă în perioada de început prin comunicarea
lui T. Fuji la a II-a Conferinţa de Geotehnică şi Fundaţii de la Bucureşti din anul 1971 şi făcut larg
cunoscut apoi de către Yahiro şi Yashida (1973) printr-o comunicare la a VIII Conferinţa
Internaţională de Geotehnică şi Fundaţii.
Procedeul a fost ulterior introdus în Rusia, Anglia, Germania, apoi urmată nu târziu de Suedia,
Italia, Cehoslovacia etc.
Trebuie menţionat faptul că cele mai notabile progrese au fost înregistrate în Japonia, unde aceasta
tehnica a fost perfecţionată până la capacitatea prezentă şi unde toate aspectele sistemului au fost
detaliate atent. Anii de cercetare şi execuţie au condus la creşterea diametrelor coloanelor şi a
lărgirii domeniului de aplicare pe diferite tipuri de pământuri.
În prezent cu aceasta tehnică este posibil ca terenul să se consolideze şi foreze în prezenţa apei
subterane şi să ofere o rigiditate structurală cu ajutorul unei singure aplicaţii. Din punct de vedere
tehnic poate fi considerat ca fiind unul dintre cele mai solicitante sisteme de îmbunătăţire a
terenului, necesitând precizie în cadrul proiectării dar şi în faza de execuţie. Problemele ce pot să
apară în una dintre cele două faze pot genera defecte majore în tot ansamblul de elemente.
În Fig. 2.1 este prezentat principiul metodei de injectare, fie că este vorba de jet de apă de înaltă
presiune sau jet de fluid (lapte de ciment).
Prin acest proces fluidele de dezagregare şi de cimentare modifică şi îmbunătăţesc structura şi
caracteristicile pământului.
Într-o funcţionare normală, tijele de foraj sunt introduse în teren până la adâncimea cerută de proiect
şi apoi sunt injectate fluidele sub înaltă presiune (apă sau lapte de ciment) concomitent cu extracţia
acestora.
Opiniile cu privire la eficienţa jet grouting-ului (fracturării dirijate a terenurilor prin injectare)
prezentate în diverse publicaţii sunt în ansamblu concordante, astfel ca:
- injectarea este posibilă în orice tip de teren, de la argilă la roci stâncoase moi;
- face posibilă îmbunătăţirea unor pământuri slabe la orice adâncimi şi în condiţii dificile
de acces;
- materialul rezultat din întărirea fluidului de injectare are o rezistenţă la compresiune
ridicată (10-100daN/cm2) şi o permeabilitate redusă de ordinul 10
-4 – 10
-6cm/s [T1];
- prin reglarea presiunilor, vitezelor de ridicare şi de rotaţie ale monitorului,
caracteristicilor şi consumului fluidului de injectare, efectul tratării se poate dirija în
detaliu;
- adâncimile de tratare pot fi clar delimitate astfel încât să se efectueze tratarea pe anumite
straturi;
- nu se constată efectul de ridicare a suprafeţei terenului;
- este evitată eventuala poluare a terenului prin îmbibarea lui cu substanţe de injectare
nocive;
- utilajul este mobil şi puţin zgomotos.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
2. Aspecte privind metodologia de realizare, factorii procesului şi monitorizarea lucrărilor de
jet grouting
Pagina 4 din 43
2 ASPECTE PRIVIND METODOLOGIA DE REALIZARE, FACTORII PROCESULUI
ŞI MONITORIZAREA LUCRĂRILOR DE JET GROUTING
Fig. 2.1: Schema de realizare a coloanelor de Jet Grouting [B3]
Figura de mai sus prezintă etapele de realizare a coloanelor de pământ-ciment (a) cât şi
echipamentul utilizat (b) după cum urmează: 1 – siloz pentru ciment; 2 – mixer; 3 – pompă de înaltă
presiune; 4 – conducta de înaltă presiune; 5 – foreză cu jet; 6 – tren de tije; 7 – atingerea cotei de
forare şi începerea procesului de injectare; 8 – intrarea în priză a primei coloane; 9 – formarea celei
de-a doua coloane.
Cu ajutorul jeturilor de mare presiune, fie cu apă fie cu suspensie de ciment, pământul din
vecinătatea găurii rezultate din procesul de săpare este erodat.
Procesul utilizează o viteză la orificiul de evacuare a apei mai mare sau egală cu 100 m/s şi prezintă
posibilitatea folosirii jetului de aer comprimat pentru sporirea puterii de erodare a fluidelor
injectate.
Pământul erodat este rearanjat şi amestecat cu suspensia de ciment. Amestecul de pământ-ciment
este evacuat, în parte, la suprafaţa orificiului săpat prin spaţiul inelar dintre utilajul de jet grouting şi
pereţii găurii. Pot fi realizate diferite configuraţii geometrice ale elementelor rezultate.
Fig. 2.2: Configuraţii geometrice posibile pentru elementele de jet grouting [2]
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
2. Aspecte privind metodologia de realizare, factorii procesului şi monitorizarea lucrărilor de
jet grouting
Pagina 5 din 43
Distanţa de erodare a jetului variază în funcţie de tipul de pământ care urmează a fi tratat, tipul
procesului de jet grouting şi tipul fluidul folosit.
Există două mari categorii ale aplicaţiilor procesului de jet grouting – stabilizare şi etanşare.
Lucrările de subzidire ale fundaţiilor clădirilor reprezintă una din principalele aplicaţii pentru
stabilizarea pământurilor, urmată de modificări ale tipului de fundare şi reabilitări.
Aceasta tehnică a deschis noi perspective pentru construirea tunelurilor în pământuri necoezive.
Execuţia de excavări unde sunt utilizate elemente de jet grouting în pereţi şi/sau plăci cu
permeabilitate scăzută, permit executarea de excavaţii adânci fără a folosi procedee de coborâre a
nivelului apelor subterane la scară mare, lianţii folosiţi în procesul de jet grouting fiind nepoluanţi.
Utilajele de săpat construite şi utilizate de către companiile de specialitate, au înălţimi cuprinse între
2m şi 35m si permit efectuarea de lucrări în condiţii optime, atât în spaţii limitate precum sunt
subsolurile, cât şi în spaţii deschise.
2.1 Etape principale de execuţie a elementelor de pământ-ciment:
- săparea - echipamente de săpat dotate cu orificii de propagare a jetului şi burghie sunt
folosite pentru a fora până la adâncimea necesară. în mod normal mixtura de ciment este
folosită în timpul săpatului pentru a stabiliza pereţii forajului în timpul operaţiunii de
săparea.
- folosirea jetului - descompunerea texturii granulare cu ajutorul unui jet fluid puternic
începe de la partea inferioară a elementului de jet grouting. Excesul de amestec de apă-
pământ-ciment este evacuat pe la suprafaţa prin spaţiul inelar dintre echipamentul de
săpat şi pereţii forajului.
Parametri de producţie preselectaţi sunt urmăriţi în permanentă pentru evitarea de blocaje ale
evacuării detritusului pe parcursul injectării.
- cimentarea - pentru toate tipurile de jet grouting, suspensia de ciment este injectată sub
presiune concomitent cu erodarea pământului. Turbulentele provocate de folosirea
jetului provoacă amestecarea uniformă a laptelui de ciment cu pământul din zona tratată.
- prelungirea - elementele de jet grouting de orice tip pot fi construite proaspăt-pe-
proaspăt la fel ca şi proaspăt-pe-tare şi combinate intr-o varietate de moduri.
Etapele de lucru urmează întocmai cerinţele tehnice şi condiţiile structurii ce urmează a fi tratată.
Apa
Ciment /
BentonitaMixer / Pompa
Statie de reciclareAer
Catre statia
de reciclare
Fig. 2.3: Gospodăria de lucru şi echipamentele specifice procesului de injectare [2]
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
2. Aspecte privind metodologia de realizare, factorii procesului şi monitorizarea lucrărilor de
jet grouting
Pagina 6 din 43
În funcţie de modul de folosire a jetului şi a tipului de jet se pot distinge următoarele moduri de
cimentare (fig. 2.4):
- sistemul cu „jet dublu" (D), dublează sistemul „jet simplu" cu un jet de aer comprimat,
care înconjoară jetul de suspensie de ciment pentru a spori efectul de erodare, mai ales în
prezenta apei subterane; cu toate acestea, sistemul încă prezintă un deficiente, prin faptul
ca un procent considerabil alcătuit din partea fină a pământului erodat se poate pierde
din cauza fenomenului de evacuare odată cu detritusul transportat de aerul comprimat
către suprafaţa terenului; un asemenea comportament al sistemului poate coborî nivelul
de calitate al îmbunătăţirii;
- cea de-a treia metodă se numeşte sistemul cu „jet triplu" (T) ce utilizează trei fluide (apa,
aer, suspensia de ciment); dezagregarea pământului se obţine printr-un jet de apă de
înaltă presiune, dublat de un jet de aer, iar cimentarea se face simultan printr-un jet
separat de lapte de ciment; acest sistem prezintă un monitor ce este compus în mod
normal dintr-o duză pentru jet de lapte de ciment la aproximativ jumătate de metru sub
duză pentru jetul de apă, cu scopul de a transporta cât mai multe particule de pământ
erodat în paralel cu limitarea laptelui de ciment scos afară din foraj.
În timp ce sistemul dublu poate produce mai multe probleme, pe baza volumului de pământ erodat,
sistemul triplu realizează procesele de erodare şi injectare cu lapte de ciment independent unul de
celalalt. Prin urmare aceste procese pot fi optimizate pentru o performantă ridicată. Cu alte cuvinte
sistemul cu „jet triplu" este superior faţă de celelalte sisteme din punct de vedere al controlului
calităţii.
Fig. 2.4: Scheme conceptuale de injectare [M4].
Încă de la începutul anilor 1990, au fost dezvoltate noi metode de jet grouting capabile a realiza
structuri de pământ-ciment din coloane cu un diametru ridicat. Aceste metode s-au dezvoltat
datorită necesitaţii reducerii costurilor dar şi a timpului de execuţie. Acest lucru a permis jet
grouting-ului să obţină coloane cu un diametru mai mare de 5m sau chiar 9m în terenuri moi.
Această metodă poate îmbunătăţi un volum de pământ de 20 de ori mai mare decât sistemele
convenţionale anterioare, datorită dezvoltării echipamentelor ce pot produce debite ridicate de fluid
la o presiune ridicată.
Realizarea cu succes a unor coloane cu dimensiuni ridicate necesită utilizarea unor jeturi de fluide
concentrate, menţinute intr-o stare necontaminată cu particule de pământ, altfel o mare parte din
energie este pierdută în cadrul sistemului propriu-zis. Astfel sistemele noi de jet grouting apărute
sunt capabile să acopere o arie largă de aplicaţii.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
2. Aspecte privind metodologia de realizare, factorii procesului şi monitorizarea lucrărilor de
jet grouting
Pagina 7 din 43
Rezultatul utilizării tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting poate varia în
funcţie de echipamentul folosit dar şi de proprietăţile pământului. Având în vedere aceste
constrângeri, multe măsurători au fost realizate prin variaţia valorilor parametrilor cheie ca o bază
teoretică de soluţii. Cu toate acestea aceste studii nu pot oferi soluţii exacte, din cauza limitării
investigaţiilor din pământul analizat.
La sfârşitul anilor 1980, un concept nou a oferit un progres inovator pentru sistemele de jet
grouting, şi anume jeturi duble ce se intersectează unul cu celalalt pentru a creste limita capacităţii
de erodare dar şi pentru a obţine un diametru identic cu cel proiectat indiferent de tipul de pământ.
Comparaţia conceptuală dintre metodele convenţionale şi cele care pot produce intersecţii între
jeturile de fluid este prezentată în Fig. 2.5. Astfel, metodele convenţionale produc coloane cu
diametru variabil în teren. Metodele de jet grouting cu jeturi intersectabile au crescut cerinţa de
calitate cerută în faza de proiect de la apariţia lor sub numele de „jet grouting încrucişat".
La începutul anilor 1990, jet groutingul încrucişat a fost dezvoltat mai mult pentru a creşte
adâncimea coloanelor dar şi pentru a mări substanţial gama de aplicare. Metodele convenţionale de
îmbunătăţire a pământurilor au un mare dezavantaj din punct de vedere al imperfecţiunii de
continuitate atunci când sunt executate adiacent unor pereţi. Cu toate acestea sistemele
convenţionale pot fi completate cu echipamente de jet încrucişat poziţionate la baza forajului.
Aceste echipamente de forma unor burghie sau lame (Fig. 2.5) au permis realizarea unor coloane la
parametri dimensionali ceruţi.
Mai mult decât atât, dezvoltarea acestor sisteme de amestecare în teren au produs un volum de
coloane de patru ori mai mare folosind acelaşi echipament. Acest lucru este prezentat schematic în
Fig. 2.6 comparând sistemele convenţionale cu sistemele încrucişate de jet grouting.
Fig. 2.5: Tipuri de injectări: convenţional şi încrucişat [E1].
Fig. 2.6: Echipament de
injectat cu jeturi încrucişate
Fig. 2.7: Exemplificarea diferenţelor de diametru între sistemul convenţional de injectare şi cel
încrucişat [C6]
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
2. Aspecte privind metodologia de realizare, factorii procesului şi monitorizarea lucrărilor de
jet grouting
Pagina 8 din 43
2.2 Analiza factorilor ce influenţează realizarea elementelor de jet grouting [C6]
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
2.3 Prevederi practice ce influenţează realizarea elementelor de jet grouting
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
2.4 Măsurarea şi determinarea diametrelor coloanelor de pământ ciment executate prin
metoda jet grouting
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
2.5 Controlul calităţii lucrărilor de jet grouting
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
3. Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting Pagina 9 din 43
3 DOMENII DE APLICARE A TEHNOLOGIEI DE INJECTARE A PĂMÂNTURILOR
PRIN METODA JET GROUTING
Aşa cum s-a prezentat, jet-grouting-ul este un instrument extrem de versatil, atunci când terenul ce
metoda de îmbunătăţire a terenului este parte a unui proiect. Există numeroase aplicabilităţi ale
tehnologiei jet-grouting, ele putând fi grupate după cum urmează:
- controlul apelor subterane;
- lucrări de susţinere;
- lucrări de îmbunătăţire;
- lucrări de mediu (etanşare gropi de gunoi etc.).
Aplicaţiile privind controlul apelor subterane includ, Fig. 3.1:
- prevenirea infiltraţiilor prin pereţii sau baza unei excavaţii;
- controlul apelor subterane în timpul execuţiei tunelurilor;
- prevenirea infiltraţiilor apei prin structuri de reţinere a apei, cum ar fi digurile sau
sistemele de apărare împotriva inundaţiilor;
- prevenirea sau limitarea fluxurilor de contaminare prin pământ.
Aplicaţiile privind lucrările de susţinere includ, Fig. 3.1:
- susţinerea pământului sau a structurii în timpul excavării, sau excavaţiei tunelurilor;
- susţinerea pereţilor sau a plafonului unui tunel în timpul execuţiei şi/sau în timpul
utilizării;
- creşterea factorului de siguranţă în cazul versanţilor instabili;
- suport pentru sprijiniri realizate din piloţi sau pereţi pentru reducerea deplasărilor
laterale.
Aplicaţiile privind lucrările de îmbunătăţire includ:
- subzidirea clădirilor în timpul realizării excavaţiilor deschise sau executării tunelurilor;
- îmbunătăţirea pământurilor pentru evitarea cedărilor pe suprafeţele de cedare;
- transferul încărcărilor unei fundaţii către un strat cu rezistente ridicate.
Aplicaţiile privind lucrările de mediu, includ:
- încapsularea volumelor de pământ contaminat pentru a reduce sau a preveni
contaminarea întregii zone sau a sistemelor de distribuţie a apei;
- asigurarea unor bariere laterale sau verticale în jurul unei scurgeri contaminate;
- introducerea în pământ a unor substanţe reactive ce pot neutraliza agenţii contaminaţi
prin crearea unor bariere permeabile reactive.
Aplicaţiile tehnologiei de injectare prin metoda jet grouting prezintă o multitudine de soluţii tehnice
ce pot fi adoptate, proiectate şi executate pentru fiecare cerinţa în parte.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
3. Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting Pagina 10 din 43
Fig. 3.1 Aplicabilitatea tehnologiei jet grouting în lucrările inginereşti [2]
3.1 Controlul apelor subterane
În ultimele doua decenii s-a înregistrat o creştere a numărului de excavaţii de dimensiuni ridicate,
realizate în prezenta apei subterane.
Metodele convenţionale destinate scăderii nivelului apei subterane pe perioada execuţiei fundaţiilor
încep să fie utilizate din ce în ce mai puţin datorită creşterii importantei următorilor factori:
- controlul economic al apei;
- aspecte de mediu al acviferului;
- protecţia clădirilor învecinate lucrărilor noi;
Sistemele de injectare convenţionale bazate pe procedee chimice au fost aproape înlocuite cu
tehnologia jet grouting unde folosirea suspensiei de ciment reduce alcalinitatea pământului.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
3. Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting Pagina 11 din 43
Elementele clasice de impermeabilizare sunt formate din pereţi şi planşee cu sau fără o funcţiune
structurala la excavaţiile adânci, baraje sau îndiguiri.
În cazul coloanelor de jet grouting se poate ajunge la un coeficient de permeabilitate k, cuprins între
10-9
şi 10-10
m/s. Aceasta valoare este comparabila cu valoarea coeficientului de permeabilitate
pentru sistemele clasice cuprins în intervalul 10-7
şi 10-8
m/s.
Ca o regula generala se poate stabili faptul ca excavarea nu poate începe până când nu s-a atins un
debit admisibil dovedit printr-un test de pompare. Excesul de infiltraţii este în general un rezultat al
defectelor apărute în pereţi, planşeele de baza sau la rosturi.
Detectarea şi localizarea scurgerilor este extrem de dificila, uneori chiar imposibila. Soluţiile cele
mai eficiente în detectarea zonelor de infiltrare a apei sunt realizarea unor epuizmente care vor
permite coborârea nivelului apei subterane sub baza excavaţiei, măsurători cu ajutorul
piezometrelor, sau măsurarea temperaturii pământului adiacent excavaţiei.
Lucrările de remediere a acestor probleme sunt de cele mai multe ori extrem de costisitoare şi prin
urmare o buna proiectare şi execuţie a unui sistem de impermeabilizare din jet grouting este vital
pentru finalizarea întregului proiect.
Proiectul necesita definirea exacta a rezistentelor admisibile, permeabilităţii minime, omogenităţii şi
preciziei dimensionale. Este esenţial să se amintească faptul ca apa nu va ierta nici o greşeala.
Defecte în elementele realizate prin procedeul jet grouting pot apărea ca urmare a următoarelor
situaţii:
- suprapunerea (petrecerea) insuficientă a coloanelor de jet grouting;
- porţiuni lipsa din coloane cauzate de blocaje naturale sau erori umane;
- neomogenitatea pământului (de exemplu existenta unor pelicule de straturi rezistente în
nisipuri, straturi de turba, blocuri ce obturează jetul de fluid în procesul de erodare şi
mixare, etc.);
- instabilitatea şi ulterior colapsul coloanelor de jet grouting;
- deficiente, erori şi întreruperi neprogramate în procesul de execuţie;
Pentru a diminua aceste riscuri, este necesară realizarea unui plan de asigurare amănunţit. Acest
plan ar trebui să includă următoarele:
- poziţionarea coloanelor de jet grouting în coordonate x-y;
- adâncimi de foraj determinate prin sisteme eficiente de nivelment;
- definirea parametrilor de forare şi injectare;
- executarea unor coloane de proba, documentarea şi evaluarea rezultatelor;
- definirea succesiunii execuţiei lucrărilor;
- identificarea obstacolelor şi a masurilor de remediere;
- determinarea compoziţiei şi parametrilor caracteristici suspensiei de ciment, prin
prelevare de probe în staţia de amestec din şantier;
- măsurători referitoare la debitele tuturor fluidelor folosite;
- măsurători referitoare la precizia de forare şi corectarea erorilor de execuţie;
- un proces de documentare şi înregistrare în timp real pe durata execuţiei a: vitezei de
introducere şi extracţie a monitorului; presiunii şi debitelor suspensiei de ciment, apei şi
aerului; rotaţia în timpul forării şi a injectării.
Trebuie reamintit faptul ca produsul final al jet grouting-ului nu este complet omogen şi prin urmare
nu prezintă rezistente şi caracteristici hidraulice constante pe lungimea elementelor. Proiectul,
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
3. Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting Pagina 12 din 43
recomandările şi controlul calităţii trebuie să exemplifice exact distribuţia inegala a efortului şi
permeabilităţii coloanei datorită variaţiei proprietăţilor pământului.
În cazul excavaţiilor barierele orizontale de jet grouting adânci trebuie proiectate şi executate
considerând următoarele aspecte:
- grosimea minima a plăcii realizata prin injectare nu trebuie să fie mai mica de 1.00m
pentru excavaţii de până la 10.00m adâncime. Creşterea adâncimii excavaţiei peste
10.00m conduce la majorarea grosimii minime a plăcii cu 0.1m/1.00m din motive de
siguranţa;
- plăcile cu deschideri mari trebuie împărţite în suprafeţe de 2000m2;
- creşterea grosimii plăcii în imediata vecinătate a pereţilor verticali intr-un compartiment
la partea superioara, existenta unei planeităţi orizontale;
- evitarea amplasării unor placi în condiţii improprii ale pământului;
- respectarea calendarului de execuţie pentru a permite eventualele lucrări de remediere;
- evitarea ancorării plăcilor din jet grouting;
- studierea unui plan de urgenta.
Recomandări similare elementelor structurale se aplica şi în cazul barierelor verticale din jet
grouting.
- concentrări ridicate ale presiunii apei pe lungimi mai mari de 5m necesita atenţie
speciala (proiectare suplimentara în detaliu, proceduri de control specifice);
- identificarea pământurilor cu potenţial de eroziune în cazul infiltraţiilor;
- evitarea construcţiei unor elemente zvelte;
- atenţie deosebita în cazul necesităţii folosirii ancorelor.
3.2 Subzidirea cu ajutorul elementelor de jet-grouting
Subzidirea anumitor construcţii folosind tehnologia jet grouting, implica realizarea unui element de
pământ îmbunătăţit sub fundaţia existenta astfel încât suprasarcina să fie transferata în adâncime
către un strat mai rezistent.
Daca subzidirea este realizata în vecinătatea unei excavaţii este necesar ca elementele de pământ-
ciment să fie supuse verificărilor de capacitate portanta, alunecare şi răsturnare.
Există o relaţie din punct de vedere economic între construcţia unei subzidiri gravitaţionale (de
exemplu un element stabil şi auto-susţinător) şi realizarea unor elemente în consola sau foarte zvelte
unde răsturnarea sau alunecarea este împiedicată cu ajutorul unor şpraiţuri sau ancore.
Proiectarea subzidirilor realizate din elemente pământ-ciment este asemănătoare cu celelalte
structuri gravitaţionale cu excepţia faptului ca rezistentele coloanelor de jet grouting sunt
semnificativ mai mici decât rezistentele betonului sau cărămizilor folosite în mod clasic.
3.3 Tuneluri şi galerii – plăci de impermeabilizare
Sistemul de impermeabilizare de baza format din planşee sau tuburi pentru realizarea tunelurilor pot
fi proiectate pentru punerea în aplicare a tehnologiei jet grouting pentru a preveni alunecarea bazei
în teren sau a infiltraţiei apei în excavaţie din cauza prezentei apei subterane. Aceste construcţii sunt
riscante daca sunt incorect executate şi necesita o atenţie deosebita în faza de proiectare şi execuţie.
Normele curente fac referire la recomandările privind grosimea planşeelor de baza şi prin urmare
grosimea acestor elemente trebuie să depăşească jumătate din lumina celor doi pereţi. Cu toate
acestea realizarea unor dale mult mai subţiri este posibilă prin poziţionarea coloanelor sub forma
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
3. Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting Pagina 13 din 43
unui arc de cerc. Prin aceasta rearanjare se observa ca acţionează doar efortul de compresiune (Fig.
3.2 - exemplu).
Acest lucru conduce la realizarea unor dale cu lăţimea de 12.00m, o grosime de 3.00m, executate la
o adâncime a excavaţiei de până la 40.00 de metri. Un calcul curent oferă valorile efortului de
compresiune la capetele arcului de cerc cuprinse în intervalul 950-1100kN/m2.
Valoarea cea mai ridicată a rezistenţei la compresiune din coloanele de jet grouting poate ajunge
până la valoarea de 3000kN/m2, oferind un factor de siguranţa foarte bun.
Fig. 3.2. Impermeabilizarea bazei unei excavaţii: a) secţiune transversala; b) schema arcelor de jet
grouting [W3]
3.4 Sprijiniri subterane
Deplasarea pereţilor excavaţiilor este întotdeauna o problema de interes major, întârzierea execuţiei
sprijinirilor în timpul excavaţiei generând, de cele mai multe ori, inclinarea şi/sau pierderea
stabilităţii clădirilor învecinate, reţelelor de distribuţie a apei, reţelelor de canalizare, sau a altor
reţele de utilităţi urbane aflate în subteran. Prin urmare jet grouting-ul oferă o soluţie de abordare a
problemei datorită faptului ca injectarea terenului (execuţia coloanelor sau pereţilor de pământ-
ciment) se face înainte de excavarea propriu-zisa.
Aceasta abordare poate fi exemplificata printr-o lucrare executată anterior. Pentru execuţia fundaţiei
şi subsolului unei construcţii a fost necesară realizarea unei excavaţii de 10.00m adâncime intr-un
strat de argila moale. Clădirile învecinate se aflau la o distanţă foarte mica de excavaţie şi prin
urmare s-au analizat posibilele probleme ce puteau fi generate de aceasta lucrare din cauza
deplasării pereţilor cu rol de sprijinire (Fig. 3.3).
În consecinţă sprijinirile realizate prin jet grouting de 1.00m grosime la baza excavaţiei împreuna cu
un rând de şpraiţuri convenţionale amplasate la cota terenului natural au oferit posibilitatea
realizării întregului proiect în condiţii de siguranţă. Adăugarea unui singur rând de sprijiniri
alcătuite din elemente de pământ-ciment au permis reducerea deplasărilor peretelui excavaţiei cu
aproximativ 80%.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
3. Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting Pagina 14 din 43
Fig. 3.3. Comparaţie între deplasările calculate şi cele reale monitorizate.[W3]
3.5 Bariere la nivelul cheii
Pentru începerea execuţiei unui tunel cu ajutorul utilajelor de forare printr-un perete sau depozit
aluvionar, este necesar ca pământul ce înconjoară utilajul să aibă o rezistenta care să permită tasarea
din sarcina construcţiilor de la suprafaţă.
O creştere a tasărilor din zonele respective poate conduce la colapsul construcţiilor superioare şi la
o deformabilitate ridicată a pământului mai ales în cazul tunelurilor de mica adâncime.
Având în vedere aceste probleme, jet grouting-ul oferă unele avantaje în proiectarea unor bariere
amplasate la partea superioara (deasupra plafonului unui tunel). Geometria proiectului este
exemplificată în Fig. 3.4 şi ilustrează modul de obţinere a unei zone de siguranţă (R-a). Aceasta
proprietate va fi obţinuta prin consolidarea cu ajutorul elementelor executate cu jet grouting.
Pentru a întocmi un proiect corect se urmăreşte obţinerea unor rezultate în care valorile rezistenţei
la forfecare al pământului îmbunătăţit plasate pe acelaşi arc de cerc să depăşească înfăşurătoarea de
cedare a cercului lui Mohr din pământul netratat. Fig. 3.4 prezintă, de asemenea, echilibrul
eforturilor radiale şi tangenţiale în oricare punct de pe linia arcului de cerc ce delimitează zona
elastica fata de cea plastica.
Se obţine următoarea expresie:
θ rrσ -σσ
r r (3.1)
unde:
σr – efortul radial;
σe – efortul tangenț ial;
r – raza variabila;
Măsurători de
teren (cu ancore)
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
3. Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting Pagina 15 din 43
Cedarea are loc când înfăşurătoarea de alunecare devine orizontala şi unghiul de frecare interna
devine zero:
θ rσ -σ = 2c (3.2)
unde c este coeziunea pământului.
Fig. 3.4 .Bariera în cazul boltii unui tunel.
Înlocuind condiţiile de mai sus în ecuaţia de echilibru, se obţine dimensiunea zonei plastice:
tγRln = (H - R)
a 2C (3.3)
unde:
R – lăţimea zonei plastice [m];
γt - greutatea medie specifica a pământului [kN/m3];
H - adâncimea de la suprafaţa terenului până la centrul tunelului [m];
a - raza tunelului [m];
3.6 Limitări ale lucrărilor de jet grouting în funcţie de natura pământului
În continuare se prezintă limitările lucrărilor de jet grouting pentru patru tipuri de pământuri.
Pământuri coezive – acest tip de pământuri opun o mai mare rezistenta la erodarea jetului, datorită
conţinutului de argila.
Realizarea de coloane de pământ-ciment cu diametre mari necesita consum mare de energie; astfel
trebuie folosite următoarele tehnici pentru o buna desfăşurare a procesului:
- Executarea unei „pre-spălări”, acest lucru realizându-se cu ajutorul unui jet puternic de
apă sau apă şi aer. în acest mod se obţine avantajul ca densitatea mediului în care se
doreşte injectarea va fi redusa. Urmează ca în etapa a doua să se injecteze suspensia de
ciment;
- Aplicarea unui jet de aer comprimat (sistem dublu sau triplu de injectare). Rezultatele
sunt eficiente datorită puterii foarte mari ce disloca structura mediului în care se executa
injectarea. Un lucru foarte important în acest caz este şi acela ca o mare parte din argila
este „spălata” şi transportata la suprafaţa sub forma de detritus fapt ce determina totodată
creşterea rezistentelor finale ale colanelor de pământ-ciment.
Pământuri necoezive – în cazul acestor tipuri de pământuri se ating rezistente foarte mari cât şi
diametre mari.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
3. Domenii de aplicare a tehnologiei de injectare a pământurilor prin metoda jet grouting Pagina 16 din 43
În cazul în care diametrele particulelor de pământ sunt mari, se pot constata următoarele probleme:
- blocarea detritusului ce poate determina umflări ale suprafeţei pământului din dreptul
coloanei;
- pierderi incontrolabile de suspensie de ciment, concomitent cu o creştere moderată în
diametru. Acest lucru poate afecta forma finala a coloanei, atât în faza de spălare cât şi
în faza de injectare.
Materiale organice – realizarea lucrărilor de jet grouting în turba sau în pământuri ce conţin turba
este dificil de realizat din cauza complicaţiilor ce intervin în timpul evacuării detritusului ce conţine
şi particule de turba.
Trebuie acordată o atenţie deosebita pentru a se preveni creşterea presiunii sub structurile existente,
acest lucru realizându-se prin mişcarea trenului de tije în sus şi în jos în etape repetate.
Ideal în cazul acestor tipuri de pământuri este folosirea sistemului triplu de injectare, pentru ca jetul
de suspensie are o presiune mai mica, făcând astfel posibila migrarea particulelor de turba la
suprafaţa.
Pământuri eterogene – uşurinţa de adaptare a parametrilor în funcţie de tipul pământului da jet
groutingului o aplicabilitate foarte mare.
Mediul de injectare diferă foarte mult între doua straturi succesive, lucru ce determina apariţia de
probleme, pentru ca un număr mare de parametri vor trebui modificaţi în timpul execuţiei aceleiaşi
coloane de pământ-ciment.
Spre exemplu nu se poate schimba diametrul duzelor în faza de injectare, chiar mai mult, este
imposibila schimbarea modului de injectare (din mono în dublu sau triplu).
În cazuri extreme este necesară executarea unei coloane în doua etape diferite. în prima etapa se
realizează partea superioară a coloanei apoi după ce prima parte este întărită se trece la executarea
celei de-a doua parţi, implicând penetrarea primei coloane până la poziţia celei de-a doua.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
4. Calculul parametrilor de injectare Pagina 17 din 43
4 CALCULUL PARAMETRILOR DE INJECTARE
4.1 Parametrii operaţionali de bază ai procesului de jet grouting
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
4.2 Calculul parametrilor de injectare [2]
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
5. Principii generale de dimensionare ale principalelor tipuri de lucrări inginereşti executate
prin metoda jet grouting
Pagina 18 din 43
5 PRINCIPII GENERALE DE DIMENSIONARE ALE PRINCIPALELOR TIPURI DE
LUCRĂRI INGINEREŞTI EXECUTATE PRIN METODA JET GROUTING
5.1 Cerinţe specifice de proiectare [6]
5.2 Cercetarea geotehnică
5.3 Condiţii de proiectare
5.4 Lucrări de susţinere
5.5 Lucrări de îmbunătăţire a capacităţii portante - Calculul fundaţiei directe de adâncime
ţinând seama de interacţiunea cu terenul
5.6 Exemplu de calcul al elementelor de pământ-ciment [B3], [Z3]
5.7 Efectele încărcărilor dinamice ale lucrărilor de jet grouting asupra elementelor
structurale aflate in vecinătate
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 19 din 43
6 STUDII DE CAZ1
În cadrul stagiului de pregătire a tezei de doctorat am avut onoarea de a participa, în cadrul
acordului dintre Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti şi Universitatea Tehnică din Viena,
la lucrări de cercetare pe care aceasta din urmă le desfăşoară în colaborare cu firmele Keller GmbH
şi Porr AG, cărora ţin să le mulţumesc pentru amabilitatea cu care mi-au permis să particip la
studiile de caz prezentate în acest capitol şi utilizarea rezultatelor încercărilor din teren şi laborator.
6.1 Donau City Tower - Viena
Donau City Vienna reprezintă o parte nou construita a Vienei, mai precis în districtul nr. 22 pe
malul stâng al Dunării.
Donau City Tower 1 şi 2 sunt două turnuri de birouri emblematice pentru acesta parte nou
construita a Vienei, a căror construcţie a început în anul 2008 pentru turnul 1 şi 2010 pentru turnul
2. Amplasamentul se găseşte pe o insulă formată de cursul principal al Dunării şi un braţ secundar,
„Alte Donau” (Fig. 6.1). Regăsindu-se, practic în zona de albie a Dunării, din punct de vedere
geotehnic, terenul de fundare este alcătuit din pietrişuri.
Fluviul Dunarea
Donau City
Tower A
lte Donau
Fluviul Dunarea
Alte D
onau
Donau City
Tower Fluviul Dunarea
Fluviul Dunarea
Fig. 6.1: Amplasamentul “Donau City Tower”
Lucrarea de jet grouting a avut ca scop realizarea incintei de lucru cu rol şi de ecran impermeabil
pentru construcţia parcărilor subterane aparţinând complexului DC Wien. Dat fiind regimul de
înălţime de 220 m pentru turnul 1 şi de 168 m pentru turnul 2, suprasarcina celor două clădiri
adiacente excavaţiei a fost aproximată la circa 1200kPa.
În perioada verii anului 2010 s-au derulat lucrările de îmbunătăţire a terenului de fundare cu
ajutorul tehnologiei jet grouting pentru realizarea parcărilor subterane.
Tehnologia aplicata a constat din coloane realizate cu procedeul jet grouting având diametrul de
150cm, cca 7m lungime realizate cu sistemul dublu de injectare.
Pe acest amplasament a fost utilizată o tehnică de prelevare a probelor de material proaspăt injectat
constând în introducerea unui sistem de tuburi de PVC (Fig. 6.2).
1 Fotografiille din acest capitol au fost realizate cu ocazia stagiului efectuat la Universitatea Tehnică din Viena prin
amabilitatea reprezentantilor Keller GmbH.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 20 din 43
Sistemul este alcătuit din doua tuburi concentrice care la interfaţa comuna sunt tratate cu un strat de
vaselină siliconică pentru a permite extragerea cu uşurinţa în momentul prelevării.
a. Legarea capătului tubului de PVC pentru ridicarea în macara
b. Introducerea ţevii de prelevare în cămaşa
exterioară de protecţie
c. Sudarea elementelor
Fig. 6.2: Pregătirea sistemului de prelevare a probelor dintr-o coloană jet-grouting proaspăt
executată
Introducerea în coloana proaspăt realizata se efectuează prin utilizarea echipamentului de forat prin
presare, concomitent cu rotirea burghiului pentru a se evita blocarea prelevatorului în atingerea
cotei de prelevare dorite, ori cu ajutorul unui utilaj de excavare prin presarea capătului
prelevatorului.
După 24 de ore probele sunt duse la laborator unde sunt menţinute timp de 7 zile în condiţii
submersate.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 21 din 43
a. Calarea sistemului de
prelevare
b. Introducerea tubulaturii de
PVC prin presare
c. Extragerea tubului interior de
prelevare
Fig. 6.3: Paşii de prelevare a probelor de jet grouting folosind metoda tuburilor concentrice
Prelevarea probelor folosind această metodă se poate realiza cu tuburi de PVC având diametre de la
100 – 200mm, cu condiţia ca materialul prelevat să aibă dimensiunea maximă a granulei de 20mm.
6.2 Schönbrunnerstrasse 225 - Viena
Amplasamentul se găseşte în zona veche a oraşului Viena, într-un cartier cu clădiri vechi, având
regim de înălţime parter + 3 – 4 etaje. La adresa menţionată se găseşte un teren neconstruit având
15m lăţime între două clădiri existente (Fig. 6.4).
Fig. 6.4: Amplasamentul Schönbrunnerstrasse 225
Proiectul a constat în realizarea de subzidiri pentru construcţiile învecinate şi îmbunătăţirea
terenului de fundare pentru viitoarea construcţie.
Terenul de fundare este o umplutură dintr-o alternanţă neomogenă de nisip grosier spre pietriş în
matrice prăfoasă.
Tehnologia aplicată a constat în coloane jet grouting cu diametrul de 100 - 150cm, cca 7m lungime
realizate cu sistemul dublu de injectare.
Din cauza naturii slab coezive a terenului de fundare, nu a mai fost posibilă prelevarea de probe din
coloana jet grouting cu ajutorul tubulaturii din PVC. În această situaţie în coloana proaspăt realizată
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 22 din 43
s-a introdus un sistem de prelevare alcătuit din tuburi concentrice de metal care poate extrage doar
probe de detritus de la cote sub nivelul platformei de lucru.
Acest sistem prezintă perforaţii pentru fiecare tubulatură ce comunica în poziţia iniţială iar la rotirea
acestora una fata de alta în sensul acelor de ceasornic orificiile se închid(Fig. 6.5 a).
Sistemul este montat în locul monitorului pe utilajul de jet grouting (Fig. 6. b), şi se introduce prin
rotire până la cota de prelevare dorita. La atingerea cotei de prelevare rotirea burghiului se face în
sens invers acelor de ceasornic, moment în care orificiile prelevatorului se deschid permiţând
pătrunderea suspensiei de ciment în amestec cu pământul (Fig. 6.5 c).
a. Prelevatorul montat pe
instalaţia jet-grouting
b. Extragerea şi golirea prelevatorului
c. Introducerea şi extragerea prelevatorului metalic
Fig. 6.5: Metoda de prelevare a probelor de detritus cu tubulatură metalică
La extragerea prelevatorului, se porneşte burghiul în sensul acelor de ceasornic determinând
totodată închiderea orificiilor şi etanşarea suspensiei în amestec cu pământ fata de mediu.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 23 din 43
Din probele prelevate se îndepărtează părţile grosiere (Fig. 6.6) şi se depozitează în cutii cu
dimensiunile necesare pentru utilizarea ulterioară în laborator în vederea determinării
caracteristicilor materialului pus în operă în coloana jet grouting.
a. Înlăturarea granulelor grosiere
b. Turnarea probelor în recipiente
Fig. 6.6: Prelevarea probelor pentru determinarea calităţilor detritusului
6.3 Westbahnhof – Viena
WestbahnhofWestbahnhof
WestbahnhofWestbahnhof
Fig. 6.7Amplasamentul Westbahnhof
Gara de vest a Vienei a intrat încă din anul 2009 intr-un proces de consolidare, extindere şi
modernizare. Soluţiile adoptate atât pentru reabilitarea fundaţiilor cât şi pentru sprijinire au constat
din elemente realizate cu tehnologia jet-grouting.
Îmbunătăţirea capacităţii portante a fundaţiilor existente a fost realizată prin realizarea unor coloane
ce sunt formate sub structura de fundare, fiind injectate tangenţial la acestea (Fig. 6.8).
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 24 din 43
Fig. 6.8: Realizarea subzidirilor cu coloane jet grouting injectate sub fundaţiile existente
Terenul de fundare întâlnit în amplasament a fost fie un pietriş „în loc”, fie umpluturi de diferite
naturi.
Tehnologia aplicata a constat din coloane jet grouting cu diametrul de 100- 180 cm, având cca 8-
20m lungime realizate cu sistemul dublu de injectare.
Fig. 6.9: Subzidiri ale fundaţiilor şi perete de incintă alcătuite din coloane jet grouting
Prelevarea probelor s-a realizat pe coloane proaspete prin introducerea de tuburi de PVC de
diametre de la 100 – 200mm. Constatându-se faptul că la lucrările anterioare capătul tubului
exterior din PVC s-a deteriorat, a fost utilizată o protecţie cu un manşon metalic prevăzut cu un con
de penetrare cu fante prin care să poată pătrunde materialul injectat în amestec cu pământul tratat.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 25 din 43
Fig. 6.10: Protecţia prelevatorului cu un cap metalic
6.4 Transportul, depozitarea şi tratarea probelor
Pentru păstrarea integrităţii probelor, acestea au fost păstrate în şantier nu numai în intervalul în
care s-a realizat priza liantului, ci minimum 48 de ore pentru a se asigura şi o minimă întărire, astfel
încât la transport să nu apară microfisuri care să altereze proprietăţile mecanice obţinute în urma
încercărilor de laborator.
Probele au fost menţinute în tubulatura de PVC până la 7 zile, după care au fost decofrate. În toată
această perioadă, dar şi în continuare, până la încercare la 28 de zile, probele au fost menţinute
submersate. (Fig. 6.11). În laborator, după identificare, probele au fost debitate conform cerinţelor
de instalare în presă (Fig. 6.12).
a. Depozitarea probelor în şantier
până la atingerea unei minime
rezistenţe ce să permită transportul
b. Păstrarea probelor în stare submersată până la decofrare
Fig. 6.11: Depozitarea şi păstrarea probelor
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 26 din 43
Fig. 6.12: Identificarea şi debitarea probelor în laborator
6.5 Rezultatele obţinute
În afară de încercările fizice (densitate, umiditate şi granulometrie a materialului spălat de liant în
şantier), au fost realizate încercări de compresiune monoaxială. În urma acestei încercări au rezultat
atât valorile ultime ale rezistenţei la compresiune cât şi modulul de deformaţie liniară tangent.
Pentru studierea variaţiei parametrilor mecanici ai materialului din coloana jet grouting au fost
prelevate probe din trei regiuni ale acesteia (Fig. 6.13) şi anume: din zona centrală, pe urma lăsată
de trenul de tije, unde materialul rezultat poate fi asemănat cu un mortar întărit, şi din două puncte
din zona de influenţă a injecţiei, la o distanţă de aproximativ R/3 unul fată de cealaltă, unde R
reprezintă raza aproximativă a coloanei.
R
~R/3 ~R/3
Urma trenului
de tije
Zona de influenta
a injectiei
Fig. 6.13: Poziţiile aproximative de prelevare a probelor
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
6. Studii de caz Pagina 27 din 43
Diagramele efort-deformaţie obţinute în urma încercărilor de laborator au fost eşantionate cu o rată
de citire la 4 secunde, iar prelucrarea datelor a fost efectuată în mod automat de către aplicaţia
aparaturii de laborator.
Fig. 6.14 prezintă un model de curbă efort-deformaţie obţinută în urma încercărilor de compresiune
monoaxială.
Fig. 6.14: Exemplu de curbă efort-deformaţie obţinută în urma unei încercări de compresiune
monoaxială
În figura s-au utilizat următoarele notaţii:
σd – efort unitar de compresiune axială aplicat probei;
ε – deformaţie specifica axiala (εB – valoarea corespunzătoare valorii maxime pentru σd);
E – modulul de deformaţie liniara (Ed este valoarea maximă);
wn – umiditatea probei în stare naturala;
ρt – densitatea probei înainte de încercare;
ρd – densitatea probei corespunzătoare după încercare;
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
Incercarea de compresiune
uniaxiala proba 1
436/1
d
Deformare
d = 2142,06 kPa
wn [%] =
d [g/cm³] =
f [g/cm³] =
49.4
1.69
1.13
Rezistenta la compresiune:
E = 266646,99 kPa
E-Modul:
B = 3,8 % Abb.: 1
[ % ]
[ kP
a ]
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 28 din 43
7 UTILIZAREA METODEI ELEMENTULUI FINIT PENTRU CALCULUL
LUCRĂRILOR DE JET GROUTING
7.1 Principii generale
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
7.2 Aspecte specifice modelarii lucrărilor unde s-a utilizat tehnologia “jet grouting”
Deosebirea fundamentală între modelarea unor elemente structurale independente din beton sau
beton armat şi soluţia jet-grouting o reprezintă trecerea graduală, aproximată printr-o variaţie liniară
între parametrii mecanici (deformabilitate şi rezistenţă la forfecare) ai pământului netratat şi cei ai
fluidului de injecţie întărit.
Pornind de la faptul ca toate modelele fizice liniare se pot rezolva matematic utilizând acelaşi
solver, se pot efectua analize paralele cuplate plecând de la principiul suprapunerii efectelor. Dintre
legile fizice modelabile cuplat se pot menţiona legea lui Hooke (efort-deformaţie), legea lui Fourrier
(flux termic-gradient termic), legea lui Darcy (debit-gradient hidraulic), legea lui Ohm (intensitate –
cădere de tensiune), legea lui Fick (flux chimic – gradient de concentraţie).
Realizând o comparaţie între modelarea mecanică şi cea termică (aleasă, după cum s-a arătat pentru
a introduce în model un grad de libertate suplimentar cu ajutorul căruia să se poată controla variaţia
unor parametri mecanici) se pot constata următoarele:
Legea de variaţie este similară, cu singura excepţie că pentru modelul mecanic legea este dublă, cu
câte două grade de libertate pe fiecare axă (legea lui Hooke - (7.1)), iar pentru cel termic este un
singur grad de libertate (Legea lui Fourrier - (7.2)).
- legea lui Hooke (7.1)
- legea lui Fourrier (7.2)
Matricele care fac legătura între gradele de libertate şi încărcări conform relaţiilor de mai sus sunt
similare, deşi au dimensiuni diferite din cauza numărului de ecuaţii (6 mecanice şi 3 termice).
- matricea de rigiditate (7.3)
- matricea de conductivitate (7.4)
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 29 din 43
unde:
B şi BT sunt matricele de transpunere;
E este matricea de elasticitate;
K este matricea proprietăţilor termice;
În cazul unor analize neliniare (elastic-perfect plastic pentru modelul mecanic şi schimbarea de fază
pentru cel termic) redistribuirea efortului sau căldurii suplimentare se realizează similar în cele două
modele. Acelaşi lucru se poate spune şi despre variaţia în timp (reologică într-un caz şi în regim
nepermanent în celălalt).
O oarecare diferenţă între cele două tipuri de modele apare la stabilirea condiţiilor iniţiale, unde, în
cazul modelului mecanic, se pleacă de la ipoteza echilibrului static cu deplasări nule, astfel încât
trebuie exprimat numai echilibrul pe contur (extern), în timp ce în cazul analizei termice trebuie
explicitată starea fiecărui nod al modelului.
u = 0
v = 0
a. condiţii iniţiale mecanice (exterioare)
T = 0
b. condiţii iniţiale termice (interioare)
Fig. 7.1: Stabilirea condiţiilor iniţiale
Se poate constata pe un model simplu, de calibrare, că în condiţii similare de analiză (considerând
materialul din analiza mecanică de tip izotrop), se obţin rezultate similare (Fig. 7.2 şi Fig. 7.3),
solverul programului de element finit tratând temperatura ca pe un grad de libertate independent. În
aceste condiţii se poate modela variaţia liniara a parametrilor mecanici în funcţie de acest grad de
libertate, fără a-l cupla, însă, şi cu gradele de libertate mecanice.
Cuplajul se poate realiza în două moduri: direct, prin intermediul unui coeficient sau a unei legi de
variaţie care să lege între ele gradele de libertate, cum ar fi coeficientul de expansiune termică (7.5),
sau indirect, prin modificarea proprietarilor mecanice în funcţie de temperatură (cu sau fără cuplajul
direct) (7.6)
- cuplaj termo-mecanic direct (7.5)
- cuplaj termo-mecanic indirect, prin modificarea parametrilor mecanici (7.6)
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 30 din 43
Fig. 7.2: Exemplu simplu de analiză mecanică liniară
Fig. 7.3: Exemplu simplu de analiză termică liniară
După cum s-a arătat în cursul prezentului capitol, pentru modelarea efectului sus-menţionat s-a
apelat la un artificiu de calcul prin realizarea unei analize cuplate termo-mecanice considerând că
materialul trece printr-o schimbare de fază termică între zona netratată şi cea injectată. În aceste
condiţii, variaţia proprietăţilor de material s-a realizat după legea prezentată în Fig. 7.4.
Fig. 7.4: Variaţia parametrilor mecanici liniar cu temperatura în zonele transformării de fază
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 31 din 43
Pentru a verifica modelul numeric al unei coloane jet-grouting a fost realizată o analiză simplificată,
de calibrare, în care au fost utilizaţi următorii parametri:
Tab. 7.1: Parametrii mecanici utilizaţi în modelul simplificat al coloanei jet-grouting
Material netratat (T = 0ºC) Material din coloană (T = 1ºC)
E [kPa] 1000 10000
[-] 0.35 0.25
[kN/m3] 20 23
Fig. 7.5: Analiza termică utilizată pentru stabilirea extinderii zonei tratate prin injecţie
Fig. 7.6: Analiza mecanică a coloanei injectate cu parametrii modificaţi ai coloanei
Studiind rezultatele obţinute, în ipoteza unei încărcări uniforme cu o presiune de 100kPa a
modelului, se constată faptul că, într-adevăr, zona tratată se deformează mult mai puţin, iar variaţia
tasărilor este proporţională cu parametrii modificaţi.
Pentru studierea comportării elasto-plastice a pământului tratat cu metoda jet grouting a fost
imaginat un model de taluz (Fig. 7.7) în care au fost aplicaţi parametrii mecanici obţinuţi în urma
analizelor de laborator pe probe de pământ prelevate din amplasamentul Wahringerstasse 29-31,
Viena.
Trebuie subliniat faptul că din punct de vedere tehnologic, metoda jet grouting nu poate fi aplicată
în astfel de lucrări din cauza stării de eforturi suplimentare deosebit de mari induse la injectare. Cu
toate acestea, modelul propus este deosebit de sugestiv pentru modul în care o suprafaţă de cedare
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 32 din 43
este stabilizată prin coloanele executate. Modelul nu studiază instalarea propriu-zisă a coloanelor, ci
numai situaţia de după întărire, cu materialul de injecţie ajuns la valoarea nominală a rezistenţei.
Fig. 7.7: Taluzul analizat
Pentru comparaţie, o primă analiză a tratat stabilitatea taluzului în ipoteza pământului netratat iar o
a doua a studiat stabilizarea cu o soluţie structurală cu ploturi discontinue jet-grouting. Distanţa
inter-ax dintre ploturi a fost predimensionată cu ajutorul teoriilor Ito-Matsui şi Beer-Carpentier.
Fig. 7.8: Zonele neplastifiate din modelul fără îmbunătăţire
Fig. 7.9: Zonele neplastifiate din modelul îmbunătăţit (sunt puse în evidenţă ploturile jet-grouting)
Modelul analizat a fost ales astfel încât să poată cuprinde trei ploturi distincte (o analiză de tip
problemă plană ar fi echivalat cu un zid continuu). Înlăturând din model zonele plastifiate se poate
remarca în Fig. 7.9 cum partea tratată cu jet-grouting a rămas în stare elastică, în timp ce pământul
netratat a trefilat printre ploturi.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 33 din 43
Diferenţa fundamentală între analiza termo-mecanică şi una pur mecanică având elemente
structurale distincte este aceea că prin metoda propusă variaţia parametrilor mecanici ai coloanelor
jet-grouting este luată în considerare în mod liniar, în zonele cu solicitare maximă apărând conform
observaţiilor din realitate, zone cedate către limitele de injecţie.
Un avantaj major faţă de metoda echilibrului limită îl reprezintă faptul că cedarea în modelul
efectuat folosind metoda elementelor finite se produce progresiv zonele plastice dezvoltându-se pas
cu pas, pe măsura îndeplinirii condiţiei de plastifiere. În funcţie de tipul de pământ, comportarea
mecanică trebuie modelată cu un criteriu de plastifiere corespunzător, analiza termică putând fi
utilizată pentru simularea degradării sau îmbunătaţirii anumitor elemente numerice. De exemplu,
îmbunătăţirea unui pământ moale se poate utiliza modelul Cam-clay (variind parametrul M), pentru
pământuri în stare plastică modelul Drucker-Prager (variind β şi d), sau pentru pământuri loessoide
– modelul „crushable foams” (modificând rezistenţa structurală).
Un alt avantaj al metodei îl reprezintă faptul că din punct de vedere geometric, modelul numeric se
apropie foarte mult de cel real, putându-se modela situaţii tridimensionale variate (de la elemente
continue la unele discontinue).
În urma îmbunătăţirii, în situaţia prezentată, deplasările se reduc de aproximativ 10 ori, iar cedarea
întregului masiv nu se mai produce (apărând doar plastifieri locale).
Fig. 7.10: Deplasările maxime pe orizontală în modelul fără îmbunătăţire: ~37cm
Fig. 7.11: Deplasările maxime pe orizontală în modelul stabilizat cu jet-grouting: ~4cm
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 34 din 43
7.3 Metoda Priebe de calcul al îmbunătăţirii terenurilor prin tratament local (ploturi) [P4]
ACEASTĂ PARTE A LUCRĂRII POATE FI CONSULTAT ÎN TEZA IN-EXTENSO
7.4 Exemplu de calcul utilizând metoda Priebe
Îmbunătăț irea pământului se face folosind coloane injectate cu diametru de 0.65m, lungime de
15m distribuț ie pe toată suprafaţa fundaţiei (172 m2) într-un caroiaj de 1.3 m.
7.4.1 Notaţii
A - suprafaţa caroiajului
b - lăţimea fundaţiei
c –coeziunea
z - adâncimea îmbunătăţirii
zGr - adâncimea planului de cedare
D – modul de fretare
fd - factorul de adâncime
K - coeficientul presiunii pământului
m - sarcina proporţională pe coloanele îmbunătăţite
n - factorul de îmbunătăţire
p - aria de încărcare împărţită la aria fundaț iei
s - tasarea
W - greutatea
α - factorul de reducere în calculul seismic
γ - greutatea specifică
η - factorul de siguranţă la cedarea pământului
μ - coeficientul lui Poisson
σf - capacitatea portantă
ϕ - unghiul de frecare internă
Semnificaţia indicilor folosiţi derivă din context. În general, indicele C înseamnă coloană şi S
înseamnă pământ. Cu excepţia lui K0 pentru împingerea pământului în stare de repaos (Ka pentru
împingerea activă a pământului), indicele 0 reprezintă o valoare iniţială.
(7.7)
(7.8)
(7.9)
- diametrul coloanei injectate aproximat în stratul de praf argilos (7.10)
(7.11)
(7.12)
(7.13)
(7.14)
(7.15)
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 35 din 43
7.4.2 Factorul de îmbunătăţire de bază n0
(7.16)
potrivit pentru starea de tasare finală în cele mai multe cazuri (7.17)
(7.18)
(7.19)
Fig. 7.12: Relaţia dintre factorul de îmbunătăţire n0, raportul A/AC şi unghiul de frecare internă a
materialului de umplutură ϕ care se derivă, ilustrat în diagramă
(7.20)
(7.21)
(7.22)
(7.23)
(7.24)
7.4.3 Considerarea suprasarcinii
Odată cu creşterea suprasarcinii, coloanele vor fi sprijinite mai bine lateral, astfel având o capacitate
portantă mai mare.
(7.25)
(7.26)
(7.27)
(7.28)
2 4 6 8 10
2
4
6
8
n x( )
x
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 36 din 43
(7.29)
(7.30)
(7.31)
(7.32)
(7.33)
(7.34)
(7.35)
(7.36)
(7.37)
(7.38)
7.4.4 Factorul de adâncime
unghiul de frecare internă a materialului coloanei (7.39)
(7.40)
(7.41)
(7.42)
(7.43)
(7.44)
(7.45)
Valoarea nu se ia în considerare daca este mai mica decât 1. În acest caz se foloseşte formula (al
doilea indice de control al compatibilităţii):
(7.46)
Primul indice de control al compatibilităţii limitează factorul de adâncime şi sarcina asignată
coloanelor, astfel că tasarea coloanelor rezultată din compresibilitatea inerentă nu depăşeşte tasarea
sistemului compozit.
(7.47)
(7.48)
(7.49)
(7.50)
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 37 din 43
Un factor de adâncime fd < 1 nu trebuie luat în considerare, chiar dacă rezultă din calcul. În acest
caz, al doilea indice de control al compatibilităţii este imperios necesar, fiind legat de factorul de
îmbunătăţire. Într-un fel, acest indice se aseamănă cu primul. Garantează că tasarea coloanelor
rezultată din compresibilitatea inerentă nu depăşeşte tasarea pământului din jur rezultată din
compresibilitatea din sarcinile asignate fiecărei coloane. Acest indice se foloseşte când pământul
este în stare moale sau afânată.
(7.51)
(7.52)
7.4.5 Valorile eforturilor tangenţiale în pământul îmbunătăţit
În timp ce elementele rigide cedează succesiv sub eforturile tangenţiale, coloanele de piatră se
deformează până ce orice suprasarcină e transferată coloanelor vecine. Coloanele de piatră primesc
o porţiune mărită din sarcina totală m, depinzând de raportul dintre aria AC/Ai şi factorul de
îmbunătăţire n.
Astfel, pământul primeşte o porţiune mai mare din sarcina totală decât cea calculată. Pentru a nu
supraestima rezistenţa tangenţială a coloanelor, sarcina proporţionala pe coloane a fost redusă.
Următoarea aproximare pare să fie potrivită:
(7.53)
Potrivit sarcinilor proporţionale pe coloane şi pământ, rezistenţa tangenţială din frecare a sistemului
compozit poate fi aproximat cu formula:
(7.54)
Coeziunea sistemului compozit depinde de aria proporţionala de pământ
(7.55)
(7.56)
Modulul de deformaţie liniară va fi:
(7.57)
Utilizând aceste date de intrare în metodele clasice de verificare a fundaţiilor directe, considerând
ca exemplu o fundaţie de turbină eoliană, unde metodele de îmbunătăţire a terenului de fundare sunt
intensiv aplicate, vom studia în paralel metoda Priebe faţă de metoda elementelor finite. De
remarcat faptul că neputând prelua eforturi de întindere, fundaţiile directe pe terenuri îmbunătăţite
prin această metodă trebuie să fie verificate ca presiunile minime pe talpa de fundare să fie pozitive.
Ca încărcări considerăm în gruparea fundamentală Nfc = 520kN, Mfc = 85652kNm şi în gruparea
specială Nsc = 400kN, Msc = 104457kNm. În urma predimensionării rezultă o fundaţie de formă
octogonală cu distanţa între două laturi opuse de 13m.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 38 din 43
În urma verificării la efortul de plastifiere rezultă ppl = 7362kPa la un efort efectiv maxim
pef max = 191kPa şi pef med = 53kPa. Pentru verificarea la starea limită ultimă rezultă efortul de cedare
pcr = 1378 MPa în timp ce eforturile pef max = 311kPa şi pef med = 86kPa.
Fig. 7.13: Distribuţia eforturilor suplimentare în ax şi în colţ faţă de efortul geologic
În urma calculului de tasare rezultă o valoare medie (în ax) smed = 2.6cm şi o rotire maximă
θ = 0.016º. Ţinând seama că tasarea medie în cazul pământului neîmbunătăţit este smed = 6.2cm.
Pentru comparaţie a fost utilizat un model tridimensional implementând tehnica de analiză folosind
metoda elementelor finite descrisă în capitolul anterior.
Fig. 7.14: Geometria modelului folosit şi condiţiile iniţiale
Echilibrul termic rezultat în urma analizei este prezentat în Fig. 7.15. Tasarea maximă (tasările fiind
reprezentate în Fig. 7.16 şi Fig. 7.17) este smax = 2.34cm.
0 10 20 300
2 104
4 104
z z( )
z_colt z( )
0.1 gz z( )
z
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
7. Utilizarea Metodei Elementului Finit pentru calculul lucrărilor de jet grouting Pagina 39 din 43
Fig. 7.15: Determinarea distribuţiei coloanelor îmbunătăţite
Fig. 7.16: Secţiune prin masivul de pământ Fig. 7.17: Vedere izometrică a distribuţiei de tasări
În concluzie, se remarcă faptul că rezultatele obţinute în urma analizei în elemente finite sunt
apropiate de cele obţinute utilizând metoda Priebe. Cu toate acestea, metoda elementelor finite
furnizează mult mai multe informaţii faţă de metoda analitică (cum ar fi diametrul coloanei
injectate, dezvoltarea zonelor plastice, presiunile de contact între radier şi terenul de fundare etc.).
Prin urmare, în dimensionarea fundaţiilor pe terenuri îmbunătăţite se recomandă predimensionarea
folosind metoda analitică şi verificare utilizând metoda elementelor finite.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
8. Concluzii şi contribuţii personale Pagina 40 din 43
8 CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII PERSONALE
Teza de doctorat abordează tehnologia tratării pământurilor prin metoda jet-grouting pornind de la
documentarea completă a tuturor variantelor tehnologice şi aplicaţiilor în construcţii, continuând cu
metode de prelevare a unor probe din coloana injectată şi încheind cu metode moderne de calcul al
structurilor tratate.
Tehnologia, apărută la începutul anilor ’80, poate fi considerată încă în perioada de pionierat ca şi
extindere al domeniului de aplicare, deşi din punctul de vedere al tehnologiei de execuţie metoda a
fost perfecţionată suficient, astfel încât să nu existe blocaje în desfăşurarea lucrărilor propriu-zise.
Teza include un studiu documentar detaliat şi actualizat, prezentând în mod special utilajele de jet-
grouting ale firmelor Keller Grundbau GmbH şi Porr AG. La nivel internaţional, tehnologia jet-
grouting se poate considera că a depăşit etapa de pionierat tehnologic, trecându-se în etapa
experimentală şi de modelare teoretică a structurilor geotehnice realizate folosind această metodă.
În general nu au existat publicaţii care să abordeze metode de calcul pentru această tehnologie, cu
excepţia celor realizate, pe baze empirice în cadrul firmelor care utilizează metoda. Un prim aspect
care la ora actuală este insuficient studiat se referă la metodele de prelevare a probelor din coloana
injectată. Abordarea clasică consta doar în prelevarea detritusului amestecat cu fluid de injecţie de
la suprafaţa urmei trenului de injectare. Această metodă prezintă următoarele dezavantaje:
caracterizează doar mortarul de injecţie, probele nu sunt caracteristice coloanei injectate propriu-
zise, iar probele prelevate sunt de cele mai multe ori contaminate cu materiale de la suprafaţa
terenului şi umpluturi de la adâncimi mici.
Ca date de intrare s-a plecat de la experienţa proprie desfăşurată în unrma unui stagiu practic de
şapte luni în Austria în cadrul Laboratorului de Geotehnică al Universităţii Tehnice din Viena. Sunt
prezentate noi metode de prelevare ale probelor din coloana injectată, care au stat la baza
încercărilor de laborator.
Un alt domeniu în care a fost propusă o nouă abordare se referă la calculul capacităţii portante a
terenului de fundare îmbunătăţit cu coloane jet-grouting. La momentul actual, cea mai cunoscută şi
larg răspândită metodă de calcul este cea propusă de H.G. Priebe (1995). Această metodă se
bazează în exclusivitate pe ipoteza îmbunătăţirii parametrilor mecanici ai pământului iniţial pe baza
unor abace. Această abordare este doar parţial corectă având în vedere faptul că metoda este bazată
pe metode empirice furnizând o bază solidă de pornire ca predimensionare, impunându-se
verificarea cu ajutorul unor metode mai elaborate de calcul (cum ar fi metoda elementelor finite). O
contribuţie originală a autoarei este şi adaptarea metodei Priebe (elaborată pentru calculul
coloanelor vibro-îndesate) la determinarea îmbunătăţirii pământurilor utilizând metoda jet-grouting.
Abordarea propusă presupune utilizarea metodei elementelor finite cu ajutorul căreia să se
determine comportarea globală a unei zone tratate cu coloane jet grouting în care proprietăţile
mecanice pornesc de la valori maxime ale rezistenţei la forfecare şi compresibilităţii materialului în
zona de introducere a trenului de injecţie, variind liniar către marginea coloanei unde parametrii
sunt cei ai pământului natural (netratat).
Pentru realizarea acestei analize este folosit un artificiu de calcul prin care a fost utilizat un cuplaj
între o lege fizică cu variaţie liniară (legea lui Fourrier) şi parametrii de comportare mecanică
(modulul de deformaţie liniară şi coeziune). Analiza a fost realizată în aşa fel încât unei temperaturi
date îi corespunde o stare mecanică limită (de exemplu proprietăţi mecanice ale pământului
netratat), iar unei alte temperaturi cealaltă stare mecanică (în acest caz pământ tratat). Pentru
controlul diametrului injectat a fost utilizată o analiză termică în regim nepermanent în timp.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
8. Concluzii şi contribuţii personale Pagina 41 din 43
Avantajele utilizării modelării numerice ce implementează cuplajul termo-mecanic îl reprezintă
faptul ca pentru analiza mecanică se poate utiliza orice model constitutiv (de exemplu,
îmbunătăţirea unui pământ moale se poate utiliza modelul Cam-clay, pentru pământuri în stare
plastică modelul Drucker-Prager, sau pentru pământuri loessoide – modelul „crushable foams”).
Geometriile tridimensionale se pot modela corect, chiar şi în cazul structurilor discontinue, lucru
care nu se poate realiza prin modele numerice plane.
Rezultatele cercetărilor sunt puse în evidenţă atât prin modele simplificate, de calibrare, cât şi prin
studii de caz reale, în care se poate remarca corectitudinea rezultatelor prevăzute prin calcul.
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
Bibliografie Pagina 42 din 43
BIBLIOGRAFIE
1. [A1] Arvind, V et.al. Grouting Technology în tunnelling and dam construction (second
edition), 1999
2. [A2] Atanasiu, C Capacitatea portanta a terenului de fundare, Institutul de construcţii
Bucureşti, 1982
3. [A3] Atanasiu, C. Stănculescu, I. Chirica, A. Calculul structurilor subterane, Institutul de
Construcţii Bucureşti, 1983
4. [B1] Bally, R.J. Klein, R Injectarea terenurilor,Ed. 1985
5. [B2] Bell, F.G. Engineering treatment of soil, E&FN Spon, 1993
6. [B3] Bzówka, J Computational model for Jet Grouting pile-soil Interaction, Studia
Geotechnica et Mecanica, Vol XXVI, 2004
7. [C1] Cai, W. Hashimoto,T. Study on soil mixed cement pile arch retaining wall în deep
excavation, Ed. Tashihisa Adachi,1993
8. [C2] Caron, C., Herbst, T. F. Si Cattin, P. H Injections Cap 9 din Fundation Enineering
Handbook, New york, Ed. VNB, p. 337 – 353
9. [C3] Chernyakov, V. Evaluation of dynamic loads on underground structures during
horizontal jet grouting of saturated soil, Scientific Production Union Kosmos, Moscow,
Russia, 2009
10. [C4] Croce, P. Flora, A. Analysis of singlw-fluid jet grouting, Geotechnique, 2000
11. [C5] Coulter, S Martin C.D. Effect of jet grouting on surface settlements above the
Aeschertunnel, Elsevier, 2005
12. [C6] Covil, C.S. et.al. Jet Grouting – a review of some of the operating parameters that
form the basis of the jet grouting process: Grouting în the ground Thomas Telford, 1994
13. [D1] Davie, J.R. et.al. Jet grout columns support major power plant structures, ASCE, 2001
14. [D2] Day,R.A. Potts, D.M. Zero thickness interface Elements, International Journal of
Numerical and Analytical Methods în Geomechanics, 1994
15. [D3] Drooff, E.R. et.al Jet grouting to support historical structures, Fundation Upgrading
and repair for infrastructure improvement, ASCA Geotechnical Special publication No. 50,
1995
16. [E1] Essler, R. D. Shibazaki, M. Capitol Jet grouting, Ground Improvement 2nd Edition
publicat de Taylor & Francis 2005
17. [G1] Gazaway, H.N Jasperse, B.H. Jet grouting în contaminated soils, 1991
18. [G2] Griffiths, D.V Finite element analyses of walls, footings and slopes, Proc. Symp. on
Comp. Applic. To Geotech. Probs. în Highway Eng., Cambridge (U.K.) (1980)
19. [K1] Kirsch, F. Stability of the vault developing over soilcrete bodies, Institute for Soil
Mechanics and Fundation Engineering, Technical University of Braunschweig, 2003
20. [K2] Kluckert, K.D. Von den Fehlerquellen uber die Schaden zur Qualitatssicherung.
Vortrage der Baugundtagung Deutsche Gesellschaft fur Geotechnik, Berlin 1996
21. [K3] Kwan, J.C.T et.al. Ground engineering spoil: good management practice, CIRIA, 1997
22. [L1] Leach, S. J., Walker, S.J. The aplication of high speed liquid jet to cutting, XXVI Some
aspects of rook cutting by high speed water jets, Shefield, UK, 1966
23. [L2] Lesnik, M. Determination of jet range for jet grouting with respect to the operating
parameters and soil properties by waste slurry investigation, Teza de doctorat, Universitatea
Tehnică din Graz, 2003
24. [L3] Liu, Y Finite Element Method, CAE Research Laboratory, 2003
25. [M1] Manoliu, I. Fundaţii şi procedee de fundare, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti
1983
26. [M2] Martin, W.S. Site guide to foundation construction – a handbook for young
professionals, 1996
27. [M3] Michael, J et.al Verification of geotechnical grouting, American Society of Civil
Engineers. Geotechnical Engineering Division Committee on Grouting, 1995
28. [M4] Mitchell, J.M. Jardine F.M. A Guide to ground treatment CIRIA, Londra 2009
ing. Claudia Nicolae - Aspecte privind îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale pământurilor prin metoda Jet Grouting
Bibliografie Pagina 43 din 43
29. [M5] Moseley, M.P. Kirsch, K Ground improvement, Ed.Taylor&Francis, 2004
30. [N1] Nikbakhtan, B. Osanloo, M. Effect of grout pressure and grout flow on soil physical
and mechanical properties în jet grouting operations, Elseveir, 2008
31. [N2] Nikbakhtan B, Pourrahimian Y. Investigation of jet grouting effect on slope stability,
International mining Congress Exhibition, 2007
32. [N3] Nonveiller, E. Grouting în theory and practice, Elseveier, 1989
33. [P1] Padura, A. B. et.al Study of the soil consolidation using reinforced jet grouting by
geophysical and geotechnical techniques: „La Normal” building complex (Granada),
Elseveir, 2008
34. [P2] Powrie, W. Soil mechanics – Concepts and applications. 2nd ed., Spon Press, 2004
35. [P3] Pribe, H. J. The design of vibro replacement, Ground Engineering, GeTec, 1995
36. [R1] Racansky, V Design of jet grout structures, Teza de doctorat, Universitatea Tehnica
din Brno, 2008
37. [R2] Rawlings, C.G. et.al. Grouting for ground engineering, CIRIA, 2000
38. [S1] Schaefer, V.R et.al. Ground treatment – Jet grouting, ASCE Geotechnical Special
publication No. 69,1997
39. [S2] Schneider, E Mittelungen der Schweizerischen Gesellschaft fur Boden – und
Felsmechanik, Herbsttagung, Zurich, 1998
40. [S3] Shibazaki, M. State of practise of jet grouting. Grouting and Ground Treatment, New
Orelans, 2003
41. [S4] Stanciu, A. Lungu, I. Fundaţii – fizica şi mecanica pământurilor, Ed. Tehnica, 2006
42. [T1] Terzaghi, K., Peck R.B. Soil Mechanics in Engineering Practice, John Wiley&Sons,
1996
43. [W1] Wang,J.G. Kumar, G.S. Effect of different jet grouting instalations on neighboring
structures, Field messurements în Geomechanics, Tan & Phoo, 1999
44. [W2] Welsh, J.P. Bruke G.K. Jet grouting: uses for soil improvement. ASCE Conference,
1991
45. [W3] Wen, D. Use of jet grouting în deep excavations, Elseveier, 2005
46. [W4] Wit, J.C.M. et.al. Design and construction of a metro station în Amsterdam,
challenging the limits of jet grouting, Proc. 14th Eur. Conf. on Soil Mech. and Geot. Eng.
24-27 September 2007
47. [W5] Wong, I.H. Poh, T.Y. A case history of jet grouting în marine clay, Elseveier, 2005
48. [W6] Wong, I.H. Poh, T.Y Effects of jet grouting on adiacent ground and structures, J.
Geotechnical Geoenvironment Engineering, 2000
49. [X1] Xanthakos, P. et al, Ground Control and Improvement, Chapter 8, 1994, published by
Wiley
50. [Y1] Yoshitake, I. et.al An evaluation method of ground improvement by jet grouting, 2004
51. [Z1] Zege, S.O Broid, I.I Concept of bases for jet soil stabilization, Soil Mechanics and
foundation Engineering, Vol. 41, 2004
52. [Z2] Zienkiewicz, O.C., Taylor, R.L. The finite element method, Fifth edition, Butterworth –
Heinemann 2000
53. [Z3] Żmudziński Z., Motak E., Computational assessment of bearing capacity of jet-
grouting piles, Krakovia, 1995, 351–362
54. [1] *** Conference – Grouting and groud treatment, New Orleans, 2003
55. [2] *** Keller GmbH. The soilcret – jet grouting process. Keller Publications 2005
56. [3] *** NP 074-2007 –Partea I, Întocmirea şi verificarea documentaţiilor geotehnice pentru
construcţii
57. [4] *** PN-81/B-03020 - Standard polonez Calculul şi proiectarea fundaţiilor
58. [5] *** SR EN 1997-1: 2006: Standard român Eurocod 7: Proiectarea geotehnică. Partea 1:
Reguli generale
59. [6] *** SR EN 12716: 2005 Execuţia lucrărilor geotehnice speciale – Injectarea sub
presiune înaltă a terenurilor (jet grouting)