INCINTĂ DE SUSŢINERE COMPOZITĂ ALCĂTUITĂ DIN PILOŢI FORAŢI ŞI COLOANE JET-GROUTING. INFLUENŢA EXECUŢIEI ASUPRA CONSTRUCŢIILOR ÎNVECINATE

Tudor SAIDEL1 Mădălin COMAN2 Anatolie MARCU3 Silviu SIMA4

REZUMAT: Pentru adâncirea cu un nivel subteran, intrând sub nivelul apei subterane NAS, a unei structuri civile îngropate, abandonate în centrul Capitalei (alcătuită din incintă de piloţi cvasitangenţi şi radier) s-a recurs la realizarea unei noi incinte, etanşe, în interiorul celei existente, utilizând tehnologia coloanelor injectate cu suspensie de ciment printr-un jet de presiune înaltă („jet grouting”). Se prezintă particularităţile de execuţie, monitorizarea noii structuri şi a construcţiilor învecinate precum şi măsurile întreprinse pentru reducerea unor efecte negative apărute în urma lucrărilor de jet-grouting. Deformaţiile orizontale măsurate ale peretelui de susţinere se compară cu valorile anteevaluate prin calculul folosind metoda elementului finit.

1. GENERALITĂŢI

La intersecţia Căii Victoriei şi a străzii Frumoasă se află o construcţie ale cărei lucrări

de infrastructură au debutat în primăvara anului 1995 iar după numai câteva luni au fost

întrerupte, cel mai probabil din motive economice.

Proiectul iniţial al imobilului de birouri P+9E+Et prevedea două subsoluri, pe aproape

întreaga suprafaţă aflată în proprietate (38x35 m).

1 Inginer, Director, S.C. POPP & ASOCIAŢII - Inginerie Geotehnică, Bucureşti 2 Inginer, Director tehnic, S.C. POPP & ASOCIAŢII, Bucureşti 3 Profesor doctor inginer, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti 4 Inginer, Şef laborator, S.C. Zublin România – Lucrări Speciale, Bucureşti

În imediata vecinătate a şantierului se află două clădiri cu calcane către noua

construcţie:

a. imobil S+P+M pe strada Frumoasa nr. 51 cu destinaţia de locuinţe;

b. imobil S+P+E+M pe strada Calea Victoriei nr. 147 cu destinaţia de farmacie.

Cele două clădiri menţionate mai sus au fost realizate la începutul secolului trecut, iar

timpul şi repetatele mişcări seismice şi-au pus amprenta serios pe structura acestora.

Fig. 1 Plan amplasament

În momentul în care firma Popp & Asociaţii a preluat proiectarea noii incinte în

vederea construirii unui imobil cu 3 subsoluri, cerinţă impusă de noile reglementări privind

numărul minim necesar al locurilor de parcare, pe amplasament se găsea o structură

nefinalizată alcătuită din (fig.1 şi fig.2):

− radier de 0.90 m grosime având cota superioară la adâncimea -5,70 sub CTA;

− perete perimetral din beton armat cu grosimea de 40cm;

− pereţi – contrafort din beton armat cu grosimea de 40cm;

− şiruri de piloţi de susţinere a excavaţiei cu diametrul de 40 cm amplasaţi

perimetral la un interax de 50cm;

− şpraiţuri metalice provizorii înclinate, rezemate în radier;

− puţuri de epuisment nefuncţionale.

Necesitatea adăugării subsolului 3 a condus la soluţia de demolare a radierului existent

si coborârea nivelului de fundare cu aproximativ 3,50m. Astfel a apărut necesitatea sprijinirii

unei excavaţii cu adâncimea de 10,30m, aflată circa 4,30 sub NAS.

În această situaţie piloţii perimetrali distanţaţi, existenţi cu cota bazei la aprox. acelaşi

nivel cu noua săpătură generală, nu şi-ar mai fi îndeplinit rolul de sprijinire, si pe de alta parte

nu ar fi asigurat etanşeitatea incintei adâncite sub NAS. Soluţia de reabilitare a sprijinirii şi de

etanşeizare a incintei prin realizarea unui perete compozit alcătuit din piloţi foraţi şi coloane

de Jet Grouting a fost agreata de toţi factorii implicaţi în proiect.

2. PROIECTUL REFACERII INCINTEI ADÂNCI

2.1. Soluţia adoptată

În cadrul noului proiect, adâncimea excavaţiei a trebuit să fie extinsă de la 6,90 m la

10,30m sub cota terenului amenajat (fig.2).

Fig. 2 Structura de beton existentă la începerea noilor lucrări

În acest scop, o nouă structură de susţinere alcătuită din piloţi foraţi Φ660mm, armaţi

cu profile metalice HEB 360, plasaţi la 1,50m şi 1,80m interax, a fost construită între cota

superioară a radierului existent -5,70 şi până la cota bazei noilor piloţi: -13,20 pe zonele fără

clădiri învecinate respectiv, -19,85 pe zonele cu clădiri învecinate (a se vedea şi figura 6).

Pentru a etanşa pereţii excavaţiei, spaţiul dintre piloţii foraţi a fost închis cu coloane

verticale de „jet-grouting”. Acestea joacă rolul de boltă nearmată de transmitere în plan

orizontal a presiunii apei şi a pământului la piloţii foraţi (figura 3).

Fig. 3 Secţiune caracteristică prin peretele compozit de sprijin

2.2. Condiţiile de teren

Stratificaţia terenului în care s-au executat piloţii foraţi şi coloanele de „jet-grounting”

este alcătuită din:

− praf argilos plastic vârtos (Lut de Bucureşti) până la 3m adâncime;

− pietriş cu nisip mediu îndesat până la 11,20m adâncime;

− argilă nisipoasă plastic consistentă până la 30m adâncime.

Nivelul apei subterane a fost întâlnit la adâncimea de circa 7m. Datorită posibilităţii de

variaţie sezonieră a NAS cu circa +/-1m, acesta a fost considerat pentru calculul structural la

adâncimea de 6m.

3. DESCRIEREA PROCEDEULUI DE INJECTARE CU PRESIUNE ÎNALTĂ A PĂMÂNTULUI (JET-GROUTING) ÎN CONTEXTUL EXECUŢIEI PERETELUI COMPOZIT ETANŞ DE SPRIJINIRE

Tehnologia jet-grounting reglementată prin norma europeană preluată ca standard

român SR EN 12716-2005, constă într-un proces combinat de tăiere, amestecare şi cimentare

a pământului sau a rocilor alterate, cu ajutorul unui jet (fig. 4) de înaltă presiune (cca. 400 bari

în cazul de faţă).

Fig. 4 Jet de apă injectat la 400 bari prin duză pentru tehnologia jet-grouting

Pe baza experienţei constructorului în condiţii de teren şi pentru caracteristici ale

coloanelor de jet grouting similare, s-a utilizat metoda „jet simplu”. Pământul este tăiat şi

reamestecat cu ajutorul unui jet de suspensie de ciment în apă cu presiune înaltă

(circa 400 bari).

Pentru a se asigura diametrul proiectat al coloanelor, de min. 1m, în stratul argilos s-a

utilizat dezagregarea prealabilă cu apă sub presiune înaltă, injectată prin aceeaşi duză.

Execuţia peretelui compozit comportă următoarele etape pe amplasamentul dat,

prezentate simplificat în continuare:

i. Pentru a putea fora piloţii de susţinere cu diametru de 660 mm în interiorul incintei

existente, în radierul existent au fost decupate perimetral, cu lanţul diamantat, deschideri cu

secţiunea în plan 80x80cm, păstrându-se între acestea dinţi de rezemare în plan orizontal a

peretelui de sprijin existent. Pentru a permite efectuarea lucrărilor de jet-grouting în radierul

existent au fost executate perimetral carotaje cu diametrul de 250mm. După această etapă,

pentru asigurarea pătrunderii forajului pentru jet-grouting prin carotajele executate prin

radierul existent, s-au introdus în carotaje ţevile PVC, prin care s-au efectuat coloanele jet-

grouting (fig.5); de asemenea, în această etapă s-au instalat tuburile înclinometrice şi

piezometrele aferente programului de monitorizare.

Fig. 5 Introducerea tuburilor PVC utilizate pentru execuţia coloanelor de jet grouting.

ii. Realizarea umpluturii cu balast şi realizarea platformei de lucru din piatră spartă la -

3,00m adâncime;

iii. Execuţia piloţilor foraţi cu tubaj recuperabil de la -3,00m;

iv. Execuţia coloanelor de jet grouting de la cota -3,00m s-a realizat prin tuburile PVC

descrise în etapa „i”;

v. Instalarea nivelului 1 de şpraiţuri la cota aproximativ -2,00 m.

vi. Excavarea incintei până la cota -5,70m (partea superioară a radierului existent) după

care s-au înlăturat şpraiţurile înclinate existente;

vii. Finalizarea grinzii de coronament pe capul piloţilor pentru orizontul 2 de şpraiţuri

(fig.6);

viii. Montarea orizontului 2 de şpraiţuri (fig.7) la cota -5,40m;

Fig. 6 Secţiune caracteristică prin peretele de sprijin pe zonele cu construcţii învecinate

Fig. 7 Dispunerea finală a celor două orizonturi

de şpraiţuri

ix. demolarea radierului existent şi excavaţie generală până la cota -8,50 m cu

activarea sistemului de epuizment;

x. excavaţie pe zona centrală până la cota -10,31 m cu păstrarea unor berme de

pământ cu rol de sprijin în colţurile incintei (fig.8);

xi. turnarea preradierului din beton armat cu plasă STNB, cu grosimea de 15 cm, cu

rol de şpraiţ la nivelul bazei excavaţiei cu zone de contact pe 4-5 m la mijlocul

laturilor peretelui de sprijin;

xii. după întărirea preradierului s-a aşternut un strat de protecţie din balast de 30 cm

peste preradier iar apoi s-au excavat şi betonat în câte două ştraifuri succesive cu

lăţimea de circa 5 m, cele 4 berme rămase;

xiii. îndreptarea prin spargere mecanică parţială a coloanelor de jet-grouting şi a

piloţilor foraţi până la faţa profilelor metalice înglobate (fig 9).

Fig. 8 Excavarea pe zona centrală pentru turnarea preradierului cu rol de şpraiţ

Fig. 9 Peretele compozit de sprijin alcătuit din piloţi foraţi cu armătură rigidă şi coloane jet-grouting după îndreptare, înaintea aplicării hidroizolaţiei

4. DETALII PRIVIND TEHNOLOGIA DE EXECUŢIE A COLOANELOR JET-

GROUTING

Execuţia începe prin realizarea unui foraj prin procedeul rotativ cu circulaţie, cu jet de

apă, până la atingerea adâncimii cerute pentru coloană.

Înregistrarea parametrilor forajului s-a făcut cu sistemul LT3 Lutz, care a fost folosit

pe parcursul tuturor forajelor şi operaţiunilor de jet grouting, pentru a verifica şi înregistra

parametrii semnificativi.

Următorii parametri au fost măsuraţi şi înregistraţi în timpul forării pana la cota bazei

coloanei jet-grouting (fig.10, etapa 1):

− cota duzelor;

− viteza de forare;

− presiunea pe vârful de forare;

− viteza de rotaţie;

− presiunea şi debitul pompării pentru asigurarea circulaţiei de apă.

În momentul în care s-a atins adâncimea planificată, viteza de rotaţie a trenului de tije

de foraj se reduce la 8-10rpm şi trenul de tije se ridică cu viteză controlată şi se începe

injectarea cu presiune înaltă (fig.10, etapa 2), obţinându-se o colană continuă de amestec

pământ-ciment (fig.10, etapa 3).

Fig. 10 Etapele tehnologiei de execuţie a coloanelor jet grouting

Următorii parametri au fost măsuraţi şi înregistraţi cu adâncimea în timpul injectării cu

presiune înaltă a pământului:

− adâncimea duzelor;

− rata de retragere;

− viteza de rotaţie;

− presiunea şi debitul pompării cu presiune înaltă a suspensiei de ciment;

− cantitatea de suspensie injectată pe metru de coloană.

Cantităţile au fost decontate pe baza înregistrărilor automate ale parametrilor mai sus

amintiţi.

Succesiunea execuţiei coloanelor de jet grouting a fost decisă pe şantier, de către

constructor, funcţie de particularităţile de execuţie ale fiecărei coloane. În principiu între

execuţia a două coloane adiacente s-a aşteptat cel puţin 24h.

a. Parametrii injectării cu presiune înaltă a terenului (jet grouting) utilizaţi la execuţia

coloanelor au fost:

− metoda de jet grouting: jet simplu;

− presiunea suspensiei injectate: 400bari;

− debitul suspensiei: 200-240l/min;

− volumul de suspensie pe metru de coloană: 750l/m (aproximativ);

− cantitatea de ciment pe metru de coloană: 550kg/m (aproximativ);

− diametrul duzelor de presiune înaltă: 4,5 pana la 5,0mm;

− viteza de rotaţie a tijei de jet grouting: 12-15rpm;

− timpul de injectare pentru un pas de 4cm: 8-9sec;

− timpul de injectare pentru un metru de coloană: 3-4min/m.

Aceşti parametri au fost ajustaţi în şantier acolo unde acest lucru s-a impus şi anume

pe zonele unde s-au întâlnit nisipuri cu o stare de îndesare mai redusă.

În principiu, dezagregarea prealabilă cu apă sub presiune înaltă (250-300bar), a fost

făcută numai în stratul argilos (cel puţin între -9.00 si -12.00m sub nivelul terenului).

În acest caz, după încheierea forării şi înaintea începerii jet grouting-ului, trenul de tije

a fost scos încet, între aceste două nivele, cu viteza de aproximativ 1m/min şi cu o viteză de

rotaţie de 15-20rpm.

Materialul utilizat ca suspensie de injectare a constat dintr-un amestec de Ciment

portland 42.5 şi apă, cu raportul apă/ciment cuprins între 0.95 şi1.00. Caracteristicile

suspensiei proaspete şi rezistenţa la compresiune la 28 zile au fost de asemenea probate.

b. Instalaţiile şi echipamentele utilizate:

Principalul echipament:

− echipamentul de forare şi injectare a coloanelor jet grouting: Cassagrande C8

(fig.11)

Fig. 11. Echipamentul de forare şi injectare a coloanelor jet-grouting

în timpul execuţiei

− echipamentul este dotat cu prăjini (fig.12) de foraj şi injectare jet grouting,

computer de monitorizare a parametrilor de execuţie si dispozitive capabile să

acţioneze prăjinile cu viteze de rotaţie şi translaţie predeterminate.

− echipament de dozare automată şi malaxare: Obermann MPR 800

− pompa de înaltă presiune: METAX MP7 sau Techniwell

− sistem de înregistrare a parametrilor: Lutz LT3

Fig. 12 Schema echipamentului de forare şi injectare a coloanelor jet-grouting

c. Evacuarea detritusului

Detritusul a fost pompat direct cu ajutorul pompelor de noroi speciale, din gaura

forajului în containere situate în şantier şi golite periodic.

d. Documentele de lucru utilizate au fost:

− planurile de construcţie de detaliu, conţinând poziţia, numerotarea, elevaţia şi

lungimea fiecărei coloane jet grouting.

− rapoartele înregistrate jet grouting (fişele Lutz cu înregistrările parametrilor

privind forarea şi jet grouting-ul)

− rapoarte zilnice de şantier

− înregistrări de control ale caracteristicilor suspensiei injectate.

5. CALCULUL STRUCTURII GEOTEHNICE

Parametrii geotehnici ai straturilor de pământ au fost introduşi în calculele de

rezistenţă şi de deformaţii pe baza datelor din studiul geotehnic, în corelare cu experienţa

acumulată în proiectarea, realizarea şi urmărirea unor incinte pentru excavaţii adânci în oraşul

Bucureşti.

Fig. 13 Deformaţii orizontale calculate cu programul PLAXIS

Calculul pereţilor incintelor în cele patru secţiuni caracteristice s-a realizat cu metoda

elementului finit folosind modelul “Hardening-Soil”, model care are la bază modelul

elasto-plastic de comportare a pământului (Mohr - Coulomb) şi face distincţia între modulul

de deformaţie pentru încărcarea primară şi cel de descărcare, considerând de asemenea şi

dependenţa modulilor de deformaţie în funcţie de starea de eforturi.

Cu ajutorul programului PLAXIS V8.5 s-au modelat fazele succesive de execuţie a

excavaţiei şi a lucrărilor de şpraiţuire, rezultând starea de eforturi şi de deformaţii în

elementele sprijinirii şi în terenul adiacent (fig.13).

Pe suprafaţa terenului adiacent excavaţiei, în secţiunile neconstruite s-a acceptat o

suprasarcină de 10kPa, corespunzătoare activităţilor curente de şantier. Pe secţiunile cu

organizarea de şantier dinspre str. Frumoasă, în care au apărut supraîncărcări mai importante

datorate depozitarii materialelor sau staţionarii unor utilaje, suprasarcina s-a considerat a fi de

30kPa. Pentru pereţii de incintă situaţi spre clădirile existente, s-au luat în considerare

încărcările provenite din greutatea acestora la cota de fundare.

6. MONITORIZAREA LUCRĂRILOR DE REFACERE A INFRASTRUCTURII

Programul de monitorizare a fost elaborat pentru întreaga perioadă de execuţie a noii

construcţii.

În faza de refacere a infrastructurii (ranforsarea incintei, demolarea vechiului radier, adâncirea

excavaţiei şi realizarea noului radier şi a subsolurilor) se efectuează următoarele categorii de

măsurători:

− tasări ale clădirilor învecinate,

− deplasări orizontale ale pereţilor de incintă (măsurate în coloane inclinometrice

montate în foraje imediat alăturate peretelui de sprijinire a incintei),

− variaţia nivelului apei subterane în incintă şi în exteriorul acesteia (măsurată în

tuburi piezometrice amplasate în exterior, în imediata vecinătate).

Pentru această fază de lucru, prezintă un interes deosebit rezultatele măsurătorilor de

deplasări orizontale ale pereţilor incintei realizate cu dispozitive inclinometrice în mai multe

puncte caracteristice. Inclinometrul utilizat asigură o precizie de 0,2mm/m, măsurătorile

efectuându-se la intervale de adâncime de 0,5m.

În figura 14 se prezintă datele obţinute pe una din laturile incintei, mărginită de

calcanul unei construcţii existente, cu structura din zidărie de cărămidă.

Execuţia coloanelor prin procedeul de injectare cu presiune înaltă („jet-grouting”) a

început tocmai pe acest aliniament, semnalându-se unele deficienţe tehnologice (obturarea

forajului în faza de realizare a coloanei) şi existenţa unor zone cu nisipuri în stare de îndesare

redusă datorită epuismentelor executate în trecut. Suprapresiunea mare creată şi în terenul

adiacent coloanei în execuţie a provocat deplasări orizontale spre exterior în terenul adiacent

incintei (în care se află coloana inclinometrică) de max. 60mm. Aceasta a condus şi la

ridicarea fundaţiilor clădirii existente în acea zonă cu 20…45mm.

Fig. 14 Lucrări de monitorizare în timpul execuţiei noii incinte. Deplasări orizontale măsurate în coloana inclinometrică.

1-reumplere incintă la cota -3,00; 2-execuţie piloţi şi coloane jet-grouting; 3-reexcavare până la cota -6,20 şi demolare radier existent;

4-excavare la cota finală (-10,31).

În urma măsurilor de remediere a tehnologiei de execuţie (în special prin asigurarea

„returului” liber al suspensiei injectate şi mărirea pasului de execuţie a coloanelor), asigurând

disiparea suprapresiunii apei din pori, pe celelalte aliniamente nu s-au mai înregistrat ridicări

ale fundaţiilor învecinate, iar deplasările orizontale ale incintei s-au situat între 15 şi 35mm.

În figura 14 se observă de asemenea, că după producerea deplasărilor „spre exteriorul”

incintei (cauzate de realizarea coloanelor de jet-grouting), s-au evidenţiat deplasări ale

pereţilor spre interiorul incintei (de ordinul a 5…8mm) în urma demolării radierului existent

şi adâncirii excavaţiei până la cota finală (-10.31). Aceste valori se situează la circa 50% din

valorile antecalculate (fig.13), confirmând experienţa autorilor acumulată până în prezent

conform căreia deformaţiile măsurate ale pereţilor de sprijin se situează sub cele calculate prin

metoda elementului finit în starea plană de deformaţii.

7. CONCLUZII PRIVIND APLICAREA TEHNOLOGIEI JET-GROUTING

Proiectarea şi realizarea cu succes a primei lucrări în care s-a aplicat tehnologia

jet-grouting în România, în condiţiile dificile ale unei lucrări de extindere – consolidare a unei

incinte existente şi cu importante constrângeri în privinţa vecinătăţilor, confirmă eficienţa

acesteia. Adaptarea acestei tehnologii la condiţiile geotehnice şi de vecinătăţi date, a permis

integrarea peretelui de sprijin discontinuu existent într-o incintă etanşă adâncită sub nivelul

apei subterane.

De asemenea, utilizarea în premieră în România (după ştiinţa autorilor) a unui

preradier cu rol de şpraiţ la nivelul bazei excavaţiei a permis reducerea eforturilor în peretele

de sprijin şi limitarea tasărilor clădirilor învecinate sub valorile admisibile.

Se confirmă, astfel, eficienţa utilizării tehnologiei jet-grouting pentru rezolvarea unor

situaţii geotehnice şi constructive complexe şi – în acelaşi timp – se evidenţiază necesitatea

monitorizării detaliate (de preferinţă, continue – în sistem „on line”) a acestor lucrări, pentru

prevenirea eventualelor efecte secundare.

BIBLIOGRAFIE

[1.] SR EN 1997-1: 2006: Standard român „Eurocod 7: Proiectarea geotehnică. Partea 1: Reguli generale”. [2.] Weissenbach, A., : „Recomandations on Excavations” – Publicat de către Societatea Germană pentru

Geotehnică (D.G.G.T.), 2003. [3.] SR EN 12716: 2005: „Standard român. Execuţia lucrărilor geotehnice speciale. Injectarea cu presiune înaltă

a terenurilor (Jet Grouting)”

COMPOSIT RETAINING PRECINCT MADE OF BORED PILES AND JET-GROUTING COLUMNS. CONSTRUCTION INFLUENCE ON NEIGHBORING BUILDINGS

ABSTRACT: For extending the depth of an existing abandoned underground (made of a perimetral contiguous pile wall and a foundation on raft) civil structure, in Bucharest down-town, by an additional underground level, getting below GWL, a new watertight precinct was constructed in the existing one, using the high pressure cement suspension grouting technology (jet-grouting). Construction activity particularities, monitoring of new structure and the neighboring buildings as well as measures taken to reduce some negative effects of the jet-grouting works are presented. Measured horizontal deformations of the shoring wall are compared with values pre - estimated by finite element computation.