Metode perfectionate de calcul si de interpretare a ... · PDF fileA XII-a Conferinţă...

A XII-a Conferinţă Naţională de Geotehnică şi Fundaţii - Iaşi, 20-22 septembrie 2012

METODE PERFECȚIONATE DE CALCUL ȘI DE INTERPRETARE A ÎNCERCĂRILOR COMPLEXE PE ELEMENTE DE FUNDARE DE ADÂNCIME

T. Saidel, S. Drăghici, I. Răileanu

S.C. Popp & Asociaţii Inginerie Geotehnică S.R.L., Bucureşti

A. Marcu

Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti

Cuvinte cheie: încercare Osterberg, fundaţii pe barete, modelare prin calcul.

REZUMAT: Având în vedere necesitatea obținerii unor informații complete privind conlucrarea fundațiilor de adâncime cu terenul precum și dificultățile întâlnite în realizarea încărcărilor de probă pe piloți sau barete de mari dimensiuni, în ultimii ani s-au extins încercările pe piloți-model și pe barete-model sau la scară naturală cu utilizarea celulelor Osterberg. În lucrare se prezintă rezultatele obținute cu procedeul Osterberg, pe un amplasament din București. Se compară valorile rezistenței unitare obținute experimental cu cele recomandate în normele actuale pentru diferite categorii de pământuri sau de roci stâncoase. Pe baza „calibrării” parametrilor geotehnici, în urma modelării încercărilor cu programul PLAXIS 3D, se poate efectua și calculul fundațiilor mixte, cu considerarea conlucrării radierului cu grupul de piloți sau barete.

1 DIFICULTĂȚI ȘI NEAJUNSURI ALE ÎNCERCĂRILOR DE TIP CURENT

Încercarea de tip curent, reglementată de normativul NP 045-2000 [1], în care aplicarea încărcării se face prin prese hidraulice pe capul pilotului, prezintă numeroase limitări legate de: capacitate limitată de încărcare, sistem de reacţiune greoi, pericolul accidentelor etc.

În cazul structurilor înalte, care transmit elementelor de fundare încărcări axiale și transversale mari, o soluție optimă de fundare o reprezintă folosirea baretelor, care asigură o capacitate portantă ridicată.

Neajunsurile încărcării statice convenționale sunt într-o anumită măsură înlăturate printr-o metodă recent introdusă și în țara noastră, numită metoda de încercare Osterberg. Avantajele acestei metode sunt date de: capacitatea ridicată de încărcare, posibilitatea evidenţierii rezistenţei pe vârf şi a frecării laterale în cursul încărcării, reducerea costurilor prin eliminarea sistemului de preluare a reacţiunii, siguranţă în timpul efectuării încercării, suprafaţă de lucru redusă etc.

2 METODA OSTERBERG DE ÎNCERCARE A PILOȚILOR ȘI BARETELOR LA FORȚE AXIALE

2.1 Principiul metodei

Metoda Osterberg încorporează o presă hidraulică de sacrificiu (celula Osterberg) amplasată la baza (fig. 1) sau în corpul pilotului de test, astfel încât rezistenţă limită a celor două segmente să fie aproximativ egală (fig. 2) [2]. De regulă în corpul pilotului se introduc traductoare pentru măsurarea eforturilor şi a deformaţiilor la diverse niveluri.


Încercarea constă în aplicarea incrementală a încărcării asupra pilotului crescând (în trepte) presiunea în presă, ceea ce cauzează creșterea în volum a celulei și împingerea corpului pilotului în sus și baza în jos. Măsurătorile înregistrate sunt: presiunea din celulă (încărcarea), expansiunea celulei, deplasările măsurate cu dispozitive mecanice la capul pilotului şi pe traductoare mecanice amplasate la diferite adâncimi, precum şi deformaţiile specifice măsurate cu extensometre în lungul corpului pilotului (fig. 3).

Figura 1. Comparație scheme de încărcare test convențional și test Osterberg

Figura 2. Diagramă schematică pentru testul Osterberg

Figura 3. Instrumentarea unui pilot de probă cu celulă Osterberg


2.2 Efectuarea încercării

Încărcarea se aplică în incremente de 5% până la 15% din încărcarea maximă de probă anteevaluată. Valoarea aceste încărcări este de obicei 1,5xîncărcarea de proiectare sau capacitatea ultimă estimată.

Treptele de încărcare sunt menținute minim 30 de minute și până la stabilizarea deplasărilor considerată ca fiind < 0,05 mm/10 minute sau 1% din deplasarea totală într-o oră. Menținerea unei anumite trepte nu va depăși trei ore.

Descărcarea se face în trepte de până la 25% din încărcarea maximă aplicată, menținute pentru o perioadă minimă de 10 minute.

Încărcarea se consideră încheiată când se îndeplineşte una dintre situațiile:

- s-a aplicat încărcarea maximă de probă anteevaluată; - s-a atins cursa maximă a celulei (150 mm); - s-a atins capacitatea ultimă a pilotului deasupra sau sub locația celulei Osterberg.

2.3 Interpretarea rezultatelor

Încercarea Osterberg este asemănătoare încercărilor convenţionale iar rezultatele obţinute în urma încercării O-Cell sunt analizate în mare măsură în acelaşi mod ca rezultatele unei încercări convenţionale. Singura diferenţă semnificativă este faptul că celula Osterberg prevede două curbe încărcare-deplasare, una pentru fiecare din cele două părți ale pilotului sau baretei.

Figura 4. Curbele încărcare-deplasare pentru o încercare tip Osterberg [3]

Încărcarea ultimă pentru fiecare componentă poate fi determinată pe baza acestor curbe folosind criteriile recomandate pentru încercările convenţionale.

Pe baza celor două curbe se poate construi și curba încărcare-deplasare pentru capul pilotului, similară unui test convențional, astfel:

- la o anumită valoare a deplasării corpului pilotului, aceeași pentru fiecare dintre cele două părți, se determină din curbele încărcare-deplasare, valorile încărcărilor aplicate;

- suma celor două valori reprezintă încărcarea teoretică aplicată asupra capului pilotului care ar cauza deplasarea avută în discuție.


Această metodă este însă valabilă în cazul unui pilot absolut rigid. Totuși betonul este un material compresibil și un calcul riguros trebuie să țină cont compresibilitatea betonului [3]. Pentru exemplificare se poate urmări fig. 4, de mai sus.

3 EXEMPLU DE UTILIZARE A ÎNCERCĂRILOR OSTERBERG

În partea de N-NV a orașului București, la aproximativ 700 m vest de malul râului Colentina (bazinul Băneasa), se va realiza un complex de clădiri cu diverse destinaţii. Printre acestea se numără si o clădire având funcțiunea de birouri 2S+P+28E (fig. 5).

Cu o înălţime de 117 m, clădirea de 29 niveluri (P+28), are o înclinaţie de 5.78° în prima parte, până la nivelul 17, de unde se înclină în direcţia opusă cu un unghi de 10.05°, fapt ce îi conferă acesteia o formă unică, dar ridică si anumite provocări din punct de vedere tehnic.

Figura 5. Vedere de ansamblu a clădirii Turn 2S+P+28E

Sistemul de fundare al turnului este conceput ca un radier pe barete, acestea având lăţimea de 1,00 m şi adâncimea de 21,20 m (cota bazei -31,00 m).

Datorită încărcărilor mari ce acţionează la nivelul fundaţiei Turnului, au fost introduse barete cu rol de reducere a tasărilor şi de diminuare a eforturilor din radier. Baretele au fost amplasate direct sub poziţia elementelor structurale verticale principale din infrastructura Turnului, iar dimensiunile lor au rezultat pe baza forţelor transferate de acestea la nivelul superior al radierului.


În programul de încercări s-a prevăzut realizarea a două încărcări de probă pe două barete având dimensiunile în plan 2,8x1 m (T1), respectiv 4x1 m (T2). Încercările au fost realizate cu concursul firmei Fugro Loadtest Limited folosind metoda Osterberg. Baretele au fost executate prin forare cu graifer (utilaj Kelly) şi betonare sub protecţia noroiului de foraj.

Figura 6. Secțiune schematică verticală prin bareta T1

În figura 6 este prezentată o secțiune schematică prin bareta de test T1, furnizând date despre dimensiunile baretei, stratificația terenului, nivelul la care sunt amplasate celulele Osterberg și mărcile tensometrice.


Figura 7. Curbele încărcare-deplasare baretă de test T1

Figura 7 prezintă curbele încărcare-deplasare pentru cele două părți ale baretei, la fiecare treaptă de încărcare și descărcare. Încărcarea maximă bidirecțională este de 12,7 MN, pentru care se înregistrează o deplasare maximă de 78,4 mm a părții superioare a baretei.

Figura 8. Graficul încărcare-timp baretă de test T1

În figura 8 este prezentat graficul încărcare-timp. Încărcarea a început cu presurizarea celulei Osterberg pentru a sparge sudura de prindere și separa cele două elemente ale pilotului, după care s-au aplicat cele 10 trepte.

Durata totală a testului a fost de aproximativ 24 de ore.


Figura 9. Graficul rezistenței pe baza baretei T1

Graficul din fig. 9 ilustrează presiunea care se dezvoltă pe baza baretei în fiecare treaptă de încărcare. Pentru ultima treaptă, cea de 12,7 MN, rezultă o presiune unitară de 2200 kPa.

Figura 10. Graficul frecării mobilizate pe suprafața laterală pentru partea inferioară a baretei T1


Figura 11. Graficul frecării mobilizate pe suprafața laterală pentru partea superioară a baretei T1

Figurile 10, respectiv 11, redau mobilizarea rezistenţei pe suprafața laterală a baretei (frecării) pentru fiecare din cele două părți. Cele cinci niveluri de mărci tensometrice și celulele Osterberg împart corpul baretei în cinci intervale, numite zone. Mobilizarea frecării este redată separat pe fiecare dintre aceste intervale.

Figura 12. Distribuția forței axiale în corpul baretei T1

În fig.12 se prezintă curbele de “transfer” la teren ale încărcării axiale aplicate de celulele Osterberg pe cele două segmente ale baretei T1.

În fig. 13 este prezentată curba încărcare-tasare estimată, în cazul efectuării unei încercări convenționale, în care aplicarea încărcării direcționate în jos se face pe capul baretei. Linia subțire aproximează cazul unei barete rigide, în timp ce linia mai groasă ține seama și de deformabilitatea baretei.


Figura 13. Curba estimată încărcare-tasare pentru încărcare aplicată de sus în jos (bareta T1)

3.1 Compararea valorilor qb și qs determinate în încercare cu cele furnizate de NP 123:2010

Normativul pentru proiectarea geotehnică a fundațiilor pe piloți (barete), NP 123:2010 [4], permite calculul capacității portante la compresiune stabilite pe baza parametrilor geotehnici ai straturilor străbătute. Funcție de caracteristicile terenului și de adâncimea de înfigere, normativul furnizează valori caracteristice ale presiunii pe bază (qb,k) și rezistenței la frecare laterală (qs,k). Valorile rezistențelor obținute prin încercarea Osterberg pot fi comparate cu cele recomandate de normativ.

Rezistenţa pe bază a baretei se calculeză cu formula de capacitate portantă (relația 16 din NP 123:2010):

, ; 1( )b k d b d c qq d N D Nγα γ γ= × × + × ×

Valoarea rezultată în urma acestui calcul este qb,k = 4670 kPa, valoare superioară celei rezultate din încercarea Osterberg qb = 2200 kPa.

Trebuie remarcat faptul că valoarea caracteristică qb,k trebuie afectată de coeficienţi parţiali (în funcţie de “abordarea” de calcul prevazută în SR EN 1997-1:2004), în timp ce valoarea maximă realizată în încercare qb = 2200 kPa corespunde unei comportări cvasiliniare a pământului de la baza baretei (fig. 9).

Tabel 1. Comparație între valorile qs rezultate din încercare și cele recomandate în NP 123:2010 (bareta T1)

Zona Adâncime medie Strat Frecare laterală test, qs Frecare laterală NP 123, qs,k - [m] - [kPa] [kPa]

S5-S4 13,00 Nisip cu pietriș 124 69 S4-S3 17,75 Argilă 84 54

S3-O-cell 21,70 Argilă 71 58 O-cell-S2 25,45 Argilă 48 62

S2-S1 28,50 Argilă - Nisip fin 172 65

În tabelul 1 se prezintă comparativ, pentru straturile de pământ străbătute, valorile qs ale frecării pe suprafaţa laterală determinate prin încercare şi valorile caracteristice qs,k recomandate în normativul NP 123:2010.


4 MODELAREA BARETEI ÎNCERCATE ÎN VEDEREA CALIBRĂRII PARAMETRILOR GEOTEHNICI

Pe baza încercărilor efectuate pe teren (SPT, CPT) şi a încercărilor de laborator, s-au determinat o serie de parametri geotehnici cu care s-a demarat simularea numerică a încercării Osterberg, în programul de element finit Plaxis 3D 2011 [6].

Setul iniţial de parametri este detaliat în tabelul 2. În acelaşi tabel este evidenţiată şi variaţia acestor parametri în cadrul iteraţiilor efectuate

Tabel 2. Parametri geotehnici folosiţi în Plaxis 3D

În tabelul 2 s-au utilizat următoarele simboluri:

gsat/unsat = greutatea volumică în stare saturată/nesaturată a stratului de pământ; E50

ref = modul edometric secant; Eoed

ref = modul edometric de referinţă; Eur

ef = modul edometric corespunzător drumului de efort descărcare-reîncărcare; m = exponent pentru dependenţa rigidităţii de starea de eforturi; cref = coeziune; f = unghi de frecare interioară; nur = coeficientul lui Poisson corespunzător drumului de efort descărcare-reîncărcare; pref = presiune de referinţă; K0

nc = coeficientul împingerii laterale în stare de repaus, pentru pământuri normal consolidate; Rinter = factor ce caracterizează proprietățile interfeței teren-structură.


Figura 14. Încercare Osterberg simulată în Plaxis 3D 2011

Figura 15. Încercare convențională simulată în Plaxis 3D 2011

Pentru simplificarea calcului numeric, s-a recurs la modelarea unui sfert din bareta de test, lucru permis de geometria acesteia şi de aplicarea simetrică a încărcării.

Figurile 14 și 15 prezintă modelele realizate în programul Plaxis 3D 2011. Sunt evidențiate stratificația și direcțiile de aplicare a încărcărilor în cazul încercării Osterberg și încercării convenționale.


În figurile 16 şi 17 sunt redate rezultatele finale pentru încercarea Osterberg și încercarea convenţională, după realizarea iterațiilor privind parametrii geotehnici.

Figura 16. Comparație între curbele încărcare-deplasare in situ vs. simulare numerică pentru bareta T1

Figura 17. Comparație între curbele încărcare-deplasare pentru încercarea convenţională (bareta T1)

Rezultatele obţinute din simulările numerice ale celor două teste realizate arată o bună corelare între curbe şi validează alegerea setului final de parametri, ale căror valori sunt totuşi conservative.

Corelarea curbelor încărcare – tasare pentru testul convenţional demonstrează că simularea numerică a acestui tip de încercare este reprezentativă în egală măsură.

Scopul final al acestor calibrării îl reprezintă în fapt determinarea setului final de parametri semnificativi care, folosiţi mai departe la dimensionarea fundaţiei, să ofere rezultate plauzibile.


5 CALCULUL GRUPULUI DE BARETE ÎN CONLUCRARE CU RADIERUL ŞI STRUCTURA, PE BAZA PARAMETRILOR DETERMINAŢI PRIN ÎNCERCĂRI OSTERBERG

5.1 Descrierea modelului de calcul

Încercările de probă furnizează informații cu privire la capacitatea portantă și comportamentul sub încărcare a piloților, respectiv baretelor izolate. Totuși, în infrastructura construcției ansamblul de piloți sau barete lucrează ca un grup. Zonele de influență ale acestor elemente de fundare de adâncime interferează, iar această influență reciprocă se reflectă prin „efectul de grup”.

O altă influență majoră asupra comportamentului grupului de barete o are interacțiunea teren-structură. Astfel, pentru a elimina cât mai multe din aceste incertitudini se recurge la o modelare completă a grupului de barete, în programul de element finit mai sus menționat, Plaxis 3D.

Având în vedere clasa de împortanță a structurii analizate, s-a considerat ca fiind necesar să se modeleze întreaga infrastructură. Pereții deși din subsolurile clădirii reprezintă un aport de rigiditate la încovoiere greu de neglijat. În cele ce urmează sunt prezentate succint date referitoare la structura analizată (fig. 18 şi 19).

Figura 18. Vedere ansamblu structura Turn Figura 19. Secțiune schematică Turn

Geometria complexă a acestei structuri are ca rezultat apariția unei excentricități a centrului masic față de centrul de rigiditate. Structura este supusă unei înclinări sub efectul rezultantei forțelor în gruparea fundamentală de încărcare.


Această caracteristică face necesară determinarea cât mai precisă a tasărilor, și în special a tasărilor diferențiale care pot duce la depășirea rotirii maxime admise și eforturi suplimentare în infrastructură.

Baretele au fost amplasate direct sub poziţia elementelor structurale verticale principale din infrastructura Turnului, iar dimensiunile lor au rezultat pe baza forţelor transferate de acestea la nivelul superior al radierului. Conform acestui principiu dimensiunile baretelor și dispunerea lor au rezultat ca în figurile 20 şi 21.

Figura 20. Plan dispunere barete

Figura 21. Caracteristici secționale barete


5.2 Modelarea structurii analizate

În realizarea modelului folosit pentru simularea numerică s-au folosit parametrii geotehnici calibrați în etapa anterioară. Pentru comportarea terenului s-a folosit modelul de comportare “Hardening soil” [7].

Elementele structurale din cele două subsoluri au fost modelate cu elemente predefinite în programul Plaxis 3D, denumite “plate”, iar baretele au fost introduse ca elemente de volum. Modelarea s-a realizat în cele două versiuni disponibile ale programului Plaxis 3D, Plaxis 3D Foundation și Plaxis 3D 2011.

Figura 22. Model complet Plaxis 3D 2011

Figura 23. Simulare numerică în Plaxis 3D Foundation

Întroducerea nucleelor de beton armat s-a făcut pentru a ține seama de rigiditatea relativă sporită a acestora în raport cu infrastructura.

Nuclee beton armat

Subsoluri și radier

Săpătura taluzată

Grup barete


5.3 Rezultate obținute în urma modelării

Un accent important s-a pus pe determinarea tasărilor și a rotirii relative. În figura 24 sunt redate valorile tasării sistemului radier-barete, iar în figura 25 se arată eforturile axiale în corpul baretelor.

Distribuţia neuniformă a tasării se datorează unei încărcării adiacente Turnului. Această încărcare provine din construirea unei alte clădiri de birouri P+5E.

Figura 24. Valorile tasării la nivelul radierului în gruparea de încărcări de lungă durată

Figura 25. Diagramele de efort axial în barete în gruparea de încărcări de lungă durată


6 CONCLUZII

a) În cazul structurilor înalte, care transmit elementelor de fundare încărcări axiale și transversale mari, încercarea convențională a elementelor de fundare de adâncime este dificil de aplicat și uneori chiar imposibil. În astfel de cazuri este indicată aplicarea metodei Osterberg, metodă dezvoltată la începutul anilor `90.

b) Există o bună corelare între rezultatele obținute în urma încercării și cele obținute din simulările numerice ale celor două teste Osterberg efectuate pe baretele de probă.

c) În urma comparației valorilor rezistenței pe bază si rezistenței la frecare laterală, determinate din încercare și cele propuse de NP 123:2010, s-au observat următoarele:

- valorile rezistenței unitare pe suprafața laterală, rezultate din încercare, sunt superioare celor propuse de normativ; aceasta certifică faptul că valorile recomandate sunt acoperitoare; - în privința rezistenţei pe bază, nu s-a putut obține din încercare rezistența ultimă calculată conform NP 123:2010; graficul rezistenţei pe bază confirmă faptul că rezistenţa pe bază a rămas în domeniul liniar.

d) Scopul calibrării rezultatelor încercărilor Osterberg cu rezultatele simulărilor numerice a fost determinarea printr-un calcul invers a parametrilor geotehnici semnificativi care guvernează comportamentul terenului.

e) Setul final de parametri a fost folosit pentru dimensionarea fundației structurii analizate. Rezultatele obținute din simulările numerice ce utilizează modele evoluate de comportare a pământului prezintă un grad ridicat de încredere.

BIBLIOGRAFIE

1. NP 045-2000, Normativ privind încercarea în teren a piloţilor de probă şi a piloţilor din fundaţii, 2000.

2. England M., Bi-directional static load testing - State of the art, Loadtest, UK, 2003.

3. Fleming K. et.al, Piling engineering, third edition, Taylor & Francis, London, 2009.

4. NP 123:2010, Normativ privind proiectarea geotehnică a fundaţiilor pe piloţi, 2010.

5. SR EN 1997-1:2004, Eurocod 7: Proiectarea geotehnică.Partea 1: Reguli generale, 2004.

6. Brinkgreve R.B.J., Plaxis 3D Foundation, version 2, Delft University of technology and PLAXIS bv., 2011.

7. Saidel T. et. al, Modele evoluate şi parametrii geotehnici necesari pentru calculul terenului de fundare în conlucrare cu infrastructurile adânci, A XII-a Conferinţă Naţională de Geotehnică şi Fundaţii, Iaşi, 20-22 septembrie 2012.

Metode perfectionate de calcul si de interpretare a ... · PDF fileA XII-a Conferinţă...

Documents

Transcript of Metode perfectionate de calcul si de interpretare a ... · PDF fileA XII-a Conferinţă...