Modele Evoluate Si Parametrii Geotehnici Necesari Calculului Terenului de Fundare in Conlucrare Cu...

A XII-a Conferin Naional de Geotehnic i Fundaii - Iai, 20-22 septembrie 2012

MODELE EVOLUATE I PARAMETRII GEOTEHNICI NECESARI CALCULULUI TERENULUI DE FUNDARE N CONLUCRARE CU INFRASTRUCTURILE ADNCI

T. Saidel, C. Cpraru(*), I. Rileanu, S. Drghici, D. Brncu, L. Totolici

S.C. Popp & Asociaii Inginerie Geotehnic S.R.L., Bucureti

A. Marcu

Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti

Cuvinte cheie: conlucrare teren-structur, modele, parametri geotehnici

REZUMAT: Realizarea excavaiilor adnci pentru a asigura un numr de mai mult de patru niveluri subterane pentru cldiri nalte proiectate n zonele urbane, necesit o perfecionare a metodelor de calcul geotehnic. Pentru situaiile complexe care apar n cazul excavaiilor de mari dimensiuni i al estimrii influenei acestora asupra cldirilor nvecinate sunt necesare metode de calcul care in seama de comportarea nelinear a pmnturilor datorat rigidizrii, extinderii zonelor de echilibru limit precum i de fenomenele de decomprimare/recomprimare. n lucrare se prezint modelele constitutive utilizate n calculele complexe pentru lucrrile din Bucureti: hardening soil i hardening soil with small strain stiffness precum i modul practic de determinare a parametrilor geotehnici corespunztori. Se compar rezultatele recente obinute prin asemenea calcule cu datele msurtorilor de tasri i deformaii efectuate pe cteva construcii complexe proiectate de autori.

1 CONSIDERAII GENERALE

Proiectarea excavaiilor adnci cu diferite sisteme de sprijinire (e.g. ancore, praiuri, planee de subsol executate n sistem top-down) implic estimarea prin calcul a deformaiilor masivului de pmnt i a cldirilor nvecinate.

Metodele de calcul utilizate n prezent folosesc, pe lng parametrii rezistenei la forfecare i c, un set de parametri de deformabilitate proprii strii de eforturi n pmnt. Folosind modele avansate de comportare a pmnturilor se pot obine rezultate foarte apropiate de realitate.

Mai multe date au rezultat n urma proceselor de proiectare i de execuie a excavaiilor adnci, pn la adncimea de aproximativ 20m, n zone dens construite din Bucureti.

Pmnturile n care aceste excavaii au fost executate, sunt proprii Cmpiei Romne. Aceste formaiuni de vrst cuaternar sunt normal consolidate sau uor supraconsolidate (RSC=1...2). n

(*) Fost angajat al S.C. Popp & Asociaii Inginerie Geotehnic S.R.L., Bucureti


figura 1 este prezentat un profil geologic caracteristic stratificaiei descris anterior, indicndu-se i domeniul de variaie a vitezei de propagare a undelor de forfecare, determinate prin ncercri cross-hole.

n cea de a treia seciune a comunicrii se prezint rezultatele msurtorilor de urmrire a comportrii unor excavaii adnci, avnd adncimi cuprinse ntre 10 i 20m. Sistemul de sprijinire al acestor excavaii este alctuit din perei mulai prijinii de planee executate n sistemul top-down.

Incintele realizate din perei mulai a fost ncastrai ntr-un strat adnc de argil, permind astfel coborrea nivelului apei subterane n interior printr-un cost minim de epuizment (Figura 1).

10m

20m

1. Argila prafoasa

2. Nisip cu pietris (ndesare medie)

3. Argila intermediara

4. Nisip fin (ndesat)

30m

50m

40m

3...5m

(NASinterior)

-10...-18m

-18...-36m

Ad

ncim

e(m

)

vs(m/s)0 100 200 300 400 500

-4...-8m

-15...-20m

-20...-30m

-40...-50m

-5...-10m(NAS)

Figura 1. Profil geologic caracteristic pentru excavaii adnci n Bucureti

2 DETERMINAREA PARAMETRILOR GEOTEHNICI NECESARI PENTRU MODELAREA COMPORTRII PMNTURILOR

Modelul elasto-plastic

n cadrul modelului elasto-plastic Mohr-Coulomb este admis dependena linear efort-deformaie att timp ct criteriul de cedare Moh-Coulomb nu este ndeplinit, dup care pmntul se comport perfect plastic, independent de efectul de rigidizare prin comprimare (hardening).

n continuare se prezint metodele pentru obinerea parametrilor rezistenei la forfecare i c, n termenii eforturilor efective:

Pentru straturile de pmnt coeziv (argila prfoas stratul 1 i argila intermediar stratul 3) aceti parametri au fost determinai n urma ncercrilor triaxiale consolidate-drenate i


consolidat-nedrenate realizate n laboratoarele Universitii Tehnice de Construcii Bucureti i al Universitii Tehnice din Kaiserslautern [10].

Pentru straturile de pmnt coeziv (stratul 2 i stratul 4) parametrii au fost determinai pe baza corelaiilor cu rezultatele ncercrilor SPT i CPT care se regsesc n literatur [3] i n normele europene [9]. Valorile determinate pe cale statistic au fost confirmate de ncercri de forfecare direct pe probe reconstituite.

Pentru straturile de pmnt necoeziv, unghiul de dilatan a fost adoptat cu valoarea =-30, conform prevederilor din literatura de specialitate [2].

Parametrii de deformabilitate au fost determinai n baza experienei ctigate n urma corelrii rezultatelor testelor de laborator i in-situ cu msurtorile tasrilor pe diferite cldiri din Bucureti:

Valorile modulului edometric, Eoed precum i cele ale modulului secant, E50 obinute din ncercri n triaxial pe probe de pmnt coeziv (Figura 2) s-au dovedit a fi n mod sistematic subestimate datorit perturbrii probelor n timpul procesului de recoltare al acestora, acest efect fiind mai pronunat n cazul argilelor cu porozitate redus.

Preconsolidarea probelor n ncercarea de forfecare triaxial, cu 1 3 g = , reduce diferenele ntre E50 i EPLT, obinut prin ncercarea cu placa, pe teren. Pentru ncercarea n edometru, chiar dupa aplicarea efortului de preconsolidare (g), modulul edometric Eoed este afectat cu un factor de corecie M01, care depinde att de porozitate ct i de consistena diferitelor tipuri de pmnturi coezive.

Analiza statistic care a fost realizat [4] a indicat urmtorul domeniu de valori pentru factorul de corecie M0, care se regsesc i n STAS 3300/2-85:

Pentru argila prfoas (stratul 1 Figura 1), M0=1.2 ... 2.5 Pentru stratul de argil intermediar (stratul 3 Figura 1) , M0=1.5 ... 3

12qf

|13|

1

==

qf

1

1

E50

Eur

s(mm

)

p(kPa)02468

100 200 300 400 500

10

1 EPLT

pcr121416

12pcr

ncercarea edometrica ncercarea triaxiala ncercarea cu placa

(%)

(kPa)02468

100 200 300 400 500

10

1Eoed

1 Eur

Figura 2. Determinarea modulului de deformaie linear prin ncercri de laborator i in-situ

Astfel c, valorile modulului de deformaie liniar folosite n practica de proiectare au fost obinute att pe baza ncercrilor triaxiale (E50) ncadrate n domeniul de variaie indicat anterior, a ncercrilor edometrice (Eoed) cu luarea n considerare a factorului de corecie, ct i pe baza ncercrilor cu placa realizate pe teren (EPLT):

50 0 oed PLTE E M E E (1) Coeficientul de doformaie transversal a fost estimat pe baza coeficientului de presiune n stare

de repaus obinut din ncercrile n triaxial.


0 1K

= n mod similar cu parametrii rezistenei la forfecare, modulul de deformaie liniar al

pmnturilor necoezive a fost determinat pe baza corelaiilor cu rezultatele ncercrilor SPT i CPT care se regsesc n literatur [3] i n normele europene [9].

Coeficientul lui Poisson pentru nisipuri a fost adoptat cu valoarea 0.3 = . Modelul nelinear (Hardening soil)

Potrivit modelului hardening soil dependena modulului de deformaie de starea de eforturi poate fi exprimata cu ajutorul urmtoarei relaii:

3cos sincos sin

mref

ref

cE E

c p

+= + (2)

unde valorile parametrului refE au fost obinute din ncercrile n laborator conform relaiei (1); presiunea de referin pentru aceste ncercri fiind refp 200kPa= . Pentru drumurile de descrcare/rencrcare a fost utilizat un alt modul de deformaie dependent de starea de eforturi, ale crui valori au fost, de asemenea, estimate conform relaiei (2), bazate pe valorile refurE care au fost determinate conform celor artate n Figura 2.

Valorile coficientului m, puterea pentru dependena rigiditii de starea de eforturi, au fost adoptate astfel:

pentru straturile de pmnt coeziv (argil prfoas i argil intermediar): m=0.8; pentru straturile de pmnt necoeziv (nisip cu pietri i nisip fin): m=0.5.

Rigiditatea pmntului n domeniul micilor deformaii (Hardening soil with small strain stiffness)

Experiena a artat faptul c valorile reprezentative pentru modulul de forfecare G0, n domeniul micilor deformaii ( 610 < ) se obin, n special, din ncercrile seismice cross-hole.

Figura 1 ilustreaz profilul vitezelor de propagare a undelor seismice de forfecare, vs. Valorile vs au fost determinate n urma a numeroase teste n Bucureti i acestea au ajutat la calculul valorilor modului de forfecare cu ecuaia: 20 sG v= .

Valorile pentru deformaia specific de forfecare 0.7 (pentru care G/G0=0.7) au rezultat n urma ncercrilor n triaxilul ciclic, adoptnd totodat relaia hiperbolic dintre modulul de forfecare G i deformaia specific 610 > [1].

3 COMPARAII NTRE VALORILE CALCULATE I CELE MSURATE, N CADRUL PROIECTELOR RECENTE

Tipurile de msurtori care au fost efectuate

n aceasta seciune se prezint rezultatele ctorva construcii relevante care au fost monitorizate, pentru care au putut fi realizate comparaii cu rezultatele calculelor folosind modelele constitutive


pentru comportarea pmnturilor i parametrii geotehnici specifici acestora, conform celor prezentate mai nainte.

Pentru aceasta s-au realizat urmtoarele categorii de msurtori:

a) Msurtori ale deplasrilor orizontale ale pereilor mulai. Acestea au fost realizate cu inclinometre plasate n seciuni caracteristice ale pereilor, avnd precizia de msurare de 0.1mm/m. [6]

b) Msurtori ale deplasrilor verticale sub baza excavaiei. Aceast categorie de msurtori a fost realizat n foraje echipate cu extensometre electro-inductive, precizia asigurat fiind de 1mm.

c) Msurtori topografice, prin nivelment geometric al mrcilor de tasare plasate pe structura de rezisten a cldirilor nvecinate excavaiilor. Precizia de msurare pentru aceast categorie de msurtori fiind de 0.5mm.

Deformaii ale pereilor mulai i tasri ale cldirilor nvecinate (Cazul A)

n Figura 3 este ilustrat o seciune caracteristic printr-o incint de perei mulai executat prin procedeul top-down, pentru a permite realizarea n siguran a excavaiei i a infrastructurii (alcatuit din piloi forai, stlpi metalici, planee de subsol i radier din beton armat). Datorit dimensiunilor mari n plan ale excavaiei, s-a admis valabilitatea strii plane i astfel calculele au fost realizate pe un model 2D. Parametrii geotehnici utlizai n realizarea calculelor au fost determinai conform capitolului 2 al prezentei lucrri.

Figura 3. Seciune transversal caracteristic i modelul geotehnic pentru o excavaie adnc de 16.35m (Cazul A)

n vecintatea excavaiei, la distana de aproximativ 1,5m se afl o cldire avnd structura de rezisten realizat din cadre de beton armat i fundaii izolate.

n Figura 4 se prezint variaia cu adncimea a deplasrilor orizontale ale pereilor mulai ai incintei calculat cu ajutorul modelelor constitutive pentru comportarea pmnturilor prezentate n capitolul 2, precum i msurtorile privind deplasrile orizontale ale acestora n faza excavaiei finale. Se pot observa cu uurin valorile excesive ale acestor deplasri calculate cu ajutorul modelului elasto-plastic Mohr-Coulomb, precum i apropierea de situaia real prin folosirea modelel or constitutive complexe. Umflarea bazei excavaiei a fost parial mpiedicat, n primul


rnd datorit prezenei piloilor forai i n al doilea rnd datorit eforturilor transmise de structura executat concomitent cu realizarea excavaiei. Se menioneaz faptul c pentru evaluarea interaciunii piloi-teren s-a utilizat unghiul de frecare 2 3tan tan =

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0 10 20 30 40 50 60

Ad

ncim

e (m

)

Deplasri orizontale ale peretelui mulat (mm)

Deplasri orizontale msurate

Deplasri orizontale calculate pentru modelul Mohr-Coulomb, fr considerarea efectului de ancorare al piloilor

Deplasri orizontale calculate pentru modelul Hardening soil, fr considerarea efectului de ancorare al piloilor

Deplasri orizontale calculate pentru modelul Hardening soil with small strain stiffness, fr considerarea efectului de ancorare al piloilorDeplasri orizontale calculate pentru modelul Hardening soil with small strain stiffness, considernd i efectul de ancorare al piloilor

Figura 4. Comparaie ntre deplasrile orizontale calculate i cele msurate

ale peretelui mulat de incint (Cazul A)

n figura 5 se prezint profilul tasrilor la nivelul fundaiilor cldirii nvecinate (la o adncime de aproximativ 2,5m de la suprafaa terenului), produse de realizarea excavaiei adnci.

Tasrile calculate cu ajutorul modelul elasto-plastic Mohr-Coulomb au fost puternic influenate de efectul de relaxare produs de excavaia pmntului, dup cum s-a observat i din calculele anterioare [5], n timp ce, folosirea unor modele constitutive mai avansate a condus la o mai bun aproximare a rezultatelor.


-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-202468101214161820

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Dep

lasa

rea

ver

tical

a (m

m)

Distanta (m) raportata la peretele mulat al incintei excavate

Tasri msurate

Tasri calculate pentru modelul Mohr-Coulomb, fr considerarea efectului de ancorare al piloilorTasri calculate pentru modelul Hardening soil, fr considerarea efectului de ancorare al piloilorTasri calculate pentru modelul Hardening soil with small strain stiffness, fr considerarea efectului de ancorare al piloilorTasri calculate pentru modelul Hardening soil with small strain stiffness, considernd i efectul de ancorare al piloilor

-2,50 2,50

Figura 5. Tasrile msurate i cele estimate, la nivelul fundaiei cldirii nvecinate (Cazul A)

Valorile mai mici ale tasrilor msurate la cladirile nvecinate, comparativ cu cele estimate prin calcul, pot fi explicate prin rigiditatea spaial a structurii de rezisten , care nu a putut fi cuantificat n calcul ct i prin neglijarea efectelor tridimensionale.

Umflarea prin decomprimare a bazei excavaiei (Cazul B)

Datorit importanei pe care o prezint i impactul asupra comportrii incintei, la proiectele recente s-a acordat o atenie sporit urmririi fenomenului de umflare a bazei excavaiei, n faza final a acesteia [7].

n figura 6 se prezint o seciune caracteristic printr-o incint de aproximativ 18m adncime. Din aceast figur se observ c modelul a fost echipat cu o coloan tasometric plasat n mijlocul incintei care are rolul de a msura umflarea (decomprimarea) straturilor de pmnt de sub baza excavaiei, pentru a putea fi comparat cu rezultatele msurtorilor.


AAAAAA AA

A A

A

A

1. Argil prafoas

2. Nisip cu pietri

3 . Argil prfoas 3. Nisip prfos

3. Argil intermediar

4. Nisip fin

Piloi de fundare

-20.0

0.00

-5.0

-9.0=NAS

-22.0

-24.0

Planee de subsol (35cm)executate prin procedeul top-down

~20m

Perei mulai (80cm grosime)

-9.0=NAS

Tasometru -34.0

Figura 6. Seciune transversal caracteristic i modelul geotehnic

pentru o excavaie adnc de 18m (Cazul B)

n continuare se prezint comparaiile ntre valorile calculate i cele msurate ale deplasrilor orizontale ale pereilor mulai precum i, ntre valorile calculate i cele msurate ale ridicrii bazei excavaiei (Figura 7 i Figura 8).

30

25

20

15

10

5

0

0 5 10 15 20 25

Adn

cime (

m)

Deplasri orizontale ale pretelui mulat (mm)

Deplasri orizontale msurate

Deplasri orizontale calculate pentru modelul Mohr-Coulomb, fr considerarea efectului de ancorare al piloilor

Deplasri orizontale calculate pentru modelul Hardening soil, fr considerarea efectului de ancorare al piloilor

Deplasri orizontale calculate pentru modelul Hardening soil with small strain stiffness, fr considerarea efectului de ancorare al piloilorDeplasri orizontale calculate pentru modelul Hardening soil with small strain stiffness, considernd i efectul de ancorare al piloilor

Figura 7. Comparaie ntre deplasrile orizontale calculate i cele msurate

ale peretelui mulat de incint (Cazul B)


33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Adn

cim

e(m

)

Deplasri verticale (mm)

Deplasri verticale msurate

Deplasri verticale calculate pentru modelul Mohr-Coulomb, fr considerarea efectului de ancorare al piloilorDeplasri verticale calculate pentru modelul Hardening soil, fr considerarea efectului de ancorare al piloilorDeplasri verticale calculate pentru modelul Hardening soil with small strain stiffness, fr considerarea efectului de ancorare al piloilorDeplasri verticale calculate pentru modelul Hardening soil with small strain stiffness, considernd i efectul de ancorare al piloilor

Figura 8. Comparaie ntre deplasrile verticale calculate i cele msurate

ale bazei excavaiei (Cazul B)

Analiza comparativ a valorilor deplasrilor din figurile 7 i 8, pune n eviden efectul important al umflrii bazei excavaiei asupra deplasrilor orizontale i a ncovoierii pereilor mulai. Folosirea modelelor care in seama de rigiditatea sporit a pmntului n domeniul micilor deformaii (hardening soil with small strain stiffness) conduce la o aproximare mai apropiat de valorile reale, msurate ale deformaiilor, n special n cazul n care n rezolvarea problemelor intervine i considerarea efectului de ancorare pe care l au piloii forai (de ex. n cazul realizrii excavaiilor prin procedeul top-down).

Totodat, n urma msurtorilor efectuate se observ atenuarea mai rapid a fenomenului umflrii straturilor de sub baza excavaiei, dect cea estimat prin calcul. Acest fapt poate fi atribuit efectului de bolt tridimensional care are loc chiar i n cazul incintelor cu dimensiuni relativ mari n plan.

4 CONCLUZII

Influena efectului de relaxare a pmnturilor, care are loc predominant n cazul excavaiilor cu adncimi mai mari de 10 m, are un impact important asupra proiectrii structurilor de sprijin al acestora precum i asupra unei evaluri realiste a deplasrilor terenului produse n vecintatea excavaiei dar i a tasrilor cldirilor nvecinate.

Modelele constitutive complexe care in seama de influena strii de eforturi asupra rigiditii pmntului combinate cu abordri corespunztoare ale geometriei complexe ale modelelor (de ex. efectul de ancorare al pereilor mulati de incint i al piloilor n cazul procedeului de execuie top-down) permit aproximarea deplasrilor cu o precizie satisfctoare. O importan deosebit revine procesului de stabilire a parametrilor proprii modelelor constitutive pentru comportarea pmnturilor sub ncrcri, pentru care experiena local permite precizarea de corelri i factori de corecie bazai pe msurtori efectuate la lucrri similare.


Mai multe rezultate privind urmrirea n timp a lucrrilor (de ex. dependena de temperatur a deplasrilor pereilor sprijinii de planee din beton armat sau de praiuri metalice) sunt ateptate pentru a putea mbunti analiza acestui tip de proiecte prin metoda elementului finit.

De asemenea, prin dezvoltarea programelor de calcul tridimensionale, se ateapt o mai bun convergen ntre rezultatelor calculelor i msurtori.

5 BIBLIOGRAFIE

1. Benz T. [2007] Small-strain stiffness of soils and its numerical consequences, Mitteilung 55 des Instituts fr Geotechnik, Universitt Stuttgart.

2. Bolton M. D [1986] The strength and dilatancy of sands, Geotechnique 36, No. 1.

3. Lunne T., Robertson P.K., Powell J. J. M. [1997] Cone penetration testing in geotechnical

practice, Blackie Academic & Professional.

4. Marcu A. [1977] A comparison between laboratory and field values of cohesive soil compressibility characteristics, Proceedings of the 5th Danube European Conference on soil mechanics and foundation engineering, Bratislava.

5. Marcu A., Popa H. [2004] La surveillance du comportement dune structure de

soutnement et de btiments avoisinants dans la ville de Bucarest, Proc. Confrence internationale de gotechnique, Beyrouth.

6. Marcu A., Popa H., Boraru I., Dumitrescu F. [2004] Calcule i msurtori de deformaii

i de deplasri la o incint adnc din perei mulai i la construciile nvecinate Lucrrile celei de a X-a Conferine Nationale de Geotehnic i Fundaii, vol. 2, Bucureti.

7. Popa H., Marcu A., Batali L. [2008] Numerical modelling and experimental measurements

for retaining walls of a deep excavation in Bucharest, Romania, Proceedings of the 6th International Symposium Geotechnical aspects of underground construction in soft ground, Shanghai.

8. PLAXIS BV [2006] PLAXIS 2D-Version 8

9. SR EN 1997-2:2007 Eurocod 7: Proiectarea geotehnic Partea 2: Investigarea i

ncercarea terenului.

10. Vrettos C. [2009] Results on laboratory tests on Bucharest clay: preliminary findings. Interim report. Chair of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Technical University Kaiserslautern.

Modele Evoluate Si Parametrii Geotehnici Necesari Calculului Terenului de Fundare in Conlucrare Cu...

Documents

Transcript of Modele Evoluate Si Parametrii Geotehnici Necesari Calculului Terenului de Fundare in Conlucrare Cu...