Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
Transcript of Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
1/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
1
Masterand: ing. Matei Ovidiu
ndrumtor: prof. dr. ing. Vasile Muat
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
2/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
2
AMESTECAREA N ADNCIME
Metoda amestecului n adncime (DSM Deep Soil Mixing) este unprocedeu de mbuntire a terenului prin amestecare in situ a acestuia cu agenide ntrire (var, ciment, cenu de termocentral, reactivi chimici i biologici),sub form de reactivi chimici sau pulbere, fr a fi necesare excavri saunlocuiri ale amplasamentului.
Metoda amestecului prin adncime este folosit ntr-o varietate larg deaplicaii:
Sprijinirea excavaiilor adnci; Stabilizarea terenurilot; Reducerea tasrilor; mbuntirea terenurilor de fundare; Reducerea potenialului de lichefiere.
Metoda amestecului n adncime este folosit n lume sub diversedenumiri, acronime i procese, procesele de baz i procedurile fiind ns n
esena lor neschimbate.Metoda const n:
Destructurarea i amestecarea mecanic in adncime - folsindechipamente cu lame rotative;
Destructurarea i amestecarea prin jet sub presiune;Destructurarea i amestecarea mecanic n adncime se poate face prin
urmtoarele metode:
A1. Procedeul uscat ce const n amestecare pmntului destructurat cuvar pulbere sau granular in sistem mecanic (DLM), sub jet uscat (DJM) ,formarea de coloane de pmnt stabilizat prinalte tehnici. Acest procedeu estefolosit pentru lucrri la scar mare ce au drept scop mbuntirea capacitii
portante a terenului i a comportrii la aciuni seismice.
A2. Procedeul umed ce include o variante de lucru ce folosesc ca agenide intrire pasta de ciment sau mortarul ciment, numite (CDM). Aceast
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
3/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
3
metod este folosit predominant pentru stabilizarea terenurilor i pentrureducerea tasrilor.
B. Procedeele pe baz de jet cu nalt presiune, ordin de mrime 400 Mpa
- Jet Grouting (JG), folosesc ca ageni de ntritre suspensii sau paste deciment, fr amestecare de tip mecanic.
ELEMENTE DE PROIECTARE
Coloanele obinute prin metoda Amestecului n Adncime sunt calculateasemntor conceptelor folositepentru dimensionarea coloanelor din piatr.Proiectarea este admis n ipoteza c pmntul este un material compozit(format din pmntul injectat i cel din jurul acestuia).
Amestecul n adncime pentru fundarea rambleelor
Capacitatea portant ultim a unei singure coloane poate fi estimat curelaia:
(1.1)
Unde:
(1.2)
Admind pentru materialul din coloan un unghi de frecare intern de30, rezult:
(1.3)
,2 u col reprezint rezistena la compresiune corespunztoare ruperii prin
forfecare a materialului din coloan;
presiunea orizontal dintre pmnt i coloan;
,2ult u col p hK
2tan 45
2
o
pK
2 30tan 45 3,00;
2
o
pK
-h
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
4/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
4
Figura 1Rezistena la forfecare a coloanelor de ciment;
Chiar dac valoarea maxim a rezistenei ult.colpoate atinge i valori de1000 kPa, n proiectare valoarea aceasta este limitat la 150 kPa.
Valoarea coeziunii nedrenate a coloanei cu.coln cazul amestecului uscat cuciment poate fi luategal cu 29% din Rezistena la compresiune liber dup 28de zile qu.
Rezistena la fluaj de lung durat se presupune a fi circa 65% din
valoarea capacitii portante ultim, adic incrcarea maxim pe o singurcoloan este dat de relaia:
unde:
,max 0,65 1.4l ult q a
2
2 2 (1.5)
A da a
c c
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
5/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
5
Figura 2. Amplasarea coloanelor;
a - coeficientul ariilor coloan-spaiere:
Aaria seciunii transversale a coloanei;
cdistana de spaiere a coloanelor;
Ecuaia de echilibru a forelor verticale pentru un coeficient al ariilorcoloan spaiere a, este dat de urmtoarea ecuaie:
Unde: qefortul mediu pe unitatea de celul (ansamblul coloan terenmbuntit);
Eforturile din coloana obinut prin amestecul n adncime i terenulnconjurtor poate fi determinat din ecuaia (1.6), astfel:
Rezistena la forfecare medie este notat cu:
(1 ); (1.6)s cq a a
; (1.7)1 ( 1)
; (1.8)1 ( 1)
c
s
q
n a
n q
n a
(1 ) ; (1.9)pc c p
a a
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
6/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
6
n care:
c media rezistenei la forfecare pentru coloana AA;
p media rezistenei pmntului moale;
Figura 3-Relaia eforturi - deformaii specifice pentru teren ca un compozit
, ,
, ,
(1.10)
(1.11)
c u c n u col
p u p n p col
c tg
c tg
n efortul normal total n planul de rupere;
,u c unghiul de frecare interioar pentru coloan aflat n stare nedrenat;
,u cc coeziunea nedrenat pentru coloan;
,u p
unghiul de frecare interioar pentru terenuri aflat n stare nedrenat;,u sc valoarea coeziunii nedrenate pentru pmntul interceptat de coloane;
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
7/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
7
Figura 4. Suprafa de cedare circular (dup Broms i Boman 1979);
Dac , , 0u c u p , cum se consider n practic pentru coloane AA
n argile moi, atunci , ,este egal cuu c u cc i , ,este egal cuu p u pc . Cnd
sunt folosite aceste simplificri, ecuaia rezistenei la forfecare medie este egal(1.9) cu:
Rezistena la forfecare ultim a coloanei de var/ciment, ncrcat derambleu i manifestnd cedarea prin ncovoiere , fugura 4, este estimat pe bazarelaiei:
unde: Mumomentul capabil al seciunii coloanei, valoarea maxim fiind dat
de relaia de mai sus;
ucc rezistena la compresiune a coloanei;
D- diametrul coloanei;
, ,(1 ) ; (1.12)pc u c u pa c a c
3
32,max
2 1
24 1 (1.13) cu (1.14)
121 /
u uf u ucc
u u
M cM D
D c c
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
8/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
8
Figura 5. Zone de cedare tratate prin AA sub ncrcri aduse de rambleu
PORTANA COLOANELOR
Coloan singular, caz n care capacitatea de preluare a ncrcrii esteguvernat de dou mecanisme de cedare:
- unul ce ine de rezistena terenului din jur rupere prin forfecareaacestuia;
- altul care are n vedere rezistena materialului din coloan - rupereacoloanei.
Din condiia de evitare a cedrii terenului, a ruperii prin forfecare,valoarea capacitii portante a coloanei, n termenii scurt durat, este dat derelaia:
unde: d diametrul coloanei, curent 0,5 la 0,6m;
lungimea coloanei;
uc valoarea medie a rezistenei nedrenate a pmntului din jurul coloanei;
2
2
9( ) sau
4
( 2,25 )
col
c u
col
c u
Q d l d c
Q d l d c
cl
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
9/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
9
n relaie s-a admis c rezistena la forfecare nedrenat a pmntului esteaceiai pe suprafaa lateral i baza coloanei, iar rezistena pe baza colanei este
.
Pentru coloanele flotante, rezistena pe baz este n general mai redusdect cea din frecare lateral i invers n cazul celor care descarc pe un stratrezistent.
Figura 6. Rupere prin forfecare a grupului de coloane ca un bloc
, 9v bc c u up N c c
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
10/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
10
Grup de coloane
Portana grupului de coloane este influenat i condiionat att derezistena pmtului dintre coloane ct i a geomaterialului din coloan.
Capacitatea portant este dat de:
- Frecarea lateral, peperimetrul grupului de coloane, de valoare :
Rezistena pe baza blocului, care se consider cu valoare unitar de:
Valoarea total a capacitii grupei de coloane fiind:
observaii:
-factorul de valoare 6 se refer la fundaii pentru care L B, iar cel devaloare 9 este aplicabil fundaiilor cu suprafaa tlpii ptratic;
- mobilizarea rezistenei pe baz este atins la o deformaie verticalestimat la 5 pn la 10% din limea ariei bazei, motiv pentru care ea
poate fi neglijat (Broms, 1991);
Tasri ale grupului de coloane;
mbuntirea cu coloane din pmnt stabilizat reduce tasare cu 25 la80%, reducere ce depinde de: tipul de structur, proprietile pmntuluinetratat, natura liantului folosit,
Tasarea coloanei poate fi calculat cu relaia:
grosimea stratului ;
presiunea pe coloan;
modulul de compresiune pentru coloan.
2 c uB L l c
6 la 9 cu uc
2 6 la 9grupult c u uQ B L l c B L c
11
c
qhs
a M
1
c
h
q
M
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
11/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
11
Similar, tasrea pmntului nestabilizat este calculat cu relaia:
Presiunea total aplicat este :
Primul calcul poate fi fcut admind o valoare maxim pentru presiuneapreluat de coloan:
obinndu-se o prim valoare s1 care se va compara cu tasarea terenuluinestabilizats2.
Dac se admit distribuii noi prin reducerea treptat a ncrcriipe coloan, i implicit creterea celei ce revine terenului nconjurtor pn cecondiia de egalitate a tasrilor este ndeplinit:
Tasarea terenului va fi cea corespunztoare condiiei de egalitate i este estimatcu relaia:
Pe de alt parte, dac coloana nu poate prelua mai mult dinncrcare i
Pentru coloane flotante, tasarea terenului moale rmas sub planul bazei secalculeaz pe baza metodelor aplicabile fundaiilor de suprafa.
De interes sun diferenele de tasri, ele genernd degradri, fiind guvernate dedeformaiile specifice de forfecare.
Rotirea unghiular maxim - ntre dou iruri de coloane va fiproporional cu efortul tangenial mediu n lungul perimetrului bloculuiranforsat i modulul de forfecare mediu al pmntului nestabilizat, dup cum
red relaia :
22
1s
qhs
a M
grosimea stratului;h
2 presiunea pe terenul nestabilizat;q
modulul de compresiune pentru p m ntul nestabilizat.sM
1 2q q q
1 1,maxq q
1 2s s
1 2s s
1 2 1m c s
h qs s s
a M a M
1 2s s
2ms s
m
sG
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
12/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
12
APLICAIE
Vom considera o cldire cu structur pe cadre, avnd regimul denlime P+4E, fundat pe un teren argilos, de compactitate mijlocie.
Nr.crt.
Natura terenuluik
s
[kN/m3]
1.Nisip argilos afnat, argil i argil nisipoas, n starede curgere
1000 5000
2.Pietri, nisip i nisip argilos de compactitate mijlocie,argil i argil nisipoas n stare plastic
5000 50000
3.Pietri, nisip argilos n stare compact, argil i argilnisipoas consistent
50000 100000
4. Stnc dur, stnc cu fisuri 100000 1000000
Caracteristicile terenului
1=21,50 kN/m
3
;1=7,00;
c1=12,00 kPa;
Eoed=2,00 N/mm2;
=0,37
Df=1,20 m
T=4,00 m
L=4,00 m
24,00 x 20,00 = 480 mp
Dimensiuni n plan structur
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
13/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
13
Perspectiv structur;
Solicitri la baza stlpilor
Predimensionare fundaie conform NP112-2010;
Pot fi deduse relaii aproximative pentru stabilirea capacitii portanteverticale de calcul dedus din teoria plasticitii i din rezultate experimentale.
Trebuie s se ia n considerare influena urmtorilor factori:
rezistena terenului, n general reprezentat prin valori de calcul ale lui cu,c i ;
excentricitatea inclinarea ncrcrilor de calcul;
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
14/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
14
forma, adncimea i nclinarea fundaiei; nclinarea suprafeei terenului;presiunea apei subterane i gradienii hidraulici; variabilitatea terenului, n special stratificarea;
Capacitatea portant de calcul se poate determina cu:
Eforturile transmise la teren trebuie sa indeplineasca conditia:
pefectiv max
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
15/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
15
n care'
2
(baz rugoas);
nclinarea bazei fundaiei;
forma fundaiei;(B=B = 1,20 m i L= L = 1,00 m; deoarece ncrcarea este centric);
- pentru forma rectangular: 1,201 ( '/ ')sin ' 1 sin 7 1,151,00
qs B L ;
- pentru forma rectangular: 1 0,30( '/ ') 1 0,30 1,20 0,64s B L ;-
pentru forma rectangular, ptrat sau circular:( 1) / ( 1) (1,15 1,88 1) / (1,88 1) 1,02;c q q qs s N N nclinarea ncrcrii produs de o for orizontal;
n care:
- cnd H acioneaz n direcia lui B:'
2''
1'
B
B
Lm mB
L
- cnd H acioneaz pe direcia lui L:
n cazul n care componenta orizontal a ncrcrii acioneaz ntr-odirecie care formeaz un unghi cu direcia lui L, m poate fi calculat prin:
2 2cos sinL Bm m m m
2 2
1
1,00tan '
(1 tan ') (1 0 tan 7 ) 1,00
q
c q
c
q
b
b b N
b b
1
(1 )( tan ') 1;
1 1;' 'c '
1 1;' 'c '
c q q c
m
q
m
i i i N
Hi
V A c tg
Hi
V A c tg
'2
'
'1
'
L
L
Bm m
L
B
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
16/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
16
ic, iq, i factori adimensionali pentru nclinarea ncrcrii V produs dencrcarea orizontal H (au valori unitare deoarece Hd=0);
2 3
3
1012 12 772142,00
1,20 1,20
1,20 142 1012 12 772 0
f
plf
N Mp p kPa
A W B B
B B
Soluia real a ecuaiei este B=4,31 mConsiderm B=4,35 m;L=1,20*B=5,25 m;
Se impun urmatoarele dimensiuni pentru baza fundatiei, lungimeafundatiei L=4,35 m latimea fundatiei B=5,25m.
Se observ c se depesc dimensiunile interax al traveelor, de underezult necesitatea radierului.
Determinarea capacitii portante a coloanelor obinute prin Amestec n
Adncime
Tabel. Domeniul de valori pentru rezisten i permeabilitate (dup Topolnicki, 2003)
Tip de pmnt Cantitateade ciment
(kg/m3)
Rezistena lacompresiune liber
dup 28 de zile qu
(MPa)
Permeabilitateak(m/s)
Mluri, nmoluri 250 -400 0.1 0.4 1x10-
Turb, argile i prafuri organice 200 -350 0.3 1.2 5x10
-
Argile moi 150 -300 0.5 1.7 5x10-
Argile vrtoase/tari 120 -300 0.7 2.5 5x10
-
Prafuri i nisipuri prfoase 120 -300 1.0 3.0 1x10-
Nisipuri fine-medii 120 -300 1.5 5.0 5x10
-
Nisipuri grosiere i pietriuri 120 -250 3.0 7.0 1x10-
Capacitatea portant ultim a unei singure coloane poate fi estimat curelaia:
2
,
2
,
2 3 2 145 3 77,40 522,20 / ;
500
29500 145 145 / ;
100
ult u col h
u
u col
c kN m
q kPa
c kPa kN m
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
17/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
17
Figura 7 . mpingerea pmntului dintre coloane;
2
max ( 1,20) 21,50 (6,00 1,20) 154,80 / ;f pD l kN m
Vom considera o valoare medie:
2max 154,80 77,40 / ;2 2
h kN m
Rezistena la fluaj de lung durat se presupune a fi circa 65% dinvaloarea capacitii portante ultim, adic incrcarea maxim pe o singurcoloan este dat de relaia:
unde:
2
,max 0,65 0,65 0,20 522,20 68 / ;l ult q a kN m
2
2 2
0,60 =0,20 (1.5)
4 1,20
Aa a
c
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
18/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
18
Figura 8. Amplasarea coloanelor;
a - coeficientul ariilor coloan-spaiere:
Aaria seciunii transversale a coloanei;
cdistana de spaiere a coloanelor;
Rezistena la forfecare medie este notat cu:
n care:
c media rezistenei la forfecare pentru coloana AA;
p media rezistenei pmntului moale;
2, ,
2
, ,
=145,00kN/m ;
=12,00kN/m ;
c u c n u col
p u p n p col
c tg
c tg
n efortul normal total n planul de rupere;
,u c unghiul de frecare interioar pentru coloan aflat n stare nedrenat;
,u cc coeziunea nedrenat pentru coloan;
,u p unghiul de frecare interioar pentru terenuri aflat n stare nedrenat;
2(1 ) 0,20 145 0,80 12 38,60 / ;pc c pa a kN m
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
19/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
19
,u sc valoarea coeziunii nedrenate pentru pmntul interceptat de coloane;
Dac , , 0u c u p , cum se consider n practicpentru coloane AA
n argile moi, atunci , ,este egal cuu c u cc i , ,este egal cuu p u pc . Cndsunt folosite aceste simplificri, ecuaia rezistenei la forfecare medie este egal(1.9) cu:
PORTANA COLOANELOR
Coloan singular, caz n care capacitatea de preluare a ncrcrii esteguvernat de dou mecanisme de cedare:
- unul ce ine de rezistena terenului din jur rupere prin forfecareaacestuia;
- altul care are n vedere rezistena materialului din coloan - rupereacoloanei.
Din condiia de evitare a cedrii terenului, a ruperii prin forfecare,valoarea capacitii portante a coloanei, n termenii scurt durat, este dat derelaia:
Pentru coloanele flotante, rezistena pe baz este n general mai redusdect cea din frecare lateral i invers n cazul celor care descarc pe un stratrezistent.
2
, ,(1 ) 0,20 145,00 (1 0,20) 12,00 38,60 / ;pc u c u pa c a c kN m
2 2 ( 2,25 ) =( 0,60 6,00 2,25 0,60 ) 77,40 1072 ;col c uQ d l d c kN
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
20/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
20
Figura 5. Rupere prin forfecare a grupului de coloane ca un bloc
Grup de coloane
Rezult un numr de 480 coloane cu rezistena:
353707737,00
480
grup
colQ kN
Capacitatea portant a terenului mbuntit este de:
2 24 27,60 6,00 77 24,00 27,60 6 77 47678 306029 353707grupultQ kN
2353707 534 / ;24 27,60
grup
ultcap
mbunatatita
Qp kN m
A
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
21/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
21
observaii:
-factorul de valoare 6 se refer la fundaii pentru care L B, iar cel devaloare 9 este aplicabil fundaiilor cu suprafaa tlpii ptratic;
- mobilizarea rezistenei pe baz este atins la o deformaie verticalestimat la 5 pn la 10% din limea ariei bazei, motiv pentru care ea
poate fi neglijat (Broms, 1991);
2 3
3
1012 12 772522,20
1,20 1,20
1,20 522 1012 12 772 0
f
plf
N Mp p kPa
A W B B
B B
Soluia real a ecuaiei este B=2,67 m
Adoptm B=2,70 m; L=3,25 m;
Sarcina transmis de la suprastructur este de:
N=1012 kN;2
2
1012 12 772115,32 391,00 506,32 / ;
2,70 3, 25 2,70 3, 25q kN m
-
8/13/2019 Tema Musat - Consolidarea Prin Amestecarea in Adancime a Pamanturilor
22/22
Condiii speciale de amplasament i soluii de infrastructur
22
Concluzii
Terenul natural de fundare are o capacitate portant de 142 kPa, iar dupmbuntire capt o capacitate portant de 522 kPa;
Dimensiunile fundaiei necesare iniial sunt de: B=4,25 m; L=5,35 m; Dimensiunile fundaiei necesare dup mbuntirea terenului sunt de: B=2,70 m; L=3,25 m