IMBUNATARIREA UNUI TEREN DIFICIL DE FUNDARE PERNE DE BALAST
Rezumat Este cunoscut faptul ca volumul lucrarilor de constructii ce se executa sau urmeaza a fi executate de constructorii din tara noastra este in continua crestere prin realizarea unor mari obiective industrial, constructii de locuinte, cladiri social cultural , poduri, porturi, aeroporturi, drumuri, sisteme de imbunatatire funciala etc., multe din aceste constructii urmand a se realize pe terenuri slabe, cu rezistente mecanice reduse, ce impun adaptarea unor solutii de fundare complicate si costisitoare. Pentru amplasarea constructiei pe asemenea terenuri trebuie cautate permanent solutii care sa satisfaca din punct de vedere ethnic, la costuri cat mai reduse. Consolidarea cu perne de balast consta in excavarea totala sau partiala a stratului de pamant slab, necorespunzator fundarii directe urmate de asternerea si apoi compactarea in mod succesiv a unor straturi de balast, obtinandu-se pentru stratul nou o indesare maxima a particulelor in spatiile disponibile. disponibile.
Introducere Realizarea acestui deziderat este de foarte mare importanta, deoarece in tara noastra (dealtfel ca si in alte tari) apar deosebit de frecvent solutii de fundare indirect ( piloti, chesoane, coloane etc.) Procedeele de fundare indirecta rezolva in general problema fundarii pe terenuri dificile, insa cu un consum ridicat de material (ciment, otel etc) si la costuri superioare, considerent pentru care s-a recurs la gasirea unor metode care sa duca la imbunatatirea terenurilor slabe,sa le ridice rezistentele mecanice, sa le amelioreze proprietatile geotehnice , facandu-le bune pentru fundarea directa. Pentru a putea realiza sisteme de fundare directe in conditiile unor terenuri dificile se aplica fie metoda inlocuirii acestora cu perne de balast sau alte material locale,fie imbunatatirea in adancime a stratului slab pe toata grosimea sa, sau numai partial, cand acesta este foarte mare. Pamanturile slabe sau dificile de fundare sunt considerate in general pamanturile argiloase cu un grad de umiditate mare, pamanturile prafoase, malurile neconsolidate, loessurile, nisipurile fine in stare afanata, argile cu consistenta redusa etc. Imbunatatirea proprietatilor pamanturilor este o garantie ca exploatarea noii constructii ce urmeaza a se realiza pe amplasamentul respectiv se face in conditii de siguranta. Metodele de imbunatatire beneficiaza de un aport de material suplimentar distribuit in terenul natural care impreuna cu acesta conlucreaza favorabil pentru obtinerea unei capacitati portante sporite si deformabilitati reduse.
Inlocuirea terenului dificil de fundare prin perne din pamant, balast sau alte material locale consta in excavarea stratului slab, sternerea si apoi compactarea prin cilindrare sau batere in mod succesiv a unor straturi din pamant sau balast de 20-30 cm. Pernele de balast se folosesc pentru marirea stabilitatii si micsorarea tasarilor, pentru drenarea apei evacuate din porii terenului precum si pentru inlocuirea stratului de pamant sensibil la inghet. Pernele de balast distribuie presiunile transmise de infrastructura constructiei la terenul natural pe o suprafata mai mare decat talpa fundatiei. Ele maresc stabilitatea fundatilor deoarece au caracteristici de rezistenta (unghi de frecare interna si coeziune ) mai mari decat ale stratului de la baza pernei. Grosimea pernei de balast se alege in functie de destinatia ei. La inlocuirea stratului superficial, din cauza sensibilitatii la inghet, perna din balast se prevede pe intreaga adancime de inghet. In cazul apei agresive fata de betoane, perna din balast elimina contactul betonului din fundatii cu apa agresiva. Daca perna din balast este folosita in calitate de dren orizontal, grosimea acesteia se va alege astfel incat dupa colmatarea zonei marginale superioare cu particule de argila, diferenta ramasa sa asigure o sectiune de scurgere suficienta pentru evacuarea apei. In cazul in care perna din balast este prevazuta pentru micsorarea tasarilor fundatiilor, grosimea acesteia se stabileste din conditia de tasare a sa si a stratului de pamant aflat sub ea, care insumate trebuie sa fie mai mica decat cea admisa pentru constructia respective. Dimensiunile in plan ale pernei de balast se recomanda sa se adopte astfel: daca perna de balast se dispune pe teren fara o excavatie anterioara, atunci dimensiunea in plan a pernei va fi mai mare decat cea necesara scopului functional, si anume cu o valoare egala cu dublul grosimii, amplificata prin tangenta unghiului de frecare interioara a nisipului, care se va considera egal cu acela al pernei compactate. In cazul dispunerii pernei din balast intr-o incinta excavata sau intr-o transee cu rol de protectie, se va lucra cu atentie deoarece aceasta isi va pierde stabilitatea. In acest caz se poate observa refularea nisipului si balastului si aparitia unor presiuni asupra peretilor din pamant slab de catre materialul din perna.
1. Analiza din punct de vedere ethnic si tehnologic a realizarii unei perne de balast Pentru proiectarea fundatiilor pe terenuri slabe imbunatatite, vor fi efectuate in prealabil studii geotehnice mai amanuntite decat la proiectarea pe terenuri obisnuite, care sa puna in evidenta stratificatia detaliata si caracteristicile fizico-mecanice ale fiecarui strat de pamant, situatia hidrogeologica pe amplasament (nivelul apelor subterane si limitele de variatie a acestuia) si posibilitatile de umezire a terenului de fundare. Studiile geotehnice trebuie sa identifice cauzele care determina caracterul slab al terenului de fundare si sa determine parametrii geotehnici aferenti, necesari proiectarii imbunatatirii acestuia. Procedeul si intensitatea imbunatatirii terenului slab de fundare depinde de destinatia si solutia constructiva adoptata pentru constructia amplasata pe terenul respectiv. Efectul tehnico-economic optim poate fi obtinut de la caz la caz, fie actionand numai prin imbunatatirea terenului slab, fie numai prin masuri de adaptare a constructiei la comportarea terenului slab neimbunatatit sau actionand asupra amandoura astfel incat sa rezulte o conlucrare satisfacatoare intre ele pentru comportarea constructiei in exploatare.
Pentru realizarea pernelor, in functie de proportia fractiunilor granulare principale de bolovanis, pietris si nisip se pot intalni materiale sub forma bolovanisului cu fractiunea dominanta 20-200mm , fara a depasi insa 60% , restul fiind pietris si nisip,a balastului , un amestec natural de pietris cu nisip si bolovanis,ultima fractiune nedepasind 25% ,a balastului nisipos, un amestec de pietris cu nisip. In fiecare din aceste materiale se accepta prezenta fractiunilor praf si argila circa 10% . Granulozitatea materialului trebuie sa fie continuu, iar coeficientul de neuniformitate Un≥15 . Pentru aceeasi perna se va urmari aprovizionarea cu material extras dintr-o singura cariera. Nu este acceptata prezenta resturilor vegetale vizibile, bucati de lemn, deseuri industriale, etc.[4] Umiditatea balastului pus in opera se recomanda a fi egala cu 6-8% in cazul balastului nisipos si de 4-6% pentru balast. In cazul cand terenul din baza pernei este de consistenta scazuta (moale) se recomanda ca primul strat al pernei sa fie realizat dintr-un material cu fragmente mari, de exemplu bolovanis, piatra sparta etc. Pentru compactarea materialului din perna se pot folosi utilaje terasiere din indicatorul de norme Ts/1981 , specifice materialelor granulare si anume: compactor vibrator cu rulouri netede, tractat, de 55KN ;compactor pe pneuri static, autopropulsat, de 100KN ;compactor cu rulouri netede, autopropulsat, de 100-120KN , utilizat in mod exceptional cand lipsesc primele doua utilaje. Asternerea la grosimea stabilita a straturilor elementare, amestecarea si omogenizarea materialului se face cu buldozerul. Indesarea maxima ce se poate obtine pentru materialul din perna de balast depinde respectarea cu strictete a doua cerinte: materialul ce urmeaza a fi indesat prin compactare trebuie sa prezinte o umiditate caracteristica indesarii maxime, numita umiditate optima de compactare (w opt ) stabilita prin incercarea Proctor; etapele tehnologice privind grosimea straturilor asternute si numarul de treceri al utilajului sa fie conform studiului geotehnic si proiectului lucrarii. Indesarea maxima stabilita prin valoarea maxima a greutatii volumice a pamantului in stare uscata, γ dmax , ce poate fi atinsa numai cand energia de compactare este indusa pamantului ce poseda o umiditate optima de compactare, w opt , depinde de tipul de pamant prin urmatoarele caracteristici: distributia granulometrica, forma particulelor solide, greutatea volumica a scheletului si tipul de minerale argiloase ce definesc compozitia chimicomineralogica a particulelor. In vederea realizarii conditiilor generale de calitate se indica orientativ in tabelul 1grosimile stratului elementar (di, dc) cat si numarul minim de treceri suprapuse cu utilajul. di = grosime strat elementar inainte de compactare; dc = grosime strat elementar dupa compactare; n = numar minim de treceri suprapuse cu utilajul. Pernele nu se pot executa in perioadele ploioase cand nu poate fi respectata umiditatea optima de compactare.
Avand stabilite tipul utilajului, numarul de treceri ale utilajului, grosimea stratului elementar si umiditatea optima de compactare, se va trece la compactarea efectiva a straturilor pana la realizarea grosimii pernei. Controlul pe santier al calitatii umpluturilor din perna consta in efectuarea urmatoarelor determinari pentru fiecare strat elementar: granulozitatea balastului prin metoda cernerii conform STAS 1913/5-85 sau STAS 4606-80 ; coeficientul de neuniformitate al materialului: U n = d 60 %/ d 10 % d60%= diametrul particulelor corespunzatoare continutului de 60% pe curba de granulozitate; d10%= diametrul particulelor corespunzatoare continutului de 10% pe curba de granulozitate. umiditatea balastului W(%) conform STAS 1913/1-82 sau STAS 4606-80 ; greutatea volumica in stare uscata γ (KN/ m3) a balastului compactat ; gradul de indesare al balastului (STAS 9850-83); Probele pentru controlul compactarii se recolteaza din gropi cu diametrul minim 0,30m si adancimea 0,30m sau egala cu grosimea stratului elementar compactat. Numarul probelor de control rezulta cate una pentru fiecare strat elementar si cel putin una la fiecare 20- 30 m 3 de material compactat. In zonele in care conditiile de compactare sunt dificile se vor recolta probe suplimentare. Controlul pe santier al calitatii umpluturilor din perna de balast se face in final, dupa realizarea pernei, prin penetrari dinamice cu con de tip PDU, dupa metodologia indicata in"Instructiuni tehnice C176-75"
2. Studiu de caz – realizarea fundatiei pentru Supermarketul LIDL Suceava Zona ce constituie obiectul studiului de caz se situeaza in Suceava. In vederea stabilirii stratificatiei si a parametrilor geotehnici s-au efectuat cinci foraje combinate cu penetrari dinamice in straturile de pamanturi necoezive. Lucrarile de teren si laborator coroborate cu interpretarea penetrarilor conform Normativului C159-89 au stabilit ca terenul de fundare se incadreazain categoria geotehnica 2 („Normativ privind documenta tiile geotehnice pentru constructii-indicativ NP074- 2007”). Datorita existentei unei argile prafoase cu valori reduse ale parametrilor geotehnici si a unui nisip fin, fundarea obiectului se recomanda a se realiza in stratul de nisipuri cu pietris pe radier general pozat pe un strat de balast de 20 cm , compactat cu utilaje mecanice. In cazul cand in proiectare rezulta o adancime de fundare deasupra stratului de nisipuri cu pietris este necesar imbunatatirea terenului de fundare prin realizarea unei perne de balast de minim 80 cm pe care se va poza radierul general.
Realizarea pernei de balast implica urmatoarele operatii: excavarea terenului de fundare cu 80 cm mai jos decat cota de fundare, compactarea cu utilaje mecanice a fundului sapaturii, realizarea pernei de balast in straturi elementare, fig.1 compactate cu utilaje mecanice fig.2 , asigurandu-se un grad de compactare de minim 98% conformat de un laborator de specialitate fig.3 . Se vor utiliza agregate cu granulozitate continua 0 –63 mm , iar evazarea pernei fata de fundatie va fi egala cu inaltimea ei. La partea superioara a pernei de balast se va putea lua in calcul o presiune conventionala p conv =250 KPa in gruparea fundamentala a incarcarilor si un coeficient de pat k s =4,3 daN/cm 3 .
3. Comparatii intre metoda pernei de balast si alte metode de imbunatatire a proprietatilor terenului de fundare Consolidarea masivelor de pamant utilizand materiale geosintetice cu rol de armare. Lucrarile de sprijin necesita elemente de fatada pentru a asigura atat stabilitatea, cat si estetica, formele putand diferi foarte mult, de la panouri prefabricate pe toata inaltimea sau nu, imbinate intre ele prin diferite sisteme, blocuri modulare prefabricate din beton cu forme geometrice variate,gabioane din geogrile, pana la sisteme simple, flexibile, realizate prin simpla intoarcere aarmaturilor la fata masivului. Pamanturile armate cu materiale geosintetice suntconstituite dintr o alternanta de straturi de pamant compactat, in general necoeziv si armaturi geosintetice.Conceptul de pamant armat este datorat inginerului francez Henry Vidal, care a inceput cercetarile in acest domeniu i n anii ‘50 si in 1962 a brevetat solutia. Armaturile introduse in pamant, avand drept rol preluarea eforturilor de intindere, au fost initial metalice, sub forma de benzi, ulterior utilizandu-se materialele geosintetice pentru aceasta aplicatie. Introducerea geosinteticelor sub forma de armaturi in pamant a revolutionat conceptul de pamant armat, permitand dezvoltarea de produse si tehnologii noi, specifice domeniului constructiilor geotehnice. Cu ajutorul armaturilor geosintetice se pot realiza structuri de sprijin abrupte pana la verticale, pante abrupte, reabilitari de pante alunecate, ramblee si diguri pe terenuri foarte compresibile, armarea patului drumurilor si a imbracamintilor asfaltice Materiale geosintetice utilizate la armarea pamanturilor sunt armaturile din materiale geosintetice pot fi sub forma de benzi, folii sau saltele realizate din: geotextile, geogrile, geocompozite de armare. Materialele geosintetice utilizate la armarea pamanturilor sunt cunoscute in ingineria geotehnica sub denumirea de armaturi de tip „extensibil” sau relativ extensibile. Acestea au deformatii la rupere mai mari decat deformatiile maxime ce pot apare in pamantul nearmat, in aceleasi conditii de solicitare. Proprietatile acestui tip de armaturi sunt, in general, dependente de timp si temperatura,deaceeapentru determinarea lor sunt necesare incercari pe termen lung (fluaj). Datorita diversitatii de produse, fiecare produs trebuie analizat individual. produsele realizate din poliester sunt susceptibile de a-si modifica proprietatile datorita proceselor de hidroliza si a temperaturilor ridicate. Hidroliza si procesele de dizolvare a fibrelor sunt mai
accelerate in medii alcaline, la nivelul apelor subterane sau in zone cu precipitatii abundente. Materialele geosintetice realizate din poliolefine (polipropilena, polietilena) sunt susceptibile la diminuarea proprietatilor mecanice ca urmare a proceselor de degradare oxidativa sau a temperaturilor inalte. Progresul tehnologic a dus la obtinerea unor materiale geosintetice care ofera solutii tehnice cu un grad ridicat de siguranta pe termen lung. Ranforsarea solului cu geogrile este considerata in ingineria geotehnica o metoda sigura si economica din urmatoarele considerente: − inlocuiesc volume si mase de materiale clasice – filtre inverse minerale, pereuri din beton si masti din asfalt – reduc gabaritele terasamentelor, in final conducand la o economie considerabila de resurse materiale naturale, precum si de energie pentru extragere, prelucrare, transport si punere in opera; − sunt omogene, izotrope atunci cand se cere aceasta caracteristica, au o masa redusa, se pot realiza din fabrica la lungimi de pana la 35m si latimi de pana la cca 2m ( 6m, in cazuri speciale); − materialele geosintetice au elasticitate, proprietate extrem de importanta intrucat structurile de pamant pot suferi in exploatare deformatii insemnate pe care, datorita acestei caracteristici le pot prelua cu usurinta, rezistenta la intindere pastrandu-se chiar si la alungiri insemnate;
4. Concluzii Imbunatatirea terenurilor dificile de fundare cu perne de balast este o solutie buna din punct de vedere economic . Tehnologia de executie este relativ simpla. Metodele de imbunatatire a proprietatilorgeomecanice ale terenurilor de fundare si a tehnicilor si tehnologiilor privind aplicarea lor in practica cunosc o dezvoltare permanenta pentru a obtine performante sporite la costuri relativ accesibile pentru beneficiar. Cercetarile in domeniu sunt orientate atat in directia realizarii de echipamente tehnice performante cat si spre crearea de noi materiale care sa sporeasca calitatile terenului imbunatatit in paralel cu o mare durabilitate si fara o depreciere a mediului înconjurător . Metoda prezentata este una dintre cele mai eficiente si frecvent folosite, care ajuta la cresterea pe unitate de volum a continutului de faza soli dă in scopul reducerii porozitatii respectiv a cresterii starii de indesare.
BIBLIOGRAFIE 1. Irina Lungu; Anghel Stanciu; Nicolae Boti, Probleme speciale de geotehnică si fundatii, Editura Junimea Iasi 2002 2. Silion T.;Răileanu P. , Pământuri macroporice sensibile la umezire , Institutul Politehnic Iasi 1978 3. Anghel Stanciu; Irina Lungu,Fundatii,Editura Tehnică București 2005 4. P7/2000 – Normativ pentru fundarea construcțiilor pe pământuri sensibile la umezire 5. Iacint Manoliu Fundatii si procedee de fundare Editura Didactica si pedagogica, Bucuresti 6. M. Paunescu, V. Pop, T. Silion Geotehnica si fundatii , Editura Didactica si pedagogica, Bucuresti 1982
