1. Soluţii de fundare
În funcţ ie ie de presiunile efective pe teren şi dimensiunile în plan ale obiectelor din staţ ia ia de epurare, pentru o parte dintre acestea s-a propus fundarea directa pe coloane de material granular. Pentru obiecte cu dimensiuni şi incărcări mai mici şi in plus a căror tasare nu influenţ eaz ează fluxul tehnologic al sta ţ iei iei de epurare, beneficiarul a solicitat întocmirea unui calcul privind fundarea directă pe pernă de material granular (piatră spartă) compactat.
2. Valori de calcul
Stratificaţ ia ia terenului de fundare relevată de studiul geotehnic efectuat de SC Optimum Consulting SRL a fost sintetizata în două foraje de calcul (FC1 aferent forajelor geotehnice F4 si F5, FC2 aferent forajelor geotehnice F1, F2 si F3) prezentate in Tabelul 1 si Tabelul 2. Aceast ă stratificaţ ie ie a fost propusă de S.C. KELLER Geotehnica S.R.L. şi utilizată în breviarul de calcule privind îmbunătăţ irea irea terenului cu coloane de material granular. Tabelul 1. Valori de calcul pentru FC1
Nivel hidrostatic: -2.40 m Tabelul 2. Valori de calcul pentru FC2
Nivel hidrostatic: -2.00 m
Încărcările transmise la terenul de fundare pe talpa funda ţ iilor sunt prezentate în Tabelul 3. Pentru calculul pernei de balast au fost efectuate calcule de determinare a presiunii efective la nivelul inferior al pernei. Tabelul 3. Încărcări transmise de fundaţ ii
Nr. O.B.
Presiune efectiva la talpa fundatiei [kPa]
Denumire
2
OVERFLOW CHAMBER
60
3
INLET FLOW MEASUREMENT
110
7
BLOWER STATION
120
10
OUTLET CHAMBER
60
11
SLUDGE MIXING CHAMBER
85
14
GAS FLARE
70
15
GAS HOLDER
70
16
SLUDGE STORAGE TANK
85
17
SLUDGE STORAGE AREA
60
18
OFFICE BUILDING
120
19
GATEHOUSE
120
20
LIQUID GAS TANK
90
25
BIOFILTER
100
3. Predimensionarea pernelor de material granular compactat
Pentru stabilirea grosimii pernei de material granular compactat au fost efectuate calcule de tasare dup ă ce, in prealabil, au fost determinate presiunile la nivelul limitei inferioare a pernei. Dimensionarea grosimii pernelor se realizează prin utilizarea a diferite formule, care toate au în vedere reducerea presiunii exercitate la partea inferioar ă a pernei, până la o valoare acceptabil ă a presiunii pentru terenul de sub pernă, cu luarea în considerare a unei reparti ţ ii uniforme a presiunii (s-a considerat α = 45°).
Figura 1. Distribuţ ia presiunii sub o perna compactata
2
Presiunea efectiva la nivelul bazei pernei s-a determinat ţ inând cont şi de suprasarcina dată de umplutura care se va realiza pentru atingerea cotei platformei amenajate. In Tabelul 4 sunt prezentate rezultatele calculelor de tasare pentru grosimea de perna considerata. Calculele de tasare sunt prezentate in anexa. Tabelul 4. Tabel centralizator al grosimilor pernelor si tasarile estimate
Nr. O.B.
1 2 3 7 10 11 14 15 16 17 18 19 20 25
Cote Grosime Tasare teren pernă estimată natural (m) (mm) (mdMN)
Cote de fundare (mdMN)
Cote platforma amenajata (mdMN)
OVERFLOW CHAMBER
-0,05
+3,20
+2,96
1.00
16.2
INLET FLOW MEASUREMENT BLOWER STATION OUTLET CHAMBER
-1,14 +4,30 0,0
+7,73 +5,30 +2,75
+3,01 +2,40 +2,70
1.00 2.00 * 1.00
90.3 15.3
SLUDGE MIXING CHAMBER GAS FLARE
+2,82 +4,07
+4,82 +4,82
+3,12 +3,00
1.00 1.00 *
38.1 17.8
GAS HOLDER SLUDGE STORAGE TANK
+3,87 +2,42
+4,82 +4,82
+3,00 +3,10
1.50 * 1.00
72.8 55.1
SLUDGE STORAGE AREA OFFICE BUILDING
+4,61 +4,40
+4,82 +5,50
+2,80 +3,07
2.00 * 1.50 *
199.9 55.5
GATEHOUSE LIQUID GAS TANK BIOFILTER
+2,30 +5,52 +5,00
+3,40 +6,52 +5,30
+3,10 +3,02 +2,70
1.00 2.50 * 2.50 *
20.6 56.0 126.8
Denumire
* - grosimi de pern ă rezultate constructiv ca diferenţă între cota platform ă amenajat ă şi cota terenului actual.
Se menţ ionează faptul ca grosimile pernelor vor fi definitivate în funcţ ie de rezultatele măsurătorilor in situ din poligonul experimental.
4. Poligoanele experimentale
Poligonul experimental a constat în măsurarea tasărilor terenului de fundare sub o placă rigidă cu dimensiunile în plan de 2 x 3 m înc ărcată până la o presiune de cca. 84 kPa, pentru poligoanele 1, 2 şi 3, şi cca. 143 kPa, pentru poligoanele 4 şi 5. Poligoanele 1, 3 şi 5 s-au realizat pe pernă de material granular compactat cu grosimea de 1 m, baza pernei aflându-se la cota -1 m, iar cota superioară a acesteia la nivelul terenului natural. Poligoanele 2 şi 4 s-au executat pe terenul natural, în excavaţ ii cu adâncimea de 1 m. Încărcarea terenului a fost asigurată de plăci de beton de diferite grosimi şi dimensiuni (Foto 1, Foto 2). După aşezarea primei plăci de beton s-au făcut măsurătorile iniţ iale de nivel (nivelul „zero”). După aşternerea fiecărui element prefabricat s-au reluat 3
măsurători de nivel la trei reperi situaţ i în trei colţ uri ale plăcii de bază. După finalizarea încărcării s-au făcut citiri la diferite intervale de timp până la stabilizarea tasărilor. Prin dispunerea cat mai simetrică a elementelor prefabricate s-a asigurat o încărcare centrică a plăcii de bază. Măsurătorile de nivel au fost efectuate cu nivela Leika Sprinter 50.
Foto 1. Lesturi aplicate
Foto 2. Reper pentru m ăsurarea tasării 4
4.1. Poligonul experimental 1
S-a realizat pe amplasamentul obiectului tehnologic „digestor 1”, pe pernă de material granular compactat cu grosimea de 1 m. S-au efectuat măsurători de tasare timp de 70 de ore, de la finalizarea lestării până la momentul considerat final al testului, înregistrându-se tasări de maxim un milimetru. Tasările finale au fost de 11 mm la reperul 1, 9 mm la reperul 2 şi 11 mm la reperul 3. Tasarea medie este de 10 mm (Anexa 2.1). Prin aceleaşi calcule de tasare utilizate şi în etapa de predimensionare a pernelor, s-au efectuat calcule de tasare în condi ţ iile poligonului experimental realizat, respectiv, fundaţ ie cu dimensiunile de 2 x 3 m, cu o presiune uniform distribuită de 84 kPa, pe pern ă de material granular compactat cu grosimea de 1 m. Calculul unei perne compactate presupune reducerea încărcărilor la baza pernei considerând o disipare a presiunii ca urmare a distribuirii acesteia sub un unghi, considerat de 45°. În aceste condi ţ ii dimensiunile „fundaţ iei” devin 4 x 5 m iar presiunea la baza pernei este de: p perna =
p fundatie ⋅ L fundatie ⋅ B fundatie L perna ⋅ B perna
=
84 ⋅ 3 ⋅ 2 5⋅4
= 25.2 kPa
La această presiune s-a mai ad ăugat diferenţ a de greutate volumică între cea a terenului natural (18.4 kN/mc) care a fost înlocuit cu piatră spartă compactată pentru care s-a considerat greutatea volumică de 21 kN/mc. În ipotezele menţ ionate anterior s-a obţ inut o tasare de 7.1 mm (Anexa 2.2). Prin acest calcul se consideră că perna este incompresibilă, în realitate aceasta având o oarecare deformabilitate estimată printr-un modul de deforma ţ ie de 30000 kPa. Un calcul mai detaliat implică considerarea fundaţ iei reale de 2 x 3 m, încărcată cu o presiune de 84 kPa, fundată într-un strat de piatră spartă cu grosimea de 1 m, urmat de stratificaţ ia terenului natural. În aceste condi ţ ii s-a obţ inut o tasare de 11.9 mm, foarte apropiat ă de rezultatele măsurătorilor poligonului experimental (Anexa 2.3). Se remarcă faptul că adâncimea până la care se resimte efectul înc ărcării terenului de fundare (zona activă) este de 3 m măsuraţ i de la nivelul tălpii fundaţ iei (în cazul de faţă, de la nivelul terenului natural). 4.2. Poligonul experimental 2
S-a efectuat pe amplasamentul „staţ ie de îngroşare nămol”, în excavaţ ie cu adâncimea de 1 m, pe terenul natural. S-au efectuat măsurători de tasare timp de 70 de ore, de la finalizarea lestării până la momentul considerat final al testului, înregistrându-se tasări de maxim un milimetru. Tasările finale au fost de 46 mm la reperul 1, 43 mm la reperul 2 şi 11 mm la reperul 18. Tasarea medie este de 36 mm (Anexa 2.4). Calculele de tasare efectuate pentru acest poligon, respectiv, funda ţ ie cu dimensiunile în plan de 2 x 3 m, încărcată la o presiune medie de 84 kPa şi o presiune netă de 66 kPa, în condi ţ iile stratificaţ iei terenului de fundare considerată conform forajului de calcul FC1, au condus la o tasare estimat ă de doar 10 mm (Anexa 2.5). Având în vedere această diferenţă între tasarea măsurată şi cea estimată, rezultă că modulii de deformaţ ie estimaţ i pentru straturile care alcătuiesc terenul de fundare au fost supraestimaţ i, în realitate materialul fiind mai compresibil. Pentru obţ inerea prin calcul a unei tasări comparabile cu cea măsurată s-au considerat moduli de deformaţ ie mai mici (3000 kPa pentru stratul de praf argilos - argila prăfoasă plastic consistentă la vârtoasă şi 5000 kPa pentru stratul de nisip - nisip prăfos, 5
afânat) şi s-a considerat că presiunea netă este egală cu presiunea medie având în vedere posibila destindere a terenului de fundare în urma realizării excavaţ iei de 1 m (Anexa 2.6). Valoare de 3000 kPa pentru modulul de deforma ţ ie al stratului de praf argilos – argilă prăfoasă plastic consistentă a fost adoptată pe baza modulilor de deformaţ ie edometrici obţ inuţ i pe treptele 50-100 kPa: F4-2.00 m / M50-100 = 3215 kPa şi F5-2.00 m / M50-100 = 2538 kPa. 4.3. Poligonul experimental 3
S-a efectuat pe amplasamentul parcării corpului administrativ, pe pernă de material granular compactat cu grosimea de 1 m. S-au efectuat măsurători de tasare timp de 48 de ore, de la finalizarea lestării până la momentul considerat final al testului, înregistrându-se tasări de maxim un milimetru. Tasările finale au fost de 11 mm la reperul 1, 9 mm la reperul 2 şi 5 mm la reperul 3. Tasarea medie este de 8 mm (Anexa 2.7). În momentul executării excavaţ iei s-au observat umeziri locale are terenului, iar pe perioada executării pernei de material granular compactat s-au observat văluriri ale pernei sub cilindrul compactor. Simularea prin calcul a tasărilor măsurate este identică cu cea pentru poligonul experimental 1 (Anexa 2.3), dată fiind schematizarea terenului de fundare prin forajul de calcul FC1 care acoper ă atât zona poligonului 1 cât şi cea a poligonului 3. Se remarcă faptul că s-au înregistrat tasări diferenţ iate semnificative, posibil datorare problemelor întâmpinate în momentul executării pernei. Tasarea relativă calculată între punctele 2 şi 3 este 0.0148 în timp ce STAS 3300/2-85 admite valori maxime de 0.006 pentru construcţ ii în structura cărora nu apar eforturi suplimentare datorită tasărilor neuniforme. 4.4. Poligonul experimental 4
S-a efectuat pe amplasamentul bazinului c-tech (în zona forajului F1), în excava ţ ie cu adâncimea de 1 m, pe terenul natural. S-au efectuat măsurători de tasare până la finalizarea lestării, la scurt timp înregistrându-se prăbuşirea (răsturnarea) lestului.
Foto 3. Poligonul experimental 4 dup ă prăbuşire 6
Prăbuşirea structurii se poate explica doar prin dep ăşirea capacităţ ii portante a terenului de fundare. Conform forajului de calcul FC2 pentru stratul de argil ă prăfoasă, plastic consistentă-vârtoasă, întâlnit la nivelul excavaţ iei (-1 m) s-a estimat φ =12°, c = 25 kPa. Cu aceste valori, şi pentru o fundaţ ie de 2 x 3 m se ob ţ ine o capacitate portantă, pcr = 310 kPa, mult mai mare decât presiunea aplicată, de 143 kPa. Rezultă că şi aceşti parametrii au fost supraestimaţ i, în Figura 2 fiind prezentată corelaţ ia între unghi de frecare şi coeziune pentru care se obţ ine valoarea capacităţ ii portante de 143 kPa.
Figura 2. Perechi de valori φ – c pentru care rezult ă pcr = 144 kPa, pentru o fundaţ ie cu dimensiunile 2 x 3 m, fundată la adâncimea de 1 m (condi ţ iile poligonului experimental 4)
Tasarea estimată prin calcul a rezultat de 40 mm, mult mai mic ă decât tasările măsurate pe perioada lestării, fapt care din nou indică valori supraestimate ale modulului de deformaţ ie pentru straturile care alcătuiesc terenul de fundare (Anexa 2.9). Pe baza modulilor de deformaţ ie edometrică între treptele de 50 şi 100 kPa (F12.00 m / M50-100 = 1613 kPa, F2-3.00 m / M50-100 = 1412 kPa, F3-3.00 m / M50-100 = 1835 kPa) se estimează pentru stratul de argilă prăfoasă plastic consistentă un modul de deformaţ ie de 2000 kPa. În aceste condiţ ii tasarea poligonului experimental 4 este de 99 mm (Anexa 2.10).
4.5. Poligonul experimental 5
S-a efectuat în vecinătatea poligonului experimental 4, pe pern ă de material granular compactat cu grosimea de 1 m. Dup ă 167 ore de la începerea lest ării tasările nu erau încă integral stabilizate, diferenţ a fa ţă de citirile făcute cu 24 de ore înainte fiind de 1 mm. Tasările după 167 de ore au fost de 49 mm la reperul 1, 43 mm la reperul 2 şi 47 mm la reperul 3. Tasarea medie este de 46 mm. Tasarea estimată prin calcul, considerând E = 2000 kPa pentru stratul de argilă prăfoasă, a rezultat de 57 mm valoare destul de apropiată de rezultatele experimentale. 7
4.6. Concluzii privind poligoanele experimentale
În urma efectuării celor 5 poligoane experimentale şi a comparării măsurătorilor directe de tasare cu cele obţ inute pe cale teoretică, se desprind următoarele concluzii: • Tasările măsurate au rezultat mai mari decât cele estimate iniţ ial prin calcul, rezultând că modulii de deformaţ ie ai straturilor care alcătuiesc terenul de fundare, au fost supraestimaţ i; • Chiar în condiţ iile unor încărcări centrice s-au înregistrat tasări diferenţ iate, uneori semnificative; • Efectul pernei a reieşit semnificativ în cazul poligoanelor 1 şi 3 unde au rezultat tasări de 8…10 mm, în timp ce, pe teren natural a rezultat o tasare de 36 mm; • Referitor la poligonului 5, în comparaţ ie cu poligonul 4, prezenţ a pernei reduce semnificativ tasările şi nu se mai ating dep ăşiri de capacitate portantă dar, cu toate acestea, se obţ in tasări importante sub sarcina de 140 kPa, principalul motiv fiind acela că se măreşte zona activă (adâncimea până la care se resimte efectul încărcării terenului de fundare). • Calculele de tasare ale obiectelor tehnologice din staţ ia de epurare care au fost propuse a se executa pe pern ă de material granular compactat, se vor relua considerându-se presiunea netă egală cu presiunea medie (datorită descărcării terenului în urma excavării). Calculul de tasare se va efectua de sub nivelul t ălpii fundaţ iei (nu de sub nivelul cotei inferioare a pernei, a şa cum s-a făcut în etapa de predimensionare), inclusiv pe grosimea pernei pentru care se va considera un modul de deformaţ ie de 30000 kPa.
5. Dimensionarea pernelor de material granular (piatră spartă) compactat
În Tabelul 5 sunt prezentate valori ale tasărilor obiectelor tehnologice din staţ ia de epurare, în centrul şi colţ urile acestora. Se menţ ionează faptul că din punct de vedere teoretic, aceste tasări diferenţ iate se obţ in atunci când rigiditatea construcţ iei este egală cu rigiditatea pământului. Pentru construcţ ii cu rigiditate mare, aceste diferenţ e sunt mici şi chiar nule în cazul structurilor foarte rigide. În tabel sunt prezentate şi valori ale coeficientului de pat (ks) obţ inuţ i prin calcul invers în funcţ ie de presiunea pe talpa fundaţ iei şi tasarea în centrul construcţ iei (smax) obţ inută prin metoda însumării pe straturi elementare de calcul. Tabelul 5. Tasarea teoretic ă în centrul şi colţ urile obiectelor tehnologice din sta ţ ia de epurare
Nr. O.B.
Denumire
Dimensiuni Presiune Grosime Tasare în Tasare la centrul colturile ks = p/smax in plan pe talpa pernă fundatiei construcţ iei construcţ iei (kN/m3) (m) p (kPa) (m) s (mm) s (mm) max
2 3 7 10 11
7.45 x 4 66 INLET FLOW MEASUREMENT 2.6 x 2.6 209.1 26.8 x 7.9 92.9 BLOWER STATION 7.65 x 3.4 60 OUTLET CHAMBER SLUDGE MIXING CHAMBER 4.9 x 4.9 120.7 OVERFLOW CHAMBER
8
c
1.00 1.00
27.8 48.4
13.8 28.7
2372 4320
2.00 * 1.00 1.00
146.9 23.1 67.5
58.7 10.5 34.5
632.2 2598 1787
14
GAS FLARE
15 16
GAS HOLDER
17 18
SLUDGE STORAGE AREA
19 20
GATEHOUSE
25
SLUDGE STORAGE TANK
OFFICE BUILDING
2.4 x 2
108.2
1.00 *
23.3
18.8
4652
11.5 x 11.5 108.2 7.9 x 7.9 121.1
1.50 * 1.00
124.6 96.2
61.0 44.3
868.8 1259
60.6 x 28.6 102.4 18 x 11.2 96.4
2.00 * 1.50 *
260.9 129.8
96.4 51.2
392.6 742.7
LIQUID GAS TANK
6.3 x 3.6 7 x 1.6
69.3 163.5
1.00 2.50 *
44.5 39.1
19.5 29.1
1556 4178
BIOFILTER
15 x 8.6
154.6
2.50 *
224.6
99.7
688.3
* - grosimi de pern ă rezultate constructiv ca diferenţă între cota platform ă amenajat ă şi cota terenului actual.
Din punct de vedere al unui calcul structural, fundarea pe un p ământ bun, cu compresibilitate foarte mică, nu aduce eforturi suplimentare în structură, indiferent de rigiditatea acesteia (Figura 3.a şi Figura 4.a). În cazul fundării pe un pământ foarte compresibil, o construcţ ie rigidă nu va înregistra tasări diferenţ iate (Figura 3.b), în timp ce una elastică, fie va prelua deformaţ ii foarte mari, fie va ceda (Figura 4.a). Prin calculele de tasare efectuate conform STAS 3300/1-85 au fost simulat condiţ iile reliefate în Figura 4.b.
Figura 3. Fundarea unui radier rigid pe teren cu compresibilitate redus ă (a) şi cu compresibilitate mare (b) („Normativ pentru proiectarea structurilor de fundare direct ă” – NP 112-04)
Figura 4. Fundarea unui radier elastic pe teren cu compresibilitate redus ă (a) şi cu compresibilitate mare (b) („Normativ pentru proiectarea structurilor de fundare direct ă” – NP 112-04)
5.1. Concluzii privind fundarea pe pern ă de piatr ă spart ă compactat ă
Având în vedere valorile extrem de mari ale tasărilor estimate pentru obiectele 17 „Sludge storage area” şi 25 „Biofiler” şi riscul de a apărea tasări diferenţ iate semnificative, pentru aceste obiecte se va proceda la fundarea pe coloane de piatr ă spartă compactată. • Pentru toate celelalte obiecte pentru care s-a studiat posibilitatea fundării pe pernă de pietră spartă compactată se va aplica aceast ă metodă de îmbunătăţ ire a terenului conform prezentului proiect. •
ÎNTOCMIT: Ing. Ernest OLINIC
VERIFICAT: Prof. Univ. Dr .Ing. Sanda MANEA
9
