Asupra evaluării stării geotehnice a terenului de fundare de sub fundaţii de suprafaţă în vederea reabilitării

Irina Lungu Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi, Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Departamentul de Căi de Comunicaţii şi Fundaţii

A. Stanciu Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi, Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Departamentul de Căi de Comunicaţii şi Fundaţii Membru al Academiei Oamenilor de Ştiinţă din România

M. Aniculăesi, Oana-Elena Colţ Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi, Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Departamentul de Căi de Comunicaţii şi Fundaţii

Cuvinte cheie: degradare structurală, fundaţie, stare limită GEO, soluţie de reabilitare.

REZUMAT: Degradarea structurală a construcţiilor este declanşată de generarea unor incompatibilităţi între efectele acţiunilor şi rezistenţele disponibile. Fundaţiile sunt elemente ale structurii de rezistenţă ce transmit încărcările terenului de fundare şi în consecinţă sunt supuse evaluării atât ca element (starea limită STR) cât şi a terenului de fundare asociat acesteia (starea limită GEO). Aceasta este necesară pentru a decide asupra intervenţiilor necesare reinstalării siguranţei pe noua durată de serviciu, în condiţiile reabilitării. Lucrarea include strategiile posibile pentru evaluarea stării geotehnice a diferitelor categorii de fundaţii de suprafaţă. Această abordare de evaluare urmăreşte respectarea principiilor din SR EN 1997-1 şi 2. În raport de rezultatele evaluării sunt propuse soluţii de intervenţii care să conducă la evitarea instalării stării limită GEO.

1 INTRODUCERE

Fundaţiile construcţiilor sunt elemente care o dată realizate devin lucrări ascunse, a căror comportare prin conlucrare cu terenul conduce la efecte ce devin vizibile în suprastructura respectivei construcţii. Degradările structurale cu diferite intensităţi de manifestare se datorează în majoritatea situaţiilor cumulării unor cauze. De cele mai multe ori, o clasificare a importanţei sau priorităţii unor cauze în raport cu altele, pentru starea de degradre constatată este dificilă de realizat. Cert este însă faptul că terenul de fundare, în dinamica calităţii acestuia ca suport al construcţiei, joacă un rol de control al stării de deformaţie, care schimbă starea de tensiuni şi prin aceasta consumă din rezerva ce ar trebui să existe ca “distanţă” faţă de o stare limită potenţială. Corelarea degradărilor constatate asupra elementelor suprastructurii cu cauze de natură geotehnică este argumentată ştiinţific prin trei tipuri de activităţi:

• evaluarea calitativă a stării structurale a fundaţiilor – prezentată prin degradări constate la dezvelirea parţială a acestora şi caracterizarea gradului de deteriorare;

• cercetarea terenului de fundare – concluzionată prin caracterizarea acestuia în urma unui volum de rezultate ale programului de investigaţii parcurs in situ şi în laborator;

• evaluarea stării geotehnice curente faţă de starea limită GEO, abordând atât posibilitatea unei stări limită ultime dar şi a unei stări limită de serviciu.

Deşi lucrările de reabilitare a construcţiilor devin din ce în ce mai numeroase în România, abordarea unitară a reabilitării infrastructurilor/fundaţiilor este o necesitate ce rezultă din condiţia de respectare a principiilor de proiectare geotehnică actuale. Experienţele acumulate în domeniu, prea puţin aduse la cunoştinţa inginerilor geotehnicieni, sunt privite şi interpretate diferit, în funcţie de dimensiunea problemei: cu înţelegere pe partea economică, cercetarea geotehnică fiind iniţial subfinanţată şi în acest fel justificate măsuri ulterioare de siguranţă suplimentare, invocate de

721

absenţa datelor geotehnice concludente, cu costuri acceptate tacit sporite, şi pe de altă parte, cu exigenţă privind urgenţa intervenţiei, atunci când starea limită GEO fiind instalată, expune lucrarea riscului cedării în ansamblu. Indiferent de situaţia creată de interacţiunea între aspectele geotehnice şi cele economice, siguranţa construcţiilor recâştigată prin reabilitarea fundaţiilor este certificată prin respectarea permanentă a restricţiilor între efectele acţiunilor şi rezistenţele disponibile.

2 FUNDAŢII DE SUPRAFAŢĂ – CATEGORII ŞI PARTICULARITĂŢILE ACESTORA

Degradarea structurală având preponderent cauze de natură geotehnică devine subiect de investigare şi evaluare a rezistenţei disponibile actuale pentru construcţii ce au fundaţii existente din categoria celor de suprafaţă. Monumentele istorice şi alte construcţii, la care prin vârstă rezistenţele materialelor componente înregistrează o scădere semnificativă a valorii lor, cumulează stările limită GEO şi STR prin cedări locale, ca exprimare a conlucrării teren de fundare – fundaţie. Într-o măsură mai mare decât fundaţiile de adâncime, fundaţiile de suprafaţă dezvoltă o zonă activă superficial localizată în scoarţa terestră, în care modificările regimului de apă subterană din ultimele decenii, în principal datorate construirii intense, au condus la reducerea parametrilor ce definesc comportarea mecanică a acelor pământuri.

2.1 Fundaţii continue din zidărie de piatră

Acestea înregistrează cea mai mare frecvenţă la structurile degradate, alcătuite din pereţi portanţi din zidărie, monumente istorice în cea mai mare parte. Cauzele degradărilor sunt de natură obiectivă, având în vedere localizarea în timp a execuţiei construcţiilor [1], [2], [3]:

• absenţa unui studiu geotehnic cu informaţii relevante privind natura pământurilor din cuprinsul zonei active,

• alcătuiri structurale neconforme cu calitatea terenului de fundare, • lianţi cu rezistenţe şi moduli de deformaţie reduşi, care în timp au suferit un proces de

îmbătrânire şi/sau măcinare, • nerespectarea restricţiei privind depăşirea adâncimii de îngheţ în localizarea tălpii

fundaţiilor, • intervenţii anterioare cu materiale cu proprietăţi mecanice mult diferite şi care au creat în

timp fisurări la limita de conlucrare fizică, • amplasarea pe versanţi asupra cărora dezvoltarea urbanistică a zonei a condus la

dezechilibre în masa de pământ ce include şi zona activă a fundaţiilor.

2.2 Fundaţii continue din beton simplu

Aceste fundaţii se regăsesc la construcţii cu pereţi portanţi din zidărie executate în prima jumătate a secolului XX. În realizarea acestor fundaţii, cunoaşterea geotehnică limitată a celor care au proiectat şi executat lucrările, în raport cu exigenţele actuale, însumează majoritatea situaţiilor în care s-au înregsitrat degradări [1], [2], [3], [4]:

• adâncimea de îngheţ în care se găseşte talpa fundaţiilor, • teren slab de fundare neîmbunătăţit, • lipsa armăturilor pentru adaptarea fundaţiilor la starea de deformaţie creată în teren, • compoziţie a betonului insuficientă pentru atingerea unor clase de beton considerate

corespunzătoare conform NP 112/2004, • lăţimea tălpii fundaţiei insuficientă pentru menţinerea unor tasări diferenţiale reduse în

lungul fundaţiilor, • lucrări de hidroizolaţii absente la interfaţa fundaţie-zid, infiltrările de apă fiind cauza

principală a degradărilor suprastructurii.

722

2.3 Fundaţii izolate cu grinzi soclu

Această categorie se regăseşte la structuri majoritar industriale şi agricole, în cadre din beton armat, în alcătuirea cărora, proiectarea geotehnică necorelată cu proiectarea structurală, a condus la degradări importante. Grinzile soclu, categorie aparte de definire a soluţiei de rezemare a pereţilor de închidere, nerecunoscute ca elemente de fundare propriu-zisă au fost identificate în urma investigaţiilor ca fiind menţinute deasupra adâncimii de îngheţ şi armate constructiv. În urma dezvoltării tasărilor diferenţiale, acestea au început să lucreze în încovoiere puternic defavorabil reazemului tasat mai mult, înregistrând cedări structurale. În condiţia unor pământuri sensibile la îngheţ-dezgheţ sau a unor argile expansive, grinzile soclu sunt supuse încovoierii din presiuni de umflare semnificative, generând fisuri la partea superioară, cu consecinţe de degradare asupra pereţilor de închidere. În situaţii numeroase, pentru un timp de execuţie cât mai redus, s-au înregistrat şi execuţii defectuoase ale săpăturilor fundaţiilor izolate, executate mecanizat şi nefinisate la dimensiunile necesare din săpături manuale, talpa fundaţiilor fiind redusă şi prin aceasta rezistenţa (R) a terenului de fundare.

3 PROGRAM DE CERCETĂRI ASUPRA TERENULUI DE FUNDARE

Cercetarea terenului de fundare se finalizează prin studiul geotehnic care este actualmente reglementat prin NP074-2007, completat de NP125-2010, NP126-2010 şi NP122-2010, precum şi de SR-EN 1997/2-2007. Programul lucrărilor de prospectare geotehnică este alcătuit după evaluarea preliminară a categoriei geotehnice în care s-ar încadra lucrarea curentă. Faţă de precizările normelor menţionate, câteva precizări suplimentare se consideră că întregesc suportul decizional al programului de cercetări geotehnice.

3.1 Zona de influenţă a construcţiei

Majoritatea monumentelor istorice sunt parte a zonelor istorice din vatra oraşelor, unde densitatea construirii ridică mari probleme de delimitare a zonei de influenţă în teren, laterală construcţiei. Dacă zona de influenţă o apreciem prin extinderea laterală a soluţiei de consolidare, prospectarea terenului ar putea presupune evaluarea stării de deformaţie din terenul de fundare al vecinătăţilor construite, ceea ce nu este posibil fără o evaluare a compresibilităţii terenului de sub acele construcţii. Prospectarea devine în cel mai bun caz posibilă prin încercări in situ localizate în acord cu limita de proprietate şi rezultatele obţinute să fie extrapolate pentru vecinătăţi. Zona de influenţă considerată în raport cu terenul de fundare a fundaţiei [5], cu luarea în considerare a soluţiei de reabilitare, localizează prospectarea lateral fundaţiei existente, pe adâncimea care anticipează zona activă în raport de lăţimea fundaţiei. Sondajele, deşi de cele mai multe ori întâlnite ca unice lucrări de prospectare, prin continuarea dezvelirii fundaţiilor existente, oferă rezultate inconcludente prin localizarea şi calitatea probelor extrase, în corelaţie cu direcţia de prelevare (laterală) diferită faţă de cea de încărcare a terenului (verticală). Forajele sunt preferate, având ca limitări apropierea insuficientă de adevăratul teren de fundare şi un acces dificil pentru vecinătăţi care restricţionează accesul acestui tip de utilaj cu gabarit de lucru semnificativ.

3.2 Dezvelirea fundaţiilor

Amplasarea lucrărilor de decopertare/dezvelire a fundaţiilor este asociată cu zonele degradate din suprastructură, cu poziţionarea şi importanţa vecinătăţilor, cu configuraţia terenului din jurul construcţiei şi cu anticiparea extinderii lucrărilor de reabilitare [3], [5]. Dimensiunile fundaţiilor: lăţime, lungime, înălţime şi adâncime de fundare, cumulate cu starea de degradare a corpului fundaţiilor sunt date care conturează pentru fiecare caz o situaţie unică. Prin aceasta apare şi

723

justificarea absenţei unei detalieri mai mari în norme, fiind evident că anumite decizii sunt luate conjunctural, fără o planificare de birou. Avantajul existent în investigarea unui monument istoric este o istorie transmisă sub o formă sau alta asupra intervenţiilor care s-au realizat şi prin aceasta o anticipare mai clară a zonelor de interes la dezvelirea fundaţiilor. Un risc potenţial în aceste dezveliri este declanşarea unui proces accelerat de cedare prin dezechilibre aduse masei de pământ din lateralul fundaţiei. Extinderea în lungul fundaţiilor a dezvelirilor trebuie să fie condusă prin urmărirea stării structurale din corpul fundaţiei, în paralel cu continuitatea naturii terenului de la nivelul tălpii fundaţiei. Dimensiunile evaluate corect ale tălpii fundaţiei şi localizarea acesteia prin adâncimea de fundare reprezintă elementele cheie de evaluare geotehnică a terenului de fundare în vederea reabilitării.

4 EVALUAREA STĂRII GEOTEHNICE APLICÂND SR-EN 1997/1

Finalizarea programului de cercetări asupra terenului de fundare şi fundaţiilor furnizează principalul set de date pentru evaluarea prin calcul a stării geotehnice, verificând evitarea unei stări limită ultime prin îndeplinirea condiţiei [6]:

dRdE ≤ (1)

unde Ed reprezintă efectele acţiunilor, cu coeficienţi parţiali aplicaţi fie acţiunilor (Frep – valoarea reprezentativă a acţiunilor) fie direct asupra efectelor acţiunilor (E):

};/;{ daMkXrepFFEdE γγ ⋅= sau };/;{ daMkXrepFEEdE γγ= (2)

iar Rd fiind rezistenţele disponibile, coeficienţii parţiali putând fi aplicaţi fie proprietăţilor terenului (X), fie rezistenţelor după ce sunt calculate cu valorile caracteristice (R), fie la ambele simultan:

{ }; / ;d F rep k M dR R F X aγ γ= , { }; ; /d F rep k d RR R F X aγ γ= , { }; / ; /d F rep k M d RR R F X aγ γ γ= (3)

Grupând prin coeficienţi parţiali specifici (folosind semnul „+”) acţiunile/efectele acţiunilor (A) cu materialele (parametrii rezistenţei la forfecare - M) şi cu rezistenţele ca forţe calculate după teorii de calcul folosind valorile caracteristice ale parametrilor rezistenţei la forfecare (R), verificarea condiţiei dată de relaţia (1) are loc prin trei abordări de calcul (AC) [6]: AC1, în combinaţiile 1 şi 2; AC2 şi AC3. Anexa naţională la SR-EN 1997/1-2004 admite abordările de calcul AC1 în combinaţiile 1 şi 2 şi AC3, fără a considera relevantă AC2.

4.1. Consideraţii privind calculul din cadrul expertizei geotehnice

Dimensiunile măsurate prin releveu aplicat corpului fundaţiei în urma dezvelirii parţiale sunt acceptate pentru calculul rezistenţei terenului de fundare la acţiuni verticale, de cele mai multe ori prin afectarea valorii finale cu un coeficient de model care ţine seama de amploarea incertitudinii în rezultatele obţinute din calcul. Astfel, lăţimea rămasă activă după înlăturarea din valoarea măsurată a zonelor marginale degradate sau insuficient menţinute continui cu zona mediană este cea care devine valoare nominală, ulterior mediată pe toate zonele de măsurare similare [7], devenind valoare caracteristică pentru evaluarea prin calcul a rezistenţei terenului la fundaţiile continui.

Deşi dificil, este important ca valorile caracteristice ale parametrilor rezistenţei la forfecare să aibă în aprecierea lor anticiparea cedării structurale ulterioare [5], dacă este locală sau generală, antrenând in investigare şi evaluare volume de pământ localizate sau de pe întreg ansamblul construit. Din acest punct de vedere, inginerul geotehnician şi cel structurist pot determina prin comunicare eficientă o evaluare în care siguranţa este apreciată realist.

Starea permanentă invocată pentru evaluarea geotehnică din cadrul expertizei geotehnice la care este supus terenul din zona de influenţă este cea care dictează cum sunt conduse şi corelate valorile rezultate din încercările geotehnice de laborator. Ulterior, pentru evaluarea siguranţei geotehnice în

724

derularea lucrărilor de reabilitare, starea tranzitorie va defini cadrul de obţinere a valorilor geotehnice relevante pentru această situaţie temporară.

4.2. Consideraţii privind calculul pentru proiectarea soluţiei de reabilitare

Soluţiile de reabilitare a fundaţiilor pentru reinstalarea siguranţei geotehnice vizează în principal mărirea dimensiunilor fundaţiei (prin extinderea tălpii şi/sau a adâncimii de fundare) acompaniată eventual de îmbunătăţirea locală a paramterilor rezistenţei la forfecare prin diverse metode şi tehnologii. Se ajunge astfel la o cămăşuire, dublând astfel efectul geotehnic cu unul structural, pe ansamblul corpului fundaţiei. Dacă sistemul structural iniţial se modifică prin adăugarea unor noi elemente verticale portante, acestea vor reclama prezenţa unor fundaţii, ceea ce va aduce o modificare a configuraţiei iniţiale a tălpii fundaţiei [3], cu suprafeţele aferente necesare transferului încărcărilor înspre teren, în condiţiile îndeplinirii restricţiei (1).

Cea mai dificilă evaluare este cea a parametrilor rezistenţei la forfecare pentru un teren recent îmbunătăţit, în majoritatea cazurilor local. Aprecierea îmbunătăţirii prin încercări in situ comportă un grad mare de aproximare, prin distanţa laterală faţă de zona mediană a terenului de sub fundaţie. De la caz la caz, evaluarea directă sau indirectă a parametrilor rezistenţei la forfecare şi a modulului de deformaţie pentru terenul îmbunătăţit rămâne să fie personalizată [7], [8], [9], în funcţie de experienţa inginerului geotehnician în lucrări similare şi a contractorului care execută îmbunătăţirea.

În principal, etapele evaluării geotehnice pot fi considerate integrate într-o schemă logică de tipul celei prezentate în figura 1.

5 CONCLUZII

Reabilitarea infrastructurilor este un proces de reinstalare a siguranţei în transferul încărcărilor de la construcţii la teren, în mediul construit actual şi de perspectivă, aplicând principiile dezvoltării durabile. Evaluarea stării geotehnice a terenului de fundare înainte şi după execuţia reabilitării trebuie să releve prin calcul probabilistic siguranţa reinstalată. Este esenţial ca după execuţia reabilitării, monitorizarea lucrărilor să devină o activitate permanentă care să prevină apariţia degradărilor şi să valideze bunele practici în abordarea procesului de reabilitare. Întrucât experienţa în domeniu este limitată ca literatură de specialitate este necesară continua diseminare a experienţelor acumulate în expertizele tehnice şi proiectarea lucrărilor de reabilitare, inclusiv cazurile în care anticiparea soluţiei nu s-a dovedit în timp alcătuită iniţial cu suficientă rezervă de siguranţă.

BIBLIOGRAFIE

1. Tologea S., Probleme privind patologia şi terapeutica construcţiilor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1976. 2. Popa A., Ilieş N.M., Consolidarea Fundaţiilor, Ed. UT Press, Cluj Napoca, 2009. 3. Budescu M., Ciongradi I.P., Ţăranu N., Gavrilaş I., Ciupală M.A., Lungu I., Reabilitarea Construcţiilor, Ed. Vesper, Iaşi, 2001. 4. Knut I.E., Foundation retrofit & rehabilitation, Bulletin of the Norwegian Building Research Institute, Universiy of Alaska Fairbankc, 1989. 5. *

** NP074 – 2007, Normativ privind documentaţiile geotehnice pentru construcţii, MO, partea I. Nr.911bis, 2006.

6. **

* SR-EN 1997/1-2004, Eurocod 7: Proiectarea geotehnic Partea 1: Reguli generale. 7. *

** NP122-2010, Normativ privind determinarea valorilor caracteristice de calcul ale parametrilor geotehnici .

8. Lungu I., Boţi N., Lungu I., Probleme Speciale de Geotehnică şi Fundaţii, Editura Junimea, Iaşi, 2003. 9. Stanciu A., Lungu I., Fundaţii – I, Editura Tehnică, Bucureşti, 2006.

725

Figu

ra 1

. Eva

luar

ea stăr

ii ge

oteh

nice

în re

abili

tare

a fu

ndaţ

iilor

726