UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHIFACULTATEA DE CONSTRUCTII SI INSTALATIIMASTER INGINERIE GEOTEHNICA

Conditii speciale de amplasament si solutii de infrastructura

Masterand : Popa Claudiu Constantin

Imbunatatirea terenului pentru reducerea potentialului de lichefiere in cazul fundatiilor pe piloti

Rezumat :Experienta inginereasca arata ca fundatiile pe piloti, chiar daca sunt proiectate corect, pot fi sever avariate in urma cutremurelor. Motivul pentru acest lucru este in multe cazuri lichefierea pamantului din jurul pilotilor. Cu metodele moderne de imbunatatire a pamanturilor, cum ar fi metoda prin vibrare de adancime sau metoda de amestec in adancime, riscul de lichefiere poate fi redus in mod substantial. In aceasta lucrare sunt prezentate cateva exemple internationale de astfel de imbunatatiri ale terenului si sunt date recomandari practice.IntroducereFenomentul de lichefiere se poate produce in urma vibratiilor puternice generate in timpul cutremurelor. Fenomenul apare in general in cazul nisipurilor fine, omogene, cu permeabilitate scazuta. Prin vibratii se creeaza o presiune excesiva in apa din porii pamantului si astfel pamantul isi pierde rezistenta la forfecare si structura granulara cedeaza. Pe langa pierderea capacitatii portante a pilotilor, asupra acestora, in timpul fenomenului de lichefiere, se exercita si forte orizontale foarte mari. Daca pilotii trec prin astfel de straturi cu potential mare de lichefiere si sunt incastrati la baza intr-un strat bun de fundare acestia pot fi suprasolicitati sau se pot curba datorita momentelor incovoietoare mari.

Mecanisme de cedare a pilotilor amplasati in pamanturi lichefiabilePrimul rand de la stanga la dreapta : - pierderea capacitatii portante a pilotilor - rupere din forta taietoare - tasarea excesiva a pamantului adiacent pilotilor - ruperea pilotilor ca urmare a formarii unei suprafete de alunecare in masivul de pamantAl doilea rand de la stanga la dreapta : - pierderea capacitatii portante a pilotilor si pierderea echilibrului masivului de pamant - cedare datorita momentului incovoietor - cedare datorita deformarii tranzitorii a pamantului - pierderea stabilitatii generale a masivului de pamant

Scurta prezentare a procesului de planificare a proiectelor in zonele cu risc de lichefiere1. Stabilirea potentialului de lichefiereUn prim pas pentru stabilirea potentialului de lichefiere este determinarea SSR (seismic stress ratio) coeficientul tensiunilor seismice (SSR = h / v0 ) . O estimare a acestui coeficient se face, in mod usual , cu ajutorul formulei :

h = tensiunea tangentiala (kN/m2)v0 = tensiunea totala (kN/m2)v0 = tensiunea efectiva (kN/m2)amax = acceleratia maxima a terenului in timpul cutremurului (m/s2)0.65 = valoare medie a acceleratiei raportata la acceleratia maximag = acceleratia gravitationala (m/s2)rd = factor de reducere cu adancimea ( ~ 1-0.012 z)z = adancimea (m)2. Determinarea valorii coeficientului de rezistenta seismicaAl doilea pas presupune compararea coeficientului tensiunilor seismice determinat anterior cu un coeficient al rezistentei seismice pune in evidenta starea de eforturi care declanseaza fenomenul de lichefiere. Acest coeficient se determina prin incercari pe teren.Primele evaluari s-au bazat pe incercari de penetrare standard. Rezultatele pot fi vazute in figura urmatoare :

Graficul pune in evidenta relatia intre rezistenta la lichefiere si numarul N de lovituri rezultat in urma incercarilor SPT in pamanturi nisipoase cu diferite procente ale fractiunilor fine (praf, argila).Mai recent se prefera folosirea unor diagrame care coreleaza rezistenta pe varf qc obtinuta in urma incarcarilor de penetrare cu con (CPT), cu coeficientul tensiunilor seismice.O asigurare impotriva lichefierii o avem in cazul in care coeficientul rezistentei seismice este mai mare decat cel al tensiunilor seismice.

Relatia intre rezistenta la lichefiere si rezistenta pe varf determinata prin incercari CPT in pamanturi nisipoase cu diferite procente ale fractiunilor fine argila, praf - (magnitudinea seismica M=7.5)3. Prezentare detaliata a fundatiei pe pilotiPentru fundatiile pe piloti pot fi luate in considerare si alte aspecte in timpul planificarii, cum ar fi : Interactiunea structura-infrastructura-pamant capacitatea portanta a pamantului si evolutia tasarilor fundatiei (de exemplu : pierderea rezistentei la frecare laterala datorita lichefierii, sau frecare negativa datorita tasarilor) deplasarea pamantului din jurul fundatiei rezultand forte si momente aditionaleIn cazul in care prin proiectare nu poate fi asigurata rezistenta pamantului la lichefiere in cazul fundatiilor pe piloti, se poate apela la diferite metode de imbunatatire a pamanturilor pentru marirea rezistentelor acestora si reducerea in acest mod a riscului de lichefiere.

Consideratii privind proiectarea unei astfel de imbunatatiri a terenului prin vibro inlocuireIn continuare se arata cum poate fi redus riscul de lichefiere a pamanturilor prin metoda vibroinlocuirii.Figura de mai jos pune in evidenta un factor de imbunatatire a pamantului prin vibroinlocuire cu ipoteze simplificatoare. Acest factor depinde atat de raportul dintre aria ochiului de retea A si aria coloanei Ac cat si de unghiul de frecare interna a materialului din coloana, c.

Grafic pentru determinarea factorului de imbunatatire (Priebe 1998)

Factorul de reducere a coeficientului tensiunilor seismice in cazul vibro inlocuirii (Priebe 1998)p=efort total; ps=efort preluat de pamantul dintre coloane=ps/p = factor de reducereCu presupunerea plauzibila ca suprafata coloanelor din piatra precum si incarcarile preluate de aceste coloane nu contribuie la lichefiere, acest factor de reducere poate fi folosit in mod egal pentru a reduce coeficientul tensiunilor seismice din timpul cutremurului. Astfel este redusa densitatea necesara a pamantului expus lichefierii.

Metode de imbunatatire a terenului pentru reducerea potentialului de lichefiere in jurul fundatiilor pe piloti Dupa cum s-a mentionat si mai devreme, lichefierea pamanturilor se produce in marea majoritate a cazurilor in urma cutremurelor, in pamanturi necoezive afanate sau mediu indesate cu permeabilitate mica. Intervalul in care se incadreaza aceste pamanturi, care sunt afectate in principal de acest fenomen, este prezentat in urmatoarea figura. Deasemenea sunt puse in evidenta si intervalele de aplicare a metodelor de vibro compactare si vibro inlocuire. Astfel, in timp ce pentru nisipuri cu procente reduse de fractiune fina pot fi applicate cu succes ambele metode, vibroinlocuirea este mai eficienta pe masura ce procentul de fractiune fina creste.

Grafic cu punerea in evidenta a intervalului pamanturilor lichefiabile precum si a aplicabilitatii celor doua metode de imbunatatire a pamanturilor : vibro compactare si vibro inlocuireDate recente arata ca riscul producerii fenomenului de lichefiere trebuie analizat si in cazul pamanturilor argiloase si prafoase. In conformitate cu Eurocodul EC 8 partea 5, riscul de lichefiere nu trebuie neglijat in nisipuri cu un procent de argila de pana la 20 % (Ip>10) sau cu procent de praf de pana la 35 % (N1(60) > 20 pentru SPT).Chiar si pamanturile coezive pot fi susceptibile la lichefiere. Ca un exemplu, asa numitul criteriu chinezesc este prezentat in figura de mai jos, care clasifica pamanturile in lichefiabile si nelichefiabile in functie de umiditatea acestora (w) si limita de lichiditate (WL).

Criteriul chinezesc pentru identificarea pamanturilor lichefiabile

Pamanturi nelichefiabile : w 33.5 % sau fractiunea argila >20 % sau indicele de plasticitate > 13

Pamanturi potential lichefiabile : fractiunea argila 10 %), a fost folosita metoda de imbunatatire prin vibro inlocuire. Pe langa cresterea rezistentei la forfecare a pamantului, cresterea capacitatii portante si a densitatii pamantului s-a observant si permeabilitatea ridicata a coloanelor din piatra un aspect important. In cazul unui cutremur insotit (in general) de o crestere a presiunii apei din pori se poate considera ca se va produce o reducere mai rapida a presiunii apei din pori, evitand in acest fel declansarea lichefierii.

Dispunere tipica a coloanelor (cruce) in jurul pilotilor (cercuri)

Evaluarea riscului de lichefiere si proiectarea coloanelor s-au bazat pe 74 de teste CPT.

In figura de mai jos este prezentata rezistenta la penetrare a pamantului (qc,actual) inainte de imbunatatire precum si rezistenta necesara pentru a impiedica lichefierea atat cu cat si fara coloanele din piatra. Dupa cum se observa, riscul producerii lichefierii in zona de 1.0 2.7 m adancime poate fi evitat prin dispunerea acestor coloane.

Incercare de penetrare cu con Inainte de imbunatatire (qc,actual) Necesara fara coloane(qc0) Necesara cu coloane(qc2)

Din analizele effectuate s-a stabilit ca diametrul coloanelor sa fie de 0.80m, spatierea de 1.35 m si adancimea de 6-7 m.Etapele de executie au fost urmatoarele : Masuratori pe amplasament pentru instalarea utilajului (vibrocat) Realizarea incercarilor CPT inainte de imbunatatire (1 la 1000 m2) Trasarea punctelor de dispunere a coloanelor Datorita stratului superior cu consistenta ridicata a fost necesara preforarea a 2 m in punctele de instalare a coloanelor si afanarea a inca 2 metri in adancime. Realizarea coloanelor cu ajutorul utilajului vibrocat cu inregistrari electronice ale adancimii, timpului si consumului de energie. Realizarea incercarilor CPT dupa imbunatatire, a incercarilor cu placa si incercari la scara reala pentru a confirma valorile parametrilor specificati in proiect.

Proiecte de referinta pentru vibro compactare

Imbunatatirea terenului prin vibro compactare : Centrala Nucleara Fort Calhoun

Construirea centralei nucleare Fort Calhoun, adiacenta raului Missouri in Nebraska a inceput in 1968. A fost fundata pe coloane de tip tevi metalice cu diametrul de 50 cm. Stratificatia terenului consta in principal din nisipuri fine cu continut variabil de praf la partea superioara, starea de indesare modificandu-se cu adancimea (de la afanat la mediu indesat). Roca de baza a fost interceptata la o adancime de aproximativ 20 m. In timpul instalarii coloanelor de fundare s-a facut o analiza mai riguroasa cu privire la nivelul de asigurare seismica. In consecinta a fost necesara densificarea nisipului dintre coloane pana la 20m adancime pentru a elimina riscul producerii lichefierii. Cum prin tehnologia de introducere a coloanelor nu s-a observat o densificare considerabila a fost necesar sa se adopte o alta metoda pentru a realiza acest lucru.Au fost analizate urmatoarele metode : piloti de nisip, piloti de lemn (piloti de compactare), densificare prin explozii si vibro compactare. In timp ce pilotii de compactare nu puteau fi instalati pana la adancimea necesara (din cauza cresterii densitatii nisipurilor cu adancimea) densificarea prin explozii a rezultat a fi nesigura si neeconomica. In final a fost aleasa varianta vibro compactarii ca fiind cea mai economica si eficienta metoda de imbunatatire.In urma unor teste suplimentare au fost determinate consistenta si eficienta precum si spatierea optima a coloanelor.S-a ajuns la concluzia ca prin metoda vibro compactarii atat straturile nisipoase cat si nisipurile prafoase puteau fi densificate cu success pana la o adancime de 20 m.

Muzeul Guggenheim Abu Dhabi : vibro compactare inainte de realizarea pilotilor (2010)

Fundatia Guggenheim va construi cel mai mare muzeu de arta moderna si contemporana in Abu Dhabi. Muzeul va fi construit pe insula Saadiyat conform proiectului realizat de arhitectul american Frank Gehry. Stratificatia pamantului la amplasamentul muzeului consta in nisipuri afanate si mediu indesate pana la o adancime de 4m cu filme subtiri de argila si praf (0.10-0.30m grosime) incepand de la 1.5 m adancime. Sub 4 m starea de indesare a nisipurilor creste. Adancimea de investigare pentru testele CPT a fost 5-7m.

Conturul cladirii cu punerea in evidenta a punctelor de indesare sanga; detaliu grila densificare cu evidentierea pozitiilor pilotilor dreapta.

Pentru a elimina riscul producerii lichefierii in timpul unui cutremur cu magnitudinea 6 cu o acceleratie de varf de 0.20g, masele de nisip trebuiau densificate prin vibro compactare pana la o adancime de 5m. Conform recomandarilor specialistului geotehnician, imbunatatirea terenului trebuia realizata inainte de dispunerea pilotilor.Pentru a determina spatierea necesara intre punctele de densificare au fost realizate incercari de teren cu 3 spatieri diferite (forma triunghiulara) de 3.5m, 4m si 4.5m. Au fost realizate deasemenea 33 de incercari CPT inainte de indesare si 57 de incercari dupa indesare.

Interpretarea rezultatelor a condus la urmatoarele concluzii : Cu o spatiere de 3.5m si 4m rezistenta la penetrare necesara s-a obtinut pe o adancime de pana la 5m in toate straturile compactabile Desi rezistenta la penetrare necesara nu a putut fi obtinuta in straturile necompactabile (straturi cu un continut ridicat de fractiune fina), chiar si acolo riscul lichefierii putea fi redus cu succes.Dupa cele mentionate mai sus s-a ales o spatiere de 4m a punctelor de indesare. Mai jos sunt prezentate rezultatele testelor CPT inainte si dupa imbunatatirea terenului.

Rezultatele incerarilor de penetrare cu con : stanga inainte de imbunatatire dreapta dupa imbunatatire

Se poate observa ca riscul lichefierii pe zona 2.5m 3.6m adancime a fost eliminate cu succes

Proiecte de referinta pentru amestecarea in adancime (Deep Mixing Method, DMM)Eficacitatea metodei de mixare la adancime (DMM) in contextul eliminarii sau reducerii lichefierii a fost confirmata in timpul cutremurului din Kobe din anul 1995 (Topolnicki,, 2004). Un hotel aflat in constructive avand o fundatie din piloti forati intr-o zona nisipoasa a ramas intact deoarece pilotii au fost protejati de elemente DMM fata de lichefierea solului si fluxurile de presiune corespunzatoare, cat si fata de fortele aditionale. Pe de alta parte, structurile aflate in vecinatate nefiind protejate prin DMM au suferit mari deplasari catre frontul de apa.

Dispunerea elementelor DMM sub forma de celule sau asemanator fagurelui este foarte eficienta. Celule unitare izoleaza si incapsuleaza pamantul lichefiabil in timpul unui cutremur si previn deforarea laterala a acestuia. In plus, dispunerea elementelor sub forma de celula reduce tasarile si creste siguranta impotriva cedarii pamantului (Topolnicki, 2004).

Exemple de aplicare a tehnologiei DMM pentru reducerea riscului de lichefiere

RecomandariPrin metodele prezentate de imbunatatire a pamantului, riscul lichefierii din jurul pilotilor poate fi redus. Astfel este posibila o proiectare mai economica a fundatiilor pe piloti.Cu ajutorul diagramelor lui Priebe (1998), proiectantul are un instrument pentru a face o analiza cantitativa a imbunatatirii terenului, in special pentru a reduce coeficientul tensiunilor seismice prin applicarea vibro inlocuirii si vibro compactarii in jurul pilotilor.In timp de vibro compactarea este potrivita in cazul pamanturilor cu granulatie mare , vibro inlocuirea este aplicabila atat in cazul pamanturilor fine si mixte.Prin intermediul metodei de amestecare in adancime (DMM) elementele DMM in forma de fagure pot fi realizate in aproximativ toate tipurile de pamanturi din jurul pilotilor pentru a izola blocuri individuale de pamant, minimizandu-se astfel efectul lichefierii pamantului.Drenuri special in caz de cutremure pot fi amplasate in imediata vecinatate a structurilor si instalatiilor sensibile la vibratii si la tasari.In unele cazuri metodele de imbunatatire prezentate pot fi realizate chiar si ulterior.