Post on 27-Dec-2019
transcript
UNIVERSITATEA TEHNICĂ „GHEORGHE ASACHI” DIN IAȘI
FACULTATEA DE CONSTRUCȚII ȘI INSTALAȚII
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN
ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
TEZĂ DE DOCTORAT -REZUMAT-
Doctorand:
Ing. Andreea - Cristina Bitir (căsăt. Buliga)
Conducător de doctorat:
Prof. univ. dr. ing. Vasile Mușat
Iași
Octombrie 2017
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
i
CUPRINS
CAP.1. INTRODUCERE 1/3 1.1. Importanța și obiectivele tezei de doctorat 1
1.2. Structurarea tezei de doctorat 2
CAPITOLUL 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND
STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN METODE
DE MALAXARE
3/9
2.1. Aspecte generale privind îmbunătățirea terenurilor 3
2.1.2. Clasificarea metodelor de îmbunătățire în adâncime a
terenurilor prin malaxare 3
2.2. Principiul de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare 4 2.2.1. Aspecte generale privind stabilizarea pământurilor în
adâncime prin malaxare 4
2.2.3. Proprietățile fizico-mecanice ale pământurilor stabilizate
în adâncime prin malaxare şi factorii care influențează aceste
performanțe
6
2.2.3.1. Proprietățile fizice ale pământurilor stabilizate în
adâncime prin malaxare 6
2.2.3.1.1. Umiditatea 6
2.2.3.1.3. Densitatea 6
2.2.3.1.4. Plasticitatea și consistența 6
2.2.3.1.5. Permeabilitatea 6
2.2.3.2. Proprietățile mecanice ale pământurilor stabilizate în
adâncime prin malaxare mecanică 7
2.2.3.2.1. Caracteristici de rezistență 7
2.2.3.2.1.1. Rezistența la compresiune monoaxială 7
2.2.3.2.1.2. Deformația specifică la rupere 9
2.2.3.2.1.3. Rezistența la forfecare 9
2.2.3.2.1.4. Rezistența la întindere 9
CAPITOLUL 3. ETAPIZAREA UNUI PROIECT DE STABILIZARE ÎN
ADÂNCIME A PĂMÂNTULUI PRIN METODE DE MALAXARE 9/14
3.1. Program de investigare a condițiilor geotehnice din amplasament 10 3.2. Program experimental de laborator - investigarea proprietăților
pământurilor malaxate cu agenți de stabilizare 10
3.3. Program experimental de teren - testarea elementelor de probă 11 3.4. Procesul de proiectare geotehnică a pământului stabilizat 11
3.4.1. Proiectarea geomaterialului 11
3.4.2. Proiectarea geometrică 11
3.5. Procesul de execuţie 12
3.5.1. Descrierea proiectului și a soluției adoptate 12
3.5.2. Prezentarea tehnologiei de execuție adoptată 12
CAPITOLUL 4. PROGRAM EXPERIMENTAL DE LABORATOR -
EVALUAREA PARAMETRILOR GEOTEHNICI AI UNUI PĂMÂNT
DE TIP LOESS MALAXAT CU SUSPENSIE DE CIMENT
14/29
4.1. Scopul programului experimental 14
4.2. Caracteristicile chimico-mineralogice, fizice şi mecanice ale 14
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
ii
pământului în stare naturală
4.3. Caracteristicile chimico-mineralogice, fizice şi mecanice ale
cimentului 17
4.4. Planul de desfășurare al programului experimental de laborator 18
4.5. Procedura de pregătire şi de depozitare a probelor 19
4.5.1. Echipamente și materiale necesare 19
4.5.2. Etapele de pregătire a probelor de mixtură pământ-agent
de stabilizare 20
4.6. Teste de laborator – Încercarea de compresiune monoaxială 21
4.7. Prezentarea și interpretarea rezultatelor obținute în cadrul
încercărilor de compresiune monoaxială 21
4.7.1. Rezistența la compresiune monoaxială, qu 21
4.7.2. Rezistența la forfecare în condiții nedrenate, su 24
4.7.3. Deformația axială specifică la rupere, εf 24
4.7.4. Modulul de elasticitate secant, E50 24
4.8. Proprietățile chimico-mineralogice ale pământului malaxat cu
suspensie de ciment 25
4.9. Proprietățile fizice și chimice ale pământului malaxat cu
suspensie de ciment 28
4.9.1. Granulometria pământului malaxat cu suspensie de
ciment 28
4.9.4. pH-ul pământului malaxat cu suspensie de ciment 28
CAPITOLUL 5. STABILIZAREA PĂMÂNTURILOR ÎN ADÂNCIME
PRIN MALAXARE ÎN VEDEREA CREȘTERII SIGURANȚEI
SISTEMULUI STRUCTURĂ - TEREN DE FUNDARE
29/55
5.1. Descrierea obiectivului analizat 29
5.2. Prezentarea condițiilor de teren 30
5.3. Prezentarea soluției de consolidare propusă 30
5.4. Program experimental de laborator 31
5.4.1. Descrierea programului experimental de laborator 31
5.4.2. Testele de laborator – Încercarea de compresiune
monoaxială 32
5.4.3. Prezentarea și interpretarea rezultatelor obținute în
cadrul încercărilor de compresiune monoaxială 32
5.5. Program experimental de teren 34
5.5.1. Descrierea programului experimental de teren 34
5.5.2. Descrierea tehnologiei de execuție utilizată 35
5.5.3. Planul de desfășurare al poligonului experimental de
teren 35
5.5.4. Prezentarea încercărilor și testelor de verificare şi
asigurare a calității pe parcursul execuției și ulterior acesteia 36
5.5.4.1. Încercări şi teste de laborator 36
5.5.4.2. Încercări şi teste in situ 37
5.5.5. Prezentarea și interpretarea rezultatelor aferente
programului experimental de teren 39
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
iii
5.5.5.1. Încercări şi teste de laborator 39
5.5.5.1.1. Teste de compresiune monoaxială efectuate asupra
probelor prelevate în stare proaspătă din corpul coloanelor
executate
39
5.5.5.1.2. Teste de compresiune monoaxială efectuate asupra
probelor prelevate prin carotare, după întărire 41
5.5.5.2. Încercări şi teste in situ 42
5.5.5.2.1. Încercări nedistructive de carotaj ecosonic prin
impedanță mecanică 42
5.5.5.2.2. Încercări de penetrare dinamică pe con 43
5.5.5.2.3. Încercări statice axiale la compresiune și la smulgere 44
5.6. Proiectarea geotehnică a terenului de fundare 45
5.6.1. Proiectarea geotehnică a terenului de fundare în stare
naturală 45
5.6.2. Proiectarea geotehnică a terenului de fundare stabilizat
în adâncime prin malaxare cu suspensie de ciment 45
5.6.2.1. Proiectarea geomaterialului 45
5.6.2.2. Proiectarea geometrică 45
5.6.2.2.1. Modelul de calcul analitic 46
5.6.2.2.1.1. Ipoteza de calcul I – Asimilarea terenului tratat ca
un sistem compozit 46
5.6.2.2.1.2. Ipoteza de calcul II – Asimilarea terenului tratat ca
un sistem alcătuit din două subsisteme, unul reprezentat de
elementele rigide de pământ îmbunătățit prin malaxare iar
celălalt subsistem reprezentat de terenul natural, netratat din jur
47
5.6.2.2.2. Modelul de calcul numeric 47
5.6.2.2.2.1. Evaluarea stării de deformație a terenului de
fundare înainte de intervenția de stabilizare în adâncime prin
malaxare cu suspensie de ciment
47
5.6.2.2.2.2. Evaluarea stării de deformație a terenului de
fundare după intervenția de stabilizare în adâncime prin
malaxare cu suspensie de ciment
48
5.6.2.2.2.2.1. Ipoteza de calcul I – Asimilarea terenului tratat ca
un sistem compozit 48
5.6.2.2.2.2.2. Ipoteza de calcul II – Asimilarea terenului tratat
ca un sistem alcătuit din două subsisteme, unul reprezentat de
elementele rigide de pământ îmbunătățit prin malaxare iar
celălalt subsistem reprezentat de terenul natural, netratat din jur
49
5.6.3. Centralizarea rezultatelor și concluzii 50
5.7. Aspecte economice. Analiză tehnico-economică comparativă 51
5.8. Aspecte de execuție a elementelor de tip coloană de pământ
stabilizat prin malaxare mecanică cu suspensie de ciment 51
5.9. Controlul calității pe parcursul execuției și ulterior acesteia 54
CAPITOLUL 6. CONCLUZII GENERALE. CONTRIBUŢII
PERSONALE. VALORIFICAREA REZULTATELOR 56/68
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
iv
6.1. Concluzii generale 56
6.2. Contribuții personale 65
6.3. Valorificarea rezultatelor 67
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ 69/71
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
1
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
1.1. Importanța, obiectivele și structurarea tezei de doctorat
Tema abordată în cadrul tezei de doctorat, respectiv stabilizarea în adâncime a
pământurilor prin malaxare, este de actualitate, cu directă aplicabilitate practică și cu un
potențial de dezvoltare ridicat. Stabilizarea în adâncime a pământurilor prin malaxare
reprezintă un procedeu prin care sunt îmbunătățite caracteristicile fizice și mecanice ale
terenurilor, în continuu progres tehnologic și de extindere a ariei de aplicații în domeniul
ingineriei geotehnice.
Principalele obiective ale lucrării de doctorat sunt:
- Efectuarea studiului documentar și aprofundarea noțiunilor fundamentale ce
stau la baza procedeelor de îmbunătățire sau tratare a terenurilor, punându-se accentul pe
particularitățile, aplicațiile, avantajele și limitările metodelor de stabilizare în adâncime a
pământurilor prin malaxare;
- Evidențierea factorilor de influență, proceselor fizice și reacțiilor chimice, ce
intervin în stabilizarea pământurilor prin malaxare în adâncime și determină modificarea
proprietăților acestora;
- Identificarea și prezentarea etapelor specifice unui proiect de stabilizare în
adâncime a pământurilor prin malaxare;
- Efectuarea unui program experimental de laborator privind performanțele
geotehnice ale unui pământ sensibil la umezire, malaxat cu suspensie de ciment.
Evidențierea procedurilor de pregătire, depozitare și testare a probelor de pământ - agent
de stabilizare. Evaluarea caracteristicilor chimico-mineralogice, fizice, și mecanice ale
pământului în stare naturală și după malaxarea acestuia cu suspensii de ciment, pregătite
după diverse rețete.
- Exemplificarea metodologiilor și procedeelor abordate în practica curentă,
specifice etapelor de proiectare și de execuție, prin prezentarea unui proiect de stabilizare
în adâncime a pământurilor prin malaxare. Realizarea de cercetări experimentale în
laborator și in situ pentru evidențierea performanțelor fizice și mecanice ce pot fi obținute
în condițiile specifice proiectului. Identificarea etapelor tehnologice ce trebuie parcurse în
cadrul procesului de execuție și metodele de evaluare și asigurare a calității.
- Formularea unor concluzii și recomandări privind aspecte practice, de
proiectare și execuție, ale metodelor de stabilizare în adâncime a pământurilor prin
malaxare, ce pot constitui un punct de plecare în vederea întocmirii unui document tehnic
(normativ, ghid de proiectare și/sau execuție).
1.2. Structurarea tezei de doctorat
Teza de doctorat a fost structurată pe șase capitole, concepute astfel încât să
corespundă obiectivelor menționate anterior.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
2
În Capitolul 1: „Introducere” sunt prezentate obiectivele și structurarea lucrării
de doctorat cu prezentarea rezumativă pe capitole.
Capitolul 2: „Stadiul actual al cercetărilor privind stabilizarea în adâncime a
pământurilor prin metode de malaxare” prezintă o sinteză a documentării la zi privind
noțiunile de bază și particularitățile temei abordate. Studiul de aprofundare a noțiunilor
teoretice a fost efectuat în principal, în cadrul stagiului de mobilitate Erasmus efectuat la
KTH Royal Institute of Technology – Stockholm, Suedia. Capitolul cuprinde prezentarea
următoarelor aspecte: clasificarea metodelor de stabilizare în adâncime a pământurilor
prin malaxare, scurt istoric de dezvoltare al tehnologiilor specifice metodei, tipurile de
aplicații, avantajele și dezavantajele metodei, reacțiile chimice și procesele fizice care stau
la baza procesului de tratare a terenului malaxat cu diverși agenți de stabilizare,
proprietățile fizice și mecanice ale pământurilor stabilizate în adâncime prin malaxare și
factorii care le influențează.
Capitolul 3: „Etapizarea unui proiect de stabilizare în adâncime a pământului
prin metode de malaxare” reprezintă o componentă de documentare importantă pentru
practica inginerească, întrucât în cadrul acesteia sunt detaliate fazele specifice ale unui
proiect ce abordează metoda studiată. Aspectele prezentate în acest capitol sunt susținute
și de informațiile obținute în cadrul stagiului de pregătire efectuat de autoare, la
departamentele de proiectare și execuție ale companiei Keller Polska, filiala din Varșovia
- Polonia. Se prezintă programele pentru investigarea: condițiilor geotehnice din
amplasament, proprietăților pământurilor malaxate cu agenți de stabilizare și
performanțelor elementelor de probă; etapele de proiectare geotehnică, execuție și
verificare a calității elementelor de pământ stabilizat în adâncime prin malaxare.
Capitolul 4: „Program experimental de laborator - evaluarea parametrilor
geotehnici ai unui pământ de tip loess malaxat cu suspensie de ciment” prezintă
rezultatele componentei de cercetare experimentală desfășurată în laboratorul de
geotehnică al Departamentului de Căi de Comunicații și Fundații - Facultatea de
Construcții și Instalații din Iași, în colaborare cu Departamentului de Inginerie Mecanică,
Mecatronică și Robotică - Facultatea de Mecanică, Iași și Departamentul de Știința
Materialelor – Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor, Iași. Capitolul se referă în
principal, la: caracteristicile chimico-mineralogice, fizice și mecanice ale pământului
natural, cimentului și pământului stabilizat, procedurile de pregătire, depozitare în vederea
întăririi și de testare a probelor de pământ-suspensie de ciment, interpretarea și formularea
unor concluzii privind rezultatele obținute în cadrul încercărilor de laborator.
Capitolul 5: „Stabilizarea pământurilor în adâncime prin malaxare în vederea
creșterii siguranței sistemului structură - teren de fundare” prezintă modul de abordare
practic dar și experimental al unui studiu de caz - proiect al cărui obiectiv a constat în
consolidarea în adâncime a terenului de fundare, aferent unei construcții existente de tip
hala industrială, amplasată în județul Alba. În colaborare cu societatea SBR Soletanche
Bachy Fundații – Filiala București, autoarea a fost implicată în cadrul acestui proiect, fiind
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
3
responsabilă de planificarea și desfășurarea activităților de cercetare aferente
investigațiilor de laborator, poligoanelor experimentale in situ, dar și de efectuarea
încercărilor de laborator în faza de execuție propriu-zisă a coloanelor de sub fundații.
Capitolul detaliază aspecte privind: obiectivul analizat, condițiile de teren inițiale, analize
și teste efectuate în programele experimentale de laborator și de teren în cadrul cărora a
fost stabilită rețeta suspensiei de ciment și au fost evaluate caracteristicile coloanelor și
influența acestora asupra terenului netratat din jur, metodologii abordate în proiectarea
geotehnică a coloanelor de pământ stabilizat, analiză tehnico-economică efectuată în
comparație cu o tehnologie tradițională, tehnologia și echipamentele de execuție, controlul
și asigurarea calității pe parcursul și post execuție.
În Capitolul 6: „Concluzii generale. Contribuții personale. Valorificarea
rezultatelor.” se formulează concluzii asupra subiectului lucrării, cu evidențierea
contribuțiilor personale și se prezintă modul de diseminare al rezultatelor obținute în
cadrul programului de cercetare științifică.
CAPITOLUL 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND
STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN METODE
DE MALAXARE
2.1. Aspecte generale privind îmbunătățirea terenurilor
2.1.2. Clasificarea metodelor de îmbunătățire în adâncime a terenurilor prin
malaxare
Tratarea în adâncime a pământului prin malaxare cu agenți de stabilizare
reprezintă o variantă economică și rapidă prin care sunt îmbunătățite performanțele
inginerești și de mediu ale pământurilor pentru adâncimi mai mari ca 3 m (SR EN 14679,
2006). Îmbunătățirea sau tratarea pământului are loc prin introducerea agentului de
stabilizare în teren şi malaxarea acestuia cu pământul rezultând astfel, elemente alcătuite
dintr-un geomaterial cu caracteristici fizico-mecanice sporite i.e. rezistență mărită,
deformabilitate și permeabilitate redusă (Topolnicki, 2013). Stabilizarea în adâncime prin
malaxare poate fi aplicată cu succes în cazul argilelor moi, pământurilor granulare fine și
cu granulație medie, prafurilor, dar și în cazul pământurilor organice și pământurilor
contaminate (Topolnicki, 2013; EuroSoilStab, 2002).
Cei mai utilizați agenți de stabilizare sunt cimentul, varul, zgura granulată de
furnal, cenușa de termocentrală, gipsul, diverşi reactivi chimici și biologici . Agentul de
stabilizare sub formă de pulbere sau suspensie, poate fi un singur liant sau o combinație de
lianți şi filer (praf de calcar, nisip) sau alte adaosuri (fluidizant, întârzietor, agent antrenor
de aer, etc.). Stabilizarea terenului natural, devine posibilă prin intermediul proceselor
fizice și reacţiilor chimice de scurtă durată care leagă particulele de pământ i.e. reacții de
hidratare a liantului și reacții de schimb cationic dar şi reacții chimice de lungă durată care
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
4
conferă rezistență amestecului i.e. reacţiile puzzolanice (Porbaha 1998; Porbaha et.al.,
2000; Åhnberg & Johansson, 2005; Topolnicki, 2013; Nicholson, 2014).
Dezagregarea terenului natural, injectarea agentului de stabilizare și amestecarea
acestuia cu pământul sunt realizate prin intermediul uneltelor de amestecare prevăzute cu
una sau mai multe unități rotative cu diferite forme, dimensiuni şi configurații geometrice
e.g., burghie, lame, palete, freze, brațe rabatabile (SR EN 14679, 2006).
Metodele de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare pot fi
clasificate având în vedere trei criterii principale (Topolnicki, 2013; Kitazume & Terashi,
2013; Bruce, 2000; Bruce et al., 2013):
Criteriul numărul 1: Principiul de amestecare
Funcție de modul în care are loc amestecarea pământului cu agentul de
stabilizare, se disting trei tipuri de metode de stabilizare în adâncime a pământurilor prin
malaxare: metode mecanice (dezvoltate exclusiv în prezenta lucrare), metode ce utilizează
jetul de înaltă presiune şi metode hibride sau mecanice asistate de jet de înaltă presiune.
Criteriul numărul 2: Starea de agregare a agentului de stabilizare
Funcție de starea de agregare a agentului de stabilizare se deosebesc două
categorii principale de metode de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare:
metode uscate şi metode umede.
Criteriul numărul 3: Poziția unităților rotative de malaxare
Funcție de poziția unităților rotative la nivelul uneltei de malaxare, metodele de
stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare se împart în două categorii: metode
cu unitățile rotative dispuse la partea inferioară a uneltei de malaxare şi metode cu
unitățile rotative dispuse în lungul uneltei de malaxare.
Figura 2.3. Unelte de tăiere şi amestecare cu rotaţie după axa verticală – Metoda
mecanică Deep Soil Mixing (http://www.kellerholding.com/deep-soil-mixing.html)
2.2. Principiul de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare
2.2.1. Aspecte generale privind stabilizarea pământurilor în adâncime prin malaxare
Metodele de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare pot fi aplicate
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
5
cu bune rezultate în cadrul proiectelor ale căror obiective vizează următoarele aspecte
geotehnice (EuroSoilStab, 2002; Kitazume & Terashi, 2013):
reducerea deformabilității terenului care implică reducerea deplasărilor
verticale (tasărilor) și a deplasărilor orizontale;
creșterea rezistenței terenului care conduce la sporirea stabilității taluzurilor și
versanților, mărirea capacității portante, reducerea împingerii active și sporirea
rezistenței pasive în cazul zidurilor de sprijin și eliminarea sau limitarea
potențialului de lichefiere;
creșterea rigidității dinamice a pământului care implică diminuarea propagării
vibrațiilor și sporirea durabilității în cazul solicitărilor dinamice și ciclice;
scăderea permeabilității terenului.
În Figura 2.6. sunt exemplificate câteva aplicații ale metodelor de stabilizare a
pământurilor în adâncime prin malaxare, definite în raport cu obiectivele intervenției
(Soilmec, 2013).
Figura 2.6. Aplicații ale metodelor de stabilizare în adâncime a terenului prin malaxare
Tabel 2.0. Avantajele şi dezavantajele stabilizării în adâncime a pământurilor prin
metode de malaxare (după Topolnicki, 2013; Bruce et.al., 2013 și EuroSoilStab 2002)
Avantaje Dezavantaje
Nu necesită evacuarea pământului Adâncimi limitate în funcție de tehnologia adoptată
Nu necesită întreruperea funcționalității
structurilor de pe amplasamentul respectiv
pentru o perioada lungă de timp
Posibilitatea de instalare în poziție
înclinată a elementelor este limitată
Permite controlul parametrilor de execuție prin
sistemele integrate de monitorizare
Echipamentele de execuție sunt de cele mai multe
ori voluminoase și grele și pot genera probleme
grave în cazul pământurilor foarte moi
Implică costuri reduse și asigură productivitatea
mare
Posibile variații ale elementului de pământ tratat
privind omogenitatea și continuitatea acestuia
Nu poluează și nu generează zgomote și vibrații
importante
Pentru a ajunge la performanțele pentru care au fost
concepute, elementele de pământ tratat necesită
timp de întărire
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
6
2.2.3. Proprietățile fizico-mecanice ale pământurilor stabilizate în adâncime prin
malaxare şi factorii care influențează aceste performanțe
2.2.3.1. Proprietățile fizice ale pământurilor stabilizate în adâncime prin malaxare
2.2.3.1.1. Umiditatea
Umiditatea pământului stabilizat în adâncime prin malaxare scade pe măsură ce
conținutul de agent de stabilizare creşte (Filz et.al., 2012). În cea mai mare parte,
reducerea umidității pământului se produce în prima săptămână după stabilizare, deși o
descreștere continuă a umidității pe parcursul primei luni a fost deseori raportată
(Åhnberg, 2006). Prin amestecarea pământului cu var, umiditatea acestuia scade, ca
urmare a două procese: primul proces constă în hidratarea varului şi cel de-al doilea în
evaporarea datorată căldurii degajate în cadrul procesului de hidratare (Nicholson, 2012).
2.2.3.1.3. Densitatea
În cazul stabilizării uscate a argilelor, prafurilor şi pământurilor granulare fine,
densitatea poate varia cu ±5% în cazul malaxării cu var nestins şi să crească cu 3% până la
15% în cazul malaxării cu pulbere de ciment (Topolnicki, 2004). Prin malaxarea cu agenți
de stabilizare de tip pulbere a pământurilor organice caracterizate printr-un conținut ridicat
de umiditate, densitatea acestora creşte. Pentru stabilizarea umedă, densitatea pământurilor
după malaxarea cu suspensie de ciment nu suferă modificări semnificative. Ca urmare a
faptului că modificările densității sunt mici, în cadrul procesului de proiectare, greutatea
volumică a pământului stabilizat se consideră egală cu greutatea volumică a pământului în
stare naturală (Bruce et.al., 2013; Topolnicki, 2013).
2.2.3.1.4. Plasticitatea și consistența
În cadrul reacţiilor de schimb cationic ce au loc în pământul malaxat cu var sau
ciment, ionii de potasiu K+ şi de sodiu Na+ sunt substituiți de ionii de Ca2+ eliberați în
urma hidratării varului sau cimentului. Drept urmare, se produce creşterea limitei de
plasticitate inferioară wP, reducerea limitei de plasticitate superioară wL şi implicit
micșorarea indicelui de plasticitate IP (Kitazume & Terashi, 2013). Limita de plasticitate
inferioară creşte progresiv şi pe măsură ce cantitatea de var creşte.
2.2.3.1.5. Permeabilitatea
Cantitatea, tipul și starea de agregare a agentului de stabilizare influențează în
mare măsură permeabilitatea pământului tratat (Åhnberg, 2003; Kitazume & Terashi,
2013; Filz et.al, 2012). Stabilizarea uscată a pământurilor argiloase cu var sau var și
ciment implică majorarea permeabilității de 100 până la 1000 de ori față de
permeabilitatea pământului în stare naturală (EuroSoilStab, 2002). Pentru utilizarea numai
a cimentului pulbere poate diminua permeabilitatea pământurilor argiloase (Baker, 2000).
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
7
În cazul stabilizării cu suspensie de ciment, permeabilitatea pământului tratat scade foarte
mult. Practic acesta este principalul motiv pentru care, metodele umede de malaxare a
pământului cu ciment sunt folosite în aplicații ce presupun etanșeizarea şi realizarea
barierelor ecologice (Filz et.al, 2012).
2.2.3.2. Proprietățile mecanice ale pământurilor stabilizate în adâncime prin
malaxare mecanică
2.2.3.2.1. Caracteristici de rezistență
2.2.3.2.1.1. Rezistența la compresiune monoaxială
Datorită simplității de determinare în laborator și a costurilor reduse, rezistenţa la
compresiune monoaxială qu reprezintă parametrul cheie pentru practica curentă de
proiectare a elementelor de pământ stabilizat în adâncime prin malaxare (Kitazume &
Terashi, 2013, Topolnicki, 2004, 2013, Åhnberg & Johansson, 2005; Baker, 2000;
Dahlstrom, 2013).
Rezistenţa pământurilor îmbunătățite în adâncime prin malaxare cu agenți de
stabilizare depinde de o varietate de factori ce țin cont de următoarele (Terashi, 1997;
Kitazume & Terashi, 2013; Larsson, 2003):
Condițiile geotehnice naturale: proprietățile fizice, chimice şi mineralogice ale
terenului natural e.g., granulometrie, umiditate naturală, reactivitate
puzzolanică, pH, conținutul de materie organică, limitele de plasticitate şi
indicele de plasticitate.
Agentul de stabilizare: tipul, cantitatea şi calitatea lianților.
Condiții de amestecare: tipul uneltelor de amestecare, viteza de
penetrare/retragere, viteza de rotaţie, timpul de amestecare.
Condiții de întărire: perioada de întărire, temperatură, umiditate.
Conform Tabelului 2.2. se poate observa faptul că pentru același conținut de
ciment, argilele prezintă cele mai mici valori ale rezistenţei la compresiune monoaxială qu,
urmate de pământurile prăfoase iar cele mai mari valori ale rezistenţei sunt obținute pentru
pământurile granulare. Așadar, se poate face observația că pământurile cu un conținut
mare de parte fină necesită o cantitate mai mare de liant, fenomen ce poate fi explicat prin
dimensiunile mari ale suprafețelor de contact dintre particule. Valorile maxime ale
rezistenţei la compresiune monoaxială se obțin pentru nisipuri şi pământuri nisipoase.
Cumulat şi cu rezultatele altor teste (Hashim & Islam, 2008; Kitazume & Terashi, 2013)
se poate admite ipoteza că, existenta sau adaosul fracțiunii de nisip în cazul pământurilor
argiloase foarte moi sau pământurilor organice, va asigura un schelet mineral ce
favorizează legăturile dintre particule în cadrul reacţiilor de cimentație conducând astfel,
la creşterea rezistenţei amestecului de pământ - agent de stabilizare.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
8
În condiții de umiditate normală, rezistențele obținute prin stabilizarea
pământului în adâncime prin malaxare cu suspensie sunt mai mari ca cele obținute prin
malaxare cu lianți pulbere.
Se admite că varul este eficient pentru stabilizarea argilelor, iar cimentul sau
ciment în combinație cu var este eficient în cazul prafurilor, nisipurilor şi pământurilor
organice (Broms, 2004). Chiar şi în cazul unui conținut de materie organică redus, pentru
stabilizarea în adâncime a pământurilor organice e.g., turbă, gyttja, este recomandată
malaxarea cu ciment sau var în amestec cu ciment (Axelsson et.al, 2002).
Tabel 2.2. Valori ale rezistenţei la compresiune monoaxială înregistrate la 28 de zile de întărire, pentru diferite tipuri de pământuri malaxate cu suspensie de ciment (după
Toplnicki, 2013)
Tipul pământului Conținut de ciment [kg/m3] Rezistenţa la compresiune
monoaxială qu [kN/m2]
Nisipuri grosiere şi
pietrișuri 120-250 3000-7000
Nisipuri fine şi medii 120-300 1500-5000
Prafuri şi prafuri nisipoase 120-300 1000-3000
Argile medii şi tari 120-300 700-2500
Argile moi 150-300 500-1700
Turbă, prafuri și argile
organice 150-350 200-1200
Nămoluri 250-400 100-400
Uneltele de tăiere, malaxare şi injectare influențează procesul de amestecare şi
implicit caracteristicile fizice şi mecanice ale elementului rezultat, prin numărul lor dar şi
prin forma şi orientarea unităților rotative cu care sunt prevăzute.
a) b)
Figura 2.13. Mașina de malaxare: a) cu mai multe unelte şi unități de tăiere şi amestecare
(http://www.bauerfoundations.com/shared/_content/bst/broschueren_flippingbook/en/Mixed-in-Place/index.html) b) cu o singură unealtă de tăiere şi amestecare
(http://www.kellerholding.com/deep-soil-mixing.html)
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
9
2.2.3.2.1.2. Deformația specifică la rupere
Comparativ cu pământul natural, pământul stabilizat este mai puțin ductil iar
comportamentul acestuia devine asemănător pământurilor supraconsolidate (Baker, 2000).
Pe măsură ce rezistența la compresiune monoaxială crește, deformația specifică la rupere
εf scade (Porbaha et. al, 2000; Åhnberg, 2006).
2.2.3.2.1.3. Rezistența la forfecare
În Scandinavia, rezistența la forfecare este considerată parametrul de bază în
proiectarea curentă, funcție de care sunt exprimate celelalte caracteristici mecanice
(Topolnicki, 2013). Tipul analizei de scurtă sau lungă durată, considerată în cadrul
procesului de proiectare va dicta necesitatea evaluării rezistenței la forfecare nedrenată sau
drenată (efectivă). Funcție de tipul acesteia, rezistența la forfecare a pământurilor
stabilizate poate fi determinată în cadrul încercărilor de compresiune monoaxială, triaxială
și de forfecare directă.
2.2.3.2.1.4. Rezistența la întindere
Rezistența la întindere poate fi evaluată în laborator în cadrul încercărilor de
tracțiune simplă, încercărilor de întindere prin despicare (încercarea Braziliană, încercarea
indirectă de întindere) sau încercărilor de încovoiere. În literatura de specialitate rezistența
la întindere a pământului stabilizat în adâncime prin metode umede este estimată ca fiind
între 8% și 20% din rezistența la compresiune monoaxială (Porbaha et. al., 2000;
Topolnicki, 2013).
CAPITOLUL 3. ETAPIZAREA UNUI PROIECT DE STABILIZARE ÎN
ADÂNCIME A PĂMÂNTULUI PRIN METODE DE MALAXARE
Îmbunătățirea în adâncime a pământului prin metode de malaxare are la bază
reacțiile chimice și procesele fizice ce se dezvoltă între cele două componente: agentul de
stabilizare și pământul natural (Pourakbar, 2015; Åhnberg & Johansson, 2005; Topolnicki,
2013; Nicholson, 2014). Datorită acestei particularități, un proiect de îmbunătățire a
pământului în adâncime prin malaxare comportă următoarele etape principale:
Program de investigare a condițiilor geotehnice din amplasament;
Program experimental de laborator – investigarea proprietăților pământurilor
malaxate cu agenți de stabilizare;
Program experimental de teren - testarea elementelor de probă;
Procesul de proiectare;
Procesul de execuție;
Programul de verificare și asigurare a calității pe parcursul și post execuție.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
10
3.1. Program de investigare a condițiilor geotehnice din amplasament
Îmbunătățirea în adâncime a terenului prin malaxare nu presupune excavarea sau
înlocuirea pământului din amplasament ci implică utilizarea acestuia în asociere cu alte
materiale în vederea obținerii unor elemente geocompozite caracterizate prin performanțe
geotehnice sporite.
Programul de investigare al condițiilor geotehnice din amplasament include
următoarele etape (EuroSoilStab, 2002; Bruce et. al., 2013):
1. Consultarea documentelor existente referitoare la amplasamentul
analizat: rapoarte și hărți geologice, hărți topografice, studii/rapoarte de investigare ale
terenului din amplasament sau din vecinătatea acestuia;
2. Deplasarea pe amplasament și evaluarea posibilităților de acces și
de racordare la energie electrică și apă.
3. Investigații de teren și teste de laborator.
3.2 Program experimental de laborator - investigarea proprietăților
pământurilor malaxate cu agenți de stabilizare
Testele experimentale de laborator sunt practicate într-o primă etapă a proiectului
având următoarele obiective:
- verificarea posibilității de tratare prin malaxare cu agenți de stabilizare a
pământului din amplasamentul analizat, ținând cont de variația stratificației în adâncime;
- evaluarea influenței tipului și cantității de agent de stabilizare asupra
caracteristicilor pământului stabilizat;
- stabilirea rețetei optime de tratare, plecând de la cerințele tehnice ale
proiectului și rezultatele aspectelor prezentate la punctele menționate mai sus;
- întocmirea unei baze de date privind parametrii pământurilor îmbunătățite prin
malaxare cu agenți de stabilizare ce pot fi utilizate în etapa de ofertare, sau pot constitui
un punct de plecare pentru alte proiecte.
Caracteristicile de rezistență și deformabilitate ale pământului stabilizat
determinate în laborator depind nu doar de tipul pământului, tipul și cantitatea de agent de
stabilizare ci și de procedura de pregătire, depozitare în vedere întăririi și de testare a
probelor.
În general probele pregătite în laborator sunt supuse testelor de compresiune
monoaxială la diferite vârste de întărire e.g., 3, 7, 14, 28, 56, 90 zile (Kitazume et.al, 2015;
Tran-Nguyen et.al., 2015; Ignat, 2015; Filz et.al., 2005; Topolnicki, 2013, 2004). În urma
efectuării acestor teste este evaluată rezistența la compresiune monoaxială qu, modulul de
elasticitate secant E50 și rezistența la forfecare nedrenată su.
Valorile parametrilor determinați în laborator diferă de cele obținute în teren
(Larsson, 2003; Topolnicki, 2004; 2013). Deși este adoptată aceeași rețetă ca în laborator,
valoarea rezistenței corespunzătoare probelor prelevate din elemente de pământ stabilizat
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
11
executate in situ reprezintă în general între 20% și 50% din valoarea rezistenței
corespunzătoare probelor confecționate în laborator (Kitazume & Terashi, 2013;
EuroSoilStab, 2002; Bruce et.al., 2013).
3.3. Program experimental de teren - testarea elementelor de probă
Pentru eliminarea incertitudinilor legate de informațiile furnizate de programul
experimental de laborator trebuie efectuate încercări pe elemente la scară naturală, pe
teren, care pe de o parte au ca scop validarea aplicabilității metodei și pe de altă parte
verificarea performanțelor obținute. Testele de teren urmăresc evaluarea omogenității,
continuității precum și a caracteristicilor fizice și mecanice ale elementelor executate de
pământ stabilizat.
În cadrul poligonului experimental elementele de pământ stabilizat se testează la
perioade de întărire ce corespund momentelor de la care acestea încep să fie încărcate.
Vârstele specifice de testare pentru elementele de pământ stabilizat sunt 7, 14, 28, 56 și 90
de zile. Se recomandă testarea la cel puțin două din aceste perioade astfel încât să poată fi
evaluată variația în timp a parametrilor urmăriți.
3.4. Procesul de proiectare geotehnică a pământului stabilizat
Procesul de proiectare specific metodelor de stabilizare în adâncime a
pământurilor prin malaxare are la bază ipoteze simplificatoare, idealizarea
comportamentului pământului tratat și modele empirice fundamentate pe experiența
proiectelor anterioare.
Proiectarea geotehnică a pământului stabilizat implică două etape principale
(Porbaha, 2000;Topolnicki, 2013): proiectarea geomaterialului și proiectarea geometrică.
3.4.1. Proiectarea geomaterialului
Proiectarea geomaterialului constă în principal în stabilirea tipului de metoda
uscată sau umedă și stabilirea rețetei de stabilizare - tipul și cantitatea de agent de
stabilizare care să asigure obținerea unei material caracterizat prin parametrii geotehnici
necesari și stabiliți conform cerințelor proiectului.
Rețeta de stabilizare se prestabilește în cadrul programului experimental de
laborator și este definitivată în cadrul programului experimental de teren.
3.4.2. Proiectarea geometrică
Proiectarea geometrică a unei soluții de stabilizare în adâncime a terenului prin
malaxare este un proces iterativ prin care se stabilesc dimensiunile şi configurația
sistemului compozit alcătuit din pământul nestabilizat şi elementele de pământ stabilizat,
astfel încât acesta să răspundă cerințelor pentru care a fost conceput. Ca și în cazul
proiectării geomaterialului, proiectarea geometrică propriu-zisă a elementelor de pământ
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
12
stabilizat este strict legată de caracteristicile pământului de îmbunătățit.
3.5. Procesul de execuţie
În vederea prezentării aspectelor ce țin de procesul de execuție specific metodelor
de stabilizare a pământurilor în adâncime prin malaxare, în continuare este prezentat un
proiect la execuția căruia autoarea a asistat în calitate de stagiar, în luna aprilie a anului
2016, beneficiind de sprijinul companiei Keller, filialele din România și Polonia.
3.5.1. Descrierea proiectului și a soluției adoptate
Obiectivul proiectului este reprezentat de un drum expres, mai precis rampele de
acces la un pod. Drumul expres este amplasat în imediata apropiere a Varșoviei, Polonia.
În acest caz, proiectul a vizat îmbunătățirea în adâncime a terenului de fundare aferent
celor două rampe de acces la pod, în vederea limitării sau eliminării potențialelor tasări
manifestate la nivelul terenului. Zonele de intervenție aferente rampelor au lățimi de
aproximativ 26 m și lungimi de 70 m.
Necesitatea îmbunătățirii terenului de fundare aferent celor două rampe de
acces la pod a apărut ca urmare a investigațiilor geotehnice care au pus în evidență
capacitatea portantă redusă a acestuia. Tipul de pământ predominant este nisipul,
aflat în zona de suprafață în stare afânată (ID= 0.25<0.33) și în stare îndesată (ID=
0.7) pentru adâncimi cuprinse între 3.9-25m. Apa subterană a fost interceptată
relativ în zona de suprafață la adâncimi ce variază între -0.80 m și -6.40 m.
Soluția adoptată în cadrul proiectului a constat în stabilizarea terenului de fundare
aferent rampelor de acces la pod prin execuția a 310 de coloane prin tehnologia de
malaxare în adâncime a pământului cu suspensie de ciment, care să asigure obținerea unei
valori a rezistenței la compresiune monoaxială la 56 de zile egală cu minim 3.0 MPa.
Agentul de stabilizare sub formă de suspensie a fost pregătit utilizând o cantitate de
ciment pulbere α = 300 kg/m3 și raport de apă ciment A/C= 0.9, astfel încât densitatea
suspensiei de ciment să fie egală cu ρsuspensie=1.55 g/cm3. Cimentul folosit a fost de tip
Portland cu adaos de cenușă zburătoare, CEM II B-V 32.5R. Diametrul coloanelor a
fost de 1.0 m.
3.5.2. Prezentarea tehnologiei de execuție adoptată
Tehnologia utilizată la execuția coloanelor se regăsește în portofoliul
companiei Keller sub denumirea de „Mechanical wet deep soil mixing” cu
acronimul DSM și care în traducere simbolizează o metodă de stabilizare în
adâncime a pământului prin malaxare mecanică cu agent de stabilizare sub formă
de suspensie.
Mașina de malaxare (Figura 3.16.) specifică acestei tehnologii este
echipată cu tijă de foraj prevăzută la capătul inferior cu o unealtă specială
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
13
(Figurile 3.17.) ce constă în palete de tăiere şi amestecare, a căror rotație se
efectuează după axa verticală. Unealta este prevăzută cu duze de injectare
poziționate sub paletele de amestecare.
În Figura 3.18. sunt ilustrate o serie de coloane de pământ stabilizat
executate. Se constată la suprafața terenului un surplus de mixtură de pământ –
suspensie de ciment. După câteva ore, timp în care mixtura se întărește, acest
surplus a fost curățat cu excavatorul cu marginea netedă a cupei.
Figura 3.11. Profile transversale prin zonele de intervenție
Figura 3.16. Mașina de malaxare
specifică tehnologiei DSM –Keller
Figura 3.17. Unealtă de malaxare
specifică tehnologiei DSM –Keller
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
14
Figura 3.18. Etape tehnologice de execuție ale coloanelor de pământ stabilizat prin
metoda DSM.
CAPITOLUL 4. PROGRAM EXPERIMENTAL DE LABORATOR -
EVALUAREA PARAMETRILOR GEOTEHNICI AI UNUI PĂMÂNT DE
TIP LOESS MALAXAT CU SUSPENSIE DE CIMENT
4.1. Scopul programului experimental
În contextul cercetărilor privind stabilizarea pământurilor în adâncime prin
malaxare, programul experimental de laborator a avut drept obiectiv analizarea
posibilității de îmbunătățire a performanțelor geotehnice ale unui pământ sensibil la
umezire, malaxat cu suspensie de ciment, precum și stabilirea rețetei optime de tratare
corespunzătoare acestuia. Au fost evaluate caracteristicile chimico-mineralogice, fizice și
mecanice ale pământului în stare naturală și după malaxarea cu diverse rețete de pregătire
ale suspensiei de ciment. Totodată, s-a urmărit evidențierea procedurii de pregătire,
depozitare și testare a probelor de mixtură pământ - agent de stabilizare.
4.2. Caracteristicile chimico-mineralogice, fizice şi mecanice ale pământului în stare
naturală
În cadrul programului experimental de laborator au fost analizate eșantioane de
pământ prelevate de la adâncimea de -3.0 m față de cota terenului natural, dintr-un
amplasament situat în cadrul municipiului Galați, zona pieței „La Elice” care prezintă
fenomene de instabilitate locală.
Pentru identificarea, clasificarea și determinarea caracteristicilor chimico-
mineralogice, fizice și mecanice ale pământului în stare naturală, au fost efectuate o serie
de determinări și încercări de laborator, ca de exemplu: analize de microscopie electronică
cu scanare (SEM); analize de spectroscopie de raze X cu dispersie după energie (EDS);
analiză micro-structurală prin metoda difractometrică cu raze X (XRD ); analiza
granulometrică a pământului prin metoda sedimentării; determinarea rezistenței la
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
15
compresiune monoaxială a pământului; determinarea compresibilității pământului prin
încercarea de compresiune-tasare în edometru.
Ca urmare a efectuării analizelor granulometrice prin metoda sedimentării cu
areometru, a rezultat faptul că, pământul analizat este alcătuit din următoarele fracțiuni:
argilă - A, praf - P și nisip - N. Valorile procentuale medii corespunzătoare fracțiunilor
sunt: A=19.80%, P=60.95% și N=19.25%. Prin urmare, pământul analizat a fost încadrat
conform STAS 1243-88 în categoria prafurilor argiloase iar conform SR EN ISO 14688/2-
2005, în categoria prafurilor. Conform normativului NP 125: 2010, pământul analizat se
identifică și se încadrează în categoria pământurilor sensibile la umezire, loess,
îndeplinind atât criteriile refritoare la compoziție și proprietăți fizice, cât și cele referitoare
la comportarea mecanică.
Analiza de spectroscopie de raze X cu dispersie după energie (EDS - Energy
Dispersive X-ray Spectrometry) a fost realizată utilizând microscopul electronic cu
scanare - VegaTescan LMH II aflat în dotarea Facultății de Știința și Ingineria
Materialelor din Iași (Figura 4.3.). Aceasta a furnizat analiza chimică elementală a
loessului în stare naturală. Spectrul EDS rezultat în urma analizei unui eșantion de pământ
natural – loess, a indicat principalele elemente chimice ce intră în componența acestuia:
Oxigen - O2; Siliciu – Si; Aluminiu – Al; Calciu – Ca; Carbon – C; Fier –Fe; Potasiu - K;
Magneziu – Mg; Sodiu – Na (Figura 4.4.).
Analiza microstructurală prin difractometrie cu raze X (XRD – X-ray
Diffraction) a pus în evidență compoziția mineralogică și sistemul de cristalizare al
mineralelor (Tabel 4.0.) ce intră în alcătuirea pământului în stare naturală. Analiza a fost
efectuată cu ajutorul echipamentului numit difractometru cu raze X Panalytical X’Pert Pro
MPD, aflat în dotarea Facultății de Mecanică din Iași (Figura 4.5).
Interpretarea rezultatelor furnizate de analiza XRD a pus în evidență următorii
constituenți mineralogici principali ai pământului analizat, în stare naturală: Cuarț - SiO2;
Caolinit - Al2 Si2 O5 (OH)4; Muscovit /mica - KAl2(AlSi3)O10(OH)2; Illit - (K, H3O) Al2 (
Si3Al) O10 (OH)2 H2O și Calcit - CaCO3.
Figura 4.3. Microscopul electronic cu scanare VegaTescan LMH II
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
16
Figura 4.4. Spectru EDS - eșantion de loess în stare naturală
În Figura 4.6., vârfurile diagramei difractometrice evidențiază principalii constituenți mineralogici ai pământului în stare naturală, enumerați mai sus.
Figura 4.5. Difractometru cu raze X Panalytical X’Pert Pro MPD
Analizele de microscopie electronică cu scanare (SEM – Scanning Electron
Microscopy ) au furnizat imagini mărite (Figura 4.7.) pe baza cărora a fost investigată
structura pământului în stare naturală. Imaginile atestă faptul că pământul analizat –
loessul, este caracterizat printr-o structură naturală sub-îndesată, macroporică generată de
modul de formare prin depunerea particulelor purtate de vânt (Stanciu & Lungu, 2006).
Măsurarea pH-ului apei conținută în porii pământului în stare naturală a fost
efectuată prin metoda colorimetrică, utilizând indicatori specifici acestui test. Conform
Figurii 4.8. ce prezintă scara cromatică și suspensia pregătită din pământ, apă distilată și
reactiv, se poate evalua mărimea pH-ului ca fiind egală cu o valoare cuprinsă între 7.0 și
7.5, ceea ce indică un caracter neutru spre slab bazic.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
17
Figura 4.6. Diagrama difractometrică a pământului în stare naturală
Determinarea conținutului de materie organică a pământului analizat a fost
efectuată conform STAS 7107/1-76, prin metoda de identificare a humusului solubil în
alcalii. Analiza a indicat un conținut redus de humus cuprins între 0 și 1%.
a) b)
Figura 4.7. Imagini SEM pământ natural: a) magnitudine 500, b) magnitudine 2000
4.3. Caracteristicile chimico-mineralogice, fizice şi mecanice ale cimentului
Liantul utilizat în cadrul programului experimental de laborator a fost cimentul
de tip Portland CEM I 42.5 R.
Spectroscopia de raze X cu dispersie după energie (EDS) a furnizat analiza
chimică elementală a cimentului Portland CEM I 42.5 R. Vârfurile spectrului EDS
caracteristic probei de ciment pulbere (Figura 4.13.) pune în evidență următoarele
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
18
elemente chimice componente: Calciu – Ca; Oxigen - O2; Siliciu – Si; Fier –Fe; Aluminiu
– Al.
În Figura 4.14. este prezentată diagrama difractometrică corespunzătoare
cimentului de tip Portland CEM I 42.5 R, în care sunt evidențiați principalii oxizi ce intră
în compoziția acestuia: oxid de calciu CaO, dioxid de siliciu SiO2, oxid de aluminiu
Al2O3, oxid de fier Fe2O3. Principalele minerale care intra în compoziția chimică a
cimentului de tip Portland şi care îi conferă acestuia rezistenţa sunt: alitul sau silicatul
tricalcic (3CaO·SiO2 sau C3S), belitul sau silicatul dicalcic (2CaO·SiO2 sau C2S), celit I
sau feritaluminatul tetracalcic (4CaO·Al2O3Fe2O3 sau C4AF) şi celit II sau aluminatul
tricalcic (3CaO·Al2O3 sau C3A) (Saeed et.al., 2014).
Structura cimentului pulbere a fost investigată în cadrul microscopiei electronice
cu scanare (Figura 4.15.).
4.4. Planul de desfășurare al programului experimental de laborator
Datorită umidității naturale reduse a pământului în stare naturală (w =15.81%) s-a
adoptat ipoteza de amestecare cu agent de stabilizare sub formă de suspensie. Au fost
analizate 155 de probe pentru pregătirea cărora s-au utilizat diverse rețete ale suspensiei
de ciment, obținute prin variația cantității de ciment pulbere și a raportului de apă-ciment.
Cantitățile de ciment pulbere, α, utilizate la pregătirea suspensiei au fost 150 kg/m3, 200
kg/m3 și 250 kg/m3 iar rapoartele de apă-ciment A/C, au avut diverse valori precum: 0.8,
1.3, 1.5, 1.6, 1.8, 2.3 şi 2.5.
Testele efectuate în laborator asupra probelor au avut ca scop urmărirea evoluției
rezistenței geomaterialului rezultat ca urmare a malaxării pământului natural cu suspensie
de ciment. În acest sens, au fost efectuate teste de compresiune monoaxială asupra
probelor de pământ stabilizat la 7, 28 și 56 de zile de la momentul de pregătire al acestora.
Figura 4.13. Spectru EDS ciment Portland CEM I 42.5 R
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
19
Figura 4.14. Diagrama difractometrică Portland CEM I 42.5 R
a) b)
Figura 4.15. Imagini SEM ciment pulbere: a) magnitudine 1000, b) magnitudine 5000
4.5. Procedura de pregătire şi de depozitare a probelor
4.5.1. Echipamente și materiale necesare
Echipamentele și materialele care au fost utilizate pentru pregătirea probelor de
pământ malaxat cu suspensie de ciment, în cadrul programului experimental sunt
enumerate în continuare:
Eșantioane din pământul natural – loess;
Agentul de stabilizare - ciment de tip Portland CEM I 42.5 R;
Malaxor electric prevăzut cu unelte și vas de malaxare (Figura 4.16.);
Matrițe de plastic de unică folosință cu diametrul de 50 mm și înălțimea de
100 (Figura 4.17.);
Unealtă de compactare cu diferite accesorii pentru capătul inferior
Aparat/echipament ce permite depozitarea probelor în condiții de temperatură
și umiditate constante;
Aparate/echipamente necesare efectuării încercărilor e.g., aparat triaxial.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
20
Figura 4.16. Malaxor electric Figura 4.17. Matrițe de plastic
4.5.2. Etapele de pregătire a probelor de mixtură pământ-agent de stabilizare
Procedura de pregătire a amestecului de pământ - suspensie de ciment a constat
în următoarele etape, după cum urmează:
1. Pământul în stare naturală a fost destructurat manual și ulterior, cu ajutorul
malaxorului pentru aproximativ 3 minute.
2. Pregătirea agentului de stabilizare. După cântărirea cimentului pulbere şi a apei
distilate, suspensia de ciment a fost pregătită, într-un recipient separat.
3. Respectând cantitățile prestabilite, pământul dezagregat a fost amestecat prin
intermediul malaxorului cu suspensia de ciment, până la obținerea unui amestec omogen.
Timpul total de amestecare a fost de 10 minute.
4. Mixtura a fost dispusă succesiv în straturi de 25-30 mm (Figura 4.22. - a)
compactate static cu o presiune constantă de 25 kPa, timp de 10 secunde (Figura 4.22. - b).
5. Matrițele umplute cu amestecul de pământ-suspensie de ciment au fost sigilate
(Figura 4.23.-b), cântărite, etichetate conform compoziției și în final, depozitate în vederea
întăririi la temperatura constantă la o temperatură de 7°C – 8°C.
a) b)
Figura 4.22. a) Umplerea în straturi a matriţelor; b) Compactarea straturilor
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
21
4.6. Teste de laborator – Încercarea de compresiune monoaxială
La nivel mondial, testul de compresiune monoaxială reprezintă metoda standard
de evaluare în laborator a parametrilor de rezistență și rigiditate a pământului îmbunătățit
în adâncime prin malaxare cu agenți de stabilizare (Åhnberg, 2006; Grisolia et. al., 2013;
Ignat, 2015; Kitazume et.al, 2015; Tran-Nguyen et.al., 2015). Încercarea de compresiune
monoaxială este o determinare de laborator simplă, rapidă ce implică costuri reduse, prin
intermediul căreia sunt evaluate: rezistența la compresiune monoaxială qu, rezistența la
forfecare nedrenată su și modulul de elasticitate secant E50 ale pământurilor stabilizate.
Încercările de compresiune monoaxială au fost efectuate asupra probelor de
pământ stabilizat cu vârsta de 7, 28 și 56 de zile, cu viteză de încărcare de 1mm/min
(Figura 4.28.) până la cedare sau până când deformația axială εa a ajuns la valoarea de
10%, conform recomandărilor din literatura de specialitate (Grisolia et. al., 2013; Ignat,
2015; Kitazume et.al, 2015). Se constată că modul de cedare al probelor de pământ
stabilizat cu suspensie de ciment este de tip casant cu evidențierea clară a unui plan de
rupere (Figura 4.29.).
Figura 4.25. Probe de pământ stabilizat după întărire
4.7. Prezentarea și interpretarea rezultatelor obținute în cadrul încercărilor de
compresiune monoaxială
4.7.1. Rezistența la compresiune monoaxială, qu
În cadrul Tabelul 4.7. sunt centralizate toate informațiile cu privire la
caracteristicile de rezistență și rigiditate ale pământului stabilizat, furnizate de încercările
de compresiune monoaxială. Rezistența la compresiune monoaxială a fost considerată
valoarea maximă a tensiunii normale, în momentul cedării probei (STAS 8942/6-75).
Așa cum era de așteptat, indiferent de numărul de zile la care s-a făcut testarea (7,
28 sau 56 de zile), valoarea maximă a rezistenței la compresiune monoaxială, qu a fost
obținută prin malaxarea pământului cu suspensia pregătită utilizând cantitatea cea mai
mare de ciment pulbere, respectiv α=250 kg/m3.
Apreciind ca subcriteriu valoarea maximă a rezistenței la compresiune
monoaxială funcție de cantitatea de ciment α dar, în relație cu raportul de apă-ciment
A/C, au fost considerate variante optime, următoarele combinații: pentru α=150 kg/m3,
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
22
raportul A/C optim = 2.3; pentru α=200 kg/m3, raportul A/C optim = 1.8; pentru α=250
kg/m3, raportul A/C optim = 1.5.
Figura 4.29. Probe de pământ stabilizat cedate ca urmare a încercării de compresiune
monoaxială
Asemănător betonului, rezistenţa la compresiune monoaxială a pământului
stabilizat cu suspensie de ciment creşte în timp. În Figurile 4.30. este evidențiată foarte
clar evoluția în timp a rezistenței la compresiune monoaxială pentru rețetele de stabilizare
considerate optime.
Figura 4.34. reprezintă o comparație grafică a valorilor medii măsurate ale
rezistențelor la compresiune monoaxială a probelor de pământ stabilizat cu vârsta de 28 de
zile, în funcție de cantitatea de ciment și rapoartele de apă-ciment.
Tabel 4.7. Rezultatele încercărilor de compresiune monoaxială pentru rapoartele de apă-
ciment optime
Cantitate
de ciment
(kg/m3)
Raport de
apă/
ciment
Timp de
întărire
(zile)
Valoarea medie
măsurată a
rezistenței la
compresiune
monoaxială qu
(kPa)
Valoarea medie
măsurată a modulului
de elasticitate secant E50
(kPa)
Raport
E50/qu
150 2.3
7 539.79 101054.93 187.21
28 751.50 145779.28 193.99
56 849.66 150151.63 176.72
200 1.8
7 989.26 172134.29 174
28 1239.73 299279.40 241.41
56 1658.02 330423.66 199.29
250 1.5
7 2778.46 520065.66 187.18
28 3215.23 936444.52 291.25
56 3677.02 749293.63 203.78
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
23
Figura 4.30. Rezistența la compresiune monoaxială funcție de timpul de întărire (Bitir
et.al., 2016)
Pentru α=150 kg/m3 și A/C=2.3 s-a obținut valoarea maximă a rezistenței qu care
este de aproximativ 8, 11 și 13 ori mai mare ca rezistența pământului natural, la 7, 28 și
respectiv 56 de zile după malaxare (Tabelul 4.7.). Pentru α=200 kg/m3 și A/C=1.8 s-a
obținut valoarea maximă a rezistenței qu care este de aproximativ 15, 19 și 25 de ori mai
mare ca rezistența pământului natural la 7, 28 și respectiv 56 de zile după malaxare iar
pentru α=250 kg/m3 și A/C=1.5 s-a obținut valoarea maximă a rezistenței qu care este de
aproximativ 42, 48 și 52 de ori mai mare ca rezistența pământului natural, la 7, 28 și
respectiv 56 de zile (Bitir et.al., 2016).
Figura 4.34. Rezistența la compresiune monoaxială la 28 de zile funcție de cantitatea de
ciment și raportul de apă-ciment (Bitir et.al., 2016)
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
24
4.7.2. Rezistența la forfecare în condiții nedrenate, su
În urma efectuării încercărilor de compresiune monoaxială poate fi evaluată
rezistența la forfecare nedrenată, su, ca fiind egală cu jumătate din valoarea rezistenței la
compresiune monoaxială qu. În Figura 4.35. este reprezentată grafic rezistența la forfecare
nedrenată su, corespunzătoare unei probe de pământ stabilizat cu suspensie de ciment
(α=250 kg/m3 și A/C=1.5, cu vârstă de întărire de 28 de zile). În acest caz coeziunea în
condiții nedrenate a pământului este egală cu rezistența la forfecare și are valoarea cu = su =
1607.62 kPa.
Figura 4.35. Reprezentarea grafică a rezistenței la forfecare nedrenată, su
4.7.3. Deformația axială specifică la rupere, εf
Spre deosebire de pământul natural, pământul stabilizat cu suspensie de ciment
este caracterizat printr-un comportament mai puțin ductil și mai degrabă casant, cu
cedarea probei la deformații relativ mici, în cadrul încercărilor de compresiune
monoaxială. Se observă tendința de scădere a deformației specifice la rupere εf, pe măsură
ce rezistența la compresiune monoaxială qu crește. Încercările de laborator au pus în
evidență un palier de variație al deformației specifice la rupere εf, cuprins între 0.5% și 2%.
4.7.4. Modulul de elasticitate secant, E50
În Figura 4.39. este prezentată spre exemplificare, curba rezistență - deformație
axială întocmită pe baza informațiilor furnizate de încercarea de compresiune monoaxială
efectuată asupra unei probe de pământ stabilizat cu suspensie de ciment (α=250 kg/m3 și
A/C=1.5) la 28 de zile de la pregătirea acesteia. Rezistența la compresiune monoaxială a
fost considerată valoarea de vârf de pe curbă, qu=3331.28 kPa. Modulul de deformație
secant E50 al pământului stabilizat corespunde, pe curba de efort-deformație, jumătății
rezistenței la compresiune monoaxială, qu. Valoarea modulului de elasticitate secant crește
odată cu creșterea rezistenței. Pentru determinarea lui E50 prin metoda grafică s-a
considerat punctul C cu următoarele coordonate: pe ordonată σc = qu/2= 1665.64 kPa iar
pe abscisă, prin corespondență, εC = 0.41%. Prin extrapolarea porțiunii liniare AB a
curbei, se pune în evidență deformația „parazitară” εbe, ce corespunde momentului de
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
25
inițiere a deformației propriu-zise a probei. În acest caz, valoarea deformației εbe este de
0.292%.
Figura 4.39. Determinarea prin metoda grafică a modulului de elasticitate secant funcție
de rezistența la compresiune monoaxială
4.8. Proprietățile chimico-mineralogice ale pământului malaxat cu
suspensie de ciment
Pentru a evalua efectul pe care malaxarea cu suspensie de îl induce asupra
proprietăților chimico-mineralogice ale pământului de tip loess, au fost efectuate, ca și în
cazul pământului natural, aceleași tipuri de analize microstructurale.Analizele au fost
efectuate asupra probelor de loess malaxat cu suspensie de ciment cu vârsta de întărire de
28 de zile și corespunzătoare rețetelor de stabilizare optime, nominalizate la subcapitolul
4.7.1.
În cadrul spectroscopiei de raze X cu dispersie după energie s-a investigat dacă
apar/dispar anumite elemente chimice ce intră în alcătuirea pământului natural. În Figura
4.41 sunt ilustrate spectrele EDS caracteristice eșantioanelor de loess malaxat cu suspensie
de ciment, pregătite corespunzător rețetelor de stabilizare optime.
În Figura 4.44. este exprimat grafic conținutul procentual al elementelor chimice
ce intră în alcătuirea eșantioanelor analizate. Se constată că malaxarea loessului cu
suspensie de ciment, conduce la un aport important de ioni de calciu Ca2+, eliberați ca
urmare a reacțiilor de hidratare a cimentului sub formă de hidroxid de calciu Ca (OH)2 și
care ulterior, reacționează cu oxizii existenți în mineralele din pământ, dând naștere astfel
compușilor de cimentație, insolubili în apă, care asigură rezistența amestecului de pământ
și ciment, după întărire.
Constituenții mineralogici principali ai loessului malaxat cu suspensie de ciment
sunt evidențiați în diagrama difractometrică din Figura 4.45., iar conținutul procentual ai
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
26
acestora este prezentat centralizat în Figura 4.51. Prin suprapunerea diagramelor
difractometrice corespunzătoare loessului în stare naturală, cimentului și loessului malaxat
cu suspensie de ciment se constată în cea mai mare parte suprapunerea vârfurilor. Acest
aspect indică existența acelorași minerale atât în compoziția pământului natural cât și a
celui stabilizat. De asemenea, se constată și diferențe între diagrame, acestea marcând
apariția unor noi minerale în componența pământului stabilizat, precum: megacalsilitul și
cristobalitul.
Figura 4.41. Spectru EDS - loess stabilizat cu suspensie de ciment: α=150 kg/m3și
A/C=2.3
Figura 4.44. Conținutul procentual al elementelor chimice constituente ale cimentului și
loessului înainte și după stabilizare
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
27
Analizele de microscopie electronică cu scanare, realizate asupra specimenelor
de loess malaxat cu suspensie de ciment relevă faptul că au loc modificări în structura
naturală a acestuia, ca urmare a floculării particulelor și dispariției macroporilor. Așadar,
are loc o densificare la nivel microstructural datorată apariției de noi legături și compuși
de reacție. Pentru același tip de eșantion scanarea a fost efectuată cu două tipuri de
microscoape electronice: QUANTA 3D-AL99/D8229 (imaginea din stânga - Figurile
4.55.) și VegaTescan LMH II (imaginea din dreapta - Figurile 4.55.).
Figura 4.45. Diagrama difractometrică a pământului stabilizat cu rețeta: α=150 kg/m3,
A/C=2.3, cu vârstă de întărire a probei de 28 de zile
Figura 4.51. Conținutul procentual al principalilor constituenți mineralogici ai loessului
înainte şi după stabilizare
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
28
Figura 4.55. Imagini SEM, magnitudine 500 – loess malaxat cu suspensie de ciment
pregătită conform rețeta: α=150 kg/m3, raportul A/C = 2.3
4.9. Proprietățile fizice și chimice ale pământului malaxat cu suspensie de ciment
4.9.1. Granulometria pământului malaxat cu suspensie de ciment
Pentru a evalua modificările ce intervin la nivelul granulometriei loessului
(praf/praf argilos) ca urmare a malaxării cu suspensie de ciment, au fost efectuate analize
granulometrice prin metoda sedimentării cu areometrul. Analizele efectuate au vizat probe
cu vârsta de întărire de 28 de zile și corespunzătoare rețetelor optime de pregătire a
suspensie de ciment: α=150 kg/m3, raportul A/C = 2.3; α=200 kg/m3, raportul A/C = 1.8;
α=250 kg/m3, raportul A/C = 1.5. Dacă pământul în stare naturală, loessul, prezintă
următoarea alcătuire granulometrică: A=19.80%, P=60.05% și N=19.26%, se observă că
pentru pământul stabilizat fracțiunea de nisip se triplează iar celelalte două fracțiuni de
praf și argilă scad. Prin urmare, se poate concluziona faptul că malaxarea cu suspensie de
ciment a pământului natural, identificat conform normelor în vigoare ca fiind un praf/praf
argilos, conduce la modificări la nivelul compoziției granulometrice, în sensul majorării
componentelor granulare mai grosiere, ce pot fi încadrate în categoria nisipurilor. De
asemenea, se poate sublinia faptul că pe măsura ce cantitatea de ciment crește se constată
și o ușoară creștere a fracțiunii de nisip.
4.9.4. pH-ul pământului malaxat cu suspensie de ciment
Ca și în cazul pământului în stare naturală, pentru determinarea valorii pH-ului
apei conținută în porii pământului stabilizat s-a utilizat metoda colorimetrică, ce implică
folosirea indicatorilor de culoare, specifici. Determinările au fost realizate pe probe cu
vârsta de întărire de 28 de zile și corespunzătoare rețetelor de pregătire a suspensiei
optime: α=150 kg/m3, raportul A/C = 2.3; α=200 kg/m3, raportul A/C = 1.8; α=250 kg/m3,
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
29
raportul A/C = 1.5. Se poate evalua pH-ului ca fiind egal cu o valoare cuprinsă între 9.0 -
10, ceea ce indică un caracter alcalin foarte puternic.
CAPITOLUL 5. STABILIZAREA PĂMÂNTURILOR ÎN ADÂNCIME
PRIN MALAXARE ÎN VEDEREA CREȘTERII SIGURANȚEI
SISTEMULUI STRUCTURĂ - TEREN DE FUNDARE
5.1. Descrierea obiectivului analizat
Informațiile din cadrul Capitolului 5 sunt prezentate cu acordul
companiei SBR Soletanche Bachy Fundații și au ca suport documentația tehnică
(Memoriu tehnic- Stabilizarea în adâncime a pământurilor prin malaxare, fază de
proiectare P.T. –D.E., SBR Soletanche Bachy Fundații, 2017) aferentă proiectului de
stabilizare în adâncime a terenului de sub fundațiile izolate existente prin metode
de malaxare. În baza contractului de cercetare științifică Nr. 302P/2017, autoarea
a fost implicată în cadrul acestui proiect, fiind responsabilă de planificarea și
desfășurarea activităților aferente Fazei I a proiectului – Execuție coloane de
probă, dar și de efectuarea încercărilor de laborator în Faza II a proiectului -
Execuție coloane de serviciu sub fundații.
Obiectivul general este reprezentat de o structură existentă de tip hală
amplasată în județul Alba, cu sistem structural în cadre de beton armat și
precomprimat, fundațiile fiind de tip pahar dispuse la adâncimea de -2.35 m față
de cota terenului amenajat (S.C. Arcon Serv S.R.L., Raport de expertiză tehnică,
2015). În acest caz, proiectul vizează consolidarea în adâncime a terenului de
fundare aferent unor fundații izolate, afectate de tasări. Scopul proiectului este de
a stopa tasările manifestate la nivelul fundațiilor și de a limita riscul de apariție și
dezvoltare a altor deformații. Soluția de consolidare propusă vizează execuția de
coloane de pământ stabilizat realizate prin tehnologia de malaxare în adâncime a
pământului cu suspensie de ciment și dispunerea armăturii rigide de tip profil
metalic în corpul acestora.
Ca urmare a sesizării degradărilor produse în principal în lungul axului
longitudinal 1 al construcției, manifestate la nivelul unor elemente precum:
pardoseală (Figura 5.1.), pereți de compartimentare tavane și pervazul ferestrelor,
a fost solicitată întocmirea unei expertize tehnice care să identifice cauzele, să
evalueze gravitatea deteriorărilor și să indice soluții de consolidare. Investigațiile
aferente expertizei tehnice au constat în : montarea mărcilor topografice și
monitorizarea tasărilor, ridicare topografică și studiu geotehnic (S.C. Arcon Serv
S.R.L., Raport de expertiză tehnică, 2015).
În cadrul etapei de expertizare a construcției, măsurătorile topografice au
indicat o diferență între cotele plăcii peste parter din axele longitudinale 1 și 2 de
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
30
13.1 cm. Drept consecință, estimarea tasărilor aferente fundațiilor din axul 1 au
indicat pentru axul transversal E o deplasare pe verticală ce depășește valoarea
admisibilă de 8 cm, iar pentru axele cu dezvoltare stânga - dreapta axului E, tasări
până în 4 cm. Pentru a monitoriza în continuare, evoluția tasărilor au fost efectuate
măsurători lunar, începând cu luna decembrie 2014 și până în noiembrie 2016. În acest
sens au fost montate 22 de mărci topografice, pe stâlpii halei. Se constată faptul că pentru
marca topografică montată la intersecția axelor 1 și E se înregistrează majorarea tasărilor
de la lună la lună, cu până la 1.3 cm, în noiembrie 2016.
Raportul de expertiză evidențiată principala cauză a manifestării tasărilor
inegale ca urmare a amplasării structurii pe un teren neuniform, plastic moale pe o
grosime de până la 3.30 m, foarte compresibil și cu capacitate portantă redusă.
Figura 5.1. Fisuri în pardoseală dezvoltate în lungul axului 1
5.2. Prezentarea condițiilor de teren
În vederea investigării condițiilor de teren au fost efectuate două foraje în
apropierea intersecției axului 1 cu axul E (forajul F1) și cu axul Fꞌ (forajul F2).
Aceste foraje au avut ca obiectiv, pe de o parte confirmarea rezultatelor furnizate
de documentațiile existente și pe de altă parte, prelevarea de eșantione ce au fost
utilizate, în cadrul programului experimental de laborator pentru efectuarea
analizelor și testelor de laborator. Determinările de laborator au pus în evidență
caracteristici slabe pentru pământurile identificate în foraje, ca de exemplu: valori
foarte mari ale umidității naturale cuprinse între 22% și 50%, valori ale porozității
mai mari ca 45%, valori ale indicelui de consisten ță Ic mai mici ca 0.5. În plus,
pentru anumite straturi conținutul de materie organică depășește valoarea de 5%.
Acești parametri indică un potențial mare de deformabilitate și o capacitate
portantă redusă a terenului din amplasament.
5.3. Prezentarea soluției de consolidare propusă
Soluția propusă pentru consolidarea terenului de fundare aferent
fundațiilor afectate de tasări, constă în execuția unor coloane de pământ stabilizat
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
31
cu diametrul de 0.40 m și lungime de 7.65 m, realizate prin tehnologia de malaxare
în adâncime a pământului cu suspensie de ciment, Springsol® (Figura 5.8.).
Coloanele proaspăt executate vor fi armate cu profile metalice de tip țevi, pentru a
prelua eventualele forțele de întindere cauzate de dispunerile excentrice ale
acestora în raport cu stâlpul.Intervenția se va efectua asupra a 6 fundații izolate
poziționate la intersecția axului longitudinal 1 cu axele transversale: Dꞌ, E, Eꞌ, F,
Fꞌ și G. Rețeta optimă pentru suspensia de ciment cu care terenul este malaxat în
adâncime, a fost stabilită în cadrul a două etape experimentale, de laborator și de
teren, detaliate în subcapitolele 5.4 și 5.5.
Figura 5.8. Secțiune transversală prin fundație și coloane de pământ stabilizat
5.4. Program experimental de laborator
5.4.1. Descrierea programului experimental de laborator
Scopul programului experimental de laborator a fost de a stabili rețeta
pentru agentul de stabilizare care, prin amestecarea cu pământul în stare naturală,
să conducă la un material ce corespunde cerințelor specifice a le proiectului.
Datorită faptului că intervenția se va efectua asupra unei structuri existente, apare
necesitatea obținerii unor valori mari ale rezistenței la compresiune monoaxială
într-un timp cât mai scurt. Valoarea rezistenței la compresiune, necesară pe
coloană, este de aproximativ 2.5 MPa.
Mixturile de pământ–agent de stabilizare analizate în cadrul programului
experimental de laborator au fost pregătite utilizând următoarele pământuri:
- nisip prăfos recoltat de la cota -5.50 m, din forajul F1;
- argilă cu un conținut de materie organică cuprins între 2 -5%, recoltată
între - 7.50 m și 9.00 m, din forajul F1;
- nisip prăfos, recoltat de la cotele -4.50 m, - 7.00 m și -8.00 m, din
forajul F2.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
32
Au fost pregătite 72 de probe respectând aceeași procedură prezentată și utilizată
în cadrul programului experimental din Capitolul 4. Pentru fiecare dintre cele 3 tipuri de
pământuri au fost pregătite câte 12 probe cilindrice (Figura 5.10), conform rețetelor
obținute prin variația cantității de ciment pulbere și a raportului apă-ciment. Cantitățile de
ciment pulbere, α, utilizate la pregătirea suspensiei au fost 350 kg/m3 și 600 kg/m3 iar
rapoartele apă-ciment A/C de 0.6 și 0.9. Cimentul utilizat în program a fost de tip Portland
CEM I 42.5 R (Structo® Plus -Holcim).
Figura 5.10. Probe de nisip prăfos (forajul F2) stabilizat cu rețeta α=600 kg/m3 și
A/C=0.9
5.4.2. Testele de laborator – Încercarea de compresiune monoaxială
Încercările efectuate în laborator au constat în teste de compresiune monoaxială
pe probele de pământ stabilizat la 7 și 28 de zile de la momentul de pregătire al acestora
(Figura 5.12.).
a) b)
Figura 5.12. Probă de nisip prăfos (foraj F2) stabilizat cu rețeta α=600 kg/m3 și
A/C=0.6 - a) înainte de testare și b) după testare
5.4.3. Prezentarea și interpretarea rezultatelor obținute în cadrul încercărilor de
compresiune monoaxială
În Figurile 5.14. și 5.15. sunt prezentate comparații grafice privind valorile medii
măsurate ale rezistențelor la compresiune monoaxială qu a probelor de pământ stabilizat cu
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
33
vârsta de 7 și 28 de zile, în funcție de cantitatea de ciment și rapoartele de apă-ciment.
Indiferent de vârsta de întărire a probelor, se constată că suplimentarea cantității de apă
pentru pregătirea suspensiei, induce un efect negativ asupra rezistenței manifestat prin
micșorarea acesteia.
Pentru toate cele trei tipuri de pământuri analizate valoarea maximă a rezistenței
la compresiune monoaxială, qu a fost obținută prin malaxarea acestuia cu suspensia
pregătită utilizând cantitatea cea mai mare de ciment pulbere, respectiv α=600 kg/m3 și
raportul de apă-ciment de A/C=0.6.
Figura 5.16. ilustrează evoluția în timp a rezistențelor la compresiune monoaxială
ale pământurilor malaxate cu suspensia de ciment obținută conform rețetei menționată
anterior. Se constată că pentru nisipul prăfos recoltat din forajul F1 (NP F1) rezistența
medie măsurată în cadrul testelor de laborator efectuate la 7 zile de întărire a probelor, are
o valoare de 53 de ori mai mare ca cea aferentă pământului în stare naturală. Pentru
același tip de pământ la 28 de zile de întărire a probelor, rezistența medie măsurată este
aproape dublă față de față de cea înregistrată la 7 zile și de 93 de ori mai mare ca
rezistența pământului natural. Pentru argila recoltată din forajul F1 ( A F1) se
înregistrează o creștere a rezistenței mai redusă în comparație cu nisipurile
prăfoase astfel că, la 7 zile de întărire a probelor se obține o valoare a rezistenței
medii măsurate de 7.5 ori mai mare ca rezistența pământului natural iar la 28 de
zile de întărire de 10.7 ori mai mare. Acest aspect era de așteptat dat fiind faptul
că argila este caracterizată printr-un conținut de materie organică cuprins între 2-
5%.
Figura 5.14. Rezistența la compresiune monoaxială la 7 de zile de întărire, funcție
de raportul de apă-ciment și cantitatea de ciment
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
34
Figura 5.15. Rezistența la compresiune monoaxială la 28 de zile de întărire,
funcție de raportul de apă-ciment și cantitatea de ciment
Figura 5.16. Rezistențele pământurilor analizate în stare naturală și cele obținute prin
malaxare cu suspensie de ciment: α=600 kg/m3 și A/C=0.6
5.5. Program experimental de teren
5.5.1. Descrierea programului experimental de teren
Programul experimental de teren a reprezentat o etapă de analiză și de
testare in situ a unor elemente de probă. Scopul acestuia a fost de a verifica
posibilitatea de aplicare a tehnologiei de execuție precum și de a optimiza și
adapta parametrii tehnologici funcție de condițiile geotehnice din amplasament.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
35
Înainte de execuția efectivă a coloanelor de pământ stabilizat sub fundațiile izolate
ale halei, a fost realizat un poligon experimental poziționat lângă hală, în
vecinătatea intersecției axului 1 cu axele E și F. În cadrul acestuia au fost
efectuate în total 28 de coloane cu diametru de 400 mm și lungime de 10 m.
Ținând cont de rezultatele furnizate de programul experimental de
laborator, în cadrul programului experimental de teren au fost efectuate trei
poligoane (Figura 5.17.), după cum urmează:
- poligonul A alcătuit din 5 coloane denumite: A1, A2, A3, A4 și A5;
- poligonul B alcătuit din 3 coloane denumite: B1, B2 și B3;
- poligonul C alcătuit din 20 de coloane denumite: C 1, C2, ...C20;
5.5.2. Descrierea tehnologiei de execuție utilizată
Tehnologia utilizată pentru execuția coloanelor de pământ stabilizat se
regăsește în portofoliul companiei Soletanche Bachy sub denumirea de
„Springsol”. Tehnologia presupune destructurarea mecanică a terenului natural
prin forare, introducerea prin injectare la presiuni joase a suspensiei de ciment și
malaxarea acesteia cu pământul rezultând astfel, coloane de pământ stabilizat.
Echipamentul specific tehnologiei Springsol este alcătuit din : instalația
pentru execuția coloanelor alcătuită dintr-un ansamblu format din utilaj (foreză) și
echipamente/accesorii: unealta de malaxare alcătuită din tijă de forare/ malaxare
cu brațe rabatabile și piesa de capăt (Figura 5.19.) și instalația de aprovizionare cu
agent de stabilizare: panou de comandă, silozuri de depozitare a cimentului și a
apei, sistem de dozare, malaxor, agitator și alte accesorii.
Figura 5.19. Instalație de foraj dotată cu unealta de malaxare cu brațe rabatabile
specifică tehnologiei Springsol
5.5.3. Planul de desfășurare al poligonului experimental de teren
Poligonul C a fost efectuat cu scopul calibrării metodei de execuție și a
parametrilor tehnologici (viteză de penetrare/retragere, viteza de rotație, cantitate
de suspensie și presiune de injectare) funcție de condițiile geotehnice specifice
amplasamentului.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
36
La execuția coloanelor din poligonul A, a fost utilizat raportul apă -
ciment A/C=1.0 și cantitatea de ciment pulbere de aproximativ 480 kg/m 3. Din
considerente impuse de încercarea statică axială, în cen trul coloanelor A1, A2 și A3
și pe întreaga lungime a acestora (10 m) au fost dispuse țevi metalice din oțel
S235JR cu diametrul de 114,3mm și grosime 6 mm. Cele trei coloanele din poligonul
B au fost realizate folosind un raport apă-ciment A/C=0.6 și o cantitatea de ciment
pulbere de aproximativ 640 kg/m3. Utilizând același tip de țeavă ca și în cazul
poligonului A, coloanele B1, B2, B3 au fost armate prin dispunerea acesteia în
centrul coloanei și pe întreaga lungime de 10 m.
5.5.4. Prezentarea încercărilor și testelor de verificare şi asigurare a calității pe
parcursul execuției și ulterior acesteia
Performanțele geotehnice ale coloanelor de probă au fost evaluate în
cadrul următoarelor tipuri de investigații:
5.5.4.1. Încercări şi teste de laborator efectuate asupra:
o Probelor prelevate în stare proaspătă. Din corpul celor 8 coloane executate în
cadrul poligoanelor A și B au fost prelevate probe în stare proaspătă (Figura 5.22.),
imediat după execuția acestora și înainte de începerea prizei mixturii pământ - suspensie
de ciment. Momentul de recoltare al probelor corespunde fazei de retragere a uneltei de
malaxare și apropierii acesteia de suprafața terenului amenajat. Au fost recoltate în total
96 de probe, câte 12 pentru fiecare coloană. Acestea au fost transportate și depozitate la
temperatura constantă de aproximativ 7°C și ulterior testate în laborator, la compresiune
monoaxială la 7, 14 și 28 de zile de întărire.
o Probelor prelevate prin carotare după întărire. După 21 de zile de la execuția
coloanei A5, aceasta a fost supusă operațiunii de carotare continuă cu ajutorul
echipamentului Beretta T44 (Figura 5.23.) prevăzut cu sistemul de prelevare,
triplucarotier. Carota a avut diametrul de 100 mm și a fost alcătuită din tronsoane egale cu
lungimea carotei cu pereți tripli de 2 m (Figura 5.24. și 5.25.). Din carotă au fost fasonate
probe cilindrice cu diametrul de 100 mm și înălțimea de 200 mm (Figura 5.27.) care au
fost supuse testelor de compresiune monoaxială la 28 de zile de la execuția coloanei.
Figura 5.22. Eșantioane de mixtură pământ-suspensie de ciment prelevate din
poligoanele A și B
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
37
Figura 5.23. Poziționarea echipamentului Beretta T44 deasupra coloanei A5
Figura 5.24. Segment al carotei cuprins între -4.50 m - 6.50m
Figura 5.27. Probe de pământ stabilizat – diametrul de 100 mm și
înălțimea de 200 mm
5.5.4.2. Încercări şi teste in situ:
o Încercări nedistructive de carotaj ecosonic prin impedanță
mecanică. Testele au fost efectuate pentru coloanele A4, A5 și B2, la 14 zile de
la execuția acestora, cu scopul de a le evalua integritatea (Figura 5.29.).
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
38
Figura 5.29. Test de impedanță mecanică efectuat asupra coloanei B2
o Încercări de penetrare dinamică pe con. Încercările au fost
efectuate utilizând penetrometrul dinamic ușor. Testele au fost realizate în jurul
coloanei A4, poziționate pe cercuri concentrice coloanei cu raza de 60, 120 și
180 cm. Scopul acestora a fost de a evalua dacă execuția coloanelor de pământ
stabilizat cu suspensie de ciment prin tehnologia Springsol influențează
parametrii geotehnici ai pământului din imediata vecinătate a acestora.
Încercările au fost efectuate în 3 etape: înainte de execuția coloanei, imediat
după finalizarea execuției coloanei și la aproximativ 40 de zile de la execuția
coloanei.
o Încercări statice axiale la compresiune și la smulgere. Testele au
fost realizate asupra grupurilor de coloane A1, A2, A3 și B1, B2, B3, la
aproximativ 40 de zile de la execuția acestora (Figura 5.32.). Scopul acestora a
constat în determinarea capacității portante a coloanelor de probă ținând cont
de conlucrarea cu terenul din jur, reflectată prin relația dintre încărcări și
deformații.
Figura 5.32. Ansamblul de coloane B1, B2 și B3 supus încercării statice axiale
o Excavația parțială și inspecția vizuală a coloanelor. După
aproximativ 40 de zile de la finalizarea execuției coloanelor din poligoanele
experimentale A, B, C s-a procedat la excavarea în zona de suprafață, până la
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
39
adâncimea medie de -1.50 m de la cota terenului amenajat (Figurile 5.35.). În
acest mod au fost examinate vizual corpurile coloanelor, urmărindu-se dacă
diametrul executat coincide cu cel proiectat precum și dacă pământul stabilizat
prezintă caracteristicile unui material omogen și continuu.
Figura 5.35. Excavație parțială poligon C
5.5.5. Prezentarea și interpretarea rezultatelor aferente programului experimental
de teren
5.5.5.1. Încercări şi teste de laborator
5.5.5.1.1. Teste de compresiune monoaxială efectuate asupra probelor prelevate în stare
proaspătă din corpul coloanelor executate
Încercările de compresiune monoaxială au fost efectuate în laboratorul Facultății
de Construcții și Instalații din Iași. Echipamentul de testare utilizat a constat în mașina de
încercări servo electrico-hidraulică controlată prin computer și conectată la programul
MaxTest.exe care salvează și înregistrează datele automat pe parcursul încercării.
Pentru fiecare coloană din poligoanele experimentale A și B au fost prelevate
probe cilindrice și efectuate încercări de compresiune monoaxială la 7, 14 și 28 de zile de
întărire (Figura 5.40). Încercările au fost efectuate cu viteza de deformare axială constantă,
de 1mm/min și înregistrarea eforturilor unitare normale corespunzătoare. Rezistența la
compresiune monoaxială sau cu deformare laterală liberă a fost considerată ca fiind efortul
unitar maxim la care proba de pământ stabilizat cu suspensie de ciment cedează, se rupe.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
40
Figura 5.40. Probe prelevate din poligonul A testate la 7, 14 și 28 de zile de întărire
Diferențele privind valorile rezistențelor corespunzătoare probelor prelevate din
cele două poligoane A și B au la bază două argumente justificative ce se referă la rețeta de
pregătire a suspensiei de ciment și anume: cantitatea de ciment pulbere, α și raportul de
apă-ciment, A/C. Coloanele din poligonul A au fost executate utilizând α=480 kg/m3 și
A/C= 1.0 iar coloanele din poligonul B au fost executate utilizând α=640 kg/m3 și A/C=
0.6. Prin urmare este de așteptat ca epruvetele recoltate din poligonul B să fie caracterizate
prin rezistențe și rigidități mai mari decât cele aferente poligonului A.
Figura 5.42. Rezistența la compresiune monoaxială funcție de timpul de întărire – poligon
A
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
41
Figura 5.43. Rezistența la compresiune monoaxială funcție de timpul de întărire - poligon B
5.5.5.1.2. Teste de compresiune monoaxială efectuate asupra probelor prelevate prin
carotare, după întărire
Probele cilindrice cu diametrul de 100 mm și înălțimea de 200 mm obținute prin
carotarea coloanei A5, au fost supuse testelor de compresiune monoaxială, la 28 de zile de
la execuția coloanei (Figurile 5.53.). Încercările de compresiune au fost efectuate în
laboratorul Facultății de Construcții și Instalații din Iași, utilizând același echipament și
adoptând aceeași procedură de testare ca și în cazul probelor prelevate în stare proaspătă
din corpul coloanelor.
Pentru nisipuri se obțin valori ale rezistenței la compresiune monoaxială (peste
10 MPa) duble față de prafurile argiloase și de până la zece ori mai mari față de argilele ce
conțin materie organică. Argilele au un conținut semnificativ de materie organică care
îngreunează procesul de malaxare și de stabilizare cu ciment datorită umidității mari și
numărului redus de particule solide.
Figura 5.53. Probă carotată din coloana A5 de la adâncimea -1.50..-1.70 m - înainte și
după cedare
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
42
Figura 5.58. Diagrama de variație a rezistențelor în funcție de adâncimea de prelevare
În urma interpretării rezultatelor (Figura 5.58.) se constată că până la cota de
aproximativ -6.0 m rezistențele la compresiune monoaxială sunt satisfăcătoare din punct
de vedere al capacității preluării forțelor verticale de serviciu preliminate în proiect (mai
mari ca 318 kN). Dincolo de această adâncime, se remarcă o scădere a rezistențelor, fapt
datorat în principal de prezența materiei organice în straturile de argilă interceptate. Față
de rezistența la compresiune monoaxială inițială a argilelor în stare naturală (qu = 138.33
kPa), se observă că în urma malaxării cu suspensie de ciment, rezistența este majorată de
7.5 (qu = 1.04 MPa) până la 13 ori (qu = 1.8 MPa). Având în vedere faptul că eforturile de
compresiune se mobilizează preponderent în primele două treimi din lungimea coloanei,
estompându-se în ultima treime datorită frecării pe suprafața laterală a coloanei,
rezultatele la compresiune monoaxială obținute, se consideră satisfăcătoare.
Pentru a estima o valoare caracteristică a rezistenței la compresiune monoaxială
(qu,k) ce caracterizează întreaga coloană de pământ stabilizat cu suspensie de ciment, a fost
efectuată o prelucrare statistică a rezistențelor menționate în Figura 5.58.
Evaluarea modulului de deformație secant E50 al probelor de pământului stabilizat
prelevate prin carotare din corpul coloanei A5 a fost efectuată prin metoda grafică,
detaliată în Capitolul 4.Adoptând aceeași modalitate de calcul pentru estimarea valorii
caracteristice ca și în cazul rezistenței la compresiune monoaxială, se obțin valorile
caracteristice ale modulului de elasticitate secant E,kinf =361.587 MPa și E,k
sup =1154.618
MPa.
5.5.5.2. Încercări şi teste in situ
5.5.5.2.1. Încercări nedistructive de carotaj ecosonic prin impedanță mecanică
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
43
Controlul calității sau integrității coloanelor A4, A5 și B2 a fost efectuat la 14 zile
de la execuția acestora, prin metoda impedanței mecanice.
Analizând curbele reflectrograme de impedanță ale celor trei coloane, se constată
că în corpurile acestora nu exista variații de impedanță caracteristice unor întreruperi,
modificări de secțiune sau neuniformități semnificative privind densitatea materialului din
care sunt executate. În consecință, se poate considera că aceste coloane experimentale A4,
A5 au fost executate conform lungimii proiectate, respectiv 10 m și îndeplinesc condițiile
de integritate, adică sunt continui şi nu prezintă defecte locale concretizate prin
întreruperi, gâtuiri, incluziuni de alte materiale, (Vicoleanu, 2017).
5.5.5.2.2. Încercări de penetrare dinamică pe con
În funcție de caracteristicile echipamentului de testare dar și de numărul de
lovituri corespunzător penetrării conului pentru fiecare 10 cm, N10L au fost determinate
rezistența unitară pe vârf rd și rezistența dinamică pe vârf qd (Figura 5.65.).
Figura 5.65. Comparații privind rezultatele penetrărilor dinamice ușoare efectuate la 60
cm față de axul coloanei A4: număr de lovituri corespunzător penetrării conului pentru
fiecare 10 cm (stânga), rezistența dinamică pe vârf qd (dreapta)
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
44
Prin suprapunerea diagramelor întocmite pentru numărul de lovituri
corespunzător penetrării conului pentru fiecare 10 cm, N10L și rezistența dinamică pe
vârf, qd, se poate admite faptul că execuția coloanei a indus asupra terenului din jur o
ușoară îmbunătățire asupra stării fizice a acestuia, manifestată prin majorarea parametrilor
înregistrați și calculați, specifici încercării de penetrare dinamică cu con.
5.5.5.2.3. Încercări statice axiale la compresiune și la smulgere
Încercările statice axiale la compresiune și smulgere efectuate asupra grupurilor
de coloane A1, A2, A3 și B1, B2, B3, la aproximativ 40 de zile de la execuția acestora.
Pentru fiecare treaptă de încărcare au fost înregistrate deplasările verticale atât
pentru coloanele supuse solicitării de compresiune cât și pentru cele solicitate la smulgere.
Treapta de încărcare de 350 kN reflectă starea de deformație a coloanei supusă forței
maxime de compresiune evaluată pentru starea limită de serviciu (318 kN). Conform
normativului NP 045-2000, cedarea coloanei se consideră ca având loc dacă sub o anumită
treaptă de încărcare, tasarea medie este mai mare ca 1/10 din diametrul coloanei, în acest
caz 40 mm. Tasarea maximă a fost înregistrată pentru coloana A2 sub treapta de încărcare
de 700 kN și este egală cu valoarea de 7.21 mm. Prin urmare, în cadrul testelor efectuate
nu a fost atinsă forța de rupere Qr, deci nu a avut loc cedarea structurală a coloanelor.
Extrapolând, se poate admite faptul că rezistența la compresiune a coloanelor A2 și B2
depășește valoarea de 5.4 MPa, evaluată ca fiind raportul dintre forța maximă, de 700 kN,
aplicată în cadrul testelor și aria secțiunii transversale a coloanei, respectiv 0.13 m3.
Figura 5.69. Diagrama încărcării axiale la compresiune - coloana A2
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
45
5.6. Proiectarea geotehnică a terenului de fundare
Spre exemplificare, a fost efectuată proiectarea geotehnică a terenului de fundare,
în stare naturală dar și după stabilizarea în adâncime prin execuția coloanelor de pământ
malaxat cu suspensie de ciment, de sub fundația din axul E. Fundația din axul E este cea
mai solicitată pentru ipoteza de încărcarea din gruparea fundamentală – forța axială la
baza stâlpului fiind Nx=795.573 kN.
5.6.1. Proiectarea geotehnică a terenului de fundare în stare naturală
În această etapă a fost efectuată proiectarea terenului de fundare la stări limită
ultime (evaluarea capacității portante) și la stări limită de exploatare (evaluarea tasării
absolute prin metoda însumării pe straturi elementare).
5.6.2. Proiectarea geotehnică a terenului de fundare stabilizat în adâncime prin
malaxare cu suspensie de ciment
Proiectarea elementelor de pământ stabilizat în adâncime prin metode de
malaxare mecanică presupune parcurgerea a două etape: proiectarea geomaterialului și
proiectarea geometrică.
5.6.2.1. Proiectarea geomaterialului
Rețeta de pregătire a agentului de stabilizare a fost prestabilită în cadrul
programului experimental de laborator și definitivată ca urmare a rezultatelor furnizate de
poligoanele experimentale realizate in situ. Așadar, în urma testelor și încercărilor
efectuate asupra elementelor de probă, din cele două poligoane experimentale A și B, s-a
decis executarea coloanelor de sub fundațiile afectate de tasări utilizând rețeta adoptată în
poligonul A care constă în utilizarea unei cantități de ciment pulbere α=480kg/m3 și
raportul apă-ciment A/C=1.0. Drept urmare, în etapele de calcul vor fi considerate
proprietățile coloanelor de pământ stabilizat, evaluate pe baza testelor de compresiune
monoaxială, efectuate pe probe obținute prin carotare:
Valoarea caracteristică a rezistenței la compresiune monoaxială qu;kinf =1.8 MPa;
Valoarea caracteristică a rezistenței la forfecare în condiții nedrenate cu;k= qu;kinf/2=
0.9 MPa;
Valoarea caracteristică a modulului de elasticitate secant Eu;kinf = 361.587 MPa.
5.6.2.2. Proiectarea geometrică
Proiectarea geometrică a soluției de stabilizare a terenului de fundare, în
adâncime prin malaxare cu suspensie de ciment, presupune stabilirea numărului și
dimensiunilor elementelor dar și a configurației geometrice a acestora.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
46
5.6.2.2.1. Modelul de calcul analitic
5.6.2.2.1.1. Ipoteza de calcul I – Asimilarea terenului tratat ca un sistem compozit
Conform ipotezei, sistemul compozit este alcătuit din coloanele de pământ
stabilizat și terenul natural din jurul acestora. Proprietățile geomaterialului din care este
alcătuit sistemul sunt evaluate funcție de raportul de îmbunătățire, notat a și definit ca
raportul dintre aria secțiunii transversale a coloanei (Acol) şi aria de pământ totală
corespunzătoare acesteia (Atot) (ASIRI National Project, 2013).
Pentru fundația din axul E dimensiuni în plan sunt: B=2.6 m și L=3.0 m (Figura
5.73.),
În această etapă a fost efectuată proiectarea sistemului compozit la stări limită
ultime (evaluarea capacității portante) și la stări limită de exploatare (evaluarea tasării
absolute prin metoda însumării pe straturi elementare).
Figura 5.72. Dimensiunile fundației din axul E și configurația geometrică preliminară a
coloanelor de pământ stabilizat prin malaxare cu suspensie de ciment
Figura 5.73. Evaluarea raportului de îmbunătățire, a
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
47
5.6.2.2.1.2. Ipoteza de calcul II – Asimilarea terenului tratat ca un sistem alcătuit din
două subsisteme, unul reprezentat de elementele rigide de pământ îmbunătățit prin
malaxare iar celălalt subsistem reprezentat de terenul natural, netratat din jur
Conform ipotezei asimilării terenului tratat ca sistem alcătuit din două subsisteme
se consideră că subsistemul constituit din coloanele de pământ stabilizat, are rolul de a
transmite încărcările provenite de la suprastructură la straturile de pământ din adâncime
care asigură o capacitate portantă mai ridicată, pentru situația analizată – stratul de sare.
Coloanele de pământ stabilizat vor fi tratate similar piloților flotanți supuși
solicitărilor axiale.
Pentru această ipoteză de calcul proiectarea sistemului la stări limită ultime a
constat în Evaluarea capacității portante ultime la compresiune a coloanelor de pământ
stabilizat prin metode prescriptive.
5.6.2.2.2. Modelul de calcul numeric
Pentru cele două ipoteze de calcul menționate în subcapitolul 5.6.2.1., având ca
punct de plecare condițiile geotehnice specifice amplasamentului analizat, au fost evaluate
dimensiunile și configurația geometrică a coloanelor de pământ stabilizat de sub fundația
din axul E, prezentată în Figura 5.72. Analizele au fost realizate prin modelare numerică
cu ajutorul programului GEO5. Softul este realizat conform Eurocod 7 (EN 1997-1) și
permite verificarea și dimensionare elementelor conform metodei semiprobabilistice a
stărilor limită, folosind abordările de calcul și factorii parțiali de siguranță specifici
acestora.
5.6.2.2.2.1. Evaluarea stării de deformație a terenului de fundare înainte de intervenția
de stabilizare în adâncime prin malaxare cu suspensie de ciment
Pentru evaluarea deformațiilor manifestate la nivelul terenului de fundare în stare
naturală, aferent fundației E, a fost utilizat modulul programului GEO5 numit „Tasarea” și
metoda de analiză bazată pe curba de compresiune – tasare.
Modelul considerat în cadrul analizei, ilustrat în Figura 5.75. are următoarele
dimensiuni: 3.9 m (1.5 B) de o parte și de cealaltă a laturii scurte a fundației (B=2.6 m),
iar în adâncime 7.65 m, măsurați de la nivelul tălpii fundației și până la stratul de sare,
considerat incompresibil.
Limita inferioară a zonei de influență considerată în cadrul analizei numerice a
fost de 7.65 m iar valoarea maximă a tasării terenului de fundare obținută este
s = 11.72 cm.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
48
5.6.2.2.2.2. Evaluarea stării de deformație a terenului de fundare după intervenția de
stabilizare în adâncime prin malaxare cu suspensie de ciment
5.6.2.2.2.2.1. Ipoteza de calcul I – Asimilarea terenului tratat ca un sistem compozit
Pentru ipoteza de calcul a sistemului compozit se păstrează geometria analizată
anterior pentru pământul natural, dar se modifică caracteristicile pământului situat sub
talpa fundației pe o grosime de 7.65 m.
Ca și în cazul anterior, limita inferioară a zonei de influență considerată este de
7.65 m. De această dată rezultă o valoare maximă a tasării terenului de fundare de s= 1.61
cm (Figura 5.79.), adică de 7.3 ori mai mică decât tasarea obținută în ipoteza fundării pe
teren natural, nestabilizat.
Figura 5.75. GEO5 - model geometric analizat
Figura 5.77. Diagrame de variație a tasărilor [mm] în adâncime – teren natural
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
49
Figura 5.79. Diagrame de variație a tasărilor [mm] în adâncime – teren stabilizat, în
ipoteza sistemului compozit
5.6.2.2.2.2.2. Ipoteza de calcul II – Asimilarea terenului tratat ca un sistem alcătuit din
două subsisteme, unul reprezentat de elementele rigide de pământ îmbunătățit prin
malaxare iar celălalt subsistem reprezentat de terenul natural, netratat din jur
Pentru evaluarea capacității portante la compresiune și a deplasărilor
corespunzătoare coloanelor de pământ stabilizat de sub fundația din axul E, au fost
utilizate modulele programului GEO5 denumite „Piloți” și „Grup de piloți”. Softurile
efectuează analizele de verificare conform specificațiilor Eurocodul 7 - EN 1997-1:
Geotechnical Design – Part 1: General rules.
Un prim model considerat în cadrul analizei a constat într-o coloană cu diametrul
de 0.40 m și lungime de 7.65 m (Figura 5.80.).
Evaluarea capacității portante la compresiune a coloanei comprimate a fost
efectuată pentru cel mai restrictiv caz de încărcare ce corespunde abordării de calcul 1 -
gruparea 1. Analiza numerică a furnizat următoarele rezultate:
- Capacitatea portantă ultimă a coloanei Rc;d;
- Tasarea maximă a coloanei s =2.5 cm.
Pentru analiza efectuată asupra celor 4 coloane considerate sub fundația din axul
E, a fost considerat modelul din Figura 5.81. În urma analizei numerice rezultă
următoarele:
- Capacitatea portantă capacitatea portantă la compresiune:
- Tasarea grupului de coloane: s =3.4 mm
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
50
Figura 5.80. GEO5 – modelarea
geometrică a unei singure coloane
Figura 5.81. GEO5 – modelarea
geometrică a grupului de 4 coloane
5.6.3. Centralizarea rezultatelor și concluzii
Pentru a ușura analizarea rezultatelor obținute în cadrul subcapitolului 5.6. s-a
procedat la centralizarea rezultatelor sub forma Tabelului 5.12.
Tabel 5.12. Centralizarea rezultatelor furnizate în etapa de calcul și verificare a coloanelor de pământ stabilizat
Ipoteza de
calcul
Model de calcul analitic Model de calcul numeric
Capacitate portantă (kN) Tasări
(cm)
Capacitate
portantă (kN) Tasări
(cm) Ab1G1 Ab1G2 Ab3 Ab1G1 Ab1G2
Pământ
natural 4879.65 3579.7 3579.7 6.586 - - 11.72
Pământ
stabilizat –
sistem
compozit
7328.04 5328.42 5328.42 0.864 - - 1.61
Pământ
stabilizat –
sistem alcătuit
din 2
subsisteme(*)
336.646 260.29 - - 377.91 298.33 2.5
* valorile corespund unei singure coloane de pământ stabilizat
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
51
5.7. Aspecte economice. Analiză tehnico-economică comparativă
Scopul acestui subcapitol este de a prezenta aspectele ce trebuie avute în vedere
atunci când se efectuează o analiză tehnico-economică, privind un proiect de stabilizare a
terenului în adâncime prin metode de malaxare mecanică. Pentru a demonstra fezabilitatea
și eficiența acestei metode, având în vedere particularitatea obiectivul analizat -
construcție existentă de tip hală, a fost efectuată o analiză tehnico-economică comparativă
cu o soluție alternativă - ranforsarea terenului de fundare prin execuție de micropiloți.
Pentru fundația din axul E, a fost efectuată o analiză comparativă privind anumite
aspecte tehnologice de execuție specifice metodei de stabilizare în adâncime a pământului
prin malaxare mecanică cu suspensie de ciment Springsol (DSM) și ranforsarea terenului
de fundare prin realizarea de micropiloți (Tabelul 5.13.). Se observă că, pentru obiectivul
analizat, atât din punct de vedere tehnologic cât și financiar, tehnologia Springsol este mai
avantajoasă decât tehnologia de execuție a micropiloților.
Tabel 5.13. Analiză tehnico-economică comparativă
Aspecte evaluate Coloane DSM
Ø400mm
Micropiloți
Ø300mm
Diametrul carotei executate în talpa fundației
pahar (mm) 180 300
Număr bare de armătură din talpa fundației
afectate de intervenție 0 cel puțin 2
Număr de elemente per fundație 4 6
Este necesară tubarea pentru forare
Doar pentru zona
cuprinsă între cota
0.00 m și -2.35 m
De la cota 0.00 m până
la aproximativ -10.0 m
Presiunea de injectare (bari) 2-3 10 - 15
Cost execuție per ml element nearmat (€) 45 40
Cost execuție per ml element armat (€)
Țeavă rotundă
diametrul 114,3mm Profil oțel HEA 180
58 68
Cost execuție elemente per fundație (€) 180/232 240/408
5.8. Aspecte de execuție a elementelor de tip coloană de pământ stabilizat prin
malaxare mecanică cu suspensie de ciment
Conform celor menționate în subcapitolul 5.3., soluția de consolidare a terenului
de fundare aferent celor 6 fundații poziționate la intersecția axului longitudinal 1 cu
axele transversale: Dꞌ, E, Eꞌ, F, Fꞌ și G, constă în execuția coloanelor de pământ
stabilizat prin tehnologia Springsol. Modul de dispunere al coloanelor (Fig. 5.82.) a fost
dictat de posibilitățile de acces și de manevrare a echipamentelor în interiorul halei, dar și
de limitarea distrugerilor/demolărilor privind elementele de compartimentare existente.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
52
Principalele etape tehnologice parcurse în cadrul procesului de execuție al
coloanelor de pământ stabilizat de sub fundații, prin tehnologia Springsol, sunt
următoarele (Caiet de sarcini - Soletanche Bachy, 2017):
1. Pentru a efectua intervenția la nivelul terenului de fundare, a fost necesar să se
caroteze pardoseala și tălpile fundațiilor pahar (Figura 5.86.). În interiorul carotelor
a fost montată o tubulatură metalică de protecție cu diametrul interior de 165 mm;
2. În interiorul tubulaturii metalice de protecție instalată în pasul anterior, a fost
introdusă unealta de malaxare (Figura 5.87.) în poziție pliantă a brațelor. În această
etapă diametrul exterior al uneltei cu brațele pliate, este de 159 mm.
3. Odată depășit capătul inferior al tubulaturii metalice de protecție, brațele uneltei de
malaxare Springsol se desfac automat prin intermediul arcurilor. Pe măsură ce
unealta avansa în adâncime prin rotație în sens orar tijei de foraj, a fost realizată
injectarea suspensiei de ciment concomitent cu malaxarea acesteia cu pământul.
Injectarea suspensiei se efectuează prin duzele de injectare poziționate la partea
inferioară a uneltei;
4. După ce a fost atinsă cota corespunzătoare capătului inferior al coloanei, tija de
foraj împreună cu unealta de malaxare au fost extrase prin rotație în sens invers
penetrării, cât mai rapid posibil, parcurgând de regulă, un metru liniar de coloană
într-un minut. Prin urmare, în etapa de retragere are loc o reamestecare a suspensiei
de ciment cu pământul. Brațele uneltei Springsol se pliază automat prin intermediul
arcurilor la contactul tubulaturii metalice de protecție.
5. Înainte de intrarea în priză a mixturii pământ - suspensie de ciment, a fost instalată
în corpul coloanei proaspăt executată, armătura – țeava metalică din oțel S235JR cu
diametru de 114.3 mm și grosime de 6 mm.
6. Dupa extragerea tubulaturii metalice de protecție, gura forajului se poate umple cu
lapte de ciment și se consideră încheiată execuția unei coloane (Figura 5.88.)
Figura 5.82. Configurația geometrică a coloanelor de sub fundațiile din axul D’și E
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
53
Figura 5.86. Carote executate în pardoseală și în talpa fundațiilor pahar
Figura 5.87. Unealta de malaxare specifică tehnologiei Springsol
Figura 5.88. Coloana C3 executată din interiorul halei
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
54
5.9. Controlul calității pe parcursul execuției și ulterior acesteia
Pe parcursul execuției coloanelor de pământ stabilizat a fost efectuat un control
permanent asupra următoarelor aspecte:
Calitatea și cantitatea suspensiei de ciment injectată în corpul coloanelor.
După pregătirea fiecărei șarje de suspensie de ciment, a fost măsurată
densitatea amestecului și comparată cu densitatea teoretică a suspensiei de
1507 kg/m3.
Monitorizarea continuă a parametrilor tehnologici de execuție precum:
viteză de penetrare/retragere, viteza de rotație la penetrare/retragere,
cantitatea de suspensie injectată, presiunea de injectare.
Prelevarea de probe în stare proaspătă din corpul coloanelor imediat după
execuția acestora. Rezultatele testelor de laborator (Tabelul 5.14.) indică
faptul că valorile caracteristice inferioare ale rezistenței la compresiune
monoaxială, determinate conform NP122-2010, depășesc încă de la 7 zile de
întărire, valoarea minimă necesară de 2.5 MPa, corespunzătoare forței axiale
318 kN ce îi revine unei coloane.
Monitorizarea tasărilor pe parcursul execuției coloanelor și ulterior
acesteia. Pentru a avea control asupra deplasărilor manifestate la nivelul
terenului de fundare, înainte de începerea execuției, pe parcursul, dar și după
finalizarea execuției coloanelor de serviciu, au fost efectuate măsurători
topografice. În acest scop, au fost utilizate mărcile de tasare montate pe
stâlpii din axele D, Dꞌ, E, Eꞌ, F și Fꞌ ale halei, în faza de monitorizare din
perioada decembrie 2014 - noiembrie 2016 (menționată în subcapitolul 5.1.).
Pentru a surprinde evoluția tasărilor de-a lungul timpului, măsurătorile au
fost raportate la citirile de referință efectuate în decembrie 2014. În Figura
5.89. sunt reprezentate grafic valorile deplasărilor pe verticală aferente
fundațiilor asupra cărora s-a intervenit prin execuția coloanelor, înregistrate
de la momentul inițierii execuției și până la o lună de la finalizarea acesteia.
Dacă măsurătorile efectuate până în aprilie 2017, respectiv până la momentul
de start al execuției coloanelor de pământ stabilizat, indicau un ritm de
creștere lunar al tasărilor de ordinul zecilor de mm, se constată că, odată cu
începerea execuției, deplasările pe verticală încep să scadă și să se stabilizeze
în jurul valorii de 1-2 mm. La o luna de la finalizarea execuției, tasările scad
în continuare, tinzând spre zero.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
55
Tabel 5.14. Rezultatele testelor de compresiune monoaxială efectuate asupra probelor
prelevate în stare proaspătă din corpul coloanelor de serviciu
Denu
mire
coloa
nă
Timp de
întărire
(zile)
Valoarea medie
măsurată a rezistenței
la compresiune
monoaxială qu (MPa)
Valoarea caracteristică a rezistenței
la compresiune monoaxială quk
(MPa)
quk inf quk sup
C1 7 7.29 6.484
8.085
14 7.68 6.541 8.811
C6 7 6.0 4.257 7.744
14 6.34 5.726 6.945
C7 7 4.92 4.390 5.444
14 5.90 5.180 6.609
C4 7 3.97 2.961 4.970
14 4.19 3.966 4.421
C9 7 5.41 4.857 5.963
14 5.91 4.923 6.903
C10 7 5.89 4.250 7.535
14 6.3 5.948 6.652
C11 7 6.17 5.429 7.067
14 7.42 6.907 7.766
Figura 5.89. Evoluția tasărilor în axele în care a fost realizată intervenția, în intervalul
ianuarie 2017 - iunie 2017
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
56
CAPITOLUL 6. CONCLUZII GENERALE. CONTRIBUŢII PERSONALE.
VALORIFICAREA REZULTATELOR
6.1. Concluzii generale
Stabilizarea sau îmbunătățirea pământurilor în adâncime prin malaxare presupune
o intervenție de destructurare și amestecare a pământului natural cu un liant sau o
combinație de lianți și alte adaosuri, cu impact pozitiv la nivelul caracteristicilor
geotehnice. Drept urmare, sunt eliminate o serie de probleme care apar tot mai frecvent în
condițiile actuale de realizare a lucrărilor de construcții, specifice unor terenuri medii sau
dificile, precum: deformabilitate mare, capacitate portantă redusă, potențial de alunecare
sau lichefiere. Această metodă de îmbunătățire în adâncime a terenurilor a apărut cu
aproximativ 50 de ani în urmă, în paralel, în Suedia și Japonia, iar în prezent, la nivel
internațional există zeci de tehnologii și echipamente, manifestându-se un interes continuu
de dezvoltare și diversificare a lor. Metoda de stabilizare în adâncime prin malaxare poate
fi aplicată cu rezultate foarte bune în cazul argilelor moi, pământurilor granulare fine și cu
granulație medie, prafurilor, dar și în cazul pământurilor organice sau contaminate.
Spre deosebire de alte metode de tratare a terenului, stabilizarea în adâncime prin
malaxare nu implică excavarea terenului sau alte procedee care generează vibrații sau
zgomote semnificative. În schimb, tehnologia de execuție necesită echipamente dotate cu
unelte de amestecare prevăzute cu una sau mai multe unități rotative cu diferite forme și
dimensiuni e.g., roți, burghie, lame, palete, brațe rabatabile. Agentul de stabilizare sub
formă de pulbere sau de suspensie, este introdus și malaxat cu pământul prin intermediul
acestor unelte speciale, definind totodată și forma finală a elementului de pământ tratat
e.g., coloană, perete, bloc sau rețea. Configurația geometrică a elementelor de pământ
stabilizat în adâncime prin malaxare, este aleasă în funcție de specificul proiectului,
condițiile geotehnice din amplasament şi scopul intervenției.
Îmbunătățirea pământurilor în adâncime prin malaxare este fundamentată prin
prisma proceselor fizice (reacții de hidratare a liantului) și reacţiilor chimice (reacții de
schimb cationic și puzzolanice) care au loc între pământul natural şi agentul de stabilizare,
în urma cărora, structura chimico-mineralogică a pământului este modificată într-o
structură caracterizată prin performanțe fizico-mecanice superioare.
Proprietățile fizice ale pământului supus stabilizării în adâncime prin malaxare cu
diverși lianți, suferă o serie de modificări manifestate prin:
Reducerea umidității pământului ca urmare a consumului și evaporării apei
în cadrul procesului exoterm de hidratare a liantului;
Majorarea dimensiunii medii a particulelor de pământ ca urmare a floculării;
Creșterea densității pământului în cazul procedeului de stabilizare uscat
(liant sub formă de pulbere) cu 3% până 15%, fără modificări semnificative
în cazul procedeului umed (liant sub formă de suspensie);
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
57
Creșterea limitei de plasticitate inferioară wP, reducerea limitei de plasticitate
superioară wL şi implicit micșorarea indicelui de plasticitate IP, ca urmare a
reacțiilor de schimb cationic ce au loc între particulele de pământ natural și
liant;
Creșterea permeabilității de 100 până la 1000 de ori în cazul stabilizării
pământului cu var sau ciment și var – pulbere; micșorarea semnificativă a
permeabilității pământului malaxat cu suspensie de ciment.
Cercetările efectuate în acest domeniu indică faptul că parametrii de rezistență și rigiditate ai pământurilor îmbunătățite în adâncime prin malaxare cu agenți de stabilizare,
sunt dependenți de o multitudine de factori ce țin de: condițiile geotehnice naturale,
agentul de stabilizare, condițiile de amestecare și de întărire. În practica curentă de proiectare, caracteristicile pământului stabilizat sunt
cuantificate prin determinarea rezistenţei la compresiune monoaxială qu, datorită
simplității de determinare în laborator și a costurilor reduse implicate de aceasta, funcție
de care sunt estimați ceilalți parametrii mecanici ai materialului necesari în proiectarea
geotehnică (rezistența la forfecare, rezistența la întindere, modul de elasticitate secant).
Compoziția chimico-mineralogică a pământului în stare naturală influențează
capacitatea de reactivitate a acestuia cu agentul de stabilizare în cadrul reacţiilor
puzzolanice şi prin urmare condiționează formarea compușilor de cimentație care conferă
rezistență amestecului. Pământurile ce conțin minerale principale precum cuarț și feldspat
nu reacționează chimic cu agenții de stabilizare sub formă de pulbere, în special var. În
contrast cu acest aspect, pământurile care conțin minerale secundare de tip montmorillonit
și haloisit sunt puternic reactive în asociere cu var și/sau ciment. Stabilizarea cu var se
consideră a fi eficientă dacă pământul conține cel puțin 10% minerale argiloase. De
asemenea, s-a constatat faptul că pământurile cu un conținut mare de parte fină necesită o
cantitate mai mare de liant, fenomen ce poate fi explicat prin dimensiunile mai mari ale
suprafețelor de contact dintre particule. Valorile maxime ale rezistenţei la compresiune
monoaxială se obțin pentru nisipuri şi pământuri nisipoase.
Indiferent de tipul de agent de stabilizare utilizat sau de compoziția mineralogică
a pământului în stare naturală, rezistența la compresiune monoaxială a pământului tratat
scade pe măsură ce umiditatea naturală a terenului creşte și cu atât mai mult, după
depășirea limitei superioare de plasticitate wL. Prin urmare, cu cât umiditatea naturală a
pământului este mai mare cu atât cantitatea de liant necesară stabilizării va fi mai mare.
În cazul stabilizării pământurilor prin procedeul umed (agentul de stabilizare sub
formă de suspensie) majorarea raportului de apă – liant conduce la micșorarea rezistenţei
la compresiune a amestecului obținut. Există totuşi situaţii când, prin creşterea raportului
de apă – liant rezultă îmbunătăţirea lucrabilităţii terenului natural și a omogenității
elementelor de pământ tratat, eliminându-se astfel riscul variabilități rezistenţei în
cuprinsul/lungul acestora.
Caracterul acid al pH-ului apei conținută în porii pământului natural influențează
în sens negativ proprietățile pământului tratat prin metode de malaxare cu agenți de
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
58
stabilizare. Un pământ se consideră dificil de tratat prin aceste metode, dacă este
caracterizat printr-un pH mai mic ca 5 şi dacă, conținutul de materie organică al acestuia
este mai mare ca 6%.
În general, tipul şi cantitatea de agent de stabilizare se aleg în funcție de
compoziția granulometrică a pământului în stare naturală, de umiditatea acestuia şi
parametrii mecanici urmăriți.
De asemenea, tehnologia de execuție a elementelor de pământ stabilizat - prin
numărul, forma şi orientarea uneltelor și a unităților de malaxare, influențează procesul de
amestecare şi implicit caracteristicile fizice şi mecanice ale elementului rezultat. Drept
consecință, utilajul și uneltele folosite trebuie adaptate funcție de condițiile de teren astfel
încât, prin geometria şi dispunerea unităților rotative să asigure penetrarea, destructurarea
terenului, injectarea agentului de stabilizare şi amestecarea integrală a acestora.
Asemănător betonului, rezistenţa pământului stabilizat în adâncime prin malaxare
creşte în timp, iar majorarea temperaturii de întărire, accelerează reacțiile de hidratare și
de cimentație și prin urmare, sporește rata de creștere a rezistenței.
Pământul stabilizat este mai puțin ductil în comparație cu cel natural, iar
comportamentul acestuia devine asemănător pământurilor supraconsolidate. Pe măsură ce
rezistența la compresiune monoaxială qu crește, deformația specifică la rupere εf scade.
În analiza deformațiilor terenului tratat se utilizează adesea modulul de
elasticitate secant E50 al pământului stabilizat, care pe curba de efort-deformație
corespunde jumătății rezistenței la compresiune monoaxială, qu, între acestea existând o
corelare de tip liniar.
Particularitatea unui proiect de stabilizare în adâncime a pământului prin
malaxare constă în necesitatea efectuării programelor experimentale de laborator și/sau
teren. Complexitatea reacțiilor chimice și a proceselor fizice ce iau naștere între pământul
natural și agentul de stabilizare fac practic imposibilă predictibilitatea performanțelor
obținute. Experiența dobândită într-un proiect anterior poate constitui un punct de plecare
în analizarea posibilităților de tratare a unui amplasament asemănător, dar nu poate
garanta furnizarea acelorași rezultate.
Se recomandă ca pentru fiecare tip de pământ întâlnit în amplasament, să fie
analizate în laborator rețete de stabilizare care să cuprindă cel puțin 3 valori diferite
pentru cantitatea pulbere de liant, iar în cazul procedeului de stabilizare umed - cel puțin 3
rapoarte diferite de apă - liant. Caracteristicile de rezistență și deformabilitate ale
pământului stabilizat determinate în laborator depind nu doar de tipul pământului, tipul și
cantitatea de agent de stabilizare ci și de procedura de pregătire, depozitare în vederea
întăririi și de testare a probelor. În general probele pregătite în laborator sunt supuse
testelor de compresiune monoaxială la diferite vârste de întărire e.g., 3, 7, 14, 28, 56, 90
zile.
Deși este adoptată aceeași rețetă a agentului de stabilizare, valoarea rezistenței
corespunzătoare probelor prelevate din elemente de pământ stabilizat executate in situ,
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
59
reprezintă în general între 20% și 50% din valoarea rezistenței probelor confecționate în
laborator. Așadar, pentru eliminarea incertitudinilor legate de informațiile furnizate de
programul experimental de laborator, trebuie analizate și efectuate încercări pe elemente la
scară naturală, pe teren.
Testele in situ se efectuează în două faze, îndeplinind în cadrul acestora obiective
distincte. Prima faza de testare in situ este reprezentată de încercările efectuate pe
elemente de probă ce au ca scop validarea rezultatelor obținute în cadrul experimentelor
de laborator. Cea de-a doua fază reprezintă o parte componentă a programului de
verificare și asigurare a calității execuției elementelor de pământ stabilizat și de
confirmare a comportării sub solicitări a acestora.
Proiectarea geotehnică a terenului stabilizat în adâncime prin metode de malaxare
implică două etape principale: proiectarea geomaterialului și proiectarea geometrică.
Proiectarea geomaterialului constă în principal în determinarea: metodei de
stabilizare (uscată sau umedă), rețetei de stabilizare (tipul și cantitatea de agent de
stabilizare) și a tehnologiei de execuție, astfel încât, în urma intervenției să se obțină un
material caracterizat prin parametrii geotehnici necesari conform cerințelor proiectului.
Rețeta de stabilizare se prestabilește în cadrul programului experimental de laborator și
este definitivată în cadrul programului experimental de teren. Așadar, calculele efectuate
în cadrul procesului de proiectare al elementelor de pământ stabilizat ar trebui efectuate
având la bază rezultatele furnizate de testele efectuate pe elementele de probă, în teren.
Proiectarea geometrică este un proces iterativ prin care se stabilesc dimensiunile
şi configurația elementelor de pământ stabilizat, astfel încât acestea să răspundă cerințelor
pentru care sunt concepute. Analizele și verificările efectuate în această etapă utilizează
parametrii de material stabiliți în etapa anterioară. Proiectarea geometrică se bazează pe
metodologii ce au la bază ipoteze simplificatoare, ca de exemplu: ipoteza asimilării
terenului tratat ca un sistem compozit alcătuit din două subsisteme: unul reprezentat de
elementele de pământ stabilizat şi cel de-al doilea reprezentat de pământul natural,
netratat, din jurul acestora. Această ipoteză este recomandată în cazul în care cele două
subsisteme prezintă rigidități relativ apropiate; ipoteza asimilării terenului tratat ca un
sistem alcătuit din două subsisteme: unul reprezentat de elementele rigide de pământ
îmbunătățit prin malaxare iar celălalt subsistem reprezentat de terenul natural, netratat din
jur. Această ipoteză se utilizează în cazul în care rigiditatea elementelor de pământ
stabilizat este cu mult mai mare decât a pământului natural. Subsistemul constituit din
elementele de pământ stabilizat, are rolul de a transmite încărcările provenite de la
suprastructură la straturile de pământ din adâncime care asigură o capacitate portantă mai
ridicată.
Modul de cedare al elementelor de pământ stabilizat în adâncime prin malaxare
(coloane singulare/tangente, panouri/pereți, rețele sau blocuri) diferă de la o configurație
la alta funcție de performanțele acestora, de proprietățile terenului natural şi de condițiile
de solicitare. Cea mai stabilă configurație geometrică a unui teren stabilizat este cea de tip
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
60
bloc, care este folosită cu bune rezultate în cazul structurilor supuse la forțe orizontale
mari. Cea mai vulnerabilă configurație este cea de tip coloane singulare, care este utilizată
frecvent în vederea stabilizării tasărilor sau pentru structuri ușoare.
Procesul de execuție al elementelor de pământ stabilizat diferă de la un proiect la
altul funcție de tipul metodei (procedeu uscat sau umed) și/sau tipul tehnologiei utilizate.
Există o multitudine de tehnologii de execuție care se diferențiază prin forma și
dimensiunile unităților rotative de malaxare sau modul în care acestea efectuează rotația
(după axa verticală, orizontală sau în jurul întregii unelte de amestecare). Admisibilitatea
unei anumite tehnologii de execuție este condiționată de asigurarea cerințelor impuse de
proiectarea geomaterialului și geometrică, pentru specificul lucrării, aspecte confirmate
prin prezentarea proiectului de stabilizare în adâncime a pământului prin malaxare,
localizat lângă Varșovia – Polonia, la care autoarea a asistat în calitate de stagiar.
Din cercetările de laborator efectuate cu scopul evaluării parametrilor geotehnici
ai unui pământ de tip loess, malaxat cu suspensie de ciment, se formulează următoarele
concluzii:
Prima etapă a programului experimental a constat în evaluarea caracteristicilor
chimico-mineralogice, fizice și mecanice ale pământului în stare naturală. Rezultatele
analizelor și testelor de laborator au indicat următoarele aspecte:
- din punct de vedere granulometric pământul analizat se încadrează în
categoria prafurilor/prafurilor argiloase; De asemenea, îndeplinește atât
criteriile referitoare la compoziție și proprietăți fizice, cât și cele referitoare
la comportarea mecanică specifice pământurilor sensibile la umezire;
- pH-ul apei conținută în porii pământului are o valoare cuprinsă între 7.0 și
7.5, ceea ce indică un caracter neutru spre slab bazic;
- elementele chimice principale și raportul procentual în care acestea intră în
structura pământului sunt: Oxigen (50.44%); Siliciu (23.64%); Aluminiu
(7.54%); Calciu (5.54%); Carbon (4.38%); Fier (3.10%); Potasiu (2.26%);
Magneziu (1.80%); Sodiu (1.30%);
- principalii constituenți mineralogici ai pământului în stare naturală sunt:
cuarț (39%), caolinit (16%), muscovit (42%), calcit (3%);
- pământul analizat este caracterizat printr-o structură naturală sub-îndesată,
macroporică specifică loessurilor;
- valoarea medie a rezistenței la compresiune monoaxială a pământului în
stare naturală este de qu= 66.51 kPa;
- valoarea medie a modulului de deformație edometric a pământului în stare
naturală este de Eoed 200-300 = 7625.04 kPa iar valoarea indicelui tasării
suplimentare prin umezire im3= 6.73%;
A doua etapă a programului experimental a constat în pregătirea și testarea a
155 de probe de pământ malaxat cu suspensie de ciment. Probele au fost pregătite
utilizând diverse rețete ale suspensiei de ciment, obținute prin variația cantității de ciment
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
61
pulbere și a raportului de apă-ciment. Analizele și testele de laborator efectuate asupra
probelor de pământ malaxat cu suspensie de ciment în această etapă, au evidențiat
următoarele aspecte:
- încercările de compresiune liberă realizate asupra probelor cu vârsta de
întărire de 7, 28 și 56 de zile, au permis determinarea unor rețete optime de
stabilizare, urmărindu-se obținerea valorilor maxime ale rezistenței la
compresiune monoaxială funcție de cantitatea de ciment α, în relație cu
raportul de apă-ciment A/C. Așadar pentru fiecare cantitate de ciment
pulbere a fost considerat un raport apă-ciment optim: pentru α=150 kg/m3,
raportul A/C optim = 2.3; pentru α=200 kg/m3, raportul A/C optim = 1.8;
pentru α=250 kg/m3, raportul A/C optim = 1.5;
- pentru probe cu vârsta de întărire de 28 de zile, pregătite cu o cantitate de
ciment pulbere, α=250 kg/m3 și un raport apă-ciment A/C=1.5, se obține o
valoare a rezistenței qu de aproximativ 48 de ori mai mare ca cea a
pământului în stare naturală; pentru probele pregătite conform rețetei:
α=200 kg/m3, raportul A/C optim = 1.8, se obține o valoare maximă a
rezistenței mai mare de 18 ori ca rezistența pământului natural, iar pentru
probele pregătite conform rețetei: α=150 kg/m3, raportul A/C optim = 2.3,
se obține o valoarea maximă a rezistenței de 11 de ori mai mare ca cea a
pământului natural;
- funcție de rezistența la compresiune monoaxială qu, au fost estimate valorile
rezistenței la forfecare nedrenată su și modulului de elasticitate secant E50;
- pentru rețetele de stabilizare considerate ca fiind optime, între parametrul de
rezistență qu și parametrul de rigiditate E50, se poate exprima relația
generală: E50 = (200...300) x qu;
- valoarea deformației specifice la rupere, εf corespunzătoare probelor de
pământ stabilizat (εf = 0.5%..2%) este mult mai mică în comparație cu cea
aferentă probelor de pământ natural (εf = 1.6%..3.6%);
- imaginile furnizate de analiza de microscopie electronică cu scanare indică
densificarea structurală și dispariția macroporilor, fenomene explicate prin
modificările produse la nivel granulometric de creștere a fracțiunii de nisip
și micșorare a fracțiunilor de praf și argilă, cauzate la rândul lor de apariția
legăturilor de cimentație între particulele solide ale pământului natural.
Aceste aspecte sunt cu atât mai evidente, cu cât cantitatea de ciment pulbere
utilizată la pregătirea suspensiei este mai mare;
- pH-ul pământului stabilizat crește semnificativ, ajungând la o valoare
cuprinsă între 9.0 - 10, ceea ce indică un caracter alcalin foarte puternic care
favorizează dezvoltarea reacțiilor chimice dintre pământ și ciment;
- densitatea probelor de pământ stabilizat la momentul testării, nu suferă
modificări semnificative față de densitatea probelor la momentul pregătirii;
- analiza chimică elementală a probelor de pământ stabilizat indică faptul că
prin malaxarea pământului cu suspensie de ciment, conținutul de Calciu se
multiplică de două (α=150 kg/m3), trei (α=200 kg/m3) și cinci (α=250
kg/m3) ori; Ionii de Ca2+ sunt esențiali în dezvoltarea reacțiilor de schimb
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
62
cationic cu mineralele argiloase din pământul natural și ulterior, în reacțiile
puzzolanice în urma cărora rezultă produșii de cimentație;
- se constată dispariția sau transformarea mineralului muscovit sau mică,
prezent în loessul în stare naturală și apariția a două minerale noi,
megacalsilitul și cristobalitul caracterizate printr-o duritate de 2 până la 3
ori mai mare ca a mineralului muscovit (duritatea acestuia fiind de 2..3 pe
scara lui Mohs).
Abordarea cazului practic de consolidare a terenului de fundare aferent unei
construcții existente, de tip hală, a permis evidențierea etapelor principale, specifice unui
proiect de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare și emiterea următoarelor
concluzii:
Tasările care au condus la apariția degradărilor la nivelul unor elemente
structurale, se justifică din punct de vedere geotehnic prin caracteristici slabe ale
pământurilor identificate (umiditate naturală și porozitate mare, indici de consistență
reduși, rezistențe scăzute) și conținutul de materie organică ce depășește valoarea de 5%,
ce indică un potențial mare de deformabilitate și o capacitate portantă redusă a terenului
din amplasament.
Soluția de consolidare adoptată a constat în execuția unor coloane de pământ
stabilizat în adâncime prin malaxare cu suspensie de ciment (diametrul de 0.40 m și
lungime de 7.65 m), prin tehnologia Springsol.
Referitor la programul experimental de laborator în care au fost analizate 72
de probe de pământ malaxat cu suspensie de ciment, se fac următoarele precizări:
- ținând cont de faptul că, hala este construită și în curs de exploatare,
intervenția trebuie să asigure într-un timp cât mai scurt, o rezistență mare a
coloanelor executate sub fundații. Din acest considerent, la pregătirea
suspensiei au fost analizate cantități mari de ciment pulbere.
- testele de compresiune monoaxială efectuate asupra probelor cu vârsta de
întărire de 28 de zile indică aproape dublarea rezistențelor înregistrate
pentru probele cu vârsta de întărire de 7 zile;
- pentru același tip de pământ și aceeași cantitate de ciment pulbere
majorarea raportului de apă-ciment a condus la micșorarea rezistenţei la
compresiune monoaxială de la 1.5 până la de 2 ori;
- rezistențele probelor de argilă malaxată cu suspensie de ciment sunt mai
reduse cu aproximativ 50% față de rezistențele probelor de nisip prăfos
stabilizat. Conținutul de materie organică minimizează efectul stabilizator al
cimentului și prin urmare pentru a obține rezistențe similare cu cele
corespunzătoare pământurilor fără materie organică, apare necesitatea
utilizării unei cantități mai mari de ciment.
Referitor la testele și încercările realizate în cadrul programului experimental
de teren care a constat în execuția a 3 poligoane de probă, se fac următoarele precizări:
- testele de compresiune monoaxială efectuate în laborator asupra probelor
cilindrice (40x98mm) prelevate în stare proaspătă din corpul coloanelor
(poligoanele A și B), au evidențiat faptul că valorile medii măsurate ale
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
63
rezistenței la compresiune monoaxială depășesc încă de la 7 zile de întărire,
valoarea de 2.5 MPa, corespunzătoare forței axiale maxime de serviciu de
318 kN, evaluată în proiect;
- testele de compresiune monoaxială efectuate în laborator asupra probelor
cilindrice (100x200mm) cu vârsta de întărire de 28 de zile, prelevate prin
carotarea coloanei A5, au evidențiat următoarele:
o Probele reflectă variația condițiilor de teren, în adâncime și prin
urmare, prezintă o variabilitate mai mare a rezistențelor,
comparativ cu probele prelevate în stare proaspătă din corpul
coloanelor. Pentru nisipuri se obțin valori ale rezistenței la
compresiune monoaxială aproape duble față de prafurile
argiloase și de până la zece ori mai mari față de argilele ce
conțin materie organică;
o Se constată că până la cota de aproximativ -6.0 m valorile
rezistenței la compresiune monoaxială sunt satisfăcătoare din
punct de vedere al capacității preluării forțelor verticale de
serviciu preliminate în proiect (318 kN). Dincolo de această
adâncime, se remarcă o scădere a rezistențelor, fapt datorat în
principal de prezența materiei organice în straturile de argilă
interceptate. Cu toate acestea, rezistența la compresiune
monoaxială a argilei organice crește în urma malaxării cu
suspensie de ciment de 8 până la 13 ori.
- testele de carotaj ecosonic realizate prin metoda impedanței mecanice
asupra coloanelor din poligonul A și B, la 14 zile de la execuția acestora,
atestă faptul că acestea au fost executate conform lungimii proiectate (10 m)
și îndeplinesc condițiile de integritate: sunt continui și nu prezintă defecte
locale, modificări ale secțiunii sau diferențe semnificative de omogenitate;
- încercările de penetrare dinamică cu con efectuate în jurul coloanei A4,
înainte și după execuția acesteia, au furnizat informații calitative cu privire
la terenul netratat din jurul coloanei și se poate admite faptul că execuția
coloanei a indus asupra terenului din jur o ușoară îmbunătățire asupra stării
fizice a acestuia, manifestată prin majorarea parametrilor înregistrați și
calculați, specifici încercării de penetrare dinamică cu con;
- încercările statice axiale la compresiune și smulgere efectuate asupra
coloanelor din poligonul A și B, la aproximativ 40 de zile de la execuția
acestora, reflectă comportarea reală, sub încărcări, a coloanelor de pământ
stabilizat cu suspensie de ciment. Sub treapta maximă de încărcare de 700
kN, a fost obținută tasarea maximă a coloanei A2 de 7.21 mm, respectiv
3.12 mm pentru coloana B2. În cadrul testelor nu a fost atinsă forța de
rupere Qr, deci nu a avut loc cedarea structurală a coloanelor. Extrapolând,
se poate admite faptul că rezistența la compresiune a coloanelor solicitate la
compresiune în cadrul testelor, depășește valoarea de 5.4 MPa;
- inspecția vizuală efectuată ca urmare a excavației parțiale a coloanelor după
aproximativ 40 de zile de la finalizarea execuției, a indicat faptul că acestea
îndeplinesc criteriile referitoare la geometrie, consistența și omogenitate;
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
64
- în urma testelor și încercărilor efectuate în cadrul poligoanelor
experimentale de laborator și teren s-a stabilit ca suspensia de ciment cu
care vor fi executate coloanele de pământ stabilizat de sub fundații, să fie
pregătită conform rețetei: α=600kg/m3 și raportul apă-ciment A/C=1.0.
Referitor la proiectarea geotehnică a terenului de fundare aferent fundației din
axul E, (considerată cea mai solicitată), în stare naturală dar și după stabilizarea în
adâncime prin execuția coloanelor de pământ malaxat cu suspensie de ciment, se
formulează următoarele aprecieri:
- terenul de fundare în stare naturală îndeplinește condiția de verificare la
starea limită ultimă referitoare la capacitate portantă;
- în cadrul verificării la starea limită de exploatare normală a terenului de
fundare în stare naturală, evaluarea deformațiilor a fost efectuată utilizând
două metode de calcul: analitică și numerică. Se constată că analiza
numerică realizată în programul GEO5 reflectă mai bine situația reală din
amplasament, indicată de măsurătorile topografice de monitorizare a
obiectivului.
- pentru calculul terenului stabilizat prin execuția a 4 coloane de pământ
malaxat cu suspensie de ciment, au fost admise două ipoteze de proiectare:
Ipoteza I asimilează terenul aferent zonei active a fundației cu un sistem
compozit alcătuit din coloane și terenul netratat din jur; Ipoteza II –
asimilează terenul din zona activă ca fiind un sistem alcătuit din două
subsisteme: unul reprezentat de elementele rigide – coloanele de pământ
stabilizat și cel de al doilea subsistem reprezentat de pământul netratat din
jur.
- abordarea analitică privind evaluarea capacității portante a terenului
stabilizat - ipoteza I, indică o creștere a acesteia cu aproximativ 50% față de
valoarea capacității portante a terenului în stare naturală. De asemenea,
tasarea absolută probabilă a terenului stabilizat în ipoteza I este de circa 7.6
ori mai mică decât tasarea estimată în cazul fundării pe teren natural.
- în ipoteza II de calcul a terenului stabilizat, atât modelul de calcul analitic
cât și cel numeric presupune tratarea coloanelor asemănător piloților flotanți
supuși solicitărilor axiale. Cele două modele au furnizate valori apropiate
ale capacității portante a unei coloane sau a grupului de coloane.
- tasarea grupului format din 4 coloane evaluată în analiza numerică este de
3.4 mm, adică de 35 de ori mai mică ca valoarea estimată în calculul
numeric al tasărilor terenului de fundare înainte de intervenția de stabilizare
(11.7 cm).
- configurația geometrică și dimensiunile celor 4 coloane de pământ
stabilizat, propuse ca soluție de consolidare a terenului de sub fundația din
axul E, îndeplinesc cerințele de verificare impuse de metoda de calcul la
stări limită.
În urma analizei comparative având la bază criterii tehnico-
economice, se constată faptul că, pentru proiectul analizat,
procedeul de execuție al coloanelor de pământ stabilizat în
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
65
adâncime prin malaxare - Springsol, este mai avantajos decât cel de
execuție a micropiloților.
Principalul avantaj al tehnologiei de execuție Springsol constă în
faptul că unealta de malaxare este prevăzută cu brațe de malaxare
rabatabile. Așadar, intervenția de consolidare sub fundațiile halei a
fost posibilă prin realizarea unor carote de dimensiuni reduse în
pardoseală și tălpile fundațiilor și introducerea uneltei de malaxare
în poziție pliată, urmând ca după depășirea nivelului inferior al
fundației, brațele să se deschidă automat și să înceapă injectarea
suspensiei de ciment și malaxarea acesteia cu pământul natural.
Referitor la programul de control și asigurare a calității pe parcursul
execuției și ulterior acesteia, se fac următoare precizări:
- calitatea suspensiei de ciment injectată în corpul coloanelor a fost controlată
pentru fiecare șarjă pregătită și element executat;
- parametrii tehnologici de execuție precum: viteză de penetrare/retragere,
viteza de rotație la penetrare/retragere, cantitatea de suspensie și presiunea
de injectare, au fost monitorizați pe parcursul execuției coloanelor;
- testele de compresiune monoaxială efectuate asupra probelor prelevate în
stare proaspătă din corpul coloanelor imediat după execuția acestora, au
arătat faptul că valorile caracteristice inferioare ale rezistenței la
compresiune monoaxială, depășesc încă de la 7 zile de întărire, valoarea
minimă necesară de 2.5 MPa;
- monitorizarea tasărilor pe parcursul execuției coloanelor și ulterior acesteia
prin măsurători topografice, a pus în evidență faptul că odată cu începerea
execuției coloanelor de pământ stabilizat deplasările pe verticală scad
semnificativ, înregistrându-se maxima de 1.6 mm pentru marca topografică
montată în axul E, iar la o luna de la finalizarea execuției, tasările scad în
continuare, tinzând spre zero.
6.2. Contribuții personale
Cu toate că metodele de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare
sunt folosite intens în întreaga lume, în România, încă nu se bucură de această
popularitate. În acest context, toate activitățile experimentele de laborator și in situ
efectuate în cadrul programului de cercetare, au fost realizate pentru prima dată în
condițiile amplasamentelor luate în analiză, încadrabile teritoriului național.
Printre contribuțiile personale aduse cu privire la tematica analizată în teza de
doctorat se pot enumera următoarele:
- Realizarea unui studiu documentar extins cu privire la noțiunile fundamentale
ce stau la baza procedeelor de îmbunătățire sau tratare a terenurilor,
subliniindu-se particularitățile, modul de aplicare, avantajele și limitările
metodelor de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare. Studiul de
aprofundare a noțiunilor teoretice a fost efectuat în principal, în cadrul stagiului
de mobilitate Erasmus efectuat la KTH Royal Institute of Technology –
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
66
Stockholm, Suedia, în cadrul departamentului „Civil and Architectural
Engineering”.
- Având în vedere faptul că, în România există potențial de implementare la
scară largă a acestor metode, au fost prezentate etapele specifice realizării unui
proiect de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare. Noțiunile de
bază au fost dobândite în principal în cadrul stagiului de pregătire efectuat la
departamentele de proiectare și execuție ale companiei Keller Polska, filiala
din Varșovia - Polonia.
- Realizarea unui program experimental de laborator în care au fost evaluate
caracteristicile chimico-mineralogice, fizice, și mecanice ale unui pământ de
tip loess, în stare naturală și după malaxarea cu suspensie de ciment, la diferite
vârste de întărire. Stabilirea procedurii de pregătire, depozitare și testare a
probelor în concordanță cu tipul de pământ analizat. În cadrul programului
experimental au fost efectuate mai multe determinări de laborator precum:
analize de microscopie electronică cu scanare (SEM); analize de spectroscopie
de raze X cu dispersie după energie (EDS); analize difractometrice cu raze X
(XRD); analize granulometrice, teste de compresiune monoaxială;
- Planificarea și coordonarea programelor experimentale de laborator și in situ
pentru un proiect real de îmbunătățire în adâncime a terenului prin malaxare cu
suspensie de ciment, executat de societatea SBR Soletanche Bachy Fundații –
Filiala București, în România. Efectuarea și interpretarea rezultatelor
încercărilor aferente programelor experimentale. Stabilirea rețetei finale a
suspensiei de ciment, pusă în operă în cadrul proiectului. Proiectarea
geotehnică, utilizând modelele de calcul analitic și numeric, a terenului de
fundare stabilizat în adâncime prin malaxare cu suspensie de ciment.
Efectuarea încercărilor de laborator aferente programului de verificare și
asigurare a calității pe parcursul execuției.
- Realizarea unor cercetări de laborator și teren privind utilizarea pe teritoriul
national al procedeului de stabilizare în adâncime a pământurilor prin metode
de malaxare, care au condus la formularea de observații și concluzii, ce pot fi
preluate în structurarea unui normativ sau ghid de proiectare și verificare a
execuției în acest domeniu.
Având în vedere multitudinea de factori care condiționează performanțele
geotehnice ale elementelor de pământ îmbunătățit în adâncime prin malaxare, dar și gradul
de incertitudine datorat lipsei de experință în practicarea acestor metode la nivel național,
ar fi recomandat ca cercetările în acest domeniu să continue și să vizeze:
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
67
analize de laborator și teste de teren efectuate asupra altor tipuri de
pământuri malaxate cu suspensie de ciment, dar și cu alte tipuri de agenți de
stabilizare;
analizarea și altor aplicații ale acestor procedee și evaluarea parametrilor de
comportare mecanică a elementelor obținute;
utilizarea programelor de calcul tridimensionale pentru dimensionarea,
verificarea și optimizarea elementelor de pământ stabilizat.
6.3. Valorificarea rezultatelor
Pe parcursul programului de cercetare doctorală rezultatele obținute au fost
valorificate astfel:
publicarea, în calitate de autor/coautor, a unui număr de 13 lucrări științifice,
după cum urmează:
Lucrări publicate în reviste B+ incluse în baze de date
internaționale:
Bitir A.C., Musat V., (2014), Ground improvement technologies - Deep soil
mixing methods. Fundamental aspects – Bulletin of the Polytechnic Institute
of Jassy, Tomme: LX (LXIV) , Fascicle 4, pp. 123-131.
Bitir (Buliga) A.C., Musat V., Larsson S., (2015) Laboratory methods used
to assess the mechanical properties of soft soils Improved by deep mixing –
Bulletin of the Polytechnic Institute of Jassy, Tomme: LX (LXV) , Fascicle
4, pp. 165-178.
Bitir (Buliga) A.C., Musat V., Boțu N., (2016) Influence of the water
cement ratio on the unconfined compressive strength of a Romanian silt
treated with Portland cement – Bulletin of the Polytechnic Institute of Jassy,
Tomme: LXII (LXVI), Fascicle 3, pp. 1-10.
Lucrări publicate în volume ISI proceedings:
Bitir (Buliga) A.C., Popa C.C., Musat V., Boțu N., (2017), Settlement
Reduction of an Existing Road Earthworks Using Columns Obtained by
Deep Soil Mixing Method, Trans Tech Publications Ltd., Advanced
Engineering Forum Vol. 21, ISBN-13: 978-3-0357-1098-4, pp.358-365.
Lucrări publicate în volume ale conferinţelor internaţionale:
Bitir (Buliga) A.C., Musat V., Boțu N., (2016) Recherches sur
l’amélioration du sol en profondeur par des méthodes de mélange: Deep Soil
Mixing, Actes du Ière Séminaire Doctoral International Francophone
“Premiers Pas Dans La Recherche Questions et Réponses”, Iasi, Roumanie,
Juillet 11-13, 2016, pp.1-10, Éditeur Société Académique Matei – Teiu
Botez, ISSN 2247-4261, ISSN – L 2247-4161.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
68
Măgureanu A., Sata L., Bitir (Buliga) A.C., Mathieu F., (2017),
Underpinning works under existing shallow foundations in Blaj - Romania
using Springsol® Technology, XVI Danube-European Conference on
Geotechnical Engineering, Skopje, Macedonnia, 7-9 June 2018. În curs de
publicare.
Lucrări publicate în volume ale conferinţelor naţionale:
Bitir A.C., Musat V., (2014), Metode de stabilizare în adâncime a
pământurilor prin malaxare. Revista Română de Geotehnică și Fundații – nr.
2/2014, pp. 37-40.
Bitir (Buliga) A.C., (2015) Factorii principali ce influențează eficiența și
performanțele stabilizării pământului în adâncime prin malaxare. “Creaţii
universitare 2015”, Al VIII-lea Simpozion Naţional, Iaşi, România, 5 Iunie
2015.
Bitir (Buliga) A.C., (2016) Îmbunătățirea pământurilor în adâncime prin
tehnologia de malaxare umedă - Programul de verificare a calității pe
parcursul procesului de execuție. “Creaţii universitare 2016”, Al IX-lea
Simpozion Naţional, Iaşi, România, 3 Iunie 2016.
Chirilă R., Mușat V., Colț O. E., Bitir (Buliga) A.C., (2016) Mobilizarea
rezistenței la forfecare în procesul de cedare. Influența asupra stării de
eforturi ce formează sistemul de sprijin, A XIII-a Conferință Națională de
Geotehnică și Fundații, Cluj-Napoca 07-10 septembrie 2016, pp. 557 – 566,
Editura Mediamira, ISSN-L 1844 -850X 1844-850X.
Chirilă R., Bitir (Buliga) A.C., Colț O. E., Chirilă D.E., (2016) Etapizarea
activității de investigații de teren în cadrul unei alunecări de teren, ținând cont
de procesul de mobilizare a rezistenței la forfecare, A XIII-a Conferință
Națională de Geotehnică și Fundații, Cluj-Napoca 07-10 septembrie 2016, pp.
567- 574, Editura Mediamira, ISSN-L 1844 -850X 1844-850X.
Bitir (Buliga) A.C., Musat V., Istrate B. (2017), Studiul privind proprietățile
chimice și fizice ale unui loess malaxat cu ciment Portland. Revista Română de
Geotehnică și Fundații – nr. 1/2017 – În curs de publicare.
Chirilă R.M., Bitir (Buliga) A.C., Carastoian D., Boțu N., (2017), Proiectarea
geotehnică și analiza stabilității unui versant, prin luarea în considerare a
mobilizării rezistenței la forfecare. Revista Română de Geotehnică și Fundații
– nr. 1/2017 – În curs de publicare.
susținerea publică în calitate de autor, a 3 prezentări științifice, după cum
urmează:
Bitir (Buliga) A.C., (2016) Recherches sur l’amélioration du sol en
profondeur par des méthodes de mélange: Deep Soil Mixing, Actes du Ière
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
69
Séminaire Doctoral International Francophone “Premiers Pas Dans La
Recherche Questions et Réponses”, Iasi, Roumanie, Juillet 11-13, 2016.
Bitir (Buliga) A.C., (2016) Îmbunătățirea în adâncime prin metode de
malaxare a terenului suport pentru lucrări de terasamente, A XIII-a Conferință
Națională de Geotehnică și Fundații, Cluj-Napoca 07-10 septembrie 2016.
Bitir (Buliga) A.C., (2017) Cercetări privind stabilizarea în adâncime a
pământurilor prin metode de malaxare mecanică, Conferința Școlilor
Doctorale - Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iași, 29-30 Mai, Iași,
2017.
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ
1. Åhnberg H., Johansson S.-E., Pihl H., Carlsson T., Stabilising effects of
different binders in some Swedish soils. Ground improvement Vol.7, Ed.Thomas
Telford Ltd, London, 9-23, 2003.
2. Åhnberg H., Johansson S.-E., Increase in strength with time in soils stabilised
with different types of binder in relation to the type and amount of reaction
products, Proceeding of the International Conference On Deep Mixing Stockholm
Vol.1.1, 195-202, 2005.
3. Åhnberg H., Strength of stabilized soils – A laboratory study on clays and organic soils
stabilized with different types of binder, Doctoral Thesis, Swedish Deep Stabilization
Research Centre, Department of Construction Sciences, LTH, Lund University,
Lund, Sweden, 2006.
4. Åhnberg H., Andersson M., Laboratory testing of stabilised Swedish soils prepared with
different moulding techniques, The Deep Mixing Conference San Francisco, USA, pp.
603-610, 2015.
5. Bitir A.C., Musat V., Ground improvement technologies - Deep soil mixing methods.
Fundamental aspects – Bulletin of the Polytechnic Institute of Jassy, Tomme: LX (LXIV)
, Fascicle 4, pp. 123-131, 2014.
6. Bitir A.C., Musat V., Metode de stabilizare în adâncime a pământurilor prin malaxare.
Revista Română de Geotehnică și Fundații – nr. 2/2014, pp. 37-40, 2014.
7. Bitir (Buliga) A.C., Musat V., Larsson S., Laboratory methods used to assess the
mechanical properties of soft soils Improved by deep mixing – Bulletin of the Polytechnic
Institute of Jassy, Tomme: LX (LXV) , Fascicle 4, pp. 165-178, 2015.
8. Bitir (Buliga) A.C., Factorii principali ce influențează eficiența și performanțele
stabilizării pământului în adâncime prin malaxare. “Creaţii universitare 2015”, Al VIII-
lea Simpozion Naţional, Iaşi, România, 5 Iunie 2015.
9. Bitir (Buliga) A.C., Mușat V., Boțu N., Influence of the water cement ratio on the
unconfined compressive strength of a Romanian silt treated with Portland cement –
Bulletin of the Polytechnic Institute of Jassy, Tomme: LXII (LXVI), Fascicle 3,
pp. 1-10, 2016.
10. Bitir (Buliga) A.C., Musat V., Boțu N., Recherches sur l’amélioration du sol en
profondeur par des méthodes de mélange: Deep Soil Mixing, Actes du Ière Séminaire
Doctoral International Francophone “Premiers Pas Dans La Recherche Questions et
Réponses”, Iasi, Roumanie, Juillet 11-13, 2016, pp.1-10, Éditeur Société Académique
Matei – Teiu Botez, ISSN 2247-4261, ISSN – L 2247-4161, 2016.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
70
11. Bitir (Buliga) A.C., Îmbunătățirea pământurilor în adâncime prin tehnologia de
malaxare umedă - Programul de verificare a calității pe parcursul procesului de execuție.
“Creaţii universitare 2016”, Al IX-lea Simpozion Naţional, Iaşi, România, 3 Iunie 2016.
12. Bitir (Buliga) A.C., Musat V., Istrate B., Studiul privind proprietățile chimice și fizice
ale unui loess malaxat cu ciment Portland. Revista Română de Geotehnică și Fundații –
nr. 1/2017 – În curs de publicare.
13. Bitir (Buliga) A.C., Popa C.C., Musat V., Boțu N., Settlement Reduction of an Existing
Road Earthworks Using Columns Obtained by Deep Soil Mixing Method, Trans Tech
Publications Ltd., Advanced Engineering Forum Vol. 21, ISBN-13: 978-3-0357-1098-4,
pp.358-365, 2017.
14. Bruce M.E.C., Berg R.R., Collin J.G., Filz G.M., Terashi M., Yang D. Y., Federal
Highway Administration Design Manual, Deep Mixing for Embankment and
Foundation Support, Publication No. FHWA-HRT-13-046, U.S. Department of
Transportation, 2013.
15. Bruce D.A., An introduction to the Deep Soil Mixing Methods as Used in
Geotechnical Aplications, Publication NO. FHWA–RD-99-138, U.S. Department
of Transportation Federal Highway Administration, 2000.
16. Filz G.M., Hodges D.E., Weatherby D.E., and Marr W.A., “Standardized Definitions
and Laboratory Procedures for Soil-Cement Specimens Applicable to the Wet Method of
Deep Mixing”. Innovations in Grounting and Soil Improvement , Geotechnical Special
Publication 136, American Society of Civil Engineers, Reston, VA, pp.1-13, 2005.
17. Grisolia M., Leder E., Marzano I.P., Standardization of the molding procedures for
stabilized soil specimens as used for QC/QA in Deep Mixing application, Proceedings of
the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris,
pp. 2481 -2484, 2013.
18. Ignat R., Field and Laboratory Tests of Laterally Loaded Rows of Lime-Cement
Columns, Licentiate Thesis in Civil and Architectural Engineering, KTH Royal Institute
of Technology, Stockholm, Sweden, 2015.
19. Kitazume M., Terashi M., The Deep Mixing Method, CRC Press Taylor &
Francis Group, 2013.
20. Kitazume M., Grisolia M., Leder E., Marzano I.P., Correia A. A. S., Oliveira P. J. V.,
Åhnberg H., Andersson M., Applicability of molding procedures in laboratory mix tests
for quality control and assurance of the deep mixing method, Soil and Foundations 55 (4),
The Japanese Geotechnical Society, pp. 761-777, 2015.
21. Larsson, S., Mixing Processes for Ground Improvement by Deep Mixings, Doctoral
Thesis, KTH Civil and Architectural Engineering, Stockholm, Sweden, 2003.
22. Măgureanu A., Sata L., Bitir (Buliga) A.C., Mathieu F., Underpinning works under
existing shallow foundations in Blaj - Romania using Springsol® Technology, XVI
Danube-European Conference on Geotechnical Engineering, Skopje, Macedonnia, 7-9
June 2018. În curs de publicare.
23. Nicholson P. G., Soil Improvement and Ground Modification Methods, Chapter
11: Admixture soil Improvement, Butterworth-Heinemann, Elsevier, 2014.
24. Porbaha A., State of the art in deep mixing techonology. Part I:Basic concepts
and overview. Ground improvement Vol.2, Ed. Thomas Telford Ltd, London, 81 -
92, 1998.
25. Porbaha A., Shibuya S., Kishida T., State of the art in deep mixing techonology.
Part III:geomaterial characterization. Ground improvement Vol.3, Ed. Thomas
Telford Ltd, London, 91-110, 2000.
CERCETĂRI PRIVIND STABILIZAREA ÎN ADÂNCIME A PĂMÂNTURILOR PRIN MALAXARE
71
26. Pourakbar S., Deep mixing columns, Pertanika Journal of Scholarly Research
Reviews 1(1), pp. 8–17, 2015.
27. Terashi M., Okumura T., Mitsumoto T., Fundamental properties of lime-treated soils.
Report of the Port and Harbour Research Institute, Vol.16, No.1, pp. 3-28, 1977.
28. Topolnicki M., Edited by Moseley M.P., Kirsch, K., Ground Improvement,
Second Edition, Chapter 9 – In situ soil mixing, Spun Press Taylor & Francis
Group, 2004.
29. Topolnicki M., Edited by Kirsch K., Bell A., Ground Improvement Third Edition,
Chapter 9 - In situ soil mixing, CRC Press Taylor & Francis Group, 2013.
30. Tran-Nguyen H.H., Kitazume M., Tenaka H., Le L.P., Le B. K., Ho Ch. T.M.,
Nguyen T.B., Truong Ch. D., Mai Ph.A., Laboratory investigation of soilcrete created
from Mekong Delta’s soils mixed with cement, Deep Mixing Conference San Francisco,
USA, 2015, pp.725-734.
31. ASIRI National Project - Recommendations for the design, construction and control of
rigid inclusion ground improvements - Chapter 2: Operating mechanisms., Ed. Presses des
Ponts, Paris, France, 2013.
32. EuroSoilStab, Development of design and construction methods to stabilize soft organic
soils - Design Guide: Soft Soil Stabilisation CT97-0351, European Commission Project
No.: BE 96-3177, 2002.
33. EXPERCO ISPIF - Rapoarte de încercări nivel N2. Coloane A1, A2 și A3. Coloane B1,
B2 și B3, 2017.
34. Keller Polska Sp.zo.o, Tadeusz Brzozowski, Rafal Sobociński, Description of works
technology – DSM- wet Columns, November 2015.
35. NP 045-2000 - Normativ privind încercarea în teren a piloţilor de probă şi a
piloţilor din fundaţii, 2000.
36. NP 123- 2010 – Normativ privind proiectarea geotehnică a fundațiilor pe piloți,
2010.
37. Soilmec, Presentation -Turbojet technology, Cesena, January, 2013.
38. Soletanche Bachy, Memoriu tehnic - Lucrări de remediere fabrica Bosch- Rexroth
– Corp BLJ 101, Faza de proiectare P.T.+D.D.E., 2017.
39. Soletanche Bachy, Procedură tehnică de execuție Springsol coloane de pământ
stabilizat, Proiect fabrica Bosch- Rexroth – Corp BLJ 101, Blaj – Consolidare
fundații izolate structură existentă, 2016.
40. S.C. Arcon Serv S.R.L., Raport de expertiză tehnică privind tasările Corpului BLJ
101 de la Fabrica Bosch Rexroth România, Blaj Str. A. Vlaicu nr.2, 2015.
41. SR EN 1997-1, Eurocod 7: Proiectarea geotehnică, Partea 1: Reguli generale.
Anexa A – Coeficienți parțiali și de corelare pentru stările limită ultime și valori
recomandate, 2004.
42. SR EN 14679, Execuția lucrărilor geotehnice speciale. Stabilizarea în adâncime a
pământurilor prin malaxare, 2006.
43. Universitatea Tehnică „ Gheorghe Asachi” din Iași – SC SBR Soletanche Bachy
Fundații SRL – Contract de cercetare științifică Nr. 302P/2017 cu tema „Teste de
Compresiune Monoaxială în cadrul proiectului Lucrări de remediere Fabrica
Bosch-Rexroth - Corp BLJ101, Str. Aurel Vlaicu nr. 2, Blaj, judetul Alba”.