Modernizarea tehnologiei de proiectare si executie a consolidarilor de taluzuri si maluri folosind gabioane

Modernizarea tehnologiei de proiectare si executie a consolidarilor de taluzuri si maluri folosind gabioane

CUPRINS

Capitolul I

Utilizarea gabioanelor la consolidarea

malurilor si taluzurilor

Gabioanele - materiale de constructie pentru consolidarea

malurilor si taluzurilor

In lucrarile de regularizare a cursurilor de apa se utilizeaza materiale si elemente de constructie diverse, cu caracter local sau usor de procurat, care sa suporte cu usurinta solicitarile produse la ape mari.

Gabioanele cutii - sunt elemente de forma prismatica rectangulara, construite dintr-o armatura si plasa metalica, cu ochiuri hexagonale, dublu rasucite, ca in cazul plaselor tip Maccaferri. Extremitatile cutiei sunt intarite printr-o sarma cu diametrul mai mare decat al sarmei din care e confectionata plasa propriu-zisa. Asigurarea unei protectii totale contra coroziunii, necesara daca lucrarile functioneaza in mediu marin sau foarte poluat, se asigura prin protectia sarmei printr-o infasurare din P.V.C. cu grosimea de 0,4 - 0,6 mm. Se produc si gabioane fara diafragma sau gabioane cu celule multiple (fig.1;2).

Gabioane saltele - sunt alcatuite dintr-o structura metalica de forma paralelipipedica foarte largi si putin inalte. Sarma folosita, galvanizata are diametrul mai mic decat in cazul cutiilor. Pentru asigurarea unei rezistente sporite se utilizeaza diafragme la distanta de 1 m creandu-se astfel o structura celulara. Conturul saltelei si diafragmele sunt realizate din sarma cu diametrul mai mare.

Gabioanele cilindrice - sunt construite dintr-o singura foaie de plasa care alcatuieste un cilindru deschis la unul din capete sau ambele capete inchise..

Gabioanele s-au impus in domeniul constructiilor datorita unui ansamblu de factori mai favorabili decat alte materiale.

Figura 1. Tipuri de gabioane produse si utilizate de firma REPCON S.A. Oradea

a . cutie gabion 4,0 x 1,0 x 1,0

b. saltea de gabioane 3,0 x 2,0 x 0,17

c. saltea de gabioane 6,0 x 2,0 x 0,17

Figura 2. Tipuri de gabioane produse de firma Macaferri

a. fara diafragma; b - cu diafragma; c - cu celule multiple; d - saltea Reno;

e - cilindrice deschise la un capat; f - cilindrice, inchise la ambele capete

Amenajarile din gabioane constituie o structura cu urmatoarele caracteristici:

Ø        armare rezistenta la toate solicitarile chiar si la tractiune. Gabioanele nu constituie un ansamblu de cutii suprapuse ci o structura omogena si monolitica ale carei dimensiuni se stabilesc in functie de fortele la care e supusa;

Ø        flexibilitate, respectiv capacitatea de absorbtie a unor solicitari neprevazute chiar localizate cu caracter extraordinar. Aceasta caracteristica se evidentiaza la toate elementele structurii care poate urmarii miscarile si tasarile fundatiei fara pericolul pierderii rezistentei;

Ø        permeabilitatea care se manifesta prin posibilitatea infiltrarii apei dinspre teren spre emisar, infiltratii care constituie unul din principalii factori de instabilitate. Aceasta calitate asigura un drenaj corespunzator al terenurilor carora la amelioreaza caracteristicile fizice si mecanice ;

Ø        economicitate. Nu e necesara forta de munca specializata pentru amplasare la locul lucrarii. Lucrarea poate fi executata in mediu uscat si in apa. Structura intra in functiune imediat ce cutiile sunt umplute si legate unele de altele. Lucrarile de intretinere sunt minime;

Ø        durata lunga de exploatare. Eventuala deteriorare a plasei de sarma este foarte lenta. In medii agresive (poluate) se poate utiliza sarma protejata din imbracaminte din P.V.C.

Gabioanele favorizeaza o stare naturala de echilibru in timp, superioara altor structuri.

Ø        caracter ecologic. Integrarea acestor structuri in mediul natural este rapida si satisfacatoare deoarece spatiile goale dintre piese se umplu cu particule de pamant si gabioanele sunt acoperite cu vegetatie, astfel se conserva peisajul ceea ce constituie un aspect favorabil ecologic.

Organizarea programului de observatii, studii si cercetari

Pe baza documentarii din literatura tehnica de specialitate si a cunoasterii stadiului metodologiei de proiectare a lucrarilor din gabioane s-a intocmit programul de studii si cercetari cu urmatoarele obiective mai importante:

metodologia de calcul a zidurilor din gabioane cu fata interioara in trepte, cu fata exterioara in trepte;

metodologia de calcul a zidurilor din gabioane la niveluri maxime pe cursurile de apa;

metodologia de calcul a saltelelor de gabioane, umplute cu materiale diverse (piatra de cariera, piatra de rau, refuz de ciur);

determinarea intensitatii de colmatare a golurilor din gabioane si probleme colaterale;

determinarea permeabilitatii gabioanelor in functie de gradul de colmatare calculat;

studii privind comportarea in exploatare a consolidarilor de maluri din gabioane-cutii si saltele.

Pentru rezolvarea aspectelor practice impuse prin programul de cercetare si studii se vor organiza puncte experimentale cu amenajari speciale si dotarile necesare pentru efectuarea masuratorilor elementelor urmarite.

Punctele experimentale s-au amplasat pe Vale Faneata, afluent al Crisului Alb, in apropierea localitatii Beznea, jud. Bihor.

Amenajarile experimentale constau din:

regularizarea traseului Vaii Faneata;

regularizarea de maluri pe Valea Faneata;

consolidarea malurilor si a fundului cu gabioane-cutii (mal stang) si gabioane- saltele umplute cu piatra de provenienta diferita;

bazin de retinere a apei pentru reglarea debitelor si nivelurilor pe tronsonul experimental;

canal de evacuare cu prag de fund din gabioane;

consolidarea malurilor cu gabioane-cutii, detasabile pentru demontarea lor individuala in vederea studierii colmatarii;

puturi de observatie a nivelului apei freatice amplasate in traverse, perpendiculare pe axul cursului de apa, la diferite distante de acesta.

Capitolul II

Studii si cercetari privind baza de calcul a

lucrarilor din gabioane

Principii generale de proiectare

La proiectarea zidurilor de sprijin, trebuie sa se aiba in vedere urmatoarele:

Actiunea apei se manifesta numai asupra unor suprafete etanse si rigide si de aceea, in cazul gabioanelor apar urmatoarele particularitati:

impingerea apei pe paramentrul exterior este nula, deoarece gabionul este permeabil;

din acelasi motiv, impingerea apei aflata in masivul de pamant este nula;

subpresiunea nu se manifesta pe talpa de fundatie, deoarece apa patrunde in gabion;

daca nivelul apei creste peste talpa de fundare, greutatea umpluturii de piatra din gabioane aflate sub nivelul apei se reduce cu valoarea densitatii apei (γ_a = 1)

a     Greutatea proprie a gabionului depinde in principal de doi factori:

greutatea volumica a materialului din care provine piatra de umplutura;

modul de asezare a materialului in gabion, care poate asigura o ocupare mai mica sau mai mare a spatiului

a     Impingerea pamantului (presiunea activa) se poate calcula in doua moduri:

P_a = K_a x D_ax sau

P_a =

In care : K_a - coeficientul presiunii active

D_a - densitatea aparenta a pamantului

H - inaltimea zidului de sprijin

φ - unghiul de frecare interioara a pamantului

Proiectarea zidurilor din gabioane cu trepte spre exterior sau spre interior, se face dupa aceleasi principii, pornind de la alegerea dimensiunilor de verificare.

Se parcurg urmatoarele etape:

Ø     determinarea fortelor care actioneaza asupra zidului;

Ø     verificarea ca momentul de rezistenta depaseste momentul de rasturnare;

Ø     verificarea ca rezistenta la alunecare depaseste forta activa orizontala;

Ø     verificarea ca rezultanta fortei verticale se afla in treimea mijlocie a zidului si ca presiunea maxima se afla la limitele admise.

Stabilitatea zidului definita de etapele 2 si 4 trebuie verificata pentru baza si pentru fiecare rand de gabioane in parte.

Forte care actioneaza asupra zidului sunt reprezentate de forta verticala data de greutatea gabioanelor si de presiunea (impingerea) laterala a pamantului (igura 3).

Fig.ura 3. Proiectarea zidurilor din gabioane

A.     cu fata exterioara in trepte

B.     cu fata interioara in trepte

Specific pentru zidurile din gabioane este faptul ca fortele stabilizatoare care se opun alunecarii, sunt fortele de frecare, fortele de coeziune la suprafata de alunecare, presiunea pasiva la baza zidului si fortele de ancorare de la partea superioara a zidului.

Mecanisme de cedare a structurii la zidurile de sprijin din gabioane

In cazul structurilor masive pentru retentia apei (baraje) sau pentru a prelua impingerea pamantului (ziduri de sprijin) se iau in considerare mecanismele de cedare la care constructia se verifica succesiv la: rasturnare fata de piciorul aval, alunecare pe talpa de fundare, presiune pe fundare.

2.2.1. Verificare la rasturnare

Forta de presiune activa a pamantului tinde sa rastoarne zidul care trebuie sa ramana in echilibru cu forta de rezistenta datorata in principal greutatii zidului.

Pe baza principiilor staticii, momentele se considera in zona piciorului aval al zidului respectiv. Verificarea are expresia:

M_r = SF₀M₀

in care:    M_r - momentul rezistentei

M₀ - momentul rasturnarii

SF₀ - factor de siguranta la rasturnare

Neglijand frecarea peretelui, forta activa actioneaza normal pe suprafata inclinata a umpluturii la distanta H/3 de baza. Daca se produc suprapresiuni, forta activa totala va actiona la distanta:

Momentul rasturnarii va fi :

M₀ = d_a x Ph

Greutatea zidului din gabioane actioneaza vertical prin centrul de greutateal sectiunii sale transversale, situat la distanta d_g.

Momentul rezistentei este suma produselor fortelor verticale (W) pe unitatea de lungime si distanta (d):

Mr = ΣdW

Pentru zidurile simple, de greutate, momentul rezistentei rezulta integral din greutatea zidului si distanta:

Mr = G_p x d_p

2.2.2. Verificarea la alunecare

Presiunea activa a pamantului tinde sa determine alunecarea pe orizontala a zidului caruia trebuie sa i se opuna rezistenta bazei zidului care se exprima prin:

μG_t≥SF_s x Ph

in care:    μ - coeficient de frecare la alunecare (tangenta unghiului de frecare a

pamantului)

G_t - suma fortelor verticale; in acest caz G_g

SF_s - factor de siguranta la alunecare

2.2.3. Verificarea la presiune pe fundatie

In acest caz trebuie sa verifice mai intai daca forta verticala se manifesta in interiorul treimii mijlocii a bazei. Daca B reprezinta latimea bazei, excentricitatea fortei verticale pe jumatatea latimii este:

e =

La 1/3 din jumatatea bazei se manifesta forta:

Presiunea maxima la baza va fi:

Aceasta presiune nu trebuie sa depaseasca presiunea admisibila a solului P_b:

p≤P_b

Factorul de siguranta se include in P_b.

Determinari experimentale privind caracteristicile

functionale ale gabioanelor

Verificarea fiabilitatii zidurilor de sprijin din gabioane se face pe durata exploatarii lucrarilor timp in care acestea suporta anumite procese fizice capabile sa modifice rezistenta constructiilor. De aceea in cadrul campului pilot organizat in b.h Crisul Alb (Valea Faneata) s-au desfasurat cercetari privind procentul de goluri format de materialul de umputura in interiorul gabionului, dinamica procesului de colmatare cu aluviuni a acestor goluri si permeabilitatea gabioanelor ca factor ce contribuie la stabilitatea structurii.

Determinarea procentului de goluri din gabioane

Un element care intervine in proiectarea lucrarilor din gabioane il constituie procentul de goluri care raman intre particulele materialului cu care se umplu gabioanele. Acest procent depinde de tipul de material folosit (piatra de cariera, de riu, refuz de ciur), modul de asezare (manual, mecanic), precum si de indemanarea si constinciozitatea muncitorilor.

Experimentarile s-au desfasurat in urmatoarele conditii:

material utilizat: piatra de cariera si refuz de ciur

mod de asezare in cutii: manual;

s-a experimentat cu gabioane cutii de 2x1x1 si gabioane saltele.

Colmatarea gabioanelor

Patrunderea apei in golurile dintre gabioane determina reducerea energiei cinetice ceea ce face ca particulele de material solid care alcatuiesc aluviunile, sa se depuna. Acest proces de colmatare a golurilor depinde de turbiditatea apei si de durata de manifestare a apelor mari. Ori ambele elemente sunt variabile in timp si de aceea colmatarea trebuie privita ca un proces de durata care se incheie atunci cand toate spatiile goale sunt ocupate de material pamantos si lucrarea incepe sa se consolideze biologic prin inierbare naturala.

Ecuatiile de regresie obtinute permit estimarea dinamicii colmatarii gabioanelor pentru orice valori ale factorilor naturali cuprinse intre limitele de experimentare.

Daca numarul factorilor studiati creste, analiza corelatiei devine mai complexa; forma lineara in cazul unei distributii tridimensionale se exprima prin relatia : y = f (x₁, x₂).

Intensitatea legaturilor dintre variabile se determina prin calculul coeficientilor de corelatie partiala, a coeficientului de corelatie multiplu si a raporturilor de corelatie.

Existenta unui coeficient de corelatie multiplu, semnificativ sau a unui raport de corelatie semnificativ, ne da o asigurare statistica semnificativa a functiei de regresie.

In cazul corelatiilor partiale se reamarca legatura directa, pozitiva, foarte semnificativa intre turbiditate si procentul de goluri colmatate (r = 0,82) si intre volumul de goluri colmatate si durata colmatarii (r = 0,89).

Intre turbiditate si durata colmatarii se constata existenta unei corelatii lineare, negative (r = 0,71).

Functia de regresie multipla obtinuta, permite calcularea procentului de goluri colmatate in functie de turbiditatea apei (x₁) si durata colmatarii (x₂):

y = 2,45 x₁ + 1,51x₂ - 5,78

pentru 2,0 ≤ x₁ ≤ 3,5 si 1 ≤x₂ ≤ 5

Determinarea permeabilitatii gabioanelor s-a facut intr-un stand experimental prin alimentarea gabioanelor cu debit constant de apa si masurarea timpului necesar apei sa traverseze masa gabionului. Determinarile au fost efectuate atat pentru gabionul cu material de umplutura "curat", cat si in diferite grade de colmatare.

Pentru stabilirea gradului de colmatare s-au mentinut gabioanele sub nivelul apei, o durata de timp egala cu aceea rezultanta din ecuatiile de regresie calculate in etapa anterioara si s-a verificat colmatarea prin detasarea din lucrare a trei gabioane pe care s-a determinat gradul de colmatare.

Se observa ca, imediat dupa punerea in functiune a lucrarii, permeabilitatea gabioanelor este mare (2,66 cm/s la refuzul de ciur si 4,31 cm/s) la piatra de cariera. O data cu colmatarea spatiilor goale, viteza scade cu 30 - 47% cand 30% din goluri sunt colmatate si cu 68-72% cand 50% din goluri sunt colmatate.

Capitolul III

Propuneri de imbunatatiri a metodologiei de proiectare a lucrarilor

Zidurile de sprijin din gabioane sunt structuri elastice ce se comporta in mod diferit fata de zidurile de sprijin clasice din beton sau din zidarie care confera ansamblului un caracter monolit.

Ele se analizeaza ca ziduri de greutate, deoarece folosesc greutatea lor pentru a rezista la presiunea laterala a pamantului.

Recomandari pentru proiectare

La proiectarea zidurilor de sprijin, trebuie sa se aiba in vedere urmatoarele:

Actiunea apei se manifesta numai asupra unor suprafete etanse si rigide si de aceea, in cazul gabioanelor apar urmatoarele particularitati:

impingerea apei pe parametrul exterior este nula, deoarece gabionul este permeabil;

din acelasi motiv, impingerea apei aflata in masivul de pamant este nula;

subpresiunea nu se manifesta pe talpa de fundatie, deoarece apa patrunde in gabion;

daca nivelul apei creste peste talpa de fundare, greutatea umpluturii de piatra din gabioane aflate sub nivelul apei se reduce cu valoarea densitatii apei (γ_a = 1);

Greutatea proprie a gabionului depinde in principal de doi factori:

- greutatea volumica a materialului din care provine piatra de umplutura;

- modul de asezare a materialului in gabion, care poate asigura o ocupare mai   

mica sau mai mare a spatiului.

Impingerea pamantului (presiunea activa) se poate calcula in doua moduri:

P_a = K_a x D_a x sau

Pa =

in care:    Ka - coeficientul presiunii active

Da - densitatea aparenta a pamantului

H - inaltimea zidului de sprijin

φ - unghiul de frecare interioara a pamantului

Proiectarea zidurilor din gabioane cu trepte spre exterior sau spre interior, se face dupa aceleasi principii, pornind de la alegerea dimensiunilor de verificare. Se parcurg urmatoarele etape:

Ø     determinarea fortelor care actioneaza asupra zidului;

Ø     verificarea ca momentul de rezistenta depaseste momentul de rasturnare;

Ø     verificarea ca rezistenta la alunecare depaseste forta activa orizontala;

Ø     verificarea ca rezultanta fortei verticale se afla in treimea mijlocie a zidului si ca presiunea maxima se afla la limitele admise.

Stabilitatea zidului definita de etapele 2 si 4 trebuie verificata pentru baza si pentru fiecare rand de gabioane in parte.

Recomandari tehnologice

Tehnologia executiei constructiilor din gabioane presupune parcurgerea urmatoarelor etape: fundarea constructiei, asezarea gabioanelor in lucrare, umplerea gabioanelor, interconectarea gabioanelor intre ele.

Fundarea constructiei. Conditiile de fundare se stabilesc de catre proiectant in functie de caracteristicile geotehnice ale pamantului si de dimensiunile lucrarii (inaltime, lungime, greutate etc). De obicei, straturile superioare de pamant trebuie inlaturate pana la stratul care asigura stabilitate constructiei, uneori fundarea constand intr-o umplutura de material rezistent compactat la minim 95% densitate Proctor.

Deseori, pe pamantul de fundare, mai ales in albiile minore, se aseaza un strat de fascine pe care sta intreaga lucrare.

Asezarea gabioanelor in lucrare. Gabioanele construite sub forma de cutii se transporta la locul de punere in opera si se aseaza direct pe amplasament.

Gabioanele din sarma sudata realizate sub forma de panouri, se amplaseaza prin ridicarea pe verticala a acestora si fixarea lor cu cleme, dupa care se aseaza pe amplasament. Cand intregul rand de gabioane este instalat, se trece la fixarea gabioanelor intre ele, prin montarea pe verticala a clemelor spirale, pe intreaga inaltime, ajungand la toate colturile. Ambele margini ale diafragmelor se fixeaza de asemenea cu cleme spirale. Se monteaza colturile de rigidizare, transversal, in diagonala. Dupa verificarea finala, gabioanele pot fi umplute.

Umplerea gabioanelor. Materialul pentru umplutura trebuie sa aiba rezistenta la comprimare si durabilitatea prevazuta de proiectant, astfel ca sa reziste atat la incarcare, cat si la efectele produse de apa si de conditiile climatice.

Se utilizeaza piatra de cariera sau piatra de rau, materiale cu o greutate specifica mare, variabila intre 1700 kg/m³ la tuf si 2900 kg/m³ la bazalt.

Marimea cea mai potrivita a pietrei variaza de la 1-1,5 pana la de doua ori diametrul ochiurilor plasei de sarma din care sunt fabricate gabioanele. In SUA se recomanda ca diametrul pietrei sa fie de 9-30 cm, cel mai frecvent 9-18 cm. Pietrele cu dimensiunile mai mici permit o mai buna si mai economica umplere a gabioanelor, ceea ce asigura o adaptabilitate mai buna la deformari.

Umplerea se poate face manual, mecanizat sau mixt. Este mai indicat ca asezarea pietrelor in gabion sa se faca manual, astfel incat volumul spatiilor goale sa fie minim, forma gabioanelor sa ramana rectangulara, iar fetele vizibile sa apara cat mai ordonate. Umplerea celulelor invecinate trebuie facuta cu volume de material practic egale pentru a nu favoriza dezechilibrarea constructiei.

Gradul de umplere cu piatra a unui gabion se reflecta in porozitatea acestuia, care poate sa varieze intre 0,3 si 0,4 si in densitatea aparenta a umpluturii.

Dupa ce au fost umplute, cutiilor li se monteaza capacele.

Interconectarea gabioanelor. Pentru a ajunge la inaltimea sau latimea proiectata a lucrarii, gabioanele individuale se aseaza unele peste altele.

Dupa asezarea primului rand de gabioane in amplasament, urmatorul se aseaza pe primul rand in zig-zag, astfel ca fetele (panourile) laterale sa nu fie in acelasi plan si marginile verticale ale cutiilor sa nu fie pe aceeasi linie.

Legarea gabioanelor intre ele se face cu sarma de lungimea muchiilor.

Sinteza privind calculele de verificare al zidurilor de

sprijin din gabioane

Rastrurnarea fata piciorul aval se poate determina cu relatia:

in care:     M_r - momentul de stabilitate (rezistenta)

M₀ - momentul de rasturnare

Coeficientul "C" trebuie sa aiba valori de 1-2.

Alunecarea pe talpa de fundare, se determina cu relatia:

in care: μ - coeficient de frecare intre masiv si terenul de fundare (0,25 - 0,35);

G_t - suma fortelor verticale; in acest caz, greutatea zidului din gabioane;

P_h - componenta orizontala a presiunii active

Verificarea starii de eforturi in sectiunile critice se determina cu relatia:

in care : Ω - sectiunea activa

ΣM - suma momentelor in raport cu axul sectiunii

W - modulul de rezistenta

Calcule de verificare a zidurilor de sprijin din gabioane

Exemplu de calcul: Zid de sprijin cu fata exterioara in trepte

Date de baza:

inaltimea zidului    h = 3 m

panta terenului limitrof    a = 0⁰

inclinarea fetei interioare a zidului    b = 0⁰

unghiul de frecare interioara    F = 32⁰

densitatea aparenta a pamantului    D_a = 1.900 kg/m³

densitatea aparenta a umpluturii    D_u = 2.300 kg/m³

presiunea pamantului    P_a = 19.000 kg/m²

suprasarcina q = 0

Coeficientul presiunii active a pentru α = 0⁰, β= 0⁰, Φ = 32⁰, Ka = 0,31

Presiunea activa a pamantului:

P_a = K_a x D_a x

Componenta orizontala a presiunii active:

P_h = P_acosβ = 2.650,5 x cos0 = 2.650,5 kg/m

Distanta verticala pana la P_h:

Momentul rasturnarii:

M₀= d_a x P_h = 1x2.650,5 = 25.650,5 kg/m

Greutatea gabioanelor pe 1 m lungime:

G_g = ΣS x D_u = (S₁+S₂+S₃)xD_u

Distanta orizontala pana la centrul de greutate:

Dg = (ΣS x d_a)/ ΣS

Momentul rezistentei:

Mr = Dg x Gg = 1,72 x 17.250 = 29.670 mkg/m

Factorul de siguranta la rasturnare:

SF₀ =

Factorul de siguranta la alunecare:

SFa

Excentricitatea:

e =

Limita excentricitatii:

Presiunea maxima asupra fundatiei:

p =

p

5.060 ≤19.000

Concluzie: Structura prezinta stabilitate.