Evoluția tasărilor în prezența drenurilor verticale

În cazul pământurilor cu granulație fină și foarte fină, aplicarea unei sarcini pe teren implică apariția unei deformații inițiale la volum constant a complexului schelet solid-apă, care este identificată ca tasare imediată sau nedrenată, și o deformație, treptată în timp, legată de disiparea suprapresiunilor induse de aplicarea sarcinii (tasare de consolidare).

Pentru a prognoza evoluția tasării în timp, se utilizează teoria consolidării (Terzaghi, 1923) cu ajutorul căreia, fiind cunoscută tasarea totală δtot, este posibil să se determine valoarea tasării la timpul t δ(t) prin relația:

Gradul de consolidare mediu Um este o funcție de factorul timp Tv. Acesta din urmă capătă următoarea expresie:

funcție de timpul t, de coeficientul de consolidare cv, și de drumul maxim de drenaj H, care la rândul său depinde de condițiile la limită.

Într-adevăr, în cazul în care stratul supus procesului de consolidare prezintă o singură limită drenantă, drumul maxim de drenaj H coincide cu întreaga grosime a stratului (Fig. 1).

Uv (%)	Tv
0	0
5	0.0017
10	0.0077
15	0.0177
20	0.0314
25	0.0491
30	0.0707
35	0.0962
40	0.126
45	0.159
50	0.196
55	0.238
60	0.286
65	0.342
70	0.403
75	0.477
80	0.567
85	0.684
90	0.848
95	1.129
100	∞

Tabelul 1

Dacă, în schimb, stratul drenant prezintă două limite drenante, atât la acoperiș cât și la culcușul stratului în consolidare, atunci drumul maxim de drenaj H este egal cu jumătate din grosimea stratului (Fig. 2).

Corelațiile dintre cele două mărimi Um și Tv, exprimate prin relații (Sivaram și Swamee, 1977), pot fi de mare utilitate:

Când timpii de consolidare sunt excesiv de lungi, procesul de consolidare poate fi accelerat prin instalarea de drenuri verticale.
Foarte des, aceste drenuri sunt asociate cu tehnica preîncărcării (Fig. 3):

Combinarea acestor două tehnici este deosebit de potrivită pentru toate acele pământuri cu granulație fină și foarte fină precum argile moi anorganice, prafuri compresibile, argile organice și turbe, materiale care, sub sarcinile datorate corpului rambleului, pot da naștere unor tasări excesive și nu oferă marginile de siguranță necesare. Punerea în operă a drenurilor este, în general, precedată de amenajarea, pe amprenta corpului rambleului, a unui covor drenant, cu dubla funcție de platformă de lucru și de colectare și evacuare a apei transmise de drenuri. În ceea ce privește tipurile de drenuri și modalitățile lor de instalare, din punct de vedere istoric, drenurile realizate cu piloți de nisip au fost cele mai răspândite, datorită costului lor modest de execuție.

Cu toate acestea, realizarea lor, prin utilizarea unui mandrin cu vârf închis, implica un grad de deranjament considerabil pentru terenul din jur, cu o remaniere semnificativă a stratului în contact cu drenul și, în consecință, pierderea avantajelor corespunzătoare. S-a încercat remedierea acestui inconvenient printr-o tehnică de instalare adecvată, instalarea hidraulică. Drenurile care se realizează prin această tehnică se numesc drenuri jetting, au un diametru de ordinul a 20-30 cm și se instalează cu o distanță interax de ordinul a 2,0-5,0 m.

În general, este o practică obișnuită utilizarea drenurilor prefabricate, constituite dintr-un miez central din plastic, elementul de rezistență al drenului, în interiorul căruia sunt realizate conductele pentru drenaj, și dintr-un filtru extern, realizat fie din hârtie tratată, fie din material nețesut (geotextil), cu funcția de a nu permite ocluzia drenului de către particulele de pământ. Pot fi considerate ca având un diametru echivalent de ordinul a 60-150 mm, și instalate static la o distanță interax de ordinul i = 1,2 – 4,0 m. Înfigerea lor se realizează cu ajutorul unui echipament care permite atingerea unor adâncimi de ordinul a 50 m. Chiar și pentru acest tip de dren, modalitățile de punere în operă sunt de așa natură încât provoacă un anumit deranjament (efect de “smear” sau remaniere), deși de o amploare mult mai redusă în comparație cu tehnicile anterioare.

Instalării drenurilor îi urmează montarea unei instrumentații adecvate, realizată cu piezometre, tasometre de suprafață și de adâncime, și eventuale înclinometre verticale și orizontale, necesară în scopul controlării evoluției procesului de consolidare, precum și a corectitudinii ipotezelor făcute în faza de proiectare (fig. 3).

Utilizarea acestor drenuri se face prin instalarea lor în șah (rânduri paralele decalate cu o jumătate de interax), prin urmare, este justificată reducerea problemei în cauză la o problemă de simetrie axială. (fig. 4).

Modelul teoretic pentru calculul consolidării prin drenuri verticale introduce ipoteza că fluxul pe direcție verticală este neglijabil în raport cu cel pe direcție radială și că deformațiile au loc doar pe direcție verticală.

Rezolvarea ecuației consolidării (Barron, 1948) permite să se deducă faptul că, în prezența drenurilor, gradul de consolidare mediu (Uh) poate fi evaluat printr-o expresie funcție de:

• Factorul de timp adimensional;

• ch = coeficientul de consolidare în prezența doar a fluxului orizontal = kh / mv γw;

• kh = coeficient de permeabilitate pe direcție orizontală;

• mv = coeficient de compresibilitate monodimensională;

• γw = greutatea specifică a apei;

• de = diametrul echivalent al cilindrului de pământ care drenează (egal cu 1.05 ori interaxul i al drenurilor dacă acestea sunt dispuse în șah și egal cu 1.13 ori i în cazul dispunerii în rețea pătrată);

• n = raportul dintre diametrul de al cilindrului de pământ și diametrul dw al drenului.

Valoarea lui dw care, în cazul piloților de nisip este aproximativ diametrul de foraj, pentru drenurile prefabricate tip bandă se evaluează în funcție de grosimea (b) și de lățimea sa (a), prin expresia dw = 2(a+b)/π. Soluția exprimată anterior se referă la cazul ideal, unde drenul poate fi instalat fără a se fi efectuat nicio remaniere a pământului și fără rezistențe la mișcarea fluidului în interiorul său.

Pentru a ține cont de remaniere (efect de “smear”) (Hansbo, 1979, 1981) au sugerat introducerea unei corecții funcție de:

• s = raportul dintre diametrul zonei deranjate ds și diametrul drenului dw;

• n = raportul dintre diametrul de al cilindrului de pământ și diametrul dw al drenului;

• kh = coeficientul de permeabilitate pe direcție orizontală;

• kR = coeficientul de permeabilitate redusă al zonei adiacente drenului din cauza deranjamentului.

Influența rezistenței hidraulice, care se dezvoltă în interiorul drenurilor (în esență de tip prefabricat), poate fi luată în considerare printr-o expresie funcție de:

• qw = capacitatea hidraulică a drenului = kw Aw;

• Aw = aria drenului;

• l = lungimea caracteristică a drenului (egală cu toată lungimea drenului dacă acesta se învecinează cu un singur strat drenant, respectiv egală cu jumătate din lungime dacă drenul se învecinează cu două straturi drenante);

• z = adâncimea generică.

Poiché l’espressione proposta viene a dipendere dalla profondità (F è infatti funzione di z), al fine di valutare il grado di consolidazione medio, è necessario portare in conto un valore medio della resistenza idraulica valutato a varie profondità z lungo la lunghezza caratteristica del dreno.

Si richiama il fatto che la portata specifica di gran parte dei dreni prefabbricati varia da 100 a 500 m³/anno, pertanto il problema in esame viene a porsi solo per dreni di elevata lunghezza e in presenza di elevate tensioni di confinamento (Holtz et al., 1991).

Deoarece expresia propusă ajunge să depindă de adâncime (F este de fapt o funcție de z), cu scopul de a evalua gradul de consolidare mediu, este necesar să se ia în considerare o valoare medie a rezistenței hidraulice evaluată la diferite adâncimi z de-a lungul lungimii caracteristice a drenului. Se reamintește faptul că debitul specific al marii majorități a drenurilor prefabricate variază între 100 și 500 m³/an, prin urmare problema în discuție se pune doar pentru drenuri de lungime mare și în prezența unor tensiuni mari de confinare (Holtz et al., 1991).

În cazul unui strat compresibil în care grosimea h este intersectată de drenuri doar pe grosimea h1, gradul de consolidare mediu (Um) este evaluat prin ipoteza că consolidarea se dezvoltă doar radial pe porțiunea afectată de drenuri (h1), (de evaluat prin Uh), și doar vertical pe porțiunea (h2), (de evaluat prin Um din Teoria lui Terzaghi), suprapunând, deci, efectele considerând tasările δ1 și δ2 ale straturilor respective.

unde δ1 și δ2 sunt așezările stratului afectat de drenuri (h1) și, respectiv, porțiunea rămasă a stratului compresibil neafectată de drenuri (h2).