Βελτίωση Εδάφους για την Κατασκευή Σταθμού Βιολογικού Καθαρισμού στην Βράϊλα Ρουμανίας

Βελτίωση Εδάφους για την Κατασκευή Σταθμού Βιολογικού Καθαρισμού στην Βράϊλα Ρουμανίας Ground Improvement Solution for the construction of a Waste Water Treatment Plant in Braila, Romania ΤΣΙΤΣΑΣ, Γ. Πολιτικός Μηχανικός, Πανεπιστημίου Μασσαχουσέττης Άμχερστ, Έδραση Χ. Ψαλλίδας Α.Τ.Ε. ΠΑΣΚΟΥΑΛΙΝ, Κ. Πολιτικός Μηχανικός, Πανεπιστημίου Πάντοβας, Έδραση Χ. Ψαλλίδας Α.Τ.Ε. ΤΣΙΟΡΤΑΝ, Ρ. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Σύμβουλος SC IPTANA, Μέλος της Ρουμάνικης Ακαδημίας Τεχνικών Επιστημών. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην περίπτωση ενός εδάφους θεμελίωσης με αδύναμα γεωτεχνικά χαρακτηριστικά, που δεν μπορεί να παραλάβει τα φορτία της ανωδομής έχει εφαρμοστεί μία λύση βελτίωσης αυτών των χαρακτηριστικών. Για αυτόν τον σκοπό έχει προβλεφθεί να κατασκευαστούν άκαμπτα ενθέματα άοπλου σκυροδέματος (γραμμικά ενθέματα) με τις κεφαλές αυτών ενσωματωμένες σε ένα στρώμα παραλαβής φορτίων, το οποίο αποτελείται από θραυστό σκύρο οπλισμένο με γεώπλεγμα. Τα παραπάνω ενθέματα θα κατασκευαστούν με την μέθοδο της στατικής εκτόπισης του εδάφους. ABSTRACT: Regarding a soil deposit with weak geotechnical characteristics that can not support the loads from the superstructure, a solution for improving these characteristics has been applied. In this aspect the construction of rigid columns of unreinforced concrete (linear inclusions) has been provided, with the heads of the columns included in a load transfer platform consisting of granular material reinforced with geogrids. Construction of the rigid columns will be executed by the full static displacement method. 1. ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ ΕΡΓΟΥ Ο βιολογικός σταθμός θα τοποθετηθεί λίγα χιλιόμετρα έξω από την Βραΐλα στον περιφερειακό δρόμο προς το Γαλάτσι, στην πλησιέστερη περιοχή του φράγματος προστασίας εναντίον πλημμύρας στην βόρεια πλευρά του ποταμού Δούναβη. Μέχρι σήμερα αυτή η περιοχή μεταξύ Βραΐλας και Γαλάτσι έχει χρησιμοποιηθεί για γεωργικές καλλιέργειες. Το εν λόγω οικόπεδο έχει επιφάνεια 84.647 τετραγωνικά μέτρα (τ.μ.). 2. ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ Ο βιολογικός σταθμός αποτελείται από 23 κατασκευές, συμπεριλαμβανομένων της δεξαμενής αερισμού και τεσσάρων δεξαμενών καθίζησης, οι οποίες έχουν επιφάνεια περίπου 10.454 τ.μ. και 2.383 τ.μ. εκάστη. Αυτές έχουν πλάκα θεμελίωσης από οπλισμένο σκυρόδεμα με 40,0 55,0 εκατοστά (εκ.) πάχος και τα τοιχία περίπου 6,0 μέτρα (μ.) ύψος. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 1

Σχήμα 1. Γενική διάταξη του Βιολογικού Καθαρισμού Figure 1. General Layout of the Waste Water Treatment Plant 3. ΦΥΣΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ 3.1 Τοπογραφικό Το σημερινό φυσικό έδαφος του οικοπέδου του μελλοντικού βιολογικού παρουσιάζεται περίπου επίπεδο με μικρά τοπικά αναχώματα με στάθμες ύψους μεταξύ 5,00 ως 5,80 μέτρων. 3.2 Γεωλογία Προκειμένου να καθοριστεί η στρωματογραφία του εδάφους θεμελίωσης και των κύριων φυσικομηχανικών χαρακτηριστικών αυτού, έχει εκτελεστεί μία σειρά γεωτεχνικών γεωτρήσεων σε βάθος από 10,00 μ. έως 40,00 μ. σε σχέση με την στάθμη του σημερινού φυσικού εδάφους. Από τις γεωτρήσεις που έχουν εκτελεστεί, έχουν ληφθεί διαταραγμένα και αδιατάρακτα δοκίμια, τα οποία έχουν αναλυθεί στο 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 2

εργαστήριο του Πολυτεχνείου στο Βουκουρέστι. Βάσει των γεωτρήσεων προκύπτει η παρακάτω στρωματογραφία: Από την επιφάνεια ως βάθος περίπου 0,20-0,80 μ. στρώμα φυτικής γης, μαύρου χρώματος Μέχρι το βάθος των -4,50, ιλυώδης άργιλος (Ν spt ~ 6) Από το βάθος -4,50 μ στο 11,0 µ, αργιλική ιλύς (Ν spt ~ 3) Από το βάθος 11,0 μ στο 18,0 µ, άργιλος και ιλυώδης άργιλος (Ν spt ~ 6) Από το βάθος 18.0 μ στο 22,0 µ, αργιλική ιλύς και άργιλος (Ν spt ~ 8) Από το βάθος 22,0 μ στο 32,0 µ, αμμώδης ιλύς, αργιλώδης άμμος, ιλυώδης άργιλος και άμμος (Ν spt ~ 15) Σε βάθη μεγαλύτερα των 32,0 μ, άμμος και χαλίκι (Ν spt ~ 50) 3.3 Υπόγεια ύδατα Η υδροστατική στάθμη των υπογείων υδάτων έχει μετρηθεί σε όλες τις γεωτρήσεις που έχουν εκτελεστεί, και βρίσκεται σε βάθη από 1,40μ. έως 1,00 μ. σε σχέση με την στάθμη του σημερινού φυσικού εδάφους. Ο υπόγειος υδάτινος ορίζοντας έχει μία μεταβλητή υδροστατική στάθμη, που σχετίζεται με την ποσότητα ατμοσφαιρικών βροχοπτώσεων, την ικανότητα φυσικής ή τεχνητής αποστράγγισης της περιοχής και με την επιφανειακή στάθμη υδάτων του αμέσου χώρου του οικοπέδου (ποταμός Δούναβης). Για αυτόν το σκοπό έχουν ληφθεί υπόψη κυρίως τρεις λύσεις: Εξυγιαντική στρώση πάχους περίπου 3,0 µ. Πάσσαλοι θεμελίωσης Άκαμπτα ενθέματα και πλατφόρμα μεταφοράς φορτίων Η πρώτη λύση δεν ικανοποιεί εντελώς το κριτήριο των καθιζήσεων του εδάφους κάτω από το στρώμα θεμελίωσης το οποίο παραμένει με ένα πάχος της τάξης των 15,0 µ. 18,0 μ.. Η δεύτερη λύση οδηγεί σε ελάχιστες καθιζήσεις, αλλά έχει το μεγαλύτερο κόστος. Η τρίτη λύση προβλέπει βελτίωση των χαρακτηριστικών εδάφους θεμελίωσης, το οποίο έτσι μπορεί να παραλάβει τα φορτία με μικρές καθιζήσεις, επιτρεπτές από τον ανάδοχο. Το κόστος για τη λύση βελτίωσης εδάφους είναι πολύ μικρότερο της δεύτερης λύσης. 5. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ ΜΕ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΚΑΜΠΤΩΝ ΕΝΘΕΜΑΤΩΝ Η λύση προβλέπει την υλοποίηση ενός τριγωνικού καννάβου με άκαμπτα ενθέματα από χαμηλής αντοχής σκυρόδεμα με μεταβλητή απόσταση ανάμεσά τους περίπου 2,5 μ, η οποία εξαρτάται από το φορτίο που μεταδίδει κάθε κατασκευή. Η διάμετρος των πασσάλων είναι 40,0 εκ. 3.4 Σεισμικότητα Βάσει του Ρουμάνικου κανονισμού Ρ 100-1/2006 σε ό,τι αφορά τις σεισμικές ζώνες του Ρουμανικού εδάφους, η πόλη της Βραΐλας συμπεριλαμβάνεται στην ζώνη με σεισμικό συντελεστή a g = 0,24 g και χαρακτηριστική περίοδο T c = 1,0 sec., για μία μέση περίοδο επανάληψης ΙΜR = 100 χρόνια. 4. ΛΥΣΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ Από την πιο πάνω παρουσίαση προκύπτει ότι για όλες τις κατασκευές είναι αναγκαία μία κατάλληλη λύση θεμελίωσης. Σύμφωνα με τις τεχνικές προδιαγραφές του έργου οι επιτρεπόμενες καθιζήσεις είναι 40 χιλιοστά. Σχήμα 2. Ειδικό κοπτικό εκτόπισης Figure 2. Special displacement tool Αυτά τα άοπλα ενθέματα θα κατασκευαστούν με την εκτόπιση του εδάφους χωρίς αφαίρεση υλικών. Η διάτρηση διασχίζει τα στρώματα 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 3

μεγάλης συμπιεστότητας ώσπου να συναντήσει το στρώμα μέσης συμπιεστότητας με το μήκος διάτρησης φτάνοντας έτσι στα 23,5 μ. Η ακεραιότητα των στοιχείων βελτίωσης θα επαληθευτεί με δοκιμή ακεραιότητας με τη βοήθεια ηχητικών κυμάτων (sonic integrity test) και η φέρουσα ικανότητα θα γίνει με επιτόπου δοκιμαστική στατική φόρτιση. Πάνω από τα ενθέματα κατασκευάζεται μία πλατφόρμα μεταφοράς των φορτίων (load transfer platform) αποτελούμενη από ένα στρώμα θραυστού σκύρου, συμπυκνωμένου, πάχους 60,0 εκ., οπλισμένο με δύο σειρές γεωπλεγμάτων. Στην κάτω πλευρά με Tensar SS 30 και στα 30,0 εκ. από το προηγούμενο με Tensar SS 20. Πάνω από αυτήν την στρώση θα κατασκευαστεί ένα στρώμα σκυροδέματος εξομάλυνσης με 10,0 εκ. πάχος και μετά η πλάκα θεμελίωσης. Η λύση της κατασκευής των άκαμπτων στοιχείων με εκτόπιση έχει το πλεονέκτημα ότι αυξάνει την αντοχή του γύρω εδάφους λόγω της συµπύκνωσης που επιτυγχάνεται κατά τη διάρκεια της διάτρησης και σκυροδέτησης και την ολική έλλειψη υλικών εκσκαφής. 6. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ Τα ζητούμενα χαρακτηριστικά του βελτιωμένου εδάφους έχουν εκτιμηθεί σύμφωνα με πέντε τεχνικές προδιαγραφές: Την γεωτεχνική φέρουσα ικανότητα ενός στοιχείου βελτίωσης εδάφους Την φέρουσα ικανότητα ενός στοιχείου βελτίωσης εδάφους σε λυγισμό Την στατική φέρουσα ικανότητα Την φέρουσα ικανότητα του βελτιωμένου εδάφους Την εκτίμηση των καθιζήσεων 6.1 Η γεωτεχνική φέρουσα ικανότητα μιάς άκαμπτης κολόνας Η φέρουσα ικανότητα των στοιχείων βελτίωσης εδάφους είναι υπολογισμένη σύμφωνα με το DIN 4014 για μέγιστη επιτρεπόμενη καθίζηση 40 χιλιοστά και συντελεστή ασφάλειας 1,50. Δεν έχει ληφθεί υπόψη ότι ένα μέρος από τα κατακόρυφα φορτία παραλαμβάνονται από το έδαφος (περίπου 50 kρa) με την ανάπτυξη μιας καθίζησης μέχρι 2 χιλ. Επίσης δεν λήφθηκαν υπόψη στον υπολογισμό τα πρώτα 11, 0 μ εδάφους, λόγω αδύναμων χαρακτηριστικών. Έχοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά εδάφους (γωνία τριβής, συνοχή, Ν spt ) έχει προκύψει μία φέρουσα ικανότητα των N adm = 556 kν. 6.2 Φέρουσα ικανότητα έναντι λυγισμού Για τη φέρουσα ικανότητα ενός στοιχείου βελτίωσης εδάφους εφαρμόζεται η θεωρία του Timoshenko. Λαμβάνοντας υπόψη τον οριζόντιο δείκτη εδάφους (0,25 kg/cm 3 ), το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος (260.000 kg/cm 2 ), το μέγιστο μήκος βελτίωσης (25 μέτρα) και τη διάμετρο (40 εκ.), υπολογίζεται ο αριθμός κυμάτων (3) και η κρίτική αξονική δύναμη. Εφαρμόζοντας ένα συντελεστή ασφάλειας 10 έχουμε, F adm =1.170 KN 6.3 Στατική φέρουσα ικανότητα Σχήμα 3. Τυπική τομή Figure 3. Typical cross section Έχοντας υπόψη την κατηγορία του σκυροδέματος που χρησιμοποιείται (C12/15), 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 4

το οποίο οδηγεί στην τυπική αντίσταση των 12 Ν/mm 2 και με ένα συντελεστή ασφάλειας 1,5 προκύπτει ότι, F adm =1.005 KN 6.4 Φέρουσα ικανότητα του βελτιωμένου εδάφους Το βελτιωμένο έδαφος μπορεί να θεωρηθεί ως ένας όγκος θεμελίωσης ύψους 25,0 μέτρων. Η φέρουσα ικανότητα θα είναι αυτή του εδάφους στο βάθος των 25,0 μέτρων, που περιλαμβάνει αμμώδη ιλύ, αργιλώδη άμμο, ιλυώδη άργιλο και άμμο με Ν SPT = 15. H φέρουσα ικανότητα σύμφωνα με τον Caquot, αν αμελήσουμε την τριβή και λάβουμε υπόψη μόνον την συνεκτικότητα, είναι P adm =362 KPa (με συντελεστή ασφάλειας 3). 6.5 Εκτίμηση καθιζήσεων Στους υπολογισμούς που αφορούν την εκτίμηση των καθιζήσεων έχουν γίνει δύο απλοποιήσεις. Η πρώτη είναι ότι όλο το φορτίο στην επιφάνεια μεταφέρεται στην κάτω στρώση μόνο διαμέσου των ενθεμάτων (αν και είναι προφανές ότι το μαλακό έδαφος μεταξύ τους παίρνει ένα μέρος του φορτίου). Έτσι όμως επιτρέπεται μια απλοποιημένη εκτίμηση (υπέρ της ασφαλείας) της βράχυνσης των ενθεμάτων κατά Young. H δεύτερη απλοποίηση αφορά τον υπολογισμό της συμπύκνωσης του κάτω στρώματος όπου γίνεται δεκτό ότι η βελτιωμένη μάζα εδάφους (λόγω των τριβών που αναπτύσσονται μεταξύ ενθεμάτων και μαλακού εδάφους) «πιέζει» ομοιόμορφα.. Για τον υπολογισμό τον συμπυκνώσεων έχει ληφθεί υπόψη η ελαστική παραμόρφωση του εδάφους κάτω από τον βελτιωμένο όγκο θεμελίωσης (-25,0μ) καθορισμένο με την συσχέτιση αντίστασης της αιχμής του στατικού πενετρόμετρου και του βάθους στο οποίο αρχίζει το στρώμα με την υψηλή πυκνότητα (άμμος και χαλίκι). Η παραπάνω συμπύκνωση θα είναι ίση με: Δ s1 = P x h tστρώση / E στρώση = 1,0 έως 3,7 εκ (1) Σε αυτή την τιμή πρέπει να προστεθεί η βράχυνση των ενθεμάτων Δ S2 ως αποτέλεσμα της μείωσης του αρχικού μήκους τους (L) με διατομή Α p και μέτρου ελαστικότητας Ε p = 26.000 MPa από μία θλιπτική δύναμη F. Δ S2 = F x L / E p A p ~ 0,2 εκ (2) Προκύπτει πως η συνολική καθίζηση Δ s = Δ S1 + Δ S2 είναι 1,2 εκ με 3,9 εκατοστά ανάλογα με το πάχος και με την συμπιεστότητα του κάτω στρώματος (που αλλάζουν από περιοχή σε περιοχή) και με τα φορτία της κάθε κατασκευής. 6.6 Διαστασιολόγηση του στρώματος μεταφοράς φορτίων (LTP) Μέσω υπολογισμών καθορίστηκε το πάχος του στρώματος μεταφοράς και ο τύπος των στοιχείων ενίσχυσης αυτού (γεωπλέγματα) λαμβάνοντας υπόψη τη λειτουργία «θόλου» που αναπτύσσεται μεταξύ των πασσάλων. Επίσης τα γεωπλέγματα πρέπει να παραλάβουν το φορτίο που αντιστοιχεί στο βάρος που προέρχεται από το στρώμα του θραυστού σκύρου θεμελίωσης. Έχει προβλεφθεί ο ερπυσμός που δημιουργείται στη διάρκεια ζωής του έργου, ο οποίος μειώνει μακροπρόθεσμα την οριακή εφελκυστική αντοχή του γεωπλέγματος. Υπολογίστηκε ότι είναι αναγκαία δύο γεωπλέγματα, το πρώτο στα 5,0 εκ από την κατώτερη πλευρά στρώματος και το δεύτερο στα 25,0 εκ. πάνω από το πρώτο. Σχήμα 3. Παραμόρφωση Γεωπλέγματος (5%) Figure 3: Deformation of Geogrid (5%) 7. ΔΟΚΙΜΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ 7.1 Φόρτιση που αφορά την φέρουσα ικανότητα των πασσάλων Η φόρτιση σε αξονική συμπίεση με κατακόρυφα στατικά φορτία ήταν του τύπου επιβαλλόμενη φόρτιση μετρούμενη παραμόρφωση. Ως μέσο παραλαβής των φορτίων αντίδρασης χρησιμοποιήθηκε ένα γεωτρύπανο, το οποίο έχει βάρος περίπου 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 5

1.000 kν.τα βήματα φόρτισης ήταν 125, 250, 375, 500, 562,5, 625 και 667,5 kν. Η εφαρμογή αυτών των φορτίσεων υλοποιήθηκε με έναν υδραυλικό γρύλο. Η μέτρηση των καθιζήσεων έγινε με ένα σύστημα τεσσάρων επιμηκυνσιομέτρων με ακρίβεια 1/100 χιλιοστά τοποθετημένων σε δύο κάθετες κατευθύνσεις. Οι μέγιστες καθιζήσεις ήταν από 3,0 έως 4,0 χλ. Μετά την αποφόρτιση η παραμένουσα καθίζηση ήταν από 0,9 έως 1,35 χλ. Οι φορτίσεις έχουν αποδείξει πως έως τα 550 kν οι παραμορφώσεις των πασσάλων βρίσκονται στον ελαστικό ευθύγραμμο τομέα και συμφωνούν με τα καθορισμένα όρια που προκύπτουν από τους υπολογισμούς. Σχήμα 4. Στατική φόρτιση Figure 4. Static load test καταγράφεται με έναν ειδικό δέκτη. Ο εξοπλισμός αποτελείται από έναν φορητό υπολογιστή, ένα σφυρί, ένα καταγραφικό και έναν ειδικό δέκτη. 4.4(mm/s) Top Toe Depth Σχήμα 6. Το αποτέλεσμα δοκιμής ακεραιότητας με τη βοήθεια ηχητικών κυμάτων Figure 6. Result from Sonic Integrity Test 8. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Γιά την θεμελίωση των κατασκευών του σταθμού βιολογικού καθαρισμού στην Βραΐλα Ρουμανίας ήταν αναγκαία η βελτίωση εδάφους, η οποία έχει πραγματοποιηθεί με ένα κάνναβο άκαμπτων στοιχείων με μήκος 23,5 μ, και διάμετρο 0,40 μ. Με αυτή την βελτίωση εδάφους οι εδαφικές καθιζήσεις θεμελίωσης έχουν μειωθεί σε μέγιστο 40,0 χλ. σε σχέση με περίπου 150,0 χλ. αν δεν πραγματοποιόταν η βελτίωση, με θετικά αποτελέσματα στις κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα. Οι δοκιμές και οι έλεγχοι που έχουν γίνει έχουν επιβεβαιώσει την φέρουσα ικανότητα υιοθετημένη για τα ενθέματα βελτίωσης, καθώς και την ποιότητα αυτών. 9. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Σχήμα 5. Αποτέλεσμα στατικής δοκιμαστικής φόρτισης Figure 5. Result from the Static load test 7.2 Δοκιμές ακεραιότητας με τη βοήθεια ηχητικών κυμάτων Για τον σκοπό αυτό έχουν γίνει δοκιμές ακεραιότητας με την οποία έχει ελεγχθεί η συνέχεια της σκυροδέτησης με την καταγραφή ακουστικών κυμάτων για το 10% των κατασκευασμένων στοιχείων (Σχήμα 6). Σε αυτή την δοκιμή η κεφαλή του ενθέματος χτυπιέται με ένα σφυρί, ενώ η ταλάντωση CESTELLI GUIDI, C. (1964), Geotecnica e tecnica delle fondazioni, 5th edition. TOMLINSON, M.J. (1972), Pile Design and Construction Practice. HOEG, K. (1978), Deformation computation in Geotechnical Engineering. PASQUALINI, E. (1980), Pali di fondazione nei terreni non coesivi, XII Congresso Geotecnico Italiano.- CESTELLI GUIDI, C. (1987), Geotecnica e tecnica delle fondazioni, 8th edition. BAUER MASCHINEN GmbH (2006), Full Displacement Pile System (FDP) presentation. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 6