8.6. Investigarea, monitorizarea și stabilizarea versanților

Intuiție

La o alunecare trebuie aflate trei lucruri: unde este suprafața pe care alunecă, câtă apă este acolo și dacă se mai mișcă. Forajul și inclinometrul răspund la prima și la a treia, piezometrul la a doua. Soluția vine după: aproape întotdeauna începe cu scoaterea apei.

8.6.1. Investigarea alunecărilor

Investigarea unei alunecări urmărește stabilirea geometriei corpului și a suprafeței de alunecare, a alcătuirii litologice, a regimului apei subterane, a parametrilor de rezistență la forfecare și a stării de activitate. Ea începe cu cartarea geomorfologică de detaliu (Secțiunea 9.1): identificarea râpelor de desprindere, a crăpăturilor de tracțiune, a contrapantelor, a bombărilor de la frunte, a arborilor înclinați, a izvoarelor și a zonelor cu exces de umiditate, precum și a degradărilor construcțiilor (fisuri în ziduri, deformații ale drumurilor, ruperi de conducte). Fotografiile aeriene, ortofotoplanurile de la date diferite și modelele digitale ale terenului obținute prin scanare laser aeriană (LiDAR), care evidențiază relieful vălurit al alunecărilor vechi chiar sub pădure, sunt instrumente indispensabile pentru inventarierea alunecărilor.

Forajele geotehnice (Secțiunea 9.2) se amplasează în lungul unor profile orientate după direcția mișcării, de la coroană până dincolo de frunte, și se execută cu carotaj continuu, la o adâncime care depășește cu certitudine suprafața de alunecare. În carote, suprafața de alunecare se recunoaște după zonele de forfecare (argilă remaniată, lucioasă, cu striații – slickensides), după contrastul de consistență și de umiditate și după deformarea stratificației. Încercările in situ (Secțiunea 9.3) – penetrarea statică, penetrarea dinamică, forfecarea cu scizometrul – completează forajele, iar metodele geofizice (Secțiunea 9.4), în special tomografia de rezistivitate electrică și seismica de refracție, permit extinderea informațiilor punctuale din foraje pe întreaga secțiune, prin conturarea suprafeței rocii de bază și a zonelor saturate. Din probele netulburate se determină în laborator parametrii de vârf și reziduali ai rezistenței la forfecare (\(c'\), \(\varphi'\), \(\varphi'_r\)), pe care se bazează analizele de stabilitate.

8.6.2. Monitorizarea

Monitorizarea deplasărilor și a presiunii apei din pori este singura cale de a stabili cu certitudine dacă un versant se mișcă, la ce adâncime și cu ce viteză, precum și de a verifica eficiența lucrărilor de stabilizare (Dunnicliff, 1993). Un sistem de monitorizare tipic (Figura 8.7) cuprinde:

• repere topografice și stații GNSS, care măsoară deplasările tridimensionale ale suprafeței terenului cu precizie milimetrică, în măsurători periodice sau continue;

• inclinometre, alcătuite dintr-un tub cu caneluri, instalat într-un foraj și încastrat în masivul stabil sub suprafața de alunecare, în care se coboară periodic o sondă cu accelerometre; sonda măsoară înclinarea tubului față de verticală la intervale de 0,5 m, iar prin integrarea de la bază spre suprafață se obține profilul deplasărilor orizontale în funcție de adâncime. Profilul inclinometric tipic (Figura 8.7b) arată o deplasare concentrată într-o zonă subțire, care marchează cu precizie adâncimea suprafeței de alunecare; repetarea măsurătorilor în timp furnizează viteza de deplasare. Inclinometrele cu senzori ficși (in-place inclinometers) permit monitorizarea continuă și avertizarea automată. Procedura de măsurare este standardizată în ISO (2017);

• piezometre cu tub deschis sau cu traductor (cu coardă vibrantă), instalate cu filtrul la nivelul suprafeței de alunecare, care înregistrează presiunea apei din pori și corelația ei cu precipitațiile și cu deplasările;

• extensometre de suprafață, montate peste crăpăturile de tracțiune, și extensometre de foraj, care măsoară deplasările relative în lungul forajului;

• interferometria radar satelitară (InSAR), care, prin compararea fazelor undelor radar reflectate de suprafața terenului la treceri succesive ale satelitului, detectează deplasări milimetrice pe suprafețe întinse și permite identificarea alunecărilor lente active la scară regională, precum și radarele terestre și scanarea laser repetată pentru versanții stâncoși.

Figura 8.7 (a) Secțiune printr-un versant instrumentat: inclinometru I1 încastrat în masivul stabil, cu tubul deformat la nivelul suprafeței de alunecare, piezometru P1 cu filtrul la nivelul suprafeței de alunecare și reper topografic/GNSS R1; (b) profil inclinometric tipic: deplasarea cumulată în funcție de adâncime la momente succesive \(t_1 \ldots t_4\), cu deformația concentrată în zona de forfecare.

Datele de monitorizare se interpretează împreună: creșterea vitezei de deplasare corelată cu ridicarea nivelului piezometric indică o alunecare controlată de apa subterană, pentru care drenajul este soluția prioritară; accelerarea continuă a deplasărilor, cu inversul vitezei tinzând spre zero, este semnalul precursor al ruperii și stă la baza sistemelor de avertizare timpurie.

8.6.3. Principiile analizei de stabilitate

Analiza de stabilitate a versanților se face, în practica curentă, prin metode de echilibru limită: se presupune o suprafață de alunecare, se consideră masa delimitată de ea ca rigidă și se scriu ecuațiile de echilibru, admițând că rezistența la forfecare este mobilizată în aceeași proporție \(1/F\) în toate punctele suprafeței. Factorul de siguranță se definește ca raportul dintre rezistența la forfecare disponibilă și cea necesară echilibrului – relația (8.1) –, iar calculul se repetă pentru un număr mare de suprafețe posibile, reținându-se cea cu factorul de siguranță minim (suprafața critică). Pentru suprafețele curbe din pământuri, se folosește metoda fâșiilor: masa alunecătoare este împărțită în fâșii verticale, iar pentru fiecare fâșie \(i\) se scriu forțele (Figura 8.8): greutatea \(W_i\), forța normală efectivă \(N'_i\) și rezultanta presiunii apei \(U_i = u_i l_i\) pe bază, forța tangențială mobilizată \(T_i\) și forțele de interacțiune cu fâșiile vecine, \(E_i\) (orizontale) și \(X_i\) (verticale). Deoarece problema este static nedeterminată, diferitele metode se deosebesc prin ipotezele privind forțele dintre fâșii.

Figura 8.8 Metoda fâșiilor: (a) împărțirea masei alunecătoare, delimitată de o suprafață de alunecare circulară cu centrul \(O\) și raza \(R\), în fâșii verticale; (b) forțele care acționează asupra fâșiei \(i\): \(W_i\) – greutatea, \(N'_i\) – forța normală efectivă, \(U_i\) – rezultanta presiunii apei din pori, \(T_i\) – forța tangențială mobilizată, \(E_i\), \(X_i\) – forțele dintre fâșii; \(b_i\) – lățimea, \(l_i\) – lungimea bazei, \(\alpha_i\) – înclinarea bazei.

Metoda Fellenius (metoda suedeză a fâșiilor, Fellenius, 1936) neglijează complet forțele dintre fâșii și scrie echilibrul de momente în raport cu centrul cercului \(O\):

(8.5)\[ F = \frac{\sum_{i}\bigl[c'\,l_i + (W_i\cos\alpha_i - u_i\,l_i)\tan\varphi'\bigr]}{\sum_{i} W_i\sin\alpha_i}. \]

Metoda este explicită și simplă, dar, deoarece încalcă echilibrul forțelor pe fiecare fâșie, subestimează factorul de siguranță, cu erori care pot depăși 20% pentru suprafețe adânci și presiuni mari ale apei (Duncan et al., 2014).

Metoda Bishop simplificată (Bishop, 1955) admite că forțele verticale dintre fâșii se echilibrează (\(X_i = X_{i+1}\)) și scrie echilibrul forțelor pe verticală pentru fiecare fâșie, împreună cu echilibrul global de momente în raport cu \(O\). Se obține

(8.6)\[ F = \frac{\displaystyle\sum_{i}\frac{c'\,b_i + (W_i - u_i\,b_i)\tan\varphi'}{m_{\alpha,i}}}{\displaystyle\sum_{i} W_i\sin\alpha_i}, \qquad m_{\alpha,i} = \cos\alpha_i\Bigl(1 + \frac{\tan\alpha_i\tan\varphi'}{F}\Bigr), \]

în care \(b_i\) este lățimea fâșiei, \(\alpha_i\) înclinarea bazei ei față de orizontală (pozitivă în sensul alunecării), \(W_i\) greutatea fâșiei, \(u_i\) presiunea apei din pori la baza fâșiei, iar \(c'\) și \(\varphi'\) parametrii efectivi ai rezistenței la forfecare. Deoarece \(F\) apare și în membrul drept, prin \(m_{\alpha,i}\), relația se rezolvă iterativ: se pornește de la o valoare inițială (de exemplu \(F = 1{,}5\) sau valoarea Fellenius), se calculează membrul drept și se repetă până când două valori succesive diferă neglijabil; convergența se obține în general în 3–5 iterații. Metoda Bishop simplificată furnizează, pentru suprafețe circulare, valori ale factorului de siguranță foarte apropiate de cele ale metodelor riguroase, motiv pentru care este cea mai folosită în practică. Pentru suprafețe de formă oarecare (translaționale, compuse, urmărind strate slabe) se folosesc metode care satisfac toate condițiile de echilibru, precum metoda Morgenstern–Price (Morgenstern și Price, 1965) sau metoda Spencer, implementate în programele de calcul curente; analizele cu elemente finite, cu reducerea progresivă a parametrilor de rezistență (strength reduction), oferă în plus câmpul de deplasări și localizarea zonei de forfecare fără a impune forma suprafeței.

În condiții seismice, acțiunea cutremurului se introduce fie printr-o forță de inerție orizontală echivalentă, \(k_h W_i\), aplicată fiecărei fâșii (analiza pseudo-statică), fie prin evaluarea deplasării permanente a masei alunecătoare, considerată ca un bloc rigid care alunecă ori de câte ori accelerația depășește accelerația critică (metoda blocului rigid a lui Newmark, 1965), așa cum s-a menționat în Secțiunea 7.7.3.

Cerințele SR EN 1997-1. Eurocodul 7 (ASRO, 2004) tratează stabilitatea generală a versanților și a taluzurilor în Secțiunea 11, ca verificare la starea limită ultimă de tip GEO (cedarea terenului). Verificarea nu se mai exprimă printr-un factor de siguranță global, ci prin condiția ca valoarea de calcul a efectului acțiunilor, \(E_d\), să nu depășească valoarea de calcul a rezistenței, \(R_d\), obținute prin aplicarea coeficienților parțiali asupra acțiunilor, asupra parametrilor de rezistență (pentru setul M2, \(\gamma_{\varphi'} = 1{,}25\) aplicat lui \(\tan\varphi'\) și \(\gamma_{c'} = 1{,}25\)) sau asupra rezistențelor, potrivit abordării de calcul adoptate în anexa națională [DE VERIFICAT: abordarea de calcul (DA1 combinația 2 sau DA3) prescrisă pentru stabilitatea versanților în SR EN 1997-1:2004/NB:2007]. Standardul cere, de asemenea, ca analiza să țină seama de suprafețele de alunecare preexistente, de rezistența reziduală în argile, de condițiile cele mai defavorabile ale apei subterane previzibile pe durata de viață a construcției și de efectele pe termen lung (drenat) și scurt (nedrenat), iar în cazurile în care calculul nu poate acoperi incertitudinile, admite metoda observațională, bazată pe monitorizare și pe măsuri de intervenție pregătite dinainte.

8.6.4. Soluții de stabilizare

Stabilizarea unui versant urmărește, în ordinea eficienței și a costului, reducerea forțelor care produc alunecarea, creșterea forțelor rezistente și, în ultimă instanță, susținerea masei instabile prin structuri. Principalele grupe de soluții sunt:

1. drenajul, aproape întotdeauna soluția cea mai eficientă: șanțuri și rigole pentru colectarea apelor de suprafață, etanșarea crăpăturilor de tracțiune, drenuri de coastă (tranșee drenante umplute cu material granular, cu tub perforat la bază), drenuri subterane orizontale forate din fața versantului, galerii de drenaj și puțuri drenante pentru alunecările profunde; scopul este coborârea nivelului piezometric pe suprafața de alunecare, adică reducerea lui \(u\) în relația (8.2);

2. reprofilarea: descărcarea prin excavarea materialului din partea superioară a alunecării (reducerea forțelor active) și încărcarea piciorului cu contrabanchete din material granular drenant (creșterea forțelor rezistente); soluția presupune spațiu disponibil la baza versantului și verificarea că nu se creează o nouă alunecare la piciorul contrabanchetei;

3. structurile de sprijin: ziduri de sprijin de greutate sau din beton armat, gabioane, ziduri din pământ armat cu geosintetice, fundate obligatoriu sub suprafața de alunecare; sunt eficiente numai pentru alunecări de adâncime mică, deoarece forțele transmise de o alunecare profundă depășesc cu mult capacitatea zidurilor obișnuite;

4. piloții și baretele, dispuse în șiruri transversale pe direcția mișcării și încastrate în masivul stabil, care preiau forța de alunecare prin încovoiere și forfecare; sunt soluția uzuală pentru drumuri și căi ferate care traversează alunecări de adâncime medie;

5. ancorele pretensionate și cuiele de pământ (soil nailing), care aplică pe masa instabilă forțe de compresiune orientate spre masiv, mărind efortul normal efectiv pe suprafața de alunecare și, cu el, rezistența la forfecare; se combină frecvent cu grinzi de beton armat sau cu plase și torcret la fața taluzului;

6. îmbunătățirea și consolidarea terenului: coloane de var–ciment, injecții, tratarea termică sau electro-osmotică, folosite mai rar, pentru cazuri speciale;

7. măsurile biologice: împăduriri și înierbări, care reduc infiltrarea și armează stratul superficial; sunt eficiente pentru alunecări superficiale și ca măsură complementară.

Alegerea soluției rezultă din analiza de stabilitate: pentru fiecare variantă se calculează factorul de siguranță obținut (sau condiția \(E_d \le R_d\)) și se compară cu valoarea cerută, ținând seama de costuri, de accesibilitate și de efectele asupra vecinătăților. În toate cazurile, lucrările de stabilizare trebuie însoțite de monitorizare, cel puțin pe durata execuției și în primii ani de exploatare, pentru a confirma că deplasările au încetat și că sistemul de drenaj funcționează.