ANALIZA PĂMÂNTURILOR NESATURATE CU POTENȚIAL DE COLAPS

RAPORT 1 DE CERCETARE ŞTIINȚIFICĂ

Coordonator ştiințific: Prof. dr. ing. Anton CHIRICĂ Doctorand:

ing. Alexandra ANGHEL, M.Sc.

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞI ŞCOALA DOCTORALĂ

1. INTRODUCERE

Dificultăţile care apar în zona nesaturată sunt legate de fluxul de apă, starea de eforturi, starea de deformaţii.

Legat de fluxul de apă din zona vadoasă sunt întâlnite următoarele probleme: - echilibrul umidităţii din zona de contact cu atmosfera, - alimentarea cu apă a zonei nesaturate din zona saturată sau din acvifere, - depozitarea deşeurilor sau izolarea acestora în pământ, - transportul de poluanţi şi decontaminarea zonelor afectate, - infiltraţii trecătoare şi constante prin terasamentele barajelor.

NAS Zona capilară

PrecipitațiiEvapotranspirație

Presiunea apei din pori este pozitivă

Presiunea apei din pori este negativă

Echilibru hidrostatic

Efortul total

Flux ascensional

Zona saturată

Presiunea aerului

Flux descendent

Zona nesaturată

1. INTRODUCERE

Scurt istoric Fizicianul Lyman J. Briggs a publicat în anul 1897 articolul „The mechanics of soil moisture” prin care explica rolul forţei de tensiune superficială şi al gravitaţiei în determinarea conţinutului de apă. În 1907 Edgar a observat faptul că mișcarea apei este legată de fenomenul de evaporare al apei din adâncimi şi de fenomenul de capilaritate, introducând noțiunea de potenţialul apei, 𝜓𝜓. În 1928 Lorenzo A. Richards a formulat ecuaţiile de mişcare a apei în pământuri nesaturate. Willard Gardner a folosit hârtia de filtru pentru măsurarea sucţiunii în anul 1937 şi tot el a fost inventatorul tensiometrul (1922). În 1941 Richards a folosit aparatul de presiune pentru controlul sucţiunii, urmând ca Hilf sa introducă metoda translatării axei în 1965. Similar, Gardner(1956) şi Corey(1957) au propus metode de măsurare a coeficientului de permeabilitate funcţie de gardul de saturaţie. În 1977, împreună cu Morgenstern, Fredlund a introdus o a patra fază de reprezentare a unui element de pământ nesaturat, fiind prezentă datorită interacţiunii dintre apă şi aer, denumită pelicula contractilă.

1. INTRODUCERE

Răspândirea loessurilor şi a pământurilor loessoide Conform figurii de mai jos, pământurile loessoide sau loessurile ocupă aproximativ 19% din

suprafaţa României (NP 125 / 2008).

1. INTRODUCERE

Răspândirea loess-ul - Loess, > 5 m- Loess, < 2 m

- Loess nisipos

- Pământuri loessoide

- Loess aluvionar

- Depozit de nisip eolian- Grosimea stratului de loess nu diferă

Sursa de date:

În colaborare cu:Proiectat:

Frontiere

Ape curgătoare

- Repartizarea incompletă a loess-ului şi a pământurilor loessoide

Răspândirea pământurilor extrem de aride, aride şi semiaride pe suprafaţa globului pământesc (Meigs, 1953 şi Dregne, 1976)

Harta de distribuţie a loess-ului în Europa (Scara 1:2500000)

Răspândirea loessurilor şi a pământurilor loessoide

2. ANALIZA PĂMÂNTURILOR CU POTENŢIAL DE COLAPS

Definiții. Generalități Pământurile coezive macroporice cu un grad de saturare redus, ce prezintă deformaţii

bruşte ireversibile ale scheletului solid în momentul saturării, sunt denumite pământuri sensibile la umezire colapsibile (PSUC). Acestea sunt caracterizate de tasările suplimentare ce apar în momentul saturări, respectiv de o scădere semnificativă a parametrilor mecanici.

În general, pământurile susceptibile de a colapsa în momentul saturări au procentul de praf dominant şi porozitate neuniformă. Pământurile prăfoase sunt depozitele eoliene denumite loessuri sau pământuri loessoide.

Sunt considerate ca fiind pământuri sensibile la umezire colapsibile acele pământuri care au fracţiunea de praf între 50 – 80 %, porozitatea în stare naturală n > 45%, iar gradul de saturare, Sr < 0.8. (NP-125/2008)

2. ANALIZA PĂMÂNTURILOR CU POTENŢIAL DE COLAPS

Crov

Pâlnie

Horn

Loess

Argilă

TunelIzvor

Vegetaţie

Definiții. Generalități Cuvântul loess vine din limba germană „Löss” sau „Löß” care însemnă acelaşi lucru. Macroscopic, loessul formează un depozit eolian cu aspect masiv, lipsit de stratificaţie, cu

tendinţă de desprindere după planuri verticale. În general sunt friabile, de culoare gălbuie, cu porozitate semnificativă şi neuniformă.

Loessul este permeabil, astfel încât apele de infiltraţie pot determina procese de sufoziune, datorate unor tasări mari, în urma cărora se formează crovurile.

Este o rocă sedimentară detritică, neconsolidată, formată din fragmente de minerale şi roci, cu diametrul cuprins între 0.06 – 0.02 mm. Forma particulelor este frecvent tubulară sau lamelară, cu grad de rotunjire foarte scăzut.

2. ANALIZA PĂMÂNTURILOR CU POTENŢIAL DE COLAPS

Proprietăţile fizice, mecanice şi hidrice Parmetrii mecanici principali corespunzători pământurilor sensibile la umezire colapsibile

sunt: indicele tasării suplimentare ce apare la saturarea probei pe treapta de 300kPa (în încercarea edometrică), im300, tasarea suplimentară sub greutatea proprie la saturarea probei, Img, tasarea suplimentară sub greutatea proprie la saturarea probei, Imp, rezistenţa structurală, σ0, modulul edometric în stare naturală şi inundată, respectiv parametrii rezistenţei la forfecare φ, c în stare naturală şi inundată.

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

10 100 1000

ε (%

)

σ (kPa)

In stare naturala

Stare inundata

0.00

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

10 100 1000ε (%

)

σ (kPa)

Saturat initialIn stare naturalaim300

2. ANALIZA PĂMÂNTURILOR CU POTENŢIAL DE COLAPS

Criterii de identificare a pământurilor cu potenţial de colaps Conform NP 125 probabilitatea apariţiei fenomenului de colaps la creşterea gradului de

saturare este aproximată prin calcului coeficientului Cp, care este definit ca fiind potenţialul de colaps.

Cp=∆ε%=e1−e21+e0

∙ 100

Pământuri sensibile la umezire

eL

e

Criteriu de identificare a pământurilor sensibile la umezire pe baza relaţiei dintre

e şi eL

Potenţialul de prăbuşire (%) Gradul de avariere

0 – 1 nu apar avarii 1 – 5 avarii moderate 5 – 10 avarii 10 – 20 avarii severe

> 20 avarii foarte severe

2. ANALIZA PĂMÂNTURILOR CU POTENŢIAL DE COLAPS

Cedarea prin poansonare PSUC manifestă contractanţă la acţiunea concomitentă a unor solicitări de compresiune cu

forfecare. Acest fenomen este exprimat prin reducerea volumului porilor şi se numeşte tasarea prin poansonare.

După depăşirea rezistenţei structurale, materialul zdrobit se va acumula sub suprafaţa poansonului, iar deformaţia înregistrată va fi guvernată de frecarea laterală de-a lungul perimetrului de poansonului, între dop şi restul masivului. Acest lucru va continua până când efortul pe direcţia orizontală la nivelul dopului depăşeşte efortul geologic în stare de repaus, continuându-se cu cedare de tip general

Prism de pământ îndesat

b) Cedare prin poansonare

Reful lateral

Linie de alunecare

Fundație

a) Cedare generală

3. ANALIZA PROPRIETĂŢILOR ŞI A RELAŢIILOR DINTRE FAZELE CONSTITUENTE ALE PĂMÂNTULUI NESATURAT

Pământul aflat în stare de nesaturare a fost, iniţial, considerat ca fiind un sistem trifazic format din starea solidă, starea lichidă şi starea gazoază. Recent, înţelegând importanţa interacţiunii dintre apă şi aer (pelicula contractilă), a fost adăugată o a patra fază la sistem.

Când aerul se găseşte în fază continuă, pelicula contractilă interacţionează cu particulele solide şi influenţează comportamentul mecanic al pământului.

Particulă solidă

Apă Aer

Pelicula contractilă

Va

Vw

Vs

Aer

Apă

Solid

Ma=ρaVa

Mw=ρwVw

Ms=ρsVs

VM

Masa fiecărei faze

Volumul fiecărei faze

Va

Vw

Vs

Vc

Aer

Apă Pelicula

contractilă

Solid

3. ANALIZA PROPRIETĂŢILOR ŞI A RELAŢIILOR DINTRE FAZELE CONSTITUENTE ALE PĂMÂNTULUI NESATURAT

La interfaţa dintre apă şi aer apare o foţa de interacţiune cauzată de atracţia dintre moleculele lichidului, denumită tensiunea superficială. În interiorul masei lichidului, fiecare moleculă este atrasă în egală măsură în toate direcțiile de către moleculele învecinate, ce are ca rezultantă o forță nulă

La suprafața lichidului (pelicula contractilă), moleculele sunt puternic atrase de moleculele din interiorul lichidului și mai puţin intens de moleculele din mediul înconjurător (de exemplu aer, vid, etc.).

Molecule din interiorul apei

Sfera de acțiune moleculară

ra

Molecula de la interfața apă-aer

2ra

2ra

β

Rs Rsβ β

β

u

Δ u+u

Ts Ts

Tensiunea superficială acţionează asupra peliculei contractile făcând-o pe aceasta sa se comporte ca o membrană elastică. Comportamentul ei este asemănător cu un balon umflat, în care presiunea din interior este mai mare decât presiunea din exterior. Este o membrană flexibilă plană, cu presiuni diferite ce acţionează pe fiecare latură.

4. ANALIZA METODELOR DE DETERMINARE A SUCŢIUNII

Ce este sucţiunea

În teorie, conceptul de sucţiunea pământului a fost elaborat de fizica pământului încă de la începutul anilor 1900 (Buckingham, 1907; Gardner şi Widtsoe, 1921, Richards; 1928, etc.).

Sucţiunea pământului se referă de obicei la energia liberă a apei din pământ. Ea poate fi măsurată în funcţie de presiunea parţială a vaporilor de apă. Relaţia termodinamică dintre sucţiunea pământului şi presiunea parţială a vaporilor de apă din porii pământului are următoarea formă:

ψ= − RTvw0∙ωv

ln u�vu�v0

RH (%)

80

100

60

40

20

0104 105 103 102 106 107 Ψ (kPa)

4. ANALIZA METODELOR DE DETERMINARE A SUCŢIUNII

Croney(1952) a definit sucţiunea ca fiind fenomenul de reducere a presiunii în raport cu presiunea atmosferică ce apare în porii pământului. Acest fenomen se datoreză interacţiunii dintre particulele solide şi apă. În cazul pământurilor granulare sau cu porozitate mare (nisipuri, pământuri macroporice) sucţiunea este dată de forţele de natură fizico-mecanică (capilaritate), iar pentru pământurile argiloase cu porozitate redusă fenomenul apare datorită forţelor de natură fizico – chimică (adsorbţie).

Tesiunea ce apare datorită interacţiunii dintre apă şi scheletul solid, neglijând gravitaţia, este denumită sucţiune. Rezultă că atunci când gravitaţia este neglijată sucţiunea este principalul factor ce influenţează migrarea apei prin corpurile poroase. După cum se poate observa în figura de mai jos, apa va migra din zona A, unde umiditatea şi raza de curbură a meniscului sunt mai mari, către zona B, care are umidiatatea şi raza de curbură a meniscului mai mici.

Ra Rb

Zona “A”Zona “B”

PA PB

4. ANALIZA METODELOR DE DETERMINARE A SUCŢIUNII

Valoarea sucţiunii creşte odată cu reducerea umidităţii, valorile maxime fiind atunci când umiditatea tinde către zero. Un alt factor ce influenţează creşterea sucţiunii este dimensiunea particulelor. Deci, pentru un pământ cu particule fine pentru care interacţiunea dintre acestea şi apă este mai intensă, cantitatea de apă cedată este mai redusă pentru o anumită variaţie a sucţiunii.

pF

7.0

6.0

2.0

5.0

4.0

1.0

10

2.5

20 30 40 50 60 w (%)

Argilă

Nisip

Având în vedere că sucţiunea poate varia de la zero (cazul pământului saturat) până la sute de kPa, Schofield a propus să se folosească o scara logaritmică, denumită pF, pentru exprimarea sucţiunii. Indicele pF reprezintă logaritmul zecimal al sucţiunii exprimată în centimetri coloană de apă. Astfel, „p” arată caracterul logaritmic al său, în timp ce „F” este diferenţa entalpiei libere măsurată pe scara gravităţii.

4. ANALIZA METODELOR DE DETERMINARE A SUCŢIUNII

Metoda aparatelor cu membrană de presiune (domeniu de măsurare al sucţiunii: pF=2.5 şi pF=6.2);

Metoda cu edometru (domeniu de măsurare al sucţiunii: pF=2 şi pF=4); Metoda centrifugării; Metoda tensiometrului (domeniu de măsurare al sucţiunii: pF=0 şi pF=3.3); Metoda crioscopică (coborârea punctului de îngheţ); Metoda osmotică; Senzor dielectric pentru măsurarea sucţiunii (domeniu de măsurare al sucţiunii: pF=2 şi

pF=3.71); Sandbox (domeniu de măsurare al sucţiunii: pF=0 şi pF=2.0); Psihrometru Senzorul de conductivitate termica Fredlund

Diafragmă ceramică

Îmbinarea de liță a termocupluluiÎmbinare cupru-

constantan

5.STAREA DE EFORTURI DIN MASIVUL DE PĂMÂNT AFLAT ÎN STARE NESATURATĂ

Scurt istoric Biot, 1959: σ′ = σ − ua − χ ua− uw Richards, 1966: σ′ = σ − ua + χm hm + ua + χs hs + ua Aitchinson, 1973: σ′ = σ + χmpm

" + χsps"

Fredlund şi Morgenstern, 1977: efortul net, (𝜎𝜎 − ua), şi sucţiunea matricială, ua − uw

Presiunea de referinţă Eforturile variabile

Presiunea aerului, ua (𝜎𝜎 − ua) şi ua − uw

Presiunea apei, uw (𝜎𝜎 − uw) şi ua − uw

Efort total, 𝜎𝜎 (𝜎𝜎 − ua) şi 𝜎𝜎 − uw

5.STAREA DE EFORTURI DIN MASIVUL DE PĂMÂNT AFLAT ÎN STARE NESATURATĂ

Criteriul de cedare Mohr – Coulomb Extins pentru cazul pământului nesaturat τff=c′ + (σf − ua)ftan ϕ′ + ua − uw f tan ϕb

ϕb – unghiul ce arată creşterea efortului de forfecare funcţie de sucţiunea matricială.

c'

c'

(ua-uw)ftanφb

τ (ua-uw)

σ−ua

φ'

φ'

φb

φb

Suprafaţa de cedare Mohr – Coulomb Extinsă

6. ANALIZA ECUAŢIILOR CONSTITUTIVE

Variaţii volumice

Variaţiile de volum în cazul unui pământ nesaturat pot fi exprimate în termeni de deformaţii sau de miscări relative ale scheletului solid.

Se consideră că materialul este izotrop şi liniar elastic, relatiile constitutive vor fi exprimate funcţie de eforturile variabile (s-ua) şi (ua-uw). .

d(ua-uw)

𝜕𝜕(Vv/Vo)𝜕𝜕(σmean − ua)

𝜀𝜀𝑣𝑣 =∆Vv

Vo

d(σmean − ua) 𝜕𝜕(Vv/Vo)𝜕𝜕(ua − uw)

(ua-uw)Sucțiunea matricială

(σmean-ua)Efortul net normal

d(ua-uw)

𝜕𝜕(Vw/Vo)𝜕𝜕(σmean − ua)

∆Vw

Vo

d(σmean − ua) 𝜕𝜕(Vw/Vo)𝜕𝜕(ua − uw)

(ua-uw)Sucțiunea matricială

(σmean-ua)Efortul net normal

a) b)

Suprafeţele constitutive de încărcare 3D valabile pământul nesaturat. a) Suprafaţa constitutivă pentru scheletul solid; b) Suprafaţa de constitutivă pentru faza lichidă prezentă în stare continuă

6. ANALIZA ECUAŢIILOR CONSTITUTIVE

Modelul Barcelona Basic (BBM) Acest model reprezintă o extensie a modelului Cam – Clay Modificat, la care s-a adăugat

efectul sucţiunii asupra rezistenţei la forfecare şi a rezistenţei la compresiune Modelul a fost propus în 1990 de Alonso et al. pentru studiul comportamentului

pământurilor nesaturate. Este un model de comportare elasto – plastic în care materialul se consideră că are o

comportare izotropică.

(N.C.L.) luând în considerare sucțiunea

lns

e

s0

eC

eA

si

A

BC

eB

λs

κs

s

p*ppo

s0

Curba de Încărcare-Colapsibilitate (λ dominant)

Curba de creştere a sucțiunii (λs dominant)

κ - factorul de influență

κ s -

fact

orul

de

influ

ență

Zona de comportare

elastică

Conturul zonei elastice conform modelului Barcelona Basic Linia normală de consolidare reprezentată în

coordonate (e, ln(s))

7. CONCLUZII

Majoritatea construcţiilor realizate de oameni se găsesc la suprafaţa pământului şi ca atare vom avea schimbări ale condiţiilor la limită ale mediul înconjurător. Acesta este cazul unei căi ferate, în care terasamentul şi fundaţia au un set de condiţii sau încărcării iniţiale. Aceste condiţii se modifică în timp datorită schimbărilor mediului înconjurător şi climatice.

Vegetaţia ce creşte la suprafaţa pământului ajută la scăderea umidităţii aplicând o forţă de tensiune asupra presiunii apei din pori datorată evapotranspiraţiei

Majoritatea plantelor pot aplica o presiune suplimentară asupra apei din porii pământului, 1-2MPa, până la atingerea punctului de ofilire (Taylor şi Ashcroft, 1972). Presiunea aplicată asupra apei din pori acţionează în toate direcţiile şi poate depăşi uşor valoarea presiunii de confinare a pământului.

În timp, pământul este supus variaţiilor şi schimbărilor climatice, ceea ce duce la modificarea distribuţiei presiunii apei din pori. Aceste modificări ale distribuţiei presiunii apei din pori pot contracta sau umfla masa de pământ, funcţie de natura terenului, chiar şi colapsa

BIBLIOGRAFIE

“Normativ privind fundarea construcţiilor pe pământurile sensibile la umezire colapsibile”, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Bucureşti, NP 125, 2008

Fredlund, D.G.; Rahardjo, H., Soil Mechanics for unsaturated soils. USA: Copyright by Wiley & Sons, Inc., 1993.

Silvan, A., Apa în pământurile nesaturate. Bucureşti, România: Editura Tehnică, 1967. Schanz, T., Teoretical and numerical unsaturated soil mechanics. Berlin, Verlag,

Heidelberg, Germania: Springer, 2007. Murray, E.J., Sivakumar, V., Unsaturated soils - A fundamental interpretation of soil

behavior. Blackwell, SUA: Wiley, 2012. Lu, N., Likos, W.J., Unsaturated soil mechanics, Copyright ed. New Jersey, USA: John

Wiley & Sons, 2004. Charles, W.W.Ng., Menzies, B., Advanced unsaturated soil mechanics and engineering.

London, England: Taylor & Francis Group, 2007. Abed, A., Numerical modeling of expansive soil behavior. Stuttgart, Germania: Institut fur

Geotechnik der Universitat Stuttgart, 2008.

Vă mulţumesc pentru atenţie!