1

NOŢIUNI INTRODUCTIVE

Fundaţia - reprezintă partea din construcţie care preia încărcările aduse de suprastructură şi le transmite la terenul de fundare.

Terenul de fundare - este acea parte a scoarţei terestre în cuprinsul căreia se manifestă influenţa încărcărilor transmise de fundaţii. Straturile care alcătuiesc terenul de fundare pot fi formate din roci compacte sau pământuri.

a) Rocile compacte (roci stâncoase sau semi-stâncoase) sunt caracterizate prin rezistenţe mecanice mari, de acelaşi ordin de mărime sau chiar mai mari decât ale materialelor de construcţii (zidărie de cărămidă, beton simplu, beton armat). De aceea, fundarea construcţiilor obişnuite pe asemenea roci nu ridică probleme deosebite. La construcţiile speciale (baraje, tuneluri hidrotehnice etc.) la care eforturile transmise de construcţie la teren sunt foarte mari, trebuiesc cunoscute amănunţit proprietăţile rocilor compacte din terenul respectiv. Mecanica rocilor este disciplina care se ocupă cu studiul rocilor compacte.

2

b) Pământurile sunt roci sedimentare provenite din dezintegrarea pe cale fizică şi chimică a rocilor compacte. Rezistenţele mecanice ale pământurilor fiind mult mai mici decât rezistenţele materialelor de construcţii, între elementele portante ale structurii (ziduri, stâlpi, diafragme etc.) şi teren trebuie interpus un element de repartizare: fundaţia. De studiul proprietăţilor pământurilor se ocupă Geotehnica denumita si Mecanica pământurilor. Geotehnica face parte din familia „Mecanicii construcţiilor”, dar în acelaşi timp se întrepătrunde cu numeroase alte discipline teoretice sau ingineresti.

3

Principalele aspecte ingineresti referitoare la pământuri 1. Pământul ca suport al construcţiilor (teren de fundare).

Prin baza fundaţiei, construcţia transmite la terenul de fundare încărcarea totala sub forma unei presiuni, p. Examinând influenţa presiunii p asupra terenului de fundare se pun două probleme: a) Problema de deformaţii (tasări)

Se noteaza cu s tasarea care este deformaţia pe verticală a terenului de fundare.

4

σgz este efortul unitar vertical dat de greutatea proprie a pământului. σz este efortul suplimentar produs de presiunea p. Zona activă (Hactiv) este zona de sub talpa fundaţiei în cuprinsul căreia efortul suplimentar σz este suficient de mare pentru a fi luat în consideraţie la calculul deformaţiilor probabile. Problema de deformaţii constă din compararea deformaţiei calculate cu deformaţia acceptabilă atât pentru structura de rezistenţă cât şi pentru exploatarea normală a construcţiei.

5

b) Problema capacităţii portante

Atunci când presiunea pe talpa fundaţiei atinge o valoare critică, pcr, se produce pierderea capacităţii portante în urma formării în teren a unei suprafeţe de cedare, însoţită de răsturnarea structurii. Suprafaţa de fundare trebuie să fie astfel dimensionată încât să nu existe riscul de a se pierde capacitatea portantă a terenului de fundare.

6

2. Pământul ca acţiune (solicitare) asupra construcţiilor

Sunt construcţii care trebuie dimensionate la acţiunea pământului, ca de exemplu lucrările de susţinere.

Lucrări de susţinere

a) - zid de sprijin; b) – sprijinirea pereţilor unei săpături

7

3. Pământul ca material pentru construcţii de pământ.

a) - rambleu pentru calea ferată (are rolul atât de suport pentru structura căii ferate cât şi de construcţie de pământ);

b) – dig de protectie contra inundatiilor

Principalele probleme la care trebuie să răspundă Geotehnica:

− tasarea construcţiilor; − capacitatea portantă a terenului de fundare; − împingerea pământului; − asigurarea calităţii şi verificarea lucrărilor de pământ; − stabilitatea taluzurilor şi versanţilor.

8

SCURT ISTORIC Până spre sfârşitul secolului XVIII, problemele pe care le ridica fundarea construcţiilor au fost rezolvate empiric. În anul 1773 savantul francez Coulomb a elaborat o teorie privind împingerea pământurilor asupra zidurilor de sprijin, valabilă şi astăzi. Coulomb a formulat şi o relaţie între rezistenţa la forfecare a pământului (τf) şi efortul normal σ din masivul de pământ:

În 1853, inginerul englez Rankine a studiat starea de echilibru limită în pământurile fără coeziune (medii pulverulente), cu aplicare la calculul stabilităţii fundaţiilor şi al împingerii pământurilor.

Teoriile lui Coulomb şi Rankine constituie mecanica pământurilor clasică.

În 1885 matematicianul francez Boussinesq a formulat soluţiile Teoriei Elasticităţii referitoare la distribuţia eforturilor si deformatiilor într-un mediu elastic semi-infinit acţionat de o forţă concentrată aplicată la suprafaţa mediului. Această soluţie este folosită şi în prezent la studiul stării de tensiuni în terenul de fundare asimilat cu un mediu elastic. Între 1918 şi 1922 suedezul Fellenius a elaborat o metodă pentru verificarea stabilităţii taluzurilor în masivele de pământ omogene şi stratificate. În anul 1925, inginerul austriac Karl Terzaghi a publicat tratatul de Mecanica pământurilor, fiind considerat întemeietorul Mecanicii pământurilor moderne. Terzaghi a elaborat teoria consolidării argilelor, a introdus noţiunile de presiune efectivă şi presiune neutrală şi a enunţat principiul efortului efectiv.

9

NATURA ŞI COMPOZIŢIA PĂMÂNTURILOR

ORIGINEA ŞI TIPURILE DEPOZITELOR DE PĂMÂNT Toate pământurile îşi au originea, direct sau indirect, din rocile prexistente care, potrivit genezei lor, se clasifică după cum urmează:

– roci eruptive (magmatice), formate prin răcirea magmei în interiorul sau la suprafaţa scoarţei terestre;

– roci metamorfice, formate prin alterarea rocilor existente sub efectul temperaturilor sau presiunilor extreme;

– roci sedimentare, formate prin depunerea de sedimente în bazine de apă sau în aer.

Procesele prin care rocile sunt transformate în pământuri au loc la suprafaţa sau în apropiere de suprafaţa scoarţei terestre, sunt complexe şi ciclice prin natura lor şi se caracterizează prin trei faze: eroziune, transportul şi sedimentarea. Eroziunea se datoreaza proceselor de natură fizică sau chimică. Procesele de natură fizică sunt dezintegrarea sau eroziunea care apar sub acţiunea îngheţului - dezgheţului apei din fisurile rocii, acţiunea vântului, furtunilor şi torenţilor, acţiunea mării asupra ţărmurilor sau acţiunea gheţarilor.

10

Particulele de pământ care rezultă au aceeaşi compoziţie ca a rocii-mamă.

Procesele de natură chimică conduc la modificări ale compoziţiei rocii-mamă, ca urmare a acţiunii apei, a oxigenului şi bioxidului de carbon. Alterarea chimică produce grupări de particule de dimensiuni coloidale (< 0,002 mm), denumite minerale argiloase. Transportul şi sedimentarea Depozitele de pământ realizate pe cale naturală se clasifică în pământuri reziduale şi pământuri transportate.

Se numesc pământuri reziduale cele care rămân pe locul de formare (nu sunt transportate). Se întâlnesc acolo unde procesele chimice predomină asupra celor fizice. Cea mai răspândită varietate de pământ rezidual, o constituie solul sau pământul vegetal, aflat la suprafaţa terenului. Este un pământ puternic alterat a cărui trăsătură distinctivă o constituie fertilitatea, capacitatea de a permite creşterea vegetaţiei. Solul este important pentru agricultură (Pedologia sau Ştiinţa solului este o disciplină de bază pentru inginerii agronomi). Solul este îndepărtat de sub fundaţiile construcţiilor, deoarece este total nefavorabil ca teren de fundare. Pământurile transportate sunt cele care au fost deplasate de pe locaţia originară şi depozitate în altă parte. Principalii agenţi de transport sunt apa, gheţarii şi vântul. Dimensiunile şi forma particulelor într-un depozit de pământ transportat sunt puternic influenţate de agentul de transport şi de modul de sedimentare.

11

Principalul efect al transportului îl constituie sortarea (separarea după dimensiunile particulelor). Pământurile transportate de apă formează depozite aluvionare, lacustre, marine etc. Transportul de către apă şi sedimentarea in apă produc particule cu formă rotunjită şi depozite de pământ care pot fi uniforme, adică având toate particulele cu aproximativ aceeaşi dimensiune sau stratificate, cu o sortare pe verticală a particulelor de diferite mărimi, cu cele mai mari la bază. În zonele de climat arid pământurile fine pot fi transportate de vânt la mari distanţe, formând prin depozitare în aer depozite eoliene de pământuri denumite loessuri. Pământurile loessoide se caracterizează prin sensibilitatea la umezire. Pământurile loessoide ocupă 17% din teritoriul României. Gheţarii, care au acoperit până cu circa 10.000 ani în urmă porţiuni mari din Europa şi America de Nord, au fost un agent foarte activ atât de eroziune cât şi de transport. Un gheţar acţionează ca o bandă transportoare în mişcare lentă, cărând uneori blocuri foarte mari la distanţe considerabile. Datorită greutăţii, blocul se scufundă în pătura de gheaţă, iar când atinge talpa gheţarului se freacă de roca de bază putându-se transforma într-o făină de rocă fină. Materialul depus pe măsură ce gheţarul începe să se topească este numit morenă.

12

PARTICULELE CARE FORMEAZ Ă SCHELETUL SOLID AL P ĂMÂNTURILOR Orice masă de pământ constă dintr-un ansamblu de particule solide şi golurile dintre ele care sunt denumite pori. Particulele solide, alcătuite din diferite minerale, formează faza solidă. Apa din pori formează faza lichidă iar aerul din porii neocupaţi de apă sau sub formă de bule în apa din pori – aer oclus - formează faza gazoasă. Pământurile, medii disperse alcătuite din particule cu sau fără legătură între ele, sunt sisteme trifazice alcatuite din:

− faza solidă (particulele care formează scheletul solid al pământurilor); − faza lichidă (în general apă); − faza gazoasă (aer, alte gaze)

Între cele trei faze componente se stabilesc legături care se modifică neîncetat sub acţiunea unor factori externi, între care încărcările transmise de construcţii sau/si factori naturali (temperatură, umiditate).

Într-o secţiune printr-o probă de pământ parţial saturat se disting cele trei faze.

13

1 – particulă solidă; 2 – apă; 3 – aer

COMPOZIŢIA GRANULOMETRICĂ SAU GRANULOZITATEA Compoziţia granulometrică reprezintă conţinutul în fracţiuni granulare exprimat în procente din greutatea totală a materialului uscat.

Fracţiunea granulară este partea unui pământ care poate fi distinsă pe baza dimensiunilor definite ale particulelor.

14

Efectuarea analizei granulometrice Operaţia de laborator prin care se determină granulozitatea unui pământ se numeşte analiza granulometrică. În funcţie de mărimea particulelor, analiza granulometrică se poate efectua:

– prin cernere – prin sedimentare – prin cernere şi sedimentare.

Analiza prin cernere

– cernere cu ciururi pentru granule > 2 mm – cernere cu site pentru granule cuprinse între 2 şi 0,63 mm.

Se foloseşte o baterie de site cu ochiuri din ce în ce mai mici, pornind de sus în jos. Se supune cernerii o cantitate de cca. 200 grame material în stare uscată. Se cântăresc cantităţile rămase pe fiecare sită şi se raportează la cantitatea totală.

15

Analiza prin sedimentare (cu areometrul sau cu pipeta) se utilizează pentru particule mai mici ca 0,063 mm. Se supune analizei o suspensie cu un volum total de 1.000 cm3 formată prin amestecare cu apă a unei cantităţi de 30 - 50 g de pământ în stare uscată. După omogenizare, cilindrul cu suspensia se aşează pe o suprafaţă orizontală. Metoda se bazează pe două fenomene fizice:

– sedimentarea particulelor se face cu viteză variabilă în funcţie de diametru; – în timp, pe măsura sedimentării, densitatea suspensiei se micşorează.

Parametrii de determinat sunt: – diametrele particulelor – procentele din material aflat în suspensie la un moment dat.

Aflarea diametrelor Legea lui Stokes - Ipoteze:

– particulele se presupun a fi sfere; – în momentul iniţial suspensia se consideră uniformă, omogenă.

16

Se demonstreaza ca: v = Ad2 unde: v – viteza de sedimentare A = f (g, γs, γw, η ) unde: η - coeficientul de vâscozitate al suspensiei γs - greutatea specifică a particulelor solide γw - greutatea specifică a apei. d – diametrul (dimensiunea) particulei solide

Se consideră că, în cădere, particulele sunt în mişcare uniformă:

rHv

t=

în care: Hr - distanţa de la suprafaţa suspensiei la planul de referinţă; t - intervalul de timp de la momentul iniţial la momentul măsurătorii.

Rezultă:

rHd

A t=

⋅ Interpretare: la timpul t de la începutul sedimentării, toate particulele cu diametrul mai mare decat d s-au depus în raport cu un plan de referinţă aflat la distanţa Hr de la suprafaţa suspensiei; particulele cu diametrul mai mic decat d sunt în suspensie, adica se află deasupra planului de referinţă.

17

Determinarea cantităţii de material aflat în suspensie

Pot fi utilizate două metode de laborator: − metoda cu areometrul − metoda cu pipeta

Metoda cu areometrul se bazează pe determinarea pe cale indirectă a cantităţii de material solid în suspensie, cunoscându-se densitatea suspensiei stabilită cu areometrul. Pe măsură ce se depun particulele, densitatea suspensiei scade.

Densitatea măsurată cu areometrul se exprimă sub forma: 11.000

Rρ = +

unde: R - citire redusă pe areometru. Trebuie determinată cantitatea x de material din suspensie:

31 1.000 1.000 1 1 1g/cm1.000 w

s

R xx;ρ

ρ + ⋅ = ⋅ − ⋅ + =

11.000 1.000 1

1 1

s

s

s

s

s

R x

Rx R

ρρ

ργ

γ

+ = + −

⋅=

−

= ⋅−

⇒

100% 100

1s

t t s

xd R

G G

γγ

= ⋅ = ⋅ ⋅−

unde Gt este greutatea totală a materialului analizat.

18

Citirile pe areometru sunt afectate de două corecţii:

– corecţia de temperatură – corecţia de menisc.

În cazul metodei cu areometrul, adâncimea planului de referinţă Hr nu este constantă, ci se modifică odată cu scăderea în timp a densităţii suspensiei. Pentru aflarea lui Hr se utilizează diagrame de etalonare pentru fiecare areometru în parte. Reprezentarea grafica a compozitiei granulometrice Curba granulometrică Pe abscisă se reprezintă diametrele particulelor la scară logaritmică iar pe ordonată sunt reprezentate procentele. Curba se construieşte prin puncte, numărul lor fiind egal cu numărul de ciururi sau site în cazul cernerii, şi cu numărul de citiri cu areometrul în cazul analizei prin sedimentare.

19

Un punct M de pe curbă arată că a % din material are diametrul < d . De exemplu, punctul M de pe curba: 60% din material are diametrul mai mic decât 0,3 mm.

20

Coeficientul de uniformitate granulometrica, Cu

Forma curbei granulometrice arată dacă un pământ conţine o gamă largă sau restrânsă de dimensiuni ale particulelor. În figura sunt arătate 3 curbe granulometrice tipice. La pământul neuniform, dimensiunile particulelor se înscriu într-o gamă largă, iar curba de granulometrică este lină şi în general cu concavitatea în jos, ca în cazul pământului A. Atunci când o mare parte din particule se situează într-o gamă îngustă de dimensiuni, pământul este caracterizat drept uniform, iar curba de granulozitate se apropie de verticală, ca în cazul pământului B. Un pământ care conţine atât particule grosiere cât şi fine dar îi lipsesc particule în zona intermediară, (pământul C) are o granulozitate discontinuă.

Curba de granulozitate permite definirea coeficientului de uniformitate granulometrică Cu, definit prin:

Cu

60

10

d

d=

unde d60 şi d10 se numesc diametre procentuale si reprezintă diametrele corespunzătoare procentelor de 10% şi 60% de pe curba de granulozitate.

21

În funcţie de valoarea Cu, pământurile se clasifică astfel:

Cu < 6 � pământ uniform 6 < Cu < 15 � pământuri de uniformitate mijlocie Cu > 15 � pământ neuniform Pământurile cu granulozitate discontinuă au în general Cu ridicat.

Histograma

Fiecare treaptă corespunde procentului de fracţiune granulometrică definită de două diametre consecutive, d şi d', între care este cuprinsă treapta .

22

Curba frecvenţelor

Dacă intervalele dintre diametrele d şi d' tind catre zero, histograma trece in curba frecventelor.

Un punct N de pe curba frecvenţelor arată că procentul a % din material este format din particule avand toate diametrul d.

Diagrama ternară Diagrama ternară se reprezintă sub forma unui triunghi echilateral. Cele trei laturi sunt gradate de la 0 la 100 (procente) şi sunt atribuite fiecare unei anumite fracţiuni granulometrice (de obicei celor trei fracţiuni principale: nisip, praf, argilă).

23

În diagrama ternară compoziţia granulometrică a unui pământ se reprezintă printr-un punct. Fie un pământ cu următoarea compoziţie granulometrică:

50 % N (nisip) 30 % P (praf) 20 % A (argilă)

Se procedează astfel:

În dreptul procentului 50% pe latura (N) se duce o paralelă la latura precedentă (A), iar în dreptul procentului 30% pe latura (P), o paralelă la latura (N). Cele două paralele se intersectează în B, care defineşte compoziţia granulometrică a pământului respectiv.

Diagrama ternară se utilizează, în practică, la realizarea amestecurilor de pământuri, pentru modificarea în sensul dorit a proprietăţilor pământurilor folosite la terasamente, diguri etc.

24

Dându-se două pământuri, cărora le corespund în diagrama ternară două puncte, B şi C, un pământ obţinut prin amestecarea în orice proporţii a pământurilor B şi C este reprezentat printr-un punct D

aflat pe dreapta BC . Se cere aflarea fracţiunilor granulare ale pământului D obţinut din amestecul a 20% pământ B şi 80% pământ C. Se procedează astfel:

– se împarte dreapta BC în 100 de diviziuni, care se marchează începând din C; – in dreptul valorii de 20 % se obţine punctul D; – se duc paralele din D la cele 3 laturi ale triunghiului şi se obţine astfel compoziţia granulometrică a pământului D (în procente din fracţiunile principale N, P, A).

25

Clasificarea pământurilor pe baza granulozităţii În scopul clasificării pământurilor, SR EN ISO 14688-1:2004 defineşte fracţiunile granulare date în tabel.

Fracţiuni ale pământului

Subdiviziuni Mărimea

particulelor, d (mm)

Pământ foarte grosier

Blocuri mari >>>> 630 Blocuri >>>> 200 la 630

Bolovăniş >>>> 63 la 200

Pământ grosier

Pietriş >>>> 2,0 la 63 Pietriş mare > 20 la 63

Pietriş mijlociu > 6,3 la 20 Pietriş mic > 2,0 la 6,3

Nisip >>>> 0,063 la 2,0 Nisip mare > 0,63 la 2,0

Nisip mijlociu > 0,2 la 0,63 Nisip fin > 0,063 la 0,2

Pământ fin

Praf >>>> 0,002 la 0,063 Praf mare > 0,02 la 0,063

Praf mijlociu > 0,0063 la 0,02 Praf fin > 0,002 la 0,0063 Argil ă ≤≤≤≤ 0,002

26

Cele mai multe pământuri sunt compozite, alcătuite dintr-o fracţiune granulară principală şi din fracţiuni granulare secundare. Pământurile compozite sunt denumite cu un termen principal, care corespunde fracţiunii principale, şi cu unul sau mai multe adjective sau termeni de calificare, care descriu fracţiunile secundare. Simbolurile termenilor de calificare ale fracţiunilor granulare secundare se scriu cu litere mici. Fracţiunea granulară masică principală determină proprietăţile geotehnice ale pământului. Simbolul acesteia se scrie cu majuscule. Fracţiunile granulare secundare şi cele următoare nu determină dar influenţează proprietăţile geotehnice ale pământului. Fracţiunile granulare secundare trebuie plasate, în ordinea lor de importanţă, înaintea termenului care descrie fracţiunea principală. Iată câteva exemple: − pietriş nisipos (sa Gr) − argilă nisipoasă (sa Cl) − praf cu nisip mijlociu (m sa Si), − nisip fin prăfos (si F Sa), − argilă cu nisip mijlociu (m sa Cl).

27

COMPOZIŢIA MINERALOGICĂ A PĂMÂNTURILOR Compoziţia mineralogică depinde de modul de formare a pământurilor. a) Pământurile formate prin dezagregare fizică (modificarea dimensiunilor fragmentelor de rocă, cu

menţinerea compoziţiei chimice) sunt compuse din aceleaşi minerale ca şi roca de bază, numite minerale primare.

b) Atunci când dezagregarea fizică este însoţită de alterare chimică, unele minerale primare se transformă

în minerale secundare sau minerale argiloase.

Deşi sunt cunoscute în jur de 2000 minerale, cele mai multe roci / pământuri contin majoritar doar câteva zeci de minerale. Principalele minerale care intră în alcătuirea pământurilor se clasifica in 2 categorii: - Minerale primare

- Minerale argiloase (secundare).

28

Minerale primare Principalele minerale primare sunt: Cuarţul (SiO2 în stare aproape pură) este mineralul cel mai răspândit în natură, formând aproape 60% din scoarţa terestră. Se întâlneşte atât în stare cristalină cât şi amorfă şi reprezintă principalul mineral al pământurilor necoezive (nisipuri, pietrişuri etc.) şi al multor roci (granit, gresie etc.). Are rezistenţe mecanice mari, densitate mare. Cuarţul este aproape inert din punct de vedere chimic. Combinat cu unul sau mai mulţi oxizi formează silicaţi. Feldspaţii sunt silicaţi dubli de Al şi un metal alcalin (sodiu, Na, potasiu, K , litiu, Li etc.). Spre deosebire de cuarţ, feldspaţii sunt instabili chimic şi relativ uşor solubili în apă, îndeosebi când aceasta conţine CO2. În zone de climat moderat, feldspaţii produc, prin alterare chimica, mineralele argiloase. Micele sunt silicaţi hidrataţi complexi de Na, Al, Mg şi Fe. Micele se caracterizează prin clivaj aproape perfect, conducând la plăcuţe cu luciu caracteristic. Carbonaţii sunt componenţi importanţi ai rocilor sedimentare şi a multor pământuri. Reprezentaţi tipici sunt calcitul, dolomitul etc.

29

Minerale argiloase (secundare) Se formează în principal prin alterarea chimică a feldspaţilor şi micelor şi reprezintă constituenţii de bază ai argilelor sau, într-un sens mai general, ai clasei de pământuri coezive. Prezenţa mineralelor argiloase, chiar şi în cantităţi mici, conferă pământurilor coezive proprietăţile specifice şi anume plasticitatea, coeziunea şi contracţia – umflarea. Particulele formate de aceste minerale sunt extrem de mici, cu dimensiuni coloidale (< 0,002 mm) şi având forma de foiţe sau plăcuţe, cu o suprafaţă specifică mare (valori mari ale raportului între suprafaţa laterală şi masă). Din punct de vedere chimic, mineralele argiloase sunt silicaţi complexi hidrataţi de aluminiu, magneziu şi fier. Structura cristalină a mineralelor argiloase a fost recunoscută în anii '20 ai secolului XX prin analiza spectografică folosindu-se razele X. S-a evidenţiat astfel că în reţeaua cristalină a mineralelor argiloase se întâlnesc două unităţi structurale de bază.

30

Unitatea de tip tetraedru cu atomi de siliciu în centru şi atomi de oxigen în colţuri. Asocierea de tetraedri formează un orizont la care atomii de oxigen de la bază aparţin concomitent la doi tetraedri. Orizontul de tip tetraedru se reprezintă simbolic printr-un trapez.

31

Unitatea de tip octaedru cu atomii de aluminiu (Al) în centru şi gruparea (OH) în colţuri. Asocierea de octaedri formează orizontul de tip octaedru care se reprezintă simbolic printr-un dreptunghi.

32

Diferenţa între minerale este dată de:

1). Felul cum se asociază între ele orizonturile tetraedric şi octaedric pentru a forma lamelele structurale

Lamela structurală bistrat rezultă din asocierea unui orizont tetraedric cu unul octaedric. Cele două orizonturi pun faţă în faţă atomi de oxigen (O) şi gruparea hidroxil (OH), ambele încărcate cu sarcină electrică negativă, dar de natură diferită. Între atomii de oxigen şi gruparea hidroxil se realizează o legătură puternică de natură hidrogenică.

(1 amgstrom = 1A °= 10 -10 m)

33

Lamela structurală tristrat rezultă din asocierea a două orizonturi tetraedrice între care se află un orizont octaedric.

34

2). Felul cum se asociază lamelele pentru a forma particulele de minerale argiloase

500

- 10

00 Å

CAOLINITUL este un mineral bistrat provenit din degradarea feldspaţilor într-un mediu predominant acid. Particula de caolinit este formată din cca. 100 lamele bistrat legate intre ele, având forma de foiţă alungită cu o lungime de cca 500 - 1000 Å. Reţeaua cristalină a caolinitului este rigidă (datorită legăturilor hidrogenice dintre lamelele bistrat succesive), toate proprietăţile legate de prezenţa apei în pământ fiind reduse la pământurile caolinitice.

35

MONTMORILLONITUL este un mineral tristrat format într-un mediu alcalin. Şirurile de atomi ale lamelelor tristrat aflate faţă în faţă sunt identice (atomi de O2-), ceea ce face ca legătura dintre lamele să fie foarte slabă şi instabilă iar montmorillonitul să se desfacă în particule foarte mici de forma unor plachete. La montmorillonit, o parte din atomii de Si4+ ai unităţilor tetraedrice sunt înlocuiţi cu ioni de Al 3+, iar ionii de Al 3+ ai unităţilor octoedrice sunt înlocuiţi cu ioni de Mg2+ şi Fe2+. Aceste substituţii au drept rezultat o sarcină electrică negativă, astfel încât moleculele de apă sunt atrase şi pătrund între lamele, tinzând să le îndepărteze. De aceea, reţeaua cristalină a montmorillonitului este extensibilă, iar proprietăţile legate de prezenţa apei sunt foarte pronunţate.

36

ILLITUL este un mineral tristrat, format prin degradarea micelor în condiţii marine. Inlocuirea atomilor de Si4+ cu atomii de Al3+ este mai intensă conducând la o sarcină negativă compensată în cea mai mare parte de ioni de K+ neînlocuibili şi care asigură o legătură mai puternică între lamele. Moleculele de apă pătrund mai greu între lamele decât în cazul montmorillonitului. Din punct de vedere al proprietăţilor în raport cu apa, illitul se află între caolinit şi montmorillonit.

37

Sarcina electrica a mineralelor argiloase Particulele solide alcatuite din minerale argiloase sunt foarte mici şi au formă de foiţe sau plachete. Cu cât o particulă este mai mică şi mai aplatisată, cu atât suprafaţa este mai mare. Raportul dintre suprafaţă şi masă se defineşte drept suprafaţa specifică (Ss) a pământului. Suprafaţa specifică este invers proporţională cu mărimea particulelor pământului. O masă de pământ formată din multe particule mici va avea o suprafaţă specifică mai mare decât aceeaşi masă formată din particule mai mari. De exemplu:

• Montmorillonit Ss = 800 m2/g • Illit Ss = 80 m3/g • Caolinit Ss = 20 m3/g

38

Particulele solide alcatuite din minerale argiloase se caracterizeaza printr- o sarcină electrică negativă, care poate fi atribuită următorilor factori principali:

- Substituţia izomorfă : siliciul (Si4+) din orizontul tetraedric este înlocuit cu aluminiu (Al3+) sau alţi ioni de valenţă inferioară;

- Discontinuitatea structurala: deşi sarcinile pozitive şi negative pot sa se compenseze global, la muchiile particulelor continuitatea structurala a mineralelor este ruptă, conducând la sarcini electrice neechilibrate; aceste legături rupte produc o sarcină netă negativă pe suprafata laterala a particulei de argilă, iar în lungul muchiilor rupte apar concentraţii locale de sarcini pozitive.

Particulele solide alcatuite din minerale argiloase încărcate electric negativ creează în jurul lor un câmp electric. Sarcinile negative sunt echilibrate prin cationi, cum sunt Na+ şi Ca2+, care sunt adsorbiţi prin atracţie electrostatică.

39

Dispunerea ionilor (cationi si anioni) in jurul particulei solide, datorita câmpului electric. Norul de cationi formeaza stratul difuz.

Concentraţia de cationi descreşte cu distanţa faţă de particule, în timp ce concentraţia de anioni creşte.

La o anumită distanţă, potenţialul electric ψ al particulei este anulat de cationii din stratul difuz.

40

Dispunerea ionilor (cationi si anioni) in jurul particulei solide, datorita câmpului electric. Norul de cationi formeaza stratul difuz.

Concentraţia de cationi descreşte cu distanţa faţă de particule, în timp ce concentraţia de anioni creşte.

La o anumită distanţă, potenţialul electric ψ al particulei este anulat de cationii din stratul difuz.

41

Pentru o particulă cu un potenţial electric ψ, grosimea stratului de cationi depinde în principal de valenţa şi concentraţia cationilor, constanta dielectrica (capacitatea de stocare a energiei electrice) şi temperatura.

Creşterea valenţei conduce la reducerea grosimii stratului difuz

Creşterea concentraţiei conduce la reducerea grosimii stratului difuz

Creşterea constantei dielectrice a soluţiei conduce la creşterea grosimii stratului difuz

Creşterea temperaturii conduce la o diminuare a grosimii stratului difuz.

42

INTERACŢIUNEA DINTRE APĂ ŞI PĂMÂNTURILE ARGILOASE Pământurile argiloase sunt puternic influenţate de prezenţa apei. Particulele de argilă sunt aproape întotdeauna hidratate în natură, există strate de apă care înconjoară fiecare particulă. Această apă este denumită apă adsorbită.

Principalii factori care explică modul în care apa este adsorbită de particula de argilă sunt:

Legătura de natură electrostatică

Molecula de apă este neutră din punct de vedere electric, dar centrele celor două sarcini electrice nu coincid. Molecula de apă este un dipol, fiind atrasă electrostatic de suprafaţa particulei de argilă.

43

Legătura de natură hidrogenică Hidrogenul din apă este atras de oxigenul sau de hidroxilii de la suprafaţa particulei de argilă prin legătura hidrogenică. Legătura de natură electrică

Suprafaţa încărcată negativ a particulei de argilă atrage cationii din apă. Întrucât toţi cationii sunt într-o anumită măsură hidrataţi, ei contribuie la atragerea apei către suprafaţa particulei de argilă .

Atracţia apei de către particula de argilă este foarte puternică în apropiere de suprafaţă şi se diminuează cu distanţa de la suprafaţă.

44

Moleculele de apă aflate nemijlocit la suprafaţa particulei de argilă (apa strâns legată) sunt foarte puternic reţinute şi orientate. Proprietăţile şi comportarea apei strâns adsorbite (legate) diferă de cele ale apei obişnuite:

- vâscozitatea creşte cu apropierea de suprafaţa particulei încărcată electric, ajungând să fie de 100 ori mai mari decât a apei obişnuite (libere);

- densitatea creşte până la 1,40 g/cm3; - constanta dielectrică se reduce până la o zecime din cea a apei obişnuite; - temperatura de îngheţ coboară la – 40° ... – 50° C. - nu fierbe la 100o C dar poate, în cazuri extreme, să se transforme în vapori ai apei normale la

temperaturi de 650° ... 700° C.

Apa strâns adsorbită (apă polimerizată) are consistenţa unei vaseline care înconjoară permanent particulele de argilă particulele. Ca urmare, acestea nu ajung niciodată în contact direct una cu cealaltă, ci interacţionează doar prin intermediul forţelor de atracţie şi de respingere de natură fizică-chimică. Grosimea stratului de apă adsorbită depinde de aceiaşi factori ca şi grosimea stratului de cationi.

45

PLASTICITATEA, COEZIUNEA ŞI CONSISTENŢA PĂMÂNTURILOR ARGILOASE

Plasticitatea se defineşte drept capacitatea unui material de a suferi modificări de formă sub acţiunea forţelor exterioare fără modificarea volumului şi fără a se rupe.

Coeziunea este acea componentă a rezistenţei unui material care nu se datorează forţelor exterioare aplicate. Două experienţe simple dovedesc că atât plasticitatea cât şi coeziunea pe care le manifestă pământurile argiloase se datorează prezenţei în structura lor a apei adsorbite:

– se usucă o probă de argilă şi se transformă în pudră prin mojarare; prin amestecare cu apă pudra se transformă într-o pastă care manifestă atât plasticitate cât şi coeziune care se datoreaza particulelor de argilă încărcate electric şi dipolilor de apă;

– se aduce o probă de cuarţ la gradul de fineţe al particulelor de argilă; indiferent cât de fine ar fi particulele, prin amestecare cu apă nu se obţine o pastă care să manifeste plasticitate şi coeziune (există dipolii de apă, dar lipsesc particulele încărcate electric).

În concluzie, doar mineralele argiloase active în raport cu apa pot conferi pământurilor plasticitate şi coeziune. În funcţie de prezenţa acestor proprietăţi, pământurile se clasifică în două mari categorii:

46

– pământurile coezive, cu comportare plastică - pământurile fine (prafurile si argilele)

– pământurile necoezive, cu comportare neplastică - pământurile grosiere (pietrisurile si nisipurile) Consistenţa Variaţiile de umiditate ale unui pământ coeziv conduc la modificări importante ale comportării acestuia. Diferitele stări prin care trece pământul se definesc drept stări de consistenţă.

47

La umidităţi mari, pământul devine lichid vâscos (noroi) care curge. Pe masura ce umiditatea se reduce, prin uscare, pământul devine plastic, adică se poate modela în orice formă fără să crape. Când uscarea continuă, la o anumită umiditate, pământul încetează de a mai fi plastic şi devine semi-solid, având rezistenţă la forfecare mare dar continuând să manifeste contracţie prin uscare. În final, procesul de uscare va duce pământul la punctul în care contracţia încetează, iar comportarea este a unui corp solid, cu volum stabil şi o rezistenţă mare.

Diagrama de corelare între umiditatea w şi volumul V, care defineşte diferitele stări ale pământului argilos, de la starea de lichid vâscos la starea de corp solid, pe măsura reducerii umidităţii.

48

Tranziţia de la starea de lichid la starea plastică şi apoi la starea de semi-solid şi solid se produce la anumite umidităţi caracteristice, numite limite de consistenţă sau limitele lui Atterberg.

Limita de lichiditate, wL, care face trecerea de la starea curgătoare la starea plastică, este umiditatea minimă de la care pământul curge sub propria-i greutate. O pastă de pământ având w ≥ wL ia forma vasului în care este aşezată. Limita de plasticitate, wP, care face trecerea de la starea plastică la starea de corp semi-solid, este umiditatea minimă la care pământul se mai comportă ca un material plastic. Sub limita de plasticitate se situează limita de contracţie, wS, care face trecerea de la starea de corp semi-solid la cea de corp solid şi este umiditatea sub care nu se mai produce micşorarea volumului odată cu reducerea umidităţii.

49

Limitele de consistenţă se determină în laborator pe paste confecţionate din pământul de analizat. De aceea, determinarea lor nu comportă folosirea de probe netulburate de pământ, fiind suficiente probe tulburate sau remaniate. Determinarea limitei de plasticitate, wP, se face prin două metode:

− metoda cilindrilor de pământ; − metoda mediilor absorbante.

Metoda cilindrilor de pământ Se determină umiditatea minimă la care un pământ poate fi

modelat sub formă de cilindri de 3 ... 4 mm diametru şi 40 ... 50 mm lungime prin rulare cu palma pe suprafaţa plană a unor plăci de sticlă mată (poroasă). Se pregăteşte o pastă bine omogenizată, consistentă, din care, prin rulare se formează cilindri de pământ. Dacă la grosimea de 3 ... 4 mm cilindrii nu crapă, operaţia se repetă până când, prin pierderea apei, cilindrii se fisurează şi se separă în bucăţi. În acest moment se determină umiditatea, rezultatul obţinut reprezentând limita inferioară de plasticitate.

50

Metoda mediilor absorbante. Se confecţionează trei discuri de pastă cu diametrul de cca 50 mm şi grosimea de cca 2 mm. Fiecare disc este pus între hârtii de filtru. Pachetul format din cele trei discuri cu hârtiile de filtru (mediile absorbante) se aşează într-o presă sub o presiune de cca 65 daN/cm2, timp de 30 minute. Se consideră că timpul de eliminare a apei a fost suficient dacă, punând discul de pământ pe o sticlă de ceas (concava) şi apăsând cu mâna, discul crapă. În acest caz, se determină umiditatea discului care se ia drept limită de plasticitate. În caz contrar, operaţia de presare continuă până când, la apăsare, se produce crăparea discurilor. Limita de plasticitate, wP, se situează într-un interval relativ restrâns de umidit ăţi (20% - 40%). Determinarea limitei de lichiditate, wL, se face prin două metode:

− metoda cu cupa; − metoda cu conul.

51

Metoda cu cupa Casagrande Cupa poate fi ridicată şi lăsată să cadă de la o înălţime de 10 mm pe un postament de ebonită, cu o frecvenţă de 120 căderi pe minut. Din proba de pământ sub formă de pastă plastic moale se umple cca. 2/3 din cupă iar cu o spatulă standardizată se face o tăietură până la fundul cupei. Metoda constă în determinarea umidităţii la care tăietura făcută se închide pe 12 mm lungime după 25 de căderi ale cupei pe postament .

.

52

Pentru a evita un număr mare de încercări, se are în vedere faptul că, într-o reprezentare semilogaritmică, relaţia dintre umiditatea pastei şi numărul de căderi N ale cupei necesare pentru închiderea tăieturii pe 12 mm, este liniară În consecinţă, sunt suficiente două încercări asupra a două probe de consistenţe diferite, determinându-se la fiecare încercare umiditatea probei şi numărul de căderi. Umiditatea corespunzătoare la 25 de căderi, care corespunde limitei superioară de plasticitate, wL, se determină prin interpolare grafică.

53

Metoda cu conul Vasiliev Se foloseşte un con din oţel inoxidabil, cu unghiul la vârf de 30o şi înălţimea de 25 mm având, împreună cu contragreutăţile care-i asigură stabilitatea, o masă de 76 grame. Proba de pământ, adusă sub formă de pastă plastic moale, se introduce într-un pahar care se umple fără a se lăsa goluri, nivelându-se cu un cuţit. Se aşează conul la suprafaţa probei şi se lasă să pătrundă prin greutate proprie. Se consideră că pasta are o umiditate egală cu limita de lichiditate, wL, atunci când conul pătrunde pe 10 mm.

Limita de lichiditate, w L, variază mult în funcţie de tipul de pământ, domeniul uzual fiind între 30% şi 60% dar uneori poate atinge chiar 900 %. Valori mari ale limitei de lichiditate pot fi de regulă atribuite prezenţei unor minerale foarte active, de felul montmorillonitului.

54

Indicele de plasticitate, IP

Indicele de plasticitate, IP, exprimă cantitativ plasticitatea pământului.

P L PI w w= −

Mărimea lui IP este o caracteristică importantă pentru recunoaşterea şi clasificarea pământurilor argiloase.

Factorii de care depinde mărimea lui IP sunt:

Compoziţia mineralogică (pământurile bogate în montmorillonit au IP mai mare decât cele bogate în caolinit). Compoziţia granulometrică Cu cât un pământ este mai bogat în părţi fine (sub 0,002 mm), cu atât IP este mai mare.

Pământurile cu IP ≤ 10% au o plasticitate foarte redusă. IP > 50 indică o plasticitate mare.

55

Activitatea argilelor

Activitatea argilelor a fost definită de Skempton prin indicele de activitate A:

PIA

a=

unde: IP este indicele de plasticitate; a este procentul de particule cu d < 2 µ. În funcţie de A, argilele se clasifică în:

Argile inactive : A ≤ 0,75 Argile normale (cu activitate medie)

: 0,75 < A < 1,25

Argile active : A ≥ 1,25

56

Indicele de consistenţă, IC

Indicele de consistenţă, IC, exprimă cantitativ starea fizică a pământurilor coezive şi depinde de conţinutul de apă.

L LC

L P P

w w w wI

w w I

− −= =−

Mărimea lui IC este funcţie de valoarea umidităţii pământului, w. Pentru un pământ dat,valorile wP şi wL sunt constante. În schimb, w şi deci consistenţa pot varia în limite largi. Se definesc următoarele stări de consistenţă în funcţie de poziţia relativă a lui w faţă de wL şi wP.

57

La determinarea lui IC pe baza limitelor de plasticitate (wL şi wP care se determină pe probe remaniate) nu se ţine seama de influenţa legăturilor structurale, de felul legăturilor de cimentare, care sunt distruse prin remanierea probei.

La pământurile la care legăturile structurale sunt importante, valorile IC calculate in functie de wL şi wP nu caracterizeaza corect starea de consistenţă reală a pământului.

De aceea, este necesar ca starea de consistenţă să se aprecieze şi prin încercarea de penetrare statică care se efectueaza in situ” (pe teren).

Penetrometrul static Penetrometrlu static constă dintr-o tijă centrală terminată cu un vârf conic şi dintr-o ţeavă exterioară. Acestea se înfig în pământ succesiv printr-o apăsare continuă exercitată prin intermediul unor prese hidraulice. Se înfige la început tija centrală, înregistrându-se rezistenţa opusă de pământ la înaintarea conului, notată Rpc. Se înfige apoi ţeava exterioară, înregistrându-se mărimea totală a forţei de frecare pe manta (suprafaţa laterală), notată FM.

58

Se obţine o diagramă de penetrare statică, care exprimă variaţia cu adâncimea a celor două mărimi, Rpc şi FM. Pusă în corelare cu coloana stratigrafică recunoscută printr-un foraj apropiat, diagrama de penetrare statică permite detectarea imediată a zonelor mai slabe sau, dimpotrivă, a stratelor tari, compacte. În vederea aprecierii stării de consistenţă, se utilizează valorile rezistenţei pe con, Rpc.

59

STRUCTURA PĂMÂNTURILOR Prin structura unui pământ se înţelege felul în care sunt distribuite şi orientate, în cuprinsul masei pământului, cele trei faze-solidă, lichidă şi gazoasă. Structura pământurilor este rezultatul modului de formare şi al sistemului de forţe de interacţiune dintre particule care se manifestă în cursul formării. Aceste forţe includ forţele gravitaţionale, cele exercitate de acţiunea apei şi aerului, tensiunea superficială, precum şi forţele electromagnetice de atracţie şi respingere dintre particule. Structura pământurilor necoezive În pământurile necoezive forţele predominante care acţionează asupra unei particule sunt propria greutate şi forţele transmise direct de particulele vecine. În cursul procesului de sedimentare particulele se depun individual şi intră în contact cu cele anterior depuse. Structura rezultată se numeşte structură granulară. În funcţie de condiţiile în care s-a format depozitul, granulele acestor pământuri se pot dispune în moduri foarte diferite, conducând la densităţi diferite ale masei pământului.

60

Lichefierea nisipurilor fine afânate Fenomenul de lichefiere reprezinta proprietatea nisipurilor fine afânate de a trece, în anumite condiţii, în stare de plutire. Lichefierea poate fi evidenţiată prin următoarea încercare: - se ia un vas cu nisip saturat (acoperit cu apă) ; - se aşează o bilă pe suprafaţa nisipului; - se produce un şoc introducând brusc o vergea în nisip în apropierea bilei. Se constată că bila se scufundă în masa de nisip.

Dacă, înainte de a se face încercarea, se introduce în vas un tub piezometric, se constată că în momentul în care s-a produs şocul, nivelul apei în tub creşte.

Înseamnă că în masa de nisip s-a dezvoltat o presiune hidrodinamică, wp hγ= ⋅ , de jos în sus (în direcţia de minimă rezistenţă spre suprafaţă) care anulează temporar contactele între particule (p > presiunea dată de greutatea proprie) şi pământul trece în starea de plutire. Lichefierea nisipurilor produsă în timpul unor cutremure produce prăbuşirea construcţiilor.

61

Structura pământurilor coezive

Asocierea particulelor de argilă şi a straturilor lor de apă adsorbită reprezintă baza fizică de formare a structurii pământurilor coezive.

Fie două particule de argilă aflate în suspensie. Forţele care le acţionează sunt: - forţa gravitaţională G - neglijabilă - forţele de respingere R - forţele de atracţie A şi - forţele de tensiune superficială T.

În funcţie de semnul forţei rezultante dintre R şi A, rezultă o varietate de structuri specifice. Forţa de respingere, R, este o forţă de natură electrostatică (Coulomb), datorată faptului că ambele particule au sarcini electrice negative: - descreşte exponenţial cu distanţa d de la particulă; - este variabilă, fiind influenţată de toţi factorii care determină variaţia cu distanţa faţă de particulă a potenţialului electric (temperatură, valenţă, concentraţie, constantă dielectrică); - depinde de natura mediului în care are loc sedimentarea, deci de natura stratului difuz de cationi.

Forţa de atracţie , A, este o forţă de natură electromoleculară (Van der Waals): - se anulează mai repede cu distanţa; - este independentă de natura mediului; depinde de structura cristalină a particulelor.

62

Pentru un pământ există o singură curbă de variaţie a forţei de atracţie, A: A = K / d3 K – constanta de natură electromoleculară d – distanţa dintre două particule de argilă Pentru acelaşi pământ, există diferite curbe de variatie ale forţelor de respingere, R: � corespunde unei concentraţii minime de ioni în soluţie (forţă de respingere mare) � corespunde unei concentraţii maxime de ioni în soluţie (forţă de respingere mică)

Forţa rezultantă netă Pentru o anumită distanţă, d, forţa rezultantă netă, care rezultă ca suma celor două forţe, A si R, determină modul cum se produce sedimentarea si, implicit, tipul de structură a pământului coeziv.

63

Forţa rezultantă netă este o forţă de respingere Curbelor � şi Α le corespunde curba rezultantă

. Particulele sunt distanţate între ele, deoarece învelişul de apă adsorbită este mare (concentraţie scăzută de săruri). Particulele se depun în mod individual în straturi succesive paralele. Predomină aşezarea faţă în faţă a particulelor. Se formează o structură de tip dispers, caracteristică apelor dulci. În momentul iniţial, stratul de pământ este foarte poros şi compresibil. Cu timpul, datorită greutatii straturilor depuse deasupra, învelişul de apă adsorbită se subţiază şi se produce o compactare a pământului.

64

Forţa rezultantă netă este o forţă de atracţie

Curbelor � şi Α le corespunde curba rezultantă Structura formată se numeşte structura de tip flocular. Se deosebesc două tipuri de asemenea structură. Structura de tip flocular faţă-pe-faţă se formează prin depunere în ape sărate şi se caracterizează prin agregate de particule.

Structura de tip flocular muchie-pe-faţă se formează prin depunere într-un mediu cu o concentraţie mare de ioni de hidrogen şi o valoare scăzută pH.

65

Structura pământurilor influenţează comportarea pământurilor sub solicitări. Astfel, la un volum egal de goluri, pământul cu structură de tip flocular cu dispunere muchie-pe-faţă (a) are rezistenţă la forfecare mai mare decât pământul cu structură de tip dispers (b) solicitat la forfecare pe direcţie paralelă cu particulele.

66

Structuri compozite Majoritatea pământurilor sunt amestecuri de particule grosiere inactive şi fracţiuni active constând din particule de dimensiuni coloidale. De aceea, majoritatea pământurilor au structuri compozite. Dacă procentajul de particule grosiere este redus (a), pământul păstrează cele mai multe din proprietăţile argilelor (plasticitate, coeziune etc.) deşi la un grad mai redus. Dacă procentajul de particule grosiere este mare (peste cca 70%), ele ajung în contact una cu cealaltă, şi comportarea devine, în esenţă, cea a unui pământ necoeziv.

a) b)

67

Coeziunea structurală a argilelor Coeziunea reprezintă principală caracteristică a argilelor. Coeziunea primară este generată de atracţia simultană a moleculelor de apă din învelişul de apă adsorbită de către particulele de argilă şi este specifică tuturor pământurilor coezive. Coeziunea structurală este datorată legăturilor de cimentare sau cristalizare care se formează prin depunerea treptată a unor săruri. Coeziunea structurală este reprezentată prin legături rigide care nu se mai refac dacă sunt distruse.

68

Modific ări structurale la pământurile coezive Modificările structurale la pământurile coezive pot apare ca urmare a unor efecte mecanice (presiunea sau forfecarea) sau a unor efecte fizico-chimice (cimentarea particulelor). Presiunea produce reaşezarea particulelor, care tind să se orienteze normal pe direcţia presiunii, micşorarea porozităţii şi creşterea densităţii. Presiunea favorizează şi formarea legăturilor chimice între particule în prezenţa agenţilor de cimentare. Forfecarea pământurilor coezive produce o reorientare a particulelor paralele cu direcţia de forfecare. O argilă la care tulburarea s-a produs astfel încât structura originară e distrusă se numeşte argilă remaniată.

69

Sensitivitatea argilelor

Sensitivitatea argilelor, exprimată prin indicele de sensitivitate, St, reprezintă micşorarea rezistenţei la forfecare prin remaniere:

St = Rezistenţa în stare netulburată Rezistenţa remaniată

Indicele de sensitivitate Sensitivitatea

< 8 mică 8 – 30 medie 30 – 50 ridicată > 50 foarte ridicată

Tixotropia argilelor

Tixotropia se defineşte drept proprietatea unui sistem coloidal de a trece din starea de gel în stare curgătoare sub efectul unei acţiuni mecanice şi de a reveni la starea de gel când acţiunea încetează. Argilele având o structură foarte afânată manifestă proprietatea de tixotropie. Printr-o acţiune mecanică, legăturile slabe dintre particule se distrug şi pământul se comportă ca un lichid vâscos. Fenomenul este reversibil.

Tixotropia se manifestă la baterea piloţilor prefabricati în pământurile argiloase. La suprafaţa de contact dintre pământ şi pilot are loc o remaniere a structurii pământului, rezistenţa pământului fiind astfel micşorată, ceea ce favorizează pătrunderea mai uşoară a pilotului. După baterea pilotului trebuie să treacă un „timp de odihnă” pentru refacerea legăturilor, înainte de a se trece la încărcarea acestuia.

70

PROPRIETĂŢI FIZICE DE BAZĂ ALE PĂMÂNTURILOR Proprietăţile fizice ale pământurilor sunt proprietăţile care caracterizează relaţiile dintre fazele constituente ale pământurilor. Porozitatea (n %)

Fie un volum V compus din:

Vs volumul părţii solide Vw volumul ocupat de apa din pori Vg volumul ocupat de aerul şi gazele din pori Vw + Vg = Vp volumul porilor Gs, Gw, Gg greutăţile corespunzatoare celor trei volume Gs+Gw+Gg = G greutatea totală

Se consideră că volumele aferente celor trei faze s-ar fi separat pe înălţimea unei probe având secţiunea unitară şi volumul V.

Prin definiţie: % 100pVn

V= ⋅

71

Indicele porilor (e)

Prin definiţie: p

s

Ve

V=

n(%) şi e nu se determină în laborator; se calculează în funcţie de γγγγ, γγγγs şi w. Relaţiile de legătură între n % şi e

%

100 1

p

p p s

p sp s

s s

V

V V Vn eV VV V V eV V

= = = =+ ++

⇒ %

100 1

n e

e=

+

%100

%1

100

p

p p

ps p

V nV V Ve

V nVV V VV V

= = = =− −−

⇒

%100

%1

100

n

en

=−

72

Valorile uzuale ale lui n % pentru diferite categorii de pământuri Model la care particulele de pământ ar avea forma unor bile.

Se demonstrează că volumul maxim de goluri se obţine atunci când centrele sferelor sunt în colţurile unor cuburi: nmax = 48%

Volumul minim de goluri rezultă atunci când centrele sferelor se găsesc în colţurile unor tetraedri: nmin = 26%

73

La nisipuri , granulele nu sunt egale şi nu au formă sferică. Totuşi analogia cu sferele este utilă, deoarece limitele de variaţie ale porozităţii sunt, în mod obişnuit, între 23 ÷ 50%.

Nisipurile care conţin mineralul mică peste 40% pot avea porozităţi de 90%.

La pământurile argiloase, gama de variaţie a porozităţilor este mare, depinzând de starea de consistenţă a pământului: Starea de consistenţă n(%) Argile recent depuse (mâlurile) 70 ÷ 90 Argile moi 50 ÷ 70 Argile consistente şi vârtoase 30 ÷ 50 Argile tari 15 ÷ 30 Pământurile loessoide se caracterizează prin porozităţi mari, între 40 ÷ 60 %.

74

Umiditatea (w) Umiditatea pământurilor este raportul dintre masa apei Mw conţinută în porii unui volum dat de pământ şi masa particulelor solide Ms:

% w

s

Mw

M=

Umiditatea se determină în laborator prin uscarea probei de pământ în etuvă timp de 4-6 ore la o temperatură de 105oC. Diferenţa între masa probei înainte şi după uscare reprezintă masa apei, Mw, iar masa particulelor solide Ms se obţine prin cântărirea probei uscate.

75

Greutăţi unitare Greutatea specifică, γs

Greutatea specifică este greutatea unităţii de volum a scheletului. Determinarea greutăţii specifice se face cu ajutorul picnometrului. Metoda se bazează pe măsurarea indirectă a volumului scheletului prin cântăriri succesive ale probei de pământ, la început în stare uscată şi apoi imersată în apa din picnometru.

1 2

s ss

ss

w

G GG G GV

γ

γ

= = + −

Gs - greutatea pământului uscat în etuvă la 105oC G1 - greutatea picnometrului umplut cu lichid până la reper G2 - greutatea picnometrului + apă + probă.

Se cântăreşte picnometrul cu apă, apoi picnometrul cu apă şi pământ (a cărui greutate în stare uscată Gs a fost măsurată). Volumul particulelor este volumul de apă pe care acestea îl dislocuiesc. Greutatea specifică a pământului depinde de greutatea specifică (densitatea) mineralelor componente.

2,6 < ρs < 2,8 g/cm3 ; 26 < γs < 28 kN/m3

76

Greutatea volumică, γ

Greutatea volumică este greutatea unităţii de volum a pământului în stare naturală (inclusiv golurile). G

Vγ =

În funcţie de starea de umiditate a pământului, se deosebesc patru situaţii cărora le corespund relaţii diferite între γ şi alţi indici geotehnici (γs, n %, w %). Se consideră un cub de latură egala cu 1. Porii se concentrează pe o înălţime egală cu n%/100, iar partea solidă pe o înălţime egală cu 1-n%/100, (n%/100 = Vp/V = Vp/1). a) Greutatea volumică a pământului uscat, γd

0;

%% 100; 1 :1

1 100

p s

p sd s

G G G

V G nn

Vγ γ

= =

= ⋅ = = −

γs - greutatea specifică a pământului %

1100d s

nγ γ = − ⋅

77

b) Greutatea volumică a pământului saturat (porii plini cu apă), γsat

sat

sat

;

% %1 :1

100 100

% %1 (1.22)

100 100

p w s w

s ws w

s w

G G G G G

G G n n

V

n n

γ γ γ

γ γ γ

= = +

+ = = − ⋅ + ⋅

= − ⋅ + ⋅

c) Greutatea volumică a pământului umed (parţial saturat), γ

%% 100;

100

%1

100

%1

% %1001 1 (1.23)

1 100 100

ws w s s

s

s

ss w

s

G ww G G G G G

G

wG G

wG

G G n w

Vγ γ

= ⋅ = + = + ⋅

= +

+ + = = = + +

78

d) Greutatea volumică a pământului în stare submersată, γ '

Cubul unitar înconjurat de apă este supus forţei de subpresiune egală cu greutatea G' a volumului de apă dislocuit.

( )

( )

w

%'; ' 1

100

' ' %' 1

1 100

% %1 1

100 100

%' 1 (1.24)

100

s

s ss

w s w

s w

nG G G G

G G G G n

V

n n

n

γ

γ γ

γ γ γ

γ γ γ

= − = −

− − = = = − ⋅ −

− − ⋅ = − ⋅ −

= − ⋅ −

γ ' = γsat - γw

γ, γs, w se determină în laborator, iar n se calculează în funcţie de aceştia, pornind de obicei de la greutatea volumică în stare uscată, γd. Pentru un pământ dat, greutăţile volumice se situează în următoarea ordine după mărime:

sat' dγ γ γ γ< < <

79

Determinarea greutăţii volumice a pământurilor Metoda de laborator Metoda uzuală de laborator pentru determinarea greutăţii volumice este metoda cu ştanţa. Se utilizează o ştanţă cilindrică de metal prevăzută cu un guler prelungitor şi ascuţită la vârf care se înfige în pământ astfel încât pământul să depăşească nivelul gulerului. După scoaterea ştanţei de îndepărtează gulerul, pământul în exces este eliminat, nivelându-se cele două feţe ale ştanţei, astfel încât volumul probei de pământ să fie egal cu cel al ştanţei. Se cântăreşte ştanţa cu proba de pământ, din care, scăzându-se greutatea cunoscută a ştanţei goale, se află greutatea G a probei. Greutatea volumică se află cu relaţia:

1 2G GG

V Vγ −= =

G1 - greutatea ştanţei cu pământ, în grame forţă; G2 - greutatea ştanţei goale, în grame forţă; V - volumul ştanţei, în centimetri cubi

80

Metode de teren Determinarea volumului cu nisip afânat uscat - indicată în cazul pământurilor coezive.

Determinarea volumului cu apă şi folie de material plastic - indicată în cazul pământurilor necoezive Se nivelează prin săpare o suprafaţă circulară orizontală. Pe suprafaţa se aşează un inel sau o ramă pătrată din lemn fasonat. În interiorul inelului (ramei) se sapă o groapă (40-60 cm). Materialul rezultat din săpătură se cântăreşte imediat, determinându-se greutatea G. Pentru aflarea volumului gropii, pe suprafaţa interioară a acesteia se aşează o folie de material plastic ale cărei margini se petrec peste faţa superioară a inelului (ramei). Se toarnă în groapă apă până la nivelul feţei superioare a inelului. Volumul gropii se determină cu relaţia:

1 2V V V= − V1 - volumul apei V2 - volumul interior al inelului

Pentru fiecare încercare se determină γ cu relaţia: G

Vγ =

81

Gradul de satura ţie, Sr Gradul de saturaţie se defineşte ca raport între volumul apei conţinute în porii pământului şi volumul total al porilor din acel pământ.

wr

p

VS

V=

⇒

%

100

w

w w s sr

s s w w

G

G wS

e V G e e

γ γ γγ γ

= = ⋅ = ⋅⋅ ⋅ ⋅

sat100%

1100

w

s

ww

ss

Gw

G

ne

wn

γ γγγ

=

⋅ ⋅= = − ⋅

⇒

sat

%

%r

wS

w=

În cazul pământului saturat (Sr = 1): %

100s

w

we

γγ

= ⋅

82

Clasificarea pământurilor în funcţie de gradul de saturaţie: Sr < 0,4 pământ uscat 0,4 < Sr < 0,8 pământ umed 0,8 < Sr < 1 pământ foarte umed Sr = 1 pământ saturat

83

Gradul de îndesare, I D

Gradul de îndesare este caracteristica de bază care defineşte starea pământurilor necoezive.

max

D

max min

e - eI =

e - e

emax - indicele porilor pentru starea cea mai afânată, emin - indicele porilor pentru starea cea mai îndesată şi e - indicele porilor pentru starea naturală.

Starea pământurilor necoezive se defineste in funcţie de gradul de îndesare, ID, exprimat în procente.

Grad de îndesare, ID [%] Termen calificativ

0 ÷ 15 Foarte afânat 16 ÷ 35 Afânat 36 ÷ 65 Îndesare medie 66 ÷ 85 Îndesat 86 ÷ 100 Foarte îndesat

84

Valoarea indicelui porilor în stare naturală, e, trebuie obţinută pe baza probelor netulburate de pământ. În cazul pământurilor necoezive este practic imposibil de obţinut din foraje probe netulburate. De aceea, aprecierea stării de îndesare a straturilor de pământ necoezive se face pe baza rezultatelor încercărilor pe teren. Încercarea de penetrare standard (Standard Penetration Test – SPT) este o încercare de teren curent utilizată pentru aprecierea stării de îndesare a pământurilor necoezive. Încercarea constă din înfigerea în pământ în interiorul găurii de foraj a unei ţevi φ 51 mm, L = 76 cm, cu loviturile date de un berbec care are greutatea G = 63,5 daN şi cade de la h = 75 cm. Se lasă să pătrundă ţeava pe 15 cm (pentru a se depăşi zona în care pământul ar putea fi deranjat) apoi se numără loviturile (N) care se aplică pentru pătrunderea ţevii pe 30 cm. În funcţie de N, se apreciază starea de îndesare:

N < 5 pământ foarte afânat 5< N < 15 pământ afânat

15< N < 30 pământ de îndesare medie 30< N < 50 pământ de îndesat

N > 50 pământ foarte îndesat