PROBLEME SPECIALE DE GEOTEHNICA SI FUNDATII

1

PĂMÂNTURI CU UMFLĂTURI SI CONTRACŢII MARI (P.U.C.M.)

1)Definirea P.U.C.M :

Pământurile cu umflături si contracţii mari, denumite si pământuri contractile (expansive sau active) sunt pămanturi argiloase care prezintă proprietatea de a-şi modifica sensibil volumul,atunci când umiditatea lor variază.Toate pământurile active sunt potenţial capabile de umflături si contracţii importante la variaţii de umiditate,această capacitate de umflare-contracţie se manifestă însa numai atunci cănd condiţiile locale prilejuiesc manifestarea activă a potenţialului de contracţie-umflare a pământului.

Din punct de vedere geologic P.U.C.M. sunt de două tipuri : - formaţiuni de zonă temperată (de la sfârşitul terţiarului şi

începutul cuaternarului) constituite din depozite glaciare, lacustre sau marine vechi, de natură marnoasă calcaroasă, decalcefiate prin spălare si îmbogaţite în coloizi, reprezentate prin formaţiuni eluviale, coluviale sau aluviale ;

- formaţiuni de climă caldă, bogate în materii organice,provenite din evoluţia biodinamică a solului de origine glaciară sau aluvionară, care a suferit în timp o importantă evoluţie pedologică devenind argile fisurate,cu porozitate si plasticitate foarte mare (prezentând o structura secundară, alcatuită din reţele de fisuri care separă masa lor în bucaţi poliedrice cu feţe lustruite).Din această categorie fac parte depunerile argiloase si organice din Lunca si Delta Dunării, de pe cursurile unor râuri si depunerile argiloase lacustre (argile grase).

La variaţiile de umiditate P.U.C.M. se comportă astfel : - în perioadele secetoase apar în teren crăpături de contracţie, de

obicei sub forma unei retele poligonale, fenomenul este mai pronunţat la temperaturile puternice însorite, mai ales acolo unde apele atmosferice (ochiuri de apă, bălti de mică adâncime) ;

- în perioadele ploioase crăpaturile încep sa se închidă, închiderea lor porneşte atât de jos, datorită umezirii prin apa care s-a infiltrat prin straturile superioare, cât si de sus unde straturile superioare se umflă prin umezire uniformă.

2

Pământurile cu umflături si contracţii mari se întalnesc in toate regiunile geografice ale ţării şi sunt identificate în următoarele zone :

- zonele subcarpatice şi piemontane din Oltenia, Muntenia, Banat şi izolat în Moldova şi Dobrogea ;

- Podişul Transilvaniei şi mai ales în partea sa dinspre Nord şi Vest ;

- zonele colineare dinspre Câmpia de Vest ; - zonele de luncă şi terase ale unor râuri, mai ales in Podişul

Moldovenesc ; - unele zone din Lunca şi Delta Dunării.

2) Factori care influenţeaza variaţiile de volum ale P.U.C.M.

Variaţiile de volum cauzate de variaţiile de umiditate ale P.U.C.M. sunt influienţate de :

- activitatea pământurilor ; - condiţiile hidrogeologice ; - variaţiile de umiditate ; - presiunea transmisă de fundaţie ; - grosimea stratului ; - suprafaţa umeziă ; - proprietaţile fizice si chimice ale lichidului care produce

umezirea pământului.

2.1. Activitatea pământurilorLa baza adsorbţiei sunt fenomene de natură electromoleculară, a

căror explicaţie trebuie căutată în natura mineralogică a particolelor

3

argiloase, forma si fineţea lor, natura polară a apei şi cationii combinaţiilor chimice disociate, care se gasesc în apa din natură.

Mineralele principale din care este alcatuită scoarţa terestră în proporţie de 59,5% sunt reprezentate prin feldspaţi, care sunt alumino-silicaţi a unor metale mono şi bivalente.

Mineralul argilos care prezintă cele mai intense măriri de volum este montmorillonitul, iar variaţia de volum este legată de fenomene moleculare şi electromoleculare, reflectate prin existenţa apei peliculare şi a celei capilare, mărimea lor va depinde de natura mineralogică a particulelor care alcătuiesc fracţiunea argiloasă şi de natura ionilor absorbiţi.

2.2. Conditiile hidrogeologice - cazul 1 : nivelul hidrostatic subteran este la o adâncime mai

mare de 10m. Diagrama de variaţie a umidităţii cu adâncimea de la suprafaţa terenului, determinată prin măsurători periodice de teren, arată că la adancimea de cca 2,00m umiditatea se menţine practic constantă în tot timpul anului ;

- cazul 2 : nivelul hidrostatic subteran este la o adâncime mai mică de 2,00m. Diagrama arată un orizont de iarnă si altul de vară, adâncimea de la care umiditatea rămâne practic constantă fiind de cca 1,40m. De la această adâncime fundaţiile nu mai sunt influenţate de uscăciune ;

4

- cazul 3 : nivelul hidrastatic subteran este la o adâncime intermediară, între 2 şi 10 m în cazul când diagrama rezultă ca o combinaţie a celor două cazuri precedente. Din ea rezultă că zona AB nu este supusă variaţiilor de umiditate. Punctele C şi D corespund adâncimilor maxime de variaţie ce se ating vara (D), respectiv iarna (C). Fundarea în zona AB sau sub punctul D când zona AB lipseşte, se face în condiţii sigure. Punctele A, B, C, D se stabilesc prin observaţii sezoniere in teren.

2.3. Variaţiile de umiditate Variaţiile de umiditate pot apărea din următoarele motive :

- datorită infiltraţiilor de apă atmosferică sau din instalaţii industriale sau prin ridicarea nivelului hidrostatic ; - acumularea umidităţii sub constucţii intr-o zonă limitată ca adâncime prin perturbarea condiţiilor naturale de evapo-transpiraţie ; - umflări şi contacţii în partea superioară a zonei de aeraţie din cauza schimbării regimului hidro-termic provocat de variaţiile climatice ; - prezenţa vegetaţiei perne lângă constucţii.

La evaluarea distribuţiei de echilibru a umiditaţii distingem următoarele două situaţii : - prima în care nivelul apei subterane se găseşte la mică adâncime (sub 6m ) faţă de nivelul terenului şi când starea de echilibru a umidităţii este condiţionată de nivelul apei subterane ; - a doua în care nu există un strat de apă subterană şi când starea de echilibru a umidităţii este condiţionată în principal de condiţiile climatice ale regiunii considerate.

Pentru situaţiile intermediare când există un strat de apă subterană la adâncime mare, se consideră zona de aeraţie subîmpărţită în două zone : - una inferioară în care este predominant efectul stratului de apă subterană ; - una superioară în care starea de echilibru a umidităţii este determinată de condiţiile climatice ale amplasamentului considerat precum şi de condiţiile de dirijare a apelor în vecinătatea imediată a construcţiei.

În terenul de sub îmbrăcămintea impermeabilă se realizează un echilibru al stării de umiditate corespunzător unor sucţiuni determinate de condiţiile şi natura pământului.

Cunoscând distribuţia umididăţii în perioada executării construcţiei şi distribuţia finală de echilibru a umidităţii se pot estima în mod aproximativ modificările de volum aferente schimbărilor de umiditate. Tinând seama de faptul căargilele rămân practic saturate pentru sucţiuni mai mici de 104 cm coloană de apă (pF<4) se va folosi relaţia :

,în care

5

- este densitatea pământului ;- umiditatea iniţială ;

- variaţia volumului relativ de pământ ;

- variaţia de umiditate faţă de umiditatea ini inţială w0.Relaţia menţionată a fost dedusă din relaţia :

în ipoteza că pământul a fost iniţial saturat, în final este saturat şi pe tot timpul în care a avut loc variaţia de volum a rămas de asemenea saturat.

In această situaţie, indicii porilor pot fi exprimaţi funcţie de umiditate :

şi

Dacă umiditatea se exprimă în procente, se obţine relaţia :

unde =1daN/cm3

Factorul climatic şi variaţiile de temperatură în sol influienţează prin regimul lor alternant pe anotimpuri şi chiar zilnic umflarea, respectiv contracţia pământului. Zonele cu P.U.C.M. din ntului. Zonele cu P.U.C.M. din ţară au precipitaţii de 500..700mm/an cu regim torenţial şi ecarturi mari de temperatură între vară şi iarnă şi între zi şi noapte în timpul verii (peste 10 – 20 grade C) care provoacă fenomene repetate de umflare şi contracţie pâna la o adâncime de cca 2,00m.

Variaţii mult mai importante de umiditate au loc în timpul exploatării construcţiei atât prin efectul de acoperire a suprafeţei terenului şi prin efectul ciclic sezonier dat de factorul climatic, cât şi prin procesele tehnologice care pot modifica temperatura şi umiditatea terenului de fundare.

2.4. Presiunea transmisă de fundaţieUmiditatea şi îndesarea influenţează în sensul că cu creşterea

umidităţii iniţiale se reduce umflarea, iar la o umiditate egală cu umiditatea de umflare, deformaţia de umflare nu are loc. Cu mărirea îndesării iniţiale, creşte umflarea.

Presiunea de umflare este independentă de suprasarcină, de umiditatea iniţială, gradul de umuditate şi grosimea stratului şi creşte cu creşterea densităţii iniţiale a pământului în stare uscată.

2.5. Grosimea stratului

6

Cu cât stratul este mai gros, cu atât există posibilitatea ca să aibă loc o umflare mai mare rezultată din însumările umflârilor ce au loc în diferite puncte.

2.6. Suprafaţa umezită Cu cât suprafaţa umezită sub construcţie va avea dimensiuni mai reduse, cu atât creşte neuniformitatea deformaţiilor care vor avea loc sub aceasta, mărind gradul pericolului apariţiei unor degradări în construcţia respectivă.

2.7. Proprietăţile lichidului infiltrat şi procesele tehnologice din constucţiile respective

În cazul construcţiilor industriale, unele reziduri chimice pot provoca umflarea terenului care nu prezintă creşteri importante de volum la sporirea umidităţii. Procesele tehnologice cu surse puternice de căldură sau de frig, pot conduce la variaţii importante de umiditate şi de volum ale terenului de fundare argilos.

3. Limita de contracţieÎn cadrul pământurilor argiloase se definesc trei umudităţi

caracteristice şi anume: - limita de plasticitate – wP

- limita de curgere – wL

- limita de contracţie – wS

Limita de contracţie, când umiditatea scade sub limita de plasticitate, pierderea apei se manifestă prin formare de meniscuri capilare, până când argila trece de la starea unui corp cvasisolid în starea unui corp tare.

Reprezentarea variaţiei de volum în raport cu variaţia umidităţii, este util să fie reprezentată în raport cu volumul unei mase de 100g de pământ uscat.

Volumul unui pământ saturat este alcătuit din volumul ocupat de schelet şi volumul ocupat de apă.

în care,- este volumul total ;- volumul ocupat de schelet ;- volumul ocupat de apă.

Limita de contracţie se obţine pe abscisă la intersecţia celor două ramuri rectilinii a curbei de contracţie-umiditate. La limita de contracţie, pământul respectiv are greutatea volumică maximă.

Limitele de variaţie a umidităţii se iau : - pentru probe netulburate, umiditatea de saturaţie (wsat) şi limita de contracţie (wS) ; - pentru probe tulburate, limita de curgere (wL) şi limita de contracţie (wS) ;

7

Pentru primul caz se poate scrie :

în care,

- este volumul iniţial al probei de pământ ;- volumul final al probei de pământ ;- masa de pământ uscat.

S-a constatat că micşorarea volumului probei nu este egală cu volumul de apă evaporat,deoarece porii rămân plini cu vapori de apă saturaţi şi că umiditatea iniţială influenţează micşorarea de volum a probei.

Indici geotehnici deduşi din curba de contracţie-umiditate : - contracţia volumică care se calculează cu relaţia :

La terenuri argiloase obişnuite Cv=10%. Probabilitatea producerii unor variaţii de volum importante a

pământului poate fi apreciată cu ajutorul inegalităţii:

8

în care,

V şi e – este volumul specific, respective indicele porilor corespunzătorstării naturale;

VL şi eL – volumul specific, respective indicele porilor corespunzător limitei superioare de plasticitate(wL).

3.1. Umflarea liberă se calculează cu relaţia :

3.2. Umiditatea la sucţiunePrin sucţiune se înţelege deficitul de presiune înraport cu presiunea

atmosferică care apare în apa din porii materialelor hidrofile nesaturate. Sucţiunea este condiţionată de factorii care influenţează interacţiunea dintre apă şi faza solidă,natura şi alcătuirea scheletului, conţinutul de săruri din apă, starea termică şi electrică.

Sucţiunea osmotică îşi are originea în fenomenul de osmoză, datorită concentraţiei variate de săruri din apa peliculară. Ea se evidenţiază prin presiunea osmotică care se calculează cu relaţia :

în care,- este presiunea osmotică ;- constanta gazelor ;- temperatura în grade Kelvin ;

- concentraţiile celor două soluţii. Sucţiunea osmotică apare datorită presiunii osmotice a două lichide

ce conţin săruri în concentraţii diferite. Sucţiunea poate să aparq în materiale cu schelet rigid, materiale cu granule relativ mari (prin capilaritate) şi granule mici (prin adsorbţie).

9

La un pământ compresibil unde o parte din presiunea exterioară este preluată de schelet, relaţia este :

în care,- este presiunea apei din pori ;- nsucţiunea ;- presiunea exterioară ;

- factor de compresibilitate. Pentru fiecare pământ se poate stabili corelaţia între mărimea sucţiunii şi umidiatea sa.

Se foloseşte logaritmul zecimal al acestei cifre notat p.F. Sucţiunea de 15 bari este aproximativ egală cu 15000cm coloană de apă.

3.3. Granulozitatea

Se referă la conţinutul procentual de granule, având diametrul egal şi mai mic decât 0,002 mm.

10

3.4. Căldura maximă de umezire Este dezvoltată de unitatea de masă, şi este cantitatea de căldură

degajată la umezirea până la saturaţie a unui gram de pământ uscat în etuvă la 105oC.

3.5. Indicele de plasticitate calculat cu relaţia :

3.6. Criteriul de plasticitate care se calculează cu relaţia :

Când pământul prezintă umflări şi contracţii mari.

3.7. Capacitatea de adsorbţie se calculează cu relaţia :

în care,

- este masa de apă absorbită la sucţiunea  ;- masa de pământ uscat şi mojorat.

3.8. Indicele de activitate calculat cu relaţia :

în care,

- este indicele de plasticitate ;- conţinutul în fracţiuni mai micisau egale cu 0,002 mm.

Indicele de activitate se aclculează şi pentru un diametru de 0,005 mm.

3.9. Indicele de contracţie-umflare se calculează cu relaţia :

Funcţie de valoarea acestui indice există următoarele posibilităţi: sunt posibile numai contracţii

sunt posibile şi fenomene de contracţie şi de umflare sunt posibile numai fenomene de umflare.

Funcţie de indicii arătaţi există posibilitatea de a clasifica pământurile contractile în trei categorii : - pământuri foarte active (de contractilitate foarte mare) ; - pământuri active (de contractilitate mare) ; - pământuri puţin active (de contractilitate mică) ;

11

4. Calculul mărimii deformaţiilor terenului de fundare provocate de fenomene de contracţie-umflare

Se folosesc mărimile umflărilor relative şi a contracţiilor relative, determinate pentru diferite valori ale presiunilor verticale şi a celor de umflare.

Ridicarea terenului de sub fundaţii prin umflare, în urma umezirii se determină cu relaţia :

în care,

- este umflarea relativă a terenului din stratul « i » ;- grosimea stratului considerat ;- coeficient al condiţiilor de lucru.

Umflarea relativă a terenului se determină în mod diferit, funcţie de cauzele care au determinat variaţia de umiditate. - în cazul infiltrării apei se foloseşte relaţia :

în care

- este înălţimea probei de teren de umiditate şi îndesare naturală, comprimată fără posibilitatea deformării laterale, sub sarcina egalăcu presiunea totală ptot;

- înălţimea aceleiaşi probe după umezire, comprimată în aceleaşi condiţii.

12

- în cazul ecranării suprafeţei prin care s-a produs schimbarea regimului hidro-termic se foloseşte relaţia:

în care

pentru

- este coeficientul determinat pe cale experimentală, care în lipsa experimentelor poate fi luat egal cu 2 ;

- umiditatea de echilibru a pământului ;- umiditatea iniţială a pământului ;- indicele iniţial al porilor pentru pământul respectiv.

- în cazul variaţiei regimului hidro-termic valoarea(wk-w0) se determină ca diferenţă dintre umiditatea corespunzătoare perioadei de umiditate maximă şi umiditatea corespunzătoare perioadei de secetă.

Mărimea tasării terenului de fundare ca rezultat al contracţiei pământului contractil S se determină cu relaţia :

în care

- este concentraţia liniară specifică a stratului « i » la o presiune egală cu suma presiunii geologice, presiunii suplimentare din sarcina transmisă de fundaţie lamijlocul stratului considerat la o variaţie a umidităţii pământului de la valoarea ei maximă şi cea minim;

- grosimea stratului considerat;- coeficient al condiţiilor de lucru la contracţie, care se ia egal cu

1,3;- numărul de straturi, în care s-a împărţit zona în care se manifestă

contracţia.

5. Comportarea construcţiilor depinde de amplasarea şi intensitatea fenomenelor de contracţie-umflare care sunt condiţionate de : - structura, forma şi mărimea construcţiei ; - adâncimea de fundare şi modul de realizare a fundaţiilor ; - anotimpul în care s-au realizat fundaţiile; - posibilităţile de infiltrare a apelor atmosferice şi expunerea la soare a terenului de fundare din imediata vecinătate a construcţiei ; - condiţiile de exploatare a construcţiei.

5.1. Apariţia degradărilor la construcţiile la care nu s-au luat măsurile corespunzătoare se produce astfel:

13

- la clădirile de zidărie de cărămidă cu fundaţii directe de beton, fisurile in fundaţii şi ziduri apar de regulă în primul sau al doilea an după execuţie şi evoluează contiuu ; - clădirile cu schelet de lemn fisurează mai puţin, dar se deformează foarte mult ; - la toate felurile de construcţii, colţurile puternic însorite dinspre sud-vest se tasează cel mai mult din cauza contracţiei, provocând apariţia fisurilor şi crăpăturilor în V (deschise mai mult la partea superioară). Dacă execuţia construcţiei s-a efectuat într-o perioadă secetoasă, în perioada umedă care urmează pământul se umflă, provocând apariţia fisurilor şi crăpătirilor în A (deschise mai mult la partea inferioară).

6. Măsuri de proiectare şi execuţie în cazul P.U.C.M. şi corelarea lor cu posibilitatea de manifestare a contracţiei sau umflării terenului de fundare

Adâncimea de fundare minimă se stabileşte în funcţie de nivelul hidrostatic, după cum urmează : - când nivelul hidrostatic este la adâncime mai mare de 10m sau este între 2 şi 10 m, adâncimea de fundare se va lua de 2 m şi nu mai mică de 1,50 m ; - când nivelul hidrostatic este la o adâncime mai mică de 2 m, adâncimea de fundare se va lua de 1,50 m ; - când nivelul hidrostatic se menţine constant la o adâncime mai mică de 2 m, sub 1,40 m umiditatea se menţine constantă şi nu mai pot să apară variaţii de volum ; - dacă sub adâncimea de fundare aleasă se află pământuri contractile de natură organică, se va analiza posibilitatea depaşirii parţiale sau totale a acestor straturi.

6.1. Măsuri care se adoptă în cazul în care nu se poate respecta adâncimea minimă de fundare : - adâncimea de fundare ; - importanţa, mărimea şi structura de rezistenţă a construcţiei ; - nivelul hidrostatic subteran în amplasament ; - grosimea şi potenţialul de contracţie-umflare a pământului care alcătuieşte terenul de fundare ; - variaţia umidităţii pământului de fundare, în perioada execuţiei şi exploatării consrucţiei ; - gradul de asigurare admis al construcţiei.

14

6.2. Măsuri care se adoptă în cazul în care se respectă adâncimea minimă de fundare, măsuri pentru prevenirea degradărilor : - secţionarea clădirii şi fundaţiei în tronsoane de de maximum 30 m,prin rosturi de tasare ; - conductele purtătoare de apă să fie pozate şi realizate în aşa fel încât să se elimine pierderi de apă, chiar la apariţia unor denivelări, fiind accesibile pentru control şi reparaţii ; - In jurul clădirilor se vor executa trotuare etanşe, având lătimea de minimum 1,00 m, aşezate pe un strat de pământ stabilizat în grosime de 20 cm şi cu o pantă spre exterior de 5% ; - evacuarea apelor superficiale căzute direct sau provenite de pe acoperiş şi amenajarea suprafeţei terenului înconjurător cu pante de scurgere care să le conducă la distanţe mai mari de 10 m în afara conturului construcţiei ; - evitarea existenţei de arbori la distanţe mai mici de 3..5 m faţă de construcţie, distanta luându-se funcţie de importanţa construcţiei, natura aborilor şi potentialul de contracţie-umflare a terenului ; - anexele clădirilor(scări, terase) vor fi fundate la aceeaşi adâncime cu construcţiile respective, ele fie legându-se rigid de construcţie, fie separându-se complet ; - se vor urmări deplasările în timp ale construcţiei şi comportarea ei.

6.3. În cazul fundării la o adâncime cuprinsă în zona de variaţie sezonieră a umidităţii mai mică decât cea indicată precedent, în special pe P.U.C.M. cu contractilitate mare sau foarte mare, se vor prevedea următoarele măsuri constructive speciale : - reducerea umflării prin mărirea presiunii efective pe talpa fundaţiei, până la o valoare cel puţin egală cu presiunea de umflare, care însă nu va depăşi capacitatea portantă a terenului ; - prevederea unor structuri sau a unor măsuri constructive care să permită preluarea împingerilor sau deplasărilor neuniforme cauzate de umezirea, respectiv uscarea terenului de fundare; - îmbinările elementelor de rezistenţă la structuri din beton armat prefabricat, trebuie proiectate şi realizate cu luarea în considerare a efectelor deformării neuniforme a terenului; - înlăturarea proprietăţilor de contracţie-umflare în limitele întregului pachet sau a unei părţi din el prin umezire prealabilă, folosirea unor perne compensatoare de nisip, înlocuirea totală sau parţială a terenului contractil cu un teren necontractil, srtăpungerea cu fundaţiile complet sau incomplet terenul alcătuit din P.U.C.M., prin sisteme indirecte de fundare.

15

6.4. Cauzele principale ale degradărilor sunt: - infiltraţiile de apă prin rosturile şi fisurile îmbrăcăminţilor; - ruperea taluzurilor ca urmare a infiltraţiei apei prin fisurile construcţiei ; - deformaţii prin contracţie la uscare atunci când canalul nu are apă.

6.5. Măsurile care se folosesc de obicei sunt : - înlocuirea unui strat de 0,50..0,80m cu material granular inert ; - prevederea de îmbrăcăminţi asfaltice sau folii impermeabile din material sintetic ; - saturarea terenului înainte de executarea lucrării ; - protecţia zonelor marginale.

În pământurile argiloase active, structurile vor trebui armate si separate de terenul înconjurător prin straturi de material granular, prevăzând condiţii de drenare sau de impermeabilizare.

16