PĂMÂNTURILE COLAPSIBILE. PROPRIETĂŢI MECANICE ÎN STARE SATURATĂ

Diana DROSU 1) Mihnea CHEAR1)

Îndrumători, şef lucrări dr. ing. Manole-Stelian ŞERBULEA2)

şef lucrări ing. Andrei-Constantin OLTEANU2)

Rezumat

.Lucrarea prezintă pe scurt geneza, proprietăţile fizico-mecanice ale loessului, răspândirea

acestuia în România şi cauzele sensibilităţii lui la umezire.Lucrarea de faţă prezintă doar rezultatele încercărilor mecanice obţinute pe loessul de

Cernavodă, în condiţii saturate. Aceste încercări fac parte dintr-un program amplu de cercetare care este în prezent în desfăşurare şi care îşi propune o nouă abordare a modelării constitutive a loessului pornind de la principiul schimbării de fază.

.

.

1. Loessul – descriere, geneză şi răspândireDenumirea de loess vine din germană, de la cuvântul “losse” sau “loss” ce

reprezintă „afânat, poros, sfărâmicios”. Acest termen a fost introdus încă din 1834, de

C. Lyell. Prin loess, se înţelege o rocă sedimentară neconsolidată, de origine eoliană,

de culoare galben-cenuşie, cu aspect poros, formată mai ales din praf silicios şi argilos.

Leossurile si pământurile leossoide sunt pământuri sensibile la umezire,

pământuri care, sub o încărcare dată sau sub greutate proprie, manifestă tasări

suplimentare atunci când sunt umezite. În cazul umezirii lor intense tasarea

suplimentară, la unele pământuri sensibile la umezire, creşte relativ brusc, căpătând

caracter de prăbuşire (colaps).

Loessul este o rocă neconsolidată, macroporică, formată în cuaternar, de

culoare galbenă, rareori cenuşie sau brună. Porozitatea ridicată a sedimentelor

loesoide, verticalitatea canaliculelor, precum şi conţinutul mare de particule de praf, duc

la circulaţia relativ uşoară a apei şi a sărurilor solubile şi la aglomerarea celor din urmă

în anumite zone. Loessurile din adâncime faţă de cele din zona de aerare se comportă

diferit la presiuni mici - inferioare sarcinii geologice - în funcţie de clima locală şi de

variaţiile sezoniere de umiditate. Reprezentant tipic al pământurilor sensibile la umezire,

1) Student anul V, Departamentul de Inginerie şi Comunicare în Limbi Străine, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti2) Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti

a fost format prin acţiunea vântului, ce a deplasat microparticulele de praf din zonele

aride in regiunile semiaride învecinate, depunându-le deasupra vegetaţiei existente, dar

el poate fi considerat ca fiind format sub acţiunea a diferiţi factori, într-o varietate de

condiţii, astfel încât fiecare teorie formulată ajunge să fie valabilă pentru anumite cazuri

particulare. Cu timpul, stratul vegetal putrezit, formează în masa depozitului canalicule

verticale, ceea ce determină o permeabilitate mult mai mare pe această direcţie şi o

structură extrem de afânată. Deşi la prima vedere depozitele de loess se prezintă sub

forma unor masive omogene, o cercetare mai detaliată evidenţiază o variaţie pe

verticală a compoziţiei granulometrice şi a conţinutului de carbonaţi. Acest fapt se

datorează intesităţii variate a vântului, devenit agent de transport a microparticulelor de

praf. Leossurile, sub acţiunea apei se înmoaie şi se sfărâmă devenind o pulbere fină,

aspră la pipăit după uscare.

Caracteristica cea mai importantă a loessurilor este sensibilitatea foarte ridicată

la acţiunea apei. Această caracteristică face ca aceste pamânturi să fie considerate

drept foarte dificile ca teren de fundare. Nivelul hidrostatic are un rol important asupra

acestor depozite. La noi in ţară pamânturile macroporice sunt de obicei deasupra

nivelului pânzei freatice. În cazul contrar, apare fenomenul de capilaritate. Apa face ca

loessul să se transforme într-un material foarte usor compresibil. Conţinutul ridicat de

ciment argilos în mediu macroporos caracteristic, conferă în cazul umidităţii scăzute o

bună coeziune internă a scheletului mineral, ce dispare o dată cu creşterea umidităţii.

Când acest ciment se înmoaie, pământul se îndeasă tinzând spre starea de îndesare

corespunzătoare sarcinii geologice. Granulometric pământurile sensibile la umezire sau

pe scurt P.S.U. se împart în: loessuri – fracţiunea 0.01…0.1mm reprezintă peste 60% şi

pământuri loessoide– fracţiunea 0.01…0.1mm reprezintă mai puţin de 60%.

O altă caracteristică importantă a loessului o constituie conţinutul ridicat de

particule din fracţiunea praf, determinând astfel un conţinut relativ ridicat de carbonaţi

(carbonat de calciu sub formă de calcit). În ţara noastră, calcitul variază între 10-25%,

sub formă difuză, răspândiţi uniform în masa rocii (carbonaţii primari), sub formă de

concreţiuni calcaroase rotunjite (păpuşi de calcar) sau ca vinişoare (carbonaţii

secundari). Loessurile şi pământurile loessoide mai pot fi caracterizate prin: porozitate

ridicată, între 45 şi 50% cu pori în principiu de formă tubulară; clivaj vertical ce face ca

pereţii loessurilor să ajungă la înălţimi considerabile; bună permeabilitate; uşurinţă la

erodare şi nu în cele din urmă în cazul loessurilor fenomenul de tasare este evident.

Răspândirea depozitelor de loess variază de la 5% in America de Sud, la 16% in

Asia. În ţara noastră (Fig. 1), loessul reprezintă 17% din suprafaţa ţării. Grosimea

depozitelor de loess variază şi ea, de la paturi subţiri la masive groase de sute de metri.

În medie, pe continentul european, grosimea este de 30-40 de metri, pe când în Asia,

depunerile de loess pot ajunge până la 400 de metri. Datorită terenului accidentat,

grosimea stratului de loess diferă pe distanţe reduse (dimensiunile unei construcţii), fapt

ce determină implicaţii importante asupra comportării fundaţiilor.

Fig. 1 Răspândirea loessului în România şi sensibilitatea lui la umezireÎn ţara noastră, loessul se găseşte sub altitudini de 400 de metri, în Câmpia

Română, în Dobrogea şi în estul Moldovei. Grosimea stratului de loess creşte de la

Vest la Est, de la câţiva metri în Oltenia, la 20-30 de metri în Estul Bărăganului şi până

la 60 de metri pe malul drept al Dunării de la Ostrov, evident cu corecţia variaţiunii de

grosime a stratului, mai sus amintită. Natura rocii subiacente influenţeaza condiţia de

circulaţie a apei de infiltraţie devenind o importantă caracteristică tehnică. Loessul de

Oltenia şi din Câmpia Română acoperă straturi de pietriş deasupra unor depozite

levantine, pe când în Dobrogea este aşternut peste calcar samatic sau argilă aptiană,

iar în Moldova peste pietrişuri sau marne cuaternale. De exemplu, patul de pietriş sau

nisipul asigură o bună drenare a apei spre adâncime, în timp ce un pat argilos sau

mărnos, face ca apa să stagneze la partea inferioară a loessului, provocând umezirea

intensă a acestuia.

Pământurile loessoide sunt roci care păstrează anumite caracteristici ale

loessului, dar spre deosebire de acesta prezintă porozitate si culori variate, stratificaţie

evidentă, formând straturi mai puţin uniforme. În funcţie de compoziţia lor

granulometrică, variază de la nisip lutos până la argilă, cu un conţinut mai scăzut de

praf şi mai ridicat de argilă. Ele pot conţine nisip grosier şi chiar pietriş. Dacă în

alcătuirea sa particulele fine sunt prezente într-un procent mai mare, depozitul devine

luto-argilos sau argilos: este mai puţin afânat, cu o plasticitate mai mare, cu o porozitate

mai mică, iar crovurile nu mai sunt caracteristice. În caz contrar, prin creşterea

procentului de nisip grosier sau de pietriş, materialul devine mai afânat, cu o porozitate

mai mare şi o plasticitate mai mică. Loessurile şi pământurile loessoide sunt formaţiuni

litologice şi nu genetice, iar originea lor poate fi diferită.

2. Fenomene fizico-chimice asociate comportării loessurilor

Particularităţile procesului de formare încă de la modul de asociere al particulelor

minerale, influenţează comportarea la solicitările mecanice a pământurilor. Structura

unui pământ reprezintă aranjamentul spaţial al particulelor minerale şi ale asociaţiilor de

particule în masa acestuia. Aşezarea particulelor minerale ca elemente individuale în

cadrul asociaţiilor de particule, se numeşte microstructură. Dacă la pământurile

necoezive, particula apare ca element structural ce preia şi transmite prin contact rigid

tensiunile induse de acţiunile exterioare, la pământurile coezive, interacţiunea

fragmentelor solide aflate în suspensie sunt influenţate de atracţia produsă de forţele de

natură electromoleculară de tip Van der Walls şi de respingerea produsă de forţele de

natură electrostatică ce depind de natura mediului, de valenţa cationilor din complexul

adsorbţie, de concentraţia de săruri disociate elctrolitic şi de temperatură. Dacă

formarea pământurilor coezive se face în bazine cu apă dulce, predomină forţele de

respingere şi datorită fenomenului de peptizare se obţine o structură dispersă. La

formarea în mediul bogat în săruri, forţele de atracţie predominante determină o

structură de tip flocular datorită fenomenului de coagulare, rezultând formarea unui

sediment cu volum mare de goluri.

Loessurile sunt pământurile cu cele mai mari tasări suplimentare sub acţiunea

apei, cu legături structurale slabe solubile în apă, în timp ce pământurile loessoide

prezintă legături structurale stabile nesolubile în apă, se tasează foarte puţin sau chiar

deloc. Cea mai importantă caracteristică a texturii pachetelor de loess sau a

pământurilor loessoide este absenţa unei stratificaţii, însă aceasta poate apărea

determinată de anumiţi factori de geneză.

Diferenţele între parametrii fizico-chimici determinaţi în laborator prin încercări

clasice şi comportarea reală a pământurilor, au condus la necesitatea studierii

macrostructurii pământurilor. Terzaghi a denumit macroagregatele ca fiind agregate de

ordinul 2, ce reprezintă elemente definitorii ale macrostructurii care depind de factori

chimici, climatici şi biologici. Aceste agregate de ordinul 2 se formează în condiţii de

umiditate redusă sau când cantităţi mari de cationi rezultaţi din disocierea electrolitică a

sărurilor apar în mediul de dispersie. Macroagregatele pot fi observate cu microscopul

şi cu ochiul liber.

Creşterea grosimii depozitului nu produce o consolidare corespunzătoare

datorită legăturilor de cimentare. De aici rezultă explicaţia comportării pământurilor

macroporice ca material de tip „subconsolidat”. În stare naturală, loessul are o

porozitate de circa 50% care poate fi redusă prin compactare.

Acţiunea apei modifică proprietăţile fizico-mecanice ale loessurilor, care la o

umezire intensă peste o anumită limită capătă deformaţii mari, bruşte denumite tasări

suplimentare. Aceste deformaţii pot apărea numai sub acţiunea sarcinii geologice, însă

şi în acelaşi timp cu acţiunea încărcării exterioare. Însoţită de reducerea substanţială a

porozităţii, tasarea suplimentară depinde de umiditatea pământului şi de durata de

umezire. Efectul modificării porozităţii active este micşorarea volumului iniţial ocupat de

pământul umezit.

Procesul de tasare suplimentară este continuu şi se manifestă în 2 etape, iniţial

prin reducerea porozităţii fiecărui strat în parte din pachetul de pământ, apoi fiind urmat

de distrugerea stabilităţii structurii scheletului de pământ. Cauzele acestui proces sunt

mişcarea de infiltraţie a apei, starea naturală de eforturi şi eventuale eforturi transmise

de construcţii. Procesul are loc la acţiunea unei încărcări limită, denumită presiune

critică şi la o valoare limită a umidităţii, denumită umiditate critică.

Aplicarea unui efort exterior pe un strat de pământ are loc în 3 faze de

deformare, determinate de compactare, forfecarea pământului şi de distrugerea lui. În

prima fază, mărimea efortului unitar determină o deformare liniară a pământului şi

reducerea porozităţii. În faza a-2-a, o dată cu creşterea intensităţii tensorului de eforturi

unitare, legăturile structurale dispar, ceea ce rezultă în forfecări urmate de o reaşezare

a particulelor de pământ, creîndu-se o nouă structură cu caracteristici stabile. Ultima

fază este critică, unde echilibrul pământului este distrus în totalitate. Aici apar

suprafeţele curbe de lunecare.

Prin experimente cu ajutorul probelor de pământ testate în edometru sau în

aparatul triaxial, pe baza curbei de compresiune-tasare, deformaţiile specifice se

determină în funcţie de condiţiile umidităţii naturale şi a saturaţiei de apă din pământ.

Încercările de laborator şi de teren au dovedit că relaţia dintre starea de efort

unitar şi deformaţie a pământurilor loessoide se reprezintă prin curbe a căror lege de

variaţie este similară cu cea a mediului neliniar deformabil. Această variaţie neliniară se

observă nu numai la presiuni ridicate, ci şi la valori moderate ale eforturilor aplicate pe

pământurile puternic compresibile.

Din studii s-a demonstrat ca deformaţia suplimentară a depozitelor loessoide

sesibile la umezire, se produce la o anumită valoare a presiunii aplicate pământului

respectiv, presiune ce reprezintă o caracteristică de calcul necesară determinării tasării

terenului de fundare. Presiunea critică este presiunea pentru care structura terenului

umezit va manifesta o tasare puternică şi rapidă datorită unui colaps. Principalii factori

care influenţează mărimea presiunii critice sunt: greutatea volumetrică în stare uscată,

conţinutul de fracţiuni argiloase, umiditatea în stare naturală, conţinut de săruri,

umiditate critică, rezistenţă structurală. Unii cercetători au definit presiunea critică, ca

fiind acea presiune la care se produce schimbarea bruscă de pantă a liniei de variaţie a

tasării specifice în funcţie de presiune, atunci când pământul este saturat de apă.

Tasarea suplimentară se va produce la umidităţi din ce în ce mai mici, pentru

adâncimi din ce în ce mai mari. Procesul de tasare suplimentară va continua până când

ultimul strat al pachetului de pământ sensibil la umezire va atinge umiditatea critică, iar

urmatoarea tasare care se va produce, poartă denumirea de tasare suplimentară

secundară şi se datorează ruperii ultimelor legături dintre agregate şi particule.

Presiunea critică este legată de noţiunea de umiditate critică, valorile parametrilor de

deformabilitate depind de umiditatea pământului. Fiecărei valori a presiunii critice

determinată de sarcina geologica, încărcare exterioară sau acţiunii cumulate îi

corespunde o anumită valoare a umidităţii la care apare tasarea suplimentară, numită

umiditate critică. Pământul, atingând umiditatea critică, capată o stare plastică care

împreună cu acţiunea presiunii critice, creează condiţii de deplasare pe verticală, în jos,

a straturilor de pământ situate sub nivelul considerat. Presiunea de consolidare variază

invers proporţional cu umiditatea necesară producerii tasării suplimentare. Pentru

presiuni de până la 0.3 MPa, depozitele loessoide nu ajung la stări de echilibru limită,

iar în cazul umezirii acestora, starea plastică se poate produce la o presiune sub 0.2

MPa.

Coeziunea pământurilor sensibile la umezire se datorează forţelor de atracţie

moleculară dintre particule, manifestată prin intermediul învelişului de apă adsorbită

(coeziune primară), precum şi a legăturilor de cimetare formate la contactul dintre

particule (coeziune structurală). Mărimea coeziunii primare depinde de compoziţia,

compactitatea pământului şi numărul de legături dintre particule.

În cazul comprimării unui pământ cu un conţinut mai ridicat de fracţiuni argiloase,

numărul legăturilor dinte particule creşte datorită apropierii dintre ele, ceea ce duce la

mărirea coeziunii primare. În cazul afânării pământului, coeziunea primară scade.

Coeziunea structurală (secundară) este asigurată de cimentarea particulelor cu

legături stabile sau cu legături nestabile la apă. Prin umezirea acestor pământuri sau

prin modificarea compactităţii lor, coeziunea structurală se modifică. Se poate spune că

prin creşterea umidităţii pământurilor sensibile la umezire, forţa de coeziune scade

substanţial. Un rol mai puţin important în asigurarea stabilităţii este dat de unghiul de

frecare internă care scade în mod neînsemnat. Un important factor ce influenţează

caracteristicile de rezistenţă si c, este presiunea de preconsolidare, precum şi modul

de încărcare a pământurilor sensibile la umezire.

3. Proprietăţile fizico-mecanice ale loessului saturat

Prima fază a studiului loessului de Cernavodă a fost studierea materialului în

condiţii saturate. Materialul a fost inundat pentru fiecare încercare mecanică. În cazul

încercărilor desfăşurate în aparatul de compresiune triaxială saturarea s-a efectuat sub

gradient controlat prin intermediul liniilor de saturare şi drenaj.

Caracteristicile de deformabilitate au fost determinate cu ajutorul încercărilor în

edometru, în concordanţă cu STAS 8942-1/89. Valorile obţinute pentru modulul de

deformaţie edometrică în intervalul 200÷300kPa, M2-3, variază între 2782 ÷ 4762 kPa,

care potrivit STAS 1243-88 încadrează acest pământ în categoria pământurilor cu o

compresibilitate foarte mare (<5000kPa).

Un factor deosebit de important în aprecierea evoluţiei tasărilor în timp îl

reprezintă coeficientul de consolidare. După cum s-a amintit, valoarea coeficientului de

consolidare obţinut în încercările de compresiune edometrică a fost determinată pe

materialul saturat, deci nu reprezintă o măsură a comportării reologice a loessului la

umezire.

Valorile permeabilităţii obţinute din coeficientul de consolidare, cv, folosind relaţia

sunt în jurul valorii de 110-10 m/s, în timp ce, folosind edo-permeametrul se

ajunge la valori de 510-6 m/s.

Diferenţa enormă dintre cele două valori se datorează faptului că în primul tip de

încercare s-a folosit o treaptă de încărcare mare iar pentru celălalt tip încărcarea a fost

de 5kPa (greutatea proprie a pistonului). Se poate concluziona că datorită porozităţii

deosebit de mari a loessului, permeabilitatea acestuia poate să scadă cu evoluţia stării

de eforturi cu aproape patru ordine de mărime.

Pentru obţinerea parametrilor de rezistenţă la forfecare pe termen lung, încercări

de tip CD au fost efectuate în aparatul de forfecare directă şi rezultatele au fost

confirmate de încercările în aparatul de compresiune triaxială. Valoarea mare a

unghiului de frecare internă se explică prin faptul că loess-ul este un depozit eolian în

care particulele (praf şi nisip fin) au feţe zgâriate datorită abraziunii. Coeziunea este

foarte mică, practic zero din moment ce pământul este sub-consolidat. Unghiul de

frecare internă obţinut în aceste condiţii este ’ = 37º.

În condiţii nedrenate, corespunzătoare, de exemplu, unei faze de excavaţie în

materialul saturat, valorile obţinute pentru parametrii de rezistenţă la forfecare sunt =

25º, c = 0kPa. Aceste valori au fost determinate în aparatul de forfecare directă folosind

o viteză de forfecare foarte mare (2mm/min) şi nepermiţând consolidarea probelor.

Parametru de rezistenţă la forfecare rezidual a fost determinat cu aparatul de

forfecare rotaţională şi este residual = 9º

y = 0.7759x

y = 0.47x

y = 0.1541x

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0

s (kPa)

t (k

Pa)

Forfecare directa CD

Triaxial CD

Forfecare directa UU

Forfecare rotationala - Bromhead

Fig. 2: Rezultatul încercărilor de forfecare

4. Concluzii

De foarte multe ori în practica inginerească se pleacă de la ipoteza că anumiţi

parametri mecanici, de exemplu, unghiul de frecare internă şi coeziunea, sunt parametri

de natură. Practica inginerească ne arată că modelul de rezistenţă la forfecare Mohr-

Coulomb, în care pământul poate prezenta coeziune nu este valid în cazul pământurilor

cu umiditatea mai mică decât limita de curgere sau în cazul celor subconsolidate, în

acest caz fiind recomandate modele fără coeziune, cum ar fi Cam-clay.

BIBLIOGRAFIE

1. Coşovliu, Fundarea pe loessuri.2. Ciurea, C., Teză doctorat, 2006.3. Chirică, A., Tasarea şi cedarea pământurilor macrostructurate, UTCB,

1995STAS 9310;