«

»

Evolutia tehnicilor si metodologiilor de determinare a rezistentei la forfecare a pamanturilor (I)

Share

stanciu - rezistenta la forfecare fig 2Pamantul, fie ca suport al constructiilor, fie ca material de constructie pentru terasamente, diguri, baraje, dicteaza, prin rezistenta la forfecare, dimensiunile fundatiilor, panta taluzurilor sau dimensiunile lucrarilor de consolidare a versantilor. Rezistenta la forfecare este principala proprietate care guverneaza stabilitatea si rezistenta masivelor de pamant. Acestea sunt motivele pentru care se impune o prezentare a evolutiei tehnicilor si metodologiilor de determinare a rezistentei la forfecare a pamanturilor pentru diferite stari de tensiune cat mai apropiate de cele din realitate.

Succint, dincolo de evolutia in timp, se prezinta si o sinteza a principalelor avantaje si dezavantaje ale metodelor respective. In consecinta, lucrarea prezenta constituie, in fapt, o aducere la zi a acestor tehnici si metode pentru determinarea rezistentei la forfecare a pamanturilor.

 

Scopul incercarilor de laborator este de a studia comportamentul fi­zico-mecanic al pamanturilor in conditii similare celor existente in teren si de a transpune acest comportament intr-un set de ecuatii constitutive. In acest sens, se presu­pune ca proba de pamant studiata reprezinta un punct din masivul de pamant, ipoteza valida numai in cazul in care starea de tensiuni din proba este uniforma. De asemenea, pentru studiul proprietatilor mecanice ale pamanturilor se admit ipotezele de izotropie si omogenitate, insa aici, mai mult decat in cazul celorlalte materiale de constructie, acestea nu sunt adevarate. De aici deriva necesitatea studiului pamantului in diferite situatii punctuale de solici­tare (fig. 1), in cadrul carora ipo­tezele mai sus amintite sa fie cat mai bine indeplinite.

Spre deosebire de alte materiale, in cazul pamanturilor, incercarile comporta doua faze, urmare a faptului ca probele de pamant sunt prelevate de pe teren si apoi transportate in laborator, timp in care proprietatile probei sunt alterate. In prima faza a testarii, se incearca reconstituirea starii de tensiuni in care se afla proba inainte de prelevare. In cea de-a doua faza, se continua incarcarea probei pana la rupere, prin crearea unei stari de tensiuni similara unei situatii reale intalnite in situ.

In general, aparatura de laborator poate fi clasificata, in functie de destinatie [4], in una dintre urmatoarele ca­tegorii: de uz curent sau aparatura special conceputa.

Aparatura de uz curent este folosita pentru activitati curente de proiectare si se caracterizeaza prin meto­dologii relativ simple. In aceasta categorie se regasesc aparatele de forfecare directa, triaxial si monoaxial.

A doua categorie de aparate de laborator, aparate special concepute, se folosesc in activitati de cerce­tare, pentru evidentierea feno­menelor care guverneaza procesul ruperii pamantului si a parametrilor ce il influenteaza. In aceasta categorie se regasesc aparatele de forfecare simpla, forfecare prin torsiune, biaxial, triaxial real.

Metodologiile de lucru sunt complexe implicand realizarea de membrane speciale, confectionarea probe­lor etc.

Dupa cum pe durata uneia sau alteia dintre faze se asigura dre­narea apei din pori, se disting mai multe tipuri de incercari, fiecare tip corespunzand unei anumite situatii intalnite in practica curenta [1]:

• UU (neconsolidate – nedrenate) – nu se asigura drenarea apei in niciuna dintre etapele incarcarii;

• CU (consolidate – nedrenate) – se asigura drenarea apei numai in prima etapa;

• CD (consolidate – drenate) – pe intreaga durata a incercarii se asi­gura drenarea apei din pori, ruperea producandu-se in conditii de presiune nula pentru apa din pori.

 

EVOLUTIA TEHNICILOR SI METODOLOGIILOR DE DETERMINARE A REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMANTURILOR

Primele incercari pentru determinarea rezistentei la forfecare a pamanturilor au fost realizate de Alexandre Collin in anul 1846 [2]. Acesta a utilizat probe de argila de forma prismatica, cu latura sectiunii de 4 cm. Proba era, apoi, incarcata transversal pana la cedare.

Pe baza principiului aparatului lui Collin, A. Casa­grande [2] a pus la punct incercarea de forfecare directa in forma actuala (fig. 2).

 

Incercarile de forfecare directa

Aparatele de forfecare directa concepute de A. Casagrande repre­zinta primele echipamente de labo­rator folosite in scopul determinarii rezistentei la forfecare a pamanturilor. In linii mari, acestea au ramas neschimbate, imbunatatirile aduse ulterior constand in perfec­tionari ale sistemelor de actionare si control al fortelor si deformatiilor. Extinderea mare pe care aceste aparate o au in practica curenta se datoreaza simplitatii aparaturii si a metodologiei de lucru [3].

In cadrul acestei incercari, proba de pamant este introdusa intr-o caseta de forfecare alcatuita dintr-o parte fixa si una mobila (fig. 3). O forta normala N este aplicata pe partea superioara a probei, dupa care o forta orizontala produce ruperea probei de pamant, pe baza unui plan predefinit, printr-o miscare de translatie a partii mobile a casetei. Pentru a asigura drenarea probei, la partea inferioara si superioara a acesteia sunt dispuse pietre poroase.

Dimensiunile casetei de forfecare variaza in functie de marimea granulelor care alcatuiesc pamantul supus la forfecare. Astfel, conform recomandarilor din STAS 8942/2-82, dimensiunile casetelor de forfecare pot fi:

• in cazul pamanturilor argiloase se pot folosi si casete cu sectiunea de 50 cm2, patrate sau circulare;

• pentru nisipuri se recomanda casete cu sectiune de minimum 10 cm x 10 cm;

• in cazul pietrisurilor cu nisip se recomanda casete cu sectiunea de minimum 924 cm2.

 

In casetele de forfecare directa se pot realiza doua tipuri de incercari [1]:

a) efort impus si deformatie controlata – la forta axiala constanta N se impune marimea fortei taietoare T in trepte si se masoara deplasarea, pana la stabilizare, sub fiecare treapta de incercare.

b) deformatie impusa si efort controlat – deplasarea este impusa cu o viteza constanta iar forta taie­toare este masurata cu ajutorul unui inel dinamometric.

In functie de tipul de incercare, viteza impusa de forfecare poate varia intre 0,05 mm/minut si 1,5 mm/minut. Pentru incercari de tip neconsolidate­-nedrenate sau consolidate-nedrenate, viteza este de 1 – 1,5 mm/minut, in timp ce la incercari de tip consolidate-drenate, la pamanturi argiloase, viteza de forfecare este de 0,05 mm/minut sau mai mica.

Pentru un pamant se fac cel putin 3 incercari, diferite intre ele prin mari­mea fortei verticale aplicate in prima faza. Perechile de valori obtinute (s, t) se reprezinta in sistemul de coordonate s0t. Prin prelucrarea statistica (cu metoda celor mai mici patrate) sau pe cale geometrica se construieste dreapta medie, care trece prin cele 3 sau mai multe puncte (fig. 4).

Pe langa simplitatea in ceea ce priveste metodologia de lucru, incercarile de forfecare directa prezinta avantajul unui drenaj bun si o consolidare a probei in timp scurt.

Principalul dezavantaj al acestui tip de aparate consta in faptul ca nu se poate obtine o stare uniforma de tensiuni si deformatii. Odata cu aplicarea fortei orizontale T, directiile principale se rotesc, iar aria de forfecare se modifica constant datorita translatiei celor doua parti ale casetei, ducand la o variatie constanta a starii de tensiuni din corpul probei. De asemenea, se semna­leaza concentrari de tensiuni la capetele probei, care duc la ruperea progresiva a probei de pamant (fig. 5).

Saada [2] apreciaza ca rezistenta reziduala, respectiv unghiul rezidual de frecare interioara, este singura marime ce poate fi determinata “corect” intr-un test de forfecare directa, insa necesita o deplasare foarte mare, care nu poate fi obtinuta in caseta de forfecare decat prin tehnici speciale. In general, dimensiunile probelor folosite pentru incercarea de forfecare directa variaza intre 6 cm x 6 cm si 10 cm x10 cm, deci proba va fi supusa unei deplasari continue care variaza intre 0,6 cm – 0,8 cm. Deoarece rezistenta de varf este mobilizata la deplasari mai mici de 0,5 cm, casetele de forfecare directa furnizeaza valori “corecte” in ceea ce priveste rezistenta maxima. Pentru obtinerea unor valori corecte ale rezistentei reziduale si a unghiului de frecare rezi­dual, sunt necesare, insa, deplasari de 40 cm – 60 cm. Skempton (1964) descrie o tehnica ce foloseste “mai multe treceri”, prin care se pot obtine deplasari mari. Aceste treceri nu simuleaza insa conditiile in care se produce cedarea pamanturilor in situ.

 

Incercarile la forfecare prin torsiune

Primul aparat de incercare la forfecare prin torsiune este realizat in cadrul A.S.C.E. in anul 1917 (tabelul 1). Probele folosite erau de forma cilindrica, cu sectiune plina, iar diametrul si inaltimea erau de 30,5 cm. Acestea erau continute intr-o caseta a carei baza era constituita dintr-un disc zimtat, iar la partea superioara era prevazuta cu un piston de incarcare. Dupa aplicarea sarcinii verticale, ruperea probei se realiza prin deplasarea constanta si continua a partii inferioare in raport cu cea superioara printr-o miscare de rotatie. Suprafata de rupere rezultata era de forma circulara si era pozitionata in imediata apropiere a discului zimtat. Spre deosebire de incercarea la forfecare directa, aici nu mai apar dezavantajele legate de modificarea sec­tiunii de forfecare si limitarea deplasarilor.

Printr-o astfel de incercare se controleaza variatia momentului de torsiune MT necesar forfecarii, ca o functie de deplasare relativa la nivelul planului de forfecare. Daca q reprezinta unghiul de rotatie, curbele de legatura (MT si q; t si q) pot fi obtinute pentru fiecare dintre probele testate admitandu-se tensiuni normale diferite [4].

In incercarile de forfecare prin torsiune pe probe cilindrice pline, tensiunile de forfecare variaza de la zero, in centrul probei, la maximum la periferie. Deoarece probele sufera o modificare de volum atunci cand sunt supuse la forfecare, deforma­tiile volumice vor varia intr-o maniera similara iar pistonul rigid, care aplica presiunea verticala, va crea o distributie neuniforma si necunoscuta a tensiunilor normale in corpul probei. Proba fiind continuta in inelele metalice, este posibil ca forta normala sa nu fie transmisa, in totalitate, probei de pamant.

Variatiile tensiunilor si modificarile de volum fac dificila corelarea deplasarilor verticale observate ale pistonului cu variatiile de volum si tensiuni din zona de cedare. Presiunile orizontale exercitate de inelele me­talice nu pot fi controlate. Aceste deficiente pot fi partial corectate prin folosirea probelor cilindrice cu sectiune inelara (fig. 6).

In consecinta, variatiile tensiunilor de forfecare scad, rezultand, astfel, variatii de volum mai mici in corpul probei, variatii care conduc la neuniformitati  mai mici ale tensiunilor normale pe planul de forfecare.

Bishop (1971) face o trecere in revista a acestui tip de aparate si prezinta evolutia lor in tabelul 1.

D. K. Wright (1978) [5] prezinta un algoritm bazat pe metodele teoriei elasticitatii, cu ajutorul caruia se pot stabili dimensiunile probelor (inaltimea, diametrul si grosimea peretilor, in cazul probelor cu sectiune inelara), astfel incat rezultatele sa fie minim afectate de frecarea probei cu platanele (superior si inferior).

 

Incercare la forfecare simpla

Din cauza limitarilor dispozitivelor de forfecare directa prezentate anterior, s-a incercat construirea unor noi aparate, care sa realizeze o stare de tensiuni uniforma in probele de pamant.

Unul dintre primele aparate de incercare a pamanturilor la forfecare simpla a fost conceput de Kjellman in 1951. Probele folosite erau de forme cilindrice, cu diametrul de 80 mm si grosimea de 10 mm. Acestea erau continute intr-o membrana de cauciuc. Pentru a impiedica deforma­tiile orizontale si implicit modificarea sectiunii de forfecare, membranele erau ranforsate cu spirale din cablu subtire, care confineaza proba dar permit deplasarea partii superioare in raport cu cea inferioara. Deformatiile verticale si unghiulare se observa din miscarile relative ale placilor care marginesc proba [3].

Roscoe (Universitatea Cambridge – 1953) foloseste probe rectangulare, incadrate de patru placi articulate pe o diagonala si simplu rezemate pe cealalta, astfel incat sa se permita rotirea. Epruveta are sectiunea de 100 mm x 100 mm si grosimea de 20 mm.

Modelele recente de aparate cuprind traductori de forta pe fiecare placa, traductori care permit masu­rarea tensiunilor normale si tangen­tiale. In acest mod, starea de ten­siuni din proba este complet definita, cercul lui Mohr pentru tensiuni poate fi construit, planurile principale sunt cunoscute iar eforturile principale se pot calcula.

Referitor la acest tip de incercari, Hvorslev observa [2] ca rezultantele verticale de pe suprafata superioara si inferioara a probei trebuie sa formeze un cuplu, astfel incat sa echilibreze momentul produs de fortele tangen­tiale. Niciuna dintre aceste tensiuni nu este uniform distribuita. Aceste neuniformitati se amplifica odata cu cres­terea deformatiilor si, in consecinta, caracteristicile pamantului nu pot fi studiate decat la deformatii mici.

(Va urma) 

Autori:
prof. univ. dr. ing. Anghel Stanciu – Universitatea Tehnica “Gheorghe Asachi” Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Departamentul de Cai de Comunicatii si Fundatii, membru al Academiei Oamenilor de Stiinta din Romania
prof. univ. dr. ing. Irina Lungu,
ing. Stefan Cioara – Universitatea Tehnica “Gheorghe Asachi” Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Departamentul de Cai de Comunicatii si Fundatii
 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 105 – iulie 2014, pag. 58



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: http://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2014/07/03/evolutia-tehnicilor-si-metodologiilor-de-determinare-a-rezistentei-la-forfecare-a-pamanturilor-i/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.