Aspecte caracteristice ale structurii pamanturilor

Pamanturile se considera medii disperse polifazice cu structura complexa, avand capacitatea de rezistenta si de deformare a legaturilor dintre particule mult mai redusa decat a granulelor componente.

Aceste considerente implica dezvoltarea unei teorii structurale a pamanturilor, bazata pe natura rigida si vascoelastica a legaturilor dintre particule, caracterizata de eterogenitati si anizotropii accentuate.

Prezentam, in continuare, structuri ale diferitelor tipuri de pamanturi.

PAMANTURILE CA SISTEME REOLOGICE

Pamanturile, ca sisteme reologice, sunt conditionate mai ales de structura lor, de raspunsul la diferite tipuri de solicitari in anumite conditii de temperatura si de presiune ale me­diului ambiant, ca si de istoria lor sub actiunile incarcarilor aplicate.

Aceste considerente implica dezvoltarea unei teorii structurale a pamanturilor, bazata pe natura rigida si vascoelasticitatea legaturilor dintre particule, caracterizata de eteroge­nitati si anizotropii accentuate (fig. 1).

Structura lamelara a argilelor

Structura lamelara a argilelor pre­cum si caracterul puternic hidrofil explica proprietatile lor de contractie – umflare, ca si plasticitatea caracte­ristica. In natura pot exista diferite moduri de aranjare a particulelor de argila, care pot fi reduse simplificat la trei pozitii: fata – fata, fata – muchie si muchie – muchie (fig. 2).

In afara invelisului de apa legata se gaseste apa libera. Apa este adsor­bita pe suprafata particulei de argila printr-un meca­nism de adsorbtie posi­bil explicat in figura 3.

Structura complexa a pamanturilor

Masivele de pamant naturale au, de obicei, o structura complicata, cuprinzand atat diverse tipuri de particule de argila, cat si particule elastice, ca praf sau nisip. Partile din care este compusa structura se pot denumi unitati structurale si sunt formate din cateva particule, de obicei de acelasi timp mineralogic, numite domenii. Acestea sunt legate impreuna in pachete, putand functiona ca matrice pentru particulele elastice, in chip de conectori intre ele sau ca aglomerari, ca particulele de praf, dupa cum rezulta din figura 4.

Prin aglomerarea pachetelor si a particulelor elastice se formeaza agregatele. Organizarea structurii, res­pectiv gradul de orientare care depinde de bilantul fortelor de atractie si respingere, trebuie privita atat la nivelul particulelor din intervalul domeniilor (orientare de ordinul doi), cat si la nivelul pachetelor si agregatelor (orientare de ordinul intai).

In figura 5 se arata o repre­zen­tare schematica a sistemului de recunoastere a structurii, dupa orientarile de ordinul intai si doi.

Modul de comportare global al argilei, in functie de orientarile de ordinul intai si doi este prezentat in figura 6. Se remarca faptul ca, in decursul timpului, in pamanturile argiloase se formeaza unele legaturi de cimen­tare, datorate carbonatilor sau oxizilor precipitati din solutii, alcatuind punti rigide intre elemen­tele structurale. De asemenea, pot sa apara legaturi datorate materiilor organice.

In pamanturile argiloase exista trei tipuri principale de discontinuitati: spatii intre particulele de argila dintr-un domeniu, numite micropori, spatii intre unitatile structurale, numite pori si discontinuitati bidimen­sionale, numite fisuri (fig. 7).

Porii dintre unitatile structurale au o forma neregulata si pot fi acoperiti cu un strat de argila orientata, deli­mitand pachetele. In interiorul porilor apa circula liber doar sub influenta gravitatiei si a fortelor capilare. Structura porilor in masivele de pamant argiloase se pune in evidenta in figura 8.

In interiorul unitatilor structurale exista si micropori cu legaturi discontinue si neregulate cu porii in care apa este legata prin forte de adsorbtie.

Fisurile apar ca urmare a unor stari de eforturi care au actionat dupa formarea masivelor de pamant. Acestea se pot datora eroziunii dife­rentiate, curgerii lente sau proceselor de contractie – umflare a argilei in contact cu apa. Toate aceste procese duc la fisurarea masivelor de pamant, provocand procese de alte­rare a argilei, iar depunerea dife­ritelor saruri ii pot modifica radical structura.

Dupa modul de aranjare a parti­culelor din masivele de pamant se deosebesc structuri granulare, in fagure si floculare (fig. 9). Structura floculara este speci­fica particu­lelor fine si foarte fine (<0,005 mm), la care, datorita dimensiunilor redu­se, fortele gravita­tionale nu determina sedimentarea particu­lelor. Sunt determinante for­tele de respingere, de natura electrostatica. Mic­sorarea acestor forte sau micso­­rarea distantei dintre particule, prin evaporarea apei, face sa predomine fortele de atractie, parti­culele asociindu-se intre ele, dand nastere floculelor. Acestea se asociaza intre ele, sub actiunea gravitatiei, iar procesul in sine se numeste flo­culare sau coa­gu­lare.

Structura floculara este specifica pamanturilor sedimentate in bazine cu apa sarata, favorizand asocierea particulelor prin contacte fete – muchii (fig. 10). Fetele fiind incarcate negativ, iar muchiile pozitiv, se produce o bipolarizare a particulelor.

In bazinele cu apa dulce, fortele de respingere sunt predominante iar particulele se depun pe fund indivi­dual prin procesul de peptizare. Acestea se aranjeaza fata – fata, determinand o structura de tip dispers (fig. 10, b).

Sunt posibile, de ase­menea, structuri floculare de tip muchie – muchie (fig. 10, b) sau structura floculara-agregata, cu contacte fata – muchie si muchie – muchie (fig. 10, c). Prin aceste modalitati de alipire a parti­culelor rezulta o structura foarte deformabila, la care disiparea actiunilor in masa ei nu se mai face prin contact intergranular, ci prin inveli­surile de apa din jurul parti­culelor sau dintre lanturile de parti­cule (fig. 11).

Deformabilitatea structurii depinde, insa, si de posibilitatile de eliminare a apei din interiorul floculelor, astfel incat deformatiile sunt de lunga durata dupa incarcarea structurii.

In cazul actiunilor dinamice exista posibilitatea distrugerii legaturilor structurale ale sedimentului proaspat format, numit gel, si trecerea lui intr-un lichid vascos, numit sol, cu scaderea corespunzatoare a rezistentei la forfecare (fig. 12). Aceasta proprietate reversibila a unor paman­turi, de a trece din gel in sol si respectiv din sol in gel fara nicio modificare de volum sau umi­ditate, se numeste tixotropie.

In concluzie, stabilitatea si rezistenta structurilor floculare este determinata de legaturile dintre particule, adica de fortele de atractie, numite generic coeziune. Ca urmare, aceste structuri se asociaza pamanturilor coezive, respectiv argilelor.

Structura mixta. De fapt, structurile prezentate sunt oarecum idea­lizate, deoarece in natura coexista toate dimensiunile de particule, inclusiv cele coloidale (< 0,001 mm). De re­gula, predomina o anumita ca­tegorie de dimensiuni, determinand procese specifice de sedimentare pentru fiecare tip de structura in parte, rezultand, in final, o structura mixta. O astfel de structura este constituita din nisip, care creeaza structura propriu-zisa si argila colo­idala (<0,25 µ), care in prezenta apei determina o lubrifiere a contactelor intergranulare, si o reducere importanta a capacitatii portante (fig. 12).

STRUCTURA SEDIMENTELOR EOLIENE

Un alt tip de structura il repre­zinta sedimentele eoliene (loessurile), rezultate prin depunerea particulelor reduse, purtate de vant, in zona de stepa, cu nivel de precipitatii scazut. La contactele intergranulare apar forte de frecare relativ mari in raport cu fortele gravitationale si prin aceasta se determina o structura subindesata, caracterizata prin existenta unor macropori vizibili cu ochiul liber (fig. 13).  Prin precipita­rea substantelor coloidale si cris­talizarea altor substante, la contac­tele intergranulare se nasc forte de legatura intergranulare care rigidizeaza structura si ii confera rezistente mecanice apreciabile. In cazul inundarii, aceasta structura se prabuseste sub actiu­nea sarcinilor exterioare, ca urmare a slabirii prin umezire a gelului de silice.

SENSITIVITATEA PAMANTULUI

Sensitivitatea pamantului se defi­neste ca

adica raportul intre rezistenta la compresiune cu deformare laterala libera a unei probe de pamant netulburat si respectiv tulburat, fara modificarea umiditatii si porozitatii.

In functie de valoarea sensitivi­tatii, pamanturile se clasifica astfel:

• nesensitive S_r = 1

• putin sensitive (cu sensitivitate mica) 1 < S_r < 2

• cu sensitivitate medie 2 < S_r < 4

– sensitive 4 < S_r < 8

• cu sensitivitate mare 8 < S_r < 16

• cu sensitivitate foarte mare S_r >16

Din examinarea curbelor compresiune – tasare, stabilite printr-o incercare monoaxiala, rezulta influenta mare pe care o are, asupra comportarii pamanturilor, tulburarea struc­turii naturale a acestora. In ge­neral, pamanturile cu structura naturala (netulburata) prezinta rezistente mai mari decat pamanturile a caror structura a fost deranjata. Prin urmare, este indicat ca, in practica, sa se evite deranjarea structurii naturale.

Elementele principale care produc deformatii in masivele de pamant sunt legaturile dintre parti­cule consi­derate de patru tipuri: rigide, elastice, vascoase si plastice. Deoarece domeniile de interes practic se situeaza in stadiul de exploatare, cand fenomenele plastice sunt mai reduse, se vor lua in consi­derare, intr-o prima aproximatie, numai legaturile elastice si vascoase.

CONCLUZII SI RECOMANDARI

• Pamanturile compresibile, nesa­turate, cu schelet rigido – elastic sunt alcatuite din argile fine sau din prafuri argiloase sau nisipoase, cu incluziuni de substante organice care, datorita istoriei incarcarilor, au creat legaturi rigide cimentate, formand un schelet.

• Pamanturile compresibile saturate, cu schelet rigido – elastic, se comporta complet diferit de precedentele. Cand incepe incarcarea masivului de pamant, eforturile sunt preluate atat de schelet, cat si de apa din pori. Datorita presiunii, apa incarca si materialul de umplutura, astfel ca in ambele exista aceeasi stare de tensiune. Dar starea de tensiune din schelet este mai mare, acesta fiind mai rigid.

• Pamanturile compresibile nesa­turate, fara schelet rigido – elastic, sunt, in mare masura, de natura eoliana. La aceste pamanturi o parte din particule au in jurul lor o pelicula de apa adsorbita, cu grosimea mai mare sau mai mica, in functie de istoria incarcarilor sau de conditiile de geneza, deci intre aceste parti­cule sunt legaturi vascoase.

• Pamanturile compresibile saturate fara schelet rigido – elastic, au spre deosebire de situatia anterioara, toate particulele inconjurate de filme de apa adsorbita, de diferite grosimi si legate mai slab sau mai puternic intre ele.

BIBLIOGRAFIE

1. Cristescu, N. [1992] „Reo­logia rocilor”, Bucuresti;

2. Goldstein, M.N. [1971] „Pro­prietatile mecanice ale pamantu­rilor”, Moscova;

3. Suklje, L. [1988] „Rheologial aspects of Soil Mechanics”, London;

4. Todorescu, A. [1986] „Reo­logia rocilor cu aplicatii in minerit”, Editura Tehnica, Bucuresti;

5. Titovici, N. A., Zeretki, Y.K. [1967] „Prognoza vitezei de tasare a fundatiilor”, Moscova;

6. Vaicum, Al. [1978] „Studiul reologic al corpurilor solide”, Editura Tehnica, Bucuresti;

7. Vyalov, S.S. [1985] „Plasti­city and creep of cohesive medium”. Proceedings of International Confe­rence of Soil Mechanics, Montreal.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 92 – mai 2013, pag. 54

Autori:
ing. Smaranda Cristescu – SC Badros SRL
prof. univ. dr. ing. Marin Marin – Universitatea Tehnica “Politehnica” din Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Cai de Comunicatii Terestre, Fundatii si Cadastru
dr. ing. Maria Stefanica – INCD URBAN-INCERC, Sucursala INCERC Bucuresti