Factorii care influenteaza sensibilitatea unui pamant la lichefiere

Comportarea terenurilor nisipoase este una dintre problemele geotehnice studiate cel mai amanuntit si, aparent, bine cunoscute. Parametrii care caracterizeaza proprietatile nisipurilor au intrat de mult in uzul tehnic curent, creandu-se, chiar, senzatia ca stabilirea lor a constituit numai o etapa pentru aprofundarea cunoasterii pamanturilor argiloase, materiale cu o comportare mult mai complexa.

Prezentand un scurt istoric al definirii lichefierii si plecand de la solicitarile ce determina acest fenomen, evidentiem succint, in cele ce urmeaza, principalii factori care influenteaza sensibilitatea unui pamant la lichefiere.

Prima incercare de definire a con­ditiilor in care se produce liche­fierea ii este atribuita lui A. Casagrande (1936), care a introdus conceptul indicelui porilor critic.

Lichefierea pamantului este definita ca fiind scaderea brusca a rezistentei la forfecare a unui pamant necoeziv, fenomen care produce o transformare temporara a materialului respectiv intr-o masa fluida. O asemenea situatie este provocata de o prabusire a structurii, din cauza socului sau altui tip de solicitare si este insotita de o crestere brusca, dar temporara, a presiunii apei din pori.

Castro (1975) considera ca trebuie facuta distinctia intre cel putin doua fenomene diferite care se pot produce in nisipuri saturate si in care se dezvolta presiuni mai mari ale apei din pori in conditii de volum constant. Acestea sunt: a) liche­fierea propriu-zisa, fenomenul prin care un nisip saturat afanat isi pierde o mare parte din rezistenta la forfecare din cauza unei incarcari monoton crescatoare sau ciclice si curge ca un lichid si b) lichefierea ciclica, fenomenul de cedare progresiva a unui nisip saturat, supus la o incarcare cu variatie ciclica, in conditii de volum constant.

SOLICITARI CARE POT DETERMINA PIERDEREA STABILITATII TERENURILOR NISIPOASE

Solicitarile statice

Solicitarile statice sunt un rezultat al modificarilor starii de eforturi in masivul considerat, ca urmare a variatiei relativ lente a unor actiuni exterioare sau a schimbarilor survenite in geometria masivului. Rezultatul acestor solicitari permite generarea unor deplasari locale, care pot avea drept consecinta lichefierea intregului masiv.

Solicitari ciclice

Exista o mare diversitate de solicitari ciclice care, diferind prin diagramele amplitudine – timp caracteristice, conduc la raspunsuri diferite ale masivului de pamant, fiind posibila sau nu schematizarea comportarii lor neliniare printr-un model liniar elastic; durata de aplicare a solicitarii are, pe de alta parte, o influenta determinanta asupra deformatiilor remanente, si implicit, asupra aspectelor calitative si cantitative de comportare a terenului.

Incarcarile dinamice care pot determina solicitari ciclice in teren pot fi clasificate in: naturale (cutre­mur, valuri) si artificiale (explozii, impactul proiectilelor, trafic, activitati de constructii, masini si instalatii cu mase neechilibrate sau care provoa­ca socuri).

INFLUENTA CARACTERISTICILOR DINAMICE ALE PAMANTURILOR

Caracteristici de rigiditate

Eforturile unitare de forfecare induse de o solicitare de tip seismic se caracterizeaza prin schimbarea periodica a sensului de variatie, variatia amplitudinii si a frecventei; relatia efort unitar – deformatie specifica corespunzatoare este, probabil, de tipul celei schitate in figura 1.a.

In cazul particular al prezentei unui ciclu de eforturi unitare, a carui amplitudine variaza cu schimbare de sens, simetric fata de zero, relatia efort unitar – deformatie specifica este reprezentata printr-o bucla de histerezis (fig. 1.b). Aceasta bucla este definita de doi parametri: modulul dinamic de deformatie transversala maxim (modulul de forfecare dinamic initial sau modulul de rigiditate maxim), G₀, definit ca panta tangentei in origine (deformatia unghiulara specifica g = 0) la curba efort unitar – deformatie specifica si fractiunea de amortizare critica,

D = A_B / 4pA_T

in care A_B este aria intregii bucle de histerezis si A_T aria triunghiului hasurat din figura 1.b.

Caracteristici de rezistenta

Pamanturile, ca majoritatea altor materiale, manifesta o majorare a rezistentei lor atunci cand solicitarea este aplicata brusc, in raport cu situatia in care solicitarea creste lent pana la valoarea finala. Aceasta majorare este mai mica in cazul pamanturilor necoezive (10-20%) decat in cel al pamanturilor coezive (cand poate atinge 200%). Solici­tarile dinamice ciclice, caracterizate prin schimbarea periodica a sensului de crestere a eforturilor unitare, au, de obicei, un efect contrar, de degradare progresiva a capacitatii de rezistenta.

In general este preferabil ca efortul unitar de forfecare maxim sa fie stabilit pentru un pamant dat, in conditii de solicitare statica si apoi sa se aduca corectii pentru a se tine seama de efectele dinamice. In con­ditii statice, valoarea maxima a rezistentei la forfecare pe un plan dat depinde (conform teoriei Mohr-Coulomb) de efortul unitar efectiv normal care actioneaza pe acel plan si de parametrii efectivi F’ si c’.

INFLUENTA FACTORILOR INTRINSECI

Cunoasterea caracteristicilor paman­turilor care influenteaza lichefiabilitatea lor este importanta cel putin pentru realizarea a doua scopuri: prognoza comportarii seismice a terenului de fundare, pe baza unor date generale si eventual, a unor investigatii suplimentare, usor de realizat si obtinerea unor probe cu adevarat netulburate si reprezentative, precum si stabilirea schemei de incercare a lor, astfel incat sa fie reproduse cat mai fidel conditiile determinante din natura, atunci cand se efectueaza o analiza detaliata a sensibilitatii la lichefiere.

In afara parametrilor solicitarii, pro­­babilitatea de producere a liche­fierii mai este conditionata de o serie de factori care pot fi grupati in doua mari categorii:

a) caracteristici care determina tipul de pamant: granulozitate (fractiuni granulare dominante, gradul de neuniformitate, continutul de parti­cule fine), forma particulelor, greutatea specifica a acestora si indirect, compozitia lor mineralogica;

b) caracteristici de stare a paman­tului in depozit: gradul de indesare, structura si indirect, geologia depo­zitului; starea de umiditate si condi­tiile de drenare ale stratului; starea de eforturi si istoricul acestora (tensorii eforturilor unitare actuale, atat cel sferic cat si cel deviator, coeficientul de impingere in stare de repaus, raportul de supraconsolidare, solicitari ciclice anterioare) si indirect, varsta depozitului.

Compozitia granulometrica

Cele mai susceptibile pamanturi de a fi lichefiate in timpul cutre­murelor sunt, desigur, nisipurile fine si cele prafoase. Continutul in parti­cule fine (fractiunile praf si argila) confera pamanturilor o plasticitate si o rezistenta structurala de tip coeziv, care se opune lichefierii, chiar daca cresterile de presiune a apei in pori pot determina deformatii apreciabile. Pe de alta parte, pamanturile necoezive, alcatuite din fragmente mari, au, in general, o permeabilitate suficient de mare pentru a asigura o disipare rapida a presiunii apei din pori, chiar pe masura generarii ei de actiunea seismica.

Cand se dispune de mijloace pentru stabilirea rezistentei la lichefiere a pamanturilor, granulozitatea nu mai apare, de regula, in schemele de calcul. Granulozitatea este pastrata, insa, ca factor determinant in criteriile calitative de apre­ciere a lichefiabilitatii.

Forma granulelor

Forma particulelor din care este alcatuit pamantul influenteaza apreciabil susceptibilitatea la lichefiere. Contactul intre particule rotunjite, respectiv rezistenta mobilizata prin frecare, se poate pierde mai usor decat in cazul particulelor alungite si colturoase. Ca urmare, prin eviden­tierea acestei influente, Ivanov defineste trei parametri pentru ca­racterizarea formei granulelor:

• coeficientul de rotunjime:

a = Sr / n┤R                  (1)

unde:

R – este o raza critica inscrisa in conturul particulei;

r – razele tuturor suprafetelor ramase neinscrise in conturul particulei;

n – numarul de suprafete circulare inscrise in conturul particulei;

• coeficientul de sfericitate:

b = wP / wR                  (2)

in care:

wP – aria proiectiei fiecarei particule;

wR = aria cercului circumscris pro­iectiei particulei;

• coeficientul de forma K = ab (3)

Starea de indesare

Inca din primele studii asupra lichefierii a fost recunoscut rolul determinant al starii de indesare asupra sensibilitatii la lichefiere. Astfel, in conceptul „acceleratiei critice“ (Maslov) se remarca dependenta acesteia de porozitatea nisipului in depozit.

Influenta determinanta a starii de indesare asupra stabilitatii dinamice a nisipurilor a impus includerea acestui parametru in majoritatea criteriilor calitative de apreciere a posibilitatii de lichefiere.

Structura pamantului

Diferentele de comportare intre probele de nisip preparate in laborator, dupa diverse tehnici si cele recoltate, fara a fi tulburate, avand aceeasi stare de indesare, au atras atentia asupra influentei semnificative a parametrilor structurali si anume: orientarea granulelor si a contactelor dintre granule; variatii ale porozitatii in cuprinsul unei probe; segregari ale particulelor.

S-au constatat influente ale acestor parametri asupra: relatiei efort unitar – deformatie specifica in cazul solicitarilor statice; modului de variatie a volumului cu deformatia specifica axiala; rezistentei la lichefiere sub solicitari ciclice; modului de crestere a presiunii apei din pori sub un efort unitar ciclic dat.

Toate aceste aspecte ale influentei rezistentei structurale asupra sensibilitatii la lichefiere, greu de cuantificat, conduc la concluzia ca este probabil ca depozitele naturale sa fie mai rezistente la solicitari ciclice decat probele formate in laborator prin metodele obisnuite. Pentru evitarea subevaluarii rezistentei la lichefiere este necesara, deci, sau aprecierea gradului de structura­lizare sau incercarea in laborator a unor probe netulburate, transportate si fasonate la dimensiunile epruvetei, fara deranjarea structurii.

Starea de umiditate si conditiile de drenare ale stratului lichefiabil in depozit

Permeabilitatea mare fata de aer a pamantului face ca solicitarile obisnuite, de exemplu de tip seismic, sa nu aiba un efect de lichefiere asupra nisipului uscat ci numai de tasare. Ca urmare, problema liche­fierii se pune, de regula, pentru zonele situate sub nivelul apei subterane si in zona de saturare capilara; la nisipuri fine si medii se poate considera ca stratul este complet saturat de la o inaltime de circa 1 m deasupra nivelului apei subterane, in jos.

Saturarea 100% a probelor ina­inte de efectuarea unor incercari de lichefiere ciclica este de o importanta deosebita. Din acest motiv, se foloseste, de regula, tehnica back-pressure, care asigura dizolvarea in apa a bulelor de aer inainte de efectuarea determinarii.

Pozitia ridicata a nivelului apei subterane are un dublu efect nefavorabil: prin reducerea eforturilor unitare normale efective, ca urmare a imersarii, se micsoreaza capacitatea portanta a terenului, rezistenta pasi­va, precum si rezistenta la lichefiere; saturarea partii superioare a terenului face posibila lichefierea in zonele care, din punctul de vedere al starii de eforturi, sunt cele mai susceptibile la lichefiere ciclica (eforturi unitare normale reduse, amplificari ale solicitarii seismice) si pot avea efectele cele mai importante asupra stabilitatii constructiilor.

Lichefierea, chiar completa intr-un strat, poate sa conduca la degradari minore ale constructiilor fundate la suprafata, daca presiunea apei din pori in exces se poate disipa rapid. De fapt, chiar nivelul maxim al presiunii apei din pori generate de solicitarea ciclica depinde de posibi­litatile de drenare simultane gene­rarii. Actiunea combinata a mai multor factori (printre care permeabilitatea si lungimea drumului parcurs de apa pentru disiparea presiunii apei din pori, pe langa parametrii solicitarii si alti factori intrinseci), determina ritmul de cres­tere a presiunii apei din pori, atingerea sau nu a unei valori critice si durata de mentinere a unei valori ridicate.

Permeabilitatea si compresibilitatea pamantului

Influenta permeabilitatii asupra fenomenului de lichefiere se reflecta prin ritmul de disipare a presiunii apei din pori. Deoarece disiparea se produce si in timpul generarii presiunii in exces, permeabilitatea poate conditiona insasi valoarea maxima a presiunii induse de solicitarea ciclica, respectiv gradul de lichefiere.

Permeabilitatea relativ mica favo­rizeaza lichefierea, in special daca stratul lichefiabil este gros, adica drumul apei pana la limitele dre­nante este lung.

Coeficientul de compresibilitate volumica, m_v, reprezinta caracteristica mecanica a pamantului care determina marimea variatiei de volum datorate disiparii presiunii apei din pori.

Starea de eforturi in masiv si istoricul eforturilor

Problema influentei starii de eforturi asupra susceptibilitatii la liche­fiere a depozitelor din materiale necoezive saturate se analizeaza, in mod deosebit, dupa starea initiala in care se gaseste masivul:

(a) un teren practic orizontal a carui lichefiere ciclica determina scaderea sau pierderea completa a capacitatii portante; pentru acest caz este caracteristic faptul ca planele orizontale si verticale sunt initial plane principale (exceptand cazurile in care la suprafata se exercita presiuni transmise de constructii);

(b) un masiv cu taluzuri (versant natural, baraj, depozit de deseuri industriale, iaz de decantare) la care cedarea se poate produce sub forma unei alunecari sau curgeri noro­ioase, prin lichefierea ciclica partiala suprapusa unei stari de eforturi existente.

In ceea ce priveste depozitele cu suprafata orizontala solicitate ciclic, este unanim recunoscut ca sensibilitatea la lichefiere ciclica scade cu cresterea eforturilor efective initiale, deci cu adancimea depozitului atunci cand ceilalti factori sunt constanti.

Istoricul eforturilor, petrecut in trecutul geologic, se reflecta prin influenta urmatorilor trei factori:

1. Conditiile de formare a terenului. (Se constata ca odata cu varsta creste si starea de indesare a depo­zitului. Printre cele mai usor lichefiabile terenuri se numara umpluturile realizate prin hidromecanizare.)

2. Perioada scursa intre forma­rea masivului de nisip si momentul solicitarii dinamice. (Prin incercari
de laborator pe probe pastrate sub incarcare constanta un timp indelungat si pe probe recoltate din
umpluturi de varsta cunoscuta, a fost demonstrata posibilitatea de marire a rezistentei la lichefiere printr-o structuralizare in timp a pamanturilor necoezive.)

3. Istoricul seismic. (Se considera ca repetarea de multe ori a solici­tarilor ciclice poate duce la o crestere importanta a rezistentei la lichefiere, determinand deseori o crestere a coeficientului de impingere in stare de repaus, K₀).

Eforturi unitare de forfecare initiale

Pe baza rezultatelor experimentale s-ar putea ajunge la concluzia ca, intr-un taluz, pericolul de liche­fiere este mai redus decat in teren cu suprafata orizontala; pericolul pare a fi cu atat mai mic cu cat panta este mai abrupta, respectiv eforturile unitare de forfecare initiale mai mari, ca o consecinta a reducerii gradului de schimbare a sensului eforturilor unitare.

In taluzuri, insa, lichefierea se poate produce prin depasirea rezistentei la forfecare in zone lichefiate partial, deci ca urmare a unor deformatii de forfecare mari (lichefiere propriu-zisa).

CONCLUZII

Acest succint studiu a realizat o trecere in revista a numarului mare de factori ce pot determina manifes­tarea fenomenului de lichefiere in cazul terenurilor de fundare necoezive.

Fenomenul complex de lichefiere necesita o atentie deosebita in predictiile realizate la granita dintre pamanturile susceptibile de a liche­fia si cele care nu sunt susceptibile de a lichefia in urma producerii unui fenomen seismic major.

BIBLIOGRAFIE

1. Idriss I. M., Boulanger R. W., Lichefierea pamanturilor in timpul cutremurelor, Editura Politehnica Timisoara, 2010;

2. Ana Nicuta, Dinamica Paman­­turilor, Editura Matei Teiu Botez, 2012;

3. Seed N. B., Idriss I. M., Analysis of soil liquefaction: Niigata earthquake, J. Soil Meeh and Foundation Div., Proc. ASCE, SMS 1967;

4. Ishihara K., Yoshimine M., Evaluation of selthements in sand deposits following liquefaction during earthquakes, Soil and Foundations, Vol 32, No. l, 1992;

5. SR – EN 1998-5:2004. Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 5: Fundatii, structuri de sustinere si aspecte geotehnice.

Autori:
mrd. Alexandru Andrei Ursachi,
mrd. Marius Cojocaru,
conf. dr. ing. Ana Nicuta – Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi“ Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Departamentul de Cai de Comunicatii si Fundatii

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 100 – ianuarie-februarie 2014, pag. 26