PROBLEME SPECIALE DE GEOTEHNICA SI FUNDATII

PROBLEME SPECIALE DE GEOTEHNICA SI FUNDATII

PAMANTURI CU UMFLATURI SI CONTRACTII MARI (P.U.C.M.)

1)Definirea P.U.C.M :

Pamanturile cu umflaturi si contractii mari, denumite si pamanturi contractile (expansive sau active) sunt pamanturi argiloase care prezinta proprietatea de a-si modifica sensibil volumul,atunci cand umiditatea lor variaza.Toate pamanturile active sunt potential capabile de umflaturi si contractii importante la variatii de umiditate,aceasta capacitate de umflare-contractie se manifesta insa numai atunci cand conditiile locale prilejuiesc manifestarea activa a potentialului de contractie-umflare a pamantului.

Din punct de vedere geologic P.U.C.M. sunt de doua tipuri :

- formatiuni de zona temperata (de la sfarsitul tertiarului si inceputul cuaternarului) constituite din depozite glaciare, lacustre sau marine vechi, de natura marnoasa calcaroasa, decalcefiate prin spalare si imbogatite in coloizi, reprezentate prin formatiuni eluviale, coluviale sau aluviale ;

- formatiuni de clima calda, bogate in materii organice,provenite din evolutia biodinamica a solului de origine glaciara sau aluvionara, care a suferit in timp o importanta evolutie pedologica devenind argile fisurate,cu porozitate si plasticitate foarte mare (prezentand o structura secundara, alcatuita din retele de fisuri care separa masa lor in bucati poliedrice cu fete lustruite).Din aceasta categorie fac parte depunerile argiloase si organice din Lunca si Delta Dunarii, de pe cursurile unor rauri si depunerile argiloase lacustre (argile grase).

La variatiile de umiditate P.U.C.M. se comporta astfel :

- in perioadele secetoase apar in teren crapaturi de contractie, de obicei sub forma unei retele poligonale, fenomenul este mai pronuntat la temperaturile puternice insorite, mai ales acolo unde apele atmosferice (ochiuri de apa, balti de mica adancime) ;

- in perioadele ploioase crapaturile incep sa se inchida, inchiderea lor porneste atat de jos, datorita umezirii prin apa care s-a infiltrat prin straturile superioare, cat si de sus unde straturile superioare se umfla prin umezire uniforma.

Pamanturile cu umflaturi si contractii mari se intalnesc in toate regiunile geografice ale tarii si sunt identificate in urmatoarele zone :

- zonele subcarpatice si piemontane din Oltenia, Muntenia, Banat si izolat in Moldova si Dobrogea ;

- Podisul Transilvaniei si mai ales in partea sa dinspre Nord si Vest ;

- zonele colineare dinspre Campia de Vest ;

- zonele de lunca si terase ale unor rauri, mai ales in Podisul Moldovenesc ;

- unele zone din Lunca si Delta Dunarii.

2) Factori care influenteaza variatiile de volum ale P.U.C.M.

Variatiile de volum cauzate de variatiile de umiditate ale P.U.C.M. sunt influientate de :

- activitatea pamanturilor ;

- conditiile hidrogeologice ;

- variatiile de umiditate ;

- presiunea transmisa de fundatie ;

- grosimea stratului ;

- suprafata umezia ;

- proprietatile fizice si chimice ale lichidului care produce umezirea pamantului.

2.1. Activitatea pamanturilor

La baza adsorbtiei sunt fenomene de natura electromoleculara, a caror explicatie trebuie cautata in natura mineralogica a particolelor argiloase, forma si finetea lor, natura polara a apei si cationii combinatiilor chimice disociate, care se gasesc in apa din natura.

Mineralele principale din care este alcatuita scoarta terestra in proportie de 59,5% sunt reprezentate prin feldspati, care sunt alumino-silicati a unor metale mono si bivalente.

Mineralul argilos care prezinta cele mai intense mariri de volum este montmorillonitul, iar variatia de volum este legata de fenomene moleculare si electromoleculare, reflectate prin existenta apei peliculare si a celei capilare, marimea lor va depinde de natura mineralogica a particulelor care alcatuiesc fractiunea argiloasa si de natura ionilor absorbiti.

2.2. Conditiile hidrogeologice

- cazul 1 : nivelul hidrostatic subteran este la o adancime mai mare de 10m. Diagrama de variatie a umiditatii cu adancimea de la suprafata terenului, determinata prin masuratori periodice de teren, arata ca la adancimea de cca 2,00m umiditatea se mentine practic constanta in tot timpul anului ;

- cazul 2 : nivelul hidrostatic subteran este la o adancime mai mica de 2,00m. Diagrama arata un orizont de iarna si altul de vara, adancimea de la care umiditatea ramane practic constanta fiind de cca 1,40m. De la aceasta adancime fundatiile nu mai sunt influentate de uscaciune ;

- cazul 3 : nivelul hidrastatic subteran este la o adancime intermediara, intre 2 si 10 m in cazul cand diagrama rezulta ca o combinatie a celor doua cazuri precedente. Din ea rezulta ca zona AB nu este supusa variatiilor de umiditate. Punctele C si D corespund adancimilor maxime de variatie ce se ating vara (D), respectiv iarna (C). Fundarea in zona AB sau sub punctul D cand zona AB lipseste, se face in conditii sigure. Punctele A, B, C, D se stabilesc prin observatii sezoniere in teren.

2.3. Variatiile de umiditate

Variatiile de umiditate pot aparea din urmatoarele motive :

- datorita infiltratiilor de apa atmosferica sau din instalatii industriale sau prin ridicarea nivelului hidrostatic ;

- acumularea umiditatii sub constuctii intr-o zona limitata ca adancime prin perturbarea conditiilor naturale de evapo-transpiratie ;

- umflari si contactii in partea superioara a zonei de aeratie din cauza schimbarii regimului hidro-termic provocat de variatiile climatice ;

- prezenta vegetatiei perne langa constuctii.

La evaluarea distributiei de echilibru a umiditatii distingem urmatoarele doua situatii :

- prima in care nivelul apei subterane se gaseste la mica adancime (sub 6m ) fata de nivelul terenului si cand starea de echilibru a umiditatii este conditionata de nivelul apei subterane ;

- a doua in care nu exista un strat de apa subterana si cand starea de echilibru a umiditatii este conditionata in principal de conditiile climatice ale regiunii considerate.

Pentru situatiile intermediare cand exista un strat de apa subterana la adancime mare, se considera zona de aeratie subimpartita in doua zone :

- una inferioara in care este predominant efectul stratului de apa subterana ;

- una superioara in care starea de echilibru a umiditatii este determinata de conditiile climatice ale amplasamentului considerat precum si de conditiile de dirijare a apelor in vecinatatea imediata a constructiei.

In terenul de sub imbracamintea impermeabila se realizeaza un echilibru al starii de umiditate corespunzator unor suctiuni determinate de conditiile si natura pamantului.

Cunoscand distributia umididǎtii in perioada executǎrii constructiei si distributia finalǎ de echilibru a umiditǎtii se pot estima in mod aproximativ modificǎrile de volum aferente schimbǎrilor de umiditate. Tinand seama de faptul cǎargilele rǎman practic saturate pentru suctiuni mai mici de 10⁴ cm coloanǎ de apǎ (pF<4) se va folosi relatia :

,in care

- este densitatea pǎmantului ;

- umiditatea initialǎ ;

- variatia volumului relativ de pǎmant ;

- variatia de umiditate fatǎ de umiditatea ini intialǎ w₀.

Relatia mentionatǎ a fost dedusǎ din relatia :

in ipoteza cǎ pǎmantul a fost initial saturat, in final este saturat si pe tot timpul in care a avut loc variatia de volum a rǎmas de asemenea saturat.

In aceastǎ situatie, indicii porilor pot fi exprimati functie de umiditate :

si

Dacǎ umiditatea se exprimǎ in procente, se obtine relatia :

unde =1daN/cm³

Factorul climatic si variatiile de temperatura in sol influienteaza prin regimul lor alternant pe anotimpuri si chiar zilnic umflarea, respectiv contractia pamantului. Zonele cu P.U.C.M. din ntului. Zonele cu P.U.C.M. din tara au precipitatii de 500..700mm/an cu regim torential si ecarturi mari de temperatura intre vara si iarna si intre zi si noapte in timpul verii (peste 10 - 20 grade C) care provoaca fenomene repetate de umflare si contractie pana la o adancime de cca 2,00m.

Variatii mult mai importante de umiditate au loc in timpul exploatarii constructiei atat prin efectul de acoperire a suprafetei terenului si prin efectul ciclic sezonier dat de factorul climatic, cat si prin procesele tehnologice care pot modifica temperatura si umiditatea terenului de fundare.

2.4. Presiunea transmisa de fundatie

Umiditatea si indesarea influenteaza in sensul ca cu cresterea umiditatii initiale se reduce umflarea, iar la o umiditate egala cu umiditatea de umflare, deformatia de umflare nu are loc. Cu marirea indesarii initiale, creste umflarea.

Presiunea de umflare este independenta de suprasarcina, de umiditatea initiala, gradul de umuditate si grosimea stratului si creste cu cresterea densitatii initiale a pamantului in stare uscata.

2.5. Grosimea stratului

Cu cat stratul este mai gros, cu atat exista posibilitatea ca sa aiba loc o umflare mai mare rezultata din insumarile umflarilor ce au loc in diferite puncte.

2.6. Suprafata umezita

Cu cat suprafata umezita sub constructie va avea dimensiuni mai reduse, cu atat creste neuniformitatea deformatiilor care vor avea loc sub aceasta, marind gradul pericolului aparitiei unor degradari in constructia respectiva.

2.7. Proprietatile lichidului infiltrat si procesele tehnologice din constuctiile respective

In cazul constructiilor industriale, unele reziduri chimice pot provoca umflarea terenului care nu prezinta cresteri importante de volum la sporirea umiditatii. Procesele tehnologice cu surse puternice de caldura sau de frig, pot conduce la variatii importante de umiditate si de volum ale terenului de fundare argilos.

3. Limita de contractie

In cadrul pamanturilor argiloase se definesc trei umuditati caracteristice si anume:

- limita de plasticitate - w_P

- limita de curgere - w_L

- limita de contractie - w_S

Limita de contractie, cand umiditatea scade sub limita de plasticitate, pierderea apei se manifesta prin formare de meniscuri capilare, pana cand argila trece de la starea unui corp cvasisolid in starea unui corp tare.

Reprezentarea variatiei de volum in raport cu variatia umiditatii, este util sa fie reprezentata in raport cu volumul unei mase de 100g de pamant uscat.

Volumul unui pamant saturat este alcatuit din volumul ocupat de schelet si volumul ocupat de apa.

in care,

- este volumul total ;

- volumul ocupat de schelet ;

- volumul ocupat de ap

Limita de contractie se obtine pe abscisa la intersectia celor doua ramuri rectilinii a curbei de contractie-umiditate. La limita de contractie, pamantul respectiv are greutatea volumica maxima.

Limitele de variatie a umiditatii se iau :

- pentru probe netulburate, umiditatea de saturatie (w_sat) si limita de contractie (w_S) ;

- pentru probe tulburate, limita de curgere (w_L) si limita de contractie (w_S) ;

Pentru primul caz se poate scrie :

in care,

- este volumul initial al probei de p mant ;

- volumul final al probei de p mant ;

- masa de p mant uscat.

S-a constatat ca micsorarea volumului probei nu este egala cu volumul de apa evaporat,deoarece porii raman plini cu vapori de apa saturati si ca umiditatea initiala influenteaza micsorarea de volum a probei.

Indici geotehnici dedusi din curba de contractie-umiditate :

- contractia volumica care se calculeaza cu relatia :

La terenuri argiloase obisnuite C_v=10%.

Probabilitatea producerii unor variatii de volum importante a p mantului poate fi apreciat cu ajutorul inegalit tii:

in care,

V si e - este volumul specific, respective indicele porilor corespunz torst rii naturale;

V_L si e_L - volumul specific, respective indicele porilor corespunz tor limitei superioare de plasticitate(w_L).

3.1. Umflarea libera se calculeaza cu relatia :

3.2. Umiditatea la suctiune

Prin suctiune se intelege deficitul de presiune inraport cu presiunea atmosferica care apare in apa din porii materialelor hidrofile nesaturate. Suctiunea este conditionata de factorii care influenteaza interactiunea dintre apa si faza solida,natura si alcatuirea scheletului, continutul de saruri din apa, starea termica si electrica.

Suctiunea osmotica isi are originea in fenomenul de osmoza, datorita concentratiei variate de saruri din apa peliculara. Ea se evidentiaza prin presiunea osmotica care se calculeaza cu relatia :

in care,

- este presiunea osmotic

- constanta gazelor ;

- temperatura in grade Kelvin ;

- concentratiile celor dou solutii.

Suctiunea osmotica apare datorita presiunii osmotice a doua lichide ce contin saruri in concentratii diferite. Suctiunea poate sa aparq in materiale cu schelet rigid, materiale cu granule relativ mari (prin capilaritate) si granule mici (prin adsorbtie).

La un pamant compresibil unde o parte din presiunea exterioara este preluata de schelet, relatia este :

in care,

- este presiunea apei din pori ;

- nsuctiunea ;

- presiunea exterioar

- factor de compresibilitate.

Pentru fiecare pamant se poate stabili corelatia intre marimea suctiunii si umidiatea sa.

Se foloseste logaritmul zecimal al acestei cifre notat p.F. Suctiunea de 15 bari este aproximativ egala cu 15000cm coloana de apa.

3.3. Granulozitatea

Se refera la continutul procentual de granule, avand diametrul egal si mai mic decat 0,002 mm.

3.4. Caldura maxima de umezire

Este dezvoltata de unitatea de masa, si este cantitatea de caldura degajata la umezirea pana la saturatie a unui gram de pamant uscat in etuva la 105^oC.

3.5. Indicele de plasticitate calculat cu relatia :

3.6. Criteriul de plasticitate care se calculeaza cu relatia :

Cand p mantul prezint umfl ri si contractii mari.

3.7. Capacitatea de adsorbtie se calculeaza cu relatia :

in care,

- este masa de ap absorbit la suctiunea

- masa de p mant uscat si mojorat.

3.8. Indicele de activitate calculat cu relatia :

in care,

- este indicele de plasticitate ;

- continutul in fractiuni mai micisau egale cu 0,002 mm.

Indicele de activitate se aclculeaz si pentru un diametru de 0,005 mm.

3.9. Indicele de contractie-umflare se calculeaza cu relatia :

Functie de valoarea acestui indice exist urm toarele posibilit ti:

sunt posibile numai contractii

sunt posibile si fenomene de contractie si de umflare

sunt posibile numai fenomene de umflare.

Functie de indicii aratati exista posibilitatea de a clasifica pamanturile contractile in trei categorii :

- pamanturi foarte active (de contractilitate foarte mare) ;

- pamanturi active (de contractilitate mare) ;

- pamanturi putin active (de contractilitate mica) ;

4. Calculul marimii deformatiilor terenului de fundare provocate de fenomene de contractie-umflare

Se folosesc marimile umflarilor relative si a contractiilor relative, determinate pentru diferite valori ale presiunilor verticale si a celor de umflare.

Ridicarea terenului de sub fundatii prin umflare, in urma umezirii se determina cu relatia :

in care,

- este umflarea relativ a terenului din stratul  i  ;

- grosimea stratului considerat ;

- coeficient al conditiilor de lucru.

Umflarea relativa a terenului se determina in mod diferit, functie de cauzele care au determinat variatia de umiditate.

- in cazul infiltrarii apei se foloseste relatia :

in care

- este in ltimea probei de teren de umiditate si indesare natural , comprimat f r posibilitatea deform rii laterale, sub sarcina egal cu presiunea total p_tot;

- in ltimea aceleiasi probe dup umezire, comprimat in aceleasi conditii.

- in cazul ecranarii suprafetei prin care s-a produs schimbarea regimului hidro-termic se foloseste relatia:

in care

pentru

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

- umiditatea de echilibru a p mantului ;

- umiditatea initial a p mantului ;

- indicele initial al porilor pentru p mantul respectiv.

- in cazul variatiei regimului hidro-termic valoarea(w_k-w₀) se determina ca diferenta dintre umiditatea corespunzatoare perioadei de umiditate maxima si umiditatea corespunzatoare perioadei de seceta.

Marimea tasarii terenului de fundare ca rezultat al contractiei pamantului contractil S se determina cu relatia :

in care

- este concentratia liniar specific a stratului  i  la o presiune egal cu suma presiunii geologice, presiunii suplimentare din sarcina transmis de fundatie lamijlocul stratului considerat la o variatie a umidit tii p mantului de la valoarea ei maxim si cea minim;

- grosimea stratului considerat;

- coeficient al conditiilor de lucru la contractie, care se ia egal cu 1,3;

- num rul de straturi, in care s-a imp rtit zona in care se manifest contractia.

5. Comportarea constructiilor depinde de amplasarea si intensitatea fenomenelor de contractie-umflare care sunt conditionate de :

- structura, forma si marimea constructiei ;

- adancimea de fundare si modul de realizare a fundatiilor ;

- anotimpul in care s-au realizat fundatiile;

- posibilitatile de infiltrare a apelor atmosferice si expunerea la soare a terenului de fundare din imediata vecinatate a constructiei ;

- conditiile de exploatare a constructiei.

5.1. Aparitia degradarilor la constructiile la care nu s-au luat masurile corespunzatoare se produce astfel:

- la cladirile de zidarie de caramida cu fundatii directe de beton, fisurile in fundatii si ziduri apar de regula in primul sau al doilea an dupa executie si evolueaza contiuu ;

- cladirile cu schelet de lemn fisureaza mai putin, dar se deformeaza foarte mult ;

- la toate felurile de constructii, colturile puternic insorite dinspre sud-vest se taseaza cel mai mult din cauza contractiei, provocand aparitia fisurilor si crapaturilor in V (deschise mai mult la partea superioara). Daca executia constructiei s-a efectuat intr-o perioada secetoasa, in perioada umeda care urmeaza pamantul se umfla, provocand aparitia fisurilor si crapatirilor in A (deschise mai mult la partea inferioar

6. Masuri de proiectare si executie in cazul P.U.C.M. si corelarea lor cu posibilitatea de manifestare a contractiei sau umflarii terenului de fundare

Adancimea de fundare minima se stabileste in functie de nivelul hidrostatic, dupa cum urmeaza :

- cand nivelul hidrostatic este la adancime mai mare de 10m sau este intre 2 si 10 m, adancimea de fundare se va lua de 2 m si nu mai mica de 1,50 m ;

- cand nivelul hidrostatic este la o adancime mai mica de 2 m, adancimea de fundare se va lua de 1,50 m ;

- cand nivelul hidrostatic se mentine constant la o adancime mai mica de 2 m, sub 1,40 m umiditatea se mentine constanta si nu mai pot sa apara variatii de volum ;

- daca sub adancimea de fundare aleasa se afla pamanturi contractile de natura organica, se va analiza posibilitatea depasirii partiale sau totale a acestor straturi.

6.1. Masuri care se adopta in cazul in care nu se poate respecta adancimea minima de fundare :

- adancimea de fundare ;

- importanta, marimea si structura de rezistenta a constructiei ;

- nivelul hidrostatic subteran in amplasament ;

- grosimea si potentialul de contractie-umflare a pamantului care alcatuieste terenul de fundare ;

- variatia umiditatii pamantului de fundare, in perioada executiei si exploatarii consructiei ;

- gradul de asigurare admis al constructiei.

6.2. Masuri care se adopta in cazul in care se respecta adancimea minima de fundare, masuri pentru prevenirea degradarilor :

- sectionarea cladirii si fundatiei in tronsoane de de maximum 30 m,prin rosturi de tasare ;

- conductele purtatoare de apa sa fie pozate si realizate in asa fel incat sa se elimine pierderi de apa, chiar la aparitia unor denivelari, fiind accesibile pentru control si reparatii ;

- In jurul cladirilor se vor executa trotuare etanse, avand latimea de minimum 1,00 m, asezate pe un strat de pamant stabilizat in grosime de 20 cm si cu o panta spre exterior de 5% ;

- evacuarea apelor superficiale cazute direct sau provenite de pe acoperis si amenajarea suprafetei terenului inconjurator cu pante de scurgere care sa le conduca la distante mai mari de 10 m in afara conturului constructiei ;

- evitarea existentei de arbori la distante mai mici de 3..5 m fata de constructie, distanta luandu-se functie de importanta constructiei, natura aborilor si potentialul de contractie-umflare a terenului ;

- anexele cladirilor(scari, terase) vor fi fundate la aceeasi adancime cu constructiile respective, ele fie legandu-se rigid de constructie, fie separandu-se complet ;

- se vor urmari deplasarile in timp ale constructiei si comportarea ei.

6.3. In cazul fundarii la o adancime cuprinsa in zona de variatie sezoniera a umiditatii mai mica decat cea indicata precedent, in special pe P.U.C.M. cu contractilitate mare sau foarte mare, se vor prevedea urmatoarele masuri constructive speciale :

- reducerea umflarii prin marirea presiunii efective pe talpa fundatiei, pana la o valoare cel putin egala cu presiunea de umflare, care insa nu va depasi capacitatea portanta a terenului ;

- prevederea unor structuri sau a unor masuri constructive care sa permita preluarea impingerilor sau deplasarilor neuniforme cauzate de umezirea, respectiv uscarea terenului de fundare;

- imbinarile elementelor de rezistenta la structuri din beton armat prefabricat, trebuie proiectate si realizate cu luarea in considerare a efectelor deformarii neuniforme a terenului;

- inlaturarea proprietatilor de contractie-umflare in limitele intregului pachet sau a unei parti din el prin umezire prealabila, folosirea unor perne compensatoare de nisip, inlocuirea totala sau partiala a terenului contractil cu un teren necontractil, srtapungerea cu fundatiile complet sau incomplet terenul alcatuit din P.U.C.M., prin sisteme indirecte de fundare.

6.4. Cauzele principale ale degradarilor sunt:

- infiltratiile de apa prin rosturile si fisurile imbracamintilor;

- ruperea taluzurilor ca urmare a infiltratiei apei prin fisurile constructiei ;

- deformatii prin contractie la uscare atunci cand canalul nu are apa.

6.5. Masurile care se folosesc de obicei sunt :

- inlocuirea unui strat de 0,50..0,80m cu material granular inert ;

- prevederea de imbracaminti asfaltice sau folii impermeabile din material sintetic ;

- saturarea terenului inainte de executarea lucrarii ;

- protectia zonelor marginale.

In pamanturile argiloase active, structurile vor trebui armate si separate de terenul inconjurator prin straturi de material granular, prevazand conditii de drenare sau de impermeabilizare.