Fizica mediilor poroase i hidraulic subteran prof. dr. ing.
Vasile GrecuI. INTRODUCERE
Cunoaterea condiiilor n care se gsete i se deplaseaz apa n
materialele poroase este necesar n numeroase probleme practice
studiate de diferite discipline.Astfel, n geotehnic, condiiile de
umiditate ale pmnturilor reprezint, n marea majoritate a cazurilor,
factorul hotrtor care determin proprietile sale mecanice adic
comportarea sa sub aciunea solicitrilor externe. Experiena arat c
rezistena la forfecare i compresibilitatea, umflarea sau contracia,
rezistena la spat, capacitatea de compactare, tasarea suplimentar
prin nmuiere, modul de umezire i desfacerea n ap, rezistena la
eroziune precum i alte aspecte legate de comportarea pmntului ca
teren de fundare sau ca material pentru construciile din pmnt, sunt
condiionate n mod hotrtor de starea de umiditate a
acestuia.Comportarea pmnturilor i a altor materiale poroase de
construcii, atunci cnd sunt supuse aciunii unor solicitri statice
de durat, adic unor fenomene de tipul curgerii lente i relaxrii
depinde n mod hotrtor de starea de umiditate a materialelor.n
general se poate spune c toate proprietile mecanice, termice,
electrice etc., att ale pmnturilor ct i ale altor materiale poroase
depind de starea lor de umiditate.Deoarece condiiile de umiditate
nu reprezint ceva static ci sunt n permanent schimbare, reprezint
interes nu numai cunoaterea strii de umiditate la un moment dat ci
i prevederea modificrilor care pot surveni n decursul timpului.
Pentru aceasta este necesar s se stabileasc factorii interni i
externi care condiioneaz fenomenele de micare a apei prin pmnt i
prin alte materiale poroase, legile dup care are loc aceast micare
precum i eventualele fenomene pe care le genereaz. Cunoaterea
fenomenelor de micare a apei prin pmnt este necesar ntr-o serie
ntreag de probleme care apar odat cu executarea i exploatarea
construciilor.Pn n prezent astfel de fenomene au fost studiate n
special n legtur cu determinarea pierderilor datorit infiltraiei
apei prin terenul de fundare, prin corpul construciilor
hidrotehnice de retenie, sau prin cunoaterea debitelor de ap ce pot
fi pompate din puuri sau care ptrund n groapa fundaiei. n toate
aceste cazuri pmntul se consider saturat, iar interaciunea dintre
ap i scheletul solid se reduce, de obicei, la efectul mecanic
datorat frecrii dintre ap i particulele solide care, n unele
cazuri, poate conduce la producerea unor fenomene de antrenare
hidrodinamic.Exist ns alte numeroase cazuri n care pmntul
nemaifiind saturat nu se mai poate aplica metodele i rezolvrile
proprii hidrodinamicii subterane clasice. Astfel de cazuri apar de
exemplu atunci cnd are loc o coborre general a nivelului apelor
subterane n pmnturile cu granulaie fin, n cazul lucrrilor de
irigaie i drenaj, al tasrii pmnturilor nesaturate, n cazul uscrii
pmntului ca urmare a evaporrii de la suprafaa terenului sau al
evapotranspiraiei plantelor etc.Fenomenele de micare a apei n regim
nesaturat se produc, de asemenea, atunci cnd apa din teren se ridic
prin ziduri provocnd umezirea excesiv a acestora, ceea ce conduce
la apariia igrasiei, atunci cnd dup umezirea pereilor cldirilor de
ctre ploi are loc o redistribuire a umiditii, n cazul circulaiei
apei prin perei provocat de diferenele de temperatur etc.n toate
aceste cazuri materialul fiind nesaturat, interaciunea dintre ap i
scheletul solid se manifest n special sub forma apariiei unor fore
de reinere a apei de ctre scheletul solid hidrofil.Aceste fore de
reinere se manifest nu numai la pmnturi i la materialele de
construcii, ci i la celelalte corpuri poroase hidrofile cum sunt de
exemplu materialele supuse proceselor industriale de uscare
(crbuni, turb, lemn, piele, cereale, produse alimentare,
etc).Importana condiiilor de umiditate a solului pentru obinerea
unor recolte bogate a constituit factorul care a condus la
efectuarea unor studii ample, nc de la nceputul secolului al XXlea,
n tiina solului. Studiile i cercetrile privitoare la condiiile de
umiditate a materialelor poroase , efectuate n diferite discipline
conin pe lng elementele specifice domeniului respectiv i o serie de
aspecte cu caracter general aplicabile i n alte domenii.n aceast
categorie intr probleme referitoare la fenomenele de interaciune
dintre ap i scheletul solid i modul de caracterizare a intensitii
lor, legile de micare a apei din corpurile poroase, etc.
II. FAZELE CONSTITUIENTE ALE PMNTULUIPmntul este un sistem
complex, trifazic, n alctuirea cruia intr: scheletul mineral (faza
solid), apa din pori, inclusiv srurile dizolvate n ea (faza lichid)
precum i aerul sau alte gaze (faza gazoas).II.1. Faza lichidApa,
dei este un lichid foarte obinuit, nu este totui un lichid tipic,
simplu, ci, aa cum se va arta n continuare, este o substan cu
proprieti fizico-chimice deosebite, care au o mare influen asupra
comporttii substanelor sau corpurilor cu care vine n contact.Dup
cum se tie, molecula de ap este alctuit dintr-un atom de oxigen i
doi atomi de hidrogen. La rndul su, atomul de hidrogen const
dintr-un proton cu sarcin pozitiv i un electron cu sarcin negativ
(Figura II.1. a i b). Atomul de oxigen are opt electroni din care
ase n ptura exterioar (figura II.1.c). Din cauz c ptura exterioar a
hidrogenului are un loc liber pentru un electron suplimentar
(cercul punctat) iar n ptura exterioar a oxigenului exist locuri
libere pentru doi electroni, aceti doi atomi au afinitatea unul
pentru cellalt i drept urmare ia natere molecula de ap (fig.
II.1.d) n care o parte din electroni asigur legtura ntre atomul de
oxigen i atomii de hidrogen.Figura II.1. Schema dipolului de
ap;Schematic molecula de ap este reprezentat de obicei n literatura
de specialitate ntr-una din formele din figurile II.1. e, f, g sau
h.Dup cum se tie din chimia fizic atomul de hidrogen are o
proprietate care-l deosebete de toi ceilali atomi i anume aceea c
cedndu-i electronul pentru formarea legturii, rmne sub form de
nucleu fr electroni, adic de particul, al crui diametru este de mii
de ori mai mic dect diametrul celorlali atomi. Din cauza lipsei
electronilor ionul H+ nu este respins de nveliul electronic al
altui atom sau ion ci este atras de el (figura II.2.) Datorit
acestui fapt el se poate apropia mai mult de ali atomi i intr n
interaciune cu electronii lor, nsuire care se manifest cu att mai
puternic cu ct cedarea electronului de ctre atomul de hidrogen este
mai complet.
Figura II.2. Reprezentarea schematic a legturii
hidrogenice;Datorit legturii de hidrogen moleculele de ap nu sunt
libere s se roteasc, cum se rotesc spre exemplu moleculele de
benzen n stare lichid, ci sunt asociate constituind un fel de
molecul gigantic de mrimea vasului. Astfel, spre exemplu apa este
una dintre puinele substane care n stare lichid are o densitate mai
mare dect n stare solid i care prezint densitatea maxim la cteva
grade (3,98) deasupra punctului de nghe (figura II.3).
Figura II.3. Variaia densitii apei cu temperatura;
Structura deosebit a apei are consecine asupra vscozitii,
constantei dielectrice i conductivitii electrice.n apa liber
moleculele sunt legate prin legturi de hidrogen i pentru ca s poat
ncepe curgerea trebuie s se rup cel puin una din legturi, aa c de
fapt este vorba mai mult de o rotaie dect de o alunecare. Deoarece
atomii de hidrogen a unei molecule sunt legai n medie cu atomi de
oxigen din alte dou molecule nu este necesar ca s se rup dintr-o
dat ambele legturi ci pentru un timp doar una, i datorit acestui
fapt vscozitatea apei lichide este mai mic dect s-ar fi putut
presupune datorit faptului c moleculele sunt legate mpreun prin
legturi de hidrogen.Expresia rezistenei vscoase dF (figura II.4.)
este dat de legea lui Newton:
Figura. II.4. Schem pentru definirea vscozitii;
n care: - este vscozitatea dinamic sau absolut a lichidului;
- gradientul de vitez, adic viteza relativ a unui strat fluid fa
de stratul paralel la distana dx;dA aria elementar;
Sensul fizic al coeficientului se determin destul de simplu, el
fiind egal numeric cu fora de antrenare (frecare), care acioneaz pe
1 cm2 de suprafa perpendicular pe direcia x i deci paralel cu
viteza v, pentru un gradient de vitez unitar . n sistemul
internaional [S.I.] unitatea de vscozitate dinamic este Ns/m2,
unitate care a primit denumirea de poise, dup numele fiziciaului
francez J. Poiseuille i care se noteaz cu simbolul P. 1P=1
g/cms=0,10 kg/msLa lichide, este de ordinul a 10-3 daP iar la gaze
este aproximativ egal 10-5 daP.Inversul vscozitii dinamice se
numete fluiditatea:
n afar de vscozitatea dinamic se mai definete i vscozitatea
cinematic ca fiind raportul dintre vscozitatea dinamic i densitatea
lichidului .
Unitatea de msur a vscozitii cinematice este stockes St n CGS
iar n S.I. unitatea de msur este m2/J (1 St=1 cm2/J=10-4 cm2/J),
care este egal cu vscozitatea cinematic a unui lichid de mas
specific 1 g/cm3 i de vscozitate absolut 1 P.Vscozitatea cinematic
la lichide este aproximativ egal cu 10-6 m2/J, la gaze este
aproximativ egal cu 10-5 m2/J (deci mai mare ca la
lichide).Coeficientul de vscozitate dinamic al apei scade n mod
sensibil cu creterea temperaturii (figura II.5) aa fel nct la 100C
are o vscozitate de aproape 6 ori mai mic dect la 0C. n schimb
presiunea influeneaz n msur mult mai mic vscozitatea apei (figura
II.6) (vscozitile au fost raportate la cea corespunztoare pentru
t=0C i presiunea atmosferic).
Figura II.5. Variaia coeficientului de vscozitate Figura II.6.
Variaia vscozitii relative a apei cu dinamic a apei cu temperatura;
cu presiunea pentru diferite temperaturi;
Pentru caracterizarea regimului de curgere a lichidelor vscoase
se folosete numrul lui Reynolds care reprezint raportul dintre fora
de inerie i rezistena datorit vscozitii lichidului:
n care i sunt densitatea respectiv vscozitatea lichidului; -
este viteza lichidului;D diametrul tubului.
Numrul lui Reynolds, este o mrime adimensional i are aceeai
valoare numeric n orice sistem de uniti folosit n mod consecvent.Un
alt fenomen legat de faza lichid a pmntului la care se face
referire n cele ce urmeaz este cel de osmoz, care const n pstrarea
moleculelor de solvent printr-o membran semipermeabil n tendina de
a se egala concentraiile soluiilor din cele dou pri ale membranei.
Acest fenomen continu pn cnd presiunea coloanei de lichid din tubul
osmometrului devine egal cu presiunea osmotic a crei expresie a
fost stabilit de vant Hoff.
n care: R este constanta gazelor perfecte (8,31107 erg/grd
mol);C concentraia molar a soluiei;
temperatura absolut;
Figura II.7. Schema osmometrului;n ceea ce privete
compresibilitatea apei este de observat c i n cazul acestei
substane volumul scade o dat cu creterea presiunii. Dac un volum de
ap unitar este supus unei presiuni p atunci noul volum exprimat ca
raport fa de volumul iniial va fi dat de relaia:
n care este coeficientul de compresibilitate a apei.Difereniind
expresia se obine:
Dac presiunea p este exprimat n daN/cm2, atunci se observ c are
dimensiunile cm2/daN. Coeficientul are urmtoarele valori pentru ap
distilat sau soluii de sare cu diferite concentraii la
0C.cm2/daN
Ap distilat0,000047
Ap coninnd 5,8% sare0,000040
Ap coninnd 17,8% sare0,000032
Ap coninnd 30,2% sare0,000026
Ap coninnd 40,9% sare0,000022
Faptul c pe msur ce crete concentraia se reduce coeficientul de
compresibilitate se datoreaz obinerii unor structuri mai compacte a
soluiei ca urmare a fenomenului de hidratare a ionilor de
electrolit.O alt proprietate fizic care intereseaz este aceea a
capacitii calorice. n aceast privin trebuie menionat c dintre toate
substanele, apa are cldura specific cea mai mare, valoarea acesteia
din urm fiind chiar folosit pentru a defini unitatea de cldur.
Aceast unitate, caloria, reprezint cantitatea de cldur necesar
pentru a nclzi o mas de ap cu un gram, de la 14,5C la 15,5C,
presiunea exterioar fiind de o atmosfer (760 mmHg).Dup cum se tie,
la presiunea atmosferic, apa fierbe la 100C. Cu micorarea presiunii
ns temperatura de fierbere scade aa dup cum se arat n figura II.8 i
invers, cu mrirea presiunii, temperatura de fierbere crete. Cldura
latent de evaporare pentru presiunea normal este de 539,1, cal/g. n
figura II.9 se arat modificarea cldurii latente de evaporare cu
temperatura.
Figura II.8. Presiunea vaporilor saturai de ap n funcie de
temperatur;Figura II.9. Cldura latent de evaporare n funcie de
temperatur;
II.2. Faza gazoasn pmnt, gazele se gsesc n spaiul neocupat de ap
dintre granulele minerale. Ele sunt constituite din vapori de ap,
bioxid de carbon, azot i oxigen.Din punct de vedere al legturii
care poate exista ntre gaze i granulele minerale, ele pot fi
adsorbite sau libere. Gazele din goluri pot comunica sau nu cu
atmosfera. Gazele care comunic cu atmosfera au temperatura i
presiunea zonei vecine din atmosfer. Gazele care comunic cu
atmosfera au temperatura i presiunea zonei vecine din atmosfer. Dac
presiunea i temperatura atmosferic variaz sau dac se aplic o
ncrcare care tinde s reduc porozitatea pmntului, aceste gaze prsesc
cu uurin golurile dintre granulele minerale. Gazele care nu comunic
cu atmosfera, denumite gaze nchise, se ntlnesc de obicei n
pmnturile fin dispersate i prin prezena lor influeneaz pmnturile n
ceea ce privete comportarea lor sub aciunea ncrcrilor. Ele reduc
capacitatea pmnturilor de a permite trecerea unui lichid prin
ele.Efectul principal al bulelor de gaz din pori const n formarea
suprafeelor libere a apei n golurile dintre granule sub forma unor
meniscuri. Prin aceasta apar fore de tensiune superficial n pori
care modific proprietile mecanice ale pmntului ce conine aceste
bule de aer.Aerul din pmnt poate fi solvit n ap, cantitatea de aer
solvit, n volum, fa de volumul de ap fiind funcie de temperatur
(scade cu creterea ei) i presiune (crete cu creterea ei). n cazul
scderii presiunii din lichid, o parte din aerul i gazele solvite se
degajeaz din lichid i formeaz bule care se lipesc de suprafaa
granulelor minerale. n afar de aer, n pmnt pot s apar i alte gaze
ca urmare a unor reacii chimice. nchiderea aerului n golurile din
pmnt poate s apar i n urma saturrii incomplete a acestuia sau a
degajrii lui din lichidul n care a fost solvit. Prin scderea
presiunii de ap, n afar de degajarea unui volum de aer care a fost
solvit, are loc i dilatarea celui existent sub form de bule.
Vaporii de ap. Apa sub form de vapori ntr-un pmnt apare cu precdere
n zona de contact al acestuia cu atmosfera (zona de aeraie).Dac
presiunea vaporilor din interiorul pmntului este mai mare dect cea
din atmosfer se produce evaporarea apei din porii pmntului. Dac
temperatura scade, se produce condensarea vaporilor din interiorul
pmntului, prin faptul c vaporii din aer cu presiune mai mare ptrund
n pmnt.Avnd n vedere cele artate mai sus rezult c uscarea pmntului
va ncepe n porii cei mai mari, cu apa gravitaional, urmat de apa
capilar din porii din ce n ce mai fini. Pe msura evaporrii apei din
pori, cnd acest proces cuprinde apa legat i distruge echilibrul
osmotic, ncepe procesul deplasrii apei legate din porii mai mici
nconjurtori spre centrele de evaporare. Procesul de evaporare fiind
neuniform, forele de contracie sunt repartizate, de asemenea,
neuniform n volumul de pmnt, ceea ce duce la fragmentarea lui. n
condiii naturale, procesul ncepe de la suprafaa terenului,
deplasndu-se foarte ncet n adncime, porii saturndu-se rapid cu
vapori de ap. Aceasta are ca rezultat faptul c evaporarea se
ncetinete brusc sau se ntrerupe aproape complet. Acest fenomen
explic de ce sub un strat subire de pmnt argilos uscat, la o mic
adncime se menine n decursul unui timp ndelungat starea plastic a
aceluiai pmnt. Contraciile provocate de evaporare pot fi asimilate
cu efectul unor tensiuni ce se exercit asupra volumului de
pmnt.Prin fragmentarea pmntului apar crpturi care mresc suprafaa
frontului de uscare, uurnd evaporarea.Un pmnt uscat n contact cu
aerul va absorbi umezeala din el pn cnd se va realiza un echilibru
ntre apa coninut n pmnt i tensiunea vaporilor din aer. Variaia
umiditii funcie de tensiunea relativ a vaporilor poate fi
reprezentat grafic prin izotermele de sorbie i desorbie. Creterea
presiunii vaporilor n aer duce la creterea umiditii n pmnt. Curbele
reprezentnd izotermele de sorbie i desorbie se folosesc n practic
pentru stabilirea proporiei volumului porilor avnd diferite
dimensiuni, ele fiind caracteristice pentru pmntul dat.n cadrul
fazei gazoase din pmnt prezint interes cunoaterea umezelii relative
a aerului din pori w, definit ca raportul dintre concentraia
vaporilor la o umiditate dat cw i la saturaie cw,sat, respectiv
presiunile de vapori. Ea se poate calcula cu relaia:
II.3. Faza solid
Baza tuturor proprietilor specifice ale pmntului o constituie
faza sa solid.Dup cum se tie, n procesul alterrii mineralelor
constituiente ale rocilor primare se comport n mod diferit: cele
mai rezistente rmn sub form de fragmente mai mari i alctuiesc masa
principal a pmnturilor nisipoase iar cele mai puin rezistente sufer
o mrunire accentuat, urmat de obicei i de o alterare chimic, care
le transform n mineralele secundare care alctuiesc masa predominant
a pmnturilor argiloase.Din prima categorie face parte n special
cuarul, iar datele din literatura de specialitate confirm prezena
acestui mineral n fraciuni granulometrice mai mari,
nisipoase.Cuarul are densitatea specific de 2,65 g/cm3.Alt mineral
din prima categorie este mica, care se prezint sub form de foie
foarte fine i care pot fi recunoscute chiar cu ochiul liber datorit
sclipirilor caracteristice.Feldspatul este un alt mineral primar
care se ntlnete de obicei n pmnt n cantiti mult mai mici dect
cuarul sau mica deoarece se altereaz foarte uor, rezultnd o serie
de minerale secundare.Cercetrile au stabilit c pmnturile argiloase
sunt compuse n esen din particule extrem de fine, avnd dimensiuni
de ordinul micronilor sau chiar mai mici, alctuite din unul sau din
mai multe minerale argiloase secundare.Din punct de vedere chimic
mineralele argiloase sunt silicai de aluminiu, de fier sau de
magneziu iar unele dintre ele conin minerale alcaline sau
alcalino-pmntoase. Aceste minerale de obicei sunt cristaline, adic
atomii componeni sunt aezai ntr-un sistem geometric definit. Se
cunosc i cazuri de pmnturi argiloase cu coninut important de
material amorf, dar acestea sunt cazuri foarte rare.Cea mai mare
parte dintre mineralele argiloase au o reea cristalin cu structur
stratificat. Unele dintre mineralele argiloase au forme alungite
similare cu nite tuburi sau fibre.Comportarea pmnturilor n raport
cu apa este influenat n mod hotrtor nu numai de compoziia
chimico-mineralogic, ci i de mrimea particulelor.
Comportarea pmnturilor n diferite condiii de umiditate este
influenat de fenomenele care au loc la suprafaa particolelor i din
acest punct de vedere este necesar s se cunoasc suprafaa specific.
Aceast caracteristic poate fi exprimat ca raport dintre suprafaa
total a particulelor St i volumul corespunztor V:
Dac se consider un pmnt ideal compus din particule sferice de
raz R, atunci se obine:
Pentru volume de forme diferite de ale sferei, relaia de mai sus
se poate generaliza, scriind:
n care af i av sunt coeficieni de form, care se refer att la
suprafaa total a granulelor minerale ct i la volumul ei.Raportul
acestor doi coeficieni se poate nlocui cu Kf, care este o constant
pentru un corp de o form dat. Pentru o sfer, Kf=6,0.Pentru alte
forme, se pot considera urmtorile valori: Kf=6,10 - pentru granule
rotunjite;Kf=6,70 - pentru granule tocite;Kf=7,00 - pentru granule
cu form de poliedru;Kf=7,70 - pentru granule aciculare, cu coluri
ascuite sau granule sub form de plcue;Suprafaa granulelor minerale
poate fi neted sau cu neregulariti sub form de asperiti sau de
coluri ieinde.
Capitolul IIIRAPORTURILE DINTRE FAZELE CONSTITUIENTE ALE
PMNTULUI
Comportarea pmntului sub aciunea solicitrilor depinde n cea mai
mare msur de raporturile dintre fazele sale constituente. Acestea
depind att de fenomenele de interaciune care se manifest la
contactul dintre faze ct i de raporturile cantitative ale celor
trei faze. Se tie de pild c n cazurile pmnturilor argiloase cu ct
raportul dintre faza lichid (apa) i faza solid (scheletul mineral)
este mai mare, cu att rezistena lor la solicitrile mecanice este
mai redus. Pentru a caracteriza aceste raporturi n geotehnic se
folosesc o serie de indici simpli (mrimi fizice) la definirea crora
se face abstracie de fenomenele de interaciune dintre fazele
constituiente ale pmntului. Aceti indici poart denumirea de indici
geotehnici sau indici de structur ai pmnturilor.
III.1. INDICI GEOTEHNICI CARE CARACTERIZEAZ RAPORTURILE FAZELOR
CONSTITUIENTE ALE PMNTULUI
Pentru a caracteriza raportul dintre faza lichid i cea solid se
folosete indicele denumit umiditate.Prin umiditate, se nelege
raportul dintre masa apei Mw (apa din pori) coninut n porii unei
cantiti de pmnt i masa particulelor solide Ms (scheletul mineral)
din acea cantitate.
Drept mas a fazei lichide Mw se consider cea a lichidului care
se elimin prin uscarea pmntului n etuv la temperatura de
105C.Pentru a caracteriza raportul dintre faza solid i celelalte
dou faze se folosesc doi indici: porozitatea n i indicele porilor
e.Porozitatea reprezint raportul ntre volumul porilor Vp, dintr-o
cantitate de pmnt, i volumul aparent (volumul total al pmntului,
inclusiv golurile) V, al acestei cantiti, se noteaz cu n i se
exprim n procente.
Indicele porilor (e) reprezint raportul ntre volumul porilor Vp,
dintr-o cantitate de pmnt i volumul particulelor solide Vs din acea
cantitate de pmnt i rezult:
n baza definiiei de mai sus, se obin expresiile porozitii (n) a
indicelui porilor (e) i a relaiilor de legtur dintre acestea:
Pentru a caracteriza raportul dintre faza lichid i cea gazoas se
folosete indicele denumit grad de umiditate (Sr).Prin grad de
umiditate se nelege raportul dintre volumul apei coninute n porii
pmntului i volumul total al porilor din acel pmnt, dat de
relaia:.
Unde:Vw = ewV reprezint volumul apei coninut ntr-o prob de
pmnt;Vp=eV volumul porilor;V volumul total al probei.
Greutile volumice i densitatea pmntului.
Figura III.1. Definirea mrimilor fundamentale;
a) Prob cu volumul total unitar; b) prob cu volum de solid
unitar;Figura III.2. Definirea mrimilor derivate pe baza mrimilor
fundamentale;
Raporturile dintre fazele constituiente ale pmntului se reflect
prin greutile volumice ale scheletului (s) se definete ca raportul
ntre greutatea particulelor dintr-o cantitate de pmnt i volumul
propriu al acestor particule (fr goluri), reprezentnd o greutate
volumic medie.
Valorile orientative ale greutilor volumice ale scheletului
variaz ntre 26,0 kN/m3 la nisipuri i 26,70 kN/m3 la argile i argile
prfoase.
Tabe III.1. Valori orientative ale greutii volumice i densitii
scheletului;PmnturiskN/m3sg/cm3
Nisipuri, nisipuri prfoase i nisipuri argiloase26,02,65
Prafuri, prafuri nisipoase i prafuri argiloase26,22,67
Argile, argile nisipoase i argile prfoase26,72,72
Greutatea volumic a pmntului n stare uscat (d) se definete ca
raportul ntre greutatea pmntului n stare uscat i volumul
acestuia.
n aceast stare pmntul este alctuit din dou faze: solid i gazoas,
faza lichid lipsind deoarece umiditatea este egal cu 0.Greutatea
volumic a pmntului n stare saturat (sat) este definit ca fiind egal
cu raportul ntre greutatea pmntului saturat (porii fiind n ntregime
prini cu ap) i volumul acestuia (inclusiv golurile).
Greutatea volumic a pmntului (greutatea unitii de volum) se
noteaz cu i se definete ca fiind raportul ntre greutatea pmntului
umed i volumul acestuia (inclusiv golurile).
Greutatea volumic n stare submersat () se definete conform STAS
9180/73 ca raportul ntre greutatea pmntului determinat n stare
submersat (sub ap) i volumul acestuia (inclusiv golurile).Cubul
unitar din figura III.3. nconjurat de ap este supus forei de
subpresiune egal cu greutatea G a volumului de ap deslocuit.
Figura III.3. Volum unitar de pmnt submersat;
Capitolul IVINTERACIUNEA DINTRE FAZELE CONSTITUIENTE ALE
PMNTULUI
Dup cum se tie, orice molecul din interiorul unui corp se gsete
sub influena unor fore de atracie din partea tuturor moleculelor ce
o nconjoar, cunoscute sub denumirea de fore Van-der-Waals. Datorit
micrilor termice permanente, forele de atracie care acioneaz asupra
moleculelor nu sunt echilibrate n fiecare moment, ns n medie se
poate vorbi de o echilibrare a acestor fore ntr-un anumit interval
de timp (figura IV.1.a). Cu totul alta este situaia n apropiere de
limita de separaie a corpului unde aceste fore nu se mai
compenseaz, ci au o rezultant ndreptat spre interior (figura
IV.1.b), rezultant care are valoare maxim atunci cnd molecula se
gsete chiar la suprafa (figura IV.1.c.).
Figura IV.1. Schema apariiei energiei superficiale;
Pornind de la ideea c fora de interaciune f dintre molecule
depinde de distana r dintre ele (figura IV.2.a). Se pot explica
prorpietile lichidului cu ajutorul curbei de energie potenial Ep ,
care prezint o adncime la baza creia energia potenial este minim.
Atunci cnd molecula se gsete n interiorul lichidului, din nsumarea
efectelor de interaciune, rezult o groap de potenial mult mai adnc
dect pentru suprafa, unde molecula considerat este n interaciune cu
un numr mai mic de molecule. nseamn c energia potenial a
moleculelor din interiorul lichidului este mult mai mic dect n
suprafa sau, cu alte cuvinte, pentru a deplasa o molecul din
interior la suprafa, trebuie s se consume energie.
Figura IV.2. Interaciunea moleculelor; Figura IV.3. Schema
concentrrii de energie la suprafaa de a for; b- energie potenial;
separaie a dou faze: I faza lichid; II lichid;Deoarece orice sistem
tinde ntotdeauna s treac ntr-o stare cu energie potenial minim,
forma picturilor mici de lichid tinde spre cea sferic.n general la
orice suprafa de contact a dou medii se observ o concentrare de
energie care poate fi reprezentat schematic ca n figura IV.3 n care
cele dou faze au energiile U1 respectiv U2. n apropierea suprafeei
de separaie A exist un strat intermediar n care proprietile
termodinamice ale fazelor, variind brusc, se schimb pe intervalul
h=h1+h2 de la valoarea maxim din dreptul suprafeei de separaie la
valorile corespunztoare energiei fiecrei faze. Partea haurat a
desenului reprezint entalpia liber superficial [112] care
corespunde n principal primului strat molecular.
Aceast concentrare conduce la o orientare a moleculelor.
Entalpia liber superficial se msoar prin lucrul mecanic necesar
pentru formarea ireversibil i izotermic, a straturilor superficiale
ale fazelor, adic procesul izotermic i ireversibil de formare a
suprafeei se desfoar cu consum de energie. Dac una dintre faze este
solid (ca urmare a mobilitii reduse a moleculelor corpului solid)
atunci formarea noii suprafee reprezint un proces
ireversibil.Ionii, atomii i moleculele care erau mai nainte legai
de reeaua cristalin a corpului solid i compensau energia. Prin
mrunire, parte din ioni, atomi i molecule ies la suprafa i energia
lor rmne necompensat, aprnd n acest fel energia liber superficial a
sistemului. Cu ct sistemul prezint un grad de dispersare mai
naintat cu att energia superficial este mai mare, adic potenialul
este mai ridicat. Datorit tendinei de a-i reduce n mod spontan
potenialul i deci energia superficial, sistemele cu grad de
dispersie ridicat sunt nestabile. Tendina acestor sisteme de a-i
micora suprafaa provoac dou fenomene eseniale:
adsorbia[footnoteRef:2] gazelor, vaporilor pe suprafaa liber a
particolelor solide ca i a moleculelor i ionilor din soluii; [2:
Sorbie proces spontan de modificare a concentraiei componentelor la
limita dintre faze n sisteme eterogene; se deosebesc o sorbie n
volum sau absorbie i o sorbie superficial sau adsorbie;]
tendina particulelor de a se aglomera, coagula (lipi).n cazul
apei umezirea este legat n special de prezena pe suprafaa corpului
solid a radicalilor care leag moleculele de ap cu ajutorul
legturilor hidrogenice. Din aceast cauz pictura de ap care ajunge
la suprafa se ntinde sub forma unei pelicule, iar unghiul u se
micoreaz pe msur ce suprafaa umezit crete pn cnd pelicula ajunge la
grosimea unui strat molecular (circa 3A................)Cele artate
mai nainte relativ la contactul lichidului cu suprafaa orizontal a
unui corp solid i pstreaz valabilitatea i n cazul n care aceast
suprafa are o direcie oarecare cum ar fi de exemplu pereii
verticali ai unui vas n care se gsete lichidul. Lichidele care nu
ud peretele (liofob) tind s se ndeprteze de perete i formeaz la
punctul de contact un unghi optuz determinat u, dar sub aciunea
forelor gravitaionale sunt comprimate spre perete i formeaz n
imediata lui vecintate o suprafa convex.Lichidele care ud complet
peretele (lofil) tind s se ntind pe perete (adic s se ridice),
pstreaz la contactul cu peretele un unghi limit egal cu zero i sub
aciunea forelor de gravitaie care mpiedic ridicarea capt n imediata
vecintate a peretelui o form concav (figura IV.4.c). La o distan
suficent de perete suprafaa lichidului se gsete numai sub aciunea
forelor de gravitaie i capt o form plan orizontal.
uua. b. c.Figura IV.4. Influena hidrofilitii asupra udrii
pereilor;
Dac vasul are forma unui tub cu o seciune suficient de mic ca
lichidul din el s formeze o suprafa liber de curbur continu, atunci
el poart denumirea de tub capilar sau scut capilar. Curbura
suprafeei lichidului condiioneaz o serie de fenomene specifice care
poart denumirea de fenomene capilare. n cazul apei fenomenele
capilare se manifest pentru tuburi cu diametrul mai mic de 2-3
mm.
Figura IV.5. Explicarea efectului de pan datorit suprapunerii
atmosferelor ionice [106];
Un alt fenomen care poate fi explicat innd seama de interaciunea
dintre ap i particula de pmnt este cel al apariiei coeziunii.
Astfel pentru pmnturile argiloase s-a dat o explicaie naturii
coeziunii bazat pe luarea n considerare a sarcinilor electrice a
particulelor i a dipolilor de ap. Dac se ine seama de alctuirea
schematic a complexului de adsorbie a particulei argiloase atunci
se nelege c prin orientarea dipolulor de ap i a cationilor din
complexul de adsorbie se formeaz un fel de puni de legtur ntre
particule ca urmare a faptului c ntre elementele componente
alturate exist forme de atracie de natur electric (figura IV.5).
Atunci cnd apare o tendin de a deprta cele dou particule de pmnt,
punile de legtur se deformeaz opunnd o anumit rezisten . Cu ct
umiditatea pmntului este mai mare, cu att lungimea punilor de
legtur este mai mare, rezistena lor este mai mic i n consecin
coeziunea este mai redus. Orice modificare n complexul de adsorbie
conduce la modificri ale poziiei i rezistenei punilor de legtur i
deci a coeziunii. Modificri n complexul de adsorbie pot fi
provocate att prin nlocuirea ionilor din acest complex de ctre ali
ioni i afinitate mai mare, ct i ca urmare a unor solicitri
exterioare de natur mecanic, termic sau electric. De exemplu un oc
mecanic puternic conduce la distrugerea pentru un moment a punilor
de legtur i deci la reducerea brusc a coeziunii. La un timp dup
ncetarea ocului, dipolii de ap se orienteaz din nou, punile de
legtur se refac i reapare coeziunea. Proprietatea sistemelor
coloidale i asemntoare celor coloidale de a-i micora reversibil
proprietile elastice, n special vscozitatea sub influena unor
aciuni mecanice (scuturare, agitare, amestecare) poart numele de
tixotropie. Tixotropia se manifest cu intensitate n special la
pmnturile argiloase montmorillonitice la care moleculele dipolare
de ap ptrund i ntre pachetele reelei cristaline.Dar nu numai
pmnturile argiloase prezint coeziune, ci, n anumite condiii pot
prezenta coeziune i pmnturile nisipoase. Astfel, n acest caz,
trifazice, la contactele dintre particule apar meniscuri capilare
sub forma unor inele circulare n jurul punctelor de contact care
tind s apropie particulele una de cealalt (figura III.7). Forele de
legtur dintre particule apar ca rezultate a dou efecte i anume a
deficitului de presiune provocat de curbura meniscului inelului de
ap i a tensiunii superficiale a lichidului. Atunci cnd cele dou
particule sferice considerate nu sunt izolate ci se gsesc ntr-o mas
de particule de acelai diametru, efectul datorat deficitului de
presiune se anuleaz reciproc aa c efectul de coeziune va fi dat
doar de tensiunea superficial:
Figura IV.6. Coeziunea molecular ca rezultat al Figura IV.7.
Schema apariiei coeziunii ca urmare a hidratrii pariculelor de
pmnt; forelor capilare;
Acest fel de legtur dintre particule de nisip este influenat de
factorii care modific tensiunea superficial sau curbura
meniscurilor, cum sunt temperatura, coninutul de ap, etc. Un oc
mecanic puternic conduce de obicei la distrugerea pentru moment a
meniscurilor i deci la dispariia coeziunii, putnd s apar pentru
umiditi mari lichefierea brusc a masei de nisip. Atunci cnd masa de
nisip are porii plini cu ap nemaiexistnd considerent pentru care a
cptat calificarea de aparent.
Problema interaciunii ntre ap i scheletul solid prezint o
complexitate deosebit creia n geotehnic
4.2. CLDURA DE UMEZIRESe cunoate faptul c prin umezirea unui
material fin dispersat are loc o degajare de cldur. Acest fenomen
poate fi observat spre exemplu n cazul umezirii finii cnd se prepar
aluatul sau atunci cnd dup o perioad de secet primele picturi de
ploaie care umezesc praful, etc. Totui pentru prima dat fenomenul
de degajare a cldurii de umezire a fost descris tiinific abia n
anul 1822 de ctre Pouillet, care a cutat s-i explice cu ajutorul
fenomenelor de superficialitate.Din cauz c fenomenul de degajare a
cldurii de umezire se observ la toate pulberile (amidon, celuloz,
gelatin, gel de silice, crbune activ etc.) el a fost studiat mai
nti n chimia fizic n legtur cu liofilitatea sistemelor disperse i
date n legtur cu aceste cercetri putnd fi gsite n lucrrile de
specialitate. Degajarea cldurii de umezire poate fi privit, ca un
rezultat al modificrii energiei superificale, aceast degajare fiind
cu att mai intens cu ct este mai mare diferena dintre energiile
superficiale ale fazei disperse ale mediului de dispersie n
momentul intrrii n interaciune. Pentru pmnturile argiloase, atunci
cnd are loc umezirea, o parte din energia cinetic a moleculelor
dipolare de ap, care prin adsorbie i reduc libertatea de micare
(dup trei direcii) este cedat mediului exterior sub form de cldur.n
general, n cazul unui proces de adsorbie, unele molecule sunt
mobilizate pe suprafa, pe cnd altele i pstreaz libertatea de micare
n planul suprafeei, adic dup dou direcii. Rezult c procesele de
adsorbie sunt exoterme i conduc la degajare de cldur. Mrimea
cldurii de adsorbie poate fi foarte diferit n funcie de caracterul
interaciunii dintre atomii sau moleculele de adsorbie i suprafaa
corpului solid.Pentru adsorbia chimic sau chemosorbia, care conduce
la formarea de noi legturi chimice, este caracteristic degajrii
unei mari cantiti de clduri de ordinul celei a reaciilor chimice,
adic a zecilor de mii de calorii pe mol.n cazul adsorbiei fizice,
efectul termic este mult mai mic, de ordinul a sutelor sau chiar
zecilor de calorii pe mol, fiind n general n funcie nu att de
natura adsorbantului ct i de suprafaa sa specific. Cldura degajat
la adsorbirea primului strat este mult mai mare dect cea care se
degaj la adsorbia stratului urmtor, a crui formare nu mai este
condiionat de interaciunea direct cu suprafaa
adsorbantului.Degajarea de cldur este cu att mai intens cu ct apa
este mai strns legat iar cantitatea total de cldur este funcie de
cantitatea de ap liber care este legat.Cldura de umezire poate fi
exprimat n mai multe feluri. Cel mai frecvent, cldura degajat se
raporteaz ca unitate de greutate a materialului uscat n care caz
caracterizeaz activitatea sa n raport cu lichidul, datorit att
liofilitii materialului ct i mrimii suprafeei specifice. n acest
caz se obinuiete s se exprime cldura de umezire n calorii pe gram
sau n kilocalorii pe kilogram, ceea ce ca valoare reprezint acelai
lucru.Alteori ns, cnd se cunoate suprafaa specific a materialului,
cldura de umezire poate fi raportat la unitatea de suprafa i n
acest caz este pus n eviden influena naturii suprafeei asupra
legrii apei.Dac n momentul umezirii corpului nu este complet uscat,
atunci cantitatea de cldur care se degaj este mai mic. De asemenea,
pentru fiecare material exist o valoare maxim a cldurii de umezire
qu.max. corespunztoare strii iniiale complet uscat a materialului.
De fapt aceasta este valoarea care se folosete mai frecvent atunci
cnd se compar activitatea materialului cu ajutorul cldurii de
umezire. Dup cum se vede din figura IV.8., chiar solurile argiloase
grase, care este de presupus c au un coninut important de particule
coloidale, prezint clduri de umezire mult mai mici dect corpurile
coloidale, cum este spre exemplu gelatina sau amidonul.
Figura IV.8. Variaia cldurii de umezire qu i cu umiditatea w
pentru diferite materiale disperse: 1- gelatina; 2- amidon, 3-4
soluri, 5- celuloz;
Pentru determinarea cldurii de umezire se folosesc dispozitive
calorimetrice.STAS 1913/9-1986 stabilete metoda pentru determinarea
n laborator a cldurii maxime de umezire. Standardul se aplic
pmnturilor argiloase care conin minimum 15% fraciuni sub 0,002 mm
(A2), cu materii organice cel mult 5% din masa pmntului uscat i a
cror valoare a cldurii maxime de umezire este de cel puin
17J/g.
PRINCIPIUL METODEI
Meotda const n determinarea cu ajutorul calorimetrului termos, n
condiii adiabatice a creterii temperaturii n timpul umezirii probei
de pmnt uscat, cu o cantitate determinat de ap i calcularea, pe
baza valorilor obinute, a cldurii maxime de umezire; creterea
termperaturii trebuie s fie cuprins n ecartul 0,5C ...
1,0C.Aparatur: Rztoare; Etuv termostatat; Cuit, spatula, lavete;
Mojar cu pistil sau mojar mechanic; Sit cu estur de srm de 05;
Exsicator cu deshidratant silicagel microporos cu granulaie 47 mm;
Balan analitic cu precizie 0,01 g; Fiole de cntrire de form naltm
cu dop lefuit; Biuret gradat de 100 cm3; Termometru cu precizie de
0,5C, pe stativ; Termograf; Cronometru; Calorimetru tip Janert;
1 vas Dewar; 3 material termoizolant 4 dop de plut parafinat;5
termometru; 6- agitator;7 fiol; 8 dop;
1 vas Dewar; 3 material termoizolant 9 Rezervor inferior de
mercur; 10 tub capilar;4 dop de plut parafinat;5 termometru; 11
rezervor superior de mercur;6- agitator;7 fiol; 8 dop;
Vas Dewar sub form de butelie (1-fig) sau pahar (2-fig.) cu
volumul de aproximativ 250 cm3 i masa de 150-220 g (se recomand ca
masa vasului Dewar s fie ct mai mic); Material termoizolant (3) din
polistiren expandat, plut sau porelan; Dop de plut parafinat (4) n
care sunt practicate deschideri pentru introducerea termometrului
(5), agitatorului (6) i fiolei cu probe de pmnt (7) prevzut cu dop
propriu (8); Agitator (6) format dintr-o verghea de sticl ce are la
partea inferioar un disc perforat din alam, uor concave, cu fant n
dreptul rezervorului termometrului; Termometrul calorimetrului (5)
cu precizie de 1/100C; termometrul poate fi de tip Berthelot-Mahler
pentru intervalul 12...24C sau 24...36C, funcie de temperaturile
mediului ambiant, sau de tip diferenial Beckmann (figura ...),
constituit din rezervorul inferior din mercur (9), tubul capilar
(10) sudat la rezervorul superior de mercur (11) i scara gradat de
jos n sus, din spatele tubului capilar, de la 0...5C divizate n
1/100C. Termometrul va fi astfel fixat n dopul de plut al
aparatului nct rezervorul inferior de mercur s se gseasc sub
nivelul apei din vasul Dewar.
Determinarea cldurii de umezire are la baz principiile bine
cunoscute ale calorimetriei. Astfel, introducndu-se ntr-o anumit
cantitate de lichid care se gsete n vasul Dewar o cantitate
determinat de pmnt se poate stabili cu ajutorul termometrului
creterea de temperatur ce rezult din degajarea cldurii de umezire.
innd seama c aceast cldur a fost adsorbit de lichidul din
calorimetru de pmnt i de calorimetrul nsui cu anexele sale se poate
exprima relaia:
Unde:CA - cldura specific a argilei = 0,96 J/gC;mA - masa probei
de pmnt argilos, n grame;CN - cldura specific a nisipului cuaros =
0,87 J/gC;ms - masa nisipului cuaros, n grame;Ce - constanta
calorimetric a aparatului, n joule pe grad Celsius;Cw - cldura
specific a apei n intervalul de temperatur 15 .. .20C = 4,18 J/gCmw
- masa apei din calorimetru, n grame;t- diferena dintre temperatura
final (constant) i temperatura dup scoaterea fiolei cu pmnt din
calorimetru.
PREGTIREA PROBEI
Din probele de teren tulburate sau netulburate, extrase din
sondaje, se prelev, o prob de pmnt, reprezentativ, de circa 100 g
astfel: pentru probele netulburate, proba reprezentativ se obine
din probe luate din fiecare strat component, proporional cu mrimea
stratului; pentru probele tulburate, proba reprezentativ se obine
din minimum cinci probe luate din diverse locuri ale probei
tulburate.
Proba de pmnt se trece prin rztoare, se usuc n etuv termostatat
la 105 2C, timp de cel puin 12 ore. Dup uscare, proba se mojareaz,
se omogenizeaz prin amestecare i se cerne pe sita de 05.Se iau trei
fiole de cntrire cu capac, numerotate, se degreseaz, se spal cu ap
distilat, se usuc n etuv i se rcesc n exsicator cel puin o or, dup
care se cntresc.Datele obinute se nregistreaz.n fiecare fiol se
introduc 5 .. .20 g din proba de pmnt cernut. Cantitatea de pmnt
din fiol se stabilete funcie de natura pmntului, astfel: la
pmnturile argiloase, foarte active, se introduce n fiol cantitatea
minim de pmnt; se adaug nisip cuaros ntr-o proporie care s asigure
efectuarea n bune condiii a determinrii (pmntul s se umezeasc rapid
i uniform i s nu se formeze cocoloae); la pmnturile argiloase, puin
active, se introduce n fiol cantitatea maxim de pmnt.Fiolele se
nchid cu capac, se cntresc, dup care se parafineaz. Datele obinute
se nregistreaz.
PREGTIREA APARATURIISe verific sistemul termoizolant al
aparatului, astfel: n vasul Dewar al aparatului se toarn o
cantitate de 100 cm3 ap, nclzit cu 2C peste temperatura camerei; se
las 30 de minute pentru uniformizarea temperaturii; se verific
temperatura; n urmtoarele 30 de minute temperatura trebuie s nu
scad cu mai mult de 0,1C.Verificarea sistemului termoizolant al
aparatului precum i determinarea propriu-zis se execut la o
temperatur care trebuie s nu varieze cu mai mult de 2C n 8 ore.
Controlul variaiei temperaturii se face cu termograful; termograful
se verific cu termometrul montat n stativ.Cnd se folosete
termometrul Beckmann, acesta se pregtete nclzind uor rezervorul
inferior pn cnd coloana de mercur din tubul capilar ajunge la gtul
rezervorului superior; se rstoarn termometrul pentru a se face
conectarea cu mercurul din rezervorul superior, dup care se readuce
n poziia -normal, cnd ntreaga coloan de mercur din termometru se
afl ca n fig. 3. n aceast poziie se introduce rezervorul inferior
al terrnometrului ntr-o baie de ap cu temperatura cu 2., .3C mai
mare ca cea a mediului ambiant. Se las s se echilibreze temperatura
(aproximativ 10 minute), se scoate termometrul din baia de ap i
apoi se lovete brusc, cu degetul, n dreptul locului de sudur a
capilarului cu rezervorul superior, pentru ca mercurul din acesta s
cad, iar cel din capilar s se retrag spre rezervorul inferior;
mercurul din capilar se va opri n dreptul uneia din diviziunile de
la nceputul scrii gradate n momentul n care a preluat temperatura
mediului ambiant (a calorimetrului).Se calculeaz constanta
calorimetric Cc a aparatului cu relaia:
n care:m1 masa vasului Dewar, n grame;0,837 cldura specific a
sticlei, n jouli pe gram grad Celsius;m2 masa dopului de sticl, n
grame;1,695 cldura specific a plutei n jouli pe gram grad
Celsius;m3 masa vergelei de sticl a agitatorului, lund n
considerare numai lungimea prii introdus n vas sub jumtatea dopului
de plut prin care trece n grame;m4 masa discului perforat al
agitatorului, n grame;0,349 cldura specific a alamei, n jouli pe
gram grad Celsius;Vi volumul tijei termometrului, lund n
considerare numai partea introdus n vas sub jumtatea dopului de
plut, n centimetri cubi;1,925 cldura specific a termometrului, n
jouli pe centimetru cub grad Celsius;
MOD DE LUCRUSe introduce n vasul Dewar, cu ajutorul biuretei
gradate, 70 .. .100 cm3 ap distilat n funcie de natura pmntului
analizat.Se nregistreaz masa apei.Dup turnarea apei n calorimetru,
se msoar temperatura, se introduce fiola cu proba de analizat,
urmrindu-se s nu se depeasc nivelul inferior al dopului de plut i
se las minimum o or pentru egalizarea temperaturii.Cnd se constat c
temperatura citit la termometru rmne constant, se scoate fiola, se
citete din nou temperatura apoi se deparafineaz fiola i i se scoate
dopul, vrsndu-se complet i ct mai repede pmntul n apa din vasul
calorimetrului, dup care se astup orificiul din dopul parafinat (4)
cu dopul (8).Manevrarea fiolei se face cu o crp uscat pentru a
evita modificarea temperaturii datorit contactului direct cu mna
operatorului.Dup introducerea pmntului, se pornete cronometrul i se
ncepe micarea agitatorului n sus i n jos (de dou pn la trei ori).
Se efectueaz citiri la termometru, din 30 n 30 secunde, pn cnd
temperatura (care la nceput crete) rmne constant aproximativ timp
de dou minute (patru citiri consecutive).Citirile se
nregistreaz.
Problema interaciunii ntre ap i scheletul solid prezint o
complexitate deosebit creia n geotehnic a nceput s i se acorde n
ultimul timp importana cuvenit.Aceasta ca urmare a faptului c fr o
bun cunoatere a fenomenlor de interaciune dintre ap i scheletul
solid nu este posibil a nelege influena diferiilor factori asupra
proprietilor pmnturilor i comportarea lor sub aciunea solicitrilor
exterioare.
FORMELE DE AP DIN PMNT I INDICII HIDRICICu ocazia studiilor i
cercetrilor fcute n diferite discipline (geotehnic, mecanica
pmnturilor, teoria uscrii diferitelor materiale etc.) s-a pus
problema modului de a caracteriza starea de umiditate a diferitelor
materiale care constituie obiectul de studiu a acestor discipline.
n vederea acestui scop se obinuiete s se separe, dup criterii
variate, diferite forme sub care se gsete apa n materialele poroase
disperse, sau s se recurg la folosirea anumitor indici hidrici
pentru a caracteriza starea lor de umiditate.Noile cercetri asupra
fenomenelor legate de prezena i curculaia apei n materialele
poroase disperse au artat c pentru caracterizarea strii de
umiditate este necesar s se plece de la fenomenele de interaciune
dintre ap i scheletul solid.
FORMELE DE AP DIN PMNT
n literatura de specialitate sunt propuse diferite sisteme de
clasificare a formelor de ap din materialele poroase de unde rezult
c nu exist un punct de vedere unitar n aceast privin. Aceasta este
explicabil dac se ine seama de faptul c punctele de vedere din care
este privit apa din felurite materiale disperse sunt n general
diferite. De exemplu n geotehnic apa este privit ca factor care
condiioneaz formarea i modificarea proprietilor pmnturilor sau care
poate conduce la apariia de instabilitate a maselor de pmnt.
a. Apa legat chimic sub form de ioni hidroxili n hidrai i apa
cristalohidrailor, aceasta din urm fiind mai slab legat. Spre
exemplu n cazul sulfatului de cupru, energia de legtur depinde de
numrul de molecule de ap de cristalizare, i anume:
5 molecule de ap El=2,741010 erg/mol sau 1,55 x 106 gcm/g ap;3
molecule de ap El=3,601010 erg/mol sau 2,04 x 106 gcm/g ap;1
molecul de ap El=8,401010 erg/mol sau 4,76 x 106 gcm/g ap;
Valori care sunt reprezentate pe scara energiilor din figura
urmtoare.
b. Apa legat prin adsorbie care corespund n principal stratului
molecular pe suprafeele interne i externe ale corpului dispers. n
acest caz presiunea de echilibru a vaporilor sau umezeala relativ
w=pw/pvs va fi determinat de forma izotermei de adsorbie a
vaporilor de ap i din acest punct de vedere se deosebesc suprafeele
hidrifile 1, intermediare 2 i hidrofile 3.n ceea ce privete
grosimea i proprietile apei legate prerile diverilor cercettori
sunt nc foarte diferite.
Figura.... Schema izotermelor de adsorbie a vaporilor de
ap(valorile w1, w2 i w3 corespund formrii unui strat monomolecular
saturat)
c. Apa capilar legat. De fapt un astfel de tip de ap legat nici
nu exist, deoarece apa care se gsete n capilare i care este limitat
de meniscuri libere nu este legat, ci liber; excepie fac doar
straturile foarte subiri de ap, legate prin adsorbie pe pereii
capilarelor. Cu toate acestea, n cazul umezirii pozitive, adic a
meniscurilor pozitive, adic a meniscurilor concave, presiunea
vaporilor deasupra meniscurilor din capilare este ntotdeauna mai
mic dect cea de deasupra unei suprafee plane a apei libere i din
punct de vedere formal se poate considera c exist o legare capilar
a apei, a crei intensitate poate fi calculat cu ajutorul relaiei
lui Thomson artat mai nainte.d. Apa liber, este apa reinut n mod
mecanic n structura dispers, inclusiv cea care umple capilarele
corpului poros, n special n cazul cnd fiind vorba de un sistem
bifazic lipsesc mensicurile capilare (corpul dispers este cufundat
n ntregime n ap).n funcie de rapoartele dintre cantitile de
substane reinut cu diferite forme de legturi, toate materialele
umede pot fi separate dup Rebinder n trei grupe: corpuri
capilar-poroase, corpuri coloidale i corpuri capilar
poroase-coloidale [168].Astfel, dac lichidul coninut n corp este
reinut n principal datorit forelor capilare, atunci corpul se
numete capilar poros (exemplu nisipul cuaros umed, crbunele de
lemn, unele materiale de construcii etc). Majoritatea acestor
corpuri devin friabile prin ndeprtarea lichidului. Corpurile
capilar poroase sunt n general puin compresibile i se mbib cu orice
lichid care umezete, independent de compoziia sa.n cazurile
predominrii formelor de legtur de adsorbie, osmotice, sau
structurale, corpul se numete coloidal (exemplu: gelatina,
agargarul etc.). Prin ndeprtarea lichidului aceste corpuri i
modific mult dimensiunile, se contract, pstrndu-se ns proprietile
elastice. Corpurile coloidale adsorb lichidele cele mai apropiate
ca polaritate.Dac corpul conine lichid legat att prin fore de
adsorbie sau osmotice ct i prin fore capilare, atunci el se numete
corp capilar poros coloidal. Un astfel de corp are proprieti
asemntoare cu cele ale primelor dou tipuri. Pereii capilarelor lor
sunt elastici i prin adsorbie de lichid se umfl. Din aceast
categorie de corpuri fac parte argilele, turba, lemnul, esturile,
cerealele, pielea, etc.Aceast clasificare, dei ia cel mai bine n
considerare toate particularitile de structur i proprietile
superficiale ale corpului dispers n interaciuena sa cu apa, prezint
totui inconvenientul c nu detaliaz tocmai domeniul care intereseaz
mai mult n geotehnic, adic acela al umiditilor ridicate ale
pmnturilor.n general, n ceea ce privete formele de ap din pmnt se
poate trage concluzia c nu are rost s se separe o multitudine de
forme dup alte criterii dect cel al energiei de reinere. Acesta
este singurul criteriu just deoarece forele de reinere sunt cele
care condiioneaz n cea mai mare msur mobilitatea apei din pmnt,
capacitatea ei de a fi drenat mai uor sau mai greu.
INDICII HIDRICI AI PMNTURILOR I SOLURILOR
Se obinuiete ca pentru caracterizarea strii de umiditate a unui
pmnt (sol) s se foloseasc anumii indici hidrici, care de cele mai
multe ori au un caracter convenional. Uneori aceti indici se
ntlnesc n literatur i sub denumirea improprie de constante hidrice
sau constante hidrofizice.n cele ce urmeaz se face o trecere n
revist a principalilor indici hidrici folosii n pedologie i
geotehnic.n pedologie se folosesc n general urmtoarele umiditi
caracteristice pentru a defini relaiile solului n raport cu apa:a)
Hidrocapacitatea de adsorbie maxim wAM reprezint cantitatea maxim
de ap care poate fi puternic legat de sol sau pmnt i care se exprim
ca o umiditate, adic n procente din greutatea materialului uscat.
Se determin pe baza cldurii de umezire sau pe baza volumului de ap
care nu dizolv, stabilit din ncercrile soluiilor cu concentraii
ridicate. Valoarea wAM depinde de alctuirea fazei solide (compoziie
mineralogic, grad de dispersie).b) Hidroscopicitate maxim wHM
reprezint cantitatea maxim de vapori de ap pe care solul sau pmntul
o poate adsorbi dintr-o atmosfer aproape saturat cu vapori de ap
(cu umezeal relative egal cu 94%). Apa adsorbit n acest fel se
compune din cantitatea maxim posibil de ap strns legat i o
cantitate oarecare de ap slab legat, care apare ca urmare a
condensrii capilare. n general se admite c pentru higroscopicitate
maxim, apa este reinut n sol sau pmnt cu o for de 50 at.c)
Umiditatea de ofilire permanent wof sau coeficient de ofilire
reprezint acea umiditate a solului sub care plantele ncep s se
ofileasc fr a-i putea reface ulterior turgena (presiunea sevei din
celule) chiar puse ntr-o atmosfer saturat cu vapori de ap.Apa care
se gsete n sol la umiditatea de ofilire se compune din cantitatea
maxim posibil de ap strns legat i o anumit cantitate de ap slab
legat. Metoda direct de determinare a wof const n a lsa planta
dintr-un vas, neudat, pn se observ semne evidente de ofilire i a
determina umiditatea solului pentru aceast situaie. Pe baza
cercetrilor efectuate de diveri specialiti se admite n general c
pentru umiditatea de ofilire, apa este reinut cu o for de 15 at.
Cercetrile recente au artat c n realitate nu este vorba de un
punct, ci de un interval de umiditi, deoarece valoarea umiditii de
ofilire este influenat de felul plantei, condiiile meteorologice,
etc.d) Punctul de ncetare a micrii peliculare wmp uneori impropriu
numit punct lento-capilar, reprezint aa dup cum arat i denumirea,
umiditatea pmntului sau solului pentru ca micarea pelicular a apei
n mod practic nceteaz. Aceasta se realizeaz de obicei pentru
umiditi de 2-2,5 wHM. Pentru umiditi sub aceast valoare singura
micare posibil este aceea sub form de vapori.e) Umiditatea de
rupere a capilarelor wRC este aceea corespunztoare momentului la
care, n solul sau n pmntul expus evaporrii are loc o scdere brusc a
micrii apei ca urmare a epuizrii celei mai mari pri a apei
capilare.Pentru wRC, n sol sau n pmnt, se gsete cantitatea maxim
posibil de ap strns legat i o cantitate important sau chiar maxim
posibil de ap slab legat. Metoda de determinare const n a lsa o
coloan de pmnt n care se gsete apa suspendat s-i reduc umiditatea
de evaporare. Dup unii cercetrori, la aceast umiditate n sol se
gsete cantitatea maxim de ap adsorbit, toat apa legat de col,
precum i acumulri de ap liber n diferite fragmente de capilare. n
afar de alctuirea particulelor solide, umiditatea de rupere a
capilarelor este n mare msur influenat de modul de aezare a
particulelor (porozitate i structur).f) Hidrocapacitatea minim sau
hidrocapacitatea de cmp, wcp reprezint cantitatea maxim de ap care
poate fi reinut de sol timp mai ndelungat, aceasta fiind compus din
ap strns i slab legat. n pmnturile nisipoase, la capacitatea de cmp
corespunde cantitatea maxim de ap de col. Metoda de determinare
const n inundarea unei suprafee limitate, timp de circa 8 ore, i
determinarea umiditii de adncime de 2-3 zile dup determinarea
infiltrrii apei. Pentru a evita evaporrile n tot acest timp
suprafaa umezit trebuie acoperit cu un strat impermeabil, carton
asfalt, argil btut, paie umede, etc. Hidrocapacitatea minim depinde
de natura fazei solide precum i de modul de aezare a particulelor.
Majoritatea autorilor consider c hidrocapacitatea de cmp corespunde
unui deficit de presiune n apa din pori de 1/3 at.g) Echivalentul
umiditii (wechiv). Aceast umiditate caracteristic se determin
supunnd o prob de pmnt (sau sol) de 1 cm grosime unei fore
centrifuge egale cu de 1000 ori acceleraia gravitii pn la atingerea
greutii constante. Astfel determinat echivalentul umiditii
corespunde satisfctor capacitii de cmp pentru pmnturile fine n timp
ce pentru pmnturile prfoase i nisipuoase valorile echivalentului
umiditii sunt n general mai joase dect capacitatea de cmp.h)
Umiditatea corespunztoare la 1/3 at (w1/3) reprezint umiditatea de
echilibru a unui pmnt aezat pe o plac poroas i supus unei suciuni
de 1/3 at. Acest indice se consider astzi un mijloc pentru a
aprecia hidrocapacitatea de cmp cel puin tot att de bun ca i
echivalentul umiditii.i) Hidrocapacitatea capilar (wcap) reprezint
cantitatea maxim de ap pe care o poate conine pmntul sau solul n
vecintatea apei subterane. Pentru aceast umiditate, pmntul conine
cantitatea maxim de ap i slab legat i o oarecare cantitate de ap
capilar. Valoarea hidrocapacitii capilare depinde n afar de
alctuirea pmntului (natur, porozitate, structur) i de nlimea
punctului considerat deasupra nivelului apelor subterane.
Distribuia de echilibru a umiditii deasupra nivelului apelor
subterane, alura curbelor de distribuie este influenat n mare msur
i de sensul de desfurare a procesului de stabilire a echilibrului,
adic de faptul dac este vorba de un proces de umezire sau de
drenare (figura urmtoare).
Figura .....Reprezentarea schematic a distribuiei umiditii
capilare pentru un proces de umezire 1 respectiv drenare 2;
j) Hidrocapacitatea maxim (wM) reprezint cantitatea maxim pe
care un pmnt o poate reine scurt timp (maxim o or) dup inundare. De
obicei se determin lsnd s se infiltreze apa n sol i recoltnd probe
de umiditate la scurt timp dup determinarea infiltrrii, cu care
ocazie se constat o umiditate mai redus dect cea de saturaie.
Diferena ntre umiditatea de saturaie i hidrocapacitatea maxim
reprezint apa care s-a infiltrate repede n pmnt prin porii cei mai
largi ai acestuia, adic apa gravitaional. nseamn c hidrocapacitii
maxime i corespunde prezena n pmnt a apei strns legate precum i a
apei capilare.k) Hirocapacitatea de cmp limit wCL sau
hidrocapacitatea general, reprezint cantitatea maxim de ap pe care
o poate reine pmntul sau solul pentru anumite condiii de umezire
independent de caracterul acestei umeziri. Pentru un nivel cobort
al apei subterane hidrocapacitatea de cmp limit este identic cu
hidrocapacitatea minim (de cmp) iar pentru un nivel ridicat al apei
subterane ea este identic cu hidrocapacitatea capilar. l)
Hidrocapacitatea total sau de saturaie wsat sau umiditatea de
saturaie reprezint cantitatea maxim de ap pe care o poate conine un
pmnt sau un sol atunci cant toi porii si sunt plini cu ap. Aceast
constant hidrofizic este cunoscut n irigaii i sub numele de
capacitate de adsorbie a apei sau capacitate total de umezire.
Mrimea umiditii de saturaie depinde de porozitatea pmntului i, de
obicei, se deduce prin calcul din valoarea acesteia din urm de unde
rezult c aceast valoare este legat cu att de natura pmntului ct i
mai ales de starea sa.n geotehnic se folosesc n special urmtoarele
umiditi caracteristice:a) Limita de contracie wc reprezint
umiditatea sub care pmntul nu mai prezint variaii de volum i care
separ domeniul strii solide (wwc).b) Limita inferioar de
plasticitate wp separ domeniul strii semisolide de domeniul strii
plastice. Pentru determinarea limitei inferioare de plasticitate se
recurge la diferite metode. Astfel, Atterberg a propus drept limit
inferioar de plasticitate aa numita limit de frmntare, adic
umiditatea minim pentru care un pmnt poate fi modelat sub form de
cilindri;c) Limita superioar de plasticitate sau limita de curgere
(lichiditate) wL separ domeniul strii plastice de cel al strii
curgtoare. Pentru determinarea limitei de curgere se folosete de
obicei metoda cu cupa Casagrande. n acest caz limita de curgere
este umiditatea pentru care o fant fcut n pasta din cup cu ajutorul
spatulei, care are n vrf o lime de 2 mm, se nchide pe 12 mm dup 25
de cderi a cupei de la 1 cm nlime. Pentru a se nltura
subiectivismul determinrii s-au propus diferite metode dintre care
merit s fie menionate cele care folosesc un con de unghi i greutate
determinat care pentru pasta adus la limita de curgere se nfing la
o adncime bine stabilit. n cazul conului lui Vasiliev, unghiul la
vrf este de 30, greutatea de 76 g iar adncimea de nfingere 10 mm.n
afar de aceste umiditi folosite n mod curent pentru identificarea i
denumirea pmnturilor n geotehnic se mai utilizeaz anumite umiditi
caracteristice, cum este spre exemplu umiditatea optim de
compactare woc, care corespunde densitii uscate maxime pentru un
lucru de compactare determinat.Un alt indice hidric care a fost
folosit la nceput n pedologie iar n prezent este folosit din ce n
ce mai mult n geotehnic i hidraulica subteran n legtur cu
fenomenele de circulaie nestaionar este aa numitul coeficientul de
cedare al apei. Coeficientul de cedare al apei reprezint cantitatea
total de ap care este cedat de pmnt atunci cnd se coboar nivelul
apei subterane, adic atunci cnd se dreneaz apa gravitaional.Mrimea
acestui coeficient depinde pe de o parte de alctuirea pmntului iar
pe de alt parte de poziia iniial i final a apei subterane. Valoarea
maxim a acestui coeficient, care se obine dup ce procesul de
drenare a luat sfrit, este egal cu diferena ntre hidrocapacitatea
de saturare wsat i hidrocapacitate minim (de cmp) wcp, dup unii
autori sau hidrocapacitatea molecular dup ali autori.
Ali autori trateaz problemele de filtraie nestaionare definite
drept coeficient de cedare al apei raportul dintre volumul total de
ap cedat Vwc i volumul total al pmntului Vt.ntre cele dou moduri de
determinare a coeficienilor de cedare a apei exist relaia de
proporionalitate:
Valoarea coeficientului de cedare al apei depinde att de
condiiile de drenare ct i de timpul de la nceperea drenrii, aa c nu
poate fi considerat ca o constant hidrofizic a pmntului.Deoarece n
procesele de filtraie nestaionare, drenarea complet nu poate avea
loc n decursul perioadei de calcul, valoarea coeficientului de
drenare care intervine n calcule mced este mai mic dect valoarea sa
maxim mcedM:
Indicele hidric cel mai frecvent ntlnit atunci cnd se analizeaz
problemele legate de circulaia apei prin materialele poroase n
general i prin pmnt n special este coeficientul de permeabilitate
sau de filtraie.Dup cum se tie nc din anul 1856, Darcy a stabilit
legea de curgere care i poart numele i dup care viteza de viltraie
v ntr-un mediu poros saturat este dat de relaia:
n care: k coeficientul de permeabilitate;i=h/l gradient
hidraulic;n general, coeficientul de permeabilitate variaz foarte
mult de la un pmnt la altul; pentru pmnturile omogene, avnd
dimesiunile porilor compresibile cu mrimea particulelor solide se
pot lua n considerare urmtoarele valori orientative n cm/s:
Pietri curat103 10-1cm/s
Nisip curat, nisip cu pietri10-1 10-3cm/s
Nisip prfos sau argilos10-2 10-3cm/s
Praf nisipos sau argilos10-3 10-4cm/s
Argil nisip sau prfoas10-3 10-6cm/s
Argil10-7 10-8cm/s
Argil gras10-8cm/s
Legea de circulaie sub form dat de relaia este valabil pentru
curgerea laminar n pmnturile saturate la care forele de interaciune
ntre ap i scheletul mineral practic pot fi considerate ca
neglijabile.
Figura ... Variaiile vitezei de filtrare cu gradientul1- Nisip;
2 argil;
n cazul pmnturilor fine se constat c circulaia apei prin pmnt nu
ncepe dect atunci cnd gradientul de curgere depete o anumit
valoare. Dac se admit c ntre viteza de filtraie i gradientul
hidraulic i exist o relaie liniar atunci se obine legea lui Darcy
generalizat.=k(i-i0)
n care i0 reprezint gradientul iniial.Anomaliile care apar n
cazul filtraiei prin pmnturile argiloase pot fi explicate prin
efectul de alunecare pe lng perei i prin caracterul reologic al
filtraiei lichidelor prin mediile poroase.n ambele expresii ale
legii lui Darcy date mai sus, coeficientul de permeabilitate k este
considerat ca fiind o constant. Atunci cnd pmntul nu mai este
saturat, legea care guverneaz circulaia apei poate fi exprimat sub
o form similar:=kwi
cu deosebire c de data aceasta coeficientul de permeabilitate nu
mai este constant, ci are valoare care scade mult cu umiditatea.Din
cele de mai sus rezult c indicile hidric denumit n mod obinuit
coeficient de permeabilitate sau de filtraie nu are o valoare
constant dect n cazul pmnturilor nisipoase saturate i pentru regim
laminar de curgere.
GENERALITI CU PRIVIRE LA FENOMENELE FIZICE FOLOSITE PENTRU
CARACTERIZAREA INTENSITII INTERACIUNII DINTRE AP I SCHELETUL
PMNTURILOR
Deoarece observarea direct a fenomenelor intime de interaciune
dintre ap i scheletul solid al pmnturilor necesit operaii
complicate sau care nu sunt ntotdeauna posibile se obinuiete ca
pentru caracterizarea global a intensitii lor s se recurg la o
serie de metode indirecte bazate pe urmrirea unor fenomene fizice
ce apar ca urmare a interaciunii.Aceste metode pot fi grupate n dou
categorii: Metode care se refer la forele moleculare de suprafa
care condiioneaz reinerea puternic a apei, adic la hidrofilitatea
scheletului; prin hidrofilitate se nelege capacitatea suprafeei
fazei disperse de a lega apa ca urmare a aciunii forelor molecular;
Metode care se refer la proprietile de structur-sorbie, care
condiioneaz coninutul total de ap reinut de sistem; acest coninut
depinde n mai mare msur de structura corpului capilar-poros dect de
forele molecular de suprafa.Prima categorie de metode folosete
faptul c proprietile apei legate difer de cele ale apei libere.
Dintre acestea cele mai cunoscute sunt urmtoarele: Metode bazate pe
determinarea volumului de ap care nu are capacitatea de dizolvare;
Metoda dilatometric, bazat pe faptul c apa legat are o temperatur
de nghe diferit de cea a apei libere; Metode bazate pe reducerea
constantei dielectrice; Metoda vscozimetric, bazat pe msurarea
vscozitii; Metoda bazat pe determinarea cldurii de umezire a fazei
disperse n mediul de dispersie;
SCHIMRILE CLIMATICE I ZONA VDOAS
Nivelul la care se gsete apa subteran depinde de clima zonei
respective. Dac n zona respectiv predomin o clim arid sau semiarid,
atunci nivelul freatic scade n timp. ns dac predomin o clim
temperat sau umed, atunci nivelul freatic rmne apropiat de suprafaa
terenului. Diferena dintre evaporare, evapotranspiraie i
precipitaii influeneaz nivelul apei subterane.n perioada secetoas
apare doar fenomenul de evaporare ce duce la dezhidratare i
fisurarea masei de pmnt n timp ce n perioada de precipitaii
abundente se produce saturarea masei de pmnt. Prin urmare, adncimea
apei freatice este influenat de fluxul evaporare-precipitaii. Lipsa
acestui flux de la suprafaa terenului reprezint o condiie de
echilibru hidrostatic. n perioadele secetoase, presiunea din pori
devine mai negativ dect cea reprezentat de linia hidrostatic iar n
perioadele cu umiditate ridicat are loc opusul.Plantele care cresc
pe suprafaa terenului acioneaz asupra apei din pori prin
evapotranspiraie. Majoritatea plantelor sunt capabile s acioneze
asupra apei din pori cu o for de 1-2 MPa. Fora aplicat apei din
pori acioneaz n toate direciile i poate depi uor limita presiunii
laterale. n urma acestui fenomen are loc cea de-a doua faz a
dezhidratrii, adic fisurarea. n urma evapotranspiraiei are loc
dezhidratarea i ntrirea terenului.De-a lungul anilor, o mas de pmnt
este supus la o serie de variaii climaterice. Acest lucru produce
modificri n distribuia presiunii din pori care la rndul lui produce
umflri i contracii n pmnt. Distribuia presiunii apei din pori
reprezentat n figur poate lua diferite forme ca urmare a
schimbrilor de mediu.
Figura....
Zona vdoas este foarte complex din cauza naturii sale
frmicioase. Ingineria geotehnic a ncercat s evite sau s simplifice
mult aceste zone.
STRATUL DE PMNT NESATURAT
Zonele de pmnt nesaturate joac un rol critic n procesele de
descompunere biologice, fizice i chimice care au avut loc de-a
lungul istoriei Pmntului. Istoria formrii pmntului este istoria
zonelor nesaturate. Ca rezultat al proceselor de dezagregare fizice
i chimice puternic influenate de factorii de mediu la suprafaa
pmntulu, roca de baz se descompune ntr-un profil rezidual de pmnt,
de compoziie chimic i orizonturi distincte.Descrierea simplificat a
nomenclaturii pentru fiecare orizont de pmnt, bazat pe o descriere
sistematic complet a lui Birkeland (1999)
Orizonturile unui pmnt nesaturat:Orizontul este un strat de sol
aproximativ paralel cu suprafaa terenului care se deosebete de
stratele supra i subiacente, de care este genetic legat, prin
proprietile sale fizice, chimice i mineralogice, prin caracterele
morfologice, prin felul i numrul de organisme prezente. Orizontul O
acumulri de suprafa, n special a materialului organic care sunt
subdivizate n funcie de gradul de descompunere msurat prin
coninutul de fibre.Orizontul Oi materialele organice cel mai puin
descompuse. Coninutul de fibr este mai mare de 40% din
volum;Orizontul Oe prezint un grad intermediar de descompunere.
Coninutul de fibr este cuprins ntre 17-40% din volum;Orizontul Oa
prezint gradul cel mai mare de descompunere, coninutul de fibr
fiind mai mic de 17% din volum;Orinzontul A - acumulri de materiale
organice umede amestecate cu fraciuni minerale dominante care apar
la suprafa sau sub orizontul O;
UMIDITATEA DE SATURAIE I REPREZENTAREA GRAFIC A VARIAIEI
TENSIUNILOR
Se consider un strat de pmnt omogen care este iniial saturat i
nencrcat (figur).
Nivelul de ap se afl la suprafaa stratului considerat iar la
partea inferioar a acestuia se afl un alt strat de roc.Tensiunea
total vertical n stratul de pmnt datorit greutii proprii este
funcie de adncime, dup cum urmeaz:
Unde: greutatea volumic a pmntului;z adncimea pn la suprafaa
pmntului;
Tensiunile orizontare (x i y) pot fi estimate din tensiunile
verticale n stare de repaus sau Ko, conform relaiei:
Unde: coeficientul lui Poisson;uw presiunea apei din pori;
n ambele cazuri, pentru pmnt saturat i nesaturat, pentru
presiunea apei din pori, condiia hidrostatic este urmtoarea:
Unde:w greutatea volumic a apei;zw este adncimea de la nivelul
apei pn la punctul analizat i este pozitiv pentru punctele situate
sub nivelul apei.
Tensiunea vertical efectiv, n cazul profulului saturat este:
Tensiunea orizontal efectiv n stare de repaus sau K0 este:
Profilele conceptuale ale coninutului volumetric de ap (=Vw/Vt),
tensiunea vertical total z, presiunea apei din pori uw, i
tensiunile efective verticale i orizontale (x i z) pentru stratul
de pmnt saturat sunt evideniate n figura 2, a, b, c, d.Pentru c
pmntul este saturat, coninutul volumetric de ap este o constant
egal cu porozitatea, n (s= Vw/Vt=Vv/Vt=n).Pentru o analiz
cantitativ, se consider un strat omogen de nisip, cu grosimea de
10m, cu coeficientul lui Poisson egal cu 0,35, greutatea volumic de
18,80 kN/m3 i porozitatea egal cu 30%.Corespunztor coninutului
volumetric de ap, profilul este figurat n figura .....b, tensiunea
vertical total i presiunea apei din pori este figurat n .....c i
tensiunile verticale i orizontale sunt figurate n figur d. Fiecare
din aceste profile este o funcie liniar de adncime.Umiditatea
natural (umiditatea pmntului nesaturat) i reprezentarea grafic a
variaiei tensiunilor.Pmnturile nesaturate sunt caracterizate de un
nivel al apei situat la o anumit adncime fa de suprafaa pmntului.
Dac, spre exemplu, nivelul apei n exemplul anterior msoar 10 m la
interfaa dintre stratul de pmnt i un strat de roc, se dezvolt un
coninut de ap variat.La echilibru hidrostatic, se admite ca
coninutul volumetric de ap variaz de la 5% la suprafaa pmntului la
30% la nivelul apei. Coninutul de ap de 30% la nivelul apei este
coninutul de ap saturat, s, egal cu porozitatea pmntului. n
consecin, profilul presiunii porilor este liniar distribuit cu
adncimea. Aici, presiunea apei din pori variaz de la 98 kPa la
suprafa, la 0 la nivelul apei.Tensiunea orizontal total poate fi
estimat pornind de la tensiunea vertical total, cu condiia K0.
n cazul tensiunilor orizontale efective se aplic aceeai relaie
ca n cazul anterior.
Profilul presiunii verticale totale se schimb datorit procesului
de eliminare a apei, ntruct greutatea proprie a materialului scade.
Admind ca greutate volumic a pmntului scade de la cea iniial de
18,80 kN/m3 la o valoare medie de 15 kN/m3 la toate adncimile iar
parametrul tensiunii efective are o valoare medie de 0,50.
CRITERIUL DE CEDARE EXTINS MOHR-COULOMB
Rezistena la forfecare a unui sol nesaturat poate fi formulat n
termeni independeni de variabilele de tensiune.Oricare dou din cele
trei posibile variabile de tensiune pot fi folosite pentru ecuaia
rezistenei la forfecare.Variabilele de tensiune s-au dovedit a fi
combinaia cea mai avantajoas pentru practic.Folosind aceste
variabile de tensiune, ecuaia rezistenei la forfecare este scris
dup cum urmeaz:
Unde:c intersecia Mohr-Coulomb pe axa de forfecare unde
tensiunea net normal i matricea sunt egale cu zero (se refer de
asemenea la eficacitatea coeziunii);(-ua) tensiunea normal;ua
presiunea aerului din pori;uw presiunea apei din pori tensiunea
normal; unghiul de frecare intern asociat cu starea variabil de
tensiune normal;(ua-uw)f aspiraia matricii la eec;eb unghiul care
indic rata de cretere a rezistenei la forfecare n raport cu
aspiraia matricii;
Ecuaia rezistenei la forfecare pentru un sol saturat prezint o
tranzacie in pentru ecuaia rezistenei la forfecare pentru un sol
saturat.Pe msur ce solul se apropie de saturaie, presiunea apei din
pori uw se apropie de presiunea aerului din pori ua i aspiraia
matricei duce la zero.Componenta aspiraiei matriciale dispare iar
ecuaia anterioar revine la ecuaia pentru un sol saturat:
Intercepia extins pentru un sol saturat este obinut prin
reprezentarea grafic la o serie de cercuri Mohr corespunztoare
condiiilor a unei parcele bidimensionale aa cum este artat
anterior. Linia tangent la cercurile Mohr este numit plic eec aa
cum este descris n ecuaia de mai sus.n cazul unui pmnt nesaturat,
cercurile Mohr corespunztoare condiiilor pot fi reprezentate ntr-un
mod tridimensional aa cum este ilustrat n figura urmtoare:
Parcela tridimensional are tensiuni de forfecare ca i ordonat i
cele dou variabile de stare.
Planul forntal reprezint un pmnt saturat unde aspiraia matricial
este zero.Pe plan frontal, axa (-ua) devine (-uw) deoarece
presiunea aerului din pori devine egal cu presiunea apei din pori
la saturaie.Astfel se poate observa c un pmnt saturat este doar un
caz special al pmntului nesaturat.Cercurile Mohr pentru un sol
nesaturat sunt reprezentate grafic n raport cu axa tensiune (-ua) n
acelai mod n care i cercurile Mohr sunt trasate pentru solurile
saturate n raport cu axa tensiune (-uw). Cu toate acestea
localizarea parcelei cercului Mohr n a treia dimensiune este o
funcie de matrice.Suprafaa tangent la cercurile Mohr este menionat
c a extins intercepia Mohr-Coulomb pentru solurile
nesaturate.Extinsa intercepie Mohr Coulomb definete rezistena la
forfecare a unui sol nesaturat. Linia de intersecie dintre extinsa
intercepie pentru starea saturat.nclinarea planului extins teoretic
este definit prin unirea punctului tangent a cercurilor Mohr la
punctul pol.Punctul tangent la cercul Mohr la tangent reprezint
starea de tensiune n plan (tangent la tangent).n mod clar extinsa
intercepie este oarecum curbat. Fugura reprezint un plan tangent
plan care intersecteaz axa oferind o coeziune intercept.Plicul are
unghiul de pant i b sunt parametrii de rezisten utilizate pentru a
corela rezistena la forfecare la variabilele de tensiune.Parametrii
rezistenei la forfecare reprezint muli factori care sunt
densitatea, raportul gol, gradul de saturaie, compoziia mineral,
rata de deformare.Cu alte cuvinte aceti factori au fost combinai i
exprimai matematic n parametri de rezisten.
Clasificarea solului nesaturat
n timp ce teorii i tehnici din mecanica pmntului nesaturat
necesit principii existente n mecanic, hidraulic i fizic, putem
clasifica problemele de inginerie geotehnic care implic solul
nesaturat n trei fenomene generale: fenomenul de curgere; rezisten;
deformaie;
Fenomenul de curgereFenomenul de curgere necesit aplicaii ce
provin din hidraulic i fizic. Un exemplu bun ce poate fi dat este
curgerea prin porii capilari ai pmntului. Date recente ne arat c
creterea capilaritii i reinerea apei n pori n solul nesaturat sunt
influenate de tipul de sol, dimensiunea granulelor i mrimea
porilor.
Ca parte din aceste studii recente, termenul de potenial de
capilaritate i conductivitatea n porii capilari au fost introduse
ca for i respectiv variabil de control pentru curgerea prin porii
capilari ai materialului. Potenialul chimic sau energia liber,
concept folosit pentru apa porilor din sol a fost dezvoltat de
Sposito n 1981 pentru a include masa celor 3 faze (gaz, solid i
lichid) mpreun cu temperatura i presiunea ca stri independente
variabile. Ca rezultat multe dintre problemele din mecanica solului
nesaturat pot fi tratate efectiv prin teoria potenialului
dinamic.
Fenomenul de rezistenProblemele ce necesit un echilibrul att
mecanic ct i chimic sunt clasificate ca i fenomene de rezisten.
Acestea includ probleme tradiionale de inginerie geotehnice, cum ar
fi presiunea lateral a pmntului, capacitatea portant i analiza de
stabilitate.Pentru fiecare dintre aceste probleme rezistena
terenului la starea limit este principala preocupare. Analiza
distribuiei tensiunilor n masa solului i rezistena corespunztoare
devin extrem de importante. Analizele la strile limit s-au
dezvoltat nc din anul 1930 pentru solul nesaturat i au forma baza
pentru a rezolva aceste tipuri de probleme. mbuntirea soluiilor de
rezisten cunoscute n probleme de inginerie geotehnic necesit nu
numai activiti susinute de cercetare n domeniul mecanicii solide
dar i teorii noi n abordarea discontinuitii microscopice pentru a
descrie rezistena efectiv a solurilor n diferite stri. Rezistena
efectiv a lui Terzaghi care este baza mecanicii pmntului sub
condiii saturate, devine fr efect sau neadecvat pentru a descrie
complet distribuia tensiunii sau eecul condiiilor n solul
nesaturat.
Fenomenul de deformaie
Procesul fizic caracterizat de deformaii mari este denumit
fenomenul de deformaie. n pmnturi nesaturate, aceste deformaii sunt
foarte adesea cauzate sau guvernate de schimbri n starea de
umiditate a solului. Fenomene importante de deformare includ
compactarea, consolidarea multifazic, comprimarea i comportamentul
solului la prbuire. Cel mai ntlnit fenomen de deformatia este cel
al micorrii volumului pmntului.
PMNTURILE NESATURATE N STARE NATURAL I EXPLOATARE
Pmnturile nesaturate n circuitul apei n natur.Figura ... prezint
o diagram schematic cu pmnturile nesaturate n natur i n circuitul
natural al apei. Poziia nivelului pnzei freatice este controlat de
topografia general a sistemului, proprietile solului i balana
realizate prin mecanismele naturale care au acionat fie s adune ap
sau s elimine apa din subteran. Circulaia apei n natur, n
complexitatea fenomenului este alctuit din mai multe circuite,
fiecare succedate ntr-o ordine bine determinat. Astfel, se pot
distinge foarte uor, dou circuite: unul local, sau mic, i unul
universal, sau mare. La nivel grobal, cantitatea de ap din zona
nesaturat este localizat ntre nivelul pnzei freatice i suprafaa
pmntului ce reprezint numai o mic parte din cantitatea total de ap
implicat n circuitul natural al apei (mai puin de 0,01%).Cu toate
acetsea, pentru c zona nesaturat necesar formeaz trecerea ntre
atmosfer i acviferele mari situate la adncime, circuaia apei n
cadrul acestei poriuni mici de 0,01% a ciclului natural al apei
este ntr-adevr semnificativ.
Figura: Rolul zonei nesaturate n circuitul natural al apei;
Fizica de baz, fazele i variabilele strii de tensiune
IntroducereMecanica pmnturilor i ingineria geotehnic au fost
adesea studiate pornind de la ipoteza implicit conform creia pmntul
este ntr-o stare uscat (saturaie 0%) sau ntr-o stare saturat (100%
saturaie). Comportamentul solului este guvernat exclusiv de legea
eforturilro efective ale lui Terzaghi (1936). n principiu, faza
nesaturat i faza saturat a pmnturilor sunt doar dou extreme i dou
condiii care limiteaz pmntul. Cu alte cuvinte, condiiile de
saturare i nesaturare ale pmntului sunt doar dou cazuri speciale
ale unui pmnt nesaturat, care are un grad de saturare ce este
cuprins ntre 0% i 100%.
Capitolul I: Fizica de baz, fazele i variabilele strii de
tensiunePmnturile nesaturate, care reprezint majoritatea pmnturilor
de la suprafa sau n apropierea suprafeei pmntului, sunt prezentate
mpreun cu caracteristica lor de saturare parial ce d natere la
conceptul de aer n pori precum i ap n pori, ce mpreun formeaz o
suprafa aer-ap contractil. Importana variabilelor strii de tensiune
n definirea comportamentului ingineresc al rezistenei
deformabilitii i fluxului tranzitoriu sunt discutate, iar
selectarea celor dou variabile independente (tensiunea normal i
suciunea) sunt explicate. Fizica asociat tensiunii superficiale i
cavitaiei (sau cum poate fi evitat aceasta) este descris. Fizica
asociat tensiunii superficiale i cavitaiei (sau cum poate fi evitat
aceasta) este descris. Pmntul saturat este un caz simplificat i
special de pmnt n privina metodelor de analiz i clasificare a lor.
Aceast clsificare important are implicaii majore pentru inginerii
constructori.
Capitolul 2: Msurarea i controlul suciunii: metode i
aplicaiiMsurarea i importana suciunii solului este evideniat.
Principiile i limitrile metodelor de msurare sunt explicate. O nou
msurare simpl i precis a schimbrii volumului pmnturilor nesaturate
este introdus i explicat. Sunt furnizate diferite exempled e
utilizare a tehnicilor de control. Sunt prezentate diferite aparate
de msurare a suciunii in-situ i n laborator. Este prezentat un
studiu de caz care compar diferii senzori de msurare in situ. Acum,
inginerii constructori au o gam variat de instrumente moderne care
pot msura suciunea pmnturilor nesaturate.
Capitolul 3: Legile de curgere, infiltrarea i caracteristicile
strii de dependen ntre ap i pmntLegile de curgere pentru
infiltrarea de aer i ap prin solul saturat i nesaturat sunt
analizate. Parametrii i proprietile hidraulice sunt introduse i
explicate, incluznd caracteristicile pmntu-ap precum i parametrii
permeabilitii care ajut la analiza infiltrrii apei ntr-un pmnt
nesaturat. Un concept nou i avansat al curbei strii de dependen
ntre ap i pmnt este introdus, pentru a defini capacitatea unui pmnt
nesaturat de a stoca sau a elimina ap n diferite stri de tensiune.
Sunt prezentate tehnici experimentale i mijloace teoretice pentru
definirea i msurarea acestui concept. Ifluena diferitelor proprieti
hidraulice precum i mecanismul de infiltrare a apei din precipitaii
n pmnturi nesaturate cu un singur sau cu dou straturi sunt
evideniate ntr-un studiu analitic al parametrilor. Acesta
demonstreaz c procesul de infiltrare i modificare a presiunei apei
din pori sunt controlate n mod principal d erata de infiltrare a
apei din precipitaii, coeficientul de desaturare i de
permeabilitate a pmntului saturat. De asmenea i influena ratei
antecendente de infiltrare este relevant.
Potenialul apei din pori
Potenialul termodinamic al apei din porii pmntului este descris
n mod riguros n termeni de potenial chimic.Potenialul chimic,
desemnat tipic , are uniti de energie pe unitate de mas, unitatea
de msur fiind fie jouli pe mol (J/mol) sau jouli pe kilogram
(J/kg). Potenialul chimic al apei din pori reprezint cantitatea de
energie stocat pe unitatea de mas de apa din pori. Potenialul
porilor n unitile ultim enumerate de jouli pe kilogram este adesea
menionat ca energia liber pe unitatea de mas, sau potenialul E.
Potenialul chimic este criteriul principal pentru echilibru n ceea
ce privete transferul de energie n oricare faz a materiei(ex., apa)
sau dintr-o faza a unei anume materii n alt faz a aceleiai
materii(ex., din apa lichida n apa sub forma de vapori). Echilibrul
necesit ca energia s fie transferat din centre sau faze de potenial
chimic relativ ridicate n centre sau faze de potenial chimic
relativ reduse. ntr-un sistem nchis n echilibru, potenialul chimic
al materiei luate n considerare este acelai n fiecare punct n
cadrul fiecrei faze i ntre toate fazele.Descrierea strii de energie
a apei din porii solului este cel mai bine realizat prin luarea n
considerare a schimbrii dintr-o condiie de referin pentru apa
liber. Variaia total n potenialul de ap din pori t ce rezult din
diverse mecanisme de suciune fizice i fizico-chimice n pmnturi
nesaturate poate fi scris n felul urmtor :
unde c reprezint variaia de potenial datorat curburii la
interfaa aer-ap(adic, efectul capilaritii), 0 este variaia datorat
efectelor soluiei dizolvate(adic, efectele osmotice), e este
variaia datorat prezenei cmpurilor electrice i f este variaia
datorat cmpurilor van der Waals. Fiecare termen din dreapta ecuaiei
are o valoare negativ, reliefnd o descretere sau decrement n
potenialul chimic asociat fiecrui mecanism.Suciunea pmntului are o
valoare pozitiv deoarece descrie acest decrement relativ la un
potenial de referin pentru apa liber egal cu zero.Aa cum este
descris n detaliu n Capitolul 4, curbura la interfaa aer-ap n
pmnturi nesaturate descrete potenialul chimic (J/mol) al apei din
porii pmntului, o valoare descris de o form a ecuaiei Young-Laplace
precum urmeaz :
unde Ts este tensiunea superficial a apei (mN/m), R1 i R2 sunt
razele principale ce descriu curbura interfeei aer-ap (m) i w
reprezint volumul molar parial al apei (m3/mol). Pe masur ce
curbura net a interfeei aer-ap localizat ntre i printre granulele
de pmnt nesaturate crete (adic, pe masur ce pmntul desatureaz i
presiunea porilor devine mai negativ), descreterea n potenial
chimic devine mai mare.Pentru soluii ideale i diluate ,descreterea
n potenial chimic (J/mol) datorit prezenei soluiilor dizolvate
poate fi aproximat printr-o form a ecuaiei vant Hoff:
unde C este concentraia molar a soluiei porilor (mol/m3), R este
constanta universal a gazului (JK/mol) i T reprezint temperatura
(K). Produsul CRT n ecuaia de mai sus este frecvent menionat ca
presiune osmotic, sau . Sub condiii mai generale, nediluate,
presiunea osmotic este descris de catre ecuaia viral(ex.,
Shaw,1992) :
unde B2, B3, ... sunt coeficieni virali. Pe masur ce termenul de
concentraie se apropie de zero, ecuaia viral se apropie de
aproximarea vant Hoff.Precum se arat n Fig. 1.18, pe msur ce
concentraia de soluie dizolvat crete, presiunea osmotic crete.
Potenialul chimic al soluiei de ap din pori corespunztor
descrete.Deoarece H2O este o molecul polar, consecina fizic a
cmpurilor electrice de raz scurt ce provin din suprafeele
particulelor de pmnt(minerale argiloase) este de a atrage ,de a
alinia i de a ordona aranjamentul molecular al porilor de ap
nvecinai.Considernd o interaciune cu o singur suprafa a particulei,
descreterea corespunztoare n potenial chimic al apei din pori este
dependent de locaia apei relativ la suprafaa particulei i poate fi
cuantificat dup cum urmeaz(ex., Iwata i colaboratorii,1995) :
unde este constanta dielectric pariala a apei din pori i D
reprezint valoarea deplasrii electrice la punctul unde apa exist.
Valoare lui D depinde de forma i dimensiunea particulei de pmnt,
densitatea sa superficial de sarcin i distana de la suprafaa
particulei la apa luat n considerare.
Tabel 1.1 Diagrama de conversie pentru termeni ai potenialului
apei din poriPotenialVrf/CapPresiune
Potenial (J/mol)-
Vrf/Cap (m)
-
Presiune
-
relevant pentru majoritatea aplicaiilor mecanice practice ale
pmnturilor nesaturate. Uniti alternative de (pF), care erau
cunoscute n literatura veche i sunt definite ca logaritm al
potenialului de ap din pori n uniti de vrf/cap n centimetri de ap
(Schofield,1935) :
Din motive de convenien, uniti de pF pot fi aproximate n termeni
de kilopascali precum urmeaz:
de exemplu, pentru pF=4:
O serie suplimentar de uniti echivalente utilizate n mod obinuit
pentru potenialul apei din pori este rezumat n Tabelul 1.2.
Soluri nesaturate
Clasificarea fenomenelor specifice solurilor nesaturate
n timp ce dezvoltarea teoriilor i tehnicii din mecanica
solurilor nesaturate necesit principii derivate din domeniul
mecanicii hidraulicii i fizicii, mai convenabil este clasificarea
diferitelor probleme specifice domeniului geotehnicii care implic
solurile nesaturate n trei fenomene generale i anume: fenomenele de
lichefiere, starea de tensiune i fenomenele de deformaie.Trebuie
remarcat faptul c n acest caz, generalizarea este esenial pentru
nelegerea fenomenelor i uurina prezentrii principiilor i nu are rol
de delimitare a problemelor specifice ingineriei geotehnice.
Majoritatea problemelor inginereti implic de obicei toate cele trei
fenomene ca acionnd simultan. O teorie cu aplicaie efectiv care s
descrie fenomenele de deformare a solurilor expansive, de exemplu,
ar putea nece