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