Presiunea apei din pori. Sofoziunea

Presiunea apei din pori. Sofoziunea

Principiul presiunii efective

Presiunea apei din pori a fost descoperita de K. Terzaghi, facand o experienta de laborator cu vasul lui Terzaghi. Pe fundul vasului s-a asezat un strat de nisip de grosime mica pentru a se putea neglija presiunea ce provine din greutatea proprie. La nivelul median al stratului de nisip s-a montat un pie­zometru pentru a se putea urmari variatia apei din vas. Deasupra stratului de nisip, in vas s-a introdus apa pe adancimea h_a. Presiunea u pe fata supe­rioara a stratului de nisip este data de marimea coloanei de apa din vas:

u=g_wh_a

in care g_w este greutatea specifica a apei. Mentinand apa la cota h_a, stratul de nisip a fost tinut sub observatie, fara a se inregistra o deformatie de tasare masurabila. Indepartand apoi presiunea u si inlocuind-o cu o presiune echi­valenta provenind dintr-o incarcare mecanica, stratul de nisip a suferit o tasare evidenta. Aceasta observatie experimentala l-a condus pe Terzaghi la descoperirea principiului presiunii efective: daca o roca in stare saturata este supusa la un efort exterior s, aceasta se descompune in doua parti, una preluata de scheletul mineral s denumita presiune efectiva sau intergranulara si alta u preluata de apa din porii rocii denumita presiune neutra (neutrala). Presiu­nea neutra poate avea o valoare pozitiva sau negativa. De exemplu, in zona de ridicare a apei prin capilaritate in teren, presiunea neutra are o valoare negativa. Cand presiunea neutra are o valoare pozitiva, ea reprezinta presiunea apei din pori, denumita deseori si presiune interstitiala. Efortul exterior s aplicat pe o roca saturata se descompune deci doua parti:

s s'+u

Presiunea apei din pori nu joaca deci nici un rol in realizarea starii de compactare a rocilor. Este dovedit, de asemenea, ca nici rezistenta la forfecare nu depinde de presiunea apei din pori, ci numai de marimea efortului efectiv ce actioneaza la contactul dintre granule:

s s-u 

Presiunea apei din pori fiind de natura hidrostatica are aceeasi marime pe orice directie in jurul unui punct. Daca amplasamentul unei constructii este alcatuit dintr-un teren nisipos, in care avem un strat acvifer cu nivel liber la adancimea h₀, pentru cazul in care vom funda o constructie sub nivelul hidrostatic, presiunea apei din pori actioneaza pe talpa fundatiei ca o subpresiune avand expresia:

u=g_w*h_a

Considerand talpa fundatiei ca o membrana impermeabila situata la adancimea de fundare h_f, la acest nivel, presiunii p transmisa de constructie i se opune presiunea apei din pori u, care creste odata cu adancimea h_a.

Urmarind notatiile, in conditii naturale (inainte de execu­tarea fundatiei) efortul total s pe planul ab este dat de relatia:

s gh₀ + g h_a + g_wh_a

in care g este greutatea volumica a nisipului in stare umeda (deasupra nivelului hidrostatic); g greutatea volumica a nisipului in stare inundata ­(submersa); g_w greutatea specifica a apei.

Greutatea volumica in stare inundata se determina cu formula:

g g_s g_w)(1-n)

in care g_s este greutatea specifica, iar n porozitatea.

Deoarece in formula (4) termenul g_wh_a reprezinta presiunea apei din pori, efortul efectiv pe planul ab este:

s gh₀ +g'h_a

iar efortul total:

s s'+u

Rolul presiunii apei din pori in formarea alunecarilor de teren

In baza principiului presiunii efective descoperit de Terzaghi in 1920, ecuatia lui Coulomb elaborata cu circa 150 ani mai inainte, care are expresia:

t s tgj + c

devine ecuatia Coulomb- Terzaghi:

t s - u) tg j' + c'

t s'tgj'+c'

in care t este efortul unitar tangentia1 la rupere; s - eforul unitar normal la rupere; j - unghiul de frecare interioara ; c - coeziunea; t - efortul efectiv unitar tangential; s - efortul efectiv unitar normal; j - unghiul de frecare interioara, determinat pe baza presiunilor efective; c' - coeziu­nea, determinata pe baza presiunilor efective; termenul u isi mentine semni­ficatia de mai inainte.

Presiunea apei din pori actioneaza perpendicular pe suprafetele de alu­necare ce se formeaza in versanti si taluze. Este reprezentat un taluz sapat in argile cuaternare care cuprind si un strat acvifer cu nivel liber. Taluzul aluneca dupa o suprafata cilindrica-circulara. In taluz se afla un piezometru care intercepteaza suprafata de alunecare in punctul a. Presiunea apei din pori in punctul a este:

u =g_wh_a

unde h_a este proiectia pe verticala a echipotentialei ce trece prin a. Presiunea apei din pori actioneaza in punctul a perpendicular pe suprafata de alunecare, contribuind la cresterea fortelor de alunecare.

Pentru cresterea rezervei de stabilitate a versatilor si taluzelor, pentru reducerea subpresiunii ce actioneaza pe fundatiile constructiilor, coborarea nivelului apei subterane reprezinta o masura foarte eficienta. Calculand coeficientul de siguranta al iazului de decantare de pe Valea Devei, la cedarea prin alunecare, pentru o inaltime a iazului de circa 60 m, a rezultat o rezerva de stabilitate foarte mica (h < 1,1). Pentru imbunatatirea conditiei de sta­bilitate am luat in considerare coborarea nivelului apei subterane din iaz (Dh_a) pe o adancime variind intre 1 si 4 m si s-a calculat coeficientul de siguranta h pentru coborari succesive ale apei, de cate 1 m fiecare.

Prin coborarea apei subterane se realizeaza de fapt reducerea presiunii apei din pori si deci reducerea fortei neutre totale pe suprafata de alunecare (U). Estimand reducerea fortei neutre totale la iazul de decantare de pe Valea Devei, pentru coborarile succesive ale apei subterane de la 1 - 4 m considerata mai inainte, intre coeficientul de siguranta si reducerea fortei neutre s-a obtinut de asemenea tot o corelatie liniara. In acest caz, pentru fiecare coborare a apei subterane cu 1 m a rezultat o micsorare a fortei neutre de circa 150 t/m.1, ceea ce reprezinta o reducere foarte importanta a fortelor alunecatoare, ducand la cresterea coeficientului de siguranta la o valoare satisfacatoare pentru asigurarea stabilitatii.

Presiunea apei din pori este de natura hidrostatica, dar ea poate fi egala sau mai mare decat presiunea hidrostatica din cuprinsul stratului acvifer. Sa urmarim variatia presiunii apei din pori la doua alunecari de teren formate in argile senzitive de tip "quick clay" din Scutul Scandinavei. Sub suprafata de alunecare, presiunea apei din pori se reduce destul de rapid pana la valoarea presiunii hidrostatice. La aceasta alunecare, valoarea maxima a presiunii apei din pori, la o adancime data, este cu circa 1/3 mai mare decat presiunea hidrostatica considerata in acelasi punct. In cuprinsul masei alunecatoare versantul avand structura naturala deranjata, presiunea geologica nu mai poate fi preluata decat in parte de scheletul mineral (cea mai mare parte fiind transmisa apei), ceea ce are drept urmare cresterea presiunii apei in pori.

Presiunea de filtrare si presiunea hidrostatica a apei din fisuri

Presiunea de filtrare a curentului subteran si presiunea hidrostatica a apei din fisuri joaca un rol important in examinarea stabilitatii terenului de fundare, in mentinerea stabilitatii versatilor lacurilor de acumulare, in analiza de stabilitate a taluzelor sapate sub nivelul hidrostatic si in alte lucrari ingineresti. Un rol cu totul deosebit il are presiunea de filtrare in iazu­rile de decantare din industriile miniera, chimica si energetica, unde in cur­gerea subterana se realizeaza gradienti hidraulici foarte mari, care depasesc de 510 ori valorile obisnuite din curgerea naturala.

Presiunea de filtrare depinde de gradientul hidraulic al curgerii sub­terane si de greutatea specifica a apei. Ea este independenta de permeabi­litatea mediului filtrant (Cambefort H., 1971). Ca urmare a actiunii cumulate a mai multor cauze, printre care si presiunea de filtrare, in versant s-a format o suprafata de alunecare.

Presiunea de filtrare actioneaza pe directia liniilor de curent ale curgerii subterane contribuind la cresterea fortelor de alunecare. Ea apare ca un rezultat direct al rezistentei pe care rocile o opun procesului de filtrare. Stu­diul presiunii de filtrare in iazurile de decantare ale industriei miniere este o problema de mare actualitate si de larga perspectiva in tara noastra, avand in vedere ritmul mare de crestere a industriei miniere si sporirea corespunza­toare a capacitatilor de preparare a minereurilor. In iazurile de decantare presiunea de filtrare este un factor care poate duce la pierderea stabilitatii generale.

In cazul in care curgerea subterana este ascendenta, presiunea de fil­trare poate sa devina egala sau chiar mai mare decat greutatea volumica in stare inundata a rocilor granulare (j '), moment in care granulele de nisip se afla in stare de plutire, terenul isi pierde capacitatea portanta iar corpurile care se afla la suprafata terenului, inclusiv oamenii, se pot afunda pe 2 - 3 m. lata un alt gen de pericol provocat de presiunea de filtrare.

Presiunea hidrostatica a apei din fisurile rocilor stancoase actioneaza pe o directie perpendiculara pe peretii fisurilor, contribuind la dislocarea masivului. Efectul negativ asupra stabilitatii este sporit de inghetul periodic al apei din fisuri, care dezvolta presiuni ce depasesc in multe cazuri rezistenta rocilor. Exemplificam efectul negativ al presiunii hidrostatice prin alunecarea de mari proportii de pe Valea Vajont-Italia, produsa in 1963. Pe aceasta vale, cu trei ani mai devreme s-a terminat constructia unui baraj in arc, cu o inaltime de circa 260 m, fiind cel mai mare baraj in arc din lume la data executiei lui. In cuprinsul lacului de acumulare, in octombrie 1963 s-a pro­dus o mare alunecare de teren, cea mai mare catastrofa din istoria constructiilor hidrotehnice, in care si-au pierdut viata circa 2000 de oameni. Alunecarea a avut loc in calcare fisurate (Malm). Alaturi de alte cauze, presiunea hidro­statica a apei din fisuri a jucat un rol important in producerea procesului de alunecare. Din cercetarile de detaliu ce au fost facute dupa producerea alunecarii, a rezultat ca presiunea hidrostatica a dat o rezultanta totala de circa 1,8 milioane tone si a actionat pe o suprafata de fisuratie de 1,5∙10⁵m².

Cote. Adincimi. Planimetrie.

Cota apelor reprezinta inaltimea apelor unui rau masurata pe verticala intre etiaj si nivelul apei la un moment dat.Poate fi exprimata in cm. (pentru navigatie) si in hidrograde si poate avea valori pozitive, cand apele sunt peste etiaj si negative cand apele se gasesc sub etiaj.

Cota fata de nivelul marii reprezinta distanta masurata pe verticala intre nivelul raului la un moment dat si linia ce reprezinta nivelul marii, prelungita in mod imaginar pina in punctul considerat. Fiecare punct de pe un curs de apa isi are cota sa fata de nivelul marii.

Etiajul reprezinta nivelul mediu al celor mai scazute ape la fluvii sau riuri, determinat pe baza observatiilor executate timp de mai multi ani (10-50 ani). Valoarea etiajului se exprima prin inaltimea lui fata de nivelul marii, la fel ca orice cota. El descreste spre varsare. Cresterea si descresterea apelor se masoara in centimetri sau gidrografe pe scara hidrometrica fata de planul etiajului. In cazuri exceptionale, se poate ca apele sa scada sub etiaj.

Planimetria se ocupa cu elaborarea metodelor pentru determinarea si reprezentarea in plan a pozitiilor punctelor trigonometrice si a obiectelor aflate pe sfera terestra.

Hidrogradul este unitatea de masura folosita in hidrografie pentru indicarea variatiilor nivelului apelor unui fluviu intr-un anumit sector al raului. Valoarea unui hidrograd reprezinta a zecea parte din distanta masurata pe mira, intre nivelul maxim al apelor si nivelul minim. Aceasta valoare difera de la un port la altul, tinand cont ca nivelurile sunt diferite. Pentru transformarea hidrogradelor in cm. Se folosesc tabele speciale.