curs1-2-3-4-5-6-7.modificat

- CURS -

MASTER INGINERIA INFRASTRUCTURII

TRANSPORTURILOR

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA

FACULTATEA DE CONSTRUCȚII

“MECANICA AVANSATA A PAMANTULUI”

Prof.Dr.Ing. Augustin Popa

MECANICA PAMANTULUI

1.STRUCTURA PAMANTULUI

1.1.Pamanturi necoezive

1.1.1.Structura granulara (sedimentare)

Fig.1.1.Formarea structurii granulare Fig.1.2.Pamantul – sistem trifazic

minmax

max

ee

eeID

p

s

Ve

V

- Pentru starea cea mai afanata

- Pentru starea cea mai indesata

maxe e

mine e

Nr.crt Tip indesare Grad de

indesare

1. F.Afânat 15DI

2. Afânat 15 50DI T.Dificil

3. Îndesare mijlocie 50 70DI T.Mediu

4. Îndesat 70 85DI T.Bun

5. F. Îndesat 85 100DI

p

t

Vn

Vp

s

Ve

V

1

s d

d

ne

n

1

s d

s

en

e

1d

w

w

d

sat

n

w

(1 )d s n

(1 )(1 )s n w

(1 )s r wn nS

wsat

s

w e

s

r

w

S we

Fig.1.3.Porozitatea pamantului

Fig.1.4.Volum de pamant saturat

3

min 17,80 /de kN m

3

max 14,75 /de kN m

Starea minimă de îndesare (cel mai afânat) este caracterizată prin

nu poate depăși valoarea de 0.47 la pământurile necoezive, în timp

ce la un pământ coeziv poate ajunge până la valoarea de 0,25.

maxe

nu poate depăși valoarea de 0.78 la pământurile necoezive, în

timp ce la un pământ coeziv poate ajunge până la valoarea de 2,3

Starea maximă de îndesare (cel mai indesat) este caracterizată prin

mine

• Pamanturi cuartoase : forma alungita (bastoane) sau sferica

• Pot fi indentificate urmatoarele tipuri de contacte intre particulele minerale.

• L-L –contacte intre particule cu suprafata mare

• L-S-L –contacte intre particule cu suprafata mica

• L-S-V –contacte passive

Fig.1.5 Tipuri de contacte intre particulele minerale

Fig.1.6 Forma particulei minerale

1.1.Pamanturi necoezive

• 1.2.Pamanturi coezive

Fig.1.7.Fortele de legatura intre particulele fine

• Grosimea peliculei de apa (dipoli) fixata pe suprafata particulei argiloase

depinde de suprafata specifica a particulei: montmorillonit: 1000 mp/g ; illit

100 mp/g ; caolinit 10mp/g,

• nisip fin (d=0.1mm): 0.03/g

• Functie de predominarea fortelor de atractie si respingere, particulele

argiloase au tendinta de a se uni in conglomerate care sedimenteaza.

• a). Ape dulci (concentratie de saruri redusa)- fortele predominante de

respingere (-φ), particulele sedimenteaza individual- contacte fata-fata

Fig.1.8 Structura de tip fagure

• b).Ape sarate –fortele predominante de atractie (+φ)

Fig.1.9. Structura de tip flocular

• c).Structura mixta- P+H+PF (<0.05mm)

Fig.1.10.Structura pamanturilor fine

Pamanturile argiloase -forma disc (a) , batoane (bete) (b)

Fig.1.11 Forma particulei argiloase

Fig.1.12 Structura loessurilor

Densitatea si greutatea pământului

Fig.1.13 Volum de pamant

ss

s

m

V

ss

s

G

V

m

V

G

V

sd

m

V s

d

G

V

Cunoașterea parametrilor geotehnici au o importanță mare în calculele din

ingineria geotehnică.

Acestea intervin în toate calculele care țin seama de greutatea pământului

precum: presiunea geologică, împingerea pământului, alunecări de teren,

capacitatea portantă a terenului de fundare, etc.

Circulatia apei in pamant

Fig.1.14 Circulatia apei in pamant

Curgerea apei în pământ poate avea loc numai dacă există niveluri

piezometrice diferite

v k i

/i h s

Legea lui Darcy

Fig.1.12 Viteza de circulatia a apei in pamant

Circulatia apei in pamant

Dacă se consideră o probă de pământ având greutatea la o diferență de nivel

piezometric, asupra probei se exercită o forță a curentului pe verticală .

Fig.1.15 Efectul antrenarii hidrodinamice

wJ A h

Această forță produce o presiune care se

calculează cu relația:

/ /w wj J V h l i

Cu cât greutatea G crește cu atât forța

curentului pe verticală J descrește și

invers. Dacă valoarea greutății este egală

cu forța curentului pe verticală , proba

este în echilibru.

Circulatia apei in pamant

1 'w cri

Gradientul hidraulic critic.

Influenta compozitiei granulometrice asupra gradientului hidraulic critic

Influenta coeficientului de siguranta

/sF G J

Coeficientul de siguranta

Apa capilara

Fig.1.16 Aparitia apei capilare

Apa capilară se găsește în porii pământului deasupra nivelului apei subterane.

Ridicarea apei în pământ este cauzată de apariția tensiunii superficiale.

2 2 cosc wh r r T

Înălțimea capilara se exprimă relația:

Pentru pământuri fine:

10

c

ch

e d

Fig.1.17 Nivelul apei capilare

Fig.1.18 Tensiuni suplimentare în pământ, coeziunea aparentă

Efectele apei capilare

Apa capilara

(figura din dreapta) (figura din stânga)

2

gz hs

E

Tasarea prin produce odată cu creșterea greutății

volumice și apariția unor tasări verticale.

'gz sat h

Capacitatea de îngheț este mai redusă la nisipuri datorită efectului de

ascensiune și de asemnea la argile. În cazul argilelor migrarea apei este

împiedicată de complexele de adsorbție.

Pământurile cu susceptibilitatea cea mai mare la îngheț sunt prafurile și

nisipurile prăfoase.

Apa sub forma de gheata

2.COMPOZITIA GRANULOMETRICA

Cernere d mm

Sedimentare d mm

Fig.2.1.Analiza granulometrica

0.063

0.063

Continutul fractiunilor granulometrice exprimate in [%] din greutatea

totala a materialului uscat reprezinta compozitia granulometrica.

2.1.Clasificare Tabelul 1- Fractiuni granulometrice

Fractiuni ale

pamantului

Subdiviziuni Simboluri Marimea particulelor

( mm )

Pamant foarte

grosier

Blocuri mari Lbo >630

Blocuri Bo >200 pana la 630

Bolovanis Co >63 pana la 200

Pamant grosier Pietris Gr >2.0 pana la 63

Pietris mare CGr >20 pana la 63

Pietris mijlociu MGr >6.3 pana la 20

Pietris mic FGr >2.0 pana la 6.3

Nisip Sa >0.063 pana la 2.0

Nisip mare CSa >0.63 pana la 0.2

Nisip mijlociu MSa >0. 2 pana la 0.63

Nisip fin FSa >0.063 pana la 0.2

Pamant fin Praf Si >0.002 pana la 0.063

Praf mare CSi >0.02 pana la 0.063

Praf mijlociu MSi >0.0063 pana la 0.02

Praf fin FSi >0.002 pana la 0.0063

• 2.2.Paramentri

• Rezultatul analizei granulometrice se poate exprima grafic in mai multe

forme dintre care cea mai raspandita este curba granulometrica.

• Curba granulometrica – d10 “diametru efectiv”; d30, d50,d60.

Fig.2.2.Curba granulometrica

10

60

d

dcu

6010

2

30

dd

dcc

Forma curbei granulometrice poate fi caracterizata prin:

- coeficient de neuniformitate

- coeficient de curbura

Curba granulometrica a PIETREI SPARTE

• Daca a).Cu>6 si 1<Cc<3 – pamantul are o buna gradatie (usor compactabil)

b).alte valori - pamantul are o gradatie pe domeniu mic

c).lipsa unor fractiuni granulometrice – gradatie intermitenta

Fig.2.3.Curba granulometrica pentru tipuri de pamanturi

Important pentru lucrari de umplutura ---NU ---200mm>10%; procentaj particule ≤ 0.063mm >10-15%;

Materiale pentru TERASAMENTE

Materiale pentru TERASAMENTE

Clasificarea pamanturilor pentru constructia TERASAMENTELOR

Clasificarea pamanturilor GELIVE

Pentru executia straturilor de imbunatatire se utilizeaza urm. AGREGATE:

- Piatra sparta 40-80 mm

- Split 16-25 mm pentru impanarea la partea superioara a stratului de blocaj cu

stratul de piatra sparta

- Nisip grauntos sau savura 0-7 mm ca material de protectie a geotextilului

1. Pentru stratul de blocaj din piatra

2. Pentru stratul de piatra sparta

- Piatra sparta 0-63 mm, in stratul de imbunatatire

3. Pentru stratul de balast

- Balast 0-63 mm, in stratul cu geogrile

Agregatele trebuie sa provina din roci stabile, adica nealterabile la aer, apa

sau inghet. Se interzice folosirea agregatelor provenite din roci feldspatice sau

sistoase

Piatra sparta utilizata va fi un material format din fragmente de roca

unghiulare obtinute prin concasarea mecanica a urmatoarelor tipuri de roci

provenite din cariere cu depozite de piatra nedeteriorate, bine consolidate:

granit si alte roci vulcanice similare, cu structura larg cristalizata, calcar

dolomitic, gresie, cuartit metamorfic masiv sau alte roci similare

Agregatele folosite la realizarea straturilor de imbunatatire trebuie sa

indeplineasca conditiile de admisibilitate prezentate in tabelele urmatoare:

NISIP - conditiile de admisibilitate conform SR 662:2002

BALAST - conditiile de admisibilitate pentru fundatii conform SR 662:2002

PIATRA SPARTA – Conditii de admisibilitate conform SR 667:2001

BALAST– Granulozitate

Agregatele folosite la realizarea straturilor de imbunatatire trebuie sa

indeplineasca conditiile considerate in Proiectul tehnic.

Ex:

Balastul din stratul de imnunatire

-modul de deformatie liniara E=45000kn

-unghi de frecare interna φ=37◦

-greutate volumica ᵞ=22 kN/mc

Piatra sparta din stratul de imnunatire

-modul de deformatie liniara E=55000kn

-unghi de frecare interna φ=38◦

-greutate volumica ᵞ=23 kN/mc

PIATRA SPARTA – Conditii de admisibilitate

PIATRA SPARTA – Granulozitate

3.COMPRESIBILITATEA

• Incarcarea transmisa de fundatie pamantului provoaca in zona de sub talpa fundatiei o stare de tensiuni insotita de o stare de deformatii.

Deformabilitatea pamanturilor este produsa de: - reducerea porozitatii:

-eliminarea apei din pori

-eliminare gaze din pori

Fig.3.1.Compresibilitatea pamantului

• Relatia dintre tensiuni si deformatii “legea constitutiva a materialului”

Legea lui Hooke:

E- modulul de elasticitate longitudinala (modulul lui Young)

- deformatia liniara specifica

Fig.3.2. Diagrama σ - ε

E

dE tg

d

)(h

h

• 3.2.Incercari de compresibilitate

3.2.1.Incercarea edometrica

Fig.3.3.Incercarea edometrica

Determinarea in laborator a compresibilitatii consta in masurarea deformatiei pe

verticala a probelor si a evaluarii in timp a acestora sub efectul incarcarilor verticale

aplicate in trepte.

• 3.2.1.1.Curba compresiune- tasare ( )

Fig.3.4.Curba compresiune-tasare

%zz

• 3.2.1.2.Curba de consolidare

Fig.3.5.Curba de consolidare

• 3.2.1.3.Curba de compresiune-porozitate

Fig.3.6.Curba compresiune-indicele porilor

n

ne

1s

p

V

Ve

t

p

V

Vn

iii e

e

A

A

h

h

V

V

1

1 00

""1 0

LIe

e

h

h

-indicele de compresiune

-indicele de descarcare

Skempton(1944)

-pamant nederanjat Cc=ae0-b

-pamant deranjat

cc

sc

)(1log

0

0e

Ceez

zc

%)10(009.0 Lc wc

%)10(007.0 Lc wc

e

de

h

hdd

1

)(

va

e

de

deE

1)1(

'

01 e

e

h

h

z

z

d

dE

'

av-coeficientul de compresibilitate (1/Ka)

e

Legea indesarii

• 3.2.1.4.4. Curba de compresiunie-tasare specifica

Fig.3.7.Curba compresiune-tasare (sc.liniara)

1 ' ' '

' '

m

ref

oed oed

ref

c ctgE E

c ctg

ref

oedE 1 ' 100ref refp kPa

50

ref ref

oedE E 4ref ref

u oedE E

(m=0.5 pentru nisipuri, m=1 pentru argile moi)

• -modulul de edeformatie edometric

• M

• - modulul de compresiune volumica ( )

O propunere interesanta pentru calculul lui Es este propunerea lui Ohde(1959)

- modul tangent ; w,v= f(Teren)

Fig.3.8 Evaluarea modului de deformatie (tangent)

2

2

2

132 /3;/2 cmdaNcmdaN zz

Mmv

1 vm

cW

at

zatmes vE )(

'

z

zii tgM

• Deformatia specifica a probei edometrice

-incercare edometrica (compresiune unidimensionala)

s

zz

Eh

h

0

-legea lui Hooke (LH)

-incercare triaxiala (TE)

)(1

yxzzE

-legea lui Hooke generalizata (LHG)

:yx )2(1

xzzE

)2(1

xz

s

z

EE

2

0

2(1 2 ) 1

1

xs OED OED

z

E E E E M

ITzIEz )()(

Rezulta OEDE E

CONFORM NP112/04 0 1M

-incercarea edometrica : 0 yx

0)(1

zyxxE

x y ( ) 0;x x z

zx )1(

10K

z

x

“LHG”

0;x y

65.0

,0,0 OCRKK NCOC (Mayne,2006)

OCRK )'sin1(0 (SR EN 1997/2006)

Fig.3.9 Variatia coef. de impingere in stare de repaos in functie de raportul de supraconsoldare

,c z tp z

0 ,z a t

NORMAL CONSOLIDAT SUPRACONSOLIDAT

Fig.3.10. Starea pamantului

• Raport de supraconsolidare

<1 – pamant subconsolidat

=1 – pamant normal consolidat

1.1...2 – pamant usor consolidat

2.1...4 – pamant moderat consolidat

>4 – pamant supraconsolidat

( ) c

z

pRSC OCR

z z

• 3.5 Comportare tasare – timp in incercarea edometrica

• 3.6.Factori care influenteaza curba CT

Fig.3.11 Legatura Es de gradul de indesare D (pam.necoezive)

minmax

max

nn

nnD

: n =nmin

: n =nmax

Umflarea pamanturilor argiloase(PCUM)

3.8.Incercarea monoaxiala

Fig.3.21 Curba compresiune –tasare specifica

Fig.3.23.Calculul modulului de deformatie liniara

- modul tangent:

-modul secant:

00 ctgE

ss ctgE

INCERCAREA TRIAXIALA

Aparat triaxial

Etape:

1). Tensorul sferic (consolidare)

321 2). Aplicare deviator (rupere)

1

Tipuri de incercari:

1.Incercare neconsolidata-nedrenata (UU)

-creste );( 31 .3 const

2.Incercarea consolidata-nedrenata (CU)

3.Incercarea consolidata-drenata (CD)

-drenare –viteza mica de deformatie compresiune (k)

-v=0.001 mm/min -argile cu plasticitate mare

-v=0.01 mm/min -argile cu plasticitate redusa

-v=0.1 mm/min -nisip

• Modelul Hardening Soil Model (HSM) in care se determina modulul de

deformatie (folosit in principal la calculul sprijinirilor) refE50

350 50

'cos ' 'sin '( )

'cos ' sin '

m

ref

ref

cE E

c p

Pentru pref=100 kPa

-

'

50 EE modulul MC (PIMC)

504 ref

urE E modulul MC (REMNC)

1 3 1 3 cos22 2

1 3 sin 22

2 2

21 3 1 3

2 2

cercul lui Mohr

0

0

Starea de eforturi in teren

Rezistenta la forfecare este exprimata pe baza teoriei frecarii.

Parametri de baza sunt:

φ’- unghiul frecarii interne

μ- coeficientul de frecare

c’- coeziunea Pamanturi coezive Pamanturi necoezive

4. REZISTENTA LA FORFECARE A PAMANTURILOR

'f tg => Legea lui Coulomb (1773)

'f tg

4.1 Pamanturi necoezive

4.1.2.Pamant necoeziv-indesat

mine

Fenomenul de afanare a pamanturilor (nisipoase) indesate prin forfecare, poarta

numele de “DILATANTA”.

4.1.3.Pamanturi argiloase

PLP- f proportional cu cA si '

Aria de contact creste cu tensiunile ' si ramane constanta la descarcare

coeziune efectiva (creste odata cu preincarcarea si nu se mai

modifica decat odata cu modificarea umiditatii)

ee Kc (rezistenta la forfecare statica)

e presiunea echivalenta (ef.necesar unei probe NC pentru a avea aceeasi

umiditate cu proba analizata)

K constanta )( pIf

Rezulta : '' ( )f e e ctg c c

PRINCIPIUL PRESIUNILOR EFFECTIVE

P F uA

/ /P A F A u

' u

In termenii tensiunilor effective:

Deschis la t=0

4.2.Tipuri de incercari

INCERCAREA DE FORFECARE DIRECTA

Forfecare directa(DST) Forfecare directa simpla(DSS)

4.2.2.Procesul de forfecare in raport cu natura si starea fizica a pamantului

I.Nisip afanat, argila normal consolidata sau slab consolidata (RSC<2)

IIa.Nisip indesat/argila supraconsolidata (RSC>2) cu structura floculara(fete-muchii)

IIb.Argila supraconsolidata cu structura dispersa

Tipuri de incercare de forfecare

A. Incercarea UU -Neconsolidata – Nedrenata ,u uc

Incercarea CU -Consolidata –Nedrenata ddc ,

B. Incercarea CD -Consolidata –Drenata ',' c

Nota: Conform notatiilor adoptate de Societatea Internationala de Mecanica

Pamanturilor indicii U,C,D reprezinta prima litera a cuvintelor : undrained,

consolidated, drained.

Pamanturi coezive:

A.Parametri de forfecare pentru stare nedrenata :

' ' 'f tg c

B.Parametri de forfecare (drenat):

Parametri de forfecare reziduali si de varf '

r rc'si ' 'csi

Factori de influenta – Efectul DILATANTEI / CONTRACTANTEI

Reprezentarea dreptei caracteristice (neliniara)

Porozitate (ecr)

' cr (0.8 )

5432136'

= corectie pentru forma particulei 1

61

21

pentru “sfericitate mare” si forma rotunda a particulei

pentru “sfericitate mica” si forma nerotunda (cu unghiuri) a

particulei

=corectie pentru marimea particulei 2

pentru d>2.0mm (pietris)

pentru 2.0>d>0.6mm (nisip mare)

pentru 0.6>d>0.2mm (nisip )

pentru 0.2>d>0.06mm (nisip fin)

112

92

42

02

=corectie pentru neuniformitate ( coefficient de neuniformitate) 3

pentru Cu>2.0 (neuniformitate mica) 23

13

03

pentru Cu=2.0 (neuniformitate medie)

pentru Cu<2.0 (neuniformitate mare)

Efectul starii :

=corectie pentru gradul de indesare (ID)

pentru 0< ID <0.5 (indesare mica)

pentru 0.5< ID <0.75 (indesare medie)

pentru 0.75< ID <1.00 (indesare mare)

04

14

44

4

=corectie pentru tipul de mineral 5

pentru cuart

pentru feldspat, calcit

pentru muscovite mica

05

45

65

FA ID<15%

A 15 50

M 50 70

I 70 85

FI 85 100

Parametri de forfecare reziduali :

Valorile rezistentei la forfecare folosite in proiectare

a.Studiul stabilitatii versantilor

Tipul de argila si de

miscare

Tipul de

rupere

Deplasari la

rupere

Parametri rezultate

Argila moale scurta mari c

Argila sensitive

-rupere initiala

-curgere a masei

scurta

f.Scurta

mari (5-15%)

f.Mari

0

0

Argila supraconsolidata

-alunecari primare

-intacta

-fisurata cu oglinzi de

frictiune

-alunecari secundare

-curgere lenta

scurta

lunga

scurt

lung

oricare

f.lung

mici

mari

mici

mari

oricare

f.mari

0

0

0

0

0

'

uS

uS

v'vfvS '

vf'

vf'

r'

r'

4.2 INCERCAREA TRIAXIALA

h

h1

0

0 0

;iv

V VV

V V

Aparat triaxial:

NOTA: Se va reprezenta diagrama

h

h

2

31 si

h

h

V

V

pentru diferite valori a efortului de consolidare 3

kPa1003

kPa3003

kPa6003

Se determina :

-Parametri de forfecare

-Caracteristica de dilatare

-Drumul de eforturi in sistemul q-p

-Determinarea modulului de deformatii la cresteri mici a

deformatiei specifice verticale

1 31

2q

1 v

)()( 301 E

Relatia q-ε si ε1 – εv in incercarea triaxiala:

Incercarea de tip CD:

-Etapa 1 – Consolidare :

- Etapa 2 – Rupere

1 3' '

1 '

La incercarea de tip CU (probe normal consolidate) :

Determinarea unghiului de frecare interna si a coeziunii

Daca cunoastem M* si c* putem determina si c’ '

*6

*3arcsin'

M

M

'cos6

'sin3*'

cc

Determinarea modulului de deformatie in modelul Duncan-Chang (modul de rupere)

m

ref

ref

ururc

cEE

'cot'

'cot''

3

m

ref

ref

c

cEE

'cot'

'cot''

35050

m

ref c

cEE

'cot'

'cot''

15050

; INC.TRIAXIALA

; INC. MONOAXIALA KParef 100 5.0m

uu

u

sc

0

cu kc c

'

'

k

kc c

Domenii de folosire a parametrilor de forfecare

Tipul de

incercare

Parametri dreptei intrinseci Corespunde in practica la

situatiile:

UU

Inaltarea rapida a unei c-tii

sau lucrari de pamant pe un

teren neconsolidat,putin

permeabil

CIU

Supraetajarea unei cladiri

sau suprainaltarea unei c-tii

de pam.

Stabilitatea imediata a

taluzurilor sau versantilor.

CAKo-D

Stabilitatea in timp a

taluzurilor si versantilor.

Realizarea in ritm lent a unor

c-tii sau lucrari de pamant pe

terenuri permeabile.

Reamorsarea unor alunecari

dupa suprafete formate

anterior

0',' rr c

', 'k kc

,

' '

' '

', '

cu cu

cu k

cu k

k k

c

c c

c

,

' '

' '

', '

cu cu

cu k

cu k

k k

c

c c

c

cuc

0 1 2 3 4

Lenta

CID

Stabilitatea in timp a

taluzurilor si

versantilor.Realizarea

in timp lent a unor c-tii

sau lucrari de pamant

in terenuri permeabile

CAKo-D

Forfecare simpla (pura)

CAKo-U

CAKo-D

Realizeaza o stare de

eforturi unitare pe tot

cuprinsul probei.

Forfecare in conditii de

deformare plana

CAKo-U Modeleaza mai corect

conditiile din: ramblee

lungi, a pamantului din

diguri, baraje sau din

spatele zidurilor de

sprijin

CAKo-D

Compresiune

monoaxiala

UU Valori orientative

Verificarea stabilitatii versantilor + taluzelor