curs 1 fmp 2018 - florinbejan.ce.tuiasi.ro · 16.02.2018 asist.dr.ing. florin bejan >>>...
TRANSCRIPT
CURS 1FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ >>> 2016-2017
FMP 2018
Mediile poroase
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 7
Ce este mediul poros?
Este un compozit alcătuit din solid și fluid (lichid și/sau gaz)
𝒏 = 𝟎 𝒏 = 𝟏
Solid pur Fluid pur
Solid continuu
Fluid continuu
suspensie
mediu poros
impermeabil
mediu poros permeabil
în medii permeabile (ca pământurile) atât solidul cât
și fluidul sunt continueFMP 2018
Medii poroase fibroase
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 8
http://www.intechopen.com/source/html/45443/media/image3.png
https://www.ndsu.edu/fileadmin/_processed_/csm_bibulous_paper-2_04_37123f7463.gif
LEMN
https://www.reddit.com/r/interestingasfuck/comments/5uady0/wood_under_an_electron_microscope/
HÂRTIE HÂRTIE DE FILTRU
IZOLAȚIE DIN FIBRE DE STICLĂ
https://ecofriend.com/wp_content/uploads/2012/07/how_can_fiberglass_insulation_help_regulate_heat_loss_mioqp.jpg
BALOȚI DE FÂN
FIBRE TEXTILE
https://www.science-et-vie.com/FMP 2018
Spume – pori deschiși și/sau închiși
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 9
SPUME STIRENICE
https://sc01.alicdn.com/kf/HTB1AlM5KXXXXXcVXFXXq6xXFXXXk/Expandable-Polystyrene-Boards.jpg
SPUME POLIURETANICE
http://clarkfoam.net/wp-content/uploads/2015/03/Polyurethane-foam.jpg
PIATRĂ PONCE
https://www.avril-organic.com/98-large_default/natural-pumice-stone.jpg
BETON CELULAR AUTOCLAVIZAT
http://www.niteragroup.com/images/products/Ytong_D700-b.jpg
SĂPUN
https://meticulousplumbing.com/wp-content/uploads/soap-scum.jpg
ȘVAIȚER
FMP 2018
Medii poroase granulare
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 10
PĂMÂNTURI
GRANULE DIN POLISTIREN PENTRU ÎMPACHETARE
CEREALE ÎN SILOZURI
MATERIALE DE CONSTRUCȚII: REFUZ DE CIUR, AGREGATE DE BALASTIERĂ, PIATRĂ CONCASATĂ
FMP 2018
Medii poroase fracturate
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 11
ROCI FRACTURATE
https://c1.staticflickr.com/5/4081/4898295027_268f01648c_b.jpg
http://www.reade.com/images/product_images/abrasives_powders_inorganic/Pumice-Powder2.jpg
PĂMÂNTURI CU UMFLĂRI ȘI CONTRACȚII MARI
https://www.colourbox.com/preview/2248881-dry-soil-with-crack.jpg
http://texturelib.com/Textures/soil/cracked/soil_cracked_0037_02_preview.jpgFMP 2018
Cum determinăm porozitatea
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 12
SATURARE, USCARE, CALCUL
- =
PROBLEME:
- nu se evaluează porii izolați
- nu putem fi siguri că toți porii sunt saturați
- nu putem fi siguri că toți porii sunt uscați
ALTE METODE ?
- Strivire
- Analiză imagistică
FMP 2018
Ce este un por?
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 13
Poros implică pori
Spațiul porilor este în mod
normal multi-conectat: fiecare
por se leagă de alții
O descriere completă a spațiului
porilor trebuie să aibă o
componentă geometrică
(dimensiunea) și topologică
(conectivitatea)
FMP 2018
Ce informații ne dă n
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 14
Nu așa de multe cât credem: sunt multe feluri de porozități
POROZITATEA TOTALĂ
POROZITATEA
IZOLATĂ
POROZITATEA
CONECTATĂ
PARTEA DE
CURGERE
FUNDĂTURI
Cum se evaluează porozitatea determină ce se măsoară.FMP 2018
Mediile poroase
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 15
Un mediu poros este un solid cu goluri
distribuite mai mult sau mai puțin uniform în
corpul respectiv.
Caracteristica de bază a acestui mediu este
porozitatea. Porozitatea p a unui material este
definită ca raportul dintre volumul porilor 𝑉𝑣 și
volumul corpului 𝑉t, p = 𝑉𝑣/𝑉t. Deoarece partea
rămasă 𝑉𝑠 din volumul total al materialului este
sub forma unui „schelet” solid atunci
1 − p = 𝑉𝑠/𝑉t
Spre exemplu, porozitatea unui material poros
cu schelet format din particule sferice cu
diametrul 𝑑𝑝 poate fi aflată cu relația
𝑝 = 1 − 𝑁𝑝 ∙𝜋 ∙ 𝑑𝑝
3
6
unde 𝑁𝑝 este numărul de particule pe unitatea
de volum. Aceste sfere pot fi aranjate în diferite
moduri. Aranjamentul cubic al sferelor de
aceleași dimensiuni este caracterizat de o
porozitate de 0,476, în timp ce un aranjament
rombic, mai dens reduce porozitatea la 0,259
(teoretic, aceasta este porozitatea minimă
pentru sfere nedeformabile uniforme). În
general, porozitatea reală este estimată
utilizând în funcție de densitate 𝜌𝛴 = 𝜌𝑠(1 − 𝑝)sau 𝑝 = 1(𝜌𝛴/𝜌𝑠), unde 𝜌Σ și 𝜌s sunt densitățile
mediului și respectiv a materialului solid ce
formează scheletul.
a) Aranjare cubică b) Aranjare rombică
FMP 2018
Fizica Mediilor Poroase
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 16
Stadiul actual
Fizica mediilor poroase este fizica
amestecurilor de constituenți solizi și fluizi
imiscibili. Relevanța sa în societate are ecou în
numeroase discipline inginerești precum
ingineria geotehnică, biomecanică, ingineria
agronomică, știința materialelor, hidrologie etc.
Este de asemenea, baza multor discipline
științifice de la hidrogeologie la pneumologie.
Se poate vorbi despre un punct de pornire al
studiului mediilor poroase ca fiind anul 1794când Reinhard Woltman a introdus conceptul
fracțiuni volumetrice când încerca să înțeleagă
nămolul. În 1856, Henry Darcy a publicat
concluziile privind curgerea apei prin coloane
de nisip și astfel a luat naștere prima lege
constitutivă. Wyckoff și Botset au propus în
1936 generalizarea abordării lui Darcy pentru
rezolvarea problemelor ce implică curgerea
simultană a mai multor fluide imiscibile printr-o
matrice rigidă.
Această teorie atribuie o permeabilitate relativă
fiecărui fluid, deci o lege constitutivă pentru
fiecare tip de fluid. Rămâne până în prezent
cadrul standard de rezolvare a mișcării a două
sau mai multe fluide imiscibile într-o matrice
rigidă poroasă, chiar dacă au existat multe
încercări de a se merge mai departe.
Când constituentul solid nu este rigid, forțele
din fazele solide și fluide se influențează
reciproc. Von Terzaghi a realizat importanța
forțelor capilare într-un astfel de sistem în anii
1930. La mijlocul anilor 1950 Biot a dezvoltat
teoria mediilor poroelastice. Teoria Biot
rămâne actuală pentru rezolvarea problemelor
de interacțiune matrice-fluid când deformațiile
în faza solidă rămân mici. Pentru deformații
mari (e.g. când faza solidă nu este consolidată)
nu există încă o teorie.FMP 2018
Fizica Mediilor Poroase
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 17
Stadiul actual
Stadiul actual al cercetării mediilor poroase
cuprinde un mozaic de domenii, dintre care
unele avansează cu viteze mari, în timp ce alte
domenii au rămas în același punct ca în urmă cu
zeci de ani. De exemplu, tehnicile de vizualizare
la scara porilor împreună cu tehnicile numerice
avansate au atins un nivel de rafinament care
face posibilă reproducerea numerică a mișcării
fluidelor imiscibile în detaliu complet la nivelul
porilor. Pe de altă parte, obținerea unor relații
eficiente la scară largă bazate pe ce se întâmplă
la scara porilor rămâne o problemă stagnantă
așa cum a fost demonstrat de popularitatea
teoriei permeabilității relative a lui Wyckoff și
Botset acum 80 de ani.
Scopul oricărei teorii fizice este de a uni
observațiile experimentale într-un cadru comun.
Știința mediilor poroase este încă în stadiul de
catalog fără să se întrezărească încă o teorie
generală a curgerii prin mediile poroase.FMP 2018
Pământurile sunt medii poroase
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 18
• Porozitatea variază foarte mult (60 % > n > 30%)
• Dimensiunile particulelor variază mult (nisip – praf – argilă)
• Materiale geologice și/sau organice cu mineralogie și compoziție variată
• Permeabilitatea variază foarte mult
• Granulare, fracturate și/sau amorfe
• Variază spațial și temporal
• Cel mai complex și răspândit biomaterial de pe planetă
Este dificil de generalizat!FMP 2018
Scări multiple
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 19
Ne concentrăm aici…
dar uneori este util să ne uităm aici
FMP 2018
Fizica pământului
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 2 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 20
Introducere
Fizica pământului este una din subdiviziunile
majore ale științei pământului. Caută să
definească, măsoare și anticipeze proprietățilefizice și comportamentul pământului, atât în
stare naturale cât și sub influența activității
umane. Așa cum fizica se ocupă în general de
formele și interacțiunea materiei și energiei, așa
și fizica pământului se ocupă cu starea și
mișcarea materiei și cu fluxurile și transformarea
energiei în pământ.
- înțelegerea mecanismelor ce guvernează
astfel de procese ca schimb de energie
terestră, ciclurile de apă și materiale
transportabile și creșterea plantelor.
- aplicarea practică a fizicii pământului își
propune un management corespunzător al
pământului prin mijloace de cultivare, irigare,
drenare, aerare, îmbunătățirea structurii
pământului, controlul infiltrațiilor și
evaporării, reglarea temperaturii pământului
și prevenția eroziunii.
Fizica pământului este astfel o știință atât
teoretică cât și aplicată, cu o largă varietate de
interese. Studiul științei pământului în general și
al fizicii pământului în particular este condus nu
numai de curiozitatea înnăscută a speciei
noastre dar și de necesitate.
Intensificarea dezvoltării și presiunea populației
a diminuat resursele de pământ ale planetei
noastre mici și a condus la utilizarea ne
sustenabilă și degradarea în foarte multe părți
ale planetei.
Primii fizicieni ai pământului erau interesați în
primul rând de aspectele inginerești și
agronomice ale acestei discipline, prin urmare
cercetările lor s-au axat pe pământul ca
material de construcții sau ca mediu pentruproducția culturilor. În ultimele decenii s-a pus
accent tot mai mult pe aspectele și aplicațiile
fizicii pământului asupra mediului.FMP 2018
Fizica pământului
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 2 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 21
Introducere
Din ce în ce mai mult, principala preocupare a
fizicii pământului s-a mutat din laborator peteren și dintr-o perspectivă unidimensională
limitată la o vedere tridimensională prin
conexiunea cu discipline surori, cum ar fi
meteorologia și climatologia, hidrologia,
ecologia și geochimia. Domeniul mai larg al
fizicii pământului este acum de o mai mare
complexitate și cuprinde aspecte privind
variabilitatea în timp și spațiu și presupune
folosirea atât de metode stocastice cât și de
metode deterministe. În consecință, această
știință devine din ce în ce mai interesantă și
relevantă.
Sarcina fizicii pământului este îngreunată de
structura dezordonată și aleatoare a acestui
mediu care conține componente organice și
minerale, cu fragmentate neregulate și variate
asociate într-un model geometric, care este atât
de complex și instabil încât provoacă imaginația
și capacitatea noastră descriptivă.
O parte din materialul solid este format din
particule cristaline, în timp ce cealaltă este
formată din geluri amorfe care pot înconjura
cristalele și modifica comportamentul lor. Faza
solidă din pământ interacționează cu fluidele,
apa și aerul care pătrund în porii pământului.
Întregul pământ nu este aproape niciodată în
echilibru pentru că alternativ se umezește și se
usucă, se dilată și se contractă, se dispersează și
floculează, se întărește și se înmoaie, se
încălzește și se răcește, îngheață și se
dezgheață, se îndeasă și fisurează, absoarbe și
emite gaze, adsoarbe și eliberează ioni, dizolvă
și precipită sărurile, devine acid sau alcalin și
prezintă condiții aerobe sau anaerobe care duc
la oxidarea sau reducerea chimică.
FMP 2018
Mecanica pământurilor nesaturate
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 2 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 22
Mecanica pământurilor este o știință aplicată
tânără. Karl Terzaghi, abia în 1943, a publicat
versiunea în engleză a Mecanicii Pământurilor
Teoretică. Ingineria Geotehnică s-a modificat
mult de atunci. Deși tehnologiile pentru
realizarea investigațiilor au suferit unele
modificări, totuși procedurile de investigare au
rămas aproape similare. Forajele sunt realizate
cu prelevarea de eșantioane tulburate și
netulburate la anumite intervale pentru
încercarea ulterioară în laborator.
Cu toate acestea, maniera în care obținem
soluțiile la problemele de inginerie geotehnică
s-au schimbat dramatic. Terzaghi și
contemporanii lui au creat contextul pentru
mecanica pământurilor într-o perioadă când
instrumentele pentru rezolvarea problemelor
matematice erau diferite semnificativ de
instrumentele disponibile în prezent.
În anii 1940, scriitorii cărților de mecanica
pământului au încercat să preia probleme reale,
complexe tridimensionale și le-au redus la
soluții simple. Metoda fâșiilor (verticale) au
furnizat soluții pentru calculul factorului de
siguranță pentru un taluz bidimensional.
Metoda straturilor (orizontale) au furnizat o
soluție pentru calculul tasării unidimensionale a
pământurilor argiloase compresibile. În
domeniul ingineriei geotehnice existau o serie
de proprietăți constante (e.g. 𝑘, 𝑐′ și 𝜙′) iar acele
proprietăți ale pământurilor ce nu erau
constante au fost liniarizate pentru a deveni
constante (e.g. 𝐶𝑐 și 𝐶𝑠).
FMP 2018
Mecanica pământurilor nesaturate
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 2 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 25
În anii 1960 și 1970 a devenit clar că
proprietățile pământurilor nesaturate trebuie
definite ca funcții neliniare ale proprietăților
pământurilor nesaturate. Mecanica pământurilor
nesaturate a devenit un domeniu vibrant al
cercetărilor geotehnice și a fost clar că noi am
intrat într-o nouă eră ce necesită o nouă
paradigmă pentru rezolvarea problemelor din
mecanica pământurilor saturate-nesaturate.
Pentru ca mecanica pământurilor nesaturate să-
și găsească locul în practica inginerească erau
necesare metodologii de încredere pentru
obținerea funcțiilor proprietăților pământurilor
nesaturate cu costuri și efort rezonabil. În
consecință, în multe țări, au apărut diverse
proceduri de estimare. Procedurile de estimare
erau bazate, în mare parte, pe proprietățile
pământurilor saturate și înțelegerea curbei
caracteristice pământ-apă (Soil Water
Characteristic Curve - SWCC), care este relația
dintre umiditatea și sucțiunea pământului.
În deceniile 1960 și 1970 s-a observat o creștere
rapidă a abilității noastre de a rezolva formulări
matematice complexe. Computerele puteau fi
utilizate pentru rezolvarea unor formulări
matematice noi ce descriau comportamentul
fizic al problemelor mecanicii pământurilor
saturate-nesaturate. Soluțiile furnizate de
metodele numerice pentru toate domeniile
comportării materialelor, domenii ce depășeau
cu mult mecanica clasică a pământurilor.
Problemele din mecanica pământurilor erau
văzute ca probleme de contur cu definirea
următoarelor condiții:
(i) geometrie și stratificație,
(ii) condițiile inițiale și condițiile de contur,
(iii) proprietățile pământului și
(iv) soluții tehnice.FMP 2018
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 26
Inginerii geotehnicieni au beneficiat de
cercetările realizate în două domenii principale:
(i) fizica solurilor și agronomie și (ii) tehnologia
calculatoarelor și matematică. În particular, a
fost o creștere rapidă a capacităților de calcul
(i.e. hardware și software) ce au făcut posibile
utilizare soluțiilor pentru problemele
pământurilor nesaturate. Scena a fost pregătită
pentru rezolvare problemelor mecanicii
pământurilor saturate-nesaturate în contextul
condițiilor de contur prin utilizarea tehnicilor de
modelare numerică.
Este o afirmație modestă să spunem că
calculatoarele digitale au revoluționat modul în
care mecanica pământurilor este acum
implementată în practica inginerească. Este bine
să spunem că nu ar fi fost posibil să modelăm și
să rezolvăm problemele din mecanica
pământurilor nesaturate-saturate într-un cadru
științific fără luarea în calcul a computerelor
digitale. Ingineria geotehnică s-a mutat într-o
altă paradigmă, un mediu de rezolvare a
problemelor ce implică SWCC (Curbele
Caracteristice Pământ-Apă – Soil-Water
Caracteristic Curve) , USPF (funcții ale
proprietăților pământurilor nesaturate –
Unsaturated Soil Property Functions) și PDE
(ecuații diferențiale parțiale – Partial Differential
Equation). Este o lume în care provocările sunt
convergența și unicitatea soluțiilor mecanicii
pământurilor.
Trăim într-o lume în care programele decalcul nu sunt un lux ci o necesitate pentru opractică inginerească sănătoasă.
Mecanica pământurilor nesaturate
FMP 2018
Mecanica pământurilor nesaturate
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 27
Mecanica pământurilor implică o combinație de
mecanică inginerească, comportament și
proprietăți ale pământului. Această descriere
este largă și poate acoperi un domeniu mare de
tipuri de pământ. Aceste pământuri pot fi
saturate cu apă fie au alte fluide în pori (e.g.
aer). Dezvoltarea mecanicii clasice a pământului
a condus la punerea accentului pe tipuri
particulare de pământuri. Tipurile obișnuite de
pământuri sunt nisipurile, prafurile, argilele
saturate precum și nisipurile uscate. Pe aceste
materiale s-a pus accent în numeroase cărți de
mecanică a pământului. Din ce în ce mai mult,
se conștientizează că atenția trebuie dată unui
spectru mai larg de tipuri de pământuri.
Există numeroase tipuri de pământuri întâlnite
în practica inginerească a căror comportament
nu este în concordanță cu principiile și
conceptele mecanicii clasice a pământului
saturat.
Prezența a mai mult de o fază fluidă conduce la
un comportament ce este provocator pentru
practica inginerească. Pământurile ce sunt
nesaturate (i.e. apă și aer în pori) formează cea
mai mare categorie de pământuri ce nu aderă la
comportamentul clasic al mecanicii pământului
saturat.
Domeniul general al mecanicii pământului
poate fi împărțit într-o parte care se ocupă cu
pământuri saturate și o parte care se ocupă cu
pământurile nesaturate. Diferențierea între
pământuri saturate și nesaturate devine
necesară datorită diferențelor de bază a naturii
materialului și răspunsului ingineresc. Un
pământ nesaturat are mai mult de două faze și
presiunea apei din pori este negativă față de
presiunea aerului din pori. Orice pământ aflat
aproape de suprafața terenului, prezent într-un
mediu în care nivelul apei subterane este sub
nivelul terenului, va fi supus presiunilor negative
ale apei din pori și o reduce a gradului de
saturație.FMP 2018
Mecanica pământurilor nesaturate
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 28
Procesul de excavare, remodelare și compactare
a pământului presupune că pământul este
nesaturat. Este dificil de anticipat
comportamentul pământurilor compactate în
cadrul mecanicii clasice a pământului.
Depozitele superficiale naturale de pământ au
umidități relative mici pe zone mari ale
Pământului. Argilele cu plasticitate mare supuse
la un modificări ale mediului au produs
categoria de materiale cunoscute ca pământuri
cu umflări sau expansive. Contracția acestor
pământuri poate ridica probleme la fel de
severe. În pământurile prăfoase afânate apare
colapsul atunci când sunt supuse la umezire și la
o modificare a regimului de încărcare. Presiunile
apei din pori în ambele cazuri menționate sunt
negative inițial și modificările de volum apar ca
rezultat al creșterii presiunii apei din pori.
Din cele prezentate mecanica pământurilor
nesaturate apare în contextul în care are un
număr limitat de aplicații și anume, curgerea
apei (și stocarea), curgerea aerului (stocare și
compresibilitate), curgerea căldurii (și stocarea),
rezistența la forfecare și modificările de volum-
masă (inclusiv umflarea și colapsul). Teoriile
pământurilor nesaturate sunt aplicate
problemelor reale și soluțiile sunt ilustrate în
contextul unei „probleme de contur”.
Comportamentul fizic al pământului nesaturat
este formulat sub formă de ecuații diferențiale
parțiale ce trebuie rezolvate folosind tehnici
numerice. Ecuațiile diferențiale parțiale au în
general un caracter ușor prea mare de
neliniaritate și ca rezultat analizele pe calculator
joacă un rol important în rezolvarea
problemelor practice inginerești.FMP 2018
Mecanica pământurilor nesaturate
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 29
Tehnicile de calcul moderne (software și
hardware) au condus la o schimbare de
paradigmă a modului în care sunt analizate
problemele din ingineria geotehnică.
Terzaghi (1943) a contribuit semnificativ la
înțelegerea comportamentului pământurilor
nesaturate în două capitole ale cărții sale
„Theoretical Soil Mechanics”. Capitolul 14
asupra „Forțelor capilare” și Capitolul 15 asupra
„Mecanica drenajelor” (cu atenție specială
asupra drenajului prin desecare) ilustrează
importanța pământurilor nesaturate. Aceste
capitole scot în evidență importanța zonei
nesaturate a profilului pământului și în
particular oferă o perspectivă în natura
fundamentală și importanța interfeței aer-apă
[i.e. membrană contractilă (Fredlund and
Raharjo, 1993a)]. Contribuțiile lui Karl Terzaghi
asupra comportamentului pământului nesaturat
au fost cu adevărat lăudabile și sunt încă demne
de luat în considerare.
Terzaghi (1943) a afirmat că „teoriile mecanicii
pământului ne dau doar ipotezele de lucru
pentru că cunoștințele noastre despre
proprietățile fizice medii ale pământurilor și
limitele orientative dintre straturile individuale
sunt întotdeauna incomplete și de multe ori
total necorespunzătoare”. Terzaghi a subliniat
importanța indicării clare a tuturor ipotezelor pe
care se bazează teoriile și punctează că
„aproape fiecare presupusă contradicție între
teorie și practică poate fi găsită la unele
concepții greșite în ceea ce privește condițiile
de valabilitate ale teoriei”.
Sfatul lui Terzaghi din primele zile ale mecanicii
pământurilor este relevant deoarece teoriile
pentru comportamentul pământului nesaturat
sunt în „stadiul” de implementare în ingineria
geotehnică.FMP 2018
Mecanica pământurilor nesaturate
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 30
Cu o așa orientare asupra comportamentului
pământurilor nesaturate apare întrebarea, „De
ce mecanica pământurilor nesaturate nu a
apărut simultan cu mecanica pământurilor
saturate?” Dacă ne gândim bine la această
întrebare realizăm că existau unele provocări
teoretice și practice asociate cu
comportamentul pământurilor nesaturate ce
necesitau cercetări amănunțite înainte ca
mecanica pământurilor nesaturate să fie
implementată în practica inginerească. În
realitate, mecanica pământurilor nesaturate va
trebui să aștepte câteva decenii înainte să
obțină caracterul de știință care să fie folosită în
rutina practicii ingineriei geotehnice
FMP 2018
Ce este un model?
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 31
FMP 2018
Ce este un model?
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 32
O reprezentarea a realității;
O reprezentare sau descriere simplificată;
O reprezentare fizică, matematică sau logică a unui sistem, entități din lumea
reală, fenomen sau proces;
O reprezentare a unui proces sau sistem ce încearcă să relaționeze cele mai
importante variabile din sistem astfel încât analiza modelului să conducă la
descoperirea sistemului.
Modele conceptuale
“Gândiți-vă la pământ ca la o grămadă de nisip”
“Imaginați-vă că acest pământ este un burete”
“Ce ar fi dacă toți porii din acest pământ sunt de aceeași mărime?”FMP 2018
Modele disponibile pentru medii poroase
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 33
TUBURICAPILARE
MĂRGELE DE STICLĂ
prea simplu dificil de tratat
și totuși prea
simplu
Mediile poroase reale au pori conectați
(topologie și conexiuni)
Toate modelele sunt greșiteUnele modele sunt utile
(George Box)
Cele mai periculoase modele sunt cele care dau răspunsuri corecte din motive greșite!FMP 2018
Modelul științific
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 34
În esență, știința este disciplina care realizează
modele ale realității ce ne permite să înțelegem
și să anticipăm lumea în care trăim, lumea din
jurul nostru.
Aceste „modele științifice” sunt create pe baza
observațiilor și experimentelor.
Aceste informații din observații și experimente
trebuie întotdeauna să aibă la bază „realitatea
adevărată” și nu din opinii, prejudecăți sau
realitate virtuală.
Aceste modele ale realității sunt testate
constant și rafinate în comunitatea științifică
De fapt, cel mai mare ideal al științei este să
demonstreze că aceste „modele” sunt greșite. În
schimb dacă după încercări repetate de a
infirma un model, nimeni nu a demonstrat că
este greșit, putem fi destul de siguri că este
probabil corect și poate fi utilizat pentru a
realiza predicții.
Exemple, precum modelul bilei de biliard pentru
un gaz, modului atomic a lui Bohr, Teoria
Cuantică, modelul dublu spiralat al ADN-ului și
Teoria Evoluției sunt doar o mică parte din
grupul numit „model științific”.
Modelele sunt folosite în știință pentru a ajuta la
explicarea cum ceva funcționează sau pentru a
descrie cum ceva este structurat.
Modelele pot fi folosite pentru a realiza predicții
sau a explica anumite observații.
Modelele nu seamănă niciodată cu realul!
FMP 2018
Modelul științific
16.02.2018 ASIST.DR.ING. FLORIN BEJAN >>> CURS 1 >>> FIZICA MEDIILOR POROASE >>> MASTER INGINERIE GEOTEHNICĂ 35
Există trei tipuri de modele de bază:
FIZIC: modele ce au scopul de a arăta ca lucrul
pe care îl reprezintă (model de rachetă sau
schelet din plastic)
MATEMATIC: Modele ce sunt realizate din
numere, ecuații sau alte forme de date (pătratul
lui Punnett)
CONCEPTUAL: Modele ce reprezintă sisteme
de idei sau compară lucruri nefamiliare cu
lucruri familiare (evoluția)
Unele dintre cele mai importante modele pe
care le folosim sunt numite „Legi științifice”
O descriere a modului în care un fenomen
natural va apare în anumite circumstanțe. O
lege ne spune cum lucrurile funcționează...sunt
afirmații despre ce se va întâmpla (Legea
atracției gravitaționale, Legea conservării
energiei)FMP 2018