9.5. Investigații hidrogeologice

Intuiție

Jumătate din problemele unei excavații sunt apă. Nu ajunge să notezi la ce adâncime ai dat de ea în ziua forajului: trebuie să știi cum urcă primăvara, sub ce presiune stă sub un strat de argilă și cât de repede vine în groapă când pompezi.

9.5.1. Nivelul apei subterane și piezometrele

Apa subterană este, alături de natura terenului, factorul care decide cel mai des soluția de fundare: ea impune epuizmente, hidroizolații, verificări la subpresiune și la plutire, reduce eforturile efective și rezistența pământului și poate ataca chimic betonul. Prima informație este nivelul apei subterane (nivelul hidrostatic, NH), consemnat în fiecare foraj ca nivel de apariție și nivel stabilizat (Figura 9.2). O singură măsurătoare, făcută în ziua forajului, nu este însă suficientă: nivelul variază sezonier (maxime primăvara, după topirea zăpezilor și ploile de primăvară, minime la sfârșitul verii și toamna), cu amplitudini de 0,5–2 m în acviferele freatice de câmpie și mai mari în luncile râurilor, unde urmărește viiturile, și variază pe termen lung sub influența pompărilor, a irigațiilor și a lucrărilor hidrotehnice. Pe amplasamentele la care apa influențează soluția, NP 074-2022 cere să se precizeze caracterul stratului acvifer (cu nivel liber sau sub presiune) și, prin tema studiului, măsurători pe durată mai lungă.

Instrumentele de măsurare (Figura 9.7) sunt descrise pe larg de Dunnicliff (1993):

• puțul de observație – un tub perforat pe toată lungimea, înconjurat de filtru de pietriș, instalat într-un foraj; el pune în legătură toate stratele traversate și indică un nivel „mediu”, care într-un teren cu mai multe acvifere suprapuse nu este reprezentativ pentru niciunul;

• piezometrul deschis tip Casagrande – un tub de mic diametru (20–50 mm) cu un vârf poros scurt, înconjurat de filtru de nisip numai în dreptul stratului urmărit și izolat deasupra printr-un dop de bentonită și umplutură de ciment-bentonită; nivelul apei din tub măsoară presiunea apei din pori \(u\) (sau sarcina piezometrică \(h_p\)) în acel strat, permițând recunoașterea acviferelor sub presiune, ale căror niveluri piezometrice pot urca deasupra acoperișului impermeabil, uneori deasupra terenului (artezianism);

• piezometrele cu coardă vibrantă (sau cu traductor electric) – un traductor de presiune îngropat în teren sau instalat în foraj, citit de la distanță și înregistrat automat; au timp de răspuns foarte scurt chiar în argile (nu au nevoie de un volum de apă pentru a echilibra nivelul), se pretează la monitorizarea continuă în timpul execuției excavațiilor adânci, a barajelor și a alunecărilor, dar nu pot fi verificate și curățate ca tuburile deschise.

Citirea tuburilor deschise se face cu o sondă electrică (fluier) cu bandă gradată; nivelurile se raportează la cota gurii tubului, măsurată topografic, pentru a putea fi comparate între foraje și în timp. Piezometrele instalate în faza de investigare rămân, de regulă, în funcțiune pe durata execuției, ca parte a monitorizării geotehnice.

Figura 9.7 Măsurarea nivelului apei subterane într-un teren cu două acvifere: (a) puțul de observație cu tub filtrant continuu pune în legătură acviferele și indică un nivel intermediar, nereprezentativ; (b) piezometrul Casagrande, cu vârf poros izolat prin dop de bentonită, măsoară nivelul piezometric al stratului în care este instalat (aici acviferul sub presiune).

9.5.2. Permeabilitatea: încercările Lefranc și Lugeon

Coeficientul de permeabilitate \(k\) determinat în laborator pe probe mici este rareori reprezentativ pentru teren, deoarece curgerea reală este controlată de intercalațiile subțiri de nisip, de fisuri și de discontinuități pe care proba nu le conține. De aceea \(k\) se determină in situ, prin încercări în foraj, iar pentru acvifere prin pompări experimentale cu foraje de observație (SR EN ISO 22282).

Încercarea Lefranc se execută în pământuri, într-un tronson de foraj netubat de lungime \(L\) și diametru \(D\) (cavitate cilindrică, eventual umplută cu pietriș) situat sub coloana de tubaj. La nivel constant se măsoară debitul \(Q\) necesar pentru a menține în tub o supraînălțare \(h\) a nivelului apei față de nivelul stabilizat; la nivel variabil se urmărește coborârea nivelului în timp după o ridicare inițială:

(9.13)\[ k = \frac{Q}{C\,h}, \qquad k = \frac{A}{C\,(t_2 - t_1)}\,\ln\frac{h_1}{h_2}, \qquad C \approx \frac{2\pi L}{\ln(2L/D)} \ \ (L/D > 4), \]

în care \(C\) este factorul de formă al cavității (după Hvorslev (1951)), \(A\) aria secțiunii tubului în care se măsoară nivelul, iar \(h_1\), \(h_2\) supraînălțările la momentele \(t_1\), \(t_2\). Încercarea cu nivel constant se folosește în pământuri permeabile, cea cu nivel variabil în pământuri puțin permeabile.

Încercarea Lugeon (încercarea de presiune cu apă, packer test) se execută în roci, într-un tronson de foraj de lungime \(L\) (uzual 3–5 m) izolat între două obturatoare (packere) gonflabile sau sub un singur obturator la talpa forajului; se injectează apă în trepte de presiune și se măsoară debitul absorbit de rocă. Rezultatul se exprimă în unități Lugeon (UL), definite de Lugeon (1933) pentru studiile amplasamentelor de baraje:

(9.14)\[ 1\ \mathrm{UL} = 1\ \frac{\text{litru}}{\text{min}\cdot\text{m}}, \quad \text{la } p = 1~\mathrm{MPa}\ (10~\mathrm{bar}), \]

adică 1 unitate Lugeon corespunde absorbției a un litru de apă pe minut și pe metru de tronson încercat, la presiunea efectivă de injecție de 1 MPa; pentru presiuni diferite valoarea se raportează proporțional la 1 MPa. Orientativ, 1 UL corespunde unei permeabilități echivalente a masivului de ordinul \(10^{-7}\) m/s; rocile cu absorbție sub 1 UL sunt practic impermeabile, cele cu 1–5 UL slab permeabile, iar peste 10–20 UL puternic fisurate sau carstificate și necesită injecții pentru voalul de etanșare al barajelor. Houlsby (1976) a propus interpretarea standard a încercării prin cinci trepte de presiune crescătoare și apoi descrescătoare: forma curbei presiune–debit indică regimul de curgere (laminar, turbulent), deschiderea fisurilor sub presiune (dilatare), spălarea umpluturii fisurilor sau umplerea golurilor, iar valoarea reprezentativă se alege în funcție de acest comportament. Presiunea de injecție trebuie limitată pentru a nu produce fracturarea hidraulică a rocii sau ridicarea stratelor.

9.5.3. Agresivitatea apei subterane asupra betonului

Apa subterană și pământul pot ataca chimic betonul fundațiilor: sulfații reacționează cu aluminații cimentului formând etringit expansiv, acizii și dioxidul de carbon agresiv dizolvă piatra de ciment, amoniul și magneziul provoacă reacții de schimb care degradează matricea. Din fiecare foraj sau cel puțin din fiecare acvifer se prelevează probe de apă (și, în zona vadoasă, de pământ) pentru analize chimice, iar rezultatele se compară cu limitele din SR EN 206 (ASRO, 2021), care încadrează mediul în clasele de expunere XA1 (agresivitate chimică slabă), XA2 (moderată) și XA3 (intensă) după criteriile din Tabelul 9.4; clasa de expunere determină cimentul (rezistent la sulfați pentru XA2 și XA3), raportul apă/ciment maxim și clasa minimă de rezistență a betonului, conform normativului NE 012/1. Clasa se stabilește după criteriul cel mai defavorabil; când două sau mai multe caracteristici indică aceeași clasă, se poate trece la clasa imediat superioară. Pentru pământ, standardul prevede limitele de 2000–3000 mg/kg sulfați (SO\(_4^{2-}\)) pentru XA1, 3000–12 000 pentru XA2 și 12 000–24 000 pentru XA3, precum și o aciditate Baumann–Gully de peste 200 ml/kg pentru XA1. În România, sulfații provin frecvent din gipsurile formațiunilor neogene și din loessurile levigate, iar CO\(_2\) agresiv din apele acide ale zonelor cu turbă și din apele carbogazoase ale zonelor vulcanice.

Tabelul 9.4 Valori limită pentru clasele de expunere la atac chimic din apa subterană naturală, după SR EN 206 (tabelul 2).

Caracteristica chimică a apei	XA1	XA2	XA3
SO\(_4^{2-}\) (mg/l)	200–600	600–3000	3000–6000
pH	6,5–5,5	5,5–4,5	4,5–4,0
CO\(_2\) agresiv (mg/l)	15–40	40–100	\(>\)100 (până la saturație)
NH\(_4^{+}\) (mg/l)	15–30	30–60	60–100
Mg\(^{2+}\) (mg/l)	300–1000	1000–3000	\(>\)3000 (până la saturație)

9.5.4. Drenabilitatea terenului

Studiul hidrogeologic încheie cu aprecierea drenabilității terenului – ușurința cu care apa poate fi evacuată dintr-o excavație sau dintr-un masiv. Ea depinde de coeficientul de permeabilitate și de stratificație: pietrișurile și nisipurile grosiere (\(k > 10^{-4}\) m/s) se drenează ușor, dar cu debite mari, care cer epuizmente indirecte (puțuri filtrante) și pot antrena vecinătățile; nisipurile fine și prafurile (\(10^{-5}\)–\(10^{-7}\) m/s) se drenează greu, cu filtre aciculare (wellpoints) sau vacuum, și sunt expuse antrenării hidrodinamice (sufozie, „nisipuri curgătoare”); argilele (\(k < 10^{-8}\) m/s) sunt practic nedrenabile în termenul unei execuții, dar rețin apa în fisuri și în intercalații. Aceste aprecieri stau la baza încadrării factorului „apa subterană” (fără epuizmente, epuizmente normale, epuizmente excepționale) din stabilirea categoriei geotehnice (Secțiunea 9.6.2).