11.5. Pământurile ca material de construcție

Intuiție

Pământul este cel mai ieftin material de construcție, dar valoarea lui se hotărăște la punerea în operă. Același pământ, turnat afânat sau compactat la umiditatea potrivită, dă un rambleu care se lasă sub primul camion sau un baraj care ține un lac.

Spre deosebire de piatră și de agregate, care sunt folosite ca atare sau după concasare, pământurile puse în operă în terasamente, diguri și baraje sunt materiale afânate, ale căror proprietăți inginerești – rezistență, compresibilitate, permeabilitate – depind decisiv de gradul de îndesare pe care îl capătă la punerea în operă. Alegerea pământului și controlul compactării sale sunt, prin urmare, la fel de importante ca alegerea pietrei sau a agregatului pentru un beton.

11.5.1. Terasamente

Terasamentele sunt lucrări de pământ executate prin săpătură (debleu) și umplutură (rambleu) pentru realizarea platformei drumurilor, căilor ferate, platformelor industriale sau digurilor. Condițiile tehnice de calitate pentru terasamentele rutiere din România au fost reglementate multă vreme prin (IRS, 1984), iar cadrul european actual de proiectare și execuție a terasamentelor este dat de seria (ASRO, 2018). Alegerea pământului pentru un rambleu se face după: granulozitate și plasticitate (pământurile necoezive, bine gradate, sunt de regulă preferate, fiind mai ușor de compactat uniform), conținutul de materie organică (inacceptabil în rambleu, din cauza compresibilității și degradării în timp), umiditatea naturală față de umiditatea optimă de compactare (Secțiunea 11.5.3) și absența sărurilor solubile sau a mineralelor cu potențial de umflare, care ar putea compromite stabilitatea în timp a lucrării.

11.5.2. Diguri și baraje de pământ

Barajele și digurile de pământ folosesc pământul (și, în variantele zonate, și piatra) ca material structural principal, profitând de disponibilitatea locală a materialului și de costul redus, comparativ cu barajele de beton. Un baraj de pământ zonat, ca cel schițat în Figura 11.4, este alcătuit dintr-un nucleu impermeabil (argilă sau argilă prăfoasă compactată), care asigură etanșeitatea, flancat de filtre și tranziții granulometric proiectate (nisip, apoi pietriș), al căror rol este de a preveni migrarea particulelor fine din nucleu spre aval (fenomen numit sufoziune sau piping) și de a colecta și evacua controlat apa de infiltrație; la exterior, prismele de anrocamente asigură stabilitatea generală a taluzurilor, iar protecția de suprafață (blocuri de piatră, pe taluzul amonte) previne eroziunea produsă de valuri. Linia de saturație marchează, în interiorul corpului barajului, nivelul liber al apei infiltrate; poziția și panta ei sunt esențiale pentru stabilitatea taluzului aval și trebuie controlate prin sistemul de drenaj (dren de picior, covor drenant, tranșee de etanșare la roca de bază) (Fell et al., 2015).

Figura 11.4 Secțiune schematică printr-un baraj de pământ zonat: 1 – nucleu impermeabil (argilă compactată); 2A, 2B – filtru fin și tranziție (nisip, pietriș); 3 – prisme de anrocamente; 4 – protecție de taluz amonte; 5 – dren de picior; 6 – tranșee de etanșare în roca de bază (după principiile generale din Fell et al., 2015, simplificat).

Materialele folosite în fiecare zonă a unui baraj de pământ trebuie să îndeplinească cerințe specifice: nucleul impermeabil necesită un pământ coeziv, cu permeabilitate foarte scăzută și plasticitate suficientă pentru a tolera deformații fără fisurare; filtrele și tranzițiile necesită o granulozitate proiectată explicit (reguli de filtru) pentru a fi în același timp suficient de fine pentru a reține particulele nucleului și suficient de permeabile pentru a evacua liber apa; anrocamentele necesită piatră durabilă, rezistentă la îngheț–dezgheț (Secțiunea 11.1.3), din categoriile discutate la Secțiunea 11.2.1 sau 11.2.2 (Fell et al., 2015, Smith, 1999). Controlul granulometric și de compactare al fiecărei zone se face la punerea în operă, prin încercări de laborator și prin controale de compactare pe teren, similare celor descrise pentru terasamente în Secțiunea 11.5.3; erori de proiectare sau de execuție a filtrelor sunt una dintre cauzele principale ale cedării prin sufoziune internă a barajelor de pământ.

11.5.3. Compactarea pământurilor: încercarea Proctor

Performanța unui pământ pus în operă – fie în terasament, fie în corpul unui baraj – depinde în mod esențial de gradul de îndesare atins la compactare, care se controlează prin densitatea în stare uscată \(\rho_d\) a materialului compactat. Relația dintre densitatea uscată și umiditatea de compactare a fost pusă în evidență de Proctor (1933) și este determinată în laborator prin încercarea Proctor: probe din același pământ, aduse la umidități diferite, sunt compactate cu o energie specifică fixă (prin baterea unui maiu standardizat, într-un număr fix de lovituri și straturi, într-un cilindru de dimensiuni normate), iar densitatea uscată rezultată se reprezintă în funcție de umiditate.

Curba obținută (Figura 11.5) are o formă caracteristică, cu un maxim: la umidități mici, adaosul de apă lubrifiază particulele și facilitează îndesarea, crescând densitatea uscată; peste o anumită umiditate, numită umiditate optimă de compactare \(w_{opt}\), apa în exces ocupă din ce în ce mai mult din volumul porilor fără a mai putea fi expulzată de energia de compactare aplicată, iar densitatea uscată scade. Punctul de maxim al curbei definește densitatea uscată maximă \(\rho_{d,max}\), corespunzătoare energiei de compactare folosite. Standardul folosește două energii de referință: încercarea Proctor normal (energie specifică de circa 0,6 J/cm\(^3\)) și încercarea Proctor modificat (energie specifică de circa 2,7 J/cm\(^3\), de circa patru ori mai mare, reprezentativă pentru utilajele grele de compactare moderne); la aceeași umiditate, energia mai mare a Proctorului modificat produce o densitate uscată maximă mai ridicată, atinsă la o umiditate optimă mai scăzută, ceea ce deplasează curba spre stânga și în sus, așa cum se observă în Figura 11.5.

Figura 11.5 Curbele de compactare Proctor normal și Proctor modificat: densitatea în stare uscată în funcție de umiditate, cu punctele de maxim (\(\rho_{d,max}\), \(w_{opt}\)) și curbele de saturație \(S_r = 1\) și \(S_r = 0{,}9\) (după principiul încercării descrise inițial de Proctor, 1933).

Curba de saturație \(S_r = 1\), corespunzătoare stării complet saturate, reprezintă limita teoretică pe care curba experimentală nu o poate depăși; curba \(S_r = 0{,}9\) este trasată ca reper, pentru că ramura umedă a curbei Proctor se situează, de regulă, în vecinătatea ei. La umidități mari, curba Proctor se apropie de curba de saturație fără a o atinge, deoarece rămâne întotdeauna un mic volum de aer ocluzat în pământul compactat. Pe teren, calitatea execuției se verifică prin gradul de compactare:

(11.7)\[ G_c = \frac{\rho_{d}}{\rho_{d,max}} \times 100 \ \ [\%] \]

în care \(\rho_d\) este densitatea uscată realizată efectiv pe teren (determinată, de exemplu, prin metoda cu nisip calibrat sau cu gamadensimetrul) și \(\rho_{d,max}\) este densitatea uscată maximă de referință, obținută în laborator prin încercarea Proctor corespunzătoare. Caietele de sarcini impun, de regulă, un grad de compactare minim (frecvent 95–100 % din Proctorul normal, mai ridicat la platforme rutiere și feroviare), pentru a asigura rezistența, rigiditatea și rezistența la deformații de lungă durată a terasamentului sau a corpului barajului. Compactarea insuficientă a unui pământ necoeziv saturat rămâne totodată una dintre principalele cauze ale susceptibilității la lichefiere sub acțiune seismică (Secțiunea 7.7.2), motiv suplimentar pentru care controlul gradului de compactare este obligatoriu pe orice șantier de terasamente sau de lucrări hidrotehnice de pământ.

Pentru zonele cu cerințe geotehnice speciale (portanță insuficientă, plasticitate excesivă, sensibilitate la apă), pământurile pot fi stabilizate prin adaos de var sau de ciment (Secțiunea 11.4), care modifică structura și reduc plasticitatea argilelor, măresc rezistența pe termen scurt și lung și reduc sensibilitatea la variațiile de umiditate; alegerea tipului și a dozajului de liant se face pe baza încercărilor de laborator specifice, în funcție de mineralogia argilei și de destinația finală a lucrării.