C3.b

 Pentru a putea studia procesul de săpare, metodele şi mijloacele adecvate, a modurilor de acţionare asupra terenului pentru a-l disloca de pe un amplasament pe altul, a condiţiilor necesare pentru realizarea umpluturilor, este necesară cunoaşterea naturii, a modului de aglomerare, a principalelor proprietăţi fizice ale acestuia.

Terenurile sunt alcătuite din roci care după modul de formare se încadrează în trei mari grupe:

• Roci magmatice;
• Roci sedimentare;
• Roci metamorfice.

Rocile magmatice sunt formate prin solidificarea magmei topite care a ieşit la suprafaţa pământului în urma erupţiilor vulcanice.

Principalele roci magmatice sunt granitele, sienitele, gabrourile, andezitele, bazaltele. Rocile magmatice pot fi uşor recunoscute dupa textura suprafeţei în spărtură; au un aspect cristalin lucios şi culori pestriţe, mozaicate.

Caracteristica acestor roci este fragmentarea primară ca urmare a formării unor zone cu microfisuri în procesul de racire a magmei şi a contracţiei volumului.

Fig. 2: Granit & Bazalt

Fig. 1: Aspectul rocilor magmatice în săpătură

Aceste microfisuri crează zone cu rezistenţe mai reduse în interiorul masivului, zone care permit, prin acţiuni mecanice (lovire cu ciocanul), fragmentarea în blocuri.

De exemplu bazaltele se fragmentează în coloane, granitele, sienitele se fragmentează în plăci.

Fig. 3: Fragmentarea în coloane sau în plăci

În figura 3 se prezintă fragmentarea în coloane sau plăci, în funcţie de dispunerea zonelor microfisurate în cuprinsul rocii.

Rocile magmatice au o rezistenţă foarte mare la compresiune, de peste 1000 daN/cm².

Rocile sedimentare sunt formate din depozitele de substanţe accumulate în timp la suprafaţa solului sau pe fundul apelor ca urmare a eroziunii şi transportului unor roci preexistente şi a unor procese de natură fizico - chimică sau biologică.

Principalele roci sedimentare pot fi clasificate astfel:

1. detritice, gresii, argile, marne, sunt formate prin dezagregare (detritus = distrus, sfaramat, din latina).

Fig. 4: Gresii, Argile & Marne

• 2. piroclastice, tufuri, tufuri vulcanice (piroclastice = sfărâmate prin foc).

• 3. de precipitaţie, calcare, gipsuri.

Rocile sedimentare se prezintă sub formă aglomerată, cimentate sau sub formă amorfă, necimentate.

Rocile sedimentare pot fi uşor recunoscute după aspectul stratificat al acestora, figura 6, după conţinutul unor fosile de natură animală sau vegetală, după culorile relativ uniforme ale straturilor, după textura mată.

Fig. 5: Tuf vulcanic

O categorie distinctă de roci sedimentare o constituie rocile reziduale formate prin eroziunea rocilor preexistente fără a mai avea loc transportul acestora.

Eroziunea, dezagregarea rocii mamă, este produsă de agenţi fizici şi chimici, de acţiunea vegetaţiei şi a bacteriilor.

Aceste roci se formeaza la suprafata terenurilor şi poarta denumirea de soluri sau pământuri vegetale.

De regula grosimea acestor straturi este de 40…70 cm şi au rezistente scăzute, nu pot fi folosite pentru fundarea constructiilor.

Fig. 6: Aspectul, în spătură, al rocilor sedimentare

Rocile metamorfice rezulta din transformarea, din metamorfozarea, rocilor deja existente, magmatice sau sedimentare, sub actiunea unor conditii de mediu cum ar fi temperatura şi presiunea litostatica data de straturile superioare. Exemple de roci metamorfice sunt ardezia provenita din metamorfozarea nisipurilor, marmura provenita din metamorfozarea calcarelor.

Fig. 7: Ardezie & Marmură

Terenurile, din punct de vedere al starii de agregare, pot fi clasificate in:

• Roci compacte, denumite stâncoşi şi semistâncoase;
• Roci dezagregate, denumite pământuri.

Clasificarea şi identificarea pământurilor se face, pentru cele necoezive după mărimea granulelor, iar pentru cele coezive după mărimea forţelor de legătură, tabelul 1.

Rocile stâncoase sunt caracterizate prin rezistenţă mare la compresiune, de cel putin 50 daN/cm² şi sunt stabile în apă, de exemplu granite sau bazalte.

Rocile semistâncoase se caracterizează prin rezistenţa la compresiune mai mică de 50 daN/cm², în prezenţa apei se înmoaie, de exemplu marne, gresii, etc.

Rocile dezagregate, pământurile, se grupează în:

• pământuri coevize , la care există forţe de legătură, coeziune, între particule;
• pământuri necoevize, la care între particule nu există forţe de legătură.

Tabelul 1 - Clasificarea şi identificarea pământurilor

Amestecul de nisip, pietriş şi bolovăniş din albiile râurilor poartă denumirea de prundiş, şi când are şi particule mai mari de 0,05 mm se numeşte balast.

O imagine mai sugestivă a pământurilor se prezintă în figura 8, funcţie de dimensiunea particulelor.

Ø > 0,05 Ø 0,05…0,005 Ø < 0,005

pământuri pământuri pământuri

nisipoase prăfoase argiloase

Fig. 8: Clasificarea pământurilor după dimensiunea particulelor

Din punct de vedere al rezistenţelor pe care le opune la dislocare, terenurile se clasifică în şapte grupe, tabelul 2. Criteriul de clasificare s-a făcut pe baza dificultăţii de săpare manuală caracterizată prin unealta folosită pentru terenurile dezagregate sau pe baza timpului de forare cu perforatorul pneumatic a unei găuri de un metru adâncime, pentru terenurile compacte.

FAZELE CONSTITUENTE ALE PĂMÂNTURILOR

Denumirea generală de pământuri este dată rocilor dezagregate constituite din granule de diferite marimi, legate intre ele, coezive sau nelegate, pământurile necoezive.

Pe lângă faza solidă formată din granule, pământurile sunt caracterizate şi prin modul de dispunere, de organizare a particulelor, de spaţiile create între acestea care pot fi umplute cu apă sau cu gaze.

Se poate spune deci că pământurile sunt formate din cele trei faze, solidă, lichidă şi gazoasă.

Comportarea pământurile la dislocare, la compactare, stabilitatea malurilor săpăturilor, în general proprietăţile mecanice, sunt influenţate, pe lânga modul de aglomerare a particulelor şi de raporturile cantitative dintre cele trei faze şi de fenomenele ce se manifestă la interfeţele de contact dintre acestea.

Pentru a determina raporturile cantitative dintre fazele constituiente ale pământurilor se folosesc următoarele mărimi.

• Porozitatea (n) reprezintă raportul dintre volumul total al porilor V_p şi volumul aparent V_a – volumul total al pământului inclusiv golurile:

• Indicele porilor (ε) este raportul dintre volumul porilor şi volumul scheletului solid V_s , cuprins în acelaşi volum de pământ:

• Umiditatea (ω) unui pământ se defineşte ca raportul dintre masa fazei lichide conţinută în pori, m_a şi masa fazei solide m_s:

Masa fazei lichide este aceea care se elimină prin uscarea pământului la 150 ºC.

• Gradul de umiditate (S) este raportul dintre umiditatea pământului la un moment dat (ω) şi umiditatea aceluiaşi pământ în stare de saturaţie (ω_sat):

După valoarea gradului de umiditate pământurile pot fi, tabelul 3:

• Limita inferioara de plasticitate (ω_f) denumita şi limita de framantare este umiditatea care corespunde trecerii pământului din stare tare în stare plastica.

• Limita superioară de plasticitate (ω_c) denumită şi limita de curgere este umiditatea la care pământul trece din starea plastică în stare de curgere.

• Indicele de plasticitate (I_p) stabileşte intervalul de umiditate în care pământurile se menţin în stare plastică.

Ip = ω_c - ω_f

• plasticitate redusă: 0 < I_p ≤ 10
• pământuri plastice: I_p = 10…35
• pământuri foarte plastice: I_p > 35

• Indicele de consistenţă (I_c):

Este dat de relaţia:

• pământuri în stare curgătoare: 0 < I_c ≤ 0,25
• pământuri în stare plastică: 0,25 ≤ I_c ≤ 0,25
• pământuri tari: I_c > 1

SĂPAREA MECANIZATĂ A PĂMÂNTURILOR

Procesul de săpare mecanizată a pământurilor este influenţat de tipul organului de lucru al utilajului, de dispunerea acestuia în spaţiu, de natura şi caracteristicile terenului.

Utilajele de săpare a pământului sunt prevăzute cu organe de lucru specifice, dotate, la nivelul de acţionare asupra terenului, cu un organ de tăiere numit cuţit.

Organul de tăiere, cuţitul, se caracterizează prin forma şi dispunerea sa în spaţiu.

Fig. 9: Forma şi dispunerea în spaţiu a organului de tăiere

Cuţitul, organul de tăiere este caracterizat în functie de forma sa constructivă şi de poziţia de aşezare, faţă de planul de tăiere prin următorii parametrii:

 - reprezintă unghiul de tăiere

 - unghi de aşezare

 - unghi de ascuţire

Procesul de săpare a pământului, desprinderea brazdei de teren, simplificat, poate fi considerat că are loc în mai multe etape şi este influenţat, pentru un acelaşi organ de săpare, de natura şi starea de umiditate a terenului.

În prima fază prin pătrunderea organului de tăiere şi înaintarea acestuia în pământ, are loc o îndesare a particulelor de pământ cu reducerea spaţiilor dintre acestea şi naşterea unor eforturi de compresiune.

Etapa următoare este caracterizată prin formarea unor planuri de alunecare, forfecare prin tăiere, după planul de înaintare a cuţitului, ca urmare a depăşirii valorii frecării interioare dintre particule, la pământurile necoezive sau a coeziunii la cele coezive şi desprinderea unor porţiuni de pământ, a unei brazde.

În etapa a treia are loc deplasarea porţiunilor de pământ în faţă sau înspre partea superioară a organului de tăiere.

În funcţie de natura şi de gradul de umiditate porţiunile de pământ tăiate se pot dispune în mai multe moduri.

La pământurile necoezive, nisip, pietriş, balast, odata cu desprinderea brazdei are loc o deformare a acesteia şi aglomerarea sub formă neorganizată în faţa organului de lucru, figura 10.

Prismul de pământ format în faţa organului de săpare se dezvoltă pe măsura desfăşurării procesului de săpare.

Fig. 10: Particularităţile procesului de săpare la pământuri necoezive

La pământurile coezive cu umiditate inferioară, indicele de plasticitate I_p < 10, are loc o fragmentare a brazdei săpate în bucăţi, prin formarea unor planuri de lunecare la intervale relativ egale, figura 11. Pe măsura desfăşurării procesului de săpare, porţiunile de pământ au tendinţa să se deplaseze spre partea superioară a organului de lucru.

Fig. 11: Particularităţile procesului de săpare la pământurile coezive cu umiditate redusă

Pământurile coezive în stare plastică au comportarea cea mai favorabilă la săpare. Prismul de pământ format de brazda tăiată se menţine relativ intact şi poate fi dirijat să se organizeze în condiţii optime pe parcursul procesului de săpare.

Fig. 12: Procesul de săpare la pământuri coezive în stare plastică

Brazda săpată, în funcţie de caracteristicile utilajului, se dispune în forme specifice, care să conducă la rezistenţe minime pe parcursul procesului de săpare.

La pământurile coezive tari, indicele de consistenţă I_c >1, în timpul procesului de săpare are loc o desprindere a pămâturilor în blocuri, bolovani, figura 13. Acestea se dispun neorganizat în faţa organului de lucru.

Fig. 13: Particularităţile procesului de săpare la pământuri coezive tari

NOŢIUNI GENERALE PRIVIND REZISTENŢELE LA SĂPARE ALE PĂMÂNTURILOR

Fig. 14: Rezistenţele care apar în timpul fazei de desprindere a brazdei

Prin acţiunea organului de tăiere, asupra terenului se naşte o reacţiune, R, pe care pământul o opune procesului de săpare, figura 14.

Pentru a determina rezistenţele care iau naştere în timpul procesului de săpare, această reacţiune o putem descompunere intr-o forţă după o direcţie paralelă cu planul de săpare, R_t, pe care o denumim rezistenţa la tăiere şi o componentă perpendiculară, R_n, denumită forţa normală.

Forţa normală, R_n, în timpul procesului de săpare, dă naştere la o forţă de frecare între cuţit şi teren, R_f.

R_f =  · R_n

Fig. 15: Rezistenţele care iau naştere în timpul procesului de săpare

Această forţă de frecare este în funcţie de , coeficientul de frecare între cuţit şi teren.

Pentru efectuarea procesului de săpare este necesar să se învingă rezistenţa la săpare R_s care este constituită, în general, din rezistenţa la tăiere R_t, rezistenţa la frecare a organului de lucru de teren R_f şi rezistenţa dată de deplasarea brazdei de pământ tăiate R_d, figura 15.

R_s = R_t + R_f + R_d

Pentru a putea avea loc procesul de săpare este necesar ca utilajul să acţioneze cu o forţă „A” superioară rezistenţei la săpare.

Pentru diferite organe de lucru ce echipează utilajele de săpare relaţia generală va avea forme specifice.

Într-o formă simplificată, în baza unor date exprimentale, prin introducerea noţiunii de rezistenţă specifică la săpare, K, se poate determina rezistenţa la săpare cu relaţia:

R_s = K · S [daN]

în care:

K – reprezintă rezistenţa la săpare, în daN/cm²

S – suprafaţa secţiunii brazdei perpendiculară pe direcţia de săpare, în cm².

Funcţie de natura terenului şi de tipul organului de lucru se prezintă în tabelul 4 rezistenţele specifice la săpare.

Tabelul 4 - Rezistenţele specifice la săpare

Natura terenului

Categoria terenului

K, daN/cm²

Utilaje cu cupă

Utilaje cu lamă

Nisip, mâl, pământ vegetal, umpluturi necompactate

I

0,16…0,70

0,28…1,20

Nisip argilos, praf argilos, loess, umpluturi necompactate

II

0,60…1,30

1,00…1,90

Argilă prăfoasă, lut, prundiş, balast

III

1,15…1,95

-

Argilă grasă compactată, argilă marmaroasă, bolovăniş

IV

2,00…3,00

-

Roci derocate, bine sfărâmate prin eploxie, pământ îngheţat sfărâmat

V

2,80…3,25

-

Roci derocate brute, pământ îngheţat dislocat

VI

3,80…4,70

-

Analizându-se tabelul 4 se observă existenţa valorilor rezistenţelor specifice la săpare pentru utilajele cu lamă numai pentru terenuri de categaria I şi II, doarece aceste utilaje nu pot săpa şi pământuri tari.