2.5. Procese geologice externe#
Intuiție
Tot ce ridică tectonica, apa, gerul și gravitația macină la loc și cară la vale. Materialul rămas pe loc, cel oprit pe versant și cel dus de râu sau de vânt arată diferit și se poartă diferit sub o fundație. Cele mai multe construcții din România stau exact pe aceste depozite tinere, nu pe rocă.
Procesele geologice externe (exogene) sunt cele care se desfășoară la suprafața scoarței, la contactul cu atmosfera, hidrosfera și biosfera, folosind energia solară și gravitația. Ele tind să niveleze relieful creat de procesele interne: distrug rocile (alterare), îndepărtează și deplasează produsele distrugerii (eroziune și transport) și le depun în zonele joase (sedimentare). Pentru geologia inginerească, ele au o importanță dublă: pe de o parte, produsele lor – scoarța de alterare și depozitele cuaternare – constituie terenul de fundare obișnuit; pe de altă parte, continuarea lor în timpul existenței construcțiilor (eroziunea malurilor, alunecările de teren, colmatarea lacurilor de acumulare, dizolvarea rocilor solubile) reprezintă riscuri care trebuie evaluate (Bell, 2007, Marchidanu, 1995).
2.5.1. Alterarea#
Alterarea (weathering) este ansamblul transformărilor pe care le suferă rocile la suprafață sau în apropierea ei, pe loc (in situ), sub acțiunea agenților atmosferici, a apei și a organismelor, fără transport. Rocile s-au format, în majoritate, în condiții de temperatură și presiune diferite de cele de la suprafață și în absența oxigenului liber și a apei meteorice; expuse, ele tind spre un nou echilibru, prin dezagregare mecanică și descompunere chimică (Price, 2009, Tarbuck et al., 2016).
Alterarea fizică (mecanică, dezagregarea) fragmentează roca fără a-i schimba compoziția. Principalii ei factori sunt: gelifracția – înghețul apei în fisuri și pori, cu creșterea de volum de circa 9 % și presiuni care depășesc rezistența la tracțiune a rocilor, extrem de eficientă în climatul temperat și în zonele montane, unde produce grohotișurile de versant; variațiile de temperatură (termoclastia), care, prin dilatări și contracții diferențiate ale mineralelor, produc exfolierea și dezagregarea granulară, mai ales în deșerturi; descărcarea (detensionarea) – îndepărtarea prin eroziune a rocilor acoperitoare permite dilatarea rocii rămase și deschiderea unor fisuri paralele cu suprafața (exfoliere în plăci, frecventă în granite), fenomen care se manifestă și în taluzurile excavațiilor adânci; cristalizarea sărurilor în pori (haloclastia), în climat arid și în zonele litorale; acțiunea rădăcinilor, care lărgesc fisurile. Rezultatul este o rocă tot mai fisurată, cu blocuri tot mai mici, cu permeabilitate mărită, ceea ce facilitează alterarea chimică.
Alterarea chimică (descompunerea) modifică compoziția mineralogică a rocii, transformând mineralele primare, instabile la suprafață, în minerale secundare stabile (în principal minerale argiloase, oxizi și hidroxizi de fier și aluminiu) și în substanțe dizolvate care sunt îndepărtate de apă. Agentul principal este apa, mai ales cea încărcată cu dioxid de carbon, oxigen și acizi organici. Principalele reacții sunt: dizolvarea, la care sunt sensibile sarea gemă, gipsul și, într-o măsură mai mică, dar cu efecte geologice majore, calcarele și dolomitele (\(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2}\)), la originea fenomenelor carstice (Secțiunea 10.2); hidroliza, prin care silicații (feldspații, în primul rând) se descompun în minerale argiloase – de exemplu transformarea ortozei în caolinit, responsabilă pentru „putrezirea” granitelor și pentru formarea argilelor; oxidarea mineralelor cu fier (pirita, biotitul, olivina), care dă culorile ruginii ale rocilor alterate și, în cazul piritei, produce acid sulfuric agresiv pentru betoane; hidratarea, cu creșteri de volum (anhidrit \(\rightarrow\) gips). Intensitatea alterării chimice crește cu temperatura și umiditatea, fiind maximă în climatul tropical umed, unde scoarța de alterare (laterite, bauxite) atinge zeci de metri (Secțiunea 3.4.2).
Alterarea biologică combină efectele mecanice (rădăcini, animale săpătoare) cu cele chimice (acizi organici din descompunerea materiei vegetale, activitatea bacteriilor și a lichenilor) și culminează cu formarea solului – pătura afânată de la suprafață, amestec de material mineral alterat și materie organică, în care se dezvoltă vegetația. Pentru inginer, solul (stratul vegetal) nu este teren de fundare și se îndepărtează întotdeauna înainte de execuția fundațiilor sau a terasamentelor.
Alterarea acționează de la suprafață spre adâncime și de-a lungul discontinuităților, astfel încât masivul de rocă capătă un profil de alterare (scoarță de alterare) cu intensitate descrescătoare în adâncime (Figura 2.5). Descrierea rocilor în documentațiile geotehnice folosește, conform standardului SR EN ISO 14689:2018, șase grade de alterare (ASRO, 2018): 0 – rocă proaspătă; 1 – ușor alterată (decolorare pe discontinuități); 2 – moderat alterată (mai puțin de jumătate din rocă descompusă sau dezagregată, cu blocuri de rocă sănătoasă – corestones – într-o matrice alterată); 3 – puternic alterată (mai mult de jumătate din rocă descompusă); 4 – complet alterată (toată roca transformată în pământ, dar cu structura masivului încă recognoscibilă – saprolit); 5 – sol rezidual (structura și textura rocii sunt distruse). Gradele 0–2 corespund, în general, unei comportări de rocă (masiv fisurat), iar gradele 4–5 unei comportări de pământ; gradul 3 este intermediar și cel mai dificil de caracterizat, deoarece blocurile de rocă sănătoasă dau rezultate înșelătoare în foraje și în încercări. Grosimea scoarței de alterare este foarte variabilă – de la câțiva decimetri la 10–30 m – și greu de anticipat fără foraje; adâncimea și sistemul de fundare, ca și stabilitatea taluzurilor, depind direct de ea (Price, 2009, Waltham, 2009).
Figura 2.5 Profilul de alterare al unui masiv de rocă fisurată și gradele de alterare 0–5 conform SR EN ISO 14689:2018 (ASRO, 2018); în stânga, comportarea geotehnică asociată.#
2.5.2. Eroziunea, transportul și sedimentarea#
Eroziunea este îndepărtarea produselor alterării și a fragmentelor de rocă de către agenții de transport; ea presupune mișcare și este, de aceea, dependentă de energia agentului și de relief. Principalii agenți sunt:
apa de suprafață – prin șiroire (eroziune în suprafață, ravenare, torenți) și prin cursurile de apă organizate (eroziunea liniară a albiilor, eroziunea laterală a malurilor), cel mai important agent de modelare a reliefului în climatul temperat;
apa subterană – prin dizolvare (carst) și prin antrenarea particulelor fine (sufozie), fenomene care produc goluri și tasări (Capitolul 10);
gheața – ghețarii montani și calotele, prin eroziune glaciară (văi în formă de U, circuri), cu un rol major în Cuaternar, când calotele au acoperit nordul Europei, iar ghețarii montani, Carpații înalți;
vântul – prin deflație (spulberarea particulelor fine) și coraziune (șlefuirea rocilor cu nisipul transportat), important în regiunile aride și în zonele periglaciare, unde a format depozitele de loess;
marea – prin abraziunea falezelor și curenții litorali;
gravitația – prin deplasările în masă ale materialului de pe versanți: prăbușiri, alunecări, curgeri, solifluxiune (Capitolul 8).
Transportul se face în suspensie (particule fine), prin târâre și saltație (particule grosiere) sau în soluție (săruri dizolvate). În timpul transportului, fragmentele se rotunjesc, se micșorează și se sortează după dimensiune și densitate: apa curgătoare depune mai întâi bolovănișul și pietrișul, apoi nisipul, iar praful și argila numai în ape liniștite; vântul realizează sortarea cea mai bună, gheața nu sortează deloc. Sedimentarea are loc acolo unde energia agentului scade sub cea necesară transportului: la baza versanților, în albiile și luncile râurilor, în lacuri, delte și mări. Mediul de sedimentare imprimă depozitului caracteristici – granulometrie, sortare, stratificație, grad de îndesare, conținut de materie organică – care îi determină în mare măsură proprietățile geotehnice (Bell, 2007, Waltham, 2009).
2.5.3. Depozitele cuaternare din România ca terenuri de fundare#
Depozitele formate de procesele externe în Cuaternar – ultimele circa 2,6 milioane de ani, marcate de alternanța perioadelor glaciare și interglaciare – acoperă cea mai mare parte a teritoriului României, în afara zonelor montane, cu grosimi de la câțiva metri la peste 100 m, și constituie terenul de fundare al majorității construcțiilor. Ele sunt necimentate (pământuri, în terminologia geotehnică – Secțiunea 3.4.3), au proprietăți foarte variabile pe distanțe scurte și se clasifică după geneză, deoarece aceasta controlează structura, granulometria și comportarea lor (Boți et al., 1986, Marchidanu, 1995):
Eluviile (depozite eluviale) sunt produsele alterării rămase pe loc, pe suprafețele plane sau slab înclinate – scoarța de alterare descrisă mai sus. Trecerea spre roca-mamă este graduală, granulometria este neomogenă (fragmente de rocă într-o matrice argiloasă-prăfoasă), iar grosimea, imprevizibilă.
Deluviile (depozite deluviale) sunt materialele deplasate pe versanți prin șiroire și prin deplasări lente, acumulate pe pantele și la baza acestora sub forma unor pături de 1–10 m sau mai mult, cu compoziție prăfos-argiloasă și fragmente de rocă, nesortate, afânate, cu grad ridicat de umiditate. Sunt terenuri de fundare mediocre și, mai ales, sediul celor mai multe alunecări de teren din zonele de deal ale României (Secțiunea 8.3), contactul deluviu–rocă de bază fiind adesea suprafața de alunecare.
Coluviile (depozite coluviale) se acumulează la baza versanților abrupți, prin acțiunea directă a gravitației: grohotișuri, conuri și trene de grohotiș, material de prăbușire, cu fragmente colțuroase, fără sortare, foarte permeabile și adesea instabile.
Proluviile (depozite proluviale) sunt depuse de torenți la ieșirea din zona montană, sub forma conurilor de dejecție: bolovănișuri, pietrișuri și nisipuri slab sortate, în strate lenticulare, cu intercalații de material fin, a căror neomogenitate face dificilă previziunea tasărilor.
Aluviunile (depozite aluviale) sunt depuse de cursurile de apă în albii, lunci și terase: pietrișuri și nisipuri în partea inferioară (facies de albie), acoperite de prafuri și argile de luncă, adesea cu intercalații organice (facies de luncă). Sunt cele mai răspândite terenuri de fundare din câmpii și din văile mari (Câmpia Română, luncile Dunării, Mureșului, Siretului, Prutului) și, în general, bune când sunt grosiere și îndesate; nisipurile fine afânate saturate sunt însă susceptibile de lichefiere la cutremur (Secțiunea 7.7.2), iar depozitele fine de luncă și cele de mlaștină și lacustre (mâluri, turbe, argile moi) sunt compresibile și au capacitate portantă redusă.
Loessul și depozitele loessoide, de origine eoliană, respectiv eoliană remaniată de ape, acoperă suprafețe întinse în Câmpia Română, Dobrogea, sudul Moldovei și Câmpia de Vest, cu grosimi de 5–30 m și local mai mult. Sunt prafuri gălbui, macroporice, cu carbonat de calciu, nesaturate, cu porozitate mare (frecvent 40–50 %) și rezistență aparentă bună în stare uscată, dar care suferă tasări suplimentare la umezire (pământuri sensibile la umezire), reglementate prin normativul NP 125-2010 (MDRT, 2010); ele sunt cea mai răspândită categorie de terenuri dificile din România (Capitolul 10).
Depozitele glaciare și periglaciare (morene, grohotișuri de gelifracție) apar numai în Carpații înalți și interesează construcțiile hidrotehnice și drumurile montane; depozitele marine și lagunare (nisipuri de plajă, mâluri, cordoane litorale) interesează lucrările din zona litorală și din Delta Dunării.
Geneza depozitelor cuaternare și fundarea construcțiilor
Majoritatea construcțiilor din România se fundează pe depozite cuaternare: aluviuni, loess, deluvii. Cunoașterea genezei lor permite inginerului să anticipeze, încă din faza de documentare a studiului geotehnic (Secțiunea 9.6), tipul de probleme pe care le va întâlni: neomogenitatea în plan și pe verticală și prezența apei subterane la mică adâncime în aluviuni; sensibilitatea la umezire a loessului; instabilitatea deluviilor pe versanți; compresibilitatea ridicată a depozitelor lacustre și de mlaștină; permeabilitatea și instabilitatea coluviilor. Normativul NP 074-2022 (MDLPA, 2022) cere ca studiul geotehnic să stabilească natura, geneza și stratificația terenului tocmai pentru că aceste caracteristici, împreună cu istoricul geologic al amplasamentului, determină alegerea sistemului de fundare, adâncimea de fundare și măsurile speciale necesare.
Figura 2.6 arată cum apare un depozit prăfos de acest fel într-un taluz de excavație, sub solul vegetal.
Figura 2.6 Taluz de excavație: sol vegetal de culoare închisă, străbătut de rădăcini, peste un depozit prăfos gălbui (foto: I. Boți). [DE COMPLETAT: locul și anul; confirmarea naturii loessoide a depozitului]#