9.2. Investigații directe: sondaje, foraje, tranșee

Intuiție

Forajul este singura metodă care aduce terenul în mână. Valoarea lui stă însă în probă: o probă scuturată, uscată sau amestecată dă în laborator cifre care descriu altceva decât terenul. De aici vine toată grija pentru cum forezi și cu ce prelevezi.

9.2.1. Sondajele deschise

Sondajele deschise – șanțuri (tranșee), gropi și puțuri – sunt excavații executate manual sau mecanic, care permit observarea directă a terenului pe pereți, prelevarea de probe netulburate mari (cuburi tăiate manual) și efectuarea de încercări pe teren (încărcare cu placa, determinarea densității in situ). Adâncimea lor este limitată de stabilitatea pereților și de apa subterană: șanțurile și gropile ajung uzual la 2–4 m, puțurile sprijinite la 10–15 m. Sunt metoda ideală pentru studierea umpluturilor, a pământurilor macroporice sensibile la umezire (loessuri, pentru încercarea de încărcare cu placa cu inundare cerută de NP 125 (MDRT, 2010)), a zonei de alterare a rocilor, a suprafețelor de alunecare superficiale și a fundațiilor construcțiilor existente (sondaje de relevare a fundațiilor). Tranșeele lungi, deschise perpendicular pe o falie sau pe o alunecare, oferă o secțiune continuă imposibil de obținut prin foraje.

9.2.2. Forajele geotehnice

Forajul este o gaură cilindrică executată în teren cu o instalație specializată, din care se extrag probe și în care se pot efectua încercări și măsurători. După modul de acționare se disting:

• forajele manuale (cu burghiu, cu lingură), cu diametre de 60–150 mm și adâncimi de câțiva metri, în pământuri fine deasupra apei; utile pentru recunoașteri rapide și pentru construcții mici;

• forajele mecanice rotative, la care sapa sau tubul carotier este rotit și apăsat de instalație; ele pot fi executate uscat (cu snec continuu sau cu tub carotier introdus prin rotire lentă, fără fluid), metodă preferată în pământuri, deoarece nu modifică umiditatea probelor și permite observarea corectă a nivelului apei, sau cu circulație de fluid (apă, noroi bentonitic sau aer), obligatorie în roci și în pământuri grosiere sub nivelul apei;

• forajele prin percuție (cu batere sau cu cablu), la care unealta este ridicată și lăsată să cadă; se folosesc în pietrișuri și bolovănișuri, dar tulbură puternic terenul de la talpă;

• forajele cu carotaj continuu, cu tub carotier simplu, dublu sau triplu și coroană diamantată sau cu widia, care recuperează o carotă continuă din rocă (Figura 9.1a); carotajul cu tub dublu, în care tubul interior nu se rotește, protejează carota și dă cele mai bune recuperări în roci slabe sau fisurate.

Diametrele uzuale ale forajelor geotehnice sunt de 100–200 mm în pământuri (frecvent 146–168 mm în practica românească, pentru a permite prelevarea de probe netulburate cu diametrul de 100 mm) și de 76–146 mm în roci (dimensiuni standardizate ale carotierelor). Pereții forajului se susțin, acolo unde terenul nu se ține singur, cu coloană de tubaj sau cu noroi bentonitic; tubajul nu trebuie coborât sub talpa forajului înaintea prelevării, pentru a nu tulbura zona din care se ia proba. Regulile de execuție, de descriere și de raportare sunt date de SR EN ISO 22475-1 (ASRO, 2021), iar procedurile detaliate în manualele de specialitate (Clayton et al., 1995, Mayne et al., 2001).

Figura 9.1 (a) Foraj rotativ cu carotaj continuu în rocă (tub carotier, coroană diamantată, circulația fluidului de foraj); (b) prelevarea unei probe netulburate din pământ coeziv cu tub cu pereți subțiri împins static sub talpa curățată a forajului.

9.2.3. Prelevarea probelor: categorii și clase de calitate

Proba prelevată din foraj este veriga cea mai fragilă a lanțului de investigare: o probă tulburată sau uscată dă în laborator parametri care nu mai au legătură cu terenul. SR EN ISO 22475-1 distinge trei categorii de prelevare după gradul de perturbare produs de metodă, iar SR EN 1997-2 definește cinci clase de calitate ale probelor după proprietățile care rămân nemodificate (ASRO, 2007, ASRO, 2021). Corespondența este redată în Tabelul 9.1.

Tabelul 9.1 Categoriile de prelevare și clasele de calitate ale probelor de pământ (după SR EN ISO 22475-1 și SR EN 1997-2, tabelul 3.1).

Clasa	Proprietăți nemodificate	Determinări posibile în laborator	Categoria
1	granulozitate, umiditate, densitate, indice de densitate, permeabilitate, compresibilitate, rezistență la forfecare	toate, inclusiv încercări mecanice (edometru, forfecare, triaxial)	A
2	ca la clasa 1, fără compresibilitate și rezistență	identificare, stare fizică, densitate, permeabilitate	A
3	granulozitate, umiditate	identificare, umiditate, limite de plasticitate	B
4	granulozitate	identificare, granulozitate	B
5	niciuna (doar succesiunea stratelor)	identificare aproximativă	C

Probele de categoria A (netulburate) se obțin în pământuri coezive cu tuburi cu pereți subțiri (tip Shelby, cu raport de suprafață \(C_a = (D_e^2 - D_i^2)/D_i^2\) sub 10–15 %) împinse static, cu tuburi cu piston staționar în argile moi sau cu carotiere speciale cu tub interior; în roci, prin carotaj cu tub dublu sau triplu (Figura 9.1b). Probele de categoria B (tulburate, dar cu structura stratelor păstrată) provin din carotiere bătute, din lingură sau din tubul de SPT; cele de categoria C (complet remaniate) din snec sau din detritusul adus de fluidul de foraj. În nisipuri și pietrișuri sub apă, probele netulburate nu pot fi obținute prin metode uzuale, de aceea parametrii lor mecanici se determină prin încercări in situ (Secțiunea 9.3). Probele se etanșează imediat (parafinare, capace, folie), se etichetează cu identificatorul forajului, adâncimea și data, se protejează de îngheț și de șocuri și se transportă în laborator în cel mai scurt timp; NP 074-2022 cere ca studiul geotehnic să precizeze metodele de prelevare, transport și depozitare și categoria fiecărei probe.

9.2.4. Fișa forajului

Rezultatul unui foraj se sintetizează într-un document standardizat, fișa forajului, al cărei model-cadru este dat în anexa O a NP 074-2022 („fișa complexă a forajului/sondajului cu rezultatele încercărilor”). Aceasta cuprinde, pe coloane, de la stânga la dreapta: cota absolută, adâncimea și grosimea fiecărui strat; coloana litologică desenată cu semne convenționale; descrierea stratului; numărul, adâncimea și clasa fiecărei probe; nivelurile apei subterane – nivelul de apariție (adâncimea la care apa a fost întâlnită în timpul forării) și nivelul stabilizat (măsurat după cel puțin 24 de ore); apoi rezultatele sintetice ale încercărilor de laborator pe fiecare probă (granulozitate, umiditate, limite de plasticitate, indici de consistență, densități, porozitate, grad de saturație, permeabilitate, modul edometric, parametrii rezistenței la forfecare) și valorile \(N_{\mathrm{SPT}}\) acolo unde s-au făcut penetrări standard. Antetul conține datele de identificare (obiectiv, executant, amplasament, contract, datele de începere și de terminare), iar la final semnăturile celui care a întocmit și a celui care a verificat fișa. În Figura 9.2 este redată o formă didactică simplificată a fișei, cu coloana litologică, probele, nivelurile apei și profilul \(N_{\mathrm{SPT}}\); fișa reală conține în plus toate coloanele numerice enumerate mai sus.

Figura 9.2 Fișă de foraj didactică (exemplu): coloana litologică cu semne convenționale, adâncimile limitelor de strat, probele netulburate și tulburate, nivelul de apariție și nivelul stabilizat al apei subterane și profilul \(N_{\mathrm{SPT}}\) (valori necorectate). Fișa completă, conform anexei O din NP 074-2022, conține și rezultatele sintetice ale încercărilor de laborator.

Descrierea stratelor din fișă trebuie făcută în ordinea și cu terminologia standardizată, astfel încât un alt inginer să poată reconstitui terenul fără să fi văzut probele. Ea se face după două standarde: SR EN ISO 14688-1/2 pentru pământuri și SR EN ISO 14689 pentru roci.

Probele extrase se așază în cutii compartimentate, în ordinea adâncimii, cu limitele manevrelor marcate vizibil (Figura 9.3); cutia fotografiată este primul document al forajului și se păstrează alături de fișă.

Figura 9.3 Cutie cu probe de foraj pe intervalul 0–5 m, cu adâncimile marcate: sub primul metru, cu pământ coeziv brun, apar pietrișuri cu bolovăniș (foto: I. Boți). [DE COMPLETAT: locul și anul]

9.2.5. Descrierea și clasificarea pământurilor (SR EN ISO 14688-1/2)

Standardul SR EN ISO 14688-1 (ASRO, 2018) stabilește regulile de identificare și descriere a pământurilor pe teren, iar SR EN ISO 14688-2 (ASRO, 2018) principiile de clasificare pe baza rezultatelor de laborator. Elementele descrierii sunt:

• granulozitatea – fracțiunile granulometrice standard sunt: argilă (sub 0,002 mm), praf (0,002–0,063 mm), nisip (0,063–2 mm), pietriș (2–63 mm), bolovăniș (63–200 mm) și blocuri (peste 200 mm); denumirea pământului se dă după fracțiunea principală, cu fracțiunile secundare ca adjective („argilă prăfoasă”, „nisip cu pietriș”); NP 074-2022 (anexa N) impune pentru studiile geotehnice din România folosirea diagramei ternare argilă–praf–nisip, cu reguli suplimentare pentru fracțiunile grosiere;

• plasticitatea – apreciată pe teren (pământ neplastic, slab plastic, plastic, foarte plastic) și determinată în laborator prin limitele Atterberg, indicele de plasticitate \(I_P\) și indicele de consistență \(I_C\); din valorile \(I_P\) și \(I_C\) derivă încadrarea terenului ca bun, mediu sau dificil în tabelele A.1–A.3 ale NP 074-2022;

• consistența pământurilor fine, apreciată pe teren prin apăsare cu degetul sau cu cuțitul: foarte moale, moale, plastic consistentă, plastic vârtoasă, tare, corelate în laborator cu \(I_C\) (Secțiunea 11.5);

• gradul de îndesare al pământurilor grosiere, exprimat prin indicele de densitate \(I_D\) (afânat sub 35 %, îndesare medie 35–65 %, îndesat peste 65 %), care pe teren se estimează numai prin încercări de penetrare (SPT, CPT, DP);

• culoarea (denumire principală plus nuanță și pete), structura (stratificat, laminat, omogen, fisurat), conținutul de carbonați (reacția cu acid clorhidric diluat: absentă, slabă, puternică), materiile organice (miros, culoare închisă, resturi vegetale), concrețiunile și incluziunile;

• originea geologică (aluvial, deluvial, eolian – loess –, lacustru, umplutură antropică), pentru că formarea depozitului explică proprietățile lui (Secțiunea 3.4.3).

9.2.6. Descrierea rocilor (SR EN ISO 14689). RQD, TCR și SCR

Pentru roci, SR EN ISO 14689 (ASRO, 2018) cere descrierea petrografică (denumirea rocii, structura, textura, culoarea, mineralele vizibile), a rezistenței (clase de la „extrem de slabă”, sub 1 MPa, la „extrem de rezistentă”, peste 250 MPa, apreciate pe teren prin lovire cu ciocanul geologic și confirmate prin încercări de compresiune sau încărcare punctuală), a gradului de alterare (rocă proaspătă; slab, moderat, puternic și complet alterată; sol rezidual), a discontinuităților (tip, orientare, distanță, persistență, rugozitate, deschidere, umplutură, alterare a pereților, prezența apei) și a masivului de rocă în ansamblu (stratificație, structura blocurilor). Carota este descrisă și prin trei indici cantitativi de recuperare (Figura 9.1a):

(9.1)\[\begin{split} \begin{aligned} \mathrm{TCR} &= \frac{\sum \ell_{\text{toate bucățile}}}{L}\cdot 100\,\%, \\ \mathrm{SCR} &= \frac{\sum \ell_{\text{bucăți cilindrice întregi}}}{L}\cdot 100\,\%, \\ \mathrm{RQD} &= \frac{\sum \ell_{\text{bucăți} \ge 100\ \mathrm{mm}}}{L}\cdot 100\,\%, \end{aligned} \end{split}\]

în care \(L\) este lungimea marșului de carotaj, \(\ell\) lungimile bucăților de carotă măsurate în lungul axei, iar în RQD se însumează numai bucățile întregi, cu lungimea de cel puțin 100 mm, separate prin discontinuități naturale (nu prin ruperi produse de foraj). Indicele de calitate a rocii RQD (rock quality designation), introdus de Deere (1964), este cel mai folosit indicator al gradului de fisurare: masivul este „foarte slab” pentru RQD sub 25 %, „slab” între 25 și 50 %, „mediu” între 50 și 75 %, „bun” între 75 și 90 % și „excelent” peste 90 %. RQD intră ca parametru în clasificările geomecanice ale masivelor (RMR, Q) și în estimarea deformabilității rocii de fundare; un RQD scăzut în calcare semnalează carstificare sau zone de falie (Secțiunea 10.2).