APPUNTI DEL CORSO DI GEOTECNICA

8/13/2019 APPUNTI DEL CORSO DI GEOTECNICA

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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI ROMA LA SAPIENZA

PRIMA FACOLT DI ARCHITETTURA LUDOVICO QUARONICORSO DI LAUREA IN ARCHITETTURA UE

APPUNTI DEL CORSO DIGEOTECNICA

Docente: Prof. Giuseppe LANZO

Dipartimento di Ingegneria Strutturale e GeotecnicaVia A. Gramsci 53

00197 Romatel: 06-49919173

mail:[email protected]

A.A. 2008-2009


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1 - INTRODUZIONE

La Geotecnicastudia i problemi che si pongono per vincolare o inserire un'opera nelsottosuolo (fondazioni, gallerie, ecc.), per l'impiego dei terreni e delle rocce come materiali dacostruzione (rilevati, argini, colmate, dighe), per il corretto uso del suolo e del sottosuolo (ad es.estrazione di fluidi) e, pi in generale, per la stabilit del territorio.

La nascita della Geotecnica moderna risale al 1925, anno della pubblicazione dellafondamentale opera di K. Terzaghi sulla "Meccanica dei terreni".

In conseguenza dell'evoluzione delle opere costruite dall'uomo e del sempre maggiorrilievo del problema dell'interazione tra queste opere e l'assetto del territorio, i problemigeotecnici sono diventati via via pi impegnativi. Tra l'altro, data la notevole espansione dellezone urbanizzate sul territorio, le costruzioni interessano sempre pi spesso terreni pocoresistenti e molto deformabili, mentre le condizioni di sollecitazione aumentano per intensit ecomplessit. Di conseguenza, l'importanza della Geotecnica andata crescendo enormemente

negli ultimi anni. Nasce, pertanto, l'esigenza di competenze specifiche sollecitate dalla peculiarit dei

nuovi problemi che lo sviluppo delle opere civili e le caratteristiche del territorio pongono.Questa esigenza, primaria nel campo dell'Ingegneria Civile, egualmente sentita nel campodell'Architettura, anche se con finalit ed approfondimenti diversi.

Il progetto architettonico di un'opera, infatti, tra gli altri aspetti deve tener conto diquelli relativi alla stabilit; questa non solo dipende dalle caratteristiche delle strutture inelevazione, ma legata strettamente al comportamento del terreno al quale l'opera vincolata edai meccanismi di interazione tra il terreno e la struttura. Per questi motivi, anche l'Architettodeve disporre di conoscenze di tipo geotecnico per avere consapevolezza dei problemi che si presentano quando si progetta un'opera e, se il caso, per orientare le scelte progettuali tenendoconto anche delle esigenze statiche della struttura connesse con le caratteristiche del terreno difondazione.

Ai fini di una suddivisione degli argomenti trattati dalla Geotecnica si pu parlare di:


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A - Geotecnica sperimentale, che studia le propriet fisiche e meccaniche dei terreni e dellerocce mediante prove di laboratorio ed in sito e mediante osservazioni sul comportamento diopere realizzate;

B - Geotecnica teorica , che studia la "risposta" del terreno alle sollecitazioni indotte dalle opere(fondazioni) o dal peso proprio del terreno (opere di sostegno, scavi); essa utilizza principi eteorie di altre discipline, quali la Meccanica dei solidi (Teorie dell'Elasticit e dellaPlasticit), la Meccanica dei fluidi, ecc., e ricorre ad ipotesi semplificative perschematizzare il complesso comportamento del terreno (continuit, omogeneit, isotropia);

C - Geotecnica Applicata , che riguarda i metodi per il dimensionamento delle opere vincolate alterreno (fondazioni, ecc.) e per la previsione del comportamento delle opere stesse e delsottosuolo, anche in assenza di interventi antropici (pendii naturali); questa parte unasintesi di A e B e del contributo di altre discipline, quali la Geologia per la conoscenza dellacostituzione, dell'origine e della storia dei terreni e l'Ingegneria delle Costruzioni Civili perla valutazione delle azioni esterne e dell'interazione terreno-struttura.

Il corso di "Geotecnica ", istituito presso la Facolt di Architettura di Roma nel 1970,riguarda essenzialmente lo studio dei terreni. Per le loro caratteristiche meccaniche, infatti, iterreni, rispetto alle rocce, hanno maggiore rilevanza per i problemi che pongono nei riguardidella realizzazione di opere di pi immediato interesse per l'Architetto.


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2 - ORIGINE E COSTITUZIONE DEI TERRENI

2.1 - DEFINIZIONI

Roccia: aggregato di minerali facente parte della crosta terrestre, che, in campioni al di fuoridella sua sede naturale, dotato di elevata coesione anche dopo prolungato contattocon acqua.

tipi di rocce:

- ignee sono formate da materiale magmatico raffreddatosi in seno alla crostaterrestre (rocce ignee intrusive: graniti, ......) o dopo essere stato effuso davulcani (rocce ignee effusive: basalti, leucititi, ....)

- sedimentarie si sono formate per sedimentazione di frammenti prodotti dalla

disgregazione della parte emersa della crosta terrestre ad opera degli agentiatmosferici (rocce clastiche: arenarie, conglomerati, ....) o di residui fossilidi organismi animali e vegetali (rocce di origine organica: calcari, selce,......)

- metamorfiche sono il prodotto di profonde trasformazioni della struttura e dellacostituzione di rocce ignee e sedimentarie, soggette ad alte pressioni etemperature (gneiss, quarziti, marmi,....)

Ammasso roccioso: la roccia in sede, considerata con le discontinuit strutturali proprie dellecondizioni naturali.

Terreno: materiale naturale formato da aggregati di granuli, non legati tra loro o che possono essere separati con modeste sollecitazioni o per mezzo di un pi o meno prolungato contatto con acqua.


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Suolo ("terreno agrario"): il prodotto dell'alterazione dello strato superficiale, costituito darocce o terreni, ad opera del clima e di fattori biologici (vegetazione, microflora, faunae uomo). I suoli hanno spessore al massimo di qualche metro.

Divisione granulometrica:i terreni, a seconda della costituzione granulometrica, cio delledimensioni dei granuli che li costituiscono, sono classificati nel modo seguente(classifica AGI/S dell'Associazione Geotecnica Italiana):

ARGILLA | LIMO | SABBIA | GHIAIA | BLOCCHI e CIOTTOLI

dimensione _________ 0,002 ____ 0,06 ________ 2 __________ 60 _________ d(mm) del granulo

terreno coerente | terreno incoerente(o a grana fina) (o a grana grossa)

2.2 -FORMAZIONE DEI TERRENI NATURALI

Durante le ere geologiche la crosta terrestre stata soggetta a continui movimenti edeformazioni. Sulla sua superficie sono avvenuti processi di alterazione e disgregazione dellerocce (degradazione meteorica), di trasporto e sedimentazione dei frammenti rocciosi, che hanno portato alla formazione dei terreni naturali.

Nello schema seguente sono indicati gli agenti della degradazione meteorica e gli effettida essa prodotti:

agenti effetti processi chimici - acqua idratazione(alterazione) - acidi soluzione

- ossigeno ossidazione

processi fisici - temperatura esfoliazione(disgregazione) - gelo frantumazione


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I prodotti della degradazione meteorica possono accumularsi nella zona di formazione o

possono essere asportati ad opera di agenti di trasporto diversi: gravit, vento e acqua inmovimento (torrenti, fiumi, ghiacciai, correnti marine).

I terreni naturali si formano anche a seguito dei processi di erosione, cio dellogoramento delle terre emerse per piccoli frammenti ad opera di agenti di trasporto, quali: acquecorrenti; ghiacciai; vento. Anche le frane contribuiscono alla trasformazione della crosta terrestreed alla formazione dei terreni naturali.

L'attivit vulcanica di tipo esplosivo d origine a terreni che prendono il nome di"piroclastiti" (terreni vulcanici).

Nello schema seguente sono indicati i tipi di terreno che si formano a seguito di processiche avvengono sulla crosta terrestre.

processo tipo di terreno

disgregazione e alterazione _____________ > - residuale+

erosione e frane+

trasporto+

sedimentazione ______________ > - sedimentario

vulcanismo ______________ > - piroclastico


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2.3 - TERRENI PIU' COMUNI E LORO COSTITUZIONE GRANULOMETRICA

2.3.1 -Terreni di degradazione in sede(terreni residuali)

Si formano quando i prodotti dell'alterazione di rocce o terreni non vengono rimossidagli agenti di trasporto o quando la velocit di alterazione delle rocce in sede maggiore dellavelocit di rimozione dei prodotti dell'alterazione. I terreni residuali sono diffusi ed hannospessore elevato (da alcuni metri a qualche decina di metri) nelle regioni tropicali ed equatoriali,nelle quali la fitta copertura vegetale impedisce che i prodotti dell'alterazione delle rocce,favorita dal clima caldo umido, siano asportati dalle acque ruscellanti. Nei nostri climi i terreniresiduali sono poco comuni ed hanno spessore limitato ad alcuni metri.

Granuli di forma irregolare; distribuzione granulometrica assortita; costituzione

granulometrica: da ghiaia ad argilla.

2.3.2 -Terreni sedimentari

Depositi detritici - Si formano generalmente ai piedi dei versanti montani e collinari perl'accumulo di frammenti di roccia distaccatisi dai versanti stessi ("detrito di falda").Generalmente lo spessore di questi depositi varia da pochi metri fino ad alcune decine dimetri (Fig. 2.1).

Granuli di forma irregolare a spigoli vivi; distribuzione granulometrica assortita;

costituzione granulometrica: da blocchi a limo.

Depositi eolici(dune costiere e desertiche) - Si formano in seguito al trasporto ad opera delvento di frammenti di roccia staccatisi dalla loro sede ed alla successiva deposizione inambiente subaereo. Dune costiere si rinvengono lungo il litorale laziale.

Granuli tondeggianti e smerigliati; distribuzione granulometrica uniforme;

costituzione granulometrica: sabbia fina.


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Depositi glaciali (morene) - Si formano nella zona di scioglimento dei ghiacciai, dove avvienela deposizione del materiale solido trasportato o trascinato dal ghiacciaio. In Italia sirinvengono lungo tutto l'arco alpino ed allo sbocco delle valli montane nella pianura padana. Nell'Appennino si rinvengono a quote elevate (Campo Imperatore).

Granuli a spigoli smussati e striati, distribuzione granulometrica assortita;

costituzione granulometrica: da blocchi ad argilla.

Depositi alluvionali - Si formano per trasporto di materiale solido ad opera delle acque di fiumie torrenti e successiva deposizione in conseguenza della riduzione della velocit dellacorrente.Corsi d'acqua "giovani" molto ricchi di materiale di trasporto - Generalmente lacorrente contiene pi materiale solido di quanto capace di trasportare e la deposizioneavviene lungo tutto il letto del corso d'acqua. Un corso d'acqua di questo tipo caratterizzato da un alveo piuttosto ampio con uno o pi canali che mutanofrequentemente di posizione, specialmente dopo le piene. Dato che la deposizione procede con velocit piuttosto elevata, un dato canale presto riempito di sedimenti.

L'acqua quindi devia e segue un altro canale. I depositi sono perci formati da uninsieme di lingue e lenti di terreno di diversa granulometria. La dimensione dei granulidipende dalla velocit della corrente al momento della deposizione. Il materialetrasportato pu essere in "sovraccarico" in conseguenza di una improvvisa diminuzionedi velocit della corrente, come nel caso di un corso d'acqua montano che sbocca in pianura; il deposito che si forma in questo caso prende il nome di "conoide alluvionale".

Lo spessore dei depositi alluvionali originati da corsi d'acqua "giovani" varia da

pochi metri fino a qualche decina di metri.Granuli tondeggianti e lisci, distribuzione granulometrica uniforme (nell'ambito

di uno stesso episodio di deposizione); costituzione granulometrica: da blocchi a limo.

Corsi d'acqua "maturi" relativamente poveri di materiale di trasporto - Si sviluppano invalli larghe e sono caratterizzati da meandri. In condizioni ordinarie, si ha un trasportolocale in quanto del materiale viene eroso lungo la sponda concava del meandro e


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depositato lungo quella convessa. Questi depositi sono formati principalmente da limo esabbia.

Nel caso di esondazioni, si depositano grandi quantit di sedimenti dalle acqueche non rientrano entro gli argini del fiume. Questi depositi sono formati principalmenteda limo ed argilla. Essi costituiscono le grandi piane alluvionali ed il loro spessore puraggiungere e superare il centinaio di metri.

Caratteristica di tutti i depositi alluvionali lairregolare variabilit dicostituzione sia in orizzontale che in verticale. Tale variabilit pi accentuata neidepositi originati da corsi d'acqua giovani ricchi di materiali di trasporto (Fig. 2.1).

Depositi deltizi - Si formano quando un corso d'acqua che trasporta materiale solido sfocia in un bacino di acque ferme (lacustre o marino). Le acque, a causa della riduzione di velocit,depositano la maggior parte del loro carico solido che va a formare il delta.

Distribuzione granulometrica poco assortita; costituzione granulometrica: da

sabbia ad argilla.

Depositi lacustri e palustri - Si formano in seguito alla deposizione di materiale solido in un bacino di acque ferme; spesso sono presenti sostanze organiche vegetali. Sonogeneralmente stratificati, sono cio formati da una successione di corpi tabulari moltoestesi di spessore compreso tra qualche centimetro ed alcuni decimetri concaratteristiche granulometriche uniformi. Ciascun deposito presenta generalmentecostituzione abbastanza uniforme. I depositi lacustri possono raggiungere spessori di

qualche centinaio di metri.Costituzione granulometrica: sabbia, limo, argilla e termini misti .

Depositi marini - Si formano in seguito alla deposizione di materiale solido in un bacinomarino; si distinguono in:a) depositi litorali o di spiaggia - costituzione granulometrica: blocchi, ghiaia con

granuli di forma appiattita, sabbia grossa;


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b) depositi di mare poco profondo (< 200 m) -costituzione granulometrica: sabbia,limo e argilla frequentemente con resti organici (conchiglie, etc.); c) depositi di mare profondo (> 200 m) -costituzione granulometrica: argilla.

I depositi di mare poco profondo e profondo sono generalmente stratificati edhanno uniformit di costituzione su ampie estensioni e per spessori rilevanti (dallecentinaia fino ad oltre il migliaio di metri).

Depositi organici - Sono originati dall'accumulo in acque calme e poco profonde di restivegetali cresciuti sul posto (torbiere); si rinvengono allo stato puro (torbe) o associati amateriali a grana fina (limo ed argilla con sostanze organiche).

2.3.3 -Terreni vulcanici (Pozzolane, ceneri, lapilli)

Sono formati dai prodotti lanciati dai vulcani durante le fasi di attivit esplosiva ericaduti nelle zone circostanti, dopo un pi o meno lungo tragitto nell'aria. I depositi sonocostituiti da banchi e lenti di terreno di diversa granulometria, corrispondenti ciascuno ad un dato

episodio esplosivo, alternati a volte a colate laviche (Fig. 2.1).Granuli di forma irregolare, porosi, fragili ed a superficie scabra (ad esempio, pomici);

distribuzione granulometrica assortita o uniforme; costituzione granulometrica: da blocchi a

limo.

2.3.4 -Terreni di riportoSono formati dall'accumulo, ad opera dell'uomo, dei materiali provenienti da scavi,

demolizioni, rifiuti (discariche minerarie, urbane, etc.). La costituzione e le caratteristicheganulometriche di questo tipo di terreni sono molto varie.


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Fig. 2.1 -Schemi di depositi di terreni naturali : a) deposito detritico; b) deposito alluvionale dicorso d'acqua "giovane"; c) deposito alluvionale di corso d'acqua "maturo"; d) rocce e terreni

vulcanici


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2.4 - COMPOSIZIONE DEI GRANULI

I terreni sono costituiti da granuli solidi a contatto tra loro per punti o per piccole aree.Gli interstizi tra i granuli (pori) sono riempiti da un fluido (aria, acqua). La conoscenza dellanatura e della composizione dei granuli costituenti un terreno spesso indispensabile percomprendere il comportamento del terreno stesso.

I granuli possono essere di origineinorganica o organica. I primi sono costituiti daframmenti di roccia (calcare, granito, etc.) o da minerali (quarzo, feldspati, miche, calcite,minerali argillosi, etc.) mentre i granuli di origine organica sono costituiti da residui vegetali infase di carbonificazione pi o meno avanzata.

I granuli costituiti da frammenti di roccia o di minerali la cui dimensione maggioresupera 0,002 mm si definisconogranuli inerti.Essi hanno generalmente le tre dimensioni dellostesso ordine di grandezza e forma rotondeggiante o spigolosa. In genere la costituzionemineralogica dei granuli di questo tipo ha scarsa influenza sulle propriet del terreno. La attivitsuperficiale dei granuli praticamente nulla, le forze di massa predominano su quelle disuperficie e regolano le interazioni tra i granuli. Le interazioni chimiche tra fluido contenuto nei

pori e granuli sono trascurabili.I granuli costituiti da minerali argillosi e da sostanze organiche la cui dimensione

maggiore minore di 0,002 mm si definisconogranuli attivi. I granuli di minerali argillosihanno forma appiattita con una dimensione molto minore delle altre due. Data la piccoladimensione e l'elevata superficie specifica le forze di superficie predominano su quelle di massa.I minerali argillosi pi comuni, ordinati per attivit superficiale crescente, sono: lacaolinite,l'illite e lamontmorillonite.

2.5 - ATTIVITA' DEI GRANULI. INTERAZIONI ACQUA-MINERALI ARGILLOSI

Ogni scaglia di minerale argilloso in sospensione nell'acqua ha delle cariche elettrichenegative sulla sua superficie che tendono ad attrarre ioni positivi per raggiungere un complessivostato neutro. Questi ioni sono scambiabili. Le scaglie dei minerali argillosi fissano sulla lorosuperficie molecole d'acqua (dipoli) che formano uno strato di spessore dipendente dalla


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costituzione del minerale argilloso e dalla natura degli ioni scambiabili (strato di acqua"adsorbita") (fig. 2.2).

Fig. 2.2 - Meccanismo di "adsorbimento" di molecole d'acqua polari sulla superficie di unminerale argilloso in presenza di ioni positivi

A causa della struttura dei minerali argillosi e della presenza di cariche elettriche insuperficie, in una sospensione di tali minerali tra le scaglie si generano delle forze di attrazione erepulsione la cui intensit dipende dalla distanza tra le scaglie stesse e dalle condizioniambientali (tipo e valenza degli ioni in soluzione, concentrazione e pH della soluzione,temperatura).

Le forze di repulsione sono dovute al fatto che ogni granulo elettricamente negativo equindi respinge un altro granulo mediante una forza elettrica tipo quella di Coulomb.L'attrazione dovuta a forze di Van der Waals che agiscono su tutti gli adiacenti frammenti dimateria. Le forze repulsive ed attrattive aumentano al ridursi della distanza fra i frammenti ed a piccola distanza prevalgono le forze attrattive.


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Oltre ai due tipi di forza considerate esiste un altra forza elettrica che pu diventaremolto importante quando la distanza tra le scaglie di minerale si riduce a valori molto piccoli.Questa forza dovuta alla carica positiva complessiva che si ha al bordo delle scaglie. Questacarica pu causare un legame elettrostatico tra due granuli di tipo bordo-faccia delle scaglie (fig.2.3).

L'insieme delle forze sopra richiamate determina il modo in cui le scaglie di mineraliargillosi si dispongono durante la sedimentazione. Se la risultante delle forze tra le scagliedisperse in acqua un'attrazione le scaglie si muovono l'una verso l'altra e si congiungono(flocculazione); se la risultante delle forze una repulsione le scaglie restano separate(dispersione). A seconda della concentrazione elettrolitica nell'acqua al momento delladeposizione si pu avere una struttura dispersa o flocculata. Nella struttura dispersa le scagliesono generalmente parallele e non a contatto, in quella flocculata si hanno contatti bordo-facciao bordo-bordo, a seconda delle cariche elettriche disposte irregolarmente sulla superficie dellescaglie (fig. 2.3).

La struttura dispersa si ha nei depositi di acqua dolce in cui sono scarsi gli elettroliti(argille lacustri o palustri); la struttura flocculata tipica dei depositi marini in cui abbondano gli

elettroliti.

Fig. 2.3 - Rappresentazione schematica di aggregati elementari di granuli: a) interazione tra singole scaglie di minerali argillosi; b) interazione tra granuli di limo o sabbia; c)

interazione tra gruppi di scaglie di minerali argillosi.

A sinistra strutture flocculate, a destra strutture disperse


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2.6 - MODIFICHE SUBITE DAI TERRENI DOPO LA DEPOSIZIONE

Dopo la deposizione i terreni sono soggetti a processi naturali di tipo fisico, chimico e biologico che ne modificano le propriet.

Essiccamento - L'esposizione all'aria dei terreni a grana fina produce riduzione di volume efessurazioni. Gli effetti possono risentirsi fino a qualche metro di profondit.

Consolidazione ed addensamento - La consolidazione di un sedimento a grana fina (Cap. 7) ,in generale, un processo dovuto alla successiva deposizione di nuovi terreni su quelloconsiderato che risulta pertanto soggetto a carichi via via pi elevati. Tale processodetermina la riduzione del contenuto d'acqua del terreno.L'addensamento, cio la riduzione del volume dei pori, riguarda i terreni a grana grossa e pu essere prodotto da cause analoghe alle precedenti; in generale per prodotto dasollecitazioni dinamiche dovute, ad esempio, ai terremoti.

Cementazione - La cementazione di un terreno pu essere dovuta alla formazione di legamichimici tra i granuli ad opera di leganti quali il carbonato di calcio, la silice, l'allumina,l'ossido di ferro e prodotti organici. I materiali cementanti possono derivare dagli stessiminerali presenti nel terreno o possono provenire da soluzioni circolanti nel terrenostesso. La cementazione ha importanti effetti sulle propriet di molti terreni naturali.

Diagenesi - Per diagenesi si intende un insieme di processi i quali comportano la trasformazionedi alcuni minerali da un tipo ad un altro e la formazione di legami tra i granuli ad operadella pressione, della temperatura e del tempo (legami diagenetici). In un dato sedimento

questi processi si attivano via via che aumenta lo spessore dei terreni di ricoprimento.Ad opera della diagenesi i terreni si trasformano fino a diventare vere e proprie rocce.

Alterazione - Per effetto degli agenti esterni (acque meteoriche, gelo, insolazione, etc.) i terreniin superficie subiscono processi di alterazione che comportano la rottura di legami in precedenza formatisi, la formazione di nuovi minerali argillosi a spese di quelli esistentie la creazione di reticoli di fessure. Gli effetti dell'alterazione, che in generale


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comportano un peggioramento delle propriet dei terreni, si riducono all'aumentare della profondit rispetto alla superficie, ma possono risentirsi fino a molti metri di profondit.

Formazione di superfici di discontinuit o di minore resistenza - Numerosi depositi formatida terreni argillosi, sia antichi che recenti, sono attraversati da reticoli di discontinuitorientate regolarmente (giunti) o casualmente (fessure). Queste discontinuit possonoessersi formate per cause diverse: deformazioni di origine tettonica, scarico di tensioni aseguito dell'erosione, alterazione, essiccamento, etc. I reticoli di discontinuitconferiscono ad un deposito caratteristiche d'insieme diverse da quelle di un elemento divolume dello stesso terreno privo di discontinuit.


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3 - ANALISI E CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI

3.1 - GENERALITA'

I terreni sonosistemi polifase. Ogni terreno costituito da una fase solida (granuli), dauna fase liquida (generalmente acqua) e/o da una fase gassosa (aria). Nelle regioni a clima

temperato, ad una certa profondit dalla superficie del suolo (generalmente pochi metri), la faseliquida quasi sempre presente e frequentemente riempie del tutto gli interstizi tra i granuli(terreni saturi). Nelle regioni a clima arido la fase liquida pu mancare del tutto.

L'acqua presente nel sottosuolo pu essere quella originaria dell'ambiente di formazionedei terreni (terreni di origine alluvionale, lacustre, etc.) o pu essere dovuta ad apporti meteoricisuccessivi alla formazione del terreno.

Si definisconopropriet indici di un terreno lepropriet fisiche che ne esprimonoquantitativamente la composizione e lo stato di aggregazione. Alcune di queste proprietdipendono dalla natura e dalle dimensioni dei granuli (composizione granulometrica, pesospecifico dei granuli, caratteristiche di plasticit), altre dalla struttura del terreno e cio dairapporti tra dimensioni, forma e posizione reciproca dei granuli e dalla presenza di un fluidonegli interstizi (peso dell'unit di volume, contenuto d'acqua, porosit, etc.). Alcune proprietindici non variano al variare dei fattori ambientali, del tempo e delle sollecitazioni applicate(composizione granulometrica, peso specifico dei granuli, etc.), altre variano in dipendenza dellevicissitudini alle quali i terreni sono sottoposti nella loro storia.

Nel caso dei terreni a grana grossa, la composizione mineralogica dei granuli (granuliinerti) ha scarsa influenza sul comportamento fisico-meccanico dell'aggregato e per descrivernequantitativamente le caratteristiche sufficiente definire la distribuzione granulometrica, lo statodi addensamento e la forma dei granuli. Al contrario, nel caso dei terreni a grana fina coerenti, ilcomportamento dell'aggregato influenzato dalla natura dei granuli da cui dipendono in misura


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notevole i fenomeni di interazione tra l'acqua e la parte solida. Per descrivere quindi in modocompleto le caratteristiche dei terreni a grana fina vengono definite altre propriet indici(caratteristiche di plasticit) che tengono conto della composizione mineralogica dei granuli.

Nella pratica geotecnica riveste enorme importanza poter confrontare le esperienzeacquisite da operatori diversi. E' quindi necessario definire un sistema di identificazione eclassificazione dei terreni che, pur limitandosi a considerare le caratteristiche del terreno pifacilmente determinabili, definisca in modo univoco alcuni parametri di riferimento. L'utilit diun sistema di classificazione non si limita per alle possibilit di confronto tra situazioni simili;in alcuni casi le propriet meccaniche di un terreno sono prevedibili con sufficienteapprossimazione sulla base della determinazione di alcune semplici propriet indici e spesso lasola identificazione geotecnica di un terreno consente di progettare un opera di limitatoimpegno.

3.2 - RELAZIONI TRA LE FASI COSTITUENTI UN TERRENO

Con riferimento alla Fig. 3.1, che rappresenta un elemento di terreno in cui le fasisolida, liquida e gassosa sono idealmente separate le une dalle altre, si definiscono:

Fig. 3.1 -Separazione ideale delle fasi in un elemento di terreno


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1) Peso specifico dei granuli(s = Ps/Vs kN/m3): dipende dalla natura mineralogica dei

granuli; il valore dis dei pi comuni costituenti dei terreni compreso nell'intervallo 2528kN/m3; valori minori di 25 kN/m3 indicano in genere la presenza di sostanze organiche;

2) Contenuto d'acqua(w = Pw/Ps): definito convenzionalmente come il rapporto (espresso in

percentuale) tra il peso dell'acqua persa per essiccamento in stufa a 105-110 C ed il peso delmateriale essiccato;

3) Peso dell'unit di volume( = P/V kN/m3): il rapporto tra il peso totale ed il volume di un

campione di terra; dipende dal peso specifico dei granuli, dalla porosit dell'assieme e dalla percentuale dei pori riempiti d'acqua.

Le tre grandezze sopra definite sono direttamente determinabili in laboratorio conspecifiche prove su campioni di terreno.

Sempre con riferimento alla Fig. 3.1, si definiscono altre quattro grandezze di usocomune:4) Porosit (n = Vv/V): definita come il rapporto (espresso in percentuale) tra il volume dei

vuoti ed il volume totale; dipende dalla granulometria, dalla forma dei granuli e dallo stato diaddensamento;

5) Indice dei vuoti(e = Vv/Vs): definito come il rapporto tra il volume dei vuoti ed il volume

del solido; dipende dalla granulometria, dalla forma dei granuli e dallo stato diaddensamento;

6) Grado di saturazione (Sr = Vw/Vv): definito come rapporto (espresso in percentuale) tra il

volume dell'acqua ed il volume dei pori;

7) Peso di volume del secco (d = P

s/V kN/m3): il rapporto tra il peso del campione di terra

essiccato in stufa alla temperatura di 105-110 C ed il volume del campione stesso primadell'essiccamento.

Le grandezze da 4) a 7) non sono direttamente misurabili in laboratorio; esse vannoricavate dalle prime tre grandezze sopra definire.

Nella tabella 3.1 sono riportate alcune relazioni che legano le varie grandezze tra loro e


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nella tabella 3.2 i valori di alcune propriet indici di terreni caratteristici.

Tabella 3.1: Relazioni tra le grandezze che descrivono la composizione e lo stato diaggregazione di un terreno

Condizioni generali Condizioni di saturazione Peso di volume = P/V = P/V (=sat)

Peso di volume secco d = Ps/V d = Ps/V =sat/(1+w)

Indice dei vuoti e = Vv/Vs = (s/d)-1 e = Vw/Vs = (s/w)w

Porosit n = Vv/V x100 =e/(1+e) x100 n = Vw/V = d/w w

Grado di saturazione Sr = Vw/Vv = sw/ we Sr = 1

w : peso specifico dell'acqua (10 kN/m3)

Tabella 3.2 - Valori di alcune propriet indici di terreni caratteristici

(kN/m3) n (%) e w (%, a saturaz.)

Sabbia uniforme non addensata 18,9 46 0,85 32

Sabbia uniforme addensata 20,9 34 0,51 19Sabbia assortita addensata 21,6 30 0,43 16Argilla tenera 17,7 45 0,82 45Argilla consistente 20,7 37 0,59 22Argilla montmorillonitica 12,7 84 5,25 94

Un'altra importante caratteristica dei terreni incoerenti (sabbie e ghiaie) lo stato di

addensamento dei granuli. Questo viene espresso dall'indice di addensamento Dr , cos definito:

Dr =emax e

emax emin

doveemax ed emin sono i valori dell'indice dei vuoti corrispondenti rispettivamente al minimo ed

al massimo addensamento del particolare terreno.


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In relazione al valore diDr un terreno si definisce:

- non addensato Dr = 0 0,35- mediamente addensato Dr = 0,35 0,65

- molto addensato Dr = 0,65 1.

3.3 - CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI IN BASE ALLE CARATTERISTICHE

GRANULOMETRICHE

La pi semplice classificazione dei terreni comunemente usata nel campo delleapplicazioni geotecniche basata sulla dimensione dei granuli.

La suddivisione granulometrica adottata in Italia quella proposta dall'AssociazioneGeotecnica Italiana e riportata nel Capitolo 2.

L'analisi granulometrica di un campione di terreno viene eseguita in modo diverso a

seconda che il terreno sia a grana grossa (d > 0,06 mm) o a grana fina (d < 0,06 mm). Nel caso di un campione di terreno a grana grossa, l'analisi viene eseguita ponendo il

materiale, preventivamente essiccato, su una pila di setacci aventi la dimensione delle maglie viavia decrescente; i setacci vengono agitati con l'ausilio di una macchina vibrante ed i granulicostituenti il materiale si raccolgono nei diversi setacci a seconda delle loro dimensioni(vagliatura meccanica). Il peso del materiale trattenuto da un dato setaccio riferito al pesototale del campione dettotrattenuto (in percentuale). Il complemento a 100 della somma deitrattenuti di tutti i setacci con dimensione delle maglie maggiore di quella del setaccio dato,nonch dello stesso setaccio, detto passante al setaccio considerato (e viene espresso anch'essoin percentuale).

Per definire la distribuzione granulometrica di terreni costituiti da granuli di dimensioneinferiore a 0,06 mm, si usa la tecnica dellasedimentazione, basata sul principio che la velocitdi sedimentazione di particelle solide di forma sferica in un liquido dipende dal diametro delle particelle stesse, dalla viscosit del liquido e dal rapporto tra le loro densit (Legge di Stokes). Ilmateriale viene immerso in acqua all'interno di un recipiente tarato e viene disperso con


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opportuni additivi che hanno la funzione di impedire l'aggregazione dei granuli (deflocculanti).Al procedere della sedimentazione delle particelle solide viene misurata la variazione delladensit della miscela. Dalle misure di densit si risale alla velocit di sedimentazione e quindialle dimensioni dei granuli.

Fig. 3.2 - Curve granulometriche: a) granulometria uniforme (sabbia monogranulare); b)

granulometria assortita (limo argilloso con sabbia); c) granulometria discontinua(limo con ghiaia debolmente argilloso)

Operando nei modi descritti possibile costruirecurve granulometriche in grafici aventi inascissa, in scala logaritmica, la dimensione dei granuli ed in ordinate, in scala lineare, la percentuale di materiale passante o di trattenuto (Fig. 3.2).

Per la denominazione dei terreni costituiti da pi frazioni granulometriche, vale laseguente convenzione: siano A,B,C i nomi relativi agli intervalli principali (argilla, limo,.....), siano P1,P2,P3 le

percentuali di A,B,C presenti nel terreno in esame; se P1>P2>P3 il terreno viene denominato

con il nome della frazione A seguito dai nomi delle frazioni B e C preceduti dalla congiunzione

"con" se il corrispondente valore di P compreso tra il 50% ed il 25%, seguiti dal suffisso "oso"

se P tra il 25% ed il 10%, infine seguiti dal suffisso "oso" e preceduti da "debolmente" se P

compreso tra il 10% ed il 5% (ad esempio, un terreno formato dal 55% di sabbia ,dal 28% di


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limo, dall'11% di argilla e dal 6% di ghiaia viene denominato: sabbia con limo,argillosa e

debolmente ghiaiosa).

3.4 - CARATTERISTICHE DI PLASTICITA' DEI TERRENI COESIVI E RELATIVECLASSIFICAZIONI

Il comportamento dei terreni coesivi determinato soprattutto dalle azioni che siscambiano i granuli e dalle interazioni tra questi e l'acqua presente nei vuoti del terreno. Le propriet dei terreni coesivi dipendondono quindi oltre che dalle dimensioni dei granuli anchedalla loro natura.

Un terreno argilloso pu contenere quantit d'acqua anche molto elevate; di questaacqua parte adsorbita (Paragrafo 2.4) e parte riempe i vuoti tra i granuli (acqua libera).L'acqua adsorbita, al contrario di quella libera, non si elimina in un normale processo diessiccamento a 105-110 C.

Quanto pi un argilla costituita da granuli attivi dal punto di vista chimico-fisico tanto pi grande la quantit di acqua che pu trattenere e pi ampio il campo di variazione delcontenuto di acqua libera nel quale l'argilla mantiene un certo stato fisico (solido, plastico,liquido), pur variando le sue caratteristiche di deformabilit.

Questo comportamento alla base di un sistema di identificazione e classificazione deiterreni coesivi che individua indirettamente la quantit e la natura dei minerali argillosi permezzo deiLimiti di consistenza (o Limiti di Atterberg).

Limiti di consistenza : sono contenuti d'acqua caratteristici di ciascun terreno a grana fina per iquali si ha il passaggio da uno stato di consistenza ad un altro; essi sono determinatisperimentalmente con prove convenzionali. All'aumentare del contenuto d'acqua la consistenzadel terreno diminuisce da quella di un solido a quella di un liquido.


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Si definiscono:

wL : limite di liquidit wS wP wL (w%)

wP : limite di plasticit __ _____|___________|__________|__________ >

wS : limite di ritiro consistenza consistenza consistenza consistenza

solida semi-solida plastica liquida

Poich il passaggio di un terreno argilloso da uno stato fisico ad un altro avviene con

gradualit al variare del contenuto d'acqua, sono state ideate procedure standardizzate perdefinire i contenuti d'acqua a cui far corrispondere i Limiti di consistenza.

Limite di liquidit: viene determinato con un apparecchio dettocucchiaio di Casagrande ecorrisponde al contenuto d'acqua per il quale, nella terra posta nell'apparecchio, un solcotracciato con un apposito utensile si chiude dopo 25 cadute del cucchiaio.

Limite di plasticit: viene determinato formando per rotolamento cilindretti di terreno deldiametro di 3 mm e corrisponde al contenuto d'acqua per cui si presentano le prime screpolaturesulla superficie dei cilindretti.

Limite di ritiro: usualmente non viene determinato in quanto di scarsa utilit pratica. Esso ilcontenuto d'acqua corrispondente al passaggio dallo stato di saturazione a quello di nonsaturazione.

Si definisce:

Indice di plasticit : IP = wL - wP

questo indice generalmente impiegato, insieme al limitewL, per classificare i terreni a grana

fina. Terreni ricchi di minerali argillosi attivi possono fissare molta acqua e di conseguenza


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hanno valori diIP elevati.

Per un dato terreno con contenuto d'acqua naturalew, noti i limiti di Atterberg, si puvalutare il grado di consistenza con la grandezza:

Indice di consistenza : IC =wL w

wL wP=

wL w

IP

L'indice di consistenzaIC risulta uguale a zero perw = wL e risulta uguale a 1 perw =

wP. Il valore di IC pu fornire una stima delle propriet meccaniche (resistenza ecompressibilit) di un dato terreno.

Si definisce:

Indice di Attivit o Attivit : A = IP / %


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E' da notare che il solo valore dell'indice di plasticit non sufficiente per definirel'attivit dei minerali argillosi presenti in un terreno. Infatti un valore elevato diI

P (argilla molto

plastica) pu dipendere sia da una bassa percentuale di minerali argillosi molto attivi sia da unaalta percentuale di minerali argillosi poco attivi.

Il metodo di classificazione proposto per i terreni coesivi da Casagrande si basasull'osservazione che per i campioni di argilla di un dato deposito vale in genere una relazionelineare tra limite di liquidit e indice di plasticit e che gli scostamenti da questa relazionedenunciano un comportamento particolare. Nella fig. 3.4 riportata lacarta di plasticit diCasagrande. Il diagramma diviso in sei regioni ad ognuna delle quali corrispondono terrenicoesivi di natura e caratteristiche diverse. La carta di plasticit di Casagrande consente di avereindicazioni sulle caratteristiche di plasticit e di compressibilit dei terreni a grana fina sulla base di sole prove di identificazione.

Fig. 3.4 Carta di plasticit di Casagrande. I P < 10, w L


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4 - L'ACQUA NEL TERRENO

4.1 - GENERALITA'

I terreni sono costituiti da una parte solida e da uno o pi fluidi (acqua e/o aria). L'acquacontenuta nei vuoti del terreno pu trovarsi in stato di quiete (condizioni idrostatiche) oppure pu muoversi attraverso i vuoti tra loro comunicanti (moto di filtrazione). In genere i terreni

naturali sono saturi d'acqua (in quiete o in moto) a profondit maggiori di pochi metri dallasuperficie del suolo. Il comportamento dell'acqua nel terreno (considerata un mezzoincomprimibile) regolato dalle leggi dell'idraulica.

In Fig. 4.1.a rappresentata la distribuzione della pressione con la profondit in unamassa liquida in condizioni idrostatiche ed in Fig. 4.1.b la distribuzione della pressionedell'acqua con la profondit in un terreno saturo in condizioni di acqua in quiete.

Fig. 4.1 - Distribuzione con la profondit della pressione dell'acqua in una massa liquidain condizioni idrostatiche (a) ed in un terreno saturo con acqua in quiete (b)

In una massa liquida la pressione dell'acqua (p) cresce linearmente con la profondit ed uguale in ogni punto al prodotto del peso specifico dell'acqua (w) per la profonditzw del

punto considerato dalla superficie libera orizzontale, sulla quale insiste la pressione atmosferica


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(pa), assunta convenzionalmente uguale a zero. La distribuzione della pressione dell'acqua

contenuta nei vuoti di un terreno saturo la stessa di quella esistente in una massa liquida,essendo i vuoti comunicanti tra loro. La pressione dell'acqua nei vuoti di un terreno si indica conla letterau.

La somma dell'altezza geometrica (rispetto ad una qualsiasi terna di riferimento) di un punto della massa liquida in quiete (z) e dell'altezza di pressione (p/w) si definiscealtezzao

quota piezometrica (h) del punto considerato:

h = z + p/w

In condizioni idrostatiche la quota piezometrica di tutti i punti della massa liquidacoincide con la quota della superficie di separazione acqua-atmosfera (superficie libera).

La pressione dell'acqua contenuta in un recipiente pu essere misurata per mezzo di unatubazione (piezometro) collegata con il recipiente stesso (Fig. 4.2.a). Il livello della superficie

libera dell'acqua nella tubazione definisce la quota piezometrica idrostatica, indipendentementedalla forma della tubazione; il dislivello zw tra un punto G all'interno del recipiente e la detta

superficie rappresenta l'altezza di pressione che moltiplicata per il peso specificow misura la

pressione dell'acqua nel punto G. Analogamente in un terreno saturo la pressione dell'acqua puessere misurata per mezzo di un piezometro (Fig. 4.2.b).

Fig.4.2 -Schemi di piezometri


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In una massa liquida in movimento si definiscesuperficie dei carichiil luogo dei punti

aventi la quota fornita dalla relazione:

H = h + (v2/2g)

Nella relazionev la velocit dell'acqua eg l'accelerazione di gravit. In questecondizioni la superficie dei carichi non coincide con la superficie libera (quando esiste), ma si

trova in ogni punto ad una quota pi elevata della quantit v2

/2g che prende il nome dialtezzacinetica. L'altezza di carico totale (H) di ogni punto della massa si definisce quindi come lasomma dell'altezza piezometrica e della altezza cinetica.

Da un punto di vista energetico l'altezza di carico totale H rappresenta il valoredell'energia meccanica specifica posseduta dal fluido; essa la somma dellaenergia di

posizione (termine z), dell'energia di pressione (p/w) e dell'energia cinetica (v2/2g).

4.2 - FILTRAZIONE E PERMEABILITA'

Nel caso di un moto di filtrazione attraverso un terreno il termine v2/2g pu essere

trascurato, dati i piccoli valori della velocit dell'acqua; ne risulta in questo caso l'equivalenza traaltezza di carico totale e altezza piezometrica (H=h).

Si definiscependenza piezometrica (o gradiente idraulico) il limite:

i = lim h/ l

l 0

oveh la differenza di quota piezometrica (perdita di carico) tra due punti posti a distanzal.In un mezzo poroso saturo con acqua in quiete, l'altezza piezometrica in ogni punto la

stessa; ne deriva che in due punti posti a quote diverse, (ad esempio A e B di Fig. 4.3.a), la

pressione dell'acqua diversa e tale che risulta (uB-uA)/w = zA- zB.


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Affinch tra due punti A e B in un mezzo poroso saturo si abbia moto dell'acqua, tra i punti stessi deve esserci una differenza dicarico idraulico, deve cio essere h

Ah

B. La

differenza di altezza piezometrica pu essere dovuta sia alla differenza di quota tra i due puntiaventi uguale pressione (Fig.4.3.b), sia ad una differenza di altezza di pressione (Fig. 4.3.c). Ladifferenza di altezza di pressione pu compensare anche una differenza di quota, per cui nelcaso della Fig. 4.3.c l'acqua si muove dal punto a quota minore al punto a quota maggiore.

In definitiva, tra due punti di un mezzo poroso saturo, l'acqua si muove se tra i puntistessi esiste una differenza di carico idraulico che rappresenta la differenza di energia meccanicaspecifica posseduta dall'acqua in corrispondenza dei due punti.

Fig.4.3 -Condizioni idrostatiche (a) e idrodinamiche (b,c) in un mezzo poroso saturo


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Il movimento dell'acqua nel terreno, considerato un mezzo poroso omogeneo edisotropo, pu essere studiato nell'ipotesi diregime permanente(in ogni punto la velocitdell'acqua costante nel tempo). Alla velocit dell'acqua nel mezzo poroso viene attribuito unvalore medio fittizio (v), pari al rapporto tra la portata (Q) dell'acqua attraverso una sezione e lasuperficie complessiva della sezione stessa (vuoti pi pieni rappresentati dai granuli). Pertanto v minore della velocit reale delle particelle liquide.

Con riferimento allo schema di Fig. 4.4.a, per una corrente in pressione la velocit v data dalla seguente legge sperimentale (legge di Darcy):

v = k i

dove i = h/ l il gradiente idraulico (i costante essendo costante la sezione A del trattofiltrante) ek prende il nome dicoefficiente di permeabilit. Il valore del coefficiente k (che hale dimensioni di una velocit) dipende dalle caratteristiche del terreno ed in particolare dalledimensioni dei pori.

Fig. 4.4 - Schemi di filtrazione in regime permanente: a) corrente in pressione; b) corrente a superficie libera

Sempre con riferimento alla Fig. 4.4.a, la portataQ (volume di acqua che transita nellasezione A nell'unit di tempo) data dal prodottov x A.


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In un mezzo poroso saturo in cui l'acqua in movimento si definiscono:- linea di flusso: la linea la cui tangente in ogni punto determina la direzione della velocit di

filtrazione;- linea equipotenziale: il luogo dei punti aventi egual carico idraulico (h), cio il luogo dei punti

in corrispondenza dei quali la somma dell'altezza geometrica e dell'altezza di pressione costante;

- rete idrodinamica: l'insieme delle linee di flusso e delle linee equipotenziali; in un mezzoisotropo nei riguardi della permeabilit le linee di flusso sono ortogonali alle lineeequipotenziali.

Nello schema di Fig. 4.4.a, nel tratto filtrante le linee di flusso sono segmenti di retteorizzontali e le linee equipotenziali sono segmenti di rette verticali.

Nello schema di Fig. 4.4.b (moto a superficie libera), le linee di flusso e quelleequipotenziali non sono rettilinee; fanno eccezione la linea di flusso XY, corrispondente alla base del tratto filtrante, e le due linee equipotenziali XX e YY. Inoltre, la sezione del trattofiltrante variabile e, ad una portata Q costante, corrisponde una velocit v crescente da X verso

Y; la pendenza piezometrica (riferita alla linea di flusso coincidente con la superficie libera) variabile lungo il percorso atraverso il mezzo di permeabilit costante e cresce anch'essa da Xverso Y.

In tabella 4.1 si riportano i campi di variazione del valore del coefficiente di permeabilit k per diversi terreni.

Tabella 4.1 Valori tipici della permeabilit dei terreni

TERRENO k (m/s) GRADO DI PERMEABILITghiaia pulita 110

-2 alto

sabbia pulita e miscele di sabbia e ghiaia 10-210

-5 medio

sabbia fina, limi, terreni a granulometria mistada sabbia ad argilla

10-510

-8 basso o molto basso

argilla 10-810

-11 praticamente impermeabile


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Il coefficiente di permeabilit di un terreno pu essere determinato in laboratorio su provini di piccole dimensioni. Si utilizzano particolari apparecchi (permeametri) per ricavare la permeabilit dei terreni a grana grossa e si utilizza l'apparecchio edometrico per i terreni agrana fina.

Va tenuto presente che il valore del coefficiente k misurato in laboratorio pu nonessere rappresentativo della permeabilit in sito del deposito dal quale proviene il campione. Ci dovuto al fatto che nei depositi naturali sono presenti livelli e lenti di materiali pi o meno permeabili del terreno formante la maggior parte del deposito stesso. In queste condizioni la permeabilit di insieme del terreno pu essere valutata per mezzo di prove in sito che consistononel variare le condizioni di filtrazione per mezzo di emungimenti da pozzo e controllare glieffetti di tali emungimenti in termini di variazione delle quote piezometriche.

4.3 - FALDE IDRICHE

Si definiscefalda idrica quella parte di sottosuolo in cui il terreno saturo e la pressione dell'acqua nei pori maggiore della pressione atmosferica, cio u > pa = 0.

In particolare si distinguono:- falda freatica: falda con superficie superiore (superficie libera) a contatto con l'ambiente

atmosferico attraverso i vuoti del terreno (sulla superficie limite superiore u=pa=0);

- falda artesiana: falda con superficie superiore a contatto con mezzi praticamenteimpermeabili (sulla superficie limite superiore u>pa).

In una falda artesiana pu accadere che la superficie dei carichi sia a quote maggioridella superficie del suolo; in questo caso l'acqua pu sgorgare naturalmente attraverso pozzi praticati nelle formazioni a tetto della falda idrica. Talvolta una falda pu essere in parte freaticaed in parte artesiana (Fig. 4.5).


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Fig.4.5 - Esempi di falde idriche

4.4. CAPILLARITA'

Al di sopra delle falde freatiche esiste una zona, di altezza variabile con le dimensionidei vuoti del terreno, in cui l'acqua risale e viene trattenuta per capillarit. Questa zona dettafrangia capillare.

La capillarit il fenomeno per cui l'acqua, soggetta alla tensione superficiale ed alleforze di attrazione con i materiali presenti, sottoposta ad una forza la cui risultante si opponealla gravit e tende pertanto a risalire nei vuoti a disposizione. In un tubo di diametro molto

piccolo immerso in acqua: l'acqua risale nel tubo per una altezza che funzione del diametro deltubo stesso (pi piccolo il diametro pi grande l'altezza di risalita) e della natura del materialeche lo costituisce. Nella frangia capillare la pressione dell'acqua minore della pressioneatmosferica. Al diminuire della dimensione dei vuoti nel terreno l'altezza di risalita capillareaumenta; i terreni a grana grossa anche poco al di sopra della superficie libera della falda sono parzialmente saturi, mentre i terreni argillosi possono essere saturi anche per altezze notevoli aldi sopra di tale superficie (Fig. 4.6).


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Fig.4.6 - Falda idrica e frangia capillare

hcmin: risalita capillare minima, funzione dei pori di maggiore dimensione

hcmax: risalita capillare massima, funzione dei pori di minore dimensione

hcmin (m) hc max (m)

ghiaia 0,06 0,06

ghiaia sabbiosa 0,20 0,20

sabbia 1,20 1,20limo 1,80 3,60


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5 - INDAGINI GEOTECNICHE

5.1 - GENERALITA'

Il progetto di un'opera di ingegneria richiede l'acquisizione di informazioni e dati didiversa natura (dati geometrici, dati relativi alle caratteristiche dei materiali, etc.). Mentre nelcampo della progettazione e della costruzione delle strutture, l'acquisizione dei dati relativi alle

caratteristiche dei materiali (acciaio, calcestruzzo) relativamente semplice (tali materiali hannocaratteristiche note e poco variabili), nel settore della Geotecnica necessario caratterizzarevolta per volta, dal punto di vista fisico e meccanico, la parte di sottosuolo che influenza ilcomportamento dell'opera in progetto.

I dati e le informazioni necessari a caratterizzare il sottosuolo devono essere acquisiticon indagini che vengono eseguite al fine di raccogliere tutti gli elementi qualitativi equantitativi occorrenti per il progetto dell'opera.

Poich lesituazioni naturali sono molto variabili, ogni opera richiede uno specifico programma di indagini geotecniche. A questo proposito le Norme Tecniche contenute nel D.M.11.3.1988 stabiliscono i criteri di carattere generale da seguire per il progetto e l'esecuzione diuna campagna di indagini.

Gli elementi acquisiti per mezzo delle indagini (costituzione del sottosuolo, regimedelle acque sotterranee, propriet fisiche e meccaniche dei terreni, etc.) devono consentire dischematizzare la complessa situazione naturale allo scopo di ricostruire un "modello" delsottosuolo per eseguire le elaborazioni ed i calcoli di progetto.

L'indagine geotecnica deve essere sempre eseguita, con l'eccezione delle opere dimodesto rilievo che ricadano in zone ben note dal punto di vista geotecnico. Il livello diapprofondimento dell'indagine ovviamente funzione del tipo di opera e della complessitdella situazione. Quando l'indagine geotecnica non viene eseguita, o eseguita male, oppure insufficiente, le successive fasi del progetto risultano generalmente compromesse; i risparmieffettuati nella fase di indagine si scontano in corso di costruzione con ritardi e varianti di


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progetto.Da un punto di vista generale lefinalit dell'indagine geotecnica possono essere

sintetizzate nei seguenti punti:

- verificare lafattibilit dell'opera in progetto;- predisporre unprogetto dell'opera valido dal punto di vista tecnico ed economico;- individuare iprocedimenti costruttivi pi idonei (ad esempio, nel caso di fondazioni su pali

definire il tipo di palo: infisso o trivellato);- prevedere lemodifiche che l'inserimento dell'opera pu causare nell'area circostante;- valutare ilgrado di sicurezza di opere esistenti o di situazioni naturali, per quanto attiene gli

aspetti geotecnici, e progettare gli eventuali interventi di stabilizzazione (ad esempio,costruzioni su pendii, costruzioni che prevedono scavi profondi, etc.).

Nel caso di opere che interessino aree vaste o che si sviluppino nel sottosuolo in profondit (ad esempio: nuovi insediamenti urbani, vie di comunicazione, gallerie, etc.), indispensabile eseguire un'indagine geologica dell'area di studio. Tale indagine indispensabileanche quando le opere ricadono in zone "difficili" dal punto di vista geologico e geotecnico (adesempio: pendii in frana, aree in subsidenza, zone sedi di cavit sotterranee, etc.). In tutti glialtri casi utile, in particolare se si opera in zone la cui geologia non nota; di regola superflua nelle zone note e per opere di modesto rilievo.

L'indagine geologica deve essere estesa ad un'area pi ampia di quella direttamenteinteressata dall'opera in progetto e deve essere strettamente finalizzata a fornire al progettista ilquadro della situazione naturale esistente. I relativi mezzi di indagine sono di competenza del

geologo. L'indagine geologica e quella geotecnica sono complementari e devono, ovviamente,essere congruenti.

5.2 - PROGETTO E FASI DELL'INDAGINE GEOTECNICA

L'indagine deve essere eseguita sulla base di uno specifico programma (progetto) chedeve tenere conto della complessit della situazione geologica e geotecnica e delle caratteristiche


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dell'opera.

Il programma delle indagini viene stabilito in base a:- finalit dello studio (varificare la fattibilit di un'opera; redigere un progetto, ecc.);- dati e conoscenze a disposizione sulla natura dei terreni;- costo dell'indagine e tempo occorrente alla sua esecuzione;- mezzi di indagine a disposizione.

Per opere di modesta importanza conviene eseguire le indagini in un'unica fase sulla base di un programma prestabilito (eventualmente modificandolo qualora i primi accertamentimettessero in luce una situazione diversa da quella prevista).

Nel caso digrandi opere preferibile suddividere le indagini nelle fasi corrispondentialle tappe della progettazione. Per ottenere i massimi risultati importante che il lavoro diindagine e quello di progetto dell'opera siano condotti in parallelo con continui scambi diinformazioni e di dati. I dati raccolti con l'indagine suggeriscono soluzioni progettuali e questeindirizzano lo sviluppo delle indagini. E' in genere opportuno che la maggior parte delle indagini

sia eseguita nella fase del progetto di massima in modo che nella fase esecutiva della progettazione non vengano messe in luce situazioni tali da modificare completamentel'impostazione dell'opera.

Un'indagine geotecnica pu essere suddivisa nelle seguenti fasi:- accertamento della fattibilit;- progetto di massima ed esecutivo;

- costruzione;- esercizio dell'opera.

Accertamento della fattibilit - La fase preliminare di una indagine geotecnica consiste nellaraccolta di dati e notizie dalla letteratura e dalla esperienza derivante dalla costruzione di altreopere.

Nella fase di accertamento della fattibilit di un opera devono essere valutati la stabilit


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di insieme della zona, prima ed a seguito della costruzione del manufatto in progetto, ed i problemi specifici del manufatto stesso. In questa fase necessario conoscere nelle grandi lineela struttura del sottosuolo, i tipi di terreno presenti e si deve accertare la presenza di eventualifalde idriche.

Progetti di massima ed esecutivo- In queste fasi deve essere approfondita la caratterizzazionegeotecnica del sottosuolo al fine di consentire la individuazione delle soluzioni possibili ed illoro confronto tecnico-economico (progetto di massima), la scelta della soluzione definitiva el'esame delle questioni tecnologiche (progetto esecutivo).

L'indagine geotecnica deve quindi fornire il profilo stratigrafico del sottosuolo, le propriet fisiche e meccaniche dei terreni che lo costituiscono, la profondit ed il regime delleacque sotterranee.

Costruzione dell'opera- Durante questa fase si dovranno verificare le schematizzazioni di progetto ed, eventualmente, adattare il progetto stesso alle effettive condizioni riscontrate in sito.Se l'indagine stata eseguita correttamente, il rischio di varianti sostanziali in corso d'opera

molto ridotto.

Esercizio dell'opera - Indagini e controlli dovrebbero essere proseguiti anche ad opera ultimata,al fine di verificare le previsioni di progetto. Ci obbligatorio nel caso di grandi opere.

5.3 - AMPIEZZA DELL'INDAGINE (VOLUME SIGNIFICATIVO)

L'indagine geotecnica deve riguardare quella parte del sottosuolo che verr influenzatadalla costruzione del manufatto o che influenzer il comportamento del manufatto stesso. Questa parte di terreno si definiscevolume significativo dell'indagine e la sua estensione dipende dallospecifico problema.

Nel caso delle fondazioni di un edificio, l'indagine verr estesa fino a dove siverificheranno significative variazioni dello stato tensionale nel sottosuolo (Capitolo 9). La


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presenza nel sottosuolo di terreni particolarmente scadenti o di terreni molto resistenti pumodificare il volume significativo.

In genere il volume di terreno direttamente sottoposto ad indagine dell'ordine diqualche percento del volume significativo e quindi, nel caso di un sottosuolo molto eterogeneo,l'indagine stessa deve essere particolarmente accurata ed estesa per poter ottenere i dati necessarialla previsione del comportamento dell'opera.

5.4 - MEZZI DI INDAGINE

Come detto, l'indagine geotecnica deve fornire dati relativi a:- successione dei terreni presenti nel sottosuolo in tutto il volume significativo;- propriet fisiche e meccaniche dei terreni;- caratteristiche idrauliche del sottosuoluo.

Nella tabella 5.1 sono riassunti, per ciascuna delle finalit indicate, i principali mezzi diindagine comunemente utilizzati.

Tabella 5.1 - Mezzi di indagine FINALITA' MEZZI DI INDAGINE

Diretti Indiretti

scavi- pozzi- trincee- cunicoli

- indagini geofisiche- prove penetrometriche

Ricostruzione del profilostratigrafico

perforazioni di sondaggio

in laboratorio - prove su campioniDeterminazione delle proprietfisiche e meccaniche dei terreni in sito - prove penetrometriche

- prove scissometriche

Misura della pressione neutra piezometri- a tubo aperto- Casagrande- celle piezometriche


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5.4.1 -Ricostruzione del profilo stratigrafico

Scavi: consentono l'osservazione diretta del sottosuolo (tipo e natura dei terreni, successione espessore delle eventuali stratificazioni, loro giacitura, ecc.).

Gli scavi di indagine si possono distinguere in:- trincee: lo scavo viene eseguito a mano o con mezzi meccanici, generalmente a profondit di

2-4 m (al massimo fino a 8 m);- gallerie o cunicoli: generalmente lo scavo eseguito a mano, con armature di sostegno;- pozzi: generalmente con scavo a mano e con armature di sostegno.

Perforazioni di sondaggio (dette anche semplicemente"sondaggi"): consentono di ricostruireil profilo stratigrafico mediante l'esame di campioni di terreno estratti.

Le tecnologie di esecuzione pi comuni sono la perforazione a percussione e quella arotazione.

- Perforazione a percussione (Fig. 5.1.a) - L'utensile di perforazione pi comunemente usato costituito da una sonda a valvola (curetta) che viene infissa nel terreno per caduta; durantel'infissione la valvola si apre; durante l'estrazione la valvola si chiude e trattiene il terreno;una volta riempitasi di terreno, la sonda viene portata in superficie e scaricata dalla partesuperiore. Poich la perforazione eseguita in presenza d'acqua, immessa nel foro o proveniente dalla falda idrica, i materiali estratti, quando sono incoerenti, vengonono dilavati,con la conseguente perdita della frazione fina; se i terreni sono coesivi rigonfiano edassorbono acqua.

La profondit raggiungibile ed il diametro del foro di sondaggio dipendono dal tipo diutensile usato e dalla energia d'urto, nonch dalla natura del terreno. I diametri usuali varianoda 150 a 600 mm; la profondit massima raggiungibile con questo tipo di tecnica circa 60m.

- Perforazione a rotazione (Fig. 5.1.b) - E' eseguita mediante un utensile che asportaframmenti di materiale, ruotando sul fondo del foro ed isolando all'interno una carota di


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terreno. Con questa tecnica si pu attraversare qualsiasi tipo di terreno; la profondit ed ildiametro dei fori dipendono dalla potenza e dal tipo di macchinari impiegati. Per le indaginigeotecniche si adottano diametri compresi tra 75 e 150 mm. Per eseguire il foro spessoindispensabile la circolazione di un fluido (acqua, fango bentonitico, aria compressa)immesso attraverso le aste (circolazione diretta) o lungo le pareti del foro stesso (circolazioneinversa).

L'utensile di perforazione pi semplice consiste in un tubo di acciaio (carotiere) la cuiestremit inferiore costituita da una corona tagliente provvista di elementi di metallo duro odi diamante. Il metodo consente il prelievo continuo di materiale, in particolare in terrenicoesivi consistenti. E' di regola difficile prelevare campioni di terreni granulari incoerenti o diterreni coesivi teneri.

Un altro utensile di perforazione ildoppio carotiere, costituito da due tubiconcentrici dei quali solo l'esterno ruota. Il tubo interno raccoglie il campione evitando cheesso venga in contatto con la parte rotante dell'utensile e proteggendolo parzialmentedall'azione dilavante del fluido di circolazione. E' cos possibile ottenere campioni anche diterreni eterogenei o molto fratturati.

Fig. 5.1 -a) attrezzatura per perforazione a percussione; b) attrezzatura per perforazione arotazione


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Indagini geofisiche (metodi indiretti) - Possono fornire un quadro generale della costituzione delsottosuolo con costi relativamente bassi. L'impiego di questo tipo di indagini di regola limitatoalle opere che interessano aree molto vaste. Esse si basano sulla misura di determinatecaratteristiche fisiche dei terreni (conducibilit elettrica, velocit di propagazione delle ondeelastiche, etc.). I terreni vengono riconosciuti in base ai diversi valori assunti dalla particolarecaratteristica fisica misurata.

Ad esempio: il metodo"sismico a rifrazione" permette di individuare nel sottosuoloterreni con differente velocit di propagazione delle onde elastiche longitudinali (ricerca disubstrati consistenti); il metodo dei"sondaggi elettrici verticali" permette di individuare nelsottosuolo terreni con diversa resistivit elettrica (ricerca di falde acquifere e di terreni a granagrossa).

Di regola i risultati forniti dalle indagini geofisiche devono essere interpretati conl'ausilio dei dati forniti da perforazioni di sondaggio.

5.4.2 -Campionamento

Le propriet fisiche e meccaniche dei terreni costituenti il sottosuolo possono esseredeterminate per mezzo di prove da eseguire in laboratorio su campioni di terreno e di prove daeseguire in sito con tecniche ed apparecchiature particolari. La finalit dei diversi tipi di prova ele relative tecniche sperimentali verranno trattate in un capitolo successivo; in questo paragrafosono descritte le modalit di prelievo dei campioni di terreno da sottoporre alla sperimentazione

di laboratorio e le caratteristiche che tali campioni devono avere.

Per la determinazione delle propriet fisiche e meccaniche dei terreni devono essere prelevati campioni di terreno che conservino la struttura, il contenuto d'acqua e la consistenza propri del terreno nella sua sede (campioni indisturbati).

Il prelievo di campioni pu essere effettuato da scavi o per mezzo di perforazioni disondaggio. Il prelievo di campioni indisturbati una operazione molto delicata che deve essere


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eseguita da personale qualificato con tecniche e strumenti adatti alle caratteristiche del terreno. Non di regola possibile, con mezzi ed apparecchiature semplici, prelevare campioni

indisturbati di terreni incoerenti.In base al grado di disturbo che i campioni presentano, ovvero in base alla quantit di

informazioni geotecniche che da essi si possono ricavare, i campioni sono classificati comeindicato in tabella 5.2.

Il prelievo di campioni indisturbati richiede utensili particolari (campionatori) dicaratteristiche diverse a seconda della natura del terreno.

I campioni disturbati possono essere prelevati senza ricorrere ad attrezzature particolari,ma sono utili solo ai fini della ricostruzione del profilo stratigrafico.

Tabella 5.2 - Classi di qualit dei campioni Caratteristiche geotecniche determinabili Grado di qualit

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5

Profilo stratigrafico # # # # #

Composizione granulometrica # # # #

Contenuto d'acqua naturale # # #

Peso dell'unit di volume # #

Caratteristiche meccaniche(Resistenza, deformabilit,...)

#

Q1, Q2, Q3: Campioni disturbati o rimaneggiatiQ4: Campioni a disturbo limitatoQ5: Campioni indisturbati

Prelievo da scavi di indagine - Campioni di qualitQ5 possono essere estratti dalle pareti e dalfondo degli scavi utilizzando appositi cilindri campionatori da infiggere a pressione nel terreno.Dagli scavi possono anche essere prelevati blocchi di terreno, i quali dopo essere stati asportatidevono essere avvolti in involucri impermeabili e posti in cassette con un imballaggio morbido.

Prelievo di campioni per mezzo di perforazioni di sondaggio - Possono essere ottenuti


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campioni a disturbo limitato o campioni del tutto indisturbati scegliendo gli utensili appropriati,in relazione alle caratteristiche del terreno ed alle esigenze dello specifico problema.

Per avere la possibilit di effettuare in laboratorio le prove geotecniche necessarie adeterminare le caratteristiche meccaniche di un campione di terreno, questo deve avere leseguenti dimensioni minime: diametro d =100 mm e lunghezza L = 600 mm.

Campioni di qualitQ1, Q2 e Q3 possono essere ottenuti con i normali utensili da perforazione. Essi devono essere conservati ordinatamente in apposite cassette, senza particolari protezioni contro perdite di umidit (Q1 e Q2), oppure in sacchetti o barattoli a tenuta (Q3).

Fig. 5.2 - a) campionatore a pressione a parete sottile (tipo Shelby); b) campionatore arotazione a doppia parete (tipo Mazier)

Fra i tipi di utensili pi comunemente utilizzati per il campionamento sono da ricordare:

- campionatore a parete sottile(tipo Shelby), utilizzato generalmente in terreni a grana fina,


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poco o moderatamente consistenti (fig. 5.2.a); il tubo di infissione, in acciaio di qualit, impiegato anche come contenitore;

- campionatore a rotazione a doppia parete (tipo Denison o Mazier) con scarpa taglienteavanzata (Fig. 5.2.b); si impiega in terreni coesivi di elevata consistenza nei quali non sia possibile l'infissione di campionatori a pressione; il tubo interno, non rotante, che funzionada contenitore spinto nel terreno mentre il tubo esterno, rotante e dotato di corona tagliente,asporta il terreno circostante; per un buon campionamento indispensabile che la scarpa deltubo interno sporga rispetto alla corona dentata del tubo rotante.

5.2.3 -Misura della pressione neutra

In tutti i problemi geotecnici ha importanza fondamentale la conoscenza delladistribuzione dei valori della pressione neutra. La misura della pressione neutra pu essereeffettuata con diversi tipi di strumenti (piezometri), a seconda che le misure vengano effettuatein terreni permeabili o in terreni poco permeabili.

Piezometro a tubo aperto (Fig. 5.3.a) - Pu essere utilizzato solo in terreni omogenei di

permeabilit elevata ( k > 10-5 m/s ), sede di una falda idrica in quiete. E' costituito da un tubodi metallo o di materiale plastico posto in un foro trivellato nel terreno. Dopo la posa in operadel tubo, che pu essere perforato solo nel tratto finale o per tutta la lunghezza, l'intercapedinetra il tubo e la parete del foro viene riempita con materiale filtrante (sabbia o ghiaietto).

La misura della profondit del livello dell'acqua viene effettuata calando nel tubo

piezometrico una apposita sonda elettrica mediante un cavo graduato. Quando la sondaraggiunge il livello dell'acqua nel tubo emette un segnale acustico e si procede quindi alla misuradella profondit della sonda mediante il cavo graduato.

Piezometro Casagrande (Fig. 5.3.b) - Nelle situazioni pi usuali, informazioni di buona qualitsui valori della pressione neutra si possono avere con questo strumento, che consente di eseguiremisure "puntuali" e segnala con sufficiente rapidit le variazioni della pressione dell'acqua nel


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sottosuolo. Questo piezometro costituito da un cilindro di materiale poroso (ceramica, bronzosinterizzato) con diametro di 35-50 mm, avente una cavit interna collegata con due tubi piezometrici di diametro molto piccolo (minimo 7 mm).

I piezometri Casagrande sono calati in fori trivellati fino alla profondit alla quale sivuole effettuare la misura; il tratto di misura deve essere isolato con tamponi impermeabili (ingenere di bentonite) di spessore sufficiente ad evitare l'infiltrazione di acqua dai tratti superioreed inferiore. La misura del livello dell'acqua nel tubo piezometrico si esegue anche in questocaso con scandagli elettrici. Il tempo di risposta, dato il piccolo volume di acqua contenuto nellostrumento, relativamente breve. L'impiego dei piezometri Casagrande limitato ai terreni di

permeabilit media (k>10-8 m/s).

Celle piezometriche - Si tratta di apparecchiature abbastanza sofisticate il cui impiego giustificato per opere di notevole impegno o per ragioni di studio. Le celle piezometriche sono ingenere costituite da un filtro di materiale poroso; l'acqua che penetra nel filtro esercita una pressione su una membrana deformabile alla quale sono connessi trasduttori di vario tipo (celle piezometriche a filo vibrante, elettropneumatiche, etc.). Con questi piezometri non si hamovimento di acqua per cui il tempo di risposta brevissimo anche in terreni a permeabilitmolto bassa.

Le celle piezometriche vengono calate in fori di sondaggio alla profondit alla quale sivuole eseguire la misura; come nel caso del piezometro Casagrande il tratto di misura deveessere isolato con tamponi impermeabili.

L'attendibilit delle misure di pressione neutra, indipendentemente dal tipo di strumentoimpiegato, dipende dalle modalit di posa in opera e in particolare dalla sigillatura del tratto di

foro in cui si esegue la misura.


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Fig. 5.3 - a) piezometro a tubo aperto; b) piezometro Casagrande


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6 - TENSIONI E DEFORMAZIONI NEL TERRENO

6.1 - TENSIONI NEL TERRENO

Il terreno, come visto, un mezzo polifase in cui la fase solida costituita dai granuliche formano uno scheletro solido continuo e la fase fluida da acqua e/o aria che ne riempiono ivuoti.

Nello studio del comportamento meccanico, il terreno, indipendentemente dalla suanatura, viene assimilato ad unmezzo ideale continuocon caratteristiche indipendenti dalledimensioni dell'elemento di volume considerato; al sistema delle forze intergranulari e deglispostamenti tra i granuli si sostituiscono le tensioni e le deformazioni di un mezzo continuo.

Si consideri, ad esempio, il caso di un terreno asciutto costituito da granuli sfericidisposti secondo i vertici di un cubo di lato "b", sottoposto al sistema di forze N, Tzx e Tzy

definito come in Fig. 6.1.

Fig. 6.1 -Schema per la definizione delle tensioni nel terreno


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In corrispondenza del piano orizzontale passante per i punti di contatto tra le sfere sidefiniscetensione normale la quantit:

= N

A A = b2( (6.2.1)

Sullo stesso piano, in maniera del tutto analoga, si definiscono letensioni tangenziali (o ditaglio):

zy =Tzy

A zx =

Tzx

A (6.2.2)

Le tensioni normali e tangenziali definite come sopra, cio secondo i criteri dellaMeccanica del continuo, non sono da confondere con le tensioni che si trasmettono i granuli alcontatto. Se As l'area di effettivo contatto tra i granuli sulla sezione considerata, latensione di

contatto (o tensione intergranulare) data da:

s = N

As

Tenuto conto che As molto pi piccola di A ,s assume valori molto pi elevati di

(fino ad alcune centinaia di MPa nei terreni a grana grossa).

In quanto segue si far sempre riferimento alle tensioni definite come rapporto tra forzaed area totale (vuoti + pieni) secondo le (6.2.1) e (6.2.2).

6.2 - TENSIONE TOTALE, PRESSIONE NEUTRA E TENSIONE EFFICACE

Nell'esempio considerato nel precedente paragrafo si assunto che la pressione delfluido contenuto nei pori sia nulla. Questo caso si verifica in natura solo nei terreni incoerenti


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asciutti. Nei terreni al di sotto del livello della falda idrica il volume dei pori occupato

dall'acqua con pressione maggiore della pressione atmosferica (pressione interstiziale opressione neutra: u).

Si consideri ora un campione di terreno contenuto in un cilindro a pareti indeformabili,sottoposto all'azione di una forza verticale F e di un carico idraulico, come rappresentato in Fig.6.2. La forza F comprende, oltre al carico esterno agente sul pistone, anche il peso del pistone,quello dell'acqua posta al di sopra dello stesso pistone e quello del terreno compreso tra il pistone e il piano X-X.

Sia A0 l'area della sezione orizzontale del cilindro.

Fig. 6.2 -Campione di terreno in un cilindro a pareti indeformabili

In corrispondenza della superficie X-X, la pressione neutra : u =w zwSi definiscono:

- tensione totale = F/A0

- tensione efficace ' = - u = F/A0 - w zw

L'equazione

= ' + u (6.1.3)


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l'equazione fondamentale della Geotecnica. Essa mostra che una sollecitazione applicata ad unterreno , per una parte, sopportata dallo scheletro solido (tensione efficace) e, per un'altra parte,dal fluido interstiziale (pressione neutra); in altre parole, una parteu agisce sull'acqua e sullafase solida, con uguale intensit in ogni direzione, ed un'altra parte ' ha sede esclusivamentenella fase solida.

In un terreno asciutto, essendo u = 0, la tensione efficace coincide con la tensione

totale; cio' =.L'equazione (6.1.3) nota comeequazione delle tensioni efficacied stata dedotta

dalle osservazioni sperimentali; come si vedr meglio nel seguito, essa indispensabile per lostudio del comportamento meccanico dei terreni e per la risoluzione dei problemi applicativi.

E' necessario tener presente che:1 - la tensione totale e la pressione neutra possono essere calcolate o misurate

sperimentalmente;2 - la tensione efficace pu essere ricavata solo dai valori della tensione totale e della

pressione neutra tramite l'equazione (6.1.3).

La tensione tangenziale:

= T A

non influenzata dalla presenza dell'acqua, in quanto l'acqua non trasmette sforzi di taglio.

6.3 - RAPPRESENTAZIONE DEGLI STATI DI TENSIONE

Lo stato di tensione nel terreno, considerato come un mezzo continuo, vienerappresentato con i metodi della Scienza delle Costruzioni. Lo stato di tensione definito

quando sono note le tensioni principali1, 2, 3 e l'orientamento delle tre direzioni


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principali. Le tensioni di compressione si assumono positive.

Dato che i problemi studiati in geotecnica sono in genere assimilabili a problemi piani,la descrizione dello stato di tensione si semplifica e si considerano solo le tensioni principali

massima1 e minima3. Nella direzione normale al piano che contiene le tensioni e 3 le

deformazioni sono nulle e la tensione2 la tensione principale intermedia.

Note le tensioni principali1 e 3 possibile calcolare le tensioni e che

agiscono su di un generico piano inclinato dell'angolo rispetto all'asse delle x (Fig. 6.3).

Fig. 6.3 - Rappresentazione dello stato di tensione in un problema piano mediante il cerchio di Mohr

Dalle relazioni di equilibrio si ricava:

=1+ 3( )

2+

1 3( )2

cos 2

=1 3( )

2 sen 2

Come noto dalla Scienza delle Costruzioni, lo stato tensionale in un punto vienerappresentato mediante il relativo cerchio di Mohr (Fig. 6.3).


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Il puntoK del cerchio di Mohr detto "polo delle giaciture"; il polo quel punto della

circonferenza dal quale, se si traccia una retta per il punto corrispondente alle tensioni

e,

si individua la direzione della retta che parallela alla direzione del piano su cui agiscono le

tensioni e .

Il punto A di coordinate:

2

;

2

31max31==+=

rappresenta lo stato tensionale nel piano su cui agisce la tensione tangenziale massima.

Le tensioni efficaci, definite dalla relazione (' = - u ), hanno lo stesso caratteredelle tensioni totali. Le considerazioni riportate in quanto precede sono valide anche per letensioni efficaci; queste differiscono infatti da quelle totali solo per una componente costante intutte le direzioni (la pressione neutra u).

Nel piano , i punti che rappresentano le tensioni efficaci risultano quindi traslati parallelamente all'asse delle ascisse verso l'origine degli assi della quantit u, rispetto ai punticorrispondenti alle tensioni totali; ci consente di rappresentare sugli stessi assi le tensioni totali

e quelle efficaci'.

6.4 - DEFORMAZIONI NEL TERRENO

Per lo studio delle deformazioni dei terreni si adottano criteri analoghi a quelliimpiegati per definire gli stati di tensione, si adotta cio il modello di mezzo continuo.

La deformazione di un elemento di volume di terreno sotto l'azione di un sistema diforze applicato dovuta a due cause:1 - deformazioni elastiche e plastiche dei granuli, per effetto delle tensioni di contatto;2 - spostamenti relativi dei granuli che, partendo da un assetto iniziale dato, raggiungono un


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nuovo assetto.

Le deformazioni elastiche e plastiche dei granuli sono di regola molto piccole econtribuiscono solo in minima parte alla deformazione totale. Questa quindi dovuta per lamassima parte al mutuo spostamento dei granuli, il quale avviene per scorrimenti, rotazioni escavalcamenti. Il processo di deformazione porta ad una variazione del volume dei pori.

In figura 6.4 riportata la deformazione di un insieme di sfere sotto l'azione di un datosistema di forze.

Da quando precede risulta che le deformazioni nei terreni sono per la massima parteirreversibili.

Fig. 6.4 - Deformazione di un sistema di sfere dallo stato di minimo addensamento a quello dimassimo addensamento

6.5 - STATI DI TENSIONE NEL TERRENO

6.5.1 - Stati di tensione naturale e stati di tensione indotti e relative condizioni dideformazione

Una particolarit dei problemi geotecnici riguarda lecondizioni di sollecitazione che si hannonel terreno nella sua sede naturale.


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Nel campo dell'Ingegneria delle strutture, specialmente nell'analisi del comportamentodi elementi strutturali con una dimensione prevalente (pilastri e travi), le condizioni disollecitazione possono essere ricondotte a sollecitazioni semplici, quali la compressione, laflessione e taglio, ecc., cos che l'analisi del comportamento di tali elementi relativamenteagevole.

Nei problemi geotecnici, invece, le condizioni di sollecitazione del terreno in sito sonosempre complesse e non facilmente riportabili a condizioni di sollecitazione semplici. Adesempio, nel caso di un problema di fondazione di un manufatto, le condizioni di sollecitazionederivano dall'applicazione di carichi, variamente distribuiti in superficie o in profondit, che siripartiscono entro grandi volumi di sottosuolo, sovrapponendosi allo stato di tensione naturaledovuto al peso proprio del terreno.

In definitiva nei problemi geotecnici si hanno di regola sollecitazioni e geometrie checomportano condizioni di deformazione tridimensionale. Solo in alcuni casi o introducendosemplificazioni, le condizioni di deformazione possono essere ricondotte a quelle uniassiali o piane.

Le condizioni di sollecitazione pi comuni del terreno nella sua sede naturale sonosintetizzate in Tabella 6.1.

Nel caso degli stati di tensione indotti dall'applicazione di carichi, a seconda dellageometria del problema e della distribuzione dei carichi stessi, le condizioni di deformazionecorrispondenti possono essere ricondotte a condizioni di deformazione uniassiale, piana oassialsimmetrica (Fig. 6.5). Queste condizioni di deformazione, rispetto a quella tridimensionale

(z x y), consentono di trattare il problema della definizione delle tensioni indotte nel

sottosuolo e delle conseguenti deformazioni in modo pi agevole.Anche nel caso della stabilit dei pendii naturali e dei fronti di scavo, il pi delle volte

la condizione di deformazione pu essere ricondotta a quella piana.


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Tabella 6.1 : Stati di tensione nel terreno e relativi problemi geotecnici

STATI DI TENSIONE NATURALE

Superficie del terreno orizzontale (condizioni geostatiche)

Superficie del terreno inclinata (stabilit di pendii naturali)

STATI DI TENSIONE INDOTTI

Applicazione di carichi in superficie in profondit{ (fondazione di manufatti)

Esecuzione di scavi (stabilit di fronti di scavo)

Azioni dinamiche dovute a terremoti traffico{ (effetti vari)

Va tenuto presente che nei problemi geotecnici le tensioni dovute al peso proprio delterreno hanno un ruolo rilevante. Queste tensioni, infatti, non solo sono responsabili dellecondizioni di equilibrio dei pendii naturali e dei fronti di scavo, ma, essendo confrontabili ingrandezza con le tensioni indotte dai carichi e tenuto conto del comportamento meccanico deiterreni, da esse dipendono le caratteristiche di resistenza e deformabilit dei terreni stessi daconsiderare nella risoluzione dei problemi geotecnici. Essendo, cio, i terreni dei materiali le cuicaratteristiche meccaniche dipendono dalle tensioni agenti e dalla storia degli stati di tensione, le

tensioni dovute al peso proprio vanno tenute in debito conto insieme a quelle indotte dai carichi.


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Fig. 6.5 -Stati di tensione e deformazione indotti dall'applicazione di carichi in superficie

Lo stato di tensione naturale in condizioni geostatiche verr considerato nel paragrafo

seguente. Gli altri stati di tensione indicati in Tabella 6.1 verranno presi in esame quando sitratter dei problemi applicativi relativi a ciascun stato di tensione, sia naturale (stabilit dei pendii), sia indotto (fondazione di manufatti, stabilit dei fronti di scavo).

6.5.2 -Stato di tensione naturale in condizioni geostatiche

In tutti i problemi geotecnici (fondazioni, scavi, etc.) indispensabile conoscere lo statodi tensione iniziale del terreno. Tale stato determinato dal peso proprio del terreno ed, in alcunicasi, dalla storia degli stati tensionali passati; nella generalit delle situazioni non pu esseredefinito facilmente.

Nel caso di situazioni come quelle che si verificano piuttosto frequentemente nelleregioni pianeggianti costituite da terreni, coerenti e non, di origine sedimentaria (superficie del


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suolo piana ed orizzontale, mezzo indefinito ed omogeneo) la definizione dello stato di tensionenaturale dovuto all'azione del peso proprio semplice.

Nella situazione geometrica considerata, dato che devono essere verificatecontemporaneamente l'uniformit tensionale in direzione orizzontale e la simmetria radialerispetto a qualsiasi asse verticale, le tensioni tangenziali sui piani orizzontali e verticali sononulle. Le direzioni verticale ed orizzontale

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