LA SCATOLA DI TAGLIO DIRETTO

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1 PROVA DI TAGLIO DIRETTO PROF.SSA ANNA SCOTTO DI SANTOLO

2 Indice 1 LA SCATOLA DI TAGLIO DIRETTO INTERPRETAZIONE DELLA PROVA TERRENI NC TERRENI OC RESISTENZA RESIDUA di 13

3 1 La scatola di taglio diretto Lapparecchio taglio diretto consiste in una robusta scatola metallica, a sezione quadrata, tagliata secondo un piano orizzontale, in modo che le due parti possano scorrere relativamente in direzione orizzontale. In Fig. 1 è schematizzato lapparecchio di taglio o scatola si Casagrande. La prova consente la determinazione della resistenza al taglio dei terreni Nella scatola, in cui inizialmente le due parti hanno i bordi coincidenti, viene inserito il provino di terreno, che ha unaltezza di 2 cm e lato di 6 cm. Le due facce del provino sono a contatto con due piastre porose che consentono il libero drenaggio dellacqua contenuta nel provino. Il drenaggio non è controllato nel corso della prova. Attraverso la piastra superiore è possibile applicare un carico assiale centrato, che grazie alla testa superiore consente l applicazione di tensione normale σn. Lapplicazione dello sforzo di taglio τ si ottiene facendo scorrere a velocità costante e molto bassa le due parti della scatola. La successione delle operazioni è la seguente: fase di consolidazione: si applica la tensione normale σ n fino alla stabilizzazione dei cedimenti verticali; fase di rottura: si fanno scorrere le due parti della scatola e si misura lo sforzo di taglio τ; la velocità di scorrimento viene scelta in funzione della permeabilità del terreno, in modo da avere sempre condizioni drenate durante il corso della prova. Fig. 1 Scatola di taglio diretto 3 di 13

4 I risultati che si ottengono sono rappresentati mediante grafici sforzo di taglio (τ)- spostamento orizzontale (δ), da cui si ricava il valore massimo della tensione di taglio (τf) sviluppata dal provino di terreno (Fig. 2). Prolungando la prova dopo il raggiungimento della scatola, si può rilevare se il valore residuo della tensione di taglio τfr è minore di τf. Fig. 2 Risultati della prova di taglio diretto Le prove di taglio diretto si eseguono sia su terreni incoerenti (sabbie) sia su terreni coerenti e sono sempre condotte in modo da avere condizioni drenate. Fase di consolidazione. Si applica il carico N sulla testa del provino di sezione A, che conferisce la tensione di confinamento: N n (1 A Si registra la consolidazione attraverso il cedimento del provino, fino alla fine del processo transitorio. E possibile ottenere il coefficiente di consolidazione Cv. Si sottopongono a prova tre provini, preferibilmente prelevati dallo stesso campione, sotto tre tensioni di confinamento diverse (n1, n2, n3), tali che la loro media sia prossima alla tensione verticale efficace agente in sito, alla profondità di prelievo del campione. 4 di 13

5 Terminata la fase di consolidazione si dà corso alla fase di rottura. Si avvia la prova applicando, molto lentamente (in maniera che questa fase sia drenata) una forza T crescente nel tempo, che provoca un progressivo scorrimento fra le due parti del provino. All interfaccia fra esse agisce la tensione tangenziale: T nt (2 A Nel contempo si misurano gli spostamenti relativi fra le parti del provino (h) ed i cedimenti (v), Fig. 3. Lo stato tensionale è noto solo sulla giacitura su cui esso è imposto (cioè la superficie di scorrimento), per cui non è completamente conosciuto. T N v Cerchio di Mohr ipotizzato h 1 tg n n Fig. 3 Stato tensionale prova di taglio diretto 5 di 13

6 2 Interpretazione della prova 2.1. Terreni NC Il comportamento dei terreni normalmente consolidati o debolmente sovraconsolidati, è definito stabile in quanto mostrano al crescere dello sforzo di taglio fino a rottura una diminuzione di volume (comportamento contraente). I terreni stabili sono in genere anche duttili, ovvero raggiungono la rottura per deformazioni elevate. L inviluppo di rottura è caratterizzato da coesione intercetta nulla o trascurabile, Fig. 4. Resistenza ultima Cerchio di Mohr ipotizzato h lim 1 tg n f n Stato critico (o a volume costante) 1,2,3 v Fig. 4 Risultati prove di taglio diretto su terreni NC I valori degli sforzi tangenziali massimi dei tre provini in funzione delle tensioni verticali imposte sono riportati nel piano di Mohr. Non conoscendo completamente lo stato tensionale non è 6 di 13

7 possibile tracciare i cerchi di Mohr, ma si effettua la regressione lineare da cui si ottengono i parametri di resistenza al taglio. In questo caso otteniamo: τ = σ tg (Criterio di rottura di Mohr-Coulomb) (3 dalla quale risulta che la resistenza al taglio di una sabbia (τf) è funzione della tensione efficace agente sul piano di rottura e della tangente dellangolo che la retta di rottura forma con lasse delle σ Terreni OC I terreni a comportamento instabile sono in genere i terreni sovraconsolidati, che a rottura aumentano di volume (comportamento dilatante), Fig. 5. I terreni instabili sono in genere anche fragili, cioè raggiungono la rottura per deformazioni modeste. L inviluppo di rottura è in genere caratterizzato da coesione non nulla. Il comportamento instabile può essere dovuto a varie cause: la rottura di eventuali legami agenti fra le particelle, la dilatanza, che attinge il suo massimo valore alla resistenza di picco e diminuisce per deformazioni maggiori, fino ad annullarsi. 7 di 13

8 Resistenza di picco 3 Resistenza ultima / stato critico 2 1 Decremento postpicco Resistenza di picco Dilatanza, v arctan h h n v Fig. 5 Comportamento durante prove di taglio di terreni OC Il valore di, angolo di attrito, dipende dal coefficiente di attrito f tra i granuli e dal grado di mutuo incastro tra i granuli stessi. In una sabbia con una data granulometria, in generale aumenta allaumentare dellindice di addensamento a causa dellaumento dellinfluenza dellincastro tra i granuli sulla resistenza al taglio. Uno schema per spiegare il comportamento delle sabbie è riportato in Fig. 6. Nella Fig. 6.a sono schematizzati alcuni granuli di sabbia che scorrono su una superficie liscia formata dallo stesso materiale dei granuli. In questo caso la resistenza di attrito dipende solo dal coefficiente di attrito f caratteristico del materiale. Nel caso rappresentato dagli schemi b e c per avere lo scorrimento non è sufficiente superare la resistenza di attrito tra i granuli, ma è necessario che avvenga anche lo spostamento verso lalto e lo scavalcamento dei granuli stessi, con aumento di volume dei pori. 8 di 13

9 Fig. 6. Schema del comportamento a rottura delle sabbie Allaumentare delle dimensioni dei granuli, aumenta langolo di attrito delle sabbie; ciò è dovuto al maggiore incastro tra i granuli. Sabbie con granuli di forma spigolosa e con superficie scabra, a parità di granulometria, hanno angolo di attrito più elevato di sabbie con granuli tondeggianti e lisci (Tabella 1). Tabella 1. Valori dellangolo di attrito di sabbie Forma dei granuli Granulometria Non addensato Addensato Tondeggiante Uniforme Tondeggiante Assortita Spigolosa Uniforme Spigolosa Assortita Il terreno sottoposto ad uno sforzo di taglio T si deforma con spostamenti al contorno nella direzione dello sforzo (h) ed ortogonali ad esso (v). Ciò si può esemplificare attraverso i modelli: a) per terreno dilatante, b) per terreno elastico e c) per terreno contraente. Per i terreni dilatanti e contraenti la superficie di separazione del provino è schematizzata a denti di sega in modo che lo scorrimento avvenga localmente lungo una giacitura inclinata di sulla direzione dello sforzo. 9 di 13

10 v h a) b) c) v arctan h (-) Fig. 7. Schema del comportamento a rottura delle sabbie N e T* di T, con: Lo scorrimento avviene sulle superfici inclinate di, su cui agiscono le componenti N* di N* N cos T sen T* N sen T cos (2 In condizioni di rottura sappiamo che : T (3 * N * tan Con angolo di attrito disponibile sul reale piano di scorrimento. Effettuando la sostituzione della 3) nel sistema 2) si ottiene: N sen T cos [ N cos T sen ] tan T [1 tan tan ] N [tan tan ] T N tan tan tan 1 tan tan Si ottiene dunque che lo scorrimento avviene su una superficie inclinata di un angolo. Quando il terreno dilata la resistenza attinge il massimo valore in corrispondenza del massimo angolo di dilatanza e la resistenza corrispondente viene detta di picco. Quando il terreno contrae la resistenza attinge il massimo valore quando l angolo di dilatanza è nullo (resistenza di stato critico). 10 di 13

11 2.3. Resistenza residua Nel caso delle argille sovraconsolidate le curve sforzi-deformazioni mostrano che, raggiunto il valore massimo dello sforzo, al crescere delle deformazioni si ha una sensibile caduta di resistenza (Fig. 8). Questo comportamento può essere meglio posto in evidenza con prove di taglio diretto, che consentono di sottoporre i provini di terreno a scorrimenti elevati. f R Fig. 8. Determinazione della resistenza residua In Fig. 9.a sono riportate le curve tensioni di taglio-spostamento orizzontale ricavate da prove di taglio diretto di tipo drenato eseguite su tre provini di una stessa argilla sovraconsolidata, sottoposti a valori diversi della tensione normale di consolidazione (σn). Dalle curve (δ, τ) si rileva che la resistenza diminuisce fino ad un valore praticamente costante per spostamenti elevati (resistenza residua), a causa della rottura dei legami tra le scaglie di minerali argillosi e dellisorientamento delle scaglie stesse. 11 di 13

12 Fig. 9. Caduta di resistenza ad elevati scorrimenti Se nel diagramma (σn, τ) si riportano i valori della resistenza massima e di quella residua relativi a ciascun provino, è possibile costruire le linee limite nelle due condizioni. Entrambe le linee sono delle rette, quella relativa alla resistenza massima consente di definire i valori dei parametri coesione c ed angolo di attrito, allo stesso modo di come è possibile fare con prove triassiali CD; quella relativa alla resistenza residua passa per lorigine degli assi ed individua il parametro R, angolo di attrito residuo. Per una data argilla questangolo è minore dellangolo e può essere considerato un parametro caratteristico dellargilla, dipendente esclusivamente dalla composizione mineralogica del terreno. Nei terreni a grana fine la resistenza residua è sensibilmente minore della resistenza ultima, poiché le particelle sono di forma lamellare ed, orientandosi, determinano il decadimento di resistenza. Nei terreni a grana media grossa i tre diametri delle particelle sono paragonabili e non c è possibilità di orientamento preferenziale: la resistenza residua è prossima a quella ultima. La resistenza residua non dipende dalla storia tensionale del materiale, bensì da: granulometria, plasticità. 12 di 13

13 Quindi la resistenza residua può essere determinata anche su provini rimaneggiati. La resistenza residua è la resistenza disponibile lungo quelle superfici su cui si sono verificati grandi spostamenti relativi nella direzione della superficie stessa. Ciò accade, per esempio, alla base delle frane pregresse. 13 di 13