CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI GEOTECNICI

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1 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI GEOTECNICI 1.1

2 Rocce lapidee e rocce ciolte I geomateriali ono uddivii nell Ingegneria Civile (ia pure in modo alquanto arbitrario) in rocce e terreni. Rocce lapidee Aggregato di minerali fortemente cementati tra loro Rocce ciolte (o terreni) Aggregato di particelle non cementate o debolmente cementate tra loro (eparabili per emplice azione meccanica quale l agitazione in acqua) I terreni formano l oggetto ecluivo di queto coro 1.2

3 Le fai di un terreno Fae liquida (oluzione acquoa) Fae gaoa (aria umida) Fae olida Anche e in modo improprio, la fae liquida è indicata con il termine di acqua intertiziale e la fae gaoa con il termine di aria intertiziale 1.3

4 Claificazione geotecnica dei terreni PROPRIETÀ INDICE Singolo grano Inieme di grani Inieme di grani in preenza di acqua Inieme di grani in preenza di acqua e aria 1.4

5 Caratteritiche del ingolo grano Natura della fae olida Compoizione mineralogica Denità pecifica del grano Dimenione del grano Forma del grano Grado di arrotondamento Teitura della uperficie Capacità di cambio dei cationi (particelle argilloe) 1.5

6 Natura della fae olida MATERIA ORGANICA Particelle cotituite da frammenti di origine vegetale o animale (poono aver conervato o perduto traccia della truttura originaria) Si rileva attacando il campione con oluzione di peroido di idrogeno (acqua oigenata) Conferice al terreno elevata compreibilità, baa permabilità e baa reitenza al taglio (torbe) MATERIA INORGANICA Particelle cotituite da minerali non argilloi o argilloi. Compoizione mineralogica determinata mediante diffrazione ai raggi X 1.6

7 Compoizione mineralogica (1) MINERALI NON ARGILLOSI SILICATI Tectoilicati (quarzo, feldpati); Filloilicati (miche) CARBONATI Calcite; Dolomite SOLFATI Geo OSSIDI DI FERRO ED ALLUMINIO 1.7

8 Compoizione mineralogica (2) MINERALI NON ARGILLOSI: Compongono particelle di dimenioni maggiori di alcuni µm (ghiaia, abbia e la maggior parte della frazione limoa). Le particelle non argilloe ono relativamente inerti nei riguardi dell acqua e la loro interazione è eenzialmente di natura fiica. La mineralogia ha generalmente modeta influenza ul comportamento meccanico dei terreni non argilloi Il quarzo è il minerale più abbondante nei terreni. Le particelle di quarzo non i frantumano per bai e medi livelli di tenione. I terreni carbonatici ono cotituiti da particelle frantumabili bai e medi livelli di tenione. Queto conferice particolari comportamenti meccanci al terreno. 1.8

9 Compoizione mineralogica (3) MINERALI ARGILLOSI Caolinite-erpentine Illite-vermiculite Smectite 1.9

10 Compoizione mineralogica (4) MINERALI ARGILLOSI: Compongono particelle di dimenioni minori di alcuni µm (argilla e una piccola parte della frazione limoa). Le particelle argilloe interagicono con l acqua e la loro interazione è eenzialmente di natura chimica. La compoizione mineralogica ha generalmente notevole influenza ul comportamento meccanico dei terreni non argilloi 1.10

11 Mineralogia delle argille I minerali argilloi appartengono alla famiglia dei filloilicati (ilicati a trati) unità trutturale foglio trato (2 o 3 fogli) particella di argilla 1.11

12 Fogli tetraedrici Unità tetraedrica e fogli tetraedrici O 2- Si 4+ Rete eagonale (Si O 2.5 ) -1 (Si 4 O 10 ) -4 La neutralità elettrica è ottenuta dalla otituzione di quattro oigeni con idroili oppure dall unione con un foglio carico poitivamente 1.12

13 Fogli ottaedrali Ottaedro di alluminio o magneio e fogli ottaedrali OH - Al 3+ or Mg 2+ Rete triottaedrale (brucite) Mg (OH) 2 Mg 3 (OH) 6 Rete biottaedrale (gibbite) Al (OH) 3 Al 2 (OH)

14 Strati (impilamento di fogli) 1.14

15 Strati elementari L oigeno nell unità tetraedrica è otituito dallo ione idroile T O T:O (1:1) impilamento (caolinite, erpentina e clorite) T O T T:O:T (2:1) impilamento (mectite, vermiculite e clorite 1.15

16 Schema di minerali argilloi I minerali differicono tra loro per il tipo di colla che mantiene inieme i ucceivi trati 1.16

17 Legami di trato Caolinite 7.2 Å piano degli oigeni Legame idrogeno tabile in preenza di acqua piano degli idroili Montmorillonite 9.6 Å n H 2 O + cation In preenza di acqua, I cationi intertrato idratano oppure acqua è adorbita ul piano degli oigeni mediante legami idrogeno le particelle di mectite rigonfiano 1.17

18 Microfotografie dei minerali argilloi Sono eeguite al microcopio a canione elettronica Caolinite Montmorillonite 1.18

19 Sotituzioni iomorfe Alcuni cationi nelle unità tetraedriche e ottaedrali ono otituiti da cationi di valenza minore, ad eempio: Al +3 al poto di Si 4+ Mg 2+ al poto di Al +3 Fe 2+ al poto di Mg 2+ La otituzione iomorfa conferice allo trato e alla particella di argilla una carica negativa netta Per preervare la neutralità elettrica, cationi ono attratti e trattenuti tra gli trati e ulla uperficie e il bordo della particella Molti di queti cationi ono cambiabili 1.19

20 Capacità di cambio dei cationi La quantità di cationi cambiabili è definita come capacità di cambio dei cationi (cec, cation exchange capacity ) ed è miurata in milliequivalenti: numero di equivalenti maa (g) maa atomica valenza n moli valenza La capacità di cambio dei cationi (cec) è una miura della attività di un argilla: cec 3-15 meq/100 per la caolinite cec meq/100 g per la mecticte. 1.20

21 Sitema acqua-argilla argilla Superfice particella di argilla Concentrazione Cationi Anioni Ditanza In preenza di acqua, i ali precipitati ulla uperficie della particella vanno in oluzione. La tendenza dei cationi ad allontanari dalla particella (per equalizzare la concentrazione dell acqua intertiziale) è contratata dal campo eletrrico negativo generato ulla uperficie della particella La uperficie carica della particella e la carica netta poitiva ono denominate doppio trato diffuo 1.21

22 Potenziale elettrico Potenziale di un ingolo doppio trato Potenziale di due doppi trati interagenti L interazione tra particelle argilloe avviene attravero la ovrappoizione del doppio trato. La cec è una miura dello peore del doppio trato 1.22

23 Denità del ingolo grano denità M V con M maa dei olidi V volume dei olidi denità pecifica G con w denità dell acqua w La denità pecifica del grano non è un indice particolarmente importante delle caratteritiche meccaniche del terreno ma è necearia per la determinazione di altre proprietà indice (granulometria) 1.23

24 Determinazione di G livello di riferimento acqua ditillata matraccio m 1 m 2 m 3 m 4 terreno m m 2 4 m m 1 3 M M V w G w m 2 m m 1 m 2 1 ( m m )

25 Dimenione del grano La dimenione del grano ha un importanza rilevante ul comportamento idraulico e meccanico del terreno CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA DIMENSIONE Ghiaia Sabbia Limo Argilla 2 mm mm mm Prevalentemente minerali non argilloi Prevalentemente minerali argilloi Prevalentemente particelle arrotondate Prevalentemente particelle appiattite Il termine argilla è ambiguo, poiché uato per indicare una dimenione ed un tipo di minerale 1.25

26 Determinazione della dimenione del grano La dimenione dei grani varia da 10-3 a 10 2 mm ed è definita ulla bae della tecnica di miura adottata SETACCIATURA Crivello d>10 mm SEDIMENTAZIONE d<0.075 mm Sfera equivalente d Setaccio 0.075<d<10 mm Diametro della fera che edimenta alla tea velocità 1.26

27 Forma del grano Particelle allungate ed appiattite poono dipori econdo un orientazione preferenziale ed eere reponabili di comportamenti aniotropi del terreno 1.27

28 Grado di arrotondamento Angolare Sub-angolare Sub-arrotondato Arrotondato Ben arrotondato Il grado di arrotondamento ha un effetto ul mutuo incatro tra le particelle e quindi compreibilità e reitenza al taglio 1.28

29 Teitura della uperficie Lucida, opaca Licia, cabra Striata Smerigliata Incia Butterata La teitura della uperficie può influenzare, anche e in miura ridotta, la reitenza al taglio del terreno 1.29

30 Ditribuzione cumulata della dimenione dei grani (curva granulometrica) 100 Percentuale in maa con dimenione L < d P(L<d*) 0 d* Dimenione del grano, log d 1.30

31 Sitemi di claificazione baati ulla dimenione delle particelle 1.31

32 Denominazione di un terreno ulla bae della granulometria Primo nome: Secondo nome: Terzo nome: Quarto nome: frazione preente con la maggior percentuale frazione preente con percentuale tra 25 e 50 % preceduta dal uffio CON frazione preente con percentuale tra 10 e 25 % preceduta dal uffio OSO frazione preente con percentuale tra 5 e 10 % preceduta dal uffio DEBOLMENTE -OSO Eempio: limo con abbia argilloo debolmente ghiaioo 1.32

33 Eempi di curve granulometriche 1.33

34 Parametri della curva granulometrica 100 P(L<d) 60 U >> 1 U d 10 d 60 d 10 d 60 log d Coefficiente di uniformità U d 60 / d

35 Terreni a grana groa e a grana fine I terreni cotituiti principalmente da frazioni abbioe e ghiaioe ono denominati a GRANA GROSSA Per tali terreni, la ditribuzione granulometrica è un parametro fondamentale I terreni cotituiti principalmente da frazioni argilloe e limoe ono denominati a GRANA FINE Per tali terreni, la compoizione mineralogica e la truttura hanno un influenza importante ulla ripota meccanica 1.35

36 Analii granulometrica per tacciatura Si eegue per frazioni granulometriche con d > mm Stacciatura a ecco Stacciatura a umido apertura decreecente mm mm analii per edimentazione 1.36

37 Rappreentatività del materiale La quantità di materiale da ottoporre a tacciatura crece con la dimenione maima della particella dimenione (mm) maa (g) Per determinare la compoizione granulometrica del materiale di un alveo occorrono tipicamente decine di kg (e non quintali) di materiale!! 1.37

38 Agitatore meccanico e tacci Si eegue per frazioni granulometriche con d > 0.06 mm Staccio e materiale trattenuto Agitatore meccanico 1.38

39 Interpretazione dei dati M tot ΣM i M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 d 0 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 P( d P( d P( d P( d M ) M M ) M ) M ) tot tot M M tot tot tot tot ( M + M ) M 1 tot 100 ( M + M + M ) 1 M tot

40 Analii granulometrica per edimentazione Si eegue per frazioni granulometriche con d < mm t 0 t > 0 i impoverice progreivamente delle particelle di dimenioni maggiori particelle di dimenione maggiore edimentano più rapidamente Sopenione omogenea Sedimentazione 1.40

41 Velocità di edimentazione di una particella ferica LEGGE DI STOKES (Ipotei: moto uniforme, regime laminare) v 18η l g d 2 d: diametro g: accelerazione di gravità η: vicoità cinematica : denità della particella olida l : denità del liquido d k, ( T ) v 1.41

42 Principio della miura t 0 VLA t t* L m 0 0 m l,, 0 L m, ml, d < d* k (, T ) L t * A A m P Percentuale in maa con dimenione L < d* m 1.42

43 Variazione della denità (1) Bilancio di maa Continuità 0 V V m m 0 + m + m l 0 l (1) (2) V V m m 0 + m + m 0 l l l l (3) (4) Riolvendo le equazioni (3) e (4) ripetto a m m 0 l l l l 0 V m V m l l (5) (6) m 0 l e m l Sotituendo le equazioni (5) e (6) ripettivamente nelle equazioni (1) e (2) i ottiene: m m 0 0 ( 1- ) ( - ) l V (7) ( 1- ) ( - ) V (8) l l l 1.43

44 1.44 Variazione Variazione della della denit denità (2) (2) Combinando le equazioni (7) e (8) riulta: ( ) ( ) l 0 l 0 l 0 l V m m m e quindi: ( ) ( ) l l totale l l m V m V m m totale Percentuale in maa con dimenione L < d* può eere quindi calcolata miurando la denità all itante t*

45 Variabili di fae (1) V a V v V V w M w M V M V w Volume dell acqua intertiziale M maa dei olidi denità dei grani V a Volume dell aria intertiziale M w maa dell acqua w denità dell acqua V v Volume totale dei pori M maa totale V Volume totale 1.45

46 Variabili di fae (2) Volume pecifico v V V v V V M V Poroità n Vv V v Vv V V V 1 1 V V V M V V V V v v Indice dei vuoti e e 1 1 V V V V M V V V Denità M V M V Denità ecca d M V M V 1.46

47 1.47 Variabili Variabili di di fae fae (3) (3) w M M w v w V V S Contenuto d acqua 1 t t w M M M M M M M w Grado di aturazione t w t t w w v w M V M M V V M V V S 1 1

48 1.48 Relazioni Relazioni tra tra le le fai fai n n e e e n e v ( ) S wg w e w w e d d e wg S

49 Denità relativa D r e e max max e e min La denità relativa ha un etrema importanza nei terreni a grana groa poiché ne controlla rigidezza e reitenza a taglio Gli indici dei vuoti minimo e maimo, e min ed e max ono determinati mediante prove convenzionali e non rappreentatno neceariamente il minimo ed il maimo addenzamento di un terreno 1.49

50 Denità minime e maime (1) Nel cao di particelle feriche di equyali dimenioni, la denità minima è ottenuta quando le fere ono dipote ai vertici di un cubo e la denità maima è ottenuta quando le fere ono dipote ai vertici di un tetraedro e max 0.92 e min

51 Denità minime e maime (2) Nei terreni, poono averi valori di e min minori poiché i vuoti ono riempiti da granelli più piccoli e valori di e max maggiori e I granelli non ono tutti in contatto tra loro 1.51

52 Stati di un argilla Maggiore il contenuto d acqua, minore è l interazione tra particelle adiacenti, maggiore è la tendenza dell argilla a comportari come un liquido Il contenuto d acqua che marca il paaggio dallo tato emiolido a platico (limite di platicità) e quello che marca il paaggio dallo tato platico a quello liquido (limite di liquidità) variano con il tipo di argilla e ono generalmente correlabili alla ripota meccanica dell argilla. Tali contenuti d acqua ono quindi delle proprietà indice per le argille 1.52

53 Limiti di Atterberg: limite di liquidità, w L E il contenuto d acqua tale da determinare la chiuura del olco (ottenuto con utenile tandard) per una lunghezza di 13 mm ed un numero di colpi pari a

54 Limiti di Atterberg: limite di platicità, w P E il contenuto d acqua tale da determinare la la feurazione di un batoncino di 3.2 mm di diametro 1.54

55 Limiti di Atterberg: limite di ritiro E il contenuto d acqua oltre il quale il terreno non ubice alcuna ulteriore diminuzione di volume. E determinato u campione inditurbato, al contrario di w P e w L che poono eere determinati u campioni rimaneggiati 1.55

56 Indice di platicità I p w l -w p Maggiore l indice di platicità, maggiore la compreibiltà, minore la reitenza al taglio acqua libera particella di argilla acqua adorbita I p bao I p alto 1.56

57 Indice di attività I a ( L mm) P < I p Attive: mectiti Normali: illiti Inattive: caoliniti 1.57

58 Indice di conitenza I c w L I p w 1.58