Manuale di Ingegneria Geotecnica

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1 Didattica e Ricerca Manuali Manuale di Ingegneria Geotecnica a cura di Diego Lo Presti volume i Contributi di: Barbara Cosanti, Ilaria Giusti, Stefano Giusti, Diego Carlo Lo Presti, Nunziante Squeglia, Benedetta Vanni

2 Manuale di ingegneria geotecnica / a cura di Diego Lo Presti ; contributi di: Barbara Cosanti [et al.]. - Pisa : Pisa university press, volumi. - (Didattica e ricerca. Manuali) (22.) I. Lo Presti, Diego II. Cosanti, Barbara 1. Geotecnica CIP a cura del Sistema bibliotecario dell Università di Pisa Copyright 2013 Pisa University Press srl Società con socio unico Università di Pisa Capitale Sociale Euro ,00 i.v. - Partita IVA Sede legale: Lungarno Pacinotti 43/ , Pisa Tel Fax Member of ISBN Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume/fascicolo di periodico dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n Le riproduzioni effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale o comunque per uso diverso da quello personale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, Corso di Porta Romana n. 108, Milano 20122, e sito web

3 Indice Introduzione 5 Capitolo 1 Genesi delle rocce e dei terreni Cenni sulla struttura interna della Terra I terreni, le rocce e l'ammasso roccioso Genesi delle rocce e dei depositi di terreno Età geologica Concetti propedeutici al comportamento meccanico dei 26 terreni Capitolo 2 Classificazione dei terreni Campionamenti e rilievi Classificazione dei terreni Sistemi di classificazione dei terreni 48 Capitolo 3 Idraulica dei terreni Principi dell'idraulica applicati in Geotecnica Equazione di flusso Flusso stazionario Flusso transitorio 85 Capitolo 4 Metodi di analisi e modelli di comportamento L'approccio elastico Risultati notevoli Il metodo dell'equilibrio limite globale e i teoremi 143 dell'analisi limite 4.4 Metodi empirici 156 Capitolo 5 Mezzi di indagine Indagini di laboratorio Indagini in sito 206 Capitolo 6 Approccio alla sicurezza nella progettazione geotecnica 247 secondo le NTC Gli stati limite Le azioni e le combinazioni di carico Verifica e fattori di sicurezza 261

4 Appendice 263 A1 Cerchi di Mohr 263 A2 Il problema di Boussinesq 268 A3 Cenni riguardanti i modelli costitutivi dei geomateriali 273 Bibliografia 301

5 Introduzione La Geotecnica è una branca dell Ingegneria Civile che rende possibile lo studio delle opere che interagiscono con il sottosuolo 1. Più precisamente ci si riferisce all analisi di strutture di fondazione (superficiali o profonde), di opere di sostegno, di costruzioni in materiali sciolti (rilevati, argini, dighe in terra, etc.), di pendii naturali o artificiali (fronti di scavo, discariche, etc.), di costruzioni in sotterraneo (costruzioni interrate, gallerie, coltivazioni minerarie, etc.). Tali opere sono elementi importanti delle costruzioni e delle infrastrutture civili, il che fa della Geotecnica una disciplina trasversale. L analisi delle opere sopra menzionate ha l obiettivo di verificarne la sicurezza e la fruibilità. Più semplicemente si tratta di verificare che la costruzione di una nuova opera non provochi fenomeni di collasso o spostamenti del terreno o della roccia tali da compromettere la sicurezza e l uso dell opera erigenda e di quelle limitrofe preesistenti. Si comprende pertanto che la Geotecnica, come tutta l Ingegneria, non ha finalità puramente scientifiche ma si pone il conseguimento di obiettivi pratici, il che fa della Geotecnica una disciplina Tecnico Scientifica. I terreni (o terreni sciolti) sono un mezzo poroso costituito da un insieme di particelle (scheletro solido) e da un fluido interstiziale (acqua e/o aria) che satura i vuoti o pori esistenti tra le particelle solide. Nonostante la natura particellare e multifase del mezzo e la grande variabilità delle dimensioni che tali particelle possono assumere, i terreni possono essere assimilati ad un mezzo continuo. Pertanto l analisi dell interazione opera terreno può essere condotta facendo ricorso ai metodi tipici della Meccanica del Continuo. Al contrario l ammasso roccioso (AR) è costituito da blocchi di roccia intatta (RI) separati da discontinuità. In questo caso, a seconda della scala del problema (dimensione dell opera in rapporto alla distanza tra due discontinuità) è possibile continuare ad usare i metodi della Meccanica del Continuo oppure è necessario trattare l AR come un mezzo discontinuo. Premesso che l Ingegneria Geotecnica, come per altro l Ingegneria Civile tutta, fa spesso ricorso, in pratica, all impiego di metodi empirici o semplificati, si comprende facilmente come la Meccanica dei Terreni e delle Rocce rappresenti lo strumento di analisi più avanzato disponibile. Per queste ragioni l uso del presente manuale e lo studio della Geotecnica non può essere agevole senza un adeguata 1 Nella pratica il termine suolo viene utilizzato per indicare la copertura vegetale (diverse decine di centimetri). In genere questa parte viene rimossa. Il termine sottosuolo è quindi utilizzato per indicare la porzione di terreno con la quale le opere interagiscono e che è situata sotto la copertura vegetale.

6 6 Manuale di Ingegneria Geotecnica conoscenza della Meccanica del Continuo (Scienza delle Costruzioni) e dell Idraulica (si rammenti che l acqua è presente anche nell AR). l presente manuale è organizzato secondo le seguenti sezioni: a) genesi e classificazione di terreni e rocce, b) idraulica dei terreni, c) metodi di analisi e modelli di comportamento, d) metodi di indagine per la caratterizzazione meccanica dei terreni, e) la sicurezza e la Normativa Italiana, f) opere di sostegno, g) fondazioni superficiali, h) fondazioni profonde. Il manuale è corredato da una serie di esercizi esemplificativi e da alcune esercitazioni progettuali di opere di sostegno e fondazioni. Le esercitazioni progettuali e le sezioni indicate con f), g), h) sono contenute nel secondo tomo.

7 Capitolo 1 GENESI DELLE ROCCE E DEI TERRENI Dopo avere fornito alcuni cenni sulla struttura della Terra, il capitolo descrive in modo schematico i tre principali processi petrogenetici che interessano la litosfera e che descrivono la genesi delle rocce e dei depositi di terreno. 1.1 CENNI SULLA STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Le conoscenze riguardanti la crosta terrestre (litosfera) sono migliorate enormemente sia grazie alle osservazioni dirette (sondaggi e perforazioni eseguite prevalentemente per prospezioni petrolifere che tuttavia non superano la profondità di alcuni chilometri), sia grazie alle osservazioni indirette (misure gravimetriche e sismiche). In particolare, le misure riguardanti la propagazione delle onde di volume e di superficie, indotte dai terremoti e registrate anche a grandi distanze dalla rete internazionale di stazioni sismiche, hanno consentito di formulare e verificare delle ipotesi sulla composizione, temperatura e stato fisico della Terra. È possibile affermare che una nuova visione sulla struttura interna della terra ha origine dalla teoria della deriva dei continenti, sostenuta da numerosi geografi e cartografi sin dal XVII secolo ma accettata dal mondo accademico solamente dopo i lavori iniziali di Taylor (1910) e Wegener (1915) e successivamente quelli di Bullard et al. (1965) e Verney (1979). Basti pensare che ancora negli anni 70 tale teoria trovava forti resistenze nel mondo accademico italiano. Per una migliore comprensione, appare utile richiamare alcune conoscenze di base riguardanti la propagazione di onde elastiche in mezzi continui (Bolt 1988). Le onde elastiche possono essere suddivise in: - onde di volume che si propagano all interno di un mezzo continuo (ad esempio la crosta terrestre); - onde di superficie che si propagano all interfaccia di due mezzi continui aventi diverse caratteristiche fisico meccaniche (ad esempio la superficie della crosta terrestre oppure il fondo marino, etc.). Tra le onde di volume si distinguono: - le onde P, dette anche di compressione o longitudinali, oppure irrotazionali o primae (essendo dotate di velocità di propagazione più elevate rispetto agli altri tipi di onde sono le prime ad essere registrate da una stazione sismica). Nel caso delle onde P la direzione di vibrazione coincide con quella di propagazione cosicché la roccia subisce solamente deformazioni di compressione e di

8 8 Manuale di Ingegneria Geotecnica estensione. Questo tipo di onde si trasmette sia attraverso lo scheletro solido sia attraverso l eventuale fase fluida presente nei pori. La velocità di propagazione dipende dalla rigidezza del mezzo in cui l onda si propaga. Nel caso di propagazione nell acqua la velocità di propagazione delle onde P è pari a circa V p = 1,7 km/s. - le onde S, dette anche onde di taglio o trasversali oppure di distorsione o secundae. Nel caso delle onde S la direzione di vibrazione è perpendicolare a quella di propagazione cosicché la roccia subisce solamente deformazioni di taglio. Pertanto questo tipo di onde si trasmette solamente attraverso lo scheletro solido. È possibile distinguere tra onde SV (direzione di vibrazione giacente in un piano verticale, si dice anche che l onda è polarizzata verticalmente) e onde SH (direzione di vibrazione giacente in un piano orizzontale, si dice anche che l onda è polarizzata orizzontalmente). Anche per le onde S la velocità di propagazione dipende dalla rigidezza del mezzo. Poiché la rigidezza a taglio dell acqua è nulla, ne consegue che la velocità di propagazione delle onde S nell eventuale fase fluida è V s = 0. Figura 1.1: Rappresentazione schematica di onde P (a), onde S (b) e onde di Rayleigh (c) (riadattata da Bolt, 1988) Quando le onde di volume raggiungono la superficie terrestre o il fondo marino (ovverosia zone di confine tra due mezzi di caratteristiche fisico meccaniche drasticamente differenti), vengono generate delle onde di superficie che si propagano sostanzialmente all interfaccia tra i due mezzi. Dato che l ampiezza di vibrazione decresce esponenzialmente allontanandosi dalla zona di confine, a grandi distanze dalla sorgente sismica, l ampiezza delle onde di superficie

9 Genesi delle rocce e dei terreni 9 predomina rispetto a quelle di volume. Le onde di superficie sono contraddistinte con la lettera L (Longae) e tra quelle di maggiore interesse si distinguono le onde di Rayleigh (onde R) e quelle di Love (onde Q, dal tedesco Quervellen onde trasversali). La figura 1.1 fornisce una rappresentazione schematica ma significativa delle onde di volume e di Rayleigh. Dopo questo lungo inciso, si può precisare che, a parte le conoscenze dirette della parte più superficiale della crosta terrestre, la struttura interna del pianeta è definita attraverso le cosiddette discontinuità sismiche, ovverosia zone segnate da brusche variazioni delle velocità di propagazione delle onde di volume (si veda il lavoro di sintesi di Eiby, 1980). Inoltre la presenza delle cosiddette zone d ombra (Sumner, 1969) corrispondenti alla mancata propagazione delle onde di taglio, consente di ipotizzare la presenza di materia allo stato fluido in tali zone. Tale ipotesi, accoppiata a ragionevoli stime delle pressioni esistenti all interno della Terra, consente infine una valutazione delle temperature (Verhoogen, 1960). Figura 1.2: Struttura interna della Terra Premesso che il raggio terrestre varia tra 6350 e 6370 km passando dai poli all equatore, la struttura interna della Terra, sulla base delle conoscenze attuali, può pertanto essere così descritta (figura 1.2): - Crosta terrestre, con spessore compreso tra 25 e 40 km in zona continentale e con picchi sino a 70 km al di sotto di catene montuose di recente formazione; in zona oceanica la crosta terrestre può assottigliarsi sino a raggiungere spessori di soli 5 km, tuttavia la zolla oceanica ha maggiore uniformità e densità. In maniera estremamente semplificata è possibile dire che la crosta terrestre è formata da uno strato basaltico (silicati ferromagnesici SiMa) sottostante a

10 10 Manuale di Ingegneria Geotecnica uno granitico (silicati di alluminio e silicio SiAl). I valori caratteristici del peso specifico (G s ) e della velocità di propagazione delle onde di volume (V p, V s ) nella crosta terrestre sono di seguito riportati: G s = 2,7 3; V p = 6 7 km/s; V s = 3 4 km/s. Per quanto riguarda la temperatura, il gradiente termico è inizialmente di circa 3 C ogni 100 m, tuttavia la temperatura più elevata della crosta è di circa 500 C. - Mantello, allo stato semi fuso o magmatico. Il passaggio dalla crosta terrestre al mantello è individuato dalla discontinuità di Mohorovicic, che segna un netto cambiamento dei valori delle velocità. Il mantello ha uno spessore complessivo di 2850 km e si suddivide in una parte superiore (di spessore circa 650 km e con prevalenza di silicati ferromagnesici) ed una inferiore (con prevalenza di ossidi e solfuri metallici). I valori caratteristici di temperatura, velocità e peso specifico nel mantello sono: T = 2200 C; V p = 8-14 km/s; V s = 4,5-6,5 km/s; G s = Nucleo, distinto dal mantello attraverso la discontinuità di Gutenberg, dotata di 3 principali caratteristiche: un improvvisa e significativa riduzione di V p da 14 a 7,5 km/s; l impossibilità di trasmettere le onde di taglio in conseguenza del suo stato liquido, cosicché V s = 0; un repentino aumento di G s che cresce da 5 a 10. Il nucleo esterno (detto anche nucleo liquido) ha uno spessore di 2260 km ed è costituito principalmente da ferro e nichel (NiFe) allo stato fuso. La temperatura media è di circa 2800 C; G s varia tra 9 e 12. Il nucleo interno o solido è molto denso (G s raggiunge il valore di 15) con temperatura pressoché costante e superiore a 2800 C. La teoria della tettonica a zolle suddivide la crosta terrestre in 6 placche (zolle) continentali (Africana, Americana, Antartica, Indo Australiana, Eurasiatica, e Pacifica) e 14 micro placche. Come anticipato, tale teoria assume che le zolle siano in movimento relativo tra loro. Ciò è possibile per effetto dalla natura semi solida del mantello sul quale le zolle galleggiano ed in conseguenza dei moti convettivi che si instaurano nel mantello a causa della differenza di temperatura tra la parte più interna del pianeta (calda) e quella esterna (fredda). Il moto relativo tra le zolle produce, nelle zone di confine, un processo deformativo che può svilupparsi in modo lento e continuo o con accumulo di energia e improvviso rilascio. Più precisamente i movimenti relativi tra zolle possono essere così classificati: - zone di distacco tra le zolle con risalita di materiale fuso che prendono il nome di dorsali. Questa situazione si riscontra prevalentemente nelle zolle oceaniche (dorsale dell Atlantico Centrale, dorsale del Pacifico) che subiscono una crescita per effetto della fuoriuscita di materiale, con superamento in alcuni casi del livello del mare (ad esempio l Islanda), ma anche in corrispondenza di zolle continentali (Great Rift Valley in Africa). In queste zone si osserva in genere moderata attività sia sismica che vulcanica; - zone di collisione. Più precisamente si distinguono due situazioni: a) collisione tra una zolla oceanica e una zolla continentale con subduzione della prima rispetto alla seconda. In pratica la zolla oceanica si immerge nel mantello

11 Genesi delle rocce e dei terreni 11 distruggendosi. In queste zone si osserva una sismicità più elevata rispetto alle zone di distacco, nascita di catene montuose e attività vulcanica; b) collisione tra zolle continentali con ingrossamento dei bordi, nascita di catene montuose, vulcanismo ed elevata sismicità; - zone di scorrimento relativo che non comportano né una crescita né il consumo della crosta. La faglia di S. Andrea in California è forse la più nota. Figura 1.3: Rappresentazione schematica dell attività tettonica della crosta terrestre La figura 1.3 mostra schematicamente la zona di contatto tra zolla oceanica e zolla continentale. La figura fornisce anche i tratti caratteristici del fondale marino, dalla piattaforma continentale sino alla piana abissale. Le zone di contatto tra macro zolle o zolle minori sono vere e proprie aree di frattura e vengono indicate con il nome di faglie. È significativo osservare che gli epicentri dei terremoti osservati cadono in prossimità delle zone di contatto delle zolle (Bolt, 1988). 1.2 I TERRENI, LE ROCCE E L AMMASSO ROCCIOSO I terreni, o meglio i depositi di terreno, sono il risultato dell alterazione e disgregazione delle rocce costituenti la crosta terrestre. Come si preciserà meglio in seguito, alla fase di alterazione e disgregazione della roccia madre segue una fase di trasporto ed infine una fase di sedimentazione in ambiente continentale, marino o misto. I processi sopra descritti riducono la roccia madre in particelle di differenti dimensioni 1, alcune distinguibili ad occhio nudo, altre molto piccole. Pertanto i 1 Secondo la classificazione AGI, consultabile al 2.2, le particelle che compongono i terreni possono essere identificate come blocchi (> 200 mm), ciottoli (> 60 mm), ghiaia (> 2 mm), sabbia (> 0,06 mm), limo (> 0,002 mm), argilla (< 0,002 mm).

12 12 Manuale di Ingegneria Geotecnica terreni, a differenza delle rocce, sono costituiti da un insieme di particelle che possono essere separate mediante una leggera azione meccanica (ad esempio agitazione in acqua). Figura 1.4a: Materiale di varia dimensione separato per setacciatura (ghiaia) Figura 1.4b: Materiale di varia dimensione separato per setacciatura (sabbia) I depositi di terreno rappresentano la parte più superficiale (copertura) della crosta terrestre. Lo spessore di tali coperture va da pochi metri a qualche centinaio di metri, cosicché i depositi di terreno rappresentano una percentuale modesta dell intera crosta terrestre. In alcune circostanze, la copertura di terreno è assente e l ammasso roccioso viene detto affiorante.

13 Genesi delle rocce e dei terreni 13 Figura 1.5: Ammasso roccioso affiorante con famiglia di discontinuità L ammasso roccioso è costituito da un insieme di blocchi di roccia separati da vari tipi di discontinuità come giunti, faglie, piani di debolezza, etc. L insieme dei blocchi e delle discontinuità costituisce l ammasso roccioso, condizionato nel suo comportamento macroscopico dalle caratteristiche meccaniche della roccia intatta e soprattutto dalle caratteristiche geometriche e meccaniche delle discontinuità. All interno dell ammasso roccioso si distinguono: - sistemi o famiglie di discontinuità, - discontinuità principali (faglie o contatti). Tutte le discontinuità condizionano il comportamento meccanico dell ammasso roccioso e rappresentano quasi sempre delle zone di debolezza. Le faglie o contatti (questi ultimi fra formazioni rocciose differenti) sono discontinuità singole. Definiamo invece famiglia di discontinuità quell insieme di discontinuità che si presentano con caratteri di ripetitività per quel che riguarda spaziatura, orientazione, apertura etc. I minerali o le particelle che costituiscono le rocce intatte esibiscono legami chimici o molecolari forti che non possono essere rimossi attraverso leggere azioni meccaniche. I principali elementi chimici presenti nella crosta terrestre sono Ossigeno, Silicio, Alluminio, Ferro, Calcio, Sodio, Potassio e Magnesio. I principali minerali sono silicati, carbonati e fosfati.

14 14 Manuale di Ingegneria Geotecnica Elemento Percentuale in peso Ossigeno 46,6 Silicio 27,7 Alluminio 8,1 Ferro 5,0 Calcio 3,6 Sodio 2,8 Potassio 2,6 Magnesio 2,1 Totale 98,5 Tabella 1.1: Principali elementi chimici costituenti la crosta terrestre L elemento costitutivo di tutti i silicati è il gruppo tetraedrico SiO 4 costituito da uno ione silicio al centro e quattro ioni ossigeno ai vertici del tetraedro. A volte il catione Si 4+ può essere sostituito da Al 3+ dando luogo ai cosiddetti alluminosilicati. Tra i più diffusi silicati vanno menzionati: - quarzo (molto resistente alle alterazioni chimiche), - mica muscovite (molto resistente alle alterazioni chimiche), - mica biotite, - feldspati (alluminosilicati come ortoclasio e plagioclasi, la cui alterazione dà origine alle particelle argillose). Tra i più diffusi minerali carbonatici vanno menzionati: - calcite (CaCO 3 ) carbonato di calcio, - dolomite CaMg(CO 3 ) 2 carbonato di calcio e magnesio. Maggiori dettagli sono reperibili nel testo di Mitchell (1993). Figura 1.6: Doppio strato elettrico diffuso

15 Genesi delle rocce e dei terreni 15 Figura 1.7: Schemi delle strutture dell argilla dispersa (a sinistra) e flocculata (a destra) Figura 1.8: Fotografia di argilla al microscopio elettronico; al centro, un macroporo Le particelle argillose hanno una dimensione dell ordine del micron. Esse sono il risultato dell alterazione dei feldspati e quindi sono sostanzialmente silicati idrati di alluminio. Le particelle hanno forma appiattita con una dimensione significativamente più piccola rispetto alle altre due. Con questa morfologia le forze di superficie finiscono per governare il comportamento delle particelle argillose. In particolare le particelle esibiscono una carica negativa di superficie che tende ad attrarre molecole d acqua (acqua adsorbita non separabile dalla particella). In ambiente d acqua salmastra (alta concentrazione di cationi di sali disciolti) la carica negativa della superficie della particella tende ad essere neutralizzata dai cationi che in parte sono saldamente legati alle cariche negative della particella e in parte formano uno strato diffuso (figura 1.6). Lo spessore del doppio strato elettrico è in genere limitato in presenza di elevata concentrazione elettrolitica cosicché le forze repulsive diminuiscono e viene favorito un contatto

16 16 Manuale di Ingegneria Geotecnica bordo faccia o bordo bordo tra le particelle dando luogo alla struttura cosiddetta flocculata. Invece in ambiente di acqua dolce (bassa concentrazione di cationi di sali disciolti) prevalgono le forze repulsive cosicché le particelle di argilla sedimentano secondo una struttura cosiddetta dispersa (figura 1.7). Maggiori dettagli sono reperibili nel testo di Mitchell (1993). La figura 1.8 mostra invece un immagine al microscopio elettronico di una sezione sottile dell argilla di Pisa (detta Pancone). Appare evidente la forma delle particelle. 1.3 GENESI DELLE ROCCE E DEI DEPOSITI DI TERRENO Le rocce possono essere classificate secondo vari criteri: - in base alle proprietà fisico-meccaniche: rocce coerenti, compatte, incoerenti; - in base alla composizione: rocce monomineraliche, polimineraliche; - in base all origine: rocce endogene cioè formatesi all interno della Terra, rocce esogene formatesi sulla superficie terrestre; - in base alla genesi: magmatiche o ignee (formatesi per cristallizzazione di un magma), sedimentarie (formatesi in seguito al deposito e successiva diagenesi di materiale proveniente dalla degradazione di altre rocce), metamorfiche (formatesi in seguito alla trasformazione di altre rocce sotto l azione di agenti esterni quali pressione e temperatura). La classificazione basata sulla genesi è quella che viene illustrata nel seguito. I tre gruppi in cui vengono suddivise le rocce non possono essere visti come entità distinte ed immutabili, essi fanno parte d un ciclo di cui costituiscono una parte transitoria. Il ciclo inizia con il raffreddamento ed il consolidamento del magma che porta alla formazione d una roccia magmatica, movimenti tettonici portano poi in superficie questa roccia che viene successivamente sottoposta ad un alterazione chimica e ad una disgregazione fisica da parte degli agenti atmosferici, con formazione di prodotti che vengono trasportati e depositati in particolari ambienti costituendo i sedimenti. Nel tempo si ha l accumulo dei sedimenti, e il carico dei sedimenti deposti porta alla litificazione con la conseguente formazione della roccia sedimentaria. Quando la pressione e la temperatura superano un certo limite e sono associate a movimenti della crosta terrestre, hanno luogo trasformazioni che portano alla formazione della roccia metamorfica. Infine nelle parti più profonde della crosta terrestre possono avvenire fenomeni di fusione delle rocce con la formazione di nuovi magmi. Si individuano così tre processi intimamente collegati tra loro: - il processo magmatico, da cui si originano le rocce magmatiche, - il processo sedimentario, da cui si originano le rocce sedimentarie, - il processo metamorfico, da cui si originano le rocce metamorfiche.

17 Genesi delle rocce e dei terreni Processo sedimentario Il processo sedimentario è all origine dei depositi di terreno e delle rocce sedimentarie. Come in parte anticipato il processo comporta diverse fasi: - Degradazione (distruzione in posto di rocce affioranti) o erosione in senso stretto dell ammasso roccioso. Questa fase comporta una serie di fenomeni fisici e chimici che producono la disgregazione e l alterazione della roccia madre. La disgregazione è frutto di un insieme di fenomeni fisici 2 (dilatazioni termiche differenziali per effetto dell insolazione, aumento di volume dell acqua che gela nei pori o nelle fratture, azione dell apparato radicale della vegetazione o di organismi viventi) che producono detriti sino a dimensioni di 10 μm. L alterazione della roccia madre è un insieme di processi chimici (ossidazione, idratazione, idrolisi, soluzione) che comporta la modifica mineralogica e chimica della roccia e l indebolimento progressivo dei legami chimici. Particelle con dimensioni minori di 10 μm sono il risultato di fenomeni chimici. - Alla fase di disgregazione e alterazione segue una fase di trasporto del materiale roccioso alterato e disgregato (clasti o detriti). Il mantello alterato che non subisce trasporto prende il nome di deposito residuale. Il trasporto per trascinamento o in sospensione comporta fenomeni di abrasione responsabili di cambiamenti di forma delle particelle detritiche. Più precisamente si verifica una riduzione degli spigoli vivi delle particelle che acquisiscono forme progressivamente più arrotondate. Questo tipo di trasporto è governato dall energia cinetica della corrente e dalla viscosità d insieme (aria o acqua o ghiaccio + detriti). Al crescere di queste quantità aumentano le dimensioni o la massa complessiva del materiale trasportato Le sostanze solubili sono invece trasportate in soluzione. Gli agenti responsabili del trasporto sono: - la gravità (trasporto verso il basso dei detriti), - il vento, - i corsi d acqua di superficie o sotterranei, - i ghiacciai (trasporto durante la fase di espansione - discesa), - gli organismi viventi. - Durante il trasporto le particelle sono soggette ad una componente di moto che dipende dalla velocità della corrente ed un altra che dipende dal peso proprio ed è quindi proporzionale alle dimensioni delle particelle. Quando l azione della gravità diventa preminente ha inizio la sedimentazione. Nel caso di trasporto da ghiacciaio, la sedimentazione ha luogo durante il disgelo. La sedimentazione di detriti dà luogo a sedimenti detti clastici o detritici. La precipitazione di sostanze solubili è invece governata unicamente dai fattori che influiscono sulla solubilità (temperatura, ph, etc.). Questa precipitazione da luogo a sedimenti di 2 La principale causa di fratturazione delle rocce è riconducibile all attività tettonica della crosta terrestre.

18 18 Manuale di Ingegneria Geotecnica origine chimica. Il trasporto attraverso organismi viventi avviene a opera dei medesimi o in seguito alla loro morte dando luogo a sedimenti di origine organica. L ambiente di deposizione, che indica in maniera sintetica le condizioni fisiche, chimiche e biologiche in cui avvengano sedimentazione e consolidazione dei depositi, può essere marino, continentale o misto. La genesi di un deposito (formazione) è il risultato di una serie di episodi del ciclo sedimentario (degradazione, trasporto, sedimentazione) che si verificano nell arco di un periodo o frazione di periodo geologico, nello stesso ambiente di deposizione. Ciascun episodio dà luogo ad un sottoinsieme della formazione detto strato. Gli strati risultano separati da piani di discontinuità detti stratificazioni Depositi Marini I depositi marini sono prevalentemente costituiti da argille flocculate, sabbie fini e limi. L apporto principale di questi sedimenti è di origine fluviale. Tuttavia, solamente la parte più fine (argille, sabbie fini e limi) viene trasportata al largo per effetto del moto ondoso e delle maree. La sedimentazione dei fiocchi di argilla avviene contestualmente a quella dei limi e delle sabbie fini, cosicché i depositi marini esibiscono caratteristiche di buona omogeneità. La deposizione avviene nella zona di scarpata e di rialzo continentale. I depositi della piana abissale sono invece di natura organica costituiti principalmente da gusci di foraminiferi (composizione calcarea) o gusci di diatomee e radiolari (composizione silicea). Per effetto del sollevamento della piattaforma continentale in conseguenza dell attività tettonica della crosta terrestre, molti dei depositi marini si collocano al di sopra del livello medio del mare. Le argille sensitive sono depositi marini interessati da flussi di acqua dolce (tipiche di alcuni fiordi norvegesi e del Canada). Come già detto, la struttura flocculata delle argille marine è conseguenza di un elevata concentrazione elettrolitica. Il flusso di acqua dolce riduce la concentrazione elettrolitica cosicché diminuiscono le forze attrattive tra le particelle di argilla ed aumentano quelle repulsive. Di conseguenza sono sufficienti modeste azioni meccaniche per produrre il collasso di una struttura oramai metastabile. Per chiarire il concetto di struttura metastabile si consideri un pendio indefinito (figura1.9) e un elemento di terreno soggetto alle tensioni indotte dal peso proprio. Lo sforzo di taglio vh che agisce sulle facce orizzontali e verticali di un generico elemento infinitesimo è inizialmente in equilibrio; tuttavia, se il pendio subisce un processo deformativo (aumento della deformazione a taglio γ a causa di una nuova azione esterna) gli sforzi di taglio aumentano sino ad un valore di picco (τ p ) e successivamente decrescono bruscamente. La resistenza residua (τ R ) a grandi deformazioni è minore dello sforzo di taglio iniziale, cosicché il terreno che

19 Genesi delle rocce e dei terreni 19 costituisce il pendio non è più in grado neppure di sostenere il peso proprio. L equilibrio non è più possibile e il pendio frana verso valle. Figura 1.9: Stato tenso-deformativo e curva sforzi-deformazioni di una struttura metastabile Depositi Continentali Tra i depositi in ambiente continentale è possibile distinguere quelli alluvionali (fluviali), lacustri e/o palustri, glaciali e eolici. - Depositi alluvionali: Se da una parte l azione dei corsi d acqua (soprattutto quelli di natura torrentizia) è di incidere e scavare la roccia, dall altra le correnti fluviali sono dotate di trasporto solido. In seguito ad eventi alluvionali, passata l onda di piena, l acqua rientra nell alveo mentre la maggior parte dei detriti sedimentano nell area di esondazione. A seconda dell energia della corrente i detriti sono costituiti da materiale a grana grossa (sabbie e ghiaie) o da materiale a grana fine (limi e argille) che sedimentano in forme di sacche. La principale caratteristica di questi depositi è quindi una marcata variazione di composizione litologica sia verticale che orizzontale. Quest ultima è imputabile ai possibili mutamenti dell alveo. La presenza di sacche di materiale organico si verifica nei punti morti della corrente per l accumulo di materiale vegetale e per il ricoprimento di preesistente vegetazione. La pianura Padana, a puro titolo di esempio, è stata originata dalle alluvioni del fiume Po e dei suoi affluenti approssimativamente nel periodo compreso tra e 5000 a.c., senza modifiche significative negli ultimi 5000 anni. Sempre a titolo di esempio,

20 20 Manuale di Ingegneria Geotecnica anche la pianura del fiume Arno è prevalentemente di origine alluvionale nel medesimo arco temporale prima indicato. - Depositi lacustri e palustri: La sedimentazione in ambiente lacustre e/o palustre avviene in acqua dolce. Le litologie osservate sono costituite, a partire dal basso, da stratificazioni di sabbie fini, limi e argille (struttura dispersa). La sequenza stratigrafica si ripete (ripetersi di diversi episodi del ciclo sedimentario) e mostra una buona continuità orizzontale. - Depositi glaciali: I depositi morenici o gli accumuli di detrito ai piedi di un ghiacciaio mostrano una litologia estremamente eterogenea (dai ciottoli alle argille) distribuita nello spazio in maniera caotica. Anche i depositi fluvio glaciali mostrano un elevata eterogeneità, tuttavia in questo caso si osservano stratificazioni, con separazione dei materiali a grana grossa da quelli a grana fine (classazione). Ciò è dovuto al fatto che, in questi depositi, l agente di trasporto è anche la corrente fluviale durante il disgelo. - Depositi eolici (dune costiere): Si tratta di depositi estremamente omogenei, composti di sabbie fini monogranulari, sciolte, con particelle ben arrotondate Depositi di ambiente misto Tra i depositi di ambiente misto si considerano i depositi costieri (sabbie fini e limi nei canali di marea; limi e argille nelle zone di laguna, sabbie e ghiaie nei depositi di spiaggia), quelli di estuario (limi e sabbie) e quelli di delta (alternanza di materiali fini e grossolani). Le caratteristiche geometriche delle stratificazione sono governate dalle caratteristiche tipiche dell ambiente di deposizione Diagenesi e rocce sedimentarie La diagenesi indica il processo che trasforma un deposito sedimentario (terreno sciolto) in una roccia sedimentaria (roccia tenera). Il processo della diagenesi comporta la formazione di legami chimici tra le particelle in conseguenza della precipitazione di sostanze disciolte (principalmente, ma non esclusivamente, carbonati). Si distinguono due gruppi: le rocce detritiche e le rocce di precipitazione chimica e biochimica. La differenza consta nel diverso metodo di trasporto e di sedimentazione dei materiali. Le rocce detritiche derivano dal materiale trasportato in forma solida; le rocce di precipitazione chimica e biochimica derivano dal materiale trasportato in soluzione. La suddivisione naturalmente non è netta. Rocce sedimentarie di origine chimica: - rocce residuali o argille residuali, ovverosia la parte di roccia in posto che non è stata asportata. Si tratta di formazioni di ambiente continentale. Le terre rosse nascono dalla degradazione di rocce calcaree in area mediterranea. Le lateriti si formano in climi caldo umidi (ossidi e idrossidi di alluminio e ferro con

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