Università degli Studi di Firenze Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale DISPENSE DI G E O T E C N I C A

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1 Università degli Studi di Firenze Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale DISPENSE DI G E O T E C N I C A Johann Facciorusso Claudia Madiai Giovanni Vannucchi johannf@dicea.unifi.it clau@dicea.unifi.it giovan@dicea.unifi.it Revisione Settembre 2011

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3 PREMESSA FINALITÀ, LIMITI ED USO DI QUESTE DISPENSE In un momento storico dell Università italiana in cui, con preoccupante frequenza, sono imposte modifiche all ordinamento degli studi, con conseguente variazione degli obiettivi di formazione didattica, ed essendo ormai disponibile a tutti uno strumento straordinario di divulgazione come Internet che permette di immettere, modificare e aggiornare le informazioni, a costi bassissimi per l utente, abbiamo ritenuto di qualche utilità preparare queste dispense, disponibili sul sito web del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, allo scopo di facilitare gli studenti nella preparazione agli esami di alcune delle discipline di Ingegneria geotecnica impartite presso la Facoltà di Ingegneria dell Università di Firenze. Le dispense non sono in alcun modo sostitutive di libri e testi a carattere scientifico o professionale, cui è comunque necessario ricorrere per approfondire le conoscenze di ingegneria geotecnica. Inoltre è probabile, anzi è quasi certo, che vi siano errori di diversa natura e origine (speriamo non troppo gravi), che tuttavia la forma di divulgazione prescelta ci consentirà di ridurre progressivamente via via che saranno individuati. A tale scopo invitiamo caldamente tutti gli studenti non solo a segnalarci gli errori che avranno individuato, ma anche a inviarci commenti, suggerimenti e critiche volte a migliorare il prodotto didattico. iii

4 PREMESSA INDICE DELLE DISPENSE Cap. Argomento 0 Introduzione 1 Origine e struttura dei terreni 2 Costipamento 3 Principio delle tensioni efficaci 4 Idraulica dei terreni 5 Modelli reologici 6 Pressioni di contatto e diffusione delle tensioni in un semispazio elastico 7 Compressibilità e consolidazione edometrica 8 Ancora sulla consolidazione 9 Resistenza al taglio dei terreni 10 Terreni insaturi 11 Teoria dello stato critico e modello Cam Clay modificato 12 Indagini in sito 13 Spinta delle terre 14 Opere di sostegno 15 Capacità portante delle fondazioni superficiali 16 Cedimenti delle fondazioni superficiali 17 Capacità portante di fondazioni profonde 18 Stabilità dei pendii iv

5 INTRODUZIONE INTRODUZIONE La Geotecnica è una disciplina che tratta la meccanica dei terreni e delle rocce, e le sue applicazioni nell ambito dei problemi di ingegneria civile e ambientale (fondazioni, opere di sostegno, stabilità dei pendii, miglioramento e rinforzo dei terreni, etc..). Poiché ogni opera di ingegneria civile è fondata e/o è realizzata con il terreno, la progettazione geotecnica esiste da quando esiste l ingegneria civile. Tuttavia fino a non molti decenni fa le regole di progettazione geotecnica sono state sostanzialmente empiriche, basate sull osservazione dei fenomeni naturali e del comportamento delle opere costruite. Oggi non sarebbe più possibile progettare su base empirica, per molti motivi, fra cui: - riduzione dei tempi di esecuzione (il comportamento del terreno è fortemente influenzato dalla velocità di applicazione dei carichi); - necessità di operare in contesti ambientali diversi, spesso residuali e non conosciuti, - minore tolleranza di effetti indesiderati, come i cedimenti assoluti e differenziali. La qualità del progetto geotecnico, in termini di sicurezza, funzionalità, durabilità, realizzabilità ed economicità, è determinata da una molteplicità di elementi. L evento della progettazione può essere infatti scomposto concettualmente nelle seguenti fasi: (1) analisi e comprensione della realtà fisica, ovverosia individuazione dei fattori che influiscono sui fenomeni in studio; (2) gerarchizzazione di tali fattori in base alla loro influenza nel contesto dell oggetto della progettazione; (3) schematizzazione del problema secondo le priorità delineate; (4) formulazione di o ricorso ad un modello adeguato al fine ed al contesto progettuale, ovverosia in relazione all obiettivo ed alla quantità e qualità dei dati disponibili e/o acquisibili; (5) caratterizzazione geotecnica specifica e finalizzata alla soluzione del problema in esame, previa valutazione della significatività e dell affidabilità dei dati di progetto; (6) implementazione del modello; (7) valutazione critica dei risultati in termini di affidabilità e in relazione all obiettivo da raggiungere; (8) definizione e descrizione delle modalità tecnologiche di realizzazione. Tutte le fasi della progettazione richiedono cultura (geo)tecnica. In quest ultima si individuano due componenti: scienza ed esperienza. Scienza intesa come comprensione dei fenomeni fisici e capacità di modellazione matematica. Esperienza intesa come valutazione della verosimiglianza dei dati e dei risultati sulla base dell analisi critica delle evidenze sperimentali di fenomeni analoghi, o parzialmente analoghi, a quello in studio. L uso combinato di scienza ed esperienza, teorizzato e formalizzato nei cosiddetti sistemi esperti, ma comunque pratica corrente di ogni buon progettista, può richiedere un processo iterativo di ottimizzazione. Dunque, condizioni fondamentali per una progettazione di qualità sono la scelta di un modello adeguato, la corretta valutazione dell affidabilità dei parametri numerici di ingresso al modello stesso, e la capacità di valutazione critica dell affidabilità dei parametri di uscita. Nel contesto della disciplina geotecnica, la scelta di un modello adeguato può tradursi in una molteplicità di conoscenze inerenti, ad esempio, i modelli costitutivi dei terreni, le teorie sulla capacità portante e sulla spinta delle terre, le indagini in sito ed in laboratorio. La seconda condizione può tradursi in una corretta valutazione dell affidabilità dei risulta- 1

6 INTRODUZIONE ti della caratterizzazione geotecnica preliminare al progetto; la terza condizione, infine, nella capacità di valutare i risultati dal punto di vista numerico, confrontandoli con quelli attesi in base all esperienza. Quest ultimo aspetto è di fondamentale importanza, in quanto implica concettualmente anche una verifica critica dell adeguatezza del modello progettuale adottato ed una valutazione qualitativa del livello di sicurezza del progetto stesso. La componente scienza della cultura geotecnica è necessaria per affrontare problemi nuovi o inusuali, e per impostare la ricerca tecnico-scientifica. La componente esperienza è necessaria per stimare l affidabilità dei risultati ottenuti. Una progettazione basata solo sull esperienza (ovvero sull empirismo) è possibile ma sterile, poiché tende a riprodurre se stessa. La meccanica dei terreni si differenzia dalla meccanica dei solidi e dalla meccanica dei fluidi poiché studia il comportamenti di mezzi plurifase particellari. Il relativamente tardo sviluppo della meccanica dei terreni moderna (prima metà del XX secolo) è dovuto alle difficoltà di modellare il comportamento di materiali costituiti da tre fasi (solida liquida - gassosa) che interagiscono fra loro, ed alla grande variabilità dei materiali compresi sotto il termine terreno. Variabilità stratigrafica, poiché il volume di terreno interessato da un problema geotecnico può comprendere materiali differenti, variabilità intrinseca ad ogni terreno, dipendenza del comportamento dei terreni dalla storia tensionale, deformativa e dal tempo. Un altra difficoltà specifica dell ingegneria geotecnica consiste nell acquisizione di dati sperimentali quantitativamente significativi e qualitativamente affidabili. Per risolvere i problemi di ingegneria geotecnica si ricorre spesso ad una tecnica non rigorosa ma ingegneristicamente efficace che consiste nel considerare separatamente i diversi aspetti del problema, e nell affrontare ciascuno di essi con modelli parziali, capaci di dare una risposta affidabile solo limitatamente ad un aspetto. Ad esempio il problema delle fondazioni superficiali viene affrontato modellando il terreno come un continuo elastico per determinare la diffusione delle tensioni, come un mezzo rigido perfettamente plastico per determinare il carico limite di rottura, come un mezzo elasto-plastico-viscoso per il calcolo delle deformazioni e del loro decorso nel tempo, etc.. In termini ingegneristici, i materiali naturali che costituiscono la parte più superficiale della crosta terrestre possono essere suddivisi in due grandi categorie: i terreni e le rocce. I terreni (o rocce sciolte) sono aggregati di particelle, o granuli, di minerali e materiali organici, generalmente sciolti o con deboli legami di cementazione o di adesione che possono essere distrutti con semplice agitazione meccanica o in acqua. Risultano quindi caratterizzati da valori limitati della resistenza meccanica. Le rocce (lapidee) sono aggregati naturali di minerali tra i quali si esercitano forze attrattive e di adesione di notevole entità che conferiscono all insieme valori elevati della resistenza meccanica. Per queste ultime, la disaggregazione, se si eccettua il caso di alcune rocce solubili, non può essere ottenuta neppure dopo la permanenza in acqua. Questa distinzione è convenzionale: in altre discipline scientifiche i termini terreno e roccia assumono significati diversi; inoltre esistono materiali naturali, di transizione, con caratteristiche tali da non poter essere facilmente inseriti in nessuna delle due categorie. 2

7 INTRODUZIONE Nel seguito, ci occuperemo in particolare di terreni o rocce sciolte, cioè di materiali che possono essere schematizzati come mezzi polifase, costituiti da uno scheletro solido, formato dall insieme di tutti i granuli, o meglio, di tutte le particelle 1, da una fase liquida (generalmente acqua) e da una fase gassosa (generalmente aria e/o vapor d acqua). Se ci riferiamo ai terreni naturali, ai nostri climi e alle profondità che in genere interessano l ingegneria civile, non commettiamo un grosso errore se consideriamo in prima approssimazione le terre come mezzi a due fasi, essendo quasi tutti i vuoti tra granulo e granulo riempiti d acqua. 1 Il termine granulo per alcuni tipi di terreno, come ad esempio una ghiaia o una sabbia, non dà problemi di comprensione; per altri, ad esempio per un terreno argilloso, può essere molto meno comprensibile, nel senso che il granulo non è neppure visibile a occhio nudo ed è una struttura molto più complessa di quella di un granulo di sabbia 3