CAPITOLO 3 STATI DI TENSIONE NEL TERRENO

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1 CAPITOLO 3 Essendo il terreno un materiale multifase, il suo comportamento meccanico (compressibilità, resistena), in seguito all applicaione di un sistema di sollecitaioni esterne o, più in generale, ad una ariaione delle condiioni esistenti, dipende dall interaione tra le dierse fasi. Lo studio di questa interaione, che rappresenta un problema estremamente complesso, può essere affrontato, in linea teorica, seguendo due tipi di approccio: il primo consiste nell analiare il comportamento della singola particella, in relaione alle particelle circostanti ed al fluido interstiiale, e nel determinare la risposta di un elemento di terreno a partire dalla modellaione del comportamento di un insieme di particelle; il secondo è basato su una trattaione di tipo più integrale, che prescinde dalle icende dei singoli grani e analia il comportamento globale del meo. Il primo modo di procedere è talmente complesso da risultare di fatto inutiliabile le applicaioni ingegneristiche, cosicché nella pratica, con una pesante semplificaione dal punto di ista concettuale, un terreno saturo (salo diersa indicaione ci riferiremo nel seguito a terreni totalmente saturi d acqua) iene assimilato a due mei continui sorapposti, oero che occupano lo stesso olume, l uno solido, l altro fluido. Tale semplificaione implica che le proprietà di un elemento di terreno, infinitesimo o finito, siano le stesse, e che si possano estendere anche ai terreni i concetti di tensione e deformaione propri dei mei continui con le relatie notaioni. Naturalmente è necessario stabilire una legge di interaione tra le fasi, oero tra i due continui solido e fluido che occupano lo stesso olume di terreno. Tale legge è il principio delle tensioni efficaci, enunciato da Karl Teraghi nel Principio delle tensioni efficaci Le esatte parole con cui Teraghi enuncia il principio delle tensioni efficaci alla 1 a Conferena Internaionale di Meccanica delle Terre (Londra, 1936) sono le seguenti: The stress in any point of a section through a mass of soil can be computed from the total principal stresses 1, and 3 hich act at this point. If the oids of the soil are filled ith ater under a stress u the total principal stresses consist of to parts. One part u acts in the ater and in the solid in eery direction ith equal intensity. It is called the neutral stress (or the pore pressure). Le tensioni in ogni punto di una seione attraerso una massa di terreno possono essere calcolate dalle tensioni principali totali 1, e 3 che agiscono in quel punto. Se i pori del terreno sono pieni d acqua ad una pressione u, le tensioni principali totali possono scomporsi in due parti. Una parte, u, agisce nell acqua e nella fase solida in tutte le direioni con eguale intensità, ed è chiamata pressione neutra (o pressione di pori). The balance 1 = 1 u, = u, and Le differene 1 = 1 u, = u, e 3 = 3 u represents an excess oer the 3 = 3 u rappresentano un incremento 3-1 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

2 neutral stress u and it has its seat exclusiely in the solid phase of the soil. This fraction of the total principal stress ill be called the effectie principal stress. All measurable effects of a change of stress, such compression, distortion and a change of shearing resistance, are exclusiely due to changes in the effectie stresses. Si osseri che: rispetto alla pressione neutra ed hanno sede esclusiamente nella fase solida del terreno. Questa fraione della tensione totale principale sarà chiamata tensione principale efficace. Ogni effetto misurabile di una ariaione dello stato di tensione, come la compressione, la distorsione e la ariaione di resistena al taglio è attribuibile esclusiamente a ariaioni delle tensioni efficaci. Teraghi non attribuisce alcun significato fisico alle tensioni principali efficaci, ma le definisce semplicemente come differena tra tensioni principali totali e pressione interstiiale; le tensioni principali efficaci non sono dunque direttamente misurabili, ma possono essere desunte solo attraerso la contemporanea conoscena delle tensioni principali totali e della pressione interstiiale; il principio delle tensioni efficaci è una relaione di carattere empirico (come si desume dal fatto che Teraghi precisa che Ogni effetto misurabile...), sebbene sia stato finora sempre confermato dall eidena simentale. In definitia studiare il comportamento meccanico di un terreno saturo ci si riferisce a due mei continui sorapposti e mutuamente interagenti, e si definiscono in ogni punto il tensore delle tensioni totali, il tensore delle pressioni interstiiali (isotropo) e, differena, il tensore delle tensioni efficaci. Importanti implicaioni del principio delle tensioni efficaci sono: una ariaione di tensione efficace comporta una ariaione di resistena, se non i è ariaione di tensione efficace non aria la resistena, una ariaione di olume è sempre accompagnata da una ariaione di tensione efficace, una ariaione di tensione efficace non comporta necessariamente una ariaione di olume, condiione necessaria e sufficiente affinché si erifichi una ariaione di stato tensionale efficace è che la struttura del terreno si deformi, la deformaione può essere olumetrica, di taglio o entrambe. Un interpretaione fisica approssimata del concetto di tensione efficace può essere data nel modo seguente: si consideri una suficie immaginaria (di area trasersale pari ad A t ) che diida in due parti un elemento di terreno saturo sena seionare le particelle di terreno (Figura 3.1). 3- Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

3 Se indichiamo con: A c l area dei contatti intergranulari, u la pressione dell acqua nei pori, la fora totale erticale, F t,, agente sulla suficie, è data dalla somma delle componenti erticali delle fore trasmesse dai grani in corrispondena delle aree di contatto e dalla risultante della pressione dell acqua nei pori, agente in corrispondena delle one di contatto acqua- suficie, oero: F t, = Σ F i, + u (A t A c ) (Eq. 3.1) Diidendo tutto A t e indicando con = (F t, /A t ), la tensione erticale totale media sulla suficie considerata, l equilibrio in direione erticale si ha: = Σ F i, /A t + u (1 A c /A t ). (Eq. 3.) Posto Σ F i, /A t =, tensione efficace, e tenuto conto che l area dei contatti intergranulari è trascurabile rispetto all area totale (A c << A t ), si ottiene infine: = + u oero l equaione del principio degli sfori efficaci. A commento di quanto sopra detto, è opportuno eideniare che: (Eq. 3.3) la tensione efficace,, rappresenta la somma delle fore intergranulari riferita all area totale della seione considerata (quindi una tensione media sulla seione) e non la pressione esistente in corrispondena delle aree di contatto, che risulta molto maggiore di (essendo l area di contatto molto piccola); nel caso dei minerali argillosi, il termine include anche le aioni elettromagnetiche (di attraione e repulsione) tra le particelle, che non risultano trascurabili rispetto alle pressioni intergranulari; ani, argille ad alta plasticità, doe potrebbero anche non esistere contatti intergranulari, rappresenta la risultante delle fore di attraione e di repulsione tra le particelle; l ipotesi di trascurare il rapporto A c /A t non è sempre alida tutti i mei granulari A t F 1 F F3 F 4 F 5 F 6 Figura 3.1 Schema adottato l interpretaione del principio delle tensioni efficaci F 7 1 A titolo di esempio, consideriamo due diersi mei granulari: una sabbia omogenea, la quale si può ragioneolmente assumere un alore molto piccolo di A c /A t ( =.1) e un insieme di pallini di piombo, i quali il alore del rapporto A c /A t è maggiore e ale approssimatiamente.3 (in quanto a parità di dimensioni, forma e tensione totale agente su di essi, la deformabilità risulta più grande i pallini di piombo con un conseguente aumento dell area di contatto tra le particelle). Assumiamo inoltre, entrambi i mei granulari: = 1kPa e u = 5kPa, e quindi il principio delle tensioni efficaci = u = 5kPa. Per la sabbia si ha: Σ F i, /A t = - u (1 A c /A t ) =1 5 (1.1) = 5.5 kpa e la pressione erticale media di contatto interparticellare è molto eleata e ale: Σ F i, /A C = (Σ F i, /A T ) (A T / A C ) = 5.5/.1 = 55 kpa. Per i pallini di piombo inece si ha: Σ F i, /A t = - u (1 A c /A t ) =1 5 (1.3) = 65 kpa e la pressione erticale media di contatto interparticellare è molto meno eleata e ale: Σ F i, /A C = (Σ F i, /A T ) (A T / A C ) = 65/.3 = 16.7 kpa. 3-3 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

4 Per capire meglio il principio delle tensioni efficaci, consideriamo un recipiente contenente della sabbia immersa in acqua (Figura 3.a), in modo che il liello dell acqua sia coincidente con quello della sabbia (tutti i pori tra i grani sono pieni d acqua, il terreno è saturo). Se immaginiamo di aggiungere sopra la sabbia uno strato di pallini di piombo (Figura 3.b), si arà un incremento di pressioni totali,, e un conseguente abbassamento, h, del liello suiore della sabbia. In questo caso, i pallini trasmettono le sollecitaioni direttamente allo scheletro solido, la pressione dell acqua all interno dei pori (pressione interstiiale) non cambia, l incremento di tensione efficace è pari a quello di tensione totale ( = ); la ariaione delle tensioni efficaci produce degli effetti sul comportamento meccanico del terreno e induce dei cedimenti. Se inece immaginiamo di innalare il liello dell acqua (Figura 3.c), nel recipiente contenente sabbia e acqua, si arà un incremento di pressione totale douto unicamente ad un incremento del carico idrostatico, che produce in ciascun punto un analogo incremento della pressione interstiiale. In questo caso = u e = ; non aendo ariaioni delle tensioni efficaci non si hanno né effetti sul comportamento meccanico del terreno né cedimenti. Pallini di piombo h (a) (b) Figura 3. Effetti della ariaione delle tensioni totali sulle tensioni efficaci: (a) condiione iniiale; (b-c) Eguale incremento di tensione totale,, testimoniato dalla medesima ariaione di peso registrata dalla bilancia; (b) =, u = produce l effetto misurabile del cedimento h; (c) = u, = non si ha alcun effetto misurabile 3. Tensioni geostatiche In molti problemi di ingegneria geotecnica può essere necessario stimare l effetto che una turbaione, come ad esempio l applicaione di un carico in suficie, lo scao di una trincea o l abbassamento del liello di falda, produce sul terreno in termini di resistena e di deformaione. (c) 3-4 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

5 A tal fine è necessario prima stimare le ariaioni dello stato di sollecitaione indotto dalla turbaione nel terreno, e poi applicare la legge costitutia, oero le relaioni che mettono di stimare, date le ariaioni di tensione, le conseguenti deformaioni, immediate e/o ritardate, del terreno. Poiché quasi mai il terreno può essere assimilato ad un meo elastico lineare, le deformaioni indotte dalla ariaione di stato tensionale dipendono anche dallo stato tensionale iniiale del terreno, oero precedente alla turbaione, e dalla storia tensionale e deformatia che il terreno ha subito fino a quel momento. Perciò è molto importante stimare lo stato tensionale douto al peso proprio del terreno (tensioni geostatiche), che di norma corrisponde allo stato tensionale iniiale. La conoscena dello stato tensionale iniiale in sito è dunque un punto di partena fondamentale la soluione di qualunque problema di natura geotecnica. In assena di carichi esterni applicati, le tensioni iniiali in sito sono rappresentate dalle tensioni geostatiche (o litostatiche), oero dalle tensioni presenti nel terreno allo stato naturale, indotte dal peso proprio. Tali tensioni sono legate a molti fattori ed in particolare a: geometria del deposito, condiioni della falda, natura del terreno (caratteristiche granulometriche e mineralogiche, stato di addensamento o di consistena, omogeneità, isotropia), storia tensionale (con il termine storia tensionale si intende comunemente la sequena di tensioni, in termini di entità e durata, che hanno interessato il deposito dall iniio della sua formaione alle condiioni attuali), e la loro determinaione è, in generale, piuttosto complessa. Se consideriamo all interno di un deposito di terreno un generico punto P, con riferimento ad un elemento cubico infinitesimo di terreno, i cui lati sono orientati secondo un sistema di riferimento cartesiano ortonormale (,x,y,) con asse erticale, lo stato tensionale può essere definito una olta note le componenti normali,, e tangeniali, τ, delle tensioni agenti sulle facce dell elemento di terreno considerato (Figura 3.3). Tali tensioni sono legate tra loro ed alle componenti dp x, dp y e dp delle fore di olume, presenti nell elemento, attraerso le equaioni indefinite di equilibrio alla traslaione e alla rotaione: τ x dx dy d + x y y τ dx dy d + y x τ dx dy d + x yx xy x τ x dx dy d + dx dy d + dpx τ y dx dy d + dx dy d + dpy τ y dx dy d + dx dy d + dp y = = = τ τ τ xy x y = τ = τ = τ yx x y (Eq. 3.4) Nella Meccanica dei Terreni sono assunte positie le tensioni normali di compressione e le tensioni tangeniali che producono rotaioni orarie rispetto a un punto esterno al piano di giacitura (oero che danno origine ad una coppia antioraria). 3-5 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

6 x O y τ x τ y τ y τx τxy τ yx y x Figura 3.3 Stato tensionale di un elemento infinitesimo di terreno Nel caso di: piano di campagna oriontale ed infinitamente esteso, uniformità oriontale delle proprietà del terreno (quindi terreno omogeneo od e- entualmente stratificato, con disposiione oriontale degli strati), falda oriontale e in condiioni di equilibrio idrostatico, si realia ragioni di simmetria uno stato tensionale assial-simmetrico rispetto all asse, in cui in ogni punto il piano oriontale e tutti i piani erticali sono principali e le tensioni oriontali sono tra loro uguali, in tutte le direioni. Lo stato tensionale totale in un generico punto P può essere dunque uniocamente definito mediante una tensione totale erticale, =, e una tensione totale oriontale, x = y = h (Figura 3.4). x h h h dp + d Figura 3.4 Stato tensionale assial-simmetrico e tensioni geostatiche nel terreno 3-6 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

7 Le equaioni indefinite dell equilibrio, (3.4), considerando che le fore di olume sono rappresentate dalla sola fora peso dp = - dp = - γ dx dy d, risultano così semplificate: h h = = x y = γ (Eq. 3.5) 3..1 Tensioni erticali Integrando l equaione ottenuta dall equilibrio in direione erticale, è possibile ricaare il alore della pressione erticale totale alla profondità : = γ ( ) d (Eq. 3.6) Vale la pena eideniare che le tensioni litostatiche engono spesso indicate con il simbolo a pedice, sottolineare che si tratta di condiioni iniiali (di partena il problema geotecnico di interesse). Se il deposito è omogeneo (γ costante con la profondità) e = = (assena di carichi erticali sul piano di campagna) e la suficie pieometrica coincide col piano di campagna ( = ) si ha, dall equaione (3.6): o = γ (Eq. 3.7) doe γ rappresenta il peso di olume saturo fino alla profondità considerata 3. Nel caso di deposito costituito da più strati oriontali caratteriati da alori di γ diersi (costanti all interno di ciascuno strato), il alore della pressione erticale totale alla profondità è dato inece da: o = Σ i γ i i (Eq. 3.8) essendo i lo spessore dello strato i-esimo compreso entro la profondità. È da osserare che anche all interno di uno stesso strato γ può ariare con la profondità (anche effetto del solo peso proprio l indice dei uoti di un terreno diminuisce al crescere della profondità e conseguentemente aumenta il suo peso di olume); in tal caso si è soliti suddiidere il deposito in sottostrati i quali iene assunto γ costante. La pressione erticale efficace,, non è inece determinabile direttamente. Una olta determinato il alore della pressione erticale totale,, è necessario ciò alutare an- 3 Nel caso in cui la suficie pieometrica sia al di sopra del piano di campagna ad una distana H, allora la tensione erticale totale è data da: o = γ + γ H, mentre nel caso in cui sia al di sotto del piano di campagna ad una profondità, allora la tensione erticale totale è: o = γ sat ( - ) + γ, doe γ rappresenta il peso di olume del terreno al di sopra della falda (in genere parialmente saturo a causa di fenomeni di risalita capillare) e γ d < γ < γ sat. 3-7 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

8 che il alore della pressione dell acqua nei pori, ossia il alore della pressione interstiiale, u, in modo da poter applicare l equaione del principio delle pressioni efficaci (3.3). In condiioni di falda in quiete, la pressione dell acqua, u, può essere ricaata una olta nota la posiione della suficie pieometrica, che è definiione il luogo dei punti in cui la pressione dell acqua è uguale alla pressione atmosferica, u a (in pratica la pressione dell acqua u può essere rileata utiliando arie tecniche di misura che erranno descritte in uno dei capitoli seguenti). Poiché conenionalmente si assume u a =, si ha, all interno di un deposito reale, u > sotto la suficie pieometrica e u < sopra (specie terreni coesii la presena di fenomeni di risalita capillare). Essendo la determinaione dei alori u < molto incerta, si è soliti assumere u = al di sopra della suficie pieometrica, commettendo consapeolmente un errore che, nella maggior parte dei casi è a faore della sicurea. In ciascun punto al di sotto della suficie pieometrica, e in assena di moto di filtraione, la pressione dell acqua, uguale in tutte le direioni, è pari al alore idrostatico 4, oero: u = γ (Eq. 3.9) essendo la profondità del punto considerato rispetto alla suficie pieometrica. Pertanto, aendo assunto un sistema di riferimento con l asse erticale discendente e origine sul piano campagna, se la suficie pieometrica si troa a profondità, il alore della pressione interstiiale a profondità si assume pari a: u = < u = γ (- ) Ricordando l espressione generale di (3.8), si ha quindi: (Eq. 3.1) o = o - u = o = Σ i γ i i o = o - u = Σ i γ i i γ (- ) 3.. Tensioni oriontali < (Eq. 3.11) Al contrario di quanto accade le pressioni erticali, la determinaione delle pressioni oriontali in un deposito risulta incerta, poiché le equaioni che si ricaano dall equilibrio alle traslaioni in direione oriontale, (3.5), forniscono h = costante e quindi non danno nessuna informaione utile. Non essendo tanto possibile una loro determinaione analitica, è necessario ricorrere ad eidene simentali. L osseraione condotta simentalmente su depositi di differente origine e composiione, ha eideniato che il alore di h dipende, oltre che da: geometria del deposito, condiioni della falda, 4 Infatti nella maggior parte dei casi i uoti nei terreni sono fra loro comunicanti e quindi sotto falda sono saturi d acqua. In alcuni casi ciò non è ero: ad esempio in alcuni terreni di origine ulcanica, come i terreni di Sarno. 3-8 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

9 e natura del terreno (analogamente a quanto accade ), anche dalla storia tensionale del deposito. Per meglio comprendere l influena della storia tensionale del deposito sul alore della tensione oriontale, si faccia riferimento ad un caso di sedimentaione in ambiente lacustre su un area molto estesa in direione oriontale. La tensione erticale totale nel punto P (Figura 3.5a), in corrispondena del piano di campagna, è iniialmente uguale alla pressione interstiiale, quindi la tensione efficace erticale risulta nulla. Durante la deposiione, dopo un certo iodo di tempo, il terreno nel punto P si troa ad una certa profondità dal piano di campagna, e una olta raggiunto l equilibrio sotto l aione del peso del terreno sorastante, si ossera che la pressione interstiiale è rimasta immutata, mentre effetto del peso del terreno sorastante, è aumentata la tensione erticale totale e con essa, il principio delle tensioni efficaci, anche la tensione efficace erticale, (A). Il terreno in tale punto ha subito una compressione assiale (ε ) sena deformaioni laterali (ε x = ε y = ), ragioni di simmetria, essendo il deposito infinitamente esteso in direione oriontale. Quindi risulta che la deformaione olumetrica, ε, è legata alla ariaione di altea H e dell indice dei uoti e del terreno dalla seguente relaione: H ε = ε1 + ε + ε3 = ε = 5 (Eq. 3.1) H doe 6 : V (V + V ) (V + V ) V / V V s 1 s s 1 s 1 ε = = = = (Eq. 3.13) V V + V V / V + V / V 1 + e 1 + e s s s s da cui quindi risulta che: H e = H 1+ e / V e e = e (Eq. 3.14) a) b) e A (C) (B) (A) e B C P Figura Sedimentaione in ambiente lacustre (a) e linea di compressione ergine (b) (log) 5 Il segno negatio eidenia che nella Meccanica dei Terreni engono considerate positie le diminuioni di olume e di lunghea. 6 Si assume che il olume dei solidi V s rimanga costante nell ipotesi di incompressibilità dei grani. 3-9 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

10 Tale fenomeno di deformaione monodimensionale errà ripreso ed approfondito nel Capitolo 7 e può essere descritto riportando su un grafico in scala semilogaritmica la tensione efficace erticale nel punto P considerato e l indice dei uoti corrispondente, raggiunto al procedere della deposiione del materiale. I alori si dispongono su una retta detta linea di compressione ergine (linea ABC in Figura 3.5b). In queste condiioni di deformaioni oriontali impedite doute alla particolare geometria e simmetria del deposito, l incremento delle tensioni efficaci oriontali è sempre proporionale al corrispondente incremento delle tensioni efficaci erticali, secondo un coefficiente detto coefficiente di spinta a riposo ( a riposo significa in assena di deformaioni laterali) e, considerando che =, h =, ale la seguente relaione: K o = ʹ ho ʹ o (Eq. 3.15) In particolare durante la fase di deposiione del materiale, tale coefficiente rimane costante al ariare della tensione efficace erticale raggiunta e dipende solo dalla natura del terreno. In una situaione di questo genere, in cui la tensione efficace erticale geostatica,, coincide con la tensione efficace erticale massima sopportata dal deposito in quel punto durante la sua storia, si parla di terreno normalconsolidato (o normalmente consolidato, indicato con il simbolo NC). Supponiamo ora che alla fase di sedimentaione segua una fase di erosione (Figura 3.6a), e conseguentemente il deposito nel punto P, raggiunta la situaione rappresentata dal punto C in Figura 3.5b, subisca uno scarico tensionale con riduione della tensione efficace erticale, fino al alore (D), e conseguente incremento dell indice dei uoti. Riportando i alori di tensione efficace erticale raggiunti in funione dell indice dei uoti (Figura 3.6b) si ossera che lo scarico non aiene sulla stessa linea di compressione ergine (corrispondente alla fase di sedimentaione), ma su una retta di pendena noteolmente inferiore (linea di scarico), doe a parità di tensione efficace erticale raggiunta, il terreno presenta, rispetto alla fase di sedimentaione, una struttura più stabile, caratteriata da una maggiore resistena al taglio e da una minore compressibilità (fenomeno di preconsolidaione). In una situaione di questo genere in cui la tensione efficace erticale massima subita dal deposito nel punto considerato, (C), detta pressione di preconsolidaione ed indicata con p, è maggiore della tensione efficace erticale geostatica, il terreno si definisce soraconsolidato (indicato con il simbolo OC) e l entità della soraconsolidaione, legata all ampiea dello scarico e quindi al alore della tensione efficace erticale raggiunta, (D), è rappresentata dal grado di soraconsolidaione, OCR (OerConsolidation Ratio): ʹ OCR = ʹ p (Eq. 3.16) doe la pressione di preconsolidaione p è usualmente determinata da proe di laboratorio su campioni indisturbati 7. 7 Nel caso in cui la soraconsolidaione sia di origine meccanica (douta cioè a fenomeni di erosione o di innalamento del liello di falda) il grado di soraconsolidaione risulta massimo in prossimità della suficie del deposito e tende all unità all aumentare della profondità. 3-1 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

11 a) b) e (E) (C) (D) D C E P Figura Fase di erosione e sedimentaione (a) e linea di scarico e ricarico (b) (log) Al procedere dello scarico tensionale anche la tensione efficace oriontale si riduce, ma non in modo proporionale alla riduione della tensione efficace erticale, cosicché il coefficiente di spinta a riposo, che si indica col simbolo K (OC), aumenta al diminuire della tensione efficace erticale raggiunta (e quindi all aumentare di OCR). Infine se il deposito è soggetto a una nuoa fase di deposiione, con conseguente incremento delle tensioni efficaci erticali a partire dal punto indicato con D in Figura 3.6, il terreno si muoe su una linea quasi coincidente a quella di scarico (linea di ricarico) fino al raggiungimento della pressione di preconsolidaione, (C), raggiunta la quale il terreno ritorna a comportarsi come un terreno normalconsolidato e a ricorrere la linea di compressione iniiale. Il coefficiente K o, può essere alutato a partire dai risultati di alcune proe in sito (che edremo nei capitoli seguenti). Frequentemente iene stimato meo di relaioni empiriche a partire da parametri di più semplice determinaione (p. es. dalla densità relatia i terreni a grana grossa o dall indice di plasticità terreni a grana fine). K o i terreni normalconsolidati (solitamente indicato col simbolo K o (NC)) aria generalmente tra.4 e.8; in genere si hanno alori più bassi terreni granulari, più alti limi e argille. Per terreni coesii NC, le relaioni empiriche esistenti in letteratura Indisturbato legano generalmente K o a I p, con Disturbato o ricostituito in laboratorio K o linearmente crescente con I p. Un esempio è riportato in Figura 3.7. Coefficiente di spinta a riposo, K Indice di plasticità, I p Figura 3.7 Correlaione tra il coefficiente di spinta a riposo terreni normalconsolidati, K (NC), ottenuto da proe di laboratorio, e l indice di plasticità, I p Per terreni incoerenti NC esistono in letteratura correlaioni tra K o e D R, nelle quali K o decresce al crescere di D R. Un esempio è riportato in Figura Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

12 In generale, tutti i tipi di terreno, iene spesso utiliata la seguente relaione di Jaky semplificata: K o 1- sin φ (Eq. 3.17) doe φ è l angolo di resistena al taglio (parametro che errà definito nel capitolo relatio alla resistena). Per terreni soraconsolidati, K o può raggiungere alori anche maggiori di 1, e può essere stimato a partire dal alore di K o del medesimo terreno normalconsolidato, mediante una relaione del tipo: Figura 3.8 Correlaione tra il coefficiente di spinta a riposo terreni normalconsolidati, K (NC),e la densità relatia, D r K o (OC) = K o (NC) OCR α (Eq. 3.18) doe α è un coefficiente empirico legato alla natura del terreno. Per terreni coesii iene spesso assunto α.5. Esistono in letteratura correlaioni che legano α a I p, del tipo α = a I -b p, in cui α risulta una funione decrescente di I p. Per terreni incoerenti la determinaione simentale di OCR, che richiede il prelieo di campioni indisturbati, non è generalmente possibile. Perciò, anche se e- sistono alcune relaioni empiriche di letteratura tra α e D R (un esempio è riportato in Figura 3.9), il coefficiente di spinta a riposo in depositi OC di terreno incoerente, iene più opportunamente determinato mediante proe in sito. Figura 3.9 Variaione dell esponente α con la densità relatia, D r Da quanto sopra detto, lo stato di tensione in un punto di un deposito di terreno o- mogeneo durante un processo di sedimentaione (carico), di successia erosione (scarico), e infine di nuoa sedimentaione (ricarico), è qualitatiamente rappresentato in Figura 3.1 a, mentre la ariaione del coefficiente di spinta a riposo durante lo stesso processo è rappresentato in Figura 3.1 b. In conclusione, in un qualunque punto del deposito, noto il alore della pressione erticale efficace litostatica, o, e noto il coefficiente di spinta a riposo, K o, il alore della pressione oriontale efficace litostatica, ho, può essere ricaato mediante la relaione: ho = K o o definiione stessa di K o. (Eq. 3.19) 3-1 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

13 h a) b) Κ Ricarico (OC) e Ricarico (OC) D A B C Carico (NC) K(OC) K(NC) C Scarico (OC) K(OC) K(NC) D A B Scarico (OC) C Carico (NC) Figura 3.1 Stati di tensione (a) e ariaione del coefficiente di spinta a riposo (b) in un deposito di terreno omogeneo, durante la fase di sedimentaione (carico), la fase di successia erosione (scarico) e nuoa sedimentaione (ricarico). Dal alore della pressione oriontale efficace è possibile poi ricaare il alore della pressione oriontale totale, sfruttando di nuoo la formulaione del principio delle pressioni efficaci e sommando il alore di u (già calcolato, essendo, come sottolineato in precedena, la pressione dell acqua un tensore sferico, isotropo) a ho, oero: ho = ho + u (Eq. 3.) Riassumendo, sotto opportune ipotesi semplificatie iniiali, noti: - il peso di olume sopra e sotto falda, - la posiione della suficie pieometrica, - il coefficiente di spinta a riposo, è possibile definire completamente lo stato tensionale geostatico all interno di un deposito, che normalmente coincide con lo stato tensionale iniiale, la cui conoscena è, come già osserato, un punto di partena indispensabile la soluione di qualunque problema geotecnico Influena dell oscillaione del liello di falda sulle tensioni efficaci Si consideri un deposito, ipotiato semplicità omogeneo, caratteriato da un peso di olume umido γ, sopra falda, e da un peso di olume saturo, γ sat, sotto falda. a) Supponiamo iniialmente la falda ad una profondità dal piano di campagna, e determiniamo l andamento delle tensioni totali, efficaci e delle pressioni interstiiali con la profondità (Figura 3.11a). In particolare utiliando la (3.7) si ottiene l andamento delle tensioni erticali totali (nell ipotesi che il terreno non sia completamente saturo al di sopra della falda): 1 = γ 1 = γ sat ( ) + γ mentre dalla (3.1) si ottiene l andamento delle pressioni interstiiali: u1 = u1 = γ ( ) Infine, differena, (3.3), si ottiene l andamento delle tensioni efficaci: 3-13 < < Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

14 ʹ 1 = γ ʹ 1 = γ sat ( ) + γ γ ( ) = ( γ sat γ )( ) + γ = γʹ( ) + γ < Supponendo che la falda si abbassi ad un liello >, l andamento delle tensioni totali, delle pressioni interstiiali e delle tensioni efficaci risulta così modificato (Figura 3.11 b): u u ʹ ʹ = γ = γ = = γ sat = γ ( ( = γʹ( ) ) + γ ) + γ < < < Supponendo che il peso di olume del terreno sopra falda sia lo stesso le due condiioni esaminate, la ariaione corrispondente delle pressioni totali efficaci e interstiiali è data da: = = = = = ( γ = ( γ sat sat γ) ( γ) ( ) ) < < < u = u u = u u = u u u u = = γ = γ ( ( ) ) < < < ʹ ʹ ʹ = ʹ = ʹ = ʹ ʹ ʹ ʹ = = ( γ γʹ) ( = ( γ γʹ) ( ) ) < < < p.c u (a) (b) (a ) (b) (b) (a) (a) (b) Figura 3.11 Effetto dell abbassamento della falda, al di sotto del piano di campagna, sulle tensioni efficaci Dalle relaioni precedenti si ossera che, essendo > e γ sat > γ > γ, le tensioni totali e le pressioni interstiiali, tranne che nello strato al di sopra del liello di falda iniiale 3-14 Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

15 doe rimangono inariate, diminuiscono. La ariaione, di entità differente nei due casi, è costante con la profondità al di sotto del liello finale della falda. Le tensioni efficaci, inece, al di sotto del liello di falda iniiale, aumentano proocando nel terreno un incremento della resistena al taglio ed una compressione che ne determina un cedimento. b) Supponiamo ora che la ariaione del liello di falda aenga al di sopra del piano di campagna (Figura 3.1), cioè che la falda si abbassi da una quota h 1 rispetto al piano di campagna ad una quota h < h 1, mantenendosi sempre al disopra del piano di campagna. L andamento delle tensioni totali, efficaci e delle pressioni interstiiali all interno del deposito, prima (Figura 3.1a) e dopo l abbassamento (Figura 3.1b), risulta il seguente: 1 = γ sat + γ u1 = γ ( + h1) ' 1 = γ' h 1 = γ sat + γ h u = γ ( + h ) ' = γ' Quindi la ariaione corrispondente delle pressioni totali efficaci e interstiiali è pari a : = 1 = γ ( h h1) u = u u1 = γ (h h1) ' = ' ' 1 = (a) (b) p.c h 1 h u (a) (b) (b) (a) (a)=(b) Figura 3.1 Effetto dell abbassamento della falda, al di sopra del piano di campagna, sulle tensioni efficaci Da cui si ossera che la diminuione delle tensioni totali è sempre uguale alla ariaione delle pressioni interstiiali e, a parte il primo tratto compreso tra la quota iniiale e finale della falda doe cresce linearmente con la profondità, è sempre costante. Conseguente Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)

16 mente la ariaione delle tensioni efficaci è sempre nulla, ciò significa che l abbassamento della falda in questo caso prooca una diminuione delle tensioni totali che si scarica interamente sul campo fluido e non modifica il regime delle tensioni efficaci e quindi la resistena al taglio del terreno Uniersità degli Studi di Firene - Dipartimento di Ingegneria Ciile e Ambientale Seione Geotecnica J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Re. Settembre 11)