BARRIERE MINERALI. Dott.Ing. Stefano Busana

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1 PROGETTAZIONE GEOTECNICA BARRIERE MINERALI Dott.Ing. Stefano Busana MAGGIO 2012

2 BARRIERA IMPERMEABILE- PRESCRIZIONI DEL D.LGS 36/2003 SULLE DISCARICHE Barriere minerali: Copertura: strato minerale compattato dello spessore maggiore o uguale a 0,5 m e di conducibilità idraulica minore o uguale a 10-8 m/s, integrato da un rivestimento impermeabile superficiale per gli impianti di discarica di rifiuti pericolosi Fondo: strato minerale compattato dello spessore maggiore o uguale a 1,0 m e di conducibilità idraulica minore o uguale a 10-9 m/s.

3 ARGILLE ADATTE ALLA REALIZZAZIONE DI BARRIERE DELLE DISCARICHE Per conseguire la permeabilità desiderata occorre che (Linee Guida CTD, 1997): percentuale di fine (passante al setaccio ASTM n.200, apertura 75µm) > 25%; indice di plasticità IP compreso fra il 10 e il 50%; percentuale di ghiaia (passante al setaccio ASTM n.4, apertura 4,76 mm) non superiore al 30%; dimensione massima dei grani mm.

4 STRUTTURA DEI TERRENI (1) Mitchell (1993), riferendosi ad un terreno sciolto qualsiasi, afferma che per caratterizzare compiutamente la struttura di un terreno è necessario suddividerla in: micro-struttura: aggregazioni regolari di particelle e di pori di piccolissime dimensioni, posti tra le particelle stesse; la dimensione massima di queste aggregazioni è dell ordine delle decine di micron; mini-struttura: associazione di aggregazioni della mini-struttura e dei pori posti tra tali aggregazioni; la dimensione massima di queste aggregazioni è dell ordine delle centinaia di micron; macro-struttura: contiene crepe, fessure, cavità, laminazioni, discontinuità varie.

5 STRUTTURA DEI TERRENI (2) Le proprietà meccaniche ed idrauliche dipendono in varia misura dai tre livelli di struttura sopra indicati. Ad esempio la conducibilità idraulica di un terreno coesivo è per lo più condizionato dalla macro- e dalla mini-struttura; mentre gli effetti di consolidazione primaria e secondaria sono principalmente da imputare alla minied alla micro-struttura. La struttura di un argilla compattata è principalmente influenzata dai seguenti fattori: contenuto d acqua e densità procedura ed energia di compattazione dimensione delle aggregazioni variazioni climatiche e di umidità

6 CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE Le terre prive di coesione (ghiaie e sabbie), vengono classificate in base alla granulometria. Le terre coesive, come i limi e le argille, hanno un comportamento notevolmente influenzato dal contenuto d acqua, pertanto vengono classificate con granulometria e con prove di caratterizzazione a diversi livelli di umidità (limiti di Atterberg).

7 LIMITI DI ATTERBERG (1) Un terreno a grana fine può presentarsi in quattro differenti stati fisici secondo il suo contenuto d acqua w = Pa/Ps (Pa= peso dell acqua e Ps=peso secco a 105 ) SOLIDO SEMISOLIDO PLASTICO aumenta w% LIQUIDO

8 LIMITI DI ATTERBERG (2) I valori di w corrispondenti al passaggio da uno stato ad un altro variano da terreno a terreno. Inoltre, poiché l interazione tra le particelle è influenzata dal contenuto d acqua, la compressibilità e la resistenza al taglio di un argilla possono essere correlate ai valori limite di w che individuano il passaggio tra due stati.

9 LIMITI DI ATTERBERG (3) I limiti di Atterberg sono i valori del contenuto d acqua che caratterizzano convenzionalmente i passaggi di una terra coesiva dallo stato liquido a quello plastico (limite di liquidità) e dallo stato plastico a quello semisolido (limite di plasticità). I limiti vengono determinati sulla frazione di terra passante al setaccio ASTM 40. Il w dal semisolido al plastico è detto limite di plasticità w p e quello dallo stato plastico allo stato fluido limite di liquidità w L

10 LIMITI DI ATTERBERG (4) Il limite di liquidità w L caratterizza il passaggio di una terra coesiva dallo stato liquido (consistenza nulla, impossibilità di modellare la terra) a quello plastico (possibilità di modellare la terra senza che si formino crepe superficiali) ed il metodo di laboratorio più utilizzato per la sua determinazione è quello di Casagrande.

11 LIMITI DI ATTERBERG (5) Il limite di plasticità w p è quel valore del contenuto d acqua che caratterizza il passaggio di una terra coesiva dallo stato plastico a quello semisolido (consistenza elevata; impossibilità di modellare la terra senza che si formino evidenti fessurazioni; tendenza allo sbriciolamento).

12 LIMITI DI ATTERBERG (6) La differenza fra il limite di liquidità e il limite di plasticità è detto: Indice di plasticità: I P = w L - w P Esso indica il campo di variazione del contenuto d acqua all interno del quale il terreno ha un comportamento plastico, può cioè essere deformato o rimaneggiato senza cambio di volume o senza fessurarsi. Il valore di I P cresce con la percentuale di argilla.

13 LIMITI DI ATTERBERG (7) I P Terreno 0-5 non plastico 5-15 poco plastico plastico > 40 molto plastico

14 LIMITI DI ATTERBERG Carta di CASAGRANDE

15 CLASSIFICAZIONE USCS

16 COMPATTAZIONE (1) La compattazione è una tecnica per aumentare la densità dei terreni per mezzo di adeguate attrezzature meccaniche; ha come fine quello di produrre nella terra, utilizzata come materiale da costruzione (es.: rilevati stradali e arginali), caratteristiche tali da renderla idonea a soddisfare specifiche esigenze progettuali. In particolare si può mirare ad ottenere: il miglioramento della resistenza al taglio; la riduzione della permeabilità; la diminuzione della compressibilità.

17 COMPATTAZIONE (2) Il terreno è costituito da particelle solide e da vuoti intergranulari, riempiti di aria e acqua; l addensamento determina la diminuzione dello spazio intergranulare, l aumento del numero di punti di contatto fra le particelle solide con conseguente miglioramento della resistenza a taglio. Si osserva sperimentalmente che, se l energia di compattazione si mantiene costante, la densità secca varia al variare del contenuto d acqua.

18 COMPATTAZIONE (3) Le particelle di terreno sono circondate da film d acqua, il cui spessore dipende dall umidità presente nel terreno. Quando tale film raggiunge un certo spessore, le particelle possono scorrere fra loro. Per le particelle grossolane lo spessore delle pellicole d acqua è trascurabile nei confronti del diametro; il fenomeno è pertanto significativo solo nei terreni a grana fine, dove l aggiunta di piccole quantità d acqua favorisce il processo di addensamento.

19 COMPATTAZIONE (4) Inizialmente, per contenuti d acqua molto bassi, la densità sale rapidamente al crescere del contenuto d acqua, poiché favorisce l avvicinamento delle particelle. Successivamente, la densità secca raggiunge un valore massimo, dopodiché diminuisce, in quanto, l ulteriore aggiunta di acqua tende a separare le particelle solide e a ridurre i contatti intergranulari.

20 COMPATTAZIONE (5) Per un determinato terreno esiste un valore di densità secca massima (definito Maximum) e un corrispondente contenuto d acqua ottimale (definito Optimum) per ciascun livello di energia di compattazione applicata. L obiettivo della prova di compattazione è pertanto quello di ricercare, per un dato terreno, il contenuto d acqua per il quale, ad una data energia di compattazione, corrisponde l addensamento massimo.

21 RIDUZIONE DELLA CONDUCIBILITA CON LA COMPATTAZIONE

22 APPARECCHIATURA PROVA PROCTOR

23 PROVA DI PERMEABILITA Prova a carico idraulico variabile in cella edometrica

24 PROVA PROCTOR STANDARD Curva di costipamento Limo di lavaggio Peso di Volume Contenuto d'acqua

25 PROVE DI COMPATTAZIONE Se per la stessa terra si adopera lo stesso metodo di costipamento, ma si varia l energia, si ottiene una famiglia di curve con andamento simile. Al crescere dell energia di costipamento aumenta il peso di volume massimo e diminuisce il contenuto d acqua optimum. La linea che congiunge i punti di optimum si dispone all incirca parallela alla curva di saturazione e, per contenuti d acqua superiori all optimum, le curve corrispondenti alle diverse energie tendono a confondersi in un unica linea. Pertanto, un aumento dell energia di costipamento è più efficace quando si lavora con un contenuto d acqua inferiore all optimum.

26 CURVE DI COSTIPAMENTO Proctor ridotto Proctor standard - ASTM D698 Proctor modif. - ASTM D1557 Linea degli ottimi Linea di saturazione peso specifico secco γd (kn/m 2 ) contenuto d'acqua W (%)

27 COMPATTAZIONE IN CAMPO I test di laboratorio, non possono ovviamente simulare i ripetuti passaggi delle attrezzature di compattazione su uno strato di terreno in campo. Lo sforzo di compattazione, inoltre, tende a variare da punto a punto. L approccio corretto consiste nel simulare in laboratorio un range di sforzi di compattazione tale da coprire l intervallo delle azioni che si svilupperanno in campo, cosicché si possa utilizzare il criterio del contenuto d acqua/peso di volume secco per qualunque ragionevole sforzo di compattazione. Per molti progetti di lavori in terra, lo sforzo corrispondente al Proctor modificato (ASTM D-1557) rappresenta un ragionevole limite superiore nello sforzo di compattazione. Il Proctor standard (ASTM D-698), probabilmente, uno sforzo medio di compattazione. Una parte di barriera potrebbe essere interessata da uno sforzo di compattazione minore rispetto al Proctor standard. La prova di compattazione Proctor ridotta (introdotta da Daniel e Benson), impiega 15 colpi del pestello anziché gli usuali 25 colpi. La prova Proctor ridotta rappresenta il minimo livello di energia di compattazione per un tipico terreno di copertura.

28 VARIAZIONE DELLA PERMEABILITA CON L ENERGIA DI COMPATTAZIONE

29 MODALITA DI COMPATTAZIONE Uno strato di argilla compattata, seguendo differenti metodi di compattazione, può essere caratterizzata dallo stesso contenuto d acqua, dalla stessa densità secca, ma da differente conducibilità idraulica. La compattazione di uno strato argilloso dovrebbe preferibilmente essere eseguita mediante rulli a piede di pecora, che producono elevate deformazioni tangenziali. Per ottenere una migliore compattazione è inoltre consigliabile procedere alla compattazione per sottili strati successivi, di spessore confrontabile con l altezza delle protuberanze dei rulli ( mm).

30 COMPATTAZIONE PER STRATI (1) La compattazione per strati successivi, nel caso di contatto incompleto degli stessi, può generare vie di filtrazione preferenziali, con aumento della conducibilità idraulica e l accorciamento del tempo di attraversamento della barriera. E necessario pertanto procedere alla scarificazione ed al controllo della umidità naturale superficiale di ciascuno straterello.

31 COMPATTAZIONE PER STRATI (2)

32 EFFETTO DEGLI STRATI Il risultato globale di bassa permeabilità della barriera è dipendente dalla variabilità del materiale e dalla costanza delle modalità di posa. Tale problematica, trattata su basi statistiche e validata con campi di prova da Jessberger et al.1993, Benson e Daniel 1994, consente di affermare che un numero di strati pari o maggiore di 4 compensa gli effetti della variabilità spaziale della permeabilità.

33 EFFETTO DELL ESSICCAZIONE NELL ARGILLA COMPATTATA I fenomeni di essiccazione e di fessurazione che si verificano in uno strato d argilla compattata possono portare all aumento della conducibilità idraulica complessiva anche di 2-3 ordini di grandezza. Lo strato argilloso deve pertanto essere mantenuto umido attraverso lo spruzzo di acqua o di sigillanti bituminosi, la successiva copertura con geomembrana (se prevista) o con altro terreno.

34 EFFETTO DEL GELO-DISGELO NELLE ARGILLE Cicli ripetuti di gelo e disgelo possono determinare sulla barriera argillosa un forte aumento della conducibilità idraulica e una perdita di resistenza. Tali effetti derivano da variazioni strutturali dell argilla, che portano alla formazioni di crepe e fessure. La protezione della barriera dagli effetti di gelo e disgelo può essere realizzata ponendo in opera nel minor tempo possibile uno strato di terreno di copertura, di spessore non minore della profondità di penetrazione locale del gelo.

35 EFFETTO DELLA GEOMEMBRANA IN COPERTURA (S.Melchior) 1000,00% Infilt. A/D 20% 100,00% Infilt. A/D 4% 10,00% Infilt. A/D/G 20% Infilt. A/D/G 4% 1,00% Pioggia 0,10% 0,01%

36 CARATTERISTICHE RICHIESTE (1) (Daniel e Wu, 1993) Bassa Conducibilità Idraulica (k 10-9 m/s) Adeguata Resistenza al Taglio (Cu > 100 kpa) Minimo Potenziale di Ritiro in condizioni asciutte ( < 4 % correlato alla comparsa di fessure importanti) Percentuale di materiale fine 25 25% Percentuale di ghiaia 30%

37 1 REQUISITO: PERMEABILITA Curve di compattazione D ensità se cca (k N /m 3 ) Linea Saturazione Linea optimum Contenuto d'acqua (%)

38 2 REQUISITO: RESISTENZA AL TAGLIO (Cu>100 kpa) 20 Curve di compattazione 19 /m 3 ) D e n s ità s e c c a (k N / Linea Saturazione Linea optimum Contenuto d'acqua (%)

39 3 REQUISITO: MINIMO POTENZIALE DI RITIRO (< 4%) 20 Curve di compattazione 19 /m 3 ) D e n s ità s e c c a (k N / Linea Saturazione Linea optimum Contenuto d'acqua (%)

40 ZONA RISULTANTE Curve di compattazione D e nsità s ecca (kn /m 3 ) Linea Saturazione Linea optimum Contenuto d'acqua (%)

41 EFFETTI DEL GELO Il congelamento del suolo e, ancor più, i cicli di gelo e disgelo, possono produrre radicali modifiche nelle caratteristiche di taluni terreni. In particolare, le argille risentono dell espansione di volume d acqua, una volta trasformata in ghiaccio, contenuta nei pori: ciò accade nel caso l acqua non riesca ad estrudere liberamente verso l esterno in fase di congelamento (come accade nelle rocce con il vetrato superficiale). Con il gelo possono verificarsi notevoli aumenti della conducibilità idraulica, da 2 a 6 volte quella prima del congelamento causata dalla dilatazione dei pori.

42 EFFETTI DEI CICLI ALTERNATI G/D I cicli alternati, invece, generano affaticamento del materiale, con maggior depauperamento delle caratteristiche geotecniche: pochi cicli di gelo-disgelo possono produrre un considerevole aumento della conducibilità idraulica dell argilla compattata

43 ANDAMENTO DELLA CONDUCIBILITA IDRAULICA CON I CICLI G/D

44 PROVVEDIMENTI Per evitare la perdita di prestazioni della barriera argillosa è necessario che le onde termiche, giornaliera e annuale, si attenuino nell ambito dello strato vegetale, affinché non si manifestino temperature al di sotto dello 0 C negli strati sottostanti.

45 EQUAZIONE DI FOURIER (1) La relazione che regola la trasmissione di un onda termica in regime monodimensionale, all interno di uno strato limitato dalla superficie x = 0 e infinitamente esteso nel verso delle x positive, è l equazione di Fourier: t τ con la condizione ai limiti: = a x 2 t 2 t s = t 0 + Asen ω t per x = 0

46 EQUAZIONE DI FOURIER (2) A = ampiezza della variazione superficiale di temperatura 2π ω = 2πf τ = rappresenta la pulsazione, essendo τ 0 il periodo e f la frequenza di oscillazione 0

47 EQUAZIONE DI FOURIER (3) L integrazione porta alla seguente equazione: t = t 0 + Ae γx sen ( ωτ γx ) 1 γ = ω/ 2 a = π / a τ ( m ) = costante di smorzamento e γ x / 0 = fattore di smorzamento a = diffusività termica. La variazione di temperatura all interno dello strato è ancora di tipo sinusoidale, ma con ampiezza ridotta rispetto alla variazione superficiale e con uno sfasamento, come riportato nel seguente grafico.

48 DIFFUSIVITA TERMICA La DIFFUSIVITÀ TERMICA, rappresenta, in pratica, il tempo necessario al riscaldamento del materiale: a = λ/(ρ. c) essendo: a = diffusività (m 2 /sec) λ = conduttività (W/m C) ρ = densità (Kg/m 3 ) c = calore specifico (J/ C kg)

49 ABBATTIMENTO E SFASAMENTO DELL ONDA TERMICA

50 ABBATTIMENTO DELL AMPIEZZA DELL ONDA TERMICA

51 ABBATTIMENTO IN FUNZIONE DELLA FREQUENZA DELL ONDA TERMICA l onda termica di alta frequenza (giornaliera), riduce la sua ampiezza dopo l attraversamento di uno spessore x assai limitato, dell ordine di qualche centimetro; l onda termica a bassa frequenza (annuale), invece, fa sentire i suoi effetti entro spessori molto maggiori.

52 COSTRUZIONE DELL ONDA TERMICA ANNUALE DI VERIFICA (LONIGO ) Determinazione grafica della temperatura media annua T andamento terico sinusoidale della temperatura media giornaliera annua 25 Andamento reale della temperatura media giornaliera temperatura C A1 traslazione dell'asse x A3 nuova posizione dell'asse delle ascisse Determiniamo il valore della variabile y imponendo: A1+A2 = A3 A2 0-5 Gennaio Febbrai Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio mesi dell'anno Agosto Settembr Ottobre Novemb Dicembr

53 ABBATTIMENTO DELL AMPIEZZA ALL INTERNO DEL TERRENO (LONIGO) Andmento della temperatura all'interno del terreno A = ampiezza iniziale di Andamento dell'ampiezza di oscillazione in funzione della profondità X profondità minima al di sotto della quale la temperatura nel terreno non scende sotto lo 0 C Temperatura corrispondente alla profondità determinata 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,3 0,31 0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,4 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,5 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,6 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,7 0,71 0,72 0,73 0,74 0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,8 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,9 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1 profondità m

54 STRATO INTERESSATO DAL GELO (LONIGO) La massima profondità di penetrazione dell effetto del gelo nel terreno in oggetto (LONIGO), avvenuta nel 1985, ha interessato uno spessore di 60,53 cm.