CAPITOLO 2 COSTIPAMENTO

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1 COTIPAMENTO CAPITOLO 2 COTIPAMENTO In alcune applicazioni ingegneristiche, può manifestarsi talvolta la necessità i migliorare le caratteristiche el terreno, sia nelle sue conizioni naturali in sito, sia quano esso è impiegato come materiale a costruzione (p. esempio per ighe, rilevati, terrapieni, ecc..). Le tecniche i miglioramento el terreno possono essere i vario tipo, in particolare esistono: - tecniche i tipo meccanico; - tecniche i tipo chimico; - tecniche basate sull inuzione i fenomeni i natura termica o elettrica (che vengono utilizzate soprattutto in maniera provvisoria). Altri metoi consistono nell eliminare o riurre la presenza ell acqua (renaggi); altri ancora nel sovraccaricare temporaneamente il terreno prima ella realizzazione ell opera in moo a esaurire preliminarmente un aliquota ei ceimenti (precarico). Tra i metoi i tipo meccanico riveste particolare importanza il costipamento che consiste nell aumentare artificialmente la ensità el terreno, impiegato come materiale per la costruzione i rilevati straali e ferroviari, argini, ighe in terra, ecc.., attraverso l applicazione i energia meccanica. L obiettivo el costipamento è il miglioramento elle caratteristiche meccaniche el terreno, che comporta, in generale, i seguenti vantaggi: 1. riuzione ella compressibilità (e quini ei ceimenti) 2. incremento ella resistenza (e quini ella stabilità e ella capacità portante) 3. riuzione egli effetti che possono essere prootti al gelo, a fenomeni i imbibizione o i ritiro (legati alla quantità i vuoti presenti). Il primo a occuparsi i questo fenomeno è stato l ingegnere americano Proctor (1930), il quale ha evienziato che il valore ella ensità secca alla fine el costipamento, ρ = /g, è funzione i tre variabili: il contenuto acqua, w l energia i costipamento il tipo i terreno (granulometria, composizione mineralogica, ecc.). In sito possono essere usate iverse tecniche i costipamento, in relazione alla natura el terreno a porre in opera e eventualmente alla tipologia ei mezzi i cantiere isponibili; in laboratorio queste possono essere riprootte attraverso ifferenti tipi i prova nelle quali il terreno viene isposto in un recipiente metallico i forma cilinrica, a strati successivi, che vengono via via compattati. In particolare, esistono quattro ifferenti tecniche i costipamento e quini i tipi i prova: 1. prove statiche, in cui il terreno è sottoposto a una pressione costante per un certo perioo i tempo meiante un pistone con area uguale a quella el recipiente; 2. prove kneaing (to knea = massaggiare), nelle quali il terreno è sottoposto a intervalli regolari a una compressione meiante un pistone che trasmette una pressione nota; 3. prove per vibrazione, in cui il recipiente in cui è contenuto il terreno viene fatto vibrare con appositi macchinari. 21 Dipartimento i Ingegneria Civile ezione Geotecnica, Università egli tui i Firenze J. Facciorusso, C. Maiai, G. Vannucchi Dispense i Geotecnica (Rev. Febbraio 2007)

2 COTIPAMENTO 4. prove inamiche o i urto, nelle quali il terreno è compattato con un pestello meccanico a cauta libera; Le prime ue tecniche vengono impiegate per terreni prevalentemente fini, le altre ue per terreni prevalentemente a grana grossa. Tra le quattro sopra menzionate, le più usate sono quelle ell ultimo tipo, i cui fanno parte le prove Proctor. 2.1 Prove Proctor L attrezzatura per le prove Proctor è costituita a un cilinro metallico i imensioni stanar otato i un collare rimovibile e a un pestello i iametro pari alla metà i quello el cilinro e i peso prefissato (Figura 2.1). In relazione alle caratteristiche ell apparecchiatura e alle moalità i esecuzione, le prove Proctor si istinguono in stanar e moificata (Tabella 2.1). L energia i costipamento ella prova moificata, che viene eseguita soprattutto per terreni i sottofono e materiali per pavimentazioni straali e aeroportuali, è superiore a quella ella stanar. La prova Proctor viene eseguita isponeno a strati una certa quantità i terreno, preventivamente essiccata o bagnata, nel cilinro e compattanola con il pestello per un numero prefissato i colpi (25), assestati in una posizione prestabilita. Guia Pestello Collare rimovibile Cilinro metallico 2 Figura 2.1 Attrezzatura utilizzata per le prove Proctor Dipartimento i Ingegneria Civile ezione Geotecnica, Università egli tui i Firenze J. Facciorusso, C. Maiai, G. Vannucchi Dispense i Geotecnica (Rev. Febbraio 2007) 22

3 COTIPAMENTO L operazione viene ripetuta per un certo numero i strati (3 per la stanar e 5 per la moificata) fino a riempire il cilinro poco al i sopra ell attaccatura col collare (Figura 2.1). uccessivamente viene rimosso il collare, livellato il terreno in sommità, pesato il tutto e eterminato il contenuto acqua, prelevano una porzione i terreno al cilinro. Meiante il peso, P, e il volume, V, (noti) si ricava il peso i volume,, e, aveno eterminato w, si può ricavare il peso i volume el secco,, ovvero la ensità secca (ρ = /g, esseno g l accelerazione i gravità) i ha infatti: P P + PW P PW P = = = + = + w = ( 1+ w) (Eq. 2.1) V V V V P Quini: = (Eq. 2.2) 1 + w Tabella 2.1 Caratteristiche ell apparecchiatura e moalità i esecuzione ella prova Proctor stanar e moificata Tipo i prova tanar AAHO Moificata AAHO Dimensioni el cilinro Ø H V [cm] [cm] [cm 3 ] Dimensioni el pestello Ø Peso [mm] [kg] Numero egli strati Numero colpi per strato Altezza cauta pestello [cm] Energia i costipamento [kg cm/cm 3 ] Teoria el costipamento Analizzano i risultati ottenuti in laboratorio meiante l esecuzione i prove Proctor è possibile escrivere il comportamento el terreno sottoposto a costipamento. 3 upponiamo i eseguire la prova [kn/m ] Proctor (quini i impiegare la stessa tecnica i compattazione e la stessa quantità i energia) su alcuni campioni ello stesso terreno (5 o 6) aventi iversi contenuti acqua. e, per ciascun campione, riportiamo in un gra- Maximum fico (Figura 2.2) il valore el peso i volume el secco (o, inifferentemente, ella ensità secca) ottenuto al termine ella prova in funzione el contenuto acqua corrisponente, e uniamo i vari punti, otteniamo una curva, etta curva i costipamento Optimum che presenta un tipico anamento a w [%] campana. Il valore el contenuto Figura 2.2 Curva i costipamento acqua corrisponente al valore massimo el peso i volume el secco aturazione 100% 90% Dipartimento i Ingegneria Civile ezione Geotecnica, Università egli tui i Firenze J. Facciorusso, C. Maiai, G. Vannucchi Dispense i Geotecnica (Rev. Febbraio 2007) 23

4 COTIPAMENTO (etto maximum ) è inicato come contenuto acqua optimum o optimum Proctor. Va sottolineato che il valore massimo el peso i volume el secco è relativo a un valore i energia prefissato e a una particolare tecnica i compattazione. Quini, per un ato terreno, l optimum, il maximum e l anamento ella curva ipenono all energia spesa e al metoo i costipamento. I valori tipici el maximum variano intorno a kn/m 3, mentre il massimo range i variazione è compreso tra 13 e 23 kn/m 3 ; valori tipici ell optimum variano intorno al 10% 20%, mentre il massimo range i variazione per l optimum è compreso tra il 5% e il 40%. Per valori bassi el contenuto acqua, la resistenza el terreno è alta così che, a parità i energia i compattazione impiegata, risulterà più ifficile riurre i vuoti e quini raggiungere elevati valori ella ensità secca; incrementano il contenuto acqua, la resistenza el terreno tene a iminuire, facilitano la rimozione ei vuoti, e aumenta così il valore i ensità secca raggiungibile fino al maximum ottenuto in corrisponenza el valore i optimum el contenuto acqua; per valori superiori all optimum, aveno raggiunto un elevato grao i saturazione, le eformazioni avvengono pressoché a volume costante (l acqua non riesce a filtrare verso l esterno) e non consentono ulteriori riuzioni ell inice ei vuoti, per cui si riuce anche il valore ella ensità secca ottenuto. e per uno stesso tipo i terreno si utilizza la stessa tecnica i costipamento (p. es. quella ella prova Proctor) variano l energia (il numero i colpi), si ottiene una famiglia i curve con anamento simile. Al crescere ell energia aumenta la ensità secca massima e iminuisce il contenuto acqua optimum. Con contenuti acqua superiori all optimum le iverse curve tenono a confonersi in un unica linea (Figura 2.3). Questo significa che per contenuti acqua inferiori all optimum un aumento ell energia i costipamento risulta più efficace in quanto riesce a incrementare la ensità secca (cosa che può non accaere per contenuti acqua superiori all optimum). La linea in cui si confonono i tratti terminali i tutte le curve risulta approssimativamente parallela alla curva i saturazione, che può essere eterminata calcolano il valore el peso i volume el secco corrisponente al contenuto acqua in conizioni i saturazione. Tale valore ipene solo al peso i volume el solio s. Infatti: P P / V = = = = V V / V V V V + 1+ e (Eq. 2.3) V V 3 [kn/m ] Dipartimento i Ingegneria Civile ezione Geotecnica, Università egli tui i Firenze J. Facciorusso, C. Maiai, G. Vannucchi Dispense i Geotecnica (Rev. Febbraio 2007) 24 Energia crescente aturazione 100% 90% Linea ei punti i optimum w [%] Figura 2.3 Anamento ella curva i costipamento al variare ell energia i costipamento

5 3 Capitolo 2 COTIPAMENTO se il terreno è saturo: VV VW P PW 1 e = = = w V V P PW W (Eq. 2.4) quini: = 1+ w (Eq. 2.5) W per r < 100% invece: e V V P P 1 1 V W W = = = w (Eq. 2.6) V rv P PW r W quini: r = + w r ensità secca, [Mg/m ] ρ W abbia ben assortita con ghiaia e limo 2. Miscela i ghiaia, sabbia, limo e argilla 3. Argilla sabbiosa 4. abbia fine uniforme 5. Argilla molto plastica 5 linea i saturazione contenuto acqua, w [%] Figura 2.4 Curva ottenute per ifferenti tipi i terreno a parità i energia i costipamento Dipartimento i Ingegneria Civile ezione Geotecnica, Università egli tui i Firenze J. Facciorusso, C. Maiai, G. Vannucchi Dispense i Geotecnica (Rev. Febbraio 2007) 25 (Eq. 2.7) Anche la linea congiungente i vari punti corrisponenti all optimum per un ato terreno risulta all incirca parallela alla curva i saturazione; cioè per un ato terreno il massimo effetto i costipamento si ha per un certo grao i saturazione. A parità i energia i costipamento, le curve che si ottengono per ifferenti tipi i terreno sono molto iverse tra loro. In particolare si può osservare che (Figura 2.4): - la variazione el contenuto acqua influenza la ensità secca più per certi tipi i terreno e meno per altri; - terreni in cui prevale la frazione fine raggiungono valori i ensità secca più bassi; - le sabbie ben assortite presentano valori ella ensità secca più elevati i quelle più uniformi e gli effetti el costipamento sono molto più marcati; - per i terreni argillosi il maximum ecresce all aumentare ella plasticità.

6 COTIPAMENTO 2.3 Costipamento in sito Per il costipamento ei terreni in sito possono essere impiegate attrezzature iverse in relazione alle caratteristiche e al tipo i terreno e all energia richiesta per il costipamento. Le tecniche impiegate possono trasmettere al terreno azioni meccaniche i tipo statico, i compressione e i taglio, o i tipo inamico, i urto o vibrazione. In base al prevalere i uno ei ue tipi i azioni le attrezzature per il costipamento si suiviono in ue classi costituite rispettivamente ai mezzi prevalentemente statici e prevalentemente inamici. In particolare, per il costipamento ei terreni a grana fine risultano efficaci solo le attrezzature ella prima classe, mentre per il costipamento ei terreni granulari sono efficaci soprattutto quelle el secono tipo. Nei mezzi prevalentemente statici sono compresi i rulli lisci, i rulli Figura 2.5 Rullo compressore usato per terreni a grana fine o carrelli gommati e i rulli a punte (Figura 2.5). I rulli lisci statici compattano per compressione e la loro azione è limitata alla parte più superficiale i terreno; hanno un peso generalmente compreso tra le 2 e le 20t e trasmettono pressioni ell orine i kg/cm su una striscia i un centimetro i generatrice. I rulli gommati sono costituiti a un cassone trasportato a un certo numero i ruote gommate; compattano sia con azione i compressione che i taglio per mezzo ei pneumatici. Rispetto ai rulli lisci agiscono più in profonità. I rulli a punte sono otate i protrusioni i varia forma (es. rulli a piè i pecora ) o i segmenti mobili che esercitano nel terreno un azione i punzonamento e i taglio. La loro azione è limitata alla parte più superficiale i terreno. Nella classe ei mezzi prevalentemente inamici sono compresi i rulli lisci vibranti (Figura 2.6), le piastre vibranti e le piastre battenti. I rulli vibranti sono analoghi a quelli lisci, ma sono otati i pesi eccentrici che generano forze verticali i tipo sinusoiale che Figura 2.6 Rullo compressore (vibratore) usato per terreni granulari 26 mettono in vibrazione il terreno; in genere sono Dipartimento i Ingegneria Civile ezione Geotecnica, Università egli tui i Firenze J. Facciorusso, C. Maiai, G. Vannucchi Dispense i Geotecnica (Rev. Febbraio 2007)

7 COTIPAMENTO poco efficaci in superficie, per cui nella fase finale vengono utilizzati senza vibrazione per costipare lo strato più superficiale i terreno. Le piastre vibranti sono formate a una piastra i acciaio sulla quale è posto un motore e una serie i masse eccentriche che generano un moto sinusoiale verticale in grao i sollevare, spostare e far ricaere la piastra. Le piastre battenti consistono in una massa che viene ritmicamente sollevata e lasciata ricaere sul terreno; vengono usate soprattutto per costipare aree i imensioni riotte quano non possono essere utilizzati altre tecniche i costipamento. In sito il costipamento viene eseguito isponeno il terreno a strati successivi i qualche ecina i centimetri; la scelta ello spessore e ella quantità i energia (numero i passaggi con i rulli o i battute con le piastre) ipene alle caratteristiche el materiale a compattare. Per i materiali a grana fine (A-4, A-5, A-6, A-7 ella classificazione HRB) e per i materiali a grana grossa con percentuale elevata i fine (A-2) tale scelta è molto legata al valore el contenuto acqua; per i materiali a grana grossa (A-1, A-3) la compattazione è generalmente poco conizionata al contenuto acqua. In genere i risultati ottenuti al costipamento in sito vengono controllati e confrontati con quelli elle prove Proctor (stanar o moificata) eseguite in laboratorio. La ensità secca (o il peso i volume el secco) ottenuta al costipamento in sito eve essere generalmente una percentuale prefissata (almeno l 85% 90%) i quella ottenuta in laboratorio. Per eterminare la ensità secca (o il peso i volume el secco) in sito, il proceimento è articolato nelle seguenti fasi: a) 1. viene scavata una porzione i terreno e eterminato il peso P e il contenuto acqua w; sabbia i caratteristiche note 2. viene misurato il volume i terreno scavato, V; piastra con foro valvola 3. viene eterminato il peso i cono volume totale ( = P/V). Il peso i volume el secco può essere ricavato meiante la relazione (2.2) e confrontato con il valore i max ottenuto b) con la prova Proctor. Il punto 2 è quello che presenta le maggiori ifficoltà. A questo scopo i metoi più usati (Figura 2.7) sono: - il metoo ella sabbia tarata (figura 2.7a), in cui lo scavo viene riempito con una sabbia i caratteristiche note, il cui volume viene eterminato per lettura sul recipiente che contiene la sabbia e per pesata; 27 Foglio i polietilene per terreni granulari Figura 2.7 Metoi per la eterminazione ella ensità in sito Dipartimento i Ingegneria Civile ezione Geotecnica, Università egli tui i Firenze J. Facciorusso, C. Maiai, G. Vannucchi Dispense i Geotecnica (Rev. Febbraio 2007)

8 COTIPAMENTO - il metoo ell olio o ell acqua (figura 2.7b) in cui il foro viene accuratamente rivestito con una membrana i polietilene e successivamente riempito con acqua o olio. In alternativa a questi metoi può essere utilizzato anche quello el nucleoensimetro, che consente una misura ella ensità e el contenuto acqua con proceimento non istruttivo e è basato sulla misura ell assorbimento i raiazioni nucleari. Dipartimento i Ingegneria Civile ezione Geotecnica, Università egli tui i Firenze J. Facciorusso, C. Maiai, G. Vannucchi Dispense i Geotecnica (Rev. Febbraio 2007) 28