UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FERRARA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FERRARA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE Percorso Ambientale [1227] [DM270] Percorso Costruzioni [1227] [DM270] CORSO DI OPERE IN TERRA [54206] Prof. Ing. Claudio Comastri

2 Obiettivi del corso Il corso fornisce gli strumenti necessari per la acquisizione e la elaborazione delle teorie sulle quali si basa la materia di Costruzioni delle Opere in Terra ed illustra le tecniche applicative e le nuove tecnologie costruttive. Il corso fornisce inoltre gli elementi necessari per la progettazione delle opera in terra in condizioni statiche e sismiche in riferimento alle normative vigenti e agli eurocodici oltre alle norme e raccomandazioni più aggiornate richiamate dalle stesse norme nazionali vigenti. 2

3 Materie propedeutiche La materia di «opere in terra» ha, come riferimenti propedeutici per il migliore approfondito ed apprendimento delle teorie e delle tecniche applicative, le materie di : Scienza delle Costruzioni. Idraulica. Geotecnica. 3

4 Programma del corso 1.Classificazione e caratteri delle opera in terra. 2.Caratteristiche e classificazioni delle terre in relazione alle possibilita' di utilizzo. 3.Richiami di Geotecnica 4.Teoria della compattazione. 5.Rilevati stradali, ferroviari, rilevati strutturali. 6.Idraulica dei terreni e filtrazione. 7.Dighe ed argini in terra. 8.Discariche controllate, rifiuti solidi urbani. 9.Diagnostiche delle opera in terra esistenti. 10.Tecniche di rilevamento e monitoraggio. 11.Ripristini e tecniche di consolidamento di opera in terra 12.Teoria e tecnica delle terre armate: progetto, esecuzione e collaudo. 13.Leggi e norme tecniche di riferimento 4

5 Modalità di svolgimento del corso. Modalità di verifica. Ricevimenti ed indirizzi Il corso si articola in Lezioni frontali in aula ed Esercitazioni in aula. L esame è orale con domande ed esercizio da svolgere durate la verifica. Il docente riceve dalla 0re 11,30 alle ore 13,30 il venerdi nello studio 127 al primo piano del Dipartimenti di Ingegneria. I contatti sono i seguenti: Mail : tel FAX ing.comastri@studiothesis.it claudio.comastri@unife.it 5

6 Bibliografia principale La bibliografia principale riguarda la geotecnica e gli elementi di geotecnica applicata. 1. Fioravante V. (2016): Dispese del corso di Geotecnica UNIFE 2. Lancellotta R.,(2004), Geotecnica - Zanichelli 3. Atkinson J.(1997), Geotecnica - Ed. Mc Graw Hill 4. Berardi R.,(2009), Fondamenti di geotecnica Ed. CittàStudi 5. Lancellotta R., Calavera (1999) Fondazioni - Ed. Mc Graw Hill 6. Bowles J. (1998)«Foundation analysis and design» - Ed.Mc Graw Hill 7. Terzaghi K., Peck R.B., Mesri G.(1996), Soil mechanics in engineering practice - J.Wiley&Sons. 8. Lambe T.W., Whitman R.V. (1969), Soli Mechanics John Wiley&Sons,Inc. In questi testi si ritrovano i principali concetti di geotecnica necessari per la progettazione delle opere in terra. 6

7 Bibliografia specifica per approfondimento La bibliografia specialistica sarà implementata durante il corso i. UNIFE Dipartimento di Ingegneria, (2003), Atti del 1 Corso di aggiornamento professionale in Geotecnica e Fondazioni - OPERE IN TERRA. ii. Koerner R.M. (1990), Designing with geosynthetics Prentice Hall. iii. AGI Associazione Geotecnica Italiana (1995), XIX Convegno Nazionale di Geotecnica Il miglioramento e il rinforzo dei terreni e delle rocce (vol.1,2). 7

8 Introduzione Si definiscono opere in terra i manufatti artificiali realizzati con materiale sciolto naturale (terreno) utilizzato tal quale a crudo o modificato con trattamenti termici, additivato con leganti e altri materiali, interposto ad elementi di rinforzo. Le opere in terra sono parte delle opere di ingegneria per le quali sono necessari degli studi progettuali specifici che talora possono raggiungere livelli di elevata complessità sia per le particolari caratteristiche del materiale sciolto da utilizzare e le necessarie tecniche di trattamento per il raggiungimento delle condizioni attese, sia per l interazione con il terreno di fondazione e le rispettive caratteristiche fisiche e meccaniche. Nell antichità si faceva largo uso delle terre per la costruzione di opere anche di grandi dimensioni: si utilizzava la terra tal quale oppure associata ad altri materiali naturali. Nell epoca moderna le opere in terra sono studiate e calcolate traducendo in termini ingegneristici quanto era scaturito dall empirismo, dall esperienza nell utilizzo di un materiale di per sé difficile da descrivere e da interpretare nelle diverse condizioni in cui può trovare nell esercizio dell opera e nelle diverse fasi fino allo stato limite ultimo del modello. 8

9 Tipologie delle opere in terra e funzioni In funzione dell impiego e delle condizioni d esercizio cui sono sottoposte le opere in terra possono essere distinte nelle seguenti tipologie: Rilevati stradali, ferroviari ed aeroportuali Rilevati strutturali Discariche di rifiuti solidi urbani Dighe fluviali e di bacini naturali ed artificiali Scogliere e massicciate Valli paramassi Opere di difesa e sostegno 9

10 Rilevati stradali, ferroviari, aeroportuali Le strutture di supporto delle infrastrutture stradali, ferroviarie ed aeroportuali sono costituite da rivelati e cioè da strati di terreno disposti in modo da superare il dislivello tra il piano di campagna e la fondazione delle pavimentazioni stradali, dell armamento ferroviario, del pacchetto strutturale dei piazzali delle piste di rullaggio e della pista aria degli aeroporti. Esse rappresentano il cuscino di trasmissione delle sollecitazioni dalle strutture di pavimentazione al terreno di sottofondo determinandone un rapporto d interazione controllato sotto il profilo tensionale e deformativo, in relazione al tipo ed intensità dei carichi di esercizio previsti. 10

11 Rilevati e riempimenti strutturali Si intendono i rilevati in terra che si eseguono per riportare in quota le fondazioni delle pavimentazioni industriali, per colmare dei dislivelli ed ottenere piani di appoggio di fondazioni dirette superficiali. 11

12 Discariche di rifiuti solidi e urbani I materiali delle discariche di rifiuti solidi urbani e dei rifiuti solidi in genere sono contenuti in strutture costruite con terreno selezionato che delimitano i volumi di rifiuti e li ricoprono parzialmente e complessivamente al termine della coltivazione della discarica. Si realizzano argini ed opere di contenimento del materiale contenuto con terreno, talora assistito con inclusione di elementi resistenti a trazione, e/o additivato. 12

13 Dighe ed argini in terra Le dighe in terra rappresentano le principali opere di contenimento di fiumi, torrenti, bacini idraulici delle pianure del territorio nazionale. Sono strutture particolari che oltre a sostenere la spinta dell acqua in diverse condizioni sono chiamate a sostenere i carichi dei mezzi sulle strade ricavate in sommità ad esse, le azioni sismiche, i fenomeni di abbassamento del terreno di fondazione e sono chiamate a controllare il la filtrazione idraulica attraverso la loro struttura e nel sottosuolo della loro fondazione. 13

14 Scogliere Le scogliere sono in genere realizzate con blocchi e massi naturali o con elementi artificiali in calcestruzzo. Sono soggette alle azioni meccaniche del moto ondoso e sono disposte come frangi flutti e frangi onde a difesa delle spiagge e delle opere marittime. 14

15 Opere di sostegno e di difesa Le Terre possono essere utilizzate per la costruzione di muri ed opere di sostegno, realizzando rilevati. opere in terre armate, a sostegno di scarpare naturali ed artificiali, opere controripa e di sottoscarpa, di sostegno in generale 15

16 Opere - materiali - ingegneria Le opere sono realizzabili con diversi tipi di materiali Opere in Conglomerato Cementizio Armato e non armato Opere in Muratura di mattoni in laterizio e pietra naturale Opere in acciaio e metalli diversi (alluminio, leghe metalliche, ecc) Opere ed elementi in materie plastiche Elementi in Carbonio, in fibra di vetro, fibre di minerali ecc. Opere ed elementi in materiali speciali (titanio ed altro..) Opere in terra (con il legno è il materiale più antico) Tutte le opere e tutti gli elementi che sono realizzati con i materiali indicati e con i materiali innovativi sono sottoposte allo studio ed alla progettazione ingegneristica e disciplinate dalle leggi e dalle norme tecniche sulle costruzioni LE OPERE IN TERRA SONO A TUTTI GLI EFFETTI OPERE DI INGEGNERIA E TALORA PRESENTANO PROBLEMATICHE E COMPLESSITA MAGGIORI RISPETTO ALL USO DI ALTRI MATERIALI 16

17 Opere in terra opere di ingegneria civile Per le opere in terra il materiale da costruzione è la terra. Terra intesa come insieme di grani aventi dimensioni diverse da molto fini a grossolani. Tra le particelle ci sono spazi vuoti che possono essere occupati da fluidi come gas e liquidi (aria ed acqua). Il materiale terra (elemento naturale) può essere utilizzato: Tal quale Additivato con altri materiali Associato ad elementi flessibili o rigidi costituiti da altri materiali. 17

18 Il materiale terra Come avviene per tutti i tipi di materiali che sono utilizzati per la costruzione delle opere, così anche per la terra è necessario eseguire delle analisi e delle prove finalizzate a stabilire i caratteri del materiale prima di essere messo in opera e stabilire quali condizioni siano raggiungibili per le opere che devono essere costruite.. Queste fasi di studio sono normate e disciplinate dalle Norme e dalle Leggi sulla qualità dei materiali sulle rispettive caratteristiche, in relazione alle specifiche opere che possono essere realizzate. Come già ricordato la terra è un insieme di particelle o grani solidi di misure diverse che messe insieme formano un materiale composito (solido, liquido, gas). Le percentuali dei tre diversi elementi dipendono da una serie di fattori legati alla natura ed alla geometria ed alla forma dei grani, alle caratteristiche delle superfici dei grani, alle dimensioni ed all assortimento dei grani, all entità, ed al tipo di energia di compattazione ed addensamento applicata, alla quantità d acqua presente con lubrificante delle superfici die grani, ed altri aspetti e fattori che saranno illustrati in seguito. 18

19 Il materiale terra componente solida La componente solida della terra è costituita da particelle o grani ottenuti dal disfacimento delle rocce e dal successivo trasporto da vettori come acqua, ghiaccio, vento, ed altri fattori, per essere depositati in luoghi più o meno lontani dalle rocce madri. Nel corso del trasporto i grani si riducono a causa di azioni fisiche, meccaniche e chimiche fino a raggiungere dimensioni anche molto piccole. Il grado di riduzione dei grani dipende dalla loro costituzione mineralogica e dagli ambienti attraversati compreso ed in particolare il tipo di ambiente di deposizione. 19

20 Il materiale terra componente solida La componente solida della terra è costituita da particelle o grani ottenuti dal disfacimento delle rocce e dal successivo trasporto da vettori come acqua, ghiaccio, vento, ed altri fattori, per essere depositati in luoghi più o meno lontani dalle rocce madri. Nel corso del trasporto i grani si riducono a causa di azioni fisiche, meccaniche e chimiche fino a raggiungere dimensioni anche molto piccole. Il grado di riduzione dei grani dipende dalla loro costituzione mineralogica e dagli ambienti attraversati compreso ed in particolare il tipo di ambiente di deposizione. 20

21 Il materiale terra componente solida Se i processi di formazione e di trasporto dei grani di terra sono solo processi fisici essi avranno la stessa composizione delle rocce d origine; se si hanno anche trasformazioni chimiche si formano anche altri elementi. I più importanti sono i minerali argillosi fra i quali i più comuni sono la caolinite, l illite e la montmorillonite. Le dimensioni delle particelle delle argille sono molti piccole ed in genere di forma lamellare.. I principali termini usati in geotecnica per distinguere le terre sono: ghiaia sabbia limo argilla. Ghiaia e sabbia sono le terre a grana grossa. Limi ed argille sono le terre a grana fine. Il limo costituisce la parte più grossolana della frazione di terre a grana fine. La forma delle particelle è relativamente arrotondata come per le ghiaie e le sabbie. 21

22 Il materiale terra componente solida Le dimensioni delle particelle di argilla e la natura mineralogica delle stesse particelle conferiscono al materiale una particolarità che nel caso delle terra a grana grossa è vinta da altri fattori. L acqua tra le particelle è particolarmente importante ed influisce in modo sostanziale per le particelle di argilla mentre è meno influente per le terre a grana grossa. Sono considerate particelle argillose quelle che hanno dimensioni inferiori a 2 m : esse sono formate prevalentemente da minerali argillosi con cristalli di dimensioni colloidali. La maggior parte dei cristalli argillosi è formata da strati di silice e di allumina disposti a formare delle lamine. 22

23 Il materiale terra componente solida La struttura del terreno che si forma con le particelle a contatto è il risultato del processo di interazione tra le particelle stesse e tra queste e l ambiente circostante. E noto che ogni singola particella è soggetta a forze di massa e forze di superficie. Le forze di massa sono responsabili delle interazioni di tipo meccanico mentre le forze di tipo superficiale, che dipendono dal minerale costituente la particella e dall area della superficie danno origine ad interazioni di tipo elettrochimico. Superficie specifica: è il rapporto tra l area della superficie della particella e la sua massa. Per le sabbie la superficie specifica è minore rispetto alle argille: Sabbia con dimensioni dell ordine di 2mm la superficie specifica è 2,0E -4 m 2 /g Montmorillonite: superficie specifica 800m 2 /g Per le terre a grana grossa le forze di superficie sono trascurabili rispetto alle forze di massa Per le terre a grana fine le forze di massa cono trascurabili rispetto alle forze di superficie Terre a grana grossa Per i terreni a grana grossa la struttura dipende dalla forma dei grani e dalla distribuzione delle dimensioni delle particelle e la principale proprietà è costituita dal grado di addensamento. Ad un maggiore stato di addensamento corrispondono più punti di contatto tra le particelle o grani, un maggior mutuo incastro, una porosità inferiore, una minore compressibilità ed una maggiore resistenza a taglio. La distribuzione dei grani influenza lo stato di addensamento in quanto una sabbia ben assortita consente di ottenete configurazioni strutturali corrispondenti a stati si addensamento elevato. 23

24 Il materiale terra componente solida La forma dei grani e la mineralogia di questi influiscono sul comportamento meccanico di una sabbia almeno quanto la distribuzione granulometrica. Si possono avere due campioni di sabbia con lo stesso addensamento, la stessa porosità e la stessa distribuzione granulometrica ma con strutture completamente diverse e perciò con comportamenti diversa. L influenza della struttura è tanto più marcata quanto più la sabbia è sciolta mentre l influenza dell orientamento delle particelle è più pronunciata in sabbie dense.. 24

25 Il materiale terra interazione con acqua interstiziale Le molecole d acqua sono definite dipolari poiché pur essendo complessivamente neutre hanno due atomi di idrogeno disposti entrambi dalla stessa parte dell atomo di ossigeno. Le superfici delle particelle di argilla, con carica negativa, tendono ad assorbire l idrogeno delle molecole d acqua che si dispongono assumendo una certa struttura determinata dai cationi assorbiti. L acqua direttamente a contatto con le particelle risente di legami molto forti e non può essere separata dalle particelle tramite azione meccanica: questa è chiamata acqua adsorbita e fa parte delle particelle di argilla. 25

26 Il materiale terra componente solida.per le argille le particelle hanno forme lamellari che possono disporsi tra loro in modi diversi assumendo struttura: dispersa o flocculata. Nella deposizione in acqua salmastra la struttura è flocculata; in acqua dolce è dispersa che in certe occasioni diventa isorientata. Struttura orientata Struttura dispersa Fiocchi a struttura flocculata dispersa Con micropori all interno del fiocco e marcopori tra i fiocchi Struttura flocculata 26

27 Il materiale terra struttura a tre fasi.la terra si può presentare costituita da due o tre fasi: Tre fasi: solido gas e liquido (terreno parzialmente saturo) Due fasi: solido e liquido (terreno saturo) solido e gas (terreno secco) Nel caso delle argille l acqua adsorbita fa parte delle particelle e non è acqua libera. Pe r eliminate l acqua adsorbita occorre raggiungere temperature elevate alle quali sottoporre le particelle. 27

28 Il materiale terra relazione tra le fasi.il terreno è un materiale a due o tre fasi. Le relazioni seguenti mostrano le relazioni esistenti tra le fasi. 28

29 Il materiale terra relazione tra le fasi. 29

30 Il materiale terra relazione tra le fasi. 30

31 Il materiale terra granulometria.da distribuzione granulometrica è molto importante per classificare una terra. 31

32 Il materiale terra analisi granulometrica.coefficiente di uniformità Legge di Stokes per sedimentazione 32

33 Il materiale terra granulometria per sedimentazione. 33

34 Il materiale terra componente solida. 34