Lezione 1 GEOTECNICA Docente: Ing. Giuseppe De Venuto

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1 Lezione 1 GEOTECNICA Docente: Ing. Giuseppe De Venuto devenuto@tin.it

2 Genesi e struttura dei terreni I terreni sono il risultato dei processi di alterazione fisica, chimica, organica e di disintegrazione meccanica delle rocce. Nella configurazione attuale sono il risultato di un ciclo di complesse vicissitudini che comprende le fasi: 1. formazione; 2. trasporto; 3. deposizione.

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4 Alterazione di natura fisica: fenomeni di deformazione e fessurazione generati dalla decompressione che si sviluppa a seguito di processi di erosione. La fessurazione è accelerata successivamente dalle variazioni termiche e dai cambiamenti di stato dell acque. Alterazione di natura chimica: reazioni dei minerali delle rocce con O 2, CO 2 e con gli altri acidi organici presenti in soluzione nell acqua. I feldspati e le miche, a differenza dei minerali di quarzo, sono molto sensibili e danno origine ai colloidi argillosi. Alterazione di natura organica: è dovuta agli acidi carbonico, nitrico, all ammoniaca e all acido nitroso prodotto dai batteri.

5 I frammenti di roccia così generatisi sono successivamente soggetti a disintegrazione meccanica durante la fase di trasporto ad opera delle acque, del vento e dei ghiacciai. I granuli che compongono i terreni sono il prodotto finale di tutti questi fenomeni di degradazione. Tali granuli non sono in generale cementati tra di loro. Possono talvolta esistere forze di adesione tra i granuli o agenti cementanti, ma si annullano totalmente quando un elemento di terra, isolato e non sollecitato, viene posto a prolungato contatto con l acqua (caratteristiche che distingue lerocce lapidee dalle terre). I granuli hanno dimensioni medie molto varie: da 10 3 a 10-6 mm. I granuli di dimensioni maggiori hanno generalmente forma più regolare dei granuli più microscopici e più vicina a quella sferica. I granuli microscopici hanno forma appiattita con una dimensione molto minore delle altre due.

6 I granuli interagiscono fra loro mediante azioni sia di carattere meccanico che chimico. Azioni di tipo meccanico: derivano dalla forza di gravità e dalla presenza dell acqua fra granulo e granulo. L entità di queste azioni dipende dal volume dei granuli. Azioni di tipo chimico: sono dovute all attività superficiale delle particelle di terreno. La loro entità dipende dalla composizione mineralogica dei granuli e dall estensione della loro superficie.

7 Si usa perciò suddividere i granuli costituenti una terra in: Granuli inerti: la dimensione maggiore supera i mm; sono privi di attività superficiale; interagiscono tra loro e con l acqua solo per effetto delle forze di gravità; sono costituiti da frammenti di roccia (ghiaie, sabbie grosse) e frammenti di minerali (sabbie fini). Granuli attivi: la dimensione maggiore è minore di mm; l attività superficiale è molto intensa; interagiscono tra loro e con l acqua per effetto non solo delle forze di gravità ma anche di quelle di superficie; sono costituiti essenzialmente da minerali fillosilicatici (argillosi).

8 Struttura delle terre disposizione geometrica dei granuli Granuli inerti: la struttura dipende dalla forma dei granuli e dalla distribuzione delle dimensioni delle particelle; la sua principale proprietà è costituita dal grado di addensamento. Granuli attivi: la struttura dei granuli dipende, non tanto dalle dimensioni, quanto soprattutto dalle mutue azioni di natura chimica, e quindi dalle caratteristiche dell ambiente chimico con il quale interagiscono (es: acqua salmastra, acqua dolce). A seconda della concentrazione elettrolitica nell acqua al momento della deposizione si può avere una struttura flocculata (tipica dei depositi marini) o una struttura dispersa (tipica delle argille lacustri e palustri).

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12 Il terreno come mezzo polifase

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15 Analisi e classificazione dei terreni Necessità di un sistema di identificazione e classificazione delle terre: confronto fra condizioni geotecniche simili, correlazione con le proprietà meccaniche (resistenza, rigidezza), indice di qualità per le costruzioni in terra. Requisito dei sistemi di classificazione: procedure semplici, possibilità di realizzazione anche nei laboratori di cantiere. La classificazione deve prendere in considerazione quelle caratteristiche di una terra che non variano al mutare dei fattori ambientali o per effetto del tempo o delle sollecitazioni applicate: composizione mineralogica, forma e dimensioni dei granuli.

16 Classificazione granulometrica Serve a determinare le dimensioni delle particelle che compongono un campione di terreno e stabilire le percentuali in peso delle varie frazioni granulometriche Terreni a grana grossa (d > mm) Terreni a grana fine (d < mm) Vagliatura Meccanica Sedimentazione Per i terreni a grana grossa (d > mm) l analisi granulometrica viene eseguita per vagliatura meccanica: la terra, preventivamente essiccata, viene passata attraverso una pila di setacci, aventi diametri delle maglie via via decrescenti, con l ausilio di una macchina vibrante I granuli costituenti il terreno si raccolgono nei diversi setacci a seconda delle loro dimensioni. Il peso del materiale trattenuto da un setaccio, sommato a quello fermatosi sui setacci di apertura maggiore, e riferito al peso totale del campione, è detto percentuale di trattenuto. Il complemento a 100 è detto percentuale di passante. Per i granuli di dimensioni minori (d < mm) l analisi granulometrica viene eseguita attraverso la tecnica della sedimentazione.

17 Per la legge di Stokes, la velocità di sedimentazione di particelle sferiche in un liquido è legata al diametro delle particelle, alla viscosità del mezzo e alla differenza tra le loro densità. Il materiale viene immerso in acqua all interno di un recipiente tarato e viene disperso con opportuni additivi (deflocculanti). Al procedere della sedimentazione delle particelle solide viene misurata la variazione della densità della miscela. Dalla misura di densità si risale alla velocità di sedimentazione e quindi alle dimensioni dei granuli

18 SISTEMA USCS (Unified Soil Classification System)

19 SISTEM HRB (Highway Research Board)

20 Le proprietà delle terre fini (terre coesive) non dipendono tanto dalle dimensioni dei granuli quanto dalla loro natura, e non è perciò possibile fondare un sistema di classificazione di queste terre sulla sola granulometria. Lo stato fisico delle terre coesive è determinato soprattutto dalle azioni che si scambiano i granuli e che dipendono dall attività chimico-fisica dei minerali che li costituiscono. Quanto più un argilla è attiva dal punto di vista chimico-fisico tanto più grande è la quantità di acqua che può trattenere. Il valore di contenuto in acqua corrispondente al passaggio da uno stato all altro varia da argilla ad argilla. Si può perciò indirettamente riconoscere la costituzione mineralogica di una terra argillosa misurando il contenuto d acqua in condizioni fisiche precisamente definite. Un terreno a grana fine si può presentare in quattro stati fisici a seconda del suo contenuto d acqua w

21 Limiti di consistenza (Limiti di Atterberg) Sono contenuti d acqua caratteristici di ciascun terreno a grana fine per il quali si ha il passaggio da uno stato di consistenza all altra. Sono effettuati sulla frazione fine: passante al setaccio di apertura 0.42 mm (parte delle sabbie medie, sabbie fini, limi e argille). Essi sono determinati sperimentalmente con prove convenzionali. Limite di liquidità (limite liquido) w L Viene determinato con un apparecchio detto cucchiaio di Casagrande. Corrisponde al contenuto d acqua per il quale, nel campione rimaneggiato posto nell apparecchio, un solco tracciato con un apposito utensile si chiude dopo 25 cadute del cucchiaio.

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23 Limite di plasticità (limite plastico) w P È il contenuto d acqua in corrispondenza del quale il terreno inizia a perdere il suo comportamento plastico (può essere deformato o rimaneggiato senza cambio di volume e senza fessurarsi). Viene determinato formando, per rotolamento, cilindretti di terra del diametro di 3 mm. È il contenuto in acqua per cui si manifestano le prime screpolature. Indice di plasticità (I P ) Indici di consistenza IP = w L - w P Indica il campo di variazione del contenuto d acqua all interno del quale il terreno ha un comportamento plastico (può essere deformato o rimaneggiato senza cambio di volume e senza fessurarsi). I terreni ricchi di minerali argillosi attivi possono fissare molta acqua e di conseguenza hanno valori di I P elevati.

24 Attività (A) Si definisce indice di attività A: A = IP/CF dove CF: frazione argillosa (% in peso particelle con dimensione inferiore a 2 µm). A seconda dell indice di attività le terre si suddividono in: - terre poco attive A < terre mediamente attive 0.5 < A < terre molto attive A > 1.0

25 Stabiliti i limiti di consistenza di un terreno, è interessante confrontarli con il contenuto d acqua naturale w. Indice di consistenza: I C = (w L w)/(w L w P ) Indice di liquidità: I L = (w w P )/(w L w P ) = 1 - I C

26 Sistema di classificazione di Casagrande Si basa sull osservazione che tra il limite di liquidità wl e l indice di plasticità IP= wl wp esiste una relazione lineare.