Lezione 6 GEOTECNICA. Docente: Ing. Giusy Mitaritonna g.mitaritonna@poliba.it

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1 Lezione 6 GEOTECNICA Docente: Ing. Giusy Mitaritonna g.mitaritonna@poliba.it

2 - Lezione 6 A. Indagine Geotecnica: considerazioni generali B. Indagini in sito: Perforazioni di sondaggio e prelievo di campioni indisturbati C. Indagini in sito: Misura delle pressioni interstiziali D. Prove di laboratorio E. Determinazione sperimentale della resistenza a taglio dei terreni F. La scatola di taglio diretto G. La cella triassiale H. La resistenza non drenata delle argille in termini di tensioni totali I. Cenni sulla resistenza a taglio delle sabbie

3 6.A Indagine Geotecnica: considerazioni generali

4 GENERALITA La necessità di effettuare delle indagini nel sottosuolo deriva dall evidenza che il comportamento di qualsiasi opera di Ingegneria civile è influenzato dalle caratteristiche dei terreni sottostanti e/o circostanti. La loro finalità è, quindi, quella di rendere possibili, a costi ragionevoli, la realizzazione di tali opere riducendo quanto più possibile le incertezze ed i rischi connessi a una limitata conoscenza delle caratteristiche dei terreni. qualsiasi indagine deve essere programmata e realizzata allo scopo di rispondere ad un quesito tecnico ben preciso: se non ci fosse il quesito, non dovrebbe esserci l indagine. (Dunnicliff, 1995)

5 NORMATIVA DI RIFERIMENTO D.M : Nuove norme tecniche per le costruzioni Testo normativo che raccoglie in forma unitaria le norme che disciplinano la progettazione, l'esecuzione ed il collaudo delle costruzioni al fine di garantire, per stabiliti livelli di sicurezza, la pubblica incolumità Un complesso di raccomandazioni più specifiche, anche senza alcun carattere di legge, sono le Raccomandazioni sulla Programmazione ed esecuzione delle indagini Geotecniche, pubblicate dall Associazione Italiana di Geotecnica (AGI, 1977).

6 6.2.1 CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOLOGICA DEL SITO La caratterizzazione e la modellazione geologica del sito consiste nella ricostruzione dei caratteri litologici, stratigrafici, strutturali, idrogeologici, geomorfologici e, più in generale, di pericolosità geologica del territorio. In funzione del tipo di opera o di intervento e della complessità del contesto geologico, specifiche indagini saranno finalizzate alla documentata ricostruzione del modello geologico. Esso deve essere sviluppato in modo da costituire utile elemento di riferimento per il progettista per inquadrare i problemi geotecnici e per definire il programma delle indagini geotecniche. Metodi e risultati delle indagini devono essere esaurientemente esposti e commentati in una relazione geologica.

7 6.2.2 INDAGINI, CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOTECNICA Le indagini geotecniche devono essere programmate in funzione del tipo di opera e/o di intervento e devono riguardare il volume significativo di cui al 3.2.2, e devono permettere la definizione dei modelli geotecnici di sottosuolo necessari alla progettazione. I valori caratteristici delle grandezze fisiche e meccaniche da attribuire ai terreni devono essere ottenuti mediante specifiche prove di laboratorio su campioni indisturbati di terreno e attraverso l interpretazione dei risultati di prove e misure in sito. Per valore caratteristico di un parametro geotecnico deve intendersi una stima ragionata e cautelativa del valore del parametro nello stato limite considerato. Per modello geotecnico si intende uno schema rappresentativo delle condizioni stratigrafiche, del regime delle pressioni interstiziali e della caratterizzazione fisicomeccanica dei terreni e delle rocce comprese nel volume significativo, finalizzato all analisi quantitativa di uno specifico problema geotecnico.

8 6.2.2 INDAGINI, CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOTECNICA È responsabilità del progettista la definizione del piano delle indagini, la caratterizzazione e la modellazione geotecnica. Omissis Nel caso di costruzioni o di interventi di modesta rilevanza, che ricadano in zone ben conosciute dal punto di vista geotecnico, la progettazione può essere basata sull esperienza e sulle conoscenze disponibili, ferma restando la piena responsabilità del progettista su ipotesi e scelte progettuali.

9 PROGRAMMARE UNA CAMPAGNA DI INDAGINI La programmazione delle indagini di sito e di laboratorio è una operazione delicata e importante che deve essere affidata a Tecnici Competenti i quali, prima di tutto, devono acquisire tutte le informazioni generali disponibili sul sito in esame e devono avere ben presente: le caratteristiche e i requisiti dell opera i parametri meccanici di interesse gli strumenti di indagine da utilizzare

10 FINALITA DI UNA CAMPAGNA DI INDAGINI GEOTECNICHE 1) Natura e successione stratigrafica dei terreni costituenti il sottosuolo (profilo stratigrafico) 2) Regime delle acque sotterranee (distribuzione pressioni interstiziali) 3) Proprietà dei terreni 3.1) fisiche (composizione granulometrica, parametri di stato, ecc) 3.2) meccaniche (compressibilità, resistenza al taglio) 3.3) idrauliche (permeabilità) in modo che queste indagini siano la base per la costruzione di un modello geotecnico del problema da studiare. Modello sul quale poi il progettista compie le proprie valutazioni e scelte.

11 VOLUME SIGNIFICATIVO DM Per volume significativo di terreno si intende la parte di sottosuolo influenzata, direttamente o indirettamente, dalla costruzione del manufatto e che influenza il manufatto stesso. Volume in cui le variazioni dello stato tensionale indotte dall opera producono conseguenze non trascurabili. L estensione di tale volume dipende: dal tipo e dalle dimensioni dell opera dai carichi applicati dalle caratteritiche dei terreni coinvolti quindi non è noto a priori!!!! nella ipotesi di terreno omogeneo

12 DENSITA O FREQUENZA DELLE INDAGINI La densità o la frequenza delle indagini dipende: dal tipo e dalle dimensioni dell opera dalle caratteritiche dei terreni coinvolti consapevoli che il terreno comunque indagato è una percentuale ridotta del volume significativo.i valori rappresentativi delle proprietà dei materiali dedotte dalle indagini dovreanno essere il risultato di un attenta considerazione di tutti i fattori in gioco.

13 DENSITA O FREQUENZA DELLE INDAGINI

14 DENSITA O FREQUENZA DELLE INDAGINI HOSPITAL 0 m

15 DENSITA O FREQUENZA DELLE INDAGINI HOSPITAL 0 m 100

16 INDAGINI DI SITO verso PROVE DI LABORATORIO VANTAGGI DELLE PROVE DI LABORATORIO Condizioni di drenaggio e al contorno perfettamente note e controllabili Possibilità di applicare qualsiasi stato tensionale corrispondente ai principali problemi al finito VANTAGGI DELLE INDAGINI DI SITO Interessano volumi di terreno maggiori rispetto ai provini Andamento continuo delle caratteristiche geotecniche con la profondità Possibilità di caratterizzare i terreni a grana grossa (spesso non campionabili) In generale sono più rapide e meno costose delle prove di laboratorio

17 INDAGINI DI SITO verso PROVE DI LABORATORIO ATTENZIONE Le indagini in sito e le prove di laboratorio devono considerarsi come due procedimenti complementari che se opportunamente utilizzate in parallelo consentono di ridurre le incertezze nella comprensione del comportamento meccanico del terreno

18 Le metodologie e le attrezzature delle quali si dispone per le indagini geotecniche sono numerose e varie. Per il riconoscimento dei terreni e per definire la costituzione del sottosuolo e la natura dei terreni in esso presenti: scavi accessibili perforazioni di sondaggio GLI STRUMENTI Per la determinazione delle caratteristiche fisico meccaniche dei terreni: prelievo di campioni in sito e sperimentazione di laboratorio prove in sito Per la determinazione delle condizioni idrauliche installazione di piezometri prove in sito e di laboratorio per la definizione della permeabilità

19 6.B Indagini in sito: Perforazioni di sondaggio e prelievo di campioni indisturbati

20 PERFORAZIONI DI SONDAGGIO Ricostruire il profilo stratigrafico Prelevare campioni rappresentativi (disturbati/rimaneggiati) per il riconoscimento di terreni Prelevare campioni indisturbati per l esecuzione di prove di laboratorio Installare in profondità strumenti Eseguire prove in sito Rilievi sulle acque sotterranee

21 PERFORAZIONI DI SONDAGGIO Le perforazioni possono essere eseguite a: rotazione percussione vibrazione combinazione di più tipi di meccanismi Le perforazioni a rotazione sono le più comuni.

22 PERFORAZIONI A PERCUSSIONE L utensile di perforazione è una sonda a valvola o curetta di diametri compresi fra 100 e 600 mm. La manovra consiste nel far scendere in caduta libera la curetta, il terreno penetra nella sonda attraverso la valvola a scarpa sul fondo e viene trattenuto dalla stessa valvola durante il sollevamento. Quando la sonda si è riempita essa viene portata in superficie e svuotata. La perforazione a percussione è adottata solo nei terreni a grana grossa.

23 PERFORAZIONI A ROTAZIONE L utensile di perforazione è un tubo di acciaio (carotiere), di diametro fra 75 e 150 mm, con una corona inferiore tagliente. La manovra consiste nel procedere con la perforazione fino a riempire di terreno il carotiere e riportarlo quindi in superficie. Il metodo consente il prelievo continuo di carote, adattando la tecnica di perforazione alla natura del terreno. È possibile attraversare terreni di qualsiasi tipo fino a notevoli profondità.

24 PRELIEVO DA FORI DI SONDAGGIO I campioni prelevati con i normali utensili di perforazione sono rimaneggiati e vengono conservati ordinatamente in cassette catalogatrici..

25 PROFILO STRATIGRAFICO Da un analisi visiva del materiale posto nelle cassette catalogatrici si ricostruisce il profilo stratigrafico. La ricostruzione è tipicamente fatta da un Geologo.

26 PROFILO STRATIGRAFICO Da un analisi visiva del materiale posto nelle cassette catalogatrici si ricostruisce il profilo stratigrafico. La ricostruzione è normalmente fatta da un Geologo.

27 CAMPIONAMENTO Campioni indisturbati: campioni di terreno che conservano la struttura, il contenuto d acqua propri del terreno nella sua sede naturale. Si utilizzano per la determinazione delle proprietà fisiche e meccaniche. Il loro prelievo richiede utensili particolari (campionatori) di caratteristiche tecniche diverse a seconda della natura del terreno. Campioni disturbati o rimaneggiati: campioni che non conservano la struttura e il contenuto d acqua propri del terreno nella sua sede naturale. Sono utili ai fini della ricostruzione della stratigrafia, della determinazione delle proprietà indice. Possono essere prelevati senza ricorrere a particolari attrezzature.

28 Prelievo di campioni indisturbati Campionamento con campionatore Campionamento a blocchi

29 CAMPIONI INDISTURBATI Campionatore a parete sottile (tipo Shelby) Viene infisso a pressione ed è utilizzato in terreni a grana fine da poco a mediamente consistenti.

30 Campionatore a rotazione a doppia parete (tipo Mazier) CAMPIONI INDISTURBATI Si impiega in terreni coesivi di elevata consistenza nei quali non è possibile l infissione di campionatori a pressione.

31 QUALITÀ DEI CAMPIONI I campioni di terreno che si prelevano hai fini geotecnici sono classificati in base al grado di disturbo, cioè in base al tipo di informazioni geotecniche che da essi si possono ricavare. Caratteristiche Geotecniche determinabili Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Natura del terreno * * * * * Compisizione granulometrica * * * * Contenuto d acqua * * * Peso dell unità di volume * * Caratteristiche meccaniche * Campioni disturbati o Disturbo limitato Indisturbati

32 6.C Indagini in sito: Misura delle pressioni interstiziali

33 MISURA DELLE PRESSIONI INTERSTIZIALI Il Piezometro è un elemento poroso, pieno d acqua, la cui pressione è uguale a quella dell ambiente circostante. La misura avviene rilevando l altezza di risalita dell acqua nel tubicino connesso all elemento poroso. u = γ w *x Quota di riferimento

34 MISURA DELLE PRESSIONI INTERSTIZIALI Piezometro a tubo aperto Il tipo più semplice di piezometro è costituito da un tubo metallico o plastica dotato di un tratto finestrato. Il livello dell acqua viene rilevato con una sonda galvanometrica. Questo tipo di piezometro è adatto a terreni di elevata permeabilità (K > 10-6 m/s). Consente di ottenere informazioni sulla posizione della superficie di falda.

35 MISURA DELLE PRESSIONI INTERSTIZIALI Piezometro Casagrande Esso è costituito da un cilindro di pietra porosa (h = 20-30cm; d = 3-5cm); l estremità superiore è collegata a due tubicini in PVC (d = 1.25 cm). Il livello dell acqua viene rilevato con una sonda galvanometrica. Questo tipo di piezometro è adatto a terreni di media - bassa permeabilità. Consente di ottenere misure localizzate della pressioni interstiziale.

36 6.D Prove di Laboratorio

37 PROVE DI LABORATORIO In laboratorio vengono utilizzati provini di terreno di piccole dimensioni (dell ordine del decimetro) in condizioni controllate I campioni devono essere rappresentativi del terreno in sito: dato che i terreni naturali non sono di regola omogenei, può essere necessario provare un numero elevato di campioni Campioni naturali, campioni ricostituiti in laboratorio (ottenuti mediante completo rimaneggiamento meccanico con aggiunta di acqua distillata fino ad ottenere una consistenza liquida w = 1 2 w L ) Nel caso di campioni ricostituiti vengono cancellati i fattori ambientali ed ogni effetto di memoria; la risposta meccanica dipende solo dalla costituzione del materiale

38 Apparecchiatura ideale di laboratorio: - condizioni iniziali uguali a quelle che si hanno in sito - percorso di sollecitazione uguale a quello subito dall elemento di terreno in sito in seguito ad una variazione delle condizioni al contorno In realtà: - disturbo del campione per effetto del prelievo - mancanza di apparecchiature in grado di simulare le complesse variazioni di sollecitazione e di deformazione che si hanno in sito Quindi, le apparecchiature di laboratorio possono solo in parte riprodurre le variazioni di stato tensionale in sito

39 E fondamentale il controllo delle condizioni di drenaggio Per ottenere CONDIZIONI DRENATE è necessario che il provino sia idraulicamente connesso con l esterno Per le terre a bassa permeabilità, inoltre, è necessario che le sollecitazioni esterne siano applicate lentamente, in modo da non indurre apprezzabili variazioni di pressione interstiziale Per i terreni a grana grossa, invece, le condizioni drenate sono raggiungibili per qualunque velocità di applicazione del carico Si ottengono, invece, CONDIZIONI NON DRENATE se l elemento di terra è limitato da un contorno impermeabile e quindi NON è connesso idraulicamente con l esterno.

40 6.E Determinazione sperimentale della resistenza a taglio dei terreni

41 Nelle soluzioni dei problemi reali è necessario determinare i parametri di resistenza da utilizzare nelle analisi Criterio di resistenza di Mohr-Coulomb: f c' ' n tg' Occorre determinare sperimentalmente c'e υ' Si utilizzano, generalmente, le due seguenti apparecchiature sperimentali: la scatola di taglio diretto e la cella triassiale

42 6.F La scatola di taglio diretto

43 L apparecchio consiste in una robusta scatola metallica, a sezione quadrata, tagliata secondo un piano orizzontale, in modo che le due parti, chiamate semiscatole, possano scorrere relativamente in direzione orizzontale

44 Nella scatola, in cui inizialmente le due parti sono perfettamente sovrapposte, viene inserito il provino di terreno (altezza 2 cm, lato 6 cm). Le due facce del provino sono a contatto con due piastre porose che consentono il libero drenaggio dell acqua contenuta nel provino

45 Attraverso la piastra superiore è possibile applicare una forza normale N. L applicazione della forza di taglio T si ottiene facendo scorrere a velocità costante e molto bassa la vaschetta che è solidale alla semiscatola inferiore.

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47 Fase di consolidazione: si applica una forza normale N e si aspetta fino all esaurimento degli abbassamenti verticali correlati alla dissipazione delle sovrappressioni interstiziali Δu indotte dall applicazione di N (cioè si aspetta il raggiungimento delle condizioni di lungo termine) Fase di rottura: si fa crescere la forza di taglio T facendo scorrere le due semiscatole l una rispetto all altra N.B. la velocità di scorrimento viene scelta in funzione della permeabilità del terreno, in modo da avere sempre condizioni drenate nel corso della prova (quindi σ n = σ n in quanto la u è praticamente pari a zero nella scatola) Conoscendo l area del provino A: ' n N A f T A

48 Curva sforzi-deformazioni

49 Per determinare i parametri di resistenza del terreno, è necessario ripetere la prova almeno tre volte, su tre provini differenti, con carichi normali N 1 < N 2 < N 3 ' ' ' n1 n2 n3 N1 A N2 A N3 A f1 f2 f3 T 1 A T 2 A T 3 A

50 Diagrammando le coppie (σ ni, τ fi ) in un piano τ - σ n : τ τ φ c' δ h σ n1 σ n2 σ n3 σ n Interpolando i risultati mediante una retta si ottengono c' e υ'

51 6.G La cella triassiale

52 recipiente cilindrico trasparente piedistallo La cella triassiale è costituita da un recipiente cilindrico trasparente che contiene un provino di terra, anch esso cilindrico (diametro 38 mm e altezza pari al doppio del diametro cioè 76 mm ). Il provino è montato su un piedistallo alla base della cella, alle basi del provino sono poste due piastre porose, ed è rivestito da una membrana di gomma. Nella cella viene immesso un liquido (acqua) che ha la funzione di applicare una pressione isotropa al provino.

53 Rubinetto (R) Un pistone che scorre in una guida lubrificata, applica alla base superiore del provino, tramite un cilindro metallico/plexiglas poggiato sulla piastra porosa superiore, un carico assiale che si aggiunge a quello risultante dalla pressione del liquido. Il piedistallo è forato e permette la connessione idraulica del provino con l esterno (può qui essere fissato il valore della pressione interstiziale iniziale u )

54 Rubinetto (R) Quindi, in una cella triassiale lo stato di sforzo può essere variato agendo sulla pressione del liquido (pressione di cella σ c ) e sul carico assiale F a

55 Fase di consolidazione: si applica una pressione di di cella σ c mentre il carico assiale F a è nullo. Il provino subisce un aumento di pressione interstiziale da u 0 a u 0 + Δu. Tenendo aperto il rubinetto del drenaggio inferiore si aspetta la fine del fenomeno di consolidazione (Δu = 0) Alla fine della fase di consolidazione si ha: u r a ' r u 0 c c ' a c u 0 Rubinetto Aperto

56 PROVA CONSOLIDATA DRENATA (prove CD): dopo la fase di consolidazione, mantenendo costanti σ c e u = u 0, si fa crescere la forza assiale F a fino ad ottenere la rottura del provino. Durante tutta questa fase il rubinetto del drenaggio inferiore è aperto ed il carico F a è applicato lentamente in modo da rispettate u = u 0 A rottura si ha: ' ' ' ' u u u u A F a a r r a c a c r Rubinetto Aperto

57 Andamento sforzi deformazioni per un argilla Normalconsolidata in una prova triassiale drenata σ a - σ c ' Andamento sforzi deformazioni per un argilla Sovralconsolidata in una prova triassiale drenata σ a - σ c ' ε v

58 PROVA CONSOLIDATA NON DRENATA (prove CU): dopo la fase di consolidazione, mantenendo costante σ c, si fa crescere la forza assiale F a fino ad ottenere la rottura del provino. Durante tutta questa fase il rubinetto del drenaggio inferiore è chiuso e durante la prova si misurano gli incrementi di pressione neutra Δu A rottura si ha: 1 a a 3 r r 0 1 a c a 3 c r ' u ' ' u ' u u u A F Rubinetto Chiuso

59 Andamento sforzi deformazioni per un argilla Normalconsolidata in una prova triassiale non drenata Andamento sforzi deformazioni per un argilla Sovralconsolidata in una prova triassiale non drenata σ a - σ c ' σ a - σ c ' Δu

60 Diagrammando le coppie (σ i, τ fi ) in un piano τ - σ : NC tg ' ' f n NC OC c' tg ' ' f n OC σ 3I ' σ 1I ' σ 3II ' σ ' σ 1II ' σ 1III ' 3III σ' σ ' σ 3I σ ' 3III ' 1I σ 3II ' σ 1II ' σ 1III ' σ' Interpolando i risultati mediante una retta si ottengono c e υ

61 6.H La resistenza non drenata delle argille in termini di tensioni totali

62 Si è visto come la resistenza al taglio sia determinabile se in ogni istante sia noto il valore di u della pressione interstiziale dell acqua In condizioni non drenate nelle prove di laboratorio, tale valore viene misurato direttamente; si può quindi analizzare il comportamento del terreno in termini di sforzi efficaci, avendo: utg' c' u u tg ' c' ' tg' c' 0 f n n n Nei problemi applicativi, l uso di questa relazione può essere problematico perché non è nota con sufficiente approssimazione la distribuzione della pressione interstiziale u = u 0 + Δu a breve termine e durante la consolidazione del terreno

63 Per superare questa difficoltà è prassi corrente l introduzione di una resistenza definita in termini di tensioni totali, ossia trascurando l interazione tra lo scheletro solido e l acqua interstiziale Tale resistenza è detta RESISTENZA NON DRENATA La resistenza non drenata di una argilla si determina sottoponendo un provino ad una prova di rottura in condizioni non drenate, senza alcuna fase di consolidazione iniziale (prova non consolidata, non drenata)

64 Rubinetto Chiuso PROVA NON CONSOLIDATA NON DRENATA (prove UU): durante la fase di applicazione della pressione di cella il drenaggio inferiore rimane chiuso (cioè non si fa consolidare il campione). Si ha quindi un aumento delle tensioni totali pari a 3 1 c c u u Le tensioni efficaci restano invece uguali al valore iniziale

65 Anche il carico assiale viene applicato in condizioni non drenate (con il drenaggio inferiore chiuso) Rubinetto Chiuso

66 Diagrammando il cerchi di Mohr a rottura (σ, τ) espressi in termini di tensioni totali si ottiene:

67 L inviluppo di resistenza è parallelo all asse delle ascisse. In condizioni non drenate ed esprimendo il criterio di resistenza in termini di tensioni totali, il materiale si comporta come se il suo angolo d attrito fosse nullo e tutta la resistenza fosse di tipo coesivo con c f u c u è chiamata resistenza non drenata A parità di composizione, la resistenza non drenata delle argille sovraconsolidate può essere più elevata di quella delle argille normalconsolidate.

68 6.I Cenni sul comportamento meccanico delle sabbie

69 Andamento sforzi deformazioni per un sabbia sciolta e una sabbia addensata in una prova triassiale drenata σ a - σ c '

70 Diagrammando le coppie (σ i, τ fi ) in un piano τ - σ : tg ' ' f n A tg ' ' f n S σ' Interpolando i risultati mediante una retta si ottengono c =0 kpa e υ