CARATTERISTICHE DI DILATANZA E DEGRADAZIONE DELLA CEMENTAZIONE DI SABBIE ARTIFICIALMENTE CEMENTATE

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1 CRTTERISTICHE I ILTNZ E EGRZIONE ELL CEMENTZIONE I SBBIE RTIFICILMENTE CEMENTTE aniela Porcino Università Mediterranea di Reggio Calabria daniela.orcino@unirc.it Vincenzo Marcianò Università Mediterranea di Reggio Calabria Vincenzo.marciano@unirc.it Sommario La nota si inquadra in una iù amia ricerca volta ad investigare l influenza della cementazione e della sua degradazione sul comortamento deformativo ed a rottura di sabbie cementate. La resente nota riorta i risultati ottenuti da rove triassiali monotoniche drenate condotte su rovini di sabbia cementati artificialmente (a debole e moderata cementazione), considerando differenti tensioni efficaci di confinamento. L influenza della comonente di cementazione indotta da un agente cementante e la sua degradazione durante la fase di taglio è stata analizzata in termini di relazioni sforzi-dilatanza. I risultati hanno evidenziato come la legge di dilatanza di Rowe (96) er terreni dotati di coesione sia in grado di cogliere il comortamento esibito serimentalmente dai camioni cementati, tenendo conto della rogressiva destrutturazione dei legami di cementazione durante la rottura. I dati serimentali sono stati utilizzati er derivare una legge di degradazione della cementazione con le deformazioni lastiche comlessive (volumiche e di taglio) mobilitate.. Introduzione Le sabbie cementate comrendono sia deositi naturali sia terreni stabilizzati er migliorarne le caratteristiche meccaniche iniziali (cementazione artificiale). In entrambi i casi i legami di cementazione tra i grani influenzano la resistenza al taglio dei materiali con l aggiunta di un contributo raresentato dalla comonente di coesione secondo la formulazione analitica di Mohr-Coulomb. Questo arametro è stato successivamente adottato come arametro raresentativo del grado di cementazione anche er quanto riguarda altri asetti del comortamento vicino alla rottura (re e osticco) di tali materiali, quali ad es. il comortamento nei confronti della dilatanza (Yu et al, 7). La rogressiva decementazione associata alla comarsa di deformazioni lastiche (volumetriche e di taglio) esercita una significativa influenza sugli asetti recedentemente citati (resistenza di icco, softening, etc.) e la sua resa in conto consente di siegare tiici fenomeni rori di questi materiali, quali ad es. quello della dilatanza ritardata (Yu et al., 7). Per inglobare il contributo della comonente legata alla cementazione sono state rooste in letteratura relazioni sforzi-dilatanza er materiali coesivo-attritivi basate sia sull aroccio energetico originariamente roosto da Rowe (96, 96) sia su un aroccio diverso (Zhang e Salgado, 9). La resente nota riorta i risultati di rove triassiali drenate eseguite su rovini di sabbia cementati artificialmente (debole e moderata), a differenti tensioni efficaci di confinamento. Le rove sono state analizzate alla luce della relazione sforzi-dilatanza nella quale è stato inglobato il contributo della coesione mobilitata, e derivando la legge di degradazione del arametro di coesione all aumentare delle deformazioni lastiche comlessive (volumetriche e deviatoriche).

2 Incontro nnuale dei Ricercatori di Geotecnica 5- IRG 5 Cagliari, 4-6 giugno 5. Materiali utilizzati La serimentazione ha revisto l esecuzione di rove triassiali drenate CI-CL condotte su rovini cementati della sabbia del Ticino ( 5 =.56 mm) e, er confronto, su rovini non cementati della stessa sabbia. I rovini non cementati di sabbia, di altezza ari a 4 mm e diametro 7 mm, sono stati ricostituiti ad un refissato stato di addensamento iniziale sciolto ( r =45%), attraverso il metodo della deosizione luviale. La cementazione è stata indotta utilizzando una soluzione a base di silicato di sodio (con reagente inorganico) er indurre una debole cementazione ed una soluzione contenente silice ura, che orta alla formazione di cristalli di silicato imartendo al terreno trattato moderati livelli di cementazione. La rocedura di rearazione garantisce caratteristiche di uniformità e rietitività dei rovini cementati. Inoltre, tale rocedura consente di minimizzare qualunque effetto di disturbo associato alla fase di rearazione, che raresenta un asetto critico sorattutto nel caso dei rovini con debole cementazione. I dettagli della rocedura di rearazione dei camioni cementati e delle fasi di rova sono riortate in Porcino et al. (). Le rove sono state effettuate investigando differenti tensioni efficaci di confinamento ( c). La fase di rottura è stata condotta ad una velocità di rova ari a. mm/min. I risultati di rove di comressione semlice non confinata (UCS) eseguite su numerosi camioni cementati hanno fornito un valore medio della resistenza al icco q UCS ari a 75 kpa er i camioni a debole cementazione e ari a 47 kpa er quelli moderatamente cementati.. Risultati serimentali.. Curve sforzi-deformazioni e comortamento volumetrico La figura mostra le variazioni del raorto tensionale =q/, essendo ( )/ e q ( ) e della deformazione volumetrica,, al variare della deformazione assiale ( ) ottenute da rove triassiali drenate eseguite su m rovino moderatamente cementato di sabbia del Ticino ( c =5 kpa) e, er confronto, sul corrisondente rovino non cementato..5 q/.5.5 [%] [%] [%] Moderatamente cementato Non cementato Fig..Curve raorto tensionale-deformazioni e comortamento volumetrico di rovini moderatamente cementati e non cementati ( c=5 kpa). Sono evidenti le differenze di comortamento dei rovini cementati risetto a quelli non cementati: è, infatti, riconoscibile un icco di resistenza associato ad una esaltata risosta dilatante del camione cementato. llo stato ultimo, in corrisondenza del raggiungimento di grandi deformazioni ( =%), il camione cementato tende ad un valore di resistenza allo stato critico dei corrisondenti rovini non cementati. bassi livelli tensionali, la fase ost-icco è sesso accomagnata dalla formazione di una zona ( shear band ), con localizzazione delle deformazioni.

3 Incontro nnuale dei Ricercatori di Geotecnica 5- IRG 5 Cagliari, 4-6 giugno 5.. Relazione sforzi-dilatanza er terreni cementati Una delle comonenti che contribuisce alla resistenza al taglio dei terreni cementati, oltre all attrito e alla dilatanza, è raresentata dalla cementazione. Una maniera semlice di tener conto dei tre contributi è quello di esrimerli attraverso la relazione sforzi-dilatanza (Rowe 96, 96). Questo aroccio è stato seguito da Yu et al. (7) nell ambito del modello costitutivo definito CSM er terreni cementati. La relazione sforzi-dilatanza uò essere esressa: c 9 ( M ) 6 ( M) ( M) d () c q 9 M M 4 ( M) ( M) dove: q d / raresenta la dilatanza, essendo e q risettivamente gli incrementi di deformazione lastica volumetrica e deviatorica (d< dilatanza); M è la endenza della retta di stato critico nel iano q, legata all angolo di resistenza al taglio allo stato critico ( CS). Il arametro c, che esrime il contributo della cementazione, varia durante la fase di taglio a artire da un valore iniziale, e degrada a causa del graduale rocesso di decementazione. E necessario, ertanto, tener conto della sua evoluzione durante la rova. Il grado di cementazione iniziale uò essere vantaggiosamente correlato alla resistenza a comressione non confinata, come suggerito da diversi autori (Schnaid et al.,, Lo et al., ). In figura è riortata er i rovini non cementati di sabbia la relazione serimentale sforzi dilatanza in termini di raorto tensionale =q/ e d, quest ultima esressa in termini di incrementi di deformazioni totali volumetriche e deviatoriche, avendo trascurato er semlicità il contributo legato alle deformazioni elastiche. I risultati si riferiscono alle rove condotte a due tensioni efficaci di confinamento ( c =5 e kpa). Come era da attendersi, esiste una buona corrisondenza tra i dati serimentali e la relazione teorica esressa dall eq, (), articolarizzata er terreni non cementati (c/ = ed M=.7, corrisondente a CS=4 ) (fig. ). La figura riorta le curve definite dall eq.() al variare del raorto c/ insieme con la curva serimentale relativa ad un rovino mediamente cementato di sabbia, consolidato a due differenti tensioni efficaci di confinamento..5 c/ =.5 q/.5 c = 5 kpa c = kpa - - d= q Fig.. Relazione sforzi-dilatanza ottenuta da rove TX-CI eseguite sui rovini non cementati della sabbia del Ticino e confronto con la curva teorica

4 Incontro nnuale dei Ricercatori di Geotecnica 5- IRG 5 Cagliari, 4-6 giugno 5.5 c/ =..4.6 B C Y c/ =.8.5 c/ =..4.6 c/ =.8 B=C q/.5 q/.5 Y.5.5 c = 5 kpa c = 5 kpa d= / q d= q (a) (b) Fig.. Relazioni sforzi-dilatanza ottenute da due rove TX-CI eseguite su rovini moderatamente cementati di sabbia (a) c =5 kpa; (b) c =5 kpa E ossibile distinguere tre rinciali fasi: Fase re-icco: la dilatanza sembra inibita dalla cementazione ( struttura boccata ), la resistenza al taglio è rincialmente controllata dalla comonente di cementazione. Fase ost-icco: una volta suerato il unto di snervamento Y, la rottura dei legami di cementazione (evidenziata dal assaggio verso successive curve teoriche a c/ decrescenti) diventa significativa e determina una riduzione di resistenza controbilanciata da un incremento dovuto alla dilatanza. Quest ultima raggiunge valori d max significativamente iù elevati di quelli corrisondenti al rovino non cementato. Il unto in cui si verifica d max non corrisonde al icco di resistenza ( ). Stato ultimo: a grandi deformazioni il materiale esibisce un comortamento revalentemente attritivo; c/ tende a valori rossimi a, e ciò è tanto iù vero quanto maggiore è la tensione efficace di confinamento. Tenendo conto della degradazione della cementazione durante la rova, la relazione teorica (eq.) consente di cogliere il modello di comortamento esibito dai camioni cementati durante la fase di taglio. In figura 4 sono riortati i dati serimentali insieme alle curve teoriche nel caso di rovini di sabbia con debole cementazione. La figura evidenzia come er un rovino debolmente cementato er tensioni efficaci di confinamento c= kpa (fig. 4b), la risosta si riconduce già a quella di un rovino di sabbia non cementato; la soglia tensionale corrisondente a tale assaggio di comortamento (da coesivo ad attritivo) si riduce quanto iù basso è il grado di cementazione iniziale (Coo, 5). Nel caso di rovini a debole cementazione l individuazione del unto di snervamento aare iuttosto incerta. L intersezione dei dati serimentali della relazione -d con le successive curve a c/, consente di ricavare la legge di decadimento della cementazione che descrive la rogressiva destrutturazione dei legami di cementazione tra le articelle con le deformazioni comlessive (volumica e deviatorica) d ( ) ( q ) (fig. 5). Tale relazione è esrimibile attraverso un equazione del tio: c c ( d d ) c e ()

5 Incontro nnuale dei Ricercatori di Geotecnica 5- IRG 5 Cagliari, 4-6 giugno 5 essendo, c un arametro che controlla la velocità di degradazione della cementazione a artire dal valore iniziale c. Quest ultimo è stato determinato in corrisondenza del unto di snervamento (unto Y in fig. ), individuato sulla base anche della variazione del modulo di elasticità longitudinale tangente nella fase di taglio, in accordo alla rocedura suggerita da diversi autori (i.e. Lo et al., ). La figura 5 mostra come la legge di degradazione di c esressa dall eq. sia in grado di cogliere mediamente bene l andamento dei unti relativi al rovino mediamente cementato (fig. 5a) ( c =.9). Considerazioni analoghe valgono anche er il rovino debolmente cementato, er il quale il arametro c assume valori ari a c/ =.8.5 c/ = B q/.5 C.5 c = kpa d q (a)..4.6 c/ =.8.5 c/ = B=C q/.5.5 c = kpa d q (b) Fig. 4. Relazioni sforzi-dilatanza ottenute da rove TX-CI eseguite sui rovini debolmente cementati di sabbia (a) c = kpa; (b) c = kpa

6 Incontro nnuale dei Ricercatori di Geotecnica 5- IRG 5 Cagliari, 4-6 giugno c c = kpa regr. es. R = c = kpa regr. es. R =.98 c [kpa] 4 c =.9 c [kpa] 4 c c =.6 d d 5 d [%] 5 d [%] Snervamento (b) (a) Fig. 5. Riduzione del arametro di cementazione all aumentare delle deformazioni ( d ) (a) rovino mediamente cementato; (b) debolmente cementato di sabbia. Conclusioni Il contributo della cementazione e gli effetti della sua degradazione durante la fase di taglio sono stati analizzati a artire dai risultati di rove triassiali drenate eseguite su rovini di sabbia cementata artificialmente a due differenti livelli di cementazione iniziali. Il comortamento serimentale è stato siegato rendendo in conto la legge sforzi-dilatanza di Rowe (96,96) che ingloba in sé la comonente legata alla cementazione, che evidentemente evolve durante la rova a causa della rottura dei legami interarticellari. Sulla base dei dati serimentali è stato ossibile derivare il arametro che controlla la velocità di degradazione della cementazione con le deformazioni. Gli ulteriori svilui della ricerca riguardano l inquadramento della teoria all interno di un modello costitutivo roosto da Yu et al. (7) er materiali cementati. Sarà anche verificata l affidabilità di altre leggi sforzi-dilatanza er terreni cementati, quale ad esemio quella recentemente suggerita da Zhang e Salgado (9). Bibliografia Coo M.R. (5). On the mechanics of reconstituted and natural sands. Proceedings of eformation Characteristics of Geomaterials, London, Edited by i Benedetto et al., Taylor e Francis Grou, Lo S.-C. R, Lade P. V., and Wardani S. P. R. (). n exerimental study of the mechanics of two weakly cemented soils. Geotechnical Testing Journal, 6 (), Paer I GTJ45_6. Porcino., Marcianò V., Granata R. (). Static and dynamic roerties of a lightly cemented silicate grouted sand. Canadian Geotechnical Journal, 49 (), 7-. Rowe P. W. (96). The stress--dilatancy relation for static equilibrium of an assembly of articles in contact. Proc. R. Soc. London, 96, 69, Rowe P. W. (96). Stress--dilatancy, earth ressure, and sloes. J. Soil Mech. Found. iv. SCE, 89(SM), 7-6. Schnaid F., Prietto P.. M., and Consoli, N. C. (). Characterization of cemented sand in triaxial comression. J. Geotech. Geoenviron. Eng. SCE, 7(), Zhang J. Salgado R. (9). stress-dilatancy relation for cemented sands. Proc. 7th Int. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. M. Hamza et al. (Eds.) 9 IOS Press.,5-9 October, lexandria (Egyt). Yu H. S., Tan S. M. & Schnaid F. (7). critical state framework for modelling bonded ceomaterials. Geomechanics and Geoengineering: n International Journal, (), 6-74.