Geologia - Geotecnica

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1 Geologia - Geotecnica

2 BIBLIOGRAFIAe NORMATIVA Lancellotta R. Geotecnica (1987) Zanichelli Lancellotta R. Meccanica dei Terreni Levrotto & Bella Cancelli Appunti di Geotecnica Dellana G. Appunti di Geotecnica FORMULA GEO VER PROGRAM GEO Brescia (copyright 2001) T. William Lambe, Robert V. Whtitman - Meccanica dei Terreni Dario Flaccovio Editore Dispense del corso di Geotecnica del Prof. Ing. Battista Grosso della Facoltà di Ingegneria dell Università degli Studi di Cagliari Dispense del corso di Fondamenti di Geotecnica del Ing. Roberto Vassallo dell Università degli Studi della Basilicata - sede di Matera. Appunti del modulo di Geotecnica e Fondazioni del Laboratorio di costruzioni dell architettura II A-C dell Ing. Giuseppe Scassera, Prima Facoltá di Architettura Ludovico Quaroni,Corso di laurea specialistica in architettura UE. D.M.LL.PP del 3 Marzo 1988 Tensioni Ammissibili Circolare LL.PP del 24 Settembre 1988 DM 14 Settembre 2005 Norme Tecniche per le Costruzioni DM 14 Gennaio Norme Tecniche per le Costruzioni Stati limite 2

3 Le Rocce Le rocce si definiscono come aggregati di minerali. Frequentemente sono costituite da un minerale dominante e solo in piccole percentuali da altri; le rocce calcaree ad esempio sono costituite essenzialmente dal minerale calcite (CaCO3); Le rocce vengono classificate in base all'origine dei minerali di cui sono costituite e si distinguono in: PRIMARIE ignee quelle che derivano direttamente dal raffreddamento del magma sia superficiale (eruzioni vulcaniche) che profondo (camera magmatica) SECONDARIE sedimentarie quelle che si originano dalla deposizione e successiva compattazione dei prodotti di disgregazione e alterazione di rocce preesistenti metamorfiche quelle che derivano da rocce preesistenti (PROTOLITI) che subiscono modifiche cristalline dovute in genere ad aumenti di temperatura e/o di pressione, spesso legati a fenomeni tettonici.

4 Le rocce ignee Questo tipo di rocce si forma per il raffreddamento e la cristallizzazione di un magma fuso. Tale magma, che può avere origine anche a 200 Km di profondità, è composto prevalentemente dagli elementi che si ritrovano nei minerali silicatici, insieme a vapore acqueo e ad altri composti volatili. Il flusso magmatico grazie alla minor densità rispetto alle rocce in cui è inglobato tende a risalire verso la superficie (Principio di Archimede) ove talvolta fuoriesce e, causa il brusco raffreddamento che subisce, si solidifica velocemente dando luogo alle rocce effusive. Non sempre il magma arriva in superficie e allora si solidifica lentamente al di sotto di questa diventando roccia intrusiva. Questo tipo di roccia non verrebbe mai alla luce se gli agenti atmosferici non ne erodessero la copertura.

5 Le rocce ignee II La velocità con cui il magma si raffredda influisce in maniera determinante sul tipo di roccia che ne deriva. Infatti se si raffredda lentamente la roccia avrà una struttura più ordinata e compatta e sarà più ricca di cristalli in quanto gli elementi costituenti avranno avuto molto tempo per ordinarsi mineralogicamente. Al contrario se questo raffreddamento è rapido si può arrivare fino ad avere una struttura completamente vetrosa (che non possiede una struttura mineralogica ordinata). L'esempio più calzante per una roccia di questo tipo resta sempre l'ossidiana. Le rocce ignee, cosi come anche tutte le altre rocce, vengono distinte in base alla loro composizione mineralogica e alla loro struttura.

6 Le rocce ignee III Le rocce che si sono formate in superficie (quelle effusive) in genere presentano una struttura granulare molto fine in cui i singoli cristalli non si distinguono ad occhio nudo, mentre per quelle intrusive si parla di rocce granitoidi per la presenza di cristalli facilmente visibili. A volte può capitare che un magma, che ha iniziato a cristallizzare in profondità, venga poi portato in superficie dove termina la sua cristallizzazione. Risulterà quindi una roccia dalle caratteristiche intermedie e sarà definita come filoniana.

7 Le rocce ignee III - Esempi Granito Roccia intrusiva Roccia estrusiva raffreddamento rapidissimo Ossidiana Riolite Roccia estrusiva

8 Le rocce sedimentarie Le rocce sedimentarie sono il risultato finale di un processo che inizia con l'alterazione e la disgregazione di rocce preesistenti (sia magmatiche, sia metamorfiche, sia sedimentarie già formatesi), prosegue con il trasporto dei materiali così prodotti e termina con la loro deposizione e compattazione, in genere sui fondali marini o nel profondo dei grandi laghi, dove resterà pressochè immobile per molti molti anni. Il termine sedimentarie dà già qualche indicazione, poichè deriva dal latino "sedimentum" che significa deposto, e si riferisce alla decantazione (o precipitazione) di materiale solido all'interno fluido. Poichè l'alterazione delle rocce che affiorano e il trasporto e deposito dei prodotti alterati sono fenomeni sempre in atto, si trovano sedimenti quasi ovunque. Non appena il loro accumulo raggiunge un certo spessore, il materiale che si trova nella parte inferiore viene compattato dal peso dei sedimenti sovrastanti (questo processo prende il nome di costipazione).

9 Le rocce sedimentarie II Questi sedimenti possono anche venire cementati da sostanze minerali che precipitano chimicamente dalle acque che filtrano attraverso i minuscoli spazi (detti pori) esistenti tra i singoli granuli (chiamati clasti). Il processo finale che dà luogo alla roccia sedimentaria è chiamato DIAGENESI. Le rocce sedimentarie rappresentano meno del 10% in volume dei primi 16 Km di crosta, tuttavia l'importanza di questo gruppo di rocce è notevole visto che costituiscono il 75% delle rocce che affiorano in superficie. Quindi si possono immaginare queste rocce come un sottile strato, a volte discontinuo, della porzione più esterna della crosta, cosa facilmente intuibile visto che i sedimenti si accumulano proprio sulla superficie della Terra.

10 Le rocce sedimentarie III Schema dei possibili ambienti di deposizione

11 Le rocce sedimentarie IV Fra le particelle solide che costituiscono i singoli clasti troviamo spesso le parti dure di molti animali (fossili) come frammenti di conchiglie o di ossa, che, come accade per quasi tutte le rocce carbonatiche, possono essere quelli assolutamente prevalenti. E' solo nelle rocce sedimentarie che si possono ritrovare i fossili. Le rocce sedimentarie ci forniscono pertanto sempre indicazioni sugli ambienti deposizionali del passato e, talvolta anche sui meccanismi di trasporto dei sedimenti. Non sono da trascurare anche le implicazioni economiche che questo tipo di rocce possono avere: infatti sono associate alle rocce sedimentarie il carbone, il petrolio e il gas naturale (metano).

12 Le rocce sedimentarie V Ma che cos'è questa alterazione? Alterazione è il termine generale di tutti quei processi naturali che tendono a disintegrare una roccia compatta. Questa può essere di due tipi: meccanica e chimica. L'alterazione meccanica (chiamata anche disgregazione) è la rottura fisica della roccia in piccoli frammenti. Questo tipo di alterazione può avvenire in diversi modi: uno dei più importanti è la gelivazione o processo crioclastico (vedi figura accanto). Si tratta del congelamento dell'acqua all'interno di fratture del corpo roccioso; gelando l'acqua aumenta di volume (del 9.2%) sviluppando forti pressioni all'interno della frattura, fina a circa 150 Kg/cm 2. crioclastismo

13 Le rocce sedimentarie VI Queste pressioni non fanno altro che allargare ancora di più la frattura stessa, quindi se si immagina di ripetere questo ciclo ogni giorno, con l'acqua che è allo stato liquido di giorno, ma si solidifica la notte, ci possiamo rendere conto di quanto sia importante questo processo ai fini della disgregazione della roccia. In questo fenomeno assume grande importanza il ciclo gelo-disgelo più che le lunghe gelate, e pertanto le aree più esposte a questo fenomeno sono le zone montane delle medie e basse latitudini. Possono assumere importanza anche i processi di dilatazione, dovute ad una diminuzione di pressione per erosione del materiale soprastante, in tal modo le discontinuità della roccia, che prima erano trascurabili per la pressione delle rocce intorno, si allargano quando questa viene a mancare. Anche l'espansione termica, cioè le forti variazioni di temperatura che si possono avere nel deserto ad esempio possono contribuire alla disgregazione della roccia. Questo processo prende il nome di processo termoclastico.

14 Le rocce sedimentarie VII I sedimenti quindi possono avere fondamentalmente due origini diverse: per accumulo di materiali, prodotte dall'alterazione superficiale e come tali trasportate via, e prendono il nome di rocce clastiche, o avere origine da sostanze in soluzione che precipitano (cioè si solidificano), queste prendono il nome di rocce chimiche. La distinzione tra le varie rocce clastiche è basata fondamentalmente sulle dimensioni dei clasti (cioè le singole particelle che compongono la roccia). Ad esempio prende il nome di arenaria una roccia composta da granuli delle dimensioni di quelli di una arena o sabbia.

15 Le rocce sedimentarie VIII Arenaria Puddinga Breccia

16 Le rocce sedimentarie IX La caratteristica più appariscente delle rocce sedimentarie sono gli strati; questi sono dovuti proprio perchè i sedimenti si accumulano strato su strato fino a quando gli strati sottostanti sono così compatti che diventano consistenti quasi come una roccia ignea. La DIAGENESI che come già detto può avvenire per compattazione o per cementazione, avviene spesso in tutte e due i modi contemporaneamente. Successivamente queste rocce possono essere portate in superficie da movimenti tettonici e si possono cosi ritrovare quasi ovunque.

17 Le rocce Metamorfiche l processo metamorfico, detto appunto metamorfismo comporta la trasformazione mineralogica di rocce preesistenti. Una roccia metamorfica si può infatti formare da una roccia ignea, sedimentaria, o da una stessa roccia metamorfica. Il nome di questo genere di rocce risulta molto appropriato in quanto significa "cambiamento di forma" e questi cambiamenti sono innescati da alcuni fattori tra cui i più importanti sono la temperatura e la pressione (assume una importanza rilevante anche la presenza di fluidi poichè questa facilita la migrazione degli ioni nelle strutture mineralogiche). E' noto infatti che, fino ad una certa profondità, vi è un aumento di temperatura variabile tra i 10 C e i 30 C per ogni chilometro a seconda delle diverse regioni e questo prende il nome di gradiente geotermico In pratica più si scende in profondità e più aumenta la temperatura, infatti in alcune miniere d'oro del Sud Africa, che possono arrivare anche a 2 Km di profondità si possono raggiungere temperature di 40 C-50 C all'interno dei cunicoli.

18 Le rocce Metamorfiche II Similmente alla temperatura cresce anche il valore della pressione detta "di confinamento". Questa è di tipo idrostatico, in quanto come quella presente sott'acqua agisce con uguale intensità in tutte le direzioni. Il gradiente di pressione in genere si valuta intorno ai bar ogni Km di profondità (1 bar = 1 atmosfera che è circa equivalente a 1 Kg/cm 2 ). Nell'interno della Terra possono anche agire, in alcuni casi delle pressioni orientate secondo particolari direzioni chiamate stress o pressioni orientate che danno vita a varie strutture visibili sulla roccia come le foliazioni, lineazioni e scistosità.

19 Le rocce Metamorfiche III Questi cambiamenti ambientali coinvolgono sia la struttura mineralogica che la composizione chimica della roccia. In alcuni casi la roccia subisce solo dei modesti cambiamenti in altri si può arrivare ad un cambiamento radicale, e al limite, una sua nuova fusione (quindi geneticamente tornerebbe ad essere una roccia ignea); ma perchè si possa parlare di metamorfismo la roccia deve rimanere pressochè allo stato solido. Le rocce che si trovano in queste condizioni sono quindi piuttosto calde e si comportano in modo plastico durante la deformazione e ciò spiega la loro capacità di muoversi quasi come un fluido, e di formare pieghe, anche molto complesse, senza per questo rompersi. Il processo metamorfico ha luogo quando una roccia viene sottoposta a condizioni (in genere si parla di temperature e pressioni) diverse da quelle in cui essa si è formata.

20 Le rocce Metamorfiche IV

21 Le rocce Metamorfiche V l metamorfismo che dipende essenzialmente dalla sola temperatura è chiamato di contatto ed è, provocato dalla risalita del magma che, per contatto diretto, metamorfizza le pareti interne dei canali magmatici stessi (il magma in genere ha una temperatura tra i 700 C e i 1200 C). Questo tipo di metamorfismo avviene in genere a piccole profondità variabili da circa 1 Km fino a circa 9-10 Km, e per questo non coinvolge azioni di pressione sulle rocce. La larghezza dell'area interessata dal metamorfismo aumenta con l'aumentare della temperatura del magma in risalita dove chiaramente sarà più "metamorfosata" la roccia vicino al magma e molto meno quella più lontana.

22 Definizioni elementari MINERALE: materiale con proprietà chimiche e formule proprie. ROCCIA: è un aggregato di minerali. ROCCIA SEMPLICE: è una roccia composta di un solo minerale. ROCCIA COMPOSTA: è una roccia composta di più minerali. ROCCIA SCIOLTA: è quella che si può suddividere in granelli. ROCCIA LAPIDEA: è più compatta ed ha un elevata aderenza tra grani; esistono rocce che hanno un comportamento intermedio fra sciolta e lapidea. GRANI O GRANELLI: sono le singole parti solide che costituiscono le rocce sciolte. TERRA: è una roccia sciolta tolta dal suo ambiente naturale (per esempio per usarla nelle costruzioni). TERRENO: è un termine generico per indicare le terre e le rocce nel loro ambiente naturale.

23 Minerale Il minerale è un corpo solido cristallino, con composizione chimica definita o variabile in campo ristretto. La maggior parte dei minerali è caratterizzata dall'avere una ben precisa struttura cristallina. A livello atomico i minerali cristallini infatti possiedono un reticolo cristallino formato dalla ripetizione di una struttura geometrica detta cella unitaria. Un cristallo è un corpo solido a facce piane riconducibile a una determinata figura geometrica. La struttura si riferisce alla disposizione spaziale ordinata a lungo raggio degli atomi nella loro struttura molecolare. Alcuni minerali inoltre presentano il fenomeno dell'isomorfismo, cioè può verificarsi che due o più minerali presentino identica struttura atomica e composizione chimica analoga. Sia la composizione chimica che la struttura cristallina concorrono a definire un minerale. Due o più minerali possono avere la stessa composizione ma differente struttura cristallina (sono detti polimorfi). Per esempio, la pirite e la marcasite sono entrambi solfuri di ferro. Analogamente, alcuni minerali hanno differente composizione chimica ma stessa struttura cristallina (sono detti isomorfi): halite (composta da sodio e cloro), galena (solfuro di piombo - composta da piombo e zolfo) e periclasio (composto da magnesio ed ossigeno) hanno tutti la stessa struttura cristallina cubica. La struttura cristallina influenza notevolmente le proprietà fisiche di un minerale. Per esempio, diamante e grafite hanno la medesima composizione chimica ma le loro differenti strutture cristalline rendono la grafite molto tenera ed il diamante molto duro (è il materiale più duro conosciuto). Per essere classificata come minerale, una sostanza dev'essere solida ed avere una struttura cristallina. Dev'essere anche un corpo solido omogeneo di origine naturale con una composizione chimica ben definita. Alcune sostanze che non rientrano strettamente nella definizione, sono classificate come mineraloidi. I minerali conosciuti ad oggi sono oltre 4.000

24 Genesi e struttura dei terreni Rocce Terreni Alterazione: fisico chimica - organica Disgregazione meccanica dovuta al trasporto Accumulo Caratteristiche degli accumuli: insieme di particelle tra cui non si hanno legami forti. Se questi esistono sono di ordini di grandezza inferiori rispetto a quelli che caratterizzano le rocce.

25 Genesi e struttura dei terreni Struttura del terreno: rapporti geometrici fra le particelle e legami esistenti fra di esse Forze di massa e forze di superficie Superficie specifica [l 2 /m] Sabbia (2 mm) s = m 2 /g Caolino (1-4 µm) s = m 2 /g Montmorillonite (10 A) s = 800 m 2 /g Terreni a grana grossa: governati dalle forze di massa Interazione meccanica Terreni a grana fine: governati dalle forze di superficie

26 Genesi e struttura dei terreni Le proprietà dipendono dall interazione meccanica fra le particelle. La struttura dipende dalla distribuzione granulometrica delle particelle, dalla loro forma e dal grado di addensamento Aumentano il mutuo incastro fra le particelle e dunque la resistenza Diminuiscono la porosità e la compressibilità

27 Le argille Nelle argille le interazioni fra le particelle sono determinate dalle forze di superficie. I minerali che compongono le argille sono silicati idrati e hanno forma del reticolo di tipo tetraedrico o ottaedrico. I minerali si compongono in reticoli i quali sovrapponendosi danno origine alla particelle. Gli ioni metallici (silicio, magnesio, alluminio) sono interni al reticolo che ha alla periferia ioni ossigeno o ossidrili. Alla periferia e dunque sulla superficie, la particella risulta carica negativamente.

28 Le argille Le particelle d argilla, grazie alla loro carica negativa superficiale, attraggono e legano con forze elettriche l idrogeno facente parte delle molecole d acqua che dunque si dispongono in modo caratteristico rispetto alla particella. Al crescere della distanza dalla particella stessa, le forze elettriche vengono neutralizzate e le molecole d acqua non risentono più di esse. Queste molecole costituiscono l acqua libera o interstiziale. L insieme delle cariche negative superficiale e delle molecole d acqua adsorbite, formano il doppio strato elettrico acqua libera acqua adsorbita ± cationi doppio strato

29 Classificazione di un volume di terreno Un volume di terreno è composto da dei grani o granelli a contatto fra loro, ma negli interstizi sono presenti sia acqua che aria. Nel volume di terreno sono quindi presenti tre fasi: la fase solida, la fase liquida e la fase gassosa.

30 Proprietà di un grano Isolando un singolo grano esso è determinato da: 1. COMPOSIZIONE MINERALOGICA, È ottenuta tramite spettrografia, dalla quale si desume il grano è composto da sostanza organica o inorganica. 2. PESO SPECIFICO. Indicando con Ps il peso del grano e Vs il volume del grano definiamo PESO SPECIFICO DEL GRANO: Ps γ s = V dove il pedice s indica che ci riferiamo alla fase solida. s

31 Determinazione Gs Eseguiamo la prima misura: con una bilancia si determina il peso del grano Ps. (precisione 0.01) g) L introduzione del terreno porta ad una variazione di volume del liquido e posso misurarlo direttamente. PESO SPECIFICO del solido rispetto a quello dell acqua: Per i terreni naturali Gs=2,4 2,8. PICNOMENTRO o VOLUNOMETRO

32 FORMA DEL GRANO. È definita indicando con delle lettere le dimensioni di un parallelepipedo che contiene il grano. a: la dimensione massima del grano. b, c: le atre due misure del grano. GRADO DI ARROTONDAMENTO. SUPERFICIE ESTERNA. Può essere liscia o scabra, cioè si descrivono le irregolarità microscopiche del grano.

33 DIMENSIONI DEL GRANO Abbiamo a che fare con grani di diverse dimensioni, con riferimento alle terre queste dimensioni possono variare da mm La dimensione è definita sulla base della tecnica usata per misurarla

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35 Classificazione per granulometria Classificazione granulometrica dei terreni in Ciottoli d>60 mm Ghiaia 2<d<60 Sabbia 0.06<d<2 Limo 0.002<d<0.06 Argilla d<0.002 Analisi granulometrica Classificazione a secco per d>2 mm Classificazione ad umido per 2 mm <d<74 µm Classificazione per sedimentazione per d<74 µm

36 Sistemi di classificazione

37 Passante cumulato Curva granulometrica

38 I nome: La frazione granulometrica di maggior presenza da il nome all aggregato. es. Limo. II nome: Quando il II materiale ha una percentuale in peso tra 50% 25% diciamo CON per unire i due nomi. es. Limo con argilla, curva1. III nome: Utilizziamo il suffisso OSO se la percentuale in peso della frazione successiva è tra 25% 10%. es. Limo con argilla sabbiosa, curva 2. IV nome: Utilizziamo la particella DEBOLMENTE se la percentuale della frazione successiva è tra 10% 5%. es. Sabbia con ghiaia debolmente limosa, curva 3.

39 Coefficiente di uniformità U d 60 = diametro corrispondente al 60% in peso di un certo materiale. d 10 = diametro corrispondente al 10% in peso di un certo materiale. U=1-2 quando il materiale è uniforme. U>1 quando la differenza fra i due diametri cresce, e aumenta quanto più cresce la disuniformità.

40 Analisi granulometrica per setacciatura trattenuto al diametro d1

41 Risultati Trattenuto cumulato Passante cumulato

42 Risultati grafici Passante (%) CURVA GRANULOMETRICA 100,00 97,50 79,40 Passante (%) CURVA CUMULATA 34,10 67,26 26,04 18,10 12,14 7,12 2,5 µm 37, ,04 µm

43 Analisi granulometrica per sedimentazione Basata sulla legge di Stokes La densità della torbida a profondità z dipende dal numero di particelle alla profondità z Misurando la densità della torbida a tempi diversi si ottiene il numero di particelle di diametro D

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45 Es. granulometria Sabbia limosa Diametro [mm] Trattenuto Lordo [g] Tara [g] Trattenuto [g] Trattenuto % Tratt. Cumulato Tratt. Cum. % Passante cum. Passante cum. % Sabbia no limo Diametro [mm] Trattenuto Lordo [g] Tara [g] Trattenuto [g] Trattenuto % Tratt. Cumulato Tratt. Cum. % Passante cum. Passante cum. %

46 Passante cumulato[ %] 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Sabbia orig. no limo 0% Diametro [mm]

47 Es. granulometria Diametro [mm] Trattenuto Lordo [g] Tara [g] Trattenuto [g] Trattenuto % Tratt. Cumulato [g] Tratt. Cum. % Passante cum. [g] Passante cum. % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % calcolo D60 m q D [mm] calcolo D10 m q D [mm] U Il materiale è abbastanza uniforme Passante cumulato (%) 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Diametro (mm)