3 - ANALISI E CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI

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1 3 - ANALISI E CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI GENERALITA' I terreni sono sistemi polifase. Ogni terreno è costituito da una fase solida (granuli), da una fase liquida (generalmente acqua) e/o da una fase gassosa (aria). Nelle regioni a clima temperato, ad una certa profondità dalla superficie del suolo (generalmente pochi metri), la fase liquida è quasi sempre presente e frequentemente riempie del tutto gli interstizi tra i granuli (terreni saturi). Nelle regioni a clima arido la fase liquida può mancare del tutto. L'acqua presente nel sottosuolo può essere quella originaria dell'ambiente di formazione dei terreni (terreni di origine alluvionale, lacustre, etc.) o può essere dovuta ad apporti meteorici successivi alla formazione del terreno. Si definiscono proprietà indici di un terreno le proprietà fisiche che ne esprimono quantitativamente la composizione e lo stato di aggregazione. Alcune di queste proprietà dipendono dalla natura e dalle dimensioni dei granuli (composizione granulometrica, peso specifico dei granuli, caratteristiche di plasticità), altre dalla struttura del terreno e cioè dai rapporti tra dimensioni, forma e posizione reciproca dei granuli e dalla presenza di un fluido negli interstizi (peso dell'unità di volume, contenuto d'acqua, porosità, etc.). Alcune proprietà indici non variano al variare dei fattori ambientali, del tempo e delle sollecitazioni applicate (composizione granulometrica, peso specifico dei granuli, etc.), altre variano in dipendenza delle vicissitudini alle quali i terreni sono sottoposti nella loro storia. Nel caso dei terreni a grana grossa, la composizione mineralogica dei granuli (granuli inerti) ha scarsa influenza sul comportamento fisico-meccanico dell'aggregato e per descriverne quantitativamente le caratteristiche è sufficiente definire la distribuzione granulometrica, lo stato di addensamento e la forma dei granuli. Al contrario, nel caso dei terreni a grana fina coerenti, il comportamento dell'aggregato è influenzato dalla natura dei granuli da cui dipendono in misura 16

2 notevole i fenomeni di interazione tra l'acqua e la parte solida. Per descrivere quindi in modo completo le caratteristiche dei terreni a grana fina vengono definite altre proprietà indici (caratteristiche di plasticità) che tengono conto della composizione mineralogica dei granuli. Nella pratica geotecnica riveste enorme importanza poter confrontare le esperienze acquisite da operatori diversi. E' quindi necessario definire un sistema di identificazione e classificazione dei terreni che, pur limitandosi a considerare le caratteristiche del terreno più facilmente determinabili, definisca in modo univoco alcuni parametri di riferimento. L'utilità di un sistema di classificazione non si limita però alle possibilità di confronto tra situazioni simili; in alcuni casi le proprietà meccaniche di un terreno sono prevedibili con sufficiente approssimazione sulla base della determinazione di alcune semplici proprietà indici e spesso la sola identificazione geotecnica di un terreno consente di progettare un opera di limitato impegno RELAZIONI TRA LE FASI COSTITUENTI UN TERRENO Con riferimento alla Fig. 3.1, che rappresenta un elemento di terreno in cui le fasi solida, liquida e gassosa sono idealmente separate le une dalle altre, si definiscono: Fig Separazione ideale delle fasi in un elemento di terreno 17

3 1) Peso specifico dei granuli (γ = P /V kn/m3 s ): dipende dalla natura mineralogica dei s s granuli; il valore di γ s dei più comuni costituenti dei terreni è compreso nell'intervallo kn/m 3 ; valori minori di 25 kn/m 3 indicano in genere la presenza di sostanze organiche; 2) Contenuto d'acqua (w = P w /P s ): è definito convenzionalmente come il rapporto (espresso in percentuale) tra il peso dell'acqua persa per essiccamento in stufa a C ed il peso del materiale essiccato; 3) Peso dell'unità di volume (γ = P/V kn/m 3 ): è il rapporto tra il peso totale ed il volume di un campione di terra; dipende dal peso specifico dei granuli, dalla porosità dell'assieme e dalla percentuale dei pori riempiti d'acqua. Le tre grandezze sopra definite sono direttamente determinabili in laboratorio con specifiche prove su campioni di terreno. Sempre con riferimento alla Fig. 3.1, si definiscono altre quattro grandezze di uso comune: 4) Porosità (n = V v /V): è definita come il rapporto (espresso in percentuale) tra il volume dei vuoti ed il volume totale; dipende dalla granulometria, dalla forma dei granuli e dallo stato di addensamento; 5) Indice dei vuoti (e = V v /V s ): è definito come il rapporto tra il volume dei vuoti ed il volume del solido; dipende dalla granulometria, dalla forma dei granuli e dallo stato di addensamento; 6) Grado di saturazione (S r = V w /V v ): è definito come rapporto (espresso in percentuale) tra il volume dell'acqua ed il volume dei pori; 7) Peso di volume del secco (γ d = P s /V kn/m 3 ): è il rapporto tra il peso del campione di terra essiccato in stufa alla temperatura di C ed il volume del campione stesso prima dell'essiccamento. Le grandezze da 4) a 7) non sono direttamente misurabili in laboratorio; esse vanno ricavate dalle prime tre grandezze sopra definire. Nella tabella 3.1 sono riportate alcune relazioni che legano le varie grandezze tra loro e 18

4 nella tabella 3.2 i valori di alcune proprietà indici di terreni caratteristici. Tabella 3.1: Relazioni tra le grandezze che descrivono la composizione e lo stato di aggregazione di un terreno Condizioni generali Condizioni di saturazione Peso di volume γ= P/V γ= P/V (=γ sat ) Peso di volume secco γ = P /V d s γ = P /V = γ /(1+w) d s sat Indice dei vuoti e = V v /V = (γ /γ )-1 s s d e = V /V = (γ /γ )w w s s w Porosità n = V v /V x100 = e/(1+e) x100 n = V w /V = γ d /γ w w Grado di saturazione S = V /V = γ w/ γ e r w v s w S = 1 r γ w : peso specifico dell'acqua ( 10 kn/m 3 ) Tabella Valori di alcune proprietà indici di terreni caratteristici γ (kn/m 3 ) n (%) e w (%, a saturaz.) Sabbia uniforme non addensata 18,9 46 0,85 32 Sabbia uniforme addensata 20,9 34 0,51 19 Sabbia assortita addensata 21,6 30 0,43 16 Argilla tenera 17,7 45 0,82 45 Argilla consistente 20,7 37 0,59 22 Argilla montmorillonitica 12,7 84 5,25 94 Un'altra importante caratteristica dei terreni incoerenti (sabbie e ghiaie) è lo stato di addensamento dei granuli. Questo viene espresso dall'indice di addensamento D r, così definito: D r = e max e e max e min dove e max ed e min sono i valori dell'indice dei vuoti corrispondenti rispettivamente al minimo ed al massimo addensamento del particolare terreno. 19

5 In relazione al valore di D r un terreno si definisce: - non addensato D r = 0 0,35 - mediamente addensato D r = 0,35 0,65 - molto addensato D r = 0, CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI IN BASE ALLE CARATTERISTICHE GRANULOMETRICHE La più semplice classificazione dei terreni comunemente usata nel campo delle applicazioni geotecniche è basata sulla dimensione dei granuli. La suddivisione granulometrica adottata in Italia è quella proposta dall'associazione Geotecnica Italiana e riportata nel Capitolo 2. L'analisi granulometrica di un campione di terreno viene eseguita in modo diverso a seconda che il terreno sia a grana grossa (d > 0,06 mm) o a grana fina (d < 0,06 mm). Nel caso di un campione di terreno a grana grossa, l'analisi viene eseguita ponendo il materiale, preventivamente essiccato, su una pila di setacci aventi la dimensione delle maglie via via decrescente; i setacci vengono agitati con l'ausilio di una macchina vibrante ed i granuli costituenti il materiale si raccolgono nei diversi setacci a seconda delle loro dimensioni (vagliatura meccanica). Il peso del materiale trattenuto da un dato setaccio riferito al peso totale del campione è detto trattenuto (in percentuale). Il complemento a 100 della somma dei trattenuti di tutti i setacci con dimensione delle maglie maggiore di quella del setaccio dato, nonchè dello stesso setaccio, è detto passante al setaccio considerato (e viene espresso anch'esso in percentuale). Per definire la distribuzione granulometrica di terreni costituiti da granuli di dimensione inferiore a 0,06 mm, si usa la tecnica della sedimentazione, basata sul principio che la velocità di sedimentazione di particelle solide di forma sferica in un liquido dipende dal diametro delle particelle stesse, dalla viscosità del liquido e dal rapporto tra le loro densità (Legge di Stokes). Il materiale viene immerso in acqua all'interno di un recipiente tarato e viene disperso con 20

6 opportuni additivi che hanno la funzione di impedire l'aggregazione dei granuli (deflocculanti). Al procedere della sedimentazione delle particelle solide viene misurata la variazione della densità della miscela. Dalle misure di densità si risale alla velocità di sedimentazione e quindi alle dimensioni dei granuli. Fig Curve granulometriche: a) granulometria uniforme (sabbia monogranulare); b) granulometria assortita (limo argilloso con sabbia); c) granulometria discontinua (limo con ghiaia debolmente argilloso) Operando nei modi descritti è possibile costruire curve granulometriche in grafici aventi in ascissa, in scala logaritmica, la dimensione dei granuli ed in ordinate, in scala lineare, la percentuale di materiale passante o di trattenuto (Fig. 3.2). Per la denominazione dei terreni costituiti da più frazioni granulometriche, vale la seguente convenzione: siano A,B,C i nomi relativi agli intervalli principali (argilla, limo,...), siano P1,P2,P3 le percentuali di A,B,C presenti nel terreno in esame; se P1>P2>P3 il terreno viene denominato con il nome della frazione A seguito dai nomi delle frazioni B e C preceduti dalla congiunzione "con" se il corrispondente valore di P è compreso tra il 50% ed il 25%, seguiti dal suffisso "oso" se P è tra il 25% ed il 10%, infine seguiti dal suffisso "oso" e preceduti da "debolmente" se P è compreso tra il 10% ed il 5% (ad esempio, un terreno formato dal 55% di sabbia,dal 28% di 21

7 limo, dall'11% di argilla e dal 6% di ghiaia viene denominato: sabbia con limo,argillosa e debolmente ghiaiosa) CARATTERISTICHE DI PLASTICITA' DEI TERRENI COESIVI E RELATIVE CLASSIFICAZIONI Il comportamento dei terreni coesivi è determinato soprattutto dalle azioni che si scambiano i granuli e dalle interazioni tra questi e l'acqua presente nei vuoti del terreno. Le proprietà dei terreni coesivi dipendondono quindi oltre che dalle dimensioni dei granuli anche dalla loro natura. Un terreno argilloso può contenere quantità d'acqua anche molto elevate; di questa acqua parte è adsorbita (Paragrafo 2.4) e parte riempe i vuoti tra i granuli (acqua libera). L'acqua adsorbita, al contrario di quella libera, non si elimina in un normale processo di essiccamento a C. Quanto più un argilla è costituita da granuli attivi dal punto di vista chimico-fisico tanto più grande è la quantità di acqua che può trattenere e più ampio è il campo di variazione del contenuto di acqua libera nel quale l'argilla mantiene un certo stato fisico (solido, plastico, liquido), pur variando le sue caratteristiche di deformabilità. Questo comportamento è alla base di un sistema di identificazione e classificazione dei terreni coesivi che individua indirettamente la quantità e la natura dei minerali argillosi per mezzo dei Limiti di consistenza (o Limiti di Atterberg). Limiti di consistenza : sono contenuti d'acqua caratteristici di ciascun terreno a grana fina per i quali si ha il passaggio da uno stato di consistenza ad un altro; essi sono determinati sperimentalmente con prove convenzionali. All'aumentare del contenuto d'acqua la consistenza del terreno diminuisce da quella di un solido a quella di un liquido. 22

8 Si definiscono: w L : limite di liquidità w S w P w L (w%) w P : limite di plasticità > w S : limite di ritiro consistenza consistenza consistenza consistenza solida semi-solida plastica liquida Poichè il passaggio di un terreno argilloso da uno stato fisico ad un altro avviene con gradualità al variare del contenuto d'acqua, sono state ideate procedure standardizzate per definire i contenuti d'acqua a cui far corrispondere i Limiti di consistenza. Limite di liquidità: viene determinato con un apparecchio detto cucchiaio di Casagrande e corrisponde al contenuto d'acqua per il quale, nella terra posta nell'apparecchio, un solco tracciato con un apposito utensile si chiude dopo 25 cadute del cucchiaio. Limite di plasticità: viene determinato formando per rotolamento cilindretti di terreno del diametro di 3 mm e corrisponde al contenuto d'acqua per cui si presentano le prime screpolature sulla superficie dei cilindretti. Limite di ritiro: usualmente non viene determinato in quanto di scarsa utilità pratica. Esso è il contenuto d'acqua corrispondente al passaggio dallo stato di saturazione a quello di non saturazione. Si definisce: Indice di plasticità : I P = w L - w P questo indice è generalmente impiegato, insieme al limite w L, per classificare i terreni a grana fina. Terreni ricchi di minerali argillosi attivi possono fissare molta acqua e di conseguenza 23

9 hanno valori di I P elevati. Per un dato terreno con contenuto d'acqua naturale w, noti i limiti di Atterberg, si può valutare il grado di consistenza con la grandezza: w L w Indice di consistenza : I C = = w L w P w L w I P L'indice di consistenza I risulta uguale a zero per w = w C e risulta uguale a 1 per w = L w P. Il valore di I C può fornire una stima delle proprietà meccaniche (resistenza e compressibilità) di un dato terreno. Si definisce: Indice di Attività o Attività : A = I P / %<2μm dove %<2μm è la percentuale della frazione argillosa del terreno. Questo indice fornisce una stima dell'attività dei minerali argillosi presenti nel terreno (Fig. 3.3). Fig Attività delle argille 24

10 E' da notare che il solo valore dell'indice di plasticità non è sufficiente per definire l'attività dei minerali argillosi presenti in un terreno. Infatti un valore elevato di I P (argilla molto plastica) può dipendere sia da una bassa percentuale di minerali argillosi molto attivi sia da una alta percentuale di minerali argillosi poco attivi. Il metodo di classificazione proposto per i terreni coesivi da Casagrande si basa sull'osservazione che per i campioni di argilla di un dato deposito vale in genere una relazione lineare tra limite di liquidità e indice di plasticità e che gli scostamenti da questa relazione denunciano un comportamento particolare. Nella fig. 3.4 è riportata la carta di plasticità di Casagrande. Il diagramma è diviso in sei regioni ad ognuna delle quali corrispondono terreni coesivi di natura e caratteristiche diverse. La carta di plasticità di Casagrande consente di avere indicazioni sulle caratteristiche di plasticità e di compressibilità dei terreni a grana fina sulla base di sole prove di identificazione. Fig. 3.4 Carta di plasticità di Casagrande. I P < 10, w L <25: limi organici di bassa compressibilità ed argille inorganiche di bassa plasticità (zona tratteggiata) CH: argille inorganiche di alta plasticità CL: argille inorganiche di media plasticità MH e OH: limi inorganici di alta compressibilità ed argille organiche ML e OL: limi inorganici di media compressibilità e limi organici 25