Appunti di. GEOTECNICA Versione 1.3

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1 Mori, 4 aprile 2001 Appunti di GEOTECNICA Versione 1.3 a cura di Giuseppe Dellana Redatti con l ausilio di StarOffice Writer 5.2. Sistema Operativo Linux Distribuzione Mandrake 7.2.

2 2 FRONTESPIZIO (Questa pagina è intenzionalmente bianca.)

3 3 INTRODUZIONE...9 Commento alla versione 1.0 degli Appunti di Geotecnica...9 Commento alla versione 1.1 degli Appunti di Geotecnica...9 Commento alla versione 1.2 degli Appunti di Geotecnica...9 Commento alla versione 1.3 degli Appunti di Geotecnica...10 Introduzione alla Geotecnica...11 CAPITOLO 1: CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI E DELLE ROCCE...13 Definizioni elementari...13 Classificazione di un volume di terreno...13 Proprietà di un grano...14 Proprietà di un insieme di grani...17 Tecniche di analisi granulometrica...19 Stacciatura...19 Sedimentazione...20 CAPITOLO 2: RELAZIONI TRA LE DIVERSE FASI DI UN CAMPIONE DI TERRENO...23 Determinazione del contenuto d acqua...31 Determinazione dell indice dei vuoti...31 CAPITOLO 3: LIMITI DI ATTERBERG...33 Introduzione...33 Limite di liquidità...34 Limite di plasticità...34 Limite di ritiro...34 Indici di consistenza...35 CAPITOLO 4: PRINCIPIO DELLE TENSIONI EFFICACI...37 Esempi esplicativi per l applicazione del principio delle tensioni efficaci...38 Esempio Esempio Esempio Esempio Esempio Esempio Effetto della capillarità...47 CAPITOLO 5: MOTI DI FILTRAZIONE...49 Legge di Darcy...50 Moti di filtrazione: effetti di natura meccanica...52 Considerazione monodimensionale...54 Problema esplicativo...55 Fenomeno del sifonamento...61 Fenomeno dei fontanazzi...62 Moti di filtrazione in regime transitorio...64 Adimensionalizzazione dell equazione di Terzaghi...68 Soluzione dell equazione della consolidazione di Terzaghi...70 CAPITOLO 6: PROVE EDOMETRICHE...75 Variazione delle tensioni orizzontali in funzione di quella verticale...83 Caso della falda...84 CAPITOLO 7: LA FILTRAZIONE E L EQUAZIONE DI LAPLACE...85 Tracciamento del reticolato di flusso (risoluzione grafica dell equazione di Laplace)...87 Risoluzione alle differenze finite...90 CAPITOLO 8: PROVE PER DETERMINARE LA PERMEABILITÀ K...91 Misura della permeabilità in laboratorio...91 Prova a carico costante...91 Prova a carico variabile...92 Prova di pompaggio da pozzi...93 Prove nei fori di sondaggio...95 Prove a carico costante...95 Prove a carico variabile...96 CAPITOLO 9: SFORZI E DEFORMAZIONI NEL TERRENO...99

4 4 Percorsi di tensione e di deformazione...99 Richiamo di Scienza delle Costruzioni Gli invarianti Gli invarianti del tensore di sforzo Tensione ottaedrica Condizioni di drenaggio e percorsi di tensione Condizioni di drenaggio, il terreno naturale ed il tempo Deformazioni nel terreno CAPITOLO 10: PROVE DI LABORATORIO Condizioni di sollecitazione al contorno Condizioni di drenaggio nelle prove di laboratorio Tipi di prove Prove di taglio Prova di taglio diretto Prova di compressione cilindrica Fase 1: applicazione del carico isotropo in condizioni drenate con consolidazione Fase 2: applicazione dello sforzo di taglio Prova non consolidata, non drenata (U,U) Prova consolidata, drenata (C,D) Prova consolidata, non drenata (C,U) Come varia la pressione interstiziale durante la prova non drenata Prova drenata: percorso delle tensioni totali ed efficaci Prova non drenata: percorso delle tensioni totali ed efficaci Criterio di rottura di Mohr Coulomb CAPITOLO 11: COMPORTAMENTO TRIDIMENSIONALE Meccanica dei continui multifase (mezzo bifase) CAPITOLO 12: MODELLI DI COMPORTAMENTO DEI TERRENI Introduzione Modello rigido perfettamente plastico Modello elasto plastico Modello per la superficie di plasticizzazione Modello di stato critico: Cam Clay Introduzione La variazione di volume e l invariante isotropo La retta di stato critico Prova edometrica Prova Consolidata Drenata (CD) con provino NC o debolmente OC Prova Consolidata Drenata (CD) con provino fortemente OC Prova Consolidata e non drenata (CU) con provino NC o debolmente OC Prova Consolidata e non drenata (CU) con campione fortemente OC Campionamento CAPITOLO 13: PROVE MECCANICHE IN SITO Introduzione Prove penetrometriche Prova statica CPT Condizioni non drenate Condizioni drenate Prove dinamiche SPT Prova scissometrica (Field Vane Test) Prova pressiometrica Prova dilatometrica Prove di carico su piastra Prova di taglio diretto in sito CAPITOLO 14: ANALISI DEI PROBLEMI GEOTECNICI IN CONDIZIONI LIMITE Introduzione all analisi dei problemi di collasso La teoria di Rankine Condizione limite ed il Piano di Mohr Trattazione di Rankine Spinta attiva...179

5 5 Spinta passiva Spostamenti e coefficienti di spinta Osservazione Esempio Esempio Esempio Esempio Esempio 5: spinta a riposo Esempio Terreno coesivo Esempio Analisi in condizioni non drenate Esempio Punto di applicazione delle spinte La teoria di Coulomb e il Metodo dell equilibrio globale Calcolo della spinta attiva Sa di un muro di sostegno Calcolo della spinta passiva Sp di un muro di sostegno Stabilità di una parete in condizioni non drenate Osservazioni Spinta con attrito Osservazione Spinta con presenza di dreni Analisi limite Introduzione Richiami sul principio dei lavori virtuali Enunciato e dimostrazione dei teoremi dell analisi limite Teorema statico Teorema cinematico Altezza critica con l analisi cinematica Altezza critica con l analisi statica Limite superiore della Spinta attiva Limite inferiore della Spinta attiva Limite superiore della Spinta passiva Limite inferiore della Spinta passiva Osservazione Altezza critica del terrapieno Stabilità di un pendio Dreno verticale Dreno orizzontale Dreno inclinato Applicazione riassuntiva dei 3 metodi CAPITOLO 15: ANALISI DELLA DEFORMAZIONE Condizioni di deformazione in fase di esercizio Modello di Winkler Modello di Gibson Modello agli elementi finiti Trattazione approssimata per il calcolo dei cedimenti Osservazioni Confronto fra il suolo alla Boussinesq e alla Winkler CAPITOLO 16: FONDAZIONI SUPERFICIALI Fondazioni superficiali Fondazioni profonde Tipi di fondazioni superficiali Plinti isolati Travi di fondazione Platea di fondazione Calcolo del carico limite di una fondazione superficiale Formula di Terzaghi per il carico limite Carico limite in condizioni non drenate...245

6 6 Carico applicato alla fondazione non perpendicolarmente Caso di carico eccentrico Carico limite in condizioni drenate Osservazione Carico inclinato rispetto alla verticale Carico eccentrico Forma della fondazione Falda sopra il piano di campagna Falda coincidente con il piano di campagna Falda in posizione intermedia tra il piano di campagna e il piano di posa Falda sotto il piano di posa Moto di filtrazione verticale Piano di posa inclinato Effetto combinato dei coefficienti Caso Caso Carico centrato Carico eccentrico Coefficienti di sicurezza per le fondazioni superficiali Carico applicabile sulle fondazioni Esempio CAPITOLO 17: PALI DI FONDAZIONE Pali costruiti in opera Pali con asportazione di terreno Micropali Tecnica jet grouting (iniezione a pressione) Osservazione Calcolo del carico limite delle fondazioni profonde Palificata appoggiata Palificata sospesa Palo singolo, carico assiale limite Condizioni non drenate Resistenza laterale Resistenza di punta Condizioni drenate Resistenza laterale Resistenza di punta CAPITOLO 18: PALI DI FONDAZIONE IN CONDIZIONI DI ESERCIZIO Introduzione Comportamento del palo singolo (condizione di equilibrio) Comportamento del terreno (condizione di equilibrio) Condizione di congruenza Comportamento di due pali Comportamento del gruppo di pali Come varia nel tempo il sistema terreno struttura CAPITOLO 19: OPERE DI SOSTEGNO Muri di sostegno Muri a gravità Muri a mensola Le verifiche dei muri di sostegno Verifica alla traslazione sul piano di posa Esempio 1: il muro a gravità Esempio 2: il muro a mensola Verifica al ribaltamento Verifica al carico limite Verifica a rottura globale CAPITOLO 20: PARATIE Introduzione Paratie di sostegno con diaframmi...292

7 7 Paratie di sostegno con palancole Paratie di sostegno con micropali I coefficienti di sicurezza nel progetto delle paratie Stabilità delle paratie Paratia libera Paratia ancorata Paratia ancorata:primo problema Paratia ancorata:secondo problema Osservazioni CAPITOLO 21: STABILITÀ DEI PENDII Introduzione Scivolamento del blocco Effetto dell acqua sullo scivolamento Ribaltamento del blocco Le caratteristiche dei pendii nel tempo: due casi di studio Metodo dell equilibrio limite globale, Il problema dell equilibrio limite e i metodi generali di equilibrio limite Metodo di Fellenius Metodo di Bishop Osservazione Riassunto Analisi di un problema reale Osservazione CAPITOLO 22: COSTRUZIONE DI OPERE CON MATERIALI SCIOLTI BIBLIOGRAFIA...327

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9 9 INTRODUZIONE INTRODUZIONE Commento alla versione 1.0 degli Appunti di Geotecnica. L utilità di questi Appunti di Geotecnica consiste nel fornire un apporto di conoscenze breve e chiaro. Questa stesura è priva dei dettagli richiesti da uno studio approfondito. Facendo propri i concetti espressi in queste pagine se ne può trarre il massimo profitto in due momenti distinti: 1. nell introduzione del neofita allo studio della geotecnica, in quanto non è distratto da preziosi leziosismi; 2. nella fase conclusiva dello studio, per avere un momento di riflessione e di ripasso, per una sintesi dei concetti affrontati. I presenti Appunti di Geotecnica traggono origine da validi appunti raccolti presso compagni di studio. Ben sapendo che si tratta di appunti non esaustivi, mi auguro che possano servire a chiunque si avvicini allo studio della geotecnica. Questo testo è liberamente distribuibile soltanto alle seguenti condizioni: senza alterarne in nessun modo il contenuto. senza trarne lucro: in altre parole, non si può venderne le copie dei file del testo e guadagnarci, ma chi vuole può farsi rimborsare il costo del supporto. Un esempio per capirsi: se lo si salva su un CD ROM per darlo a qualcuno, si può chiedere il costo del CD ROM, ma null altro è dovuto. Il fatto che sia liberamente distribuibile non altera in alcun modo il diritto d autore (copyright), che rimane del sottoscritto. Commento alla versione 1.1 degli Appunti di Geotecnica. Giuseppe Dellana Di seguito elenco i cambiamenti che ho apportato agli Appunti di Geotecnica rispetto alla versione 1.0: Sono stati corretti errori di diteggiatura e grafici. Vi si trova un introduzione alla geotecnica e un nuovo capitolo iniziale che definisce i materiali studiati dalla geotecnica e i metodi di classificazione dei campioni. Ho rivisto il capitolo Stabilità dei pendii che risultava poco organico. Ho aggiunto il capitolo conclusivo Costruzione di opere con materiali sciolti Per gli aggiornamenti introdotti ho utilizzato degli appunti che spiccano per la chiarezza degli argomenti trattati. Commento alla versione 1.2 degli Appunti di Geotecnica. Giuseppe Dellana Di seguito elenco i cambiamenti che ho apportato agli Appunti di Geotecnica rispetto alla versione 1.1: Sono stati corretti errori di diteggiatura. Ho ridotto la dimensione dei caratteri: ora è di dieci punti. Ho impaginato i capitoli diversamente ed ora iniziano con la pagina destra. Ho inserito la riga d intestazione con il nome del rispettivo capitolo. Nel capitolo 9 Prove per determinare la permeabilità k la prova di pompaggio da pozzi è ora un paragrafo e la prova a carico variabile è risolta anche con il metodo degli intervalli di tempo variabili. Il capitolo 21 Stabilità dei pendii è stato rivisto e riporta una migliore collocazione dell instabilità per scivolamento e ribaltamento. Giuseppe Dellana

10 10 INTRODUZIONE Commento alla versione 1.3 degli Appunti di Geotecnica. Di seguito elenco i cambiamenti che ho apportato agli Appunti di Geotecnica rispetto alla versione 1.2: Per realizzare questa versione degli Appunti di Geotecnica ho rivisto i contenuti della precedente versione, questo è il risultato di uno studio più approfondito della materia. Gli errori di diteggiatura trovati nel testo sono stati corretti. La numerazione delle figure è stata in parte rivista per tenere conto del capitolo cui si riferiscono. Le numerazioni che seguono si riferiscono alla versione 1.2. Nel capitolo 1 Classificazione dei terreni e delle rocce ho rivisitato l analisi per sedimentazione con l areometro. Nel capitolo 5 Moti di filtrazione ho aggiunto il paragrafo con la soluzione dell equazione della consolidazione di Terzaghi sviluppata in serie di Fourier. Il capitolo 7 Comportamento tridimensionale è diventato il capitolo 11 (nella versione1.3) e l ho spostato perché la trattazione generale della meccanica di un mezzo bifase, meglio si integra agli argomenti vicini; ho anche introdotto ulteriori chiarimenti alla teoria sviluppata. Nel capitolo 8 Prove per determinare la permeabilità k vi si trova un nuovo paragrafo che tratta delle prove per la misura della permeabilità in laboratorio. Ai seguenti: capitolo 9 Sforzi e deformazioni nel terreno, capitolo 10 Prove di laboratorio e capitolo 13 Modelli di comportamento dei terreni e di stato critico: Cam clay ho riservato una particolare attenzione, perché sono una parte molto importante della meccanica delle terre. Il capitolo 13 Prove meccaniche in sito è stato rivisto. Il capitolo 14 Analisi dei problemi geotecnici in condizioni limite è stato rivisto e ampliato. Nel capitolo 15 Analisi della deformazione ho aggiunto il paragrafo Confronto fra il suolo alla Boussinesq ed alla Wi nkler vi si trova l andamento dei cedimenti e degli sforzi nel terreno per diverse modalità di carico. Il capitolo 16 Fondazioni ora s intitola Fondazioni superficiali Ho spostato dal capitolo 16 Fondazioni al capitolo 15 Analisi della deformazione il paragrafo Trattazione approssimata per il calcolo dei cedimenti. Ho spostato dal capitolo 16 Fondazioni al capitolo 17 Fondazioni su pali i seguenti paragrafi: Calcolo del carico limite delle fondazioni profonde, Palificata appoggiata, Palificata sospesa, Palo singolo, carico assiale Condizioni non drenate, Resistenza di punta. Ho spostato dal capitolo 17 Fondazioni su pali al capitolo 16 Fondazioni il paragrafo Coefficienti di sicurezza per le fondazioni superficiali. Il contenuto del paragrafo è stato completamente riscritto ed il precedente paragrafo è ora l e sercizio che lo segue. Ho aggiunto un nuovo paragrafo: Carico applicabile sulle fondazioni superficiali. Il capitolo 18 Fondazioni in condizioni di esercizio ora s intitola Pali di fondazione in condizioni di esercizio ed è st ato in buona parte riscritto. Dal capitolo 18 Fondazioni in condizioni di esercizio ho spostato al capitolo 15 Analisi della deformazione parte del paragrafo Come varia nel tempo il sistema terreno struttura e il paragrafo Osservazioni. Il capitolo 20 Paratie è stato in buona parte riscritto e ampliato. Giuseppe Dellana

11 11 INTRODUZIONE Introduzione alla Geotecnica La geotecnica studia la meccanica dei solidi, delle terre e delle rocce. Fornisce le nozioni e le conoscenze per la corretta progettazione delle fondazioni, delle opere sotterranee e delle gallerie, ma anche delle costruzioni in terra: dei rilevati e delle dighe in terra. Con lo studio e l esercizio della geotecnica si deve conoscere il comportamento meccanico del terreno che è più complesso di altri materiali. La complessità è dovuta a diversi motivi: Esistono diverse fasi di comportamento meccanico, con riguardo alla resistenza. Il comportamento meccanico è non lineare e dipende da quello che gli è successo precedentemente, si dice ha memoria. Il materiale è composto da granelli (terre). Il terreno formato da granelli contiene negli interstizi sia acqua che aria; di conseguenza non si può considerare il terreno né come solido né come fluido. Schematicamente lo studio della geotecnica si sviluppa affrontando i seguenti argomenti: Identificazione delle terre e delle rocce. Sistema geotecnico di identificazione. Come si descrive il comportamento meccanico delle rocce. Problemi di ingegneria geotecnica: con analisi in condizioni limite e con analisi in condizioni di esercizio. Progettazione delle opere di sostegno e delle opere di fondazione. I geotecnici interagiscono con i geologi, però il metodo di studio è totalmente diverso. I geologi studiano il terreno dal punto di vista naturalistico, mentre i geotecnici studiano il terreno da un punto di vista ingegneristico.

12 12 INTRODUZIONE (Questa pagina è intenzionalmente bianca.)