ORIGINE E STRUTTURA DEI TERRENI

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1 Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale ( ORIGINE E STRUTTURA DEI TERRENI Corso di Fondamenti di Geotecnica Scienze dell Ingegneria Edile, A.A. 2009\2010 Johann Facciorusso johannf@dicea.unifi.it

2 A.A Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile (SIE) 1 Periodo didattico (21/09/09 18/12/09): 5 CFU ORARIO: Introduzione al corso Lunedì Martedì Mercoledì Giovedì Venerdì Lezione Esercitazione Laboratorio 08:15 09:15 09:15 10:15 10:15 11:15 11:15 12:15 12:15 13:15 Aula 101* Aula 101 * Morgagni ** Santa Marta Aula 005* Aula 005 (Lab.)** (Lab.) Introduzione al corso Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/2010 2/57

3 Programma del corso Introduzione al corso 1. ORIGINE E STRUTTURA DEI TERRENI: proprietà indici, relazioni peso volume, granulometria e limiti, sistemi di classificazione USCS e HRB. 2. STATI DI TENSIONE NEL TERRENO: principio delle pressioni efficaci, tensioni geostatiche, storia dello stato tensionale. 3. IDRAULICA DEI TERRENI: l acqua nel terreno, livello piezometrico, falda freatica e falda artesiana, equazione di Bernoulli, legge di Darcy. Pressione di filtrazione e gradiente idraulico critico. Verifiche di stabilità al sifonamento e per il sollevamento del fondo di uno scavo. Applicazione della Normativa (D.M ). 4. MODELLI REOLOGICI E DIFFUSIONE DELLE TENSIONI: Tensioni e deformazioni nei terreni. Concetti base: elasticità, plasticità, viscosità. Diffusione delle tensioni in un semispazio continuo, omogeneo, isotropo, elastico lineare. Pressioni di contatto Il problema di Boussinesq e i suoi derivati. Introduzione al corso Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/2010 3/57

4 Introduzione al corso 5. COMPRESSIBILITÀ DEI TERRENI: parametri di compressibilità edometrica. Descrizione della prova edometrica e rappresentazione dei risultati. Determinazione della pressione di consolidazione e del rapporto di sovraconsolidazione. Calcolo del cedimento edometrico. Teoria della consolidazione monodimensionale di Terzaghi. Determinazione sperimentale del coefficiente di consolidazione con i metodi di Casagrande e di Taylor. Consolidazione secondaria. 6. RESISTENZA AL TAGLIO DEI TERRENI: stati di tensione nel piano di Mohr, criterio di rottura di Mohr Coulomb, coefficienti delle pressioni interstiziali di Skempton. Prova di taglio diretto. Prova di compressione ad espansione laterale libera (ELL), apparecchio triassiale standard, prove TxCID, TxCIU e TxUU. 7. INDAGINI GEOTECNICHE IN SITO: programmazione ed esecuzione di indagini in sito. Perforazioni di sondaggio. Prove SPT. Prove CPT, CPTU e DMT. Introduzione al corso Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/2010 4/57

5 Introduzione al corso 9. SPINTA DELLE TERRE: stati di equilibrio limite, teoria di Rankine per il calcolo della spinta delle terre. Il metodo di Coulomb e di Caquot Kerisél. Spinta dell acqua. Spinta dovuta ai sovraccarichi. Verifica di stabilità sui muri di sostegno e applicazione della normativa (D.M ). 10. FONDAZIONI SUPERFICIALI: capacità portante di fondazioni superficiali, meccanismi di rottura. Soluzione di Terzaghi e di Brinch Hansen. Analisi in condizioni drenate e non drenate e applicazione della normativa (D.M ). Introduzione al corso Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/2010 5/57

6 Modalità di esame Introduzione al corso L esame consiste in una prova scritta da superare per accedere alla prova orale, che deve essere sostenuto nell ambito della stessa sessione (1,2,3 oppure 4, 5,6,7): Appelli di esame I SESSIONE 1. lunedì 21 dicembre 2009, ore 9:30, aula 111 Santa Marta 2. venerdì 22 gennaio 2010, ore 9:30, aula 111 Santa Marta 3. lunedì 8 febbraio 2010, ore 9:30, aula 111 Santa Marta II SESSIONE 4. venerdì 11 giugno 2010, ore 9:30, aula 111 Santa Marta 5. mercoledì 23 giugno 2010, ore 9:30, aula 111 Santa Marta 6. venerdì 16 luglio 2010, ore 9:30, aula 111 Santa Marta 7. venerdì 10 settembre 2010, ore 9:30, aula 111 Santa Marta Introduzione al corso Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/2010 6/57

7 Testi consigliati Introduzione al corso Le dispense del Corso (Capitoli, esercizi e compiti svolti, testi delle esercitazioni svolte in classe, le presentazioni delle lezioni disponibili presso il sito: Colombo P., Colleselli F. (1996) Elementi di Geotecnica Zanichelli, Bologna Lancellotta R. (1993) Geotecnica Zanichelli, Bologna (Nuova Edizione) Sintesi del testo Soil Mechanics & Foundations di Muni Budhu, comprendente esercizi, animazioni, laboratorio geotecnico virtuale, quiz, etc.. accessibile dai computers del laboratorio L.D.D.T. Introduzione al corso Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/2010 7/57

8 Argomento INTRODUZIONE ORIGINE E STRUTTURA DEI TERRENI STATI DI TENSIONE NEL TERRENO Dispense Introduzione al corso Dispense Introduzione Capitolo1 (tutto) Capitolo 3 (tutto) IDRAULICA DEI TERRENI Capitolo 4 (escluso 4.4,2, 4.4,3, 4.4,4, 4.4,5, 4.5, 4.6 e 4.7) MODELLI REOLOGICI DIFFUSIONE DELLE TENSIONI COMPRESSIBILITÀ DEI TERRENI E CONSOLIDAZIONE EDOMETRICA Capitoli 5 e 6 (tutti) Capitolo7 (tutto) RESISTENZA AL TAGLIO DEI TERRENI INDAGINI GEOTECNICHE IN SITO SPINTA DELLE TERRE E VERIFICHE DI STABILITÀ SUI MURI DI SOSTEGNO CAPACITÀ PORTANTE DELLE FONDAZIONI SUPERFICIALI Capitolo 9 (tutto) Capitolo 12 (tutto) Capitolo 13 (escluso e 13.6) e Capitolo 14 (solo 14.1 e 14.2 Capitolo 15 (escluso 15.4) Introduzione al corso Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/2010 8/57

9 Introduzione al corso Orario di ricevimento Giovedì mattina ( ) Previo appuntamento via telefono ( ) via e mail (johannf@dicea.unifi.it) Introduzione al corso Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/2010 9/57

10 GEOTECNICA Geotecnica La Geotecnica è una disciplina che tratta la meccanica dei terreni e delle rocce, e le sue applicazioni nell ambito dei problemi di ingegneria civile e ambientale (fondazioni, opere di sostegno, stabilità dei pendii, miglioramento e rinforzo dei terreni, etc..) I terreni (o rocce sciolte) sono aggregati di particelle, o granuli, di minerali e materiali organici, generalmente sciolti o con deboli legami di cementazione o di adesione che possono essere distrutti con semplice agitazione meccanica o in acqua. Le rocce (lapidee) sono aggregati naturali di minerali tra i quali si esercitano forze attrattive e di adesione di notevole entità che conferiscono all insieme valori elevati della resistenza meccanica. Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

11 GEOTECNICA Geotecnica Geotecnica sismica Geotecnica ambientale Meccanica delle rocce Geotecnica per i centri storici Geotecnica classica Geotecnica stradale Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

12 GEOTECNICA Geotecnica L Ingegneria Geotecnica è coinvolta nella risoluzione di una serie di problematiche relative a: 1. Analisi e progettazione di fondazioni Sears Tower, Chicago Petronas Towers, Kuala Lampur Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

13 GEOTECNICA Geotecnica 2. Progettazione ed analisi di stabilità di dighe e discariche Norman Landfill, U.S. Hoover dam, Colorado Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

14 GEOTECNICA Geotecnica 3. Analisi di stabilità di opere in terra (muri di sostegno, pendii, etc.) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

15 4. Conservazione di monumenti, etc. GEOTECNICA Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

16 GEOTECNICA Geotecnica 5. Verifiche di stabilità e progettazione in zona sismica (Dinamica dei Terreni e Ingegneria Geotecnica Sismica) Terremoto di Niigata, 2004 Anchorage, 1964 ( frana ) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

17 ORIGINE DEI TERRENI Origine e struttura dei terreni I terreni derivano dalle rocce, da processi di alterazione: fisica o meccanica legati a fenomeni di erosione delle acque, all azione di agenti atmosferici (gelo, variazioni termiche), all azione delle piante, degli animali, dell uomo; alterazione chimica o organica legati a fenomeni di ossidazione, riduzione ed altre reazioni chimiche generate dagli acidi presenti nell acqua o prodotti dai batteri. Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

18 Origine e struttura dei terreni TERRENO: MEZZO POLIFASE Il terreno può essere schematizzato come mezzo particellare polifase, costituito da: scheletro solido (insieme di tutti i granuli, o meglio, di tutte le particelle) fase liquida (generalmente acqua) fase gassosa (generalmente aria e/o vapor d acqua) PARTICELLE SOLIDE ACQUA INTERSTIZIALE ARIA + VAPOR D ACQUA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

19 STRUTTURA DEI TERRENI Origine e struttura dei terreni Il comportamento del terreno dipende dalle sue caratteristiche strutturali: MICROSTRUTTURA (forma, dimensione dei grani, disposizione geometrica, legami fra le particelle, rapporti e interazione tra fase solida e fase liquida) ; MACROSTRUTTURA (fessure, intercalazioni, inclusioni rilevabili alla scala del campione da laboratorio); MEGASTRUTTURA (giunti, discontinuità, faglie etc.. osservabili in sito a grande scala) A livello di microstruttura, nella miscela particelle solide acqua esistono due tipi di interazione: un interazione di tipo meccanico, dovuta alle forze di massa o di volume; un interazione di tipo chimico, dovuta alle forze di superficie (ovvero alla presenza di cariche elettriche sulla superficie esterna delle particelle); Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

20 STRUTTURA DEI TERRENI Origine e struttura dei terreni La prevalenza delle forze di volume o delle forze di superficie dipende dalla geometria (dimensioni e forma) dei granuli, in particolare dalla superficie riferita all unità di massa, che si definisce superficie specifica: S sp = S M = S ρ V Valori elevati prevalenza di forze di superficie (granuli attivi) Valori bassi prevalenza di forze di volume (granuli inerti) dove S èla superficie del granulo, M la massa, V il volume e ρ la densità S sp aumenta al diminuire delle dimensioni e all aumentare dell appiattimento Dimensione media [mm] Superficie specifica [m 2 /g] SABBIE (forma sub-sferica) 2 mm MINERALI ARGILLOSI (forma lamellare): MONTMORILLONITE 10-6 fino a 840 ILLITE ( )x CAOLINITE (0.1 4) x Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

21 STRUTTURA DEI TERRENI Origine e struttura dei terreni Una prima distinzione tra i vari tipi di terreno, che ne differenzia notevolmente il comportamento, può essere fatta in base alle dimensioni e alla forma delle particelle (che dipendono dai minerali costituenti) : TERRENI A GRANA GROSSA (ghiaie e sabbie) e forma sub sferica, o comunque compatta TERRENI A GRANA FINE (limi e argille) e forma appiattita o lamellare; N.B. I terreni naturali consistono generalmente in una miscela di più tipi di terreno appartenenti alle due categorie suddette, a cui può aggiungersi talvolta del materiale organico. Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

22 Origine e struttura dei terreni TERRENI A GRANA GROSSA I TERRENI A GRANA GROSSA (ghiaie e sabbie) sono caratterizzati da: i. STRUTTURA A GRANI SEPARATI (riconoscibili a occhio nudo e costituiti frammenti di roccia o da singoli minerali o da frammenti di minerali sufficientemente resistenti e stabili dal punto di vista chimico, come ad esempio quarzo, feldspati, mica, granati, ecc..); ii. iii. iv. FORMA DELLE PARTICELLE TOZZA (arrotondata o irregolare) VALORI BASSI DELLA SUPERFICIE SPECIFICA (< 10 2 m 2 /g) INTERAZIONE TRA I GRANI DI TIPO MECCANICO (prevalgono le forze di massa) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

23 Origine e struttura dei terreni TERRENI A GRANA GROSSA Il comportamento dei terreni a grana grossa dipende soprattutto : dalle DIMENSIONI; dalla FORMA (angolare, sub angolare, subarrotondata, arrotondata) ; dalla DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA ; ANGOLARE SUBANGOLARE ARROTONDATA SUBARROTONDATA SABBIA BENE ASSORTITA SABBIA POCO ASSORTITA dallo STATO DI ADDENSAMENTO dei granuli SABBIA SCIOLTA SABBIA DENSA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

24 TERRENI A GRANA FINE Origine e struttura dei terreni I TERRENI A GRANA FINE (limi e argille) sono caratterizzati da: i. PARTICELLE COLLOIDALI DI FORMA LAMELLARE (non visibili a occhio nudo); ii. iii. iv. FORMA DELLE PARTICELLE APPIATTITA VALORI ELEVATI DELLA SUPERFICIE SPECIFICA (> 10 m 2 /g) INTERAZIONE CHIMICA TRA PARTICELLE E ACQUA (prevalgono le forze di superficie) v. STRUTTURA AGGREGATA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

25 TERRENI A GRANA FINE Origine e struttura dei terreni I terreni a grana fine sono aggregati di particelle colloidali di forma lamellare, che risultano dalla combinazione di molecole (o unità elementari). : + tetraedri (atomo di silicio al centro e ossigeno ai vertici) o ottaedri (atomo di alluminio o magnesio al centro e ossidrili ai vertici) e = ossigeno a) b) e = silicio si combinano per formare reticoli piani (pacchetti elementari) e = ossidrili = alluminio, magnesio Successive combinazioni di pacchetti elementari danno origine alle particelle di argilla Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

26 Origine e struttura dei terreni ACQUA LIBERA E INTERSTIZIALE Il comportamento dei terreni a grana fine dipende soprattutto : dalle COMPOSIZIONE MINERALOGICA; dall interazione col FLUIDO INTERSTIZIALE. Acqua adsorb ita H + H + H + H + O 2- O - Cristallo di m ontmorillonite (100x1 nm) Cristallo di caolinite (1000x100nm) L acqua che si trova immediatamente a contatto con le particelle è parte integrante della loro struttura ed è definita acqua adsorbita Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

27 Origine e struttura dei terreni ACQUA LIBERA E INTERSTIZIALE Allontanandosi dalla superficie delle particelle i legami diventano via via più deboli, finché l acqua assume le caratteristiche di acqua libera o acqua interstiziale. PARTICELLA molecole d acqua ANDAMENTO DELLA FORZA DI ATTRAZIONE TRA PARTICELLA E MOLECOLE D ACQUA Distanza dalla superficie della particella (in micron) acqua adsorbita acqua pellicolare acqua di ritenzione acqua gravifica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

28 STRUTTURA Origine e struttura dei terreni Le particelle di argilla risultano cariche negativamente in superficie e tendono a manifestare forze di repulsione, alle quali si sommano forze di tipo attrattivo (Van der Walls), legate alla struttura atomica del materiale. a) STRUTTURA DISPERSA (prevalenza di azioni repulsive) b) STRUTTURA FLOCCULATA (prevalenza di azioni attrattive) La risultante di tali azioni dipende dalla distanza tra le particelle e dall ambiente chimico di deposizione c) DEPOSIZIONE IN ACQUA SALMASTRA (si riducono le azioni repulsive) d) DEPOSIZIONE IN ACQUA DOLCE (struttura orientata) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

29 Proprià indici e relazioni tra le fasi RELAZIONI TRA LE FASI Un terreno è un sistema multifase, costituito da uno scheletro formato da particelle solide e da una serie di vuoti, che possono essere a loro volta riempiti di liquido (generalmente acqua) e/o gas (generalmente aria e vapor d acqua): Vs = volume del solido (inclusa l H 2 O adsorbita) V W = volume dell acqua (libera) V G = volume del gas V V = volume dei vuoti (V W +V G ) V = volume totale (V S +V W +V G ) P W = peso dell acqua P S = peso del solido P = peso totale (P W +P S ) Gas V G V V P W Acqua V W V P P S Particelle solide V S Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

30 Proprià indici e relazioni tra le fasi RELAZIONI TRA LE FASI V = v V 1. POROSITÀ (%) 100 n n = 0 solido continuo, n = 100% non vi è materia solida) 2. INDICE DEI VUOTI 3. VOLUME SPECIFICO Vv e = ( n/100) e = Vs 1 ( n/100) V v = v = 1+ e; V s 4. GRADO DI SATURAZIONE S r (%) = Vw Vv P CONTENUTO D ACQUA (%) = 100 w P w s S r =0 terreno asciutto, S r =100% terreno saturo Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

31 RELAZIONI TRA LE FASI 6. PESO SPECIFICO DEI COSTITUENTI SOLIDI 7. PESO DI VOLUME γ = 8. PESO DI VOLUME DEL TERRENO SECCO V 9. PESO DI VOLUME SATURO P 10. PESO DI VOLUME IMMERSO γ sat = [kn/m 3 ] Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57 P V γ ' = γ Proprià indici e relazioni tra le fasi sat V γ s P = s V s P s P γ d = ( ovvero per Sr = 0 ) V (per S r =100% ) γ w [kn/m 3 ] (γ w = peso specifico dell acqua = 9.81 kn/m 3 ) N.B. Mentre 0 < S r < 100%, 0 < n < 100%, w può essere maggiore di 100% γ d (S r = 0) <γ < γ sat (S r = 100%) [kn/m 3 ] [kn/m 3 ]

32 RELAZIONI TRA LE FASI emax e 11. DENSITÀ RELATIVA D r (%) = 100 e e max Proprià indici e relazioni tra le fasi e max, e min = indici dei vuoti corrispondenti al minimo e al massimo stato di addensamento min RETICOLO CUBICO RETICOLO TETRAEDRICO γ s (kn/m3) SABBIA QUARZOSA 26 LIMI ARGILLE BENTONITE 23 n (%) e γd (kn/m3) γ (kn/m3) GHIAIA SABBIA LIMO ARGILLA TORBA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

33 Proprià indici e relazioni tra le fasi PROPRIETÀ INDICI Le proprietà che risultano indipendenti dalla storia tensionale e dalle condizioni ambientali che caratterizzano il terreno allo stato naturale, vengono dette proprietà indici. Tra le proprietà indici possono essere annoverate anche: la granulometria i limiti di Atterberg Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

34 Proprià indici e relazioni tra le fasi COMPOSIZIONE GRANULOMETRICA Il comportamento dei terreni a grana grossa è marcatamente influenzato dalle dimensioni dei grani e dalla distribuzione percentuale di tali dimensioni, ovvero dalla granulometria. Analisi granulometrica : determinazione della distribuzione percentuale del diametro dei granuli presenti nel terreno. Viene eseguita mediante due tecniche: 1. setacciatura per la frazione grossolana (diametro dei grani maggiore di mm = setaccio n. 200 ASTM) 2. sedimentazione per la frazione fine (diametro dei grani minore di mm) quando supera il 10% del peso totale I risultati dell analisi granulometrica vengono riportati in un diagramma semilogaritmico, con il diametro (equivalente), D, delle particelle (setacci) in ascissa e la percentuale di materiale passante in ordinata (curva granulometrica). Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

35 % passante UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FIRENZE Proprià indici e relazioni tra le fasi CURVA GRANULOMETRICA Diametro [mm] 17 VAGLIO SERIE DIAMETRO PERCENTUALE U.S. STANDARD (mm) PASSANTE 1 1" /2" /4" aerometria Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

36 SETACCIATURA Proprià indici e relazioni tra le fasi 1. La setacciatura viene eseguita utilizzando una serie di setacci (a maglia quadrata) e/o crivelli (con fori circolari) con aperture di diverse dimensioni, disposti uno sull altro, con apertura delle maglie decrescente verso il basso. P di = P T P k = 1 T i P k 100 dove: P di = passante al setaccio i esimo P k = trattenuto al setaccio k esimo P T = peso totale campione Apertura delle maglie, D [mm] N. ASTM Dimensione dei setacci crescente 1 2 i Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

37 SEDIMENTAZIONE Proprià indici e relazioni tra le fasi 2. L analisi granulometrica per sedimentazione si effettua partendo da misure di densità nel tempo di una sospensione contenente un certo peso di terreno e applicando la legge di Stokes: v = ρs ρw g D 18 η 2 dove: v (mm/s) è la velocità di precipitazione di una particella sferica in un liquido viscoso, r s e r w (Mg/m 3 ) le densità rispettivamente dei grani e dell acqua, h (Pascal s) è la viscosità dell acqua, D (mm) il diametro della particella Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

38 L andamento della curva granulometrica è descritto sinteticamente da: COEFFICIENTE DI UNIFORMITÀ U = D D Proprià indici e relazioni tra le fasi ANALISI DELLA CURVA GRANULOMETRICA COEFFICIENTE DI CURVATURA C = D 60 D 2 30 D 10 Terreno 3 (uniforme) 60% 30% 10% Terreno 1 (ben gradato) Terreno 2 (granulometria estesa con mancanza di certi diametri) D 60 D 30 D 10 Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

39 Proprià indici e relazioni tra le fasi ANALISI DELLA CURVA GRANULOMETRICA Terreno 3 (uniforme) 60% 30% 10% Terreno 1 (ben gradato) Terreno 2 (granulometria estesa con mancanza di certi diametri) D 60 D 30 D 10 D 10 Terreno 1: D60 = 3 mm, D 30 = 0.25 mm, D 10 = mm U = 358.0; C =2.6 D Terreno 2: D 60 = 0.93 mm, D = mm, D 10 = U= mm COEFFICIEN U = 40.4; C =0.07 D10 TE DI Terreno 3: D 60 = 0.42 mm, CURVATURA D 30 = 0.24 mm, D 10 = 0.2 mm U = 2.1; C = 0.69 U basso terreno uniforme C <1 o C >3 mancanza di diametri di certe dimensioni Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

40 Proprià indici e relazioni tra le fasi LIMITI DI ATTERBERG (LLAA) Il comportamento dei terreni a grana fine è marcatamente influenzato dall interazione delle particelle di argilla con il fluido interstiziale (acqua), ed è strettamente legato alla loro composizione mineralogica. E importante: conoscere la quantità di acqua contenuta allo stato naturale (w n ) confrontare w n con i valori di w che corrispondono ai limiti di separazione tra stati fisici particolari (limiti di Atterberg). AUMENTO DEL w CONTENUTO D ACQUA LIQUIDO PLASTICO SEMISOLIDO SOLIDO miscela fluida terra acqua LIMITE LIQUIDO, w L LIMITE PLASTICO, w P LIMITE DI RITIRO, w S terreno secco Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

41 DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA LIMITE LIQUIDO, w L 1. Una certa quantità di terreno, prelevato dal passante al setaccio n. 40 (0.42 mm), viene mescolato con acqua distillata fino ad ottenere una pastella omogenea. 2. L impasto viene disposto nel cucchiaio, praticando nella zona centrale un solco di 2 mm di larghezza e 8 mm di altezza. Vengono contati i colpi necessari a far richiudere il solco per una lunghezza di 13 mm. 3. Viene prelevato un po di materiale dal cucchiaio e determinato su questo il valore del contenuto d acqua. 4. I passi da 1 a 3 vengono ripetuti variando la quantità di acqua nell impasto, in modo da ottenere una serie (4 o 5) di coppie di valori, numero di colpicontenuto d acqua. Proprià indici e relazioni tra le fasi 5. Si assume convenzionalmente come limite liquido, w L il contenuto d acqua corrispondente a 25 colpi (sulla retta interpolante i dati sperimentali) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

42 Proprià indici e relazioni tra le fasi DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

43 Proprià indici e relazioni tra le fasi DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA LIMITE PLASTICO, w P 1. Si impasta una certa quantità di terreno passante al setaccio n. 40 (0.42 mm) con acqua distillata in modo da formare dei bastoncini di 3.2 mm (1/8 in.) di diametro 2. Si fanno rotolare i cilindretti su una lastra di materiale poroso (in modo da ridurne progressivamente il contenuto d acqua) 3.2 mm 3. Quando iniziano a fessurarsi, si determina il contenuto d acqua corrispondente e questo rappresenta il limite plastico, w P 4. La procedura viene ripetuta almeno tre volte; si assume come w P il valor medio Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

44 Proprià indici e relazioni tra le fasi DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

45 Proprià indici e relazioni tra le fasi DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA LIMITE DI RITIRO, w S 1. Si determina in laboratorio su un provino indisturbato che viene essiccato per passi successivi, misurando ad ogni passo il volume e il contenuto d acqua Volume I valori del volume vengono riportati in un grafico in funzione del contenuto d acqua 3. w S è definito come il contenuto d acqua corrispondente al punto di intersezione tra le tangenti alla parte iniziale e finale della curva ottenuta interpolando i punti sperimentali w S Contenuto d acqua, w N.B. w S ha un interesse molto limitato per le applicazioni in ingegneria civile e non viene di norma determinato; non è un valore convenzionale, legato alla procedura di determinazione, ma ha un preciso significato fisico. Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57 10

46 Proprià indici e relazioni tra le fasi DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA LIMITE DI RITIRO, w S 1. Si determina in laboratorio su un provino indisturbato che viene essiccato per passi successivi, misurando ad ogni passo il volume e il contenuto d acqua Volume I valori del volume vengono riportati in un grafico in funzione del contenuto d acqua 3. w S è definito come il contenuto d acqua corrispondente al punto di intersezione tra le tangenti alla parte iniziale e finale della curva ottenuta interpolando i punti sperimentali w S Contenuto d acqua, w N.B. w S ha un interesse molto limitato per le applicazioni in ingegneria civile e non viene di norma determinato; non è un valore convenzionale, legato alla procedura di determinazione, ma ha un preciso significato fisico. Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57 10

47 Proprià indici e relazioni tra le fasi INDICI DI CONSISTENZA I P INDICE DI PLASTICITÀ, I P I P (%) = w L w P INDICE DI LIQUIDITÀ, I L I L = w I P w P Attivi I a = 1.25 Normalmente attivi I a = 0.75 Inattivi INDICE DI CONSISTENZA, I C I C wl w = = 1 I P I L I P I a = (Indice di attività) CF dove CF = % in peso con diametro d < mm CF Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

48 Proprià indici e relazioni tra le fasi INDICI DI CONSISTENZA Minerale argilloso Montmorillonite Illite Caolinite w L (%) w P (%) I P (%) TERRENO I P Non Plastico 0 5 Poco Plastico 5 15 Plastico Molto Plastico > 40 L indice di consistenza, I c, oltre ad indicare lo stato fisico in cui si trova il terreno, fornisce informazioni qualitative sulle sue caratteristiche meccaniche; all aumentare di I C aumenta la resistenza al taglio del terreno e si riduce la sua compressibilità. Da notare l analogia tra I C per terreni a grana fine e D r per i terreni a grana grossa. CONSISTENZA Fluida Fluido Plastica Molle Plastica Plastica Solido Plastica Semisolida (w > w S ) o Solida (w < w S ) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57 I C < > 1

49 Sistemi di classificazione SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE Sistemi di classificazione: sorta di linguaggio convenzionale che identifica (attraverso alcuni parametri significativi) il tipo di materiale e fornisce indicazioni (qualitative) sul suo comportamento. I parametri utilizzati: devono essere significativi e facilmente misurabili mediante procedure standardizzate; non devono essere riferiti ad uno stato particolare, ossia devono essere indipendenti dalla storia del materiale, dalle condizioni di sollecitazione o da altre condizioni al contorno. PROPRIETÀ INDICI (granulometria per terreni a grana grossa e limiti di Atterberg per i terreni a grana fine) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

50 SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE Sistemi di classificazione basati unicamente sulla granulometria, significativi per materiali a grana grossa (ghiaie e sabbie): I termine: nome della frazione granulometrica prevalente Sistemi di classificazione II termine: nomi delle eventuali frazioni maggiori del 25%, precedute dal prefisso con III termine: nomi delle eventuali frazioni comprese tra il 15% e il 25%, con il suffisso oso IV termine: nomi delle eventuali frazioni minori del 15%, con il suffisso oso, precedute dal prefisso debolmente. Es.: sabbia (55%), limo (35%), argilla (10%) = sabbia con limo debolmente argillosa Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

51 Sistemi di classificazione SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE Sistema di classificazione di Casagrande, valido solo per i materiali a grana fine (limi e argille): Indice di plasticità, PI (%) w = 30 % L w = 50 % L 5 6 L PI = 0.73 (w - 20) LINEA A Limite di liquidità, w (%) L (N.B. La presenza di materiale organico può essere rilevata attraverso la determinazione del limite liquido prima, w L, e dopo l essiccamento, w L ; se w L /w L > 0.75, il materiale èritenuto organico) Limi inorganici di bassa compressibilità Limi inorganici di media compressibilità e limi organici Limi inorganici di alta compressibilità e argille organiche Argille inorganiche di bassa plasticità Argille inorganiche di media plasticità Argille inorganiche di alta plasticità Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

52 Sistemi di classificazione SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE Sistemi di classificazione basati sulla granulometria e sulla composizione mineralogica (LLAA) validi per tutti i terreni SISTEMA USCS (Unified Soil Classification System) Terreni di fondazione SISTEMA HRB (Highway Research Board) Manufatti in terra Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

53 SISTEMA USCS Sistemi di classificazione 1) Si analizza il passante al setaccio N.200, P 200 : P 200 < 50% P 200 > 50% 1 a lettera: G, S 1 a lettera: M, C,O (terreno a grana grossa, punti 2a e 2b) (terreno a grana fine, punto 3a e 3b) 2a) Si analizza il passante al setaccio N.4, P 4 : 100 P 4 > P 4 P P 4 < P 4 P a lettera: G (ghiaia) 1 a lettera: S (sabbia) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

54 SISTEMA USCS Sistemi di classificazione 2b) Si analizza il passante al setaccio N.200, P 200 : P 200 < 5% Componente fine trascurabile: si determina dalla curva granuolmetrica U, C U > 4 (G) o U > 6 (S) 1 < C < 3 2 a lettera: W (ben gradato) altrimenti 2 a lettera: P (poco gradato) P 200 > 12% Componente fine significativa: si determinano i limiti di Atterberg sul passante al setaccio N.40 e si segue il punto 3. 2 a lettera: M (limoso) 2 a lettera: C (argilloso) 5% < P 200 < 12% si determinano i limiti di Atterberg sul passante al setaccio N.40 e U, C dalla curva granulometrica DOPPIO SIMBOLO CON 2 a lettera: M o C, W o P Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

55 SISTEMA USCS Sistemi di classificazione 3a) Si determinano i limiti di Atterberg sul passante al setaccio N.40 e si consulta la Carta di Plasticità di Casagrande (modificata) : Sopra la retta I P = 0.73 (w L 20) Sotto la retta I P = 0.73 (w L 20) 1 a lettera: C (argilla) 1 a lettera: M (limo) o O (organico) 3b) Si analizza il il limite liquido, w L : w L < 50% w L > 50% 2 a lettera: L (bassa plasticità) 2 a lettera: H (alta plasticità) w L > 10% 4% < I p < 8% I P > 0.73 (w L 20) Doppio Simbolo: CL ML Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57

56 Sistemi di classificazione SISTEMA HRB (Highway Research Board) Classificazione generale: Classificazione di gruppo: Analisi granulometrica: % passante al setaccio: N.10 (2mm) N.40 (0.12 mm) N.200 (0.074 mm) Limiti di Atterberg determinati sul passante al setaccio N.40 (0.42 mm): w L (%) I p (%) Indice di gruppo (I): Materiale costituente: Materiale come sottofondo: Materiali granulari (passante al setaccio N %) A 1 A 2 A 3 A 1 a A 1 b A 2 4 A 2 5 A 2 6 A *Note: Se I P w L 30 A 7 5; Se I P w L 30 A Ghiaia (pietrame) con sabbia Limi Argille (passante al setaccio N.200 > 35%) A 4 A 5 A 6 A 7 A 7 5* A Non 40 plastico 10 (N.B. Quando un terreno rientra in più categorie si assume quella corrispondente ai limiti più restrittivi ) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ / Sabbia Da eccellente a buono Ghiaia e sabbia limosa o argillosa Limi Da buono a scarso Argille

57 SISTEMA HRB (Highway Research Board) Il controllo di appartenenza ad una classe viene fatto mediante l indice di gruppo: I = 0.2 a ac bd dove: Sistemi di classificazione a = % passante al setaccio 200 maggiore del 35% e minore del 75%, (numero intero compreso tra 0 e 40) b = % passante al setaccio 200 maggiore del 15% e minore del 55%, (numero intero compreso tra 0 e 40) c = valore del limite liquido maggiore di 40 e minore di 60, (numero intero compreso tra 0 e 20) d = valore dell indice di plasticità maggiore di 10 e minore di 30, (numero intero compreso tra 0 e 20) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2009/ /57