PROGRAMMA DEL CORSO A.A

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1 PROGRAMMA DEL CORSO COMPORTAMENTO DEI TERRENI natura classificazione comportamento meccanico comportamento idraulico STRUMENTI DI MISURA Prove di laboratorio standard e avanzate Prove in sito standard e avanzate ANALISI LIMITE Stabilità opere di sostegno FONDAZIONI SUPERFICIALI Tipologie Carico limite Cedimenti FONDAZIONI PROFONDE Tipologie Carico limite

2 L INGEGNERIA GEOTECNICA L ingegneria geotecnica è quel ramo dell ingegneria civile che si occupa del progetto di strutture costruite nel terreno o nella roccia o che utilizzano i terreni o le rocce come materiali da costruzione Nella maggior parte dei rami dell ingegneria è possibile scegliere/progettare i materiali da costruzione L ingegnere geotecnico deve saper impiegare materiali naturali, eterogenei, disuniformi, caratterizzati da comportamento meccanico molto complesso Terreno e rocce, insieme al legno, sono i più antichi materiali da costruzione (nessun altro materiale è stato impiegato nelle costruzioni fino a 200 anni fa) e sono ancora tra i più diffusi

3 DIGHE IN TERRA

4 RILEVATI DI ACCESSO AI PONTI

5 RILEVATI STRADALI

6 RILEVATI ARGINALI

7 SCAVI E OPERE DI SOSTEGNO

8 GALLERIE

9 ISOLE ARTIFICIALI

10 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI I materiali della crosta terrestre si dividono in: ROCCE = aggregati di minerali dotati di legami interparticellari forti e stabili IGNEE: derivanti dalla solidificazione del magma all interno (intrusive) o all esterno (estrusive) della crosta terrestre SEDIMENTARIE: detriti soggetti ad alterazione, trasporto e deposizione, ri-cementate (DIAGENESI) METAMORFICHE: rocce preesistenti che hanno subito cambiamenti di mineralogia, tessitura o struttura, a causa di variazioni di temperatura e/o pressione TERRENI = aggregati di particelle minerali, prodotte dall alterazione delle rocce, che possono essere separate le une dalle altre tramite azione meccanica (e.g. agitazione meccanica)

11 ƒio BASALTO (roccia effusiva)

12 GRANITO (ROCCIA INTRUSIVA)

13 Piegamento complesso di strati inizialmente orizzontali in rocce metamorfiche delle Alpi Apuane

14 MARMO (ROCCIA METAMORFICA)

15 DOLOMIA (ROCCIA SEDIMENTARIA)

16 ROCCE SEDIMENTARIE

17 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI

18 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI TERRENI Aggregati di particelle prodotte dall alterazione chimicofisica delle rocce ƒio

19 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI Processi fisici e chimici che portano a formazione di detriti Processi fisici formazione di fratture e fessure derivanti dallo scarico tensionale prodotto dal sollevamento e dall erosione dell ammasso roccioso azione dell acqua di filtrazione che, congelandosi, esercita pressioni così elevate da disintegrare gli strati più epidermici (crioclastismo); escursione termica cui è sottoposta la roccia, con conseguenti cicli di espansione e contrazione, comporta il distacco degli strati esterni sotto forma di sottili scaglie (termoclastismo) piante o animali (bioclastismo) Processi chimici FASE DI ALTERAZIONE al diminuire della dimensione dei clasti, cresce il rapporto tra la superficie esposta e il volume degli stessi e diventano prevalenti i fenomeni chimici, quali ossidazione, idratazione, idrolisi e soluzione

20 DETRITI VERSANTE SUD MONTE GAVIA (Valcamonica)

21 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI FASE DI TRASPORTO Le correnti di acqua e aria, come pure i ghiacciai e la gravità, sono gli agenti che operano il trasporto dei detriti dal luogo di origine a quello di deposizione Quando il trasporto è operato da un fiume, i sedimenti di dimensione minore sono trasportati in sospensione, le particelle di dimensioni maggiori sono trascinate sul fondo e quelle intermedie sono trasportate per saltazione I materiali solubili subiscono invece un trasporto in soluzione e possono precipitare successivamente In generale il processo di trasporto opera una classazione (le particelle di dimensione maggiore si trovano più vicino al luogo di formazione) e un abrasione del materiale, modificandone la forma iniziale

22 ƒio VAL ZEBRÙ (Valfurva) CONOIDI ALLUVIONALI

23 fiume Po ƒio

24 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI FASE DI DEPOSIZIONE

25 depositi grossolani sedimenti progressivamente più fini sabbie costiere

26 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI DEPOSITI GLACIALI Originati da trasporto e deposito, di significative quantità di materiale, avvenuto durante le glaciazioni Depositi provenienti dai ghiacciai: es. morene Depositi sospinti dall avanzamento del ghiacciaio: fluvio-glaciali Depositi trasportati dai fiumi originatisi dai ghiacciai Depositi originatisi ai piedi del ghiacciaio: laghi Caratteristica comune di questi depositi è l'ampia curva granulometrica che va dai ciottoli alle argille, dovuta alla mancanza di selezione nella fase di trasporto Nei depositi morenici le varie frazioni granulometriche si ritrovano distribuite in modo caotico o sotto forma di sacche ubicate spazialmente in modo disordinato, nei depositi fluvio-glaciale si rinviene un'alternanza più regolare Sono i depositi più eterogenei e tra i più difficili da caratterizzare da un punto di vista geotecnico

27 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI DEPOSITI ALLUVIONALI DEPOSITI CONTINENTALI = terreni che si sono sedimentati in acqua dolce, in varie condizioni ambientali (variazione nel tempo e nello spazio della velocità e del carico solido della corrente) Sono tipiche l'eterogeneità e le variazioni di composizione, sia in senso verticale, sia nello sviluppo orizzontale. Caratteristica dei depositi alluvionali è l'alternanza di materiali a grana grossa (ghiaie e sabbie) e a grana fine (limi e argille), in forme di sacche, con prevalente sviluppo orizzontale Tali alternanze nella composizione sono imputabili principalmente alle variazioni del regime di flusso delle acque, mentre l'assenza di regolarità nell'estensione è imputabile a mutamenti dell'alveo Frequenti in tali depositi sono pure le sacche di materiale organico, originate dall'accumulo di materiale vegetale nei punti morti della corrente

28 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI grana grossa sabbie e ghiaie DEPOSITI ALLUVIONALI Poco compressibili Resistenza da media ad alta Idraulicamente permeabili grana fine limi ed argille Compressibili Resistenza da bassa a media Idraulicamente impermeabili ALTERNANZE DI STRATI E LENTI DI TERRENI A GRANA GROSSA E FINE strutture eterogenee anisotrope COMPLESSE necessità di indagini in sito e di laboratorio specifiche

29 1. deposito ghiaioso del Piave, 2 Sabbia dell Adige, 3. limo argilloso, 4. argilla di Venezia TERRENI A GRANA GROSSA E GRANA FINE CURVA GRANULOMETRICA DIMENSIONE E DISTRIBUZIONE DELLE PARTICELLE

30 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI DEPOSITI PALUSTRI E LACUSTRI La composizione granulometrica dei depositi lacustri e palustri è compresa tra le sabbie fini e le argille La sedimentazione è lenta, in quanto avviene in acque stagnanti dolci e produce una struttura prevalentemente dispersa delle argille e una differenziazione granulometrica verticale, con uniformità orizzontale e continuità dei vari livelli Prevalenza di limi e argille ricche di sostanze organiche (torbe) con struttura dispersa Questo dà origine a: terreni molto compressibili e con scarse resistenze meccaniche depositi eterogenei con una stratificazione granulometrica verticale e uniformità orizzontale SUBSIDENZA lento processo di abbassamento del suolo

31 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI DEPOSITI MARINI Costituiti da detriti (trasportati da fiumi, ghiacciai, vento) materiali organici (scheletri conchiglie e organismi marini) e noduli polimetallici Deposizione prevalentemente fluviale + «trasgressione» marina Continentale/fluviale: dimensione particelle decresce dalla costa verso il largo la maggior parte del materiale grossolano si deposita nella zona dei litorali, mentre limi e argille sono trasportati - in sospensione al largo dalle onde Al largo dalla costa, sabbie fini, limi e aggregati di argille marine flocculate si depositano con la stessa velocità formando un deposito piuttosto omogeneo ed uniforme sia per composizione che per caratteristiche Argille sensitive: argille depositate in ambiente salmastro, successivamente per mutate condizioni ambientali, sono assoggettate ad un flusso di acqua dolce Struttura metastabile = l argilla può collassare sotto azioni meccaniche assumendo un comportamento simile a quello di un fluido viscoso

32 ORIGINE E NATURA DEI TERRENI DEPOSITI EOLICI L'erosione e il trasporto operati dal vento costituiscono elementi di grande selettività ed è questo il motivo che rende particolarmente uniforme i depositi e scarsamente addensati Dune costiere: sabbie quasi monogranulari costituite da particelle arrotondate con elevata porosità (50, 60%) e struttura collassabile. Difficilmente campionabili Il collasso strutturale può verificarsi sia in corrispondenza del raggiungimento di una soglia di carico, sia sottoponendo il materiale a processi di saturazione

33 LE FASI DI UN TERRENO mezzo particellare mezzo multifase IL TERRENO è: particelle solide vuoti riempiti di acqua gas TOTALE VOLUMI V = Vs + Vv PESI P = Ps + Pw VUOTI SOLIDI ACQUA GAS Vv = Vw + Vg - Vs Ps Vw Pw Vg -

34 RELAZIONI TRA LE FASI INDICE ESPRESSIONE DIM Porosità n = V v / V = e/(1+e) - Indice dei vuoti e = V v / V s = n/(1-n) - Contenuto d acqua w = P w / P s - Grado di saturazione Sr = (V w / V v ) - Peso dell unità di volume totale = P / V FL -3 Peso dell unità di volume della parte solida s = P s / V s FL -3 Peso dell unità di volume dell acqua w = 9,81 kn/m 3 FL -3 Peso dell unità di volume del d = P s / V FL -3 terreno secco Peso dell unità di volume del = - w FL -3 terreno alleggerito Peso specifico totale G = / w - Peso specifico dei grani G s = s / w -

35 RELAZIONI TRA LE FASI TERRENO n [%] e [-] w [%] d [kn/m 3 ] [kn/m 3 ] GHIAIA SABBIA LIMO ARGILLA TENERA ARGILLA COMPATTA TORBA

36 RELAZIONI TRA LE FASI

37 FORZE DI MASSA E SUPERFICIE Ogni particella di terreno è soggetto a forze di massa e di superficie Data una particella di terreno avente diametro equivalente d eq - le forze peso sono proporzionali al volume (quindi a d 3 eq): da esse dipendono le interazioni di tipo meccanico - le forze di superficie (di intensità dipendente dal tipo di minerale) sono proporzionali all area (quindi a d 2 eq) e danno origine a interazioni di tipo chimico più la particella è piccola, più le forze di superficie sono prevalenti su quelle di volume S s (m 2 /g) superficie specifica S s A * V A m Montmorillonite 1000 Illite 100 Caolinite 10 Sabbia (d 50 =2 mm) 0.001

38 TERRENI A GRANA GROSSA Comportamento: interazione di tipo meccanico (forze di massa) funzione del grado di addensamento L addensamento di un terreno a grana grossa dipende da: Ambiente di deposizione (aria, acqua in quiete o in movimento) Vibrazioni o carichi esterni Forma dei grani angolare subangolare arrotondata subarrotondata Distribuzione della dimensione delle particelle assortita poco assortita

39 TERRENI A GRANA FINE Comportamento: interazione di tipo chimico (forze superficie) I minerali argillosi hanno una struttura formata da tetraedri e ottaedri collegati in reticoli, che si combinano in pacchetti ossigeno o ossidrili silicio, alluminio, magnesio L interazione tra più pacchetti di tipo tetraedrico e ottaedrico dà origine alle particelle di argilla Gli ioni metallici occupano posizione interna e la superficie delle particelle presenta una carica superficiale negativa che ne condiziona ogni interazione con le altre particelle, con l acqua e con gli ioni in essa disciolti Le molecole dell acqua, dipolari, tendono ad essere attratte da tale superficie, subiscono un iso-orientamento, risultando così legate alla superficie della particella da non poter essere separate da azione meccanica: si def. ACQUA ADSORBITA, ed è a tutti gli effetti parte integrante della struttura della particella argillosa L acqua presente nei pori, libera di muoversi sotto l azione di un gradiente idraulico, si def. ACQUA INTERSTIZIALE

40 TERRENI A GRANA FINE Ambiente di deposizione: In acqua dolce: per la bassa concentrazione elettrolitica prevalgomo forze repulsive. Le particelle tendono a mantenersi separate tra loro, dando origine ad una MICROSTRUTTURA DISPERSA In acqua salmastra: data la forte concentrazione elettrolitica si ha prevalenza di forze attrattive. Le particelle tendono ad aggregarsi in flocculi, dando origine ad una MICROSTRUTTURA FLOCCULATA

41 TERRENI A GRANA GROSSA E GRANA FINE Suddivisione dei terreni in gruppi (classi) con proprietà meccaniche simili TERRENO Diametro particelle Forze Interazioni Comportamento Meccanico definito da GHIAIA SABBIA (grana grossa, elevata permeabilità) > mm Massa Meccaniche Dimensione dei grani Forma dei grani Distribuzione granulometrica Struttura Addensamento ARGILLA LIMO (grana fine, bassa permeabilità) < mm Superf. Chimiche Mineralogia Contenuto d acqua Grado di saturazione Struttura e proprietà indice

42 CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI IDENTIFICAZIONE MEDIANTE PROVE SEMPLICI ED IMMEDIATE - dimensione particelle - forma e distribuzione dei grani - mineralogia (stratificazioni, stato fessurazioni..) CLASSIFICAZIONE Suddivisione dei terreni in classi all interno delle quali si riscontra un comportamento meccanico simile PROPRIETA DI RIFERIMENTO - parametri con un significato fisico, facili da determinare mediante apparecchiature semplici - parametri indipendenti dalle condizioni ambientali e di sollecitazione

43 CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI ANALISI GRANULOMETRICA Il comportamento dei terreni è influenzato dalle dimensioni dei grani e dalla distribuzione di tali dimensioni Per valutare la distribuzione dei grani di un terreno si utilizza l analisi granulometrica L analisi granulometrica viene eseguita mediante due tecniche SETACCIATURA per la frazione grossolana d > mm SEDIMENTAZIONE per la frazione fine d < mm

44 CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI ANALISI PER SETACCIATURA (d > mm) Si esegue con setacci di dimensioni prestabilite Si utilizza una pila di setacci disposti con il diametro dal più grande al più piccolo (e.g. d 1 > d 2 > d 3 ) Il materiale (precedentemente essiccato) è posto in alto alla pila di setacci e sottoposto a vibrazioni: il primo setaccio trattiene il materiale con dimensioni d > d 1, il secondo trattiene il materiale avente d 1 > d > d 2, e così via In seguito si misura il peso delle singole frazioni P 1, P 2, P 3 e P F, ed il peso complessivo P P 1 d 1 P 2 d 2 P 3 d 3 fondo P F P d F curva granulometrica = percentuali in peso della frazione di materiale che passa da un determinato setaccio diagrammate in funzione del diametro

45 CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI ANALISI PER SEDIMENTAZIONE (d < mm) La frazione trattenuta dall ultimo setaccio viene analizzata per via umida, cioè viene collocata in un contenitore con l aggiunta di acqua ossigenata e antiflocculante Si valuta quindi la velocità di caduta delle particelle, che è funzione del diametro delle particelle (legge di Stokes) Cilindro graduato di sedimentazione (il materiale è disperso in acqua e antifloculante) D Legge di Stokes 1800 * s l L * v viscosità dinamica del liquido velocità di caduta delle particelle in soluzione Misurata con il DENSIMETRO

46 CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI CURVA GRANULOMETRICA 2 1 materiale ben gradato materiale uniforme 1. analisi per setacciatura 2. analisi per sedimentazione

47 CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI CU D D Coefficiente di uniformità CU bassi: mat. uniforme CU elevati : mat. ben gradato CC D D * D 2 60 Coefficiente di curvatura D 60 D 10 D 30

48 CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI

49 STATI di ADDENSAMENTO e di CONSISTENZA TERRENI A GRANA GROSSA e min e max e Terreno con alta densità relativa Terreno con bassa densità relativa Densità relativa D R = (e max - e 0 )/(e max e min ) e max : e min : e 0 : indice dei vuoti massimo che il terreno può raggiungere (maggiore volume dei vuoti) indice dei vuoti minimo che il terreno può raggiungere (minore volume dei vuoti) indice dei vuoti attuale del terreno *Dr = f(forma, dimensione, mutuo incastro tra particelle) *Dr maggiore significa anche maggiore resistenza e minore deformabilità

50 STATI di ADDENSAMENTO e di CONSISTENZA TERRENI A GRANA FINE Un terreno si comporta in modo diversi in funzione del contenuto di acqua Si definiscono tre soglie: STATO SOLIDO SEMISOLIDO PLASTICO FLUIDO w R [%] w P [%] w L [%] LIMITE DI RITIRO LIMITE PLASTICO LIMITE LIQUIDO

51 STATI di ADDENSAMENTO e di CONSISTENZA DETERMINAZIONE DEL LIMITE LIQUIDO Contenuto di acqua in corrispondenza del quale il terreno possiede una resistenza al taglio così piccola che un solco, praticato in un campione rimaneggiato, si chiude quando il cucchiaio che lo contiene è sollevato con dei colpi, secondo una procedura standardizzata Strumento CUCCHIAIO DI CASAGRANDE campione di terreno rimaneggiato solco praticato nel campione con l apposito solcatore si contano i numeri di colpi necessari alla chiusura del solco

52 STATI di ADDENSAMENTO e di CONSISTENZA DETERMINAZIONE DEL LIMITE LIQUIDO Peso dell acqua w i = P w /P s Peso del solido (dopo l essiccazione in forno) Retta interpolante prove con diversi contenuti di acqua w L ricavato in corrispondenza del 25esimo colpo

53 STATI di ADDENSAMENTO e di CONSISTENZA DETERMINAZIONE DEL LIMITE PLASTICO Il limite plastico è il contenuto d acqua per il quale il terreno inizia a perdere il suo comportamento plastico; si manifesta con l insorgere di fessure nel bastoncino di materiale lavorato con le mani Peso dell acqua Peso del solido (dopo l essiccazione in forno) w i = P w / P s n prove d 3.2 mm w P = w i /n

54 STATI di ADDENSAMENTO e di CONSISTENZA DETERMINAZIONE DEL LIMITE DI RITIRO Il limite di ritiro è il contenuto d acqua al di sotto del quale una perdita di acqua non comporta più alcuna riduzione di volume di un campione indisturbato

55 STATI di ADDENSAMENTO e di CONSISTENZA INDICI DI CONSISTENZA w w R w n w P w L IP IP Terreno INDICE DI PLASTICITÀ IP = w L w p Indica il campo di variazione del contenuto d acqua all interno del quale il terreno ha un comportamento plastico e può essere rimaneggiato senza l insorgere di variazione di volume e fessure IP = f (%argilla, tipo di argilla, natura cationi adsorbiti) INDICE DI LIQUIDITA INDICE DI CONSISTENZA IL = (w n w P )/IP IC = 1 - IL 0-5 non plastico 5-15 poco plastico plastico > 40 molto plastico A Terreno <0.75 inattivo INDICE DI ATTIVITA CF: %argilla A = IP/CF norm. Attivo > 1.25 attivo

56 STATI di ADDENSAMENTO e di CONSISTENZA INDICI DI CONSISTENZA Minerali argillosi w L [%] w P [%] IP [%] Montmorillonite Illite Caolinite

57 CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI CARTA DELLA PLASTICITA DI CASAGRANDE Terreni inorganici Terreni organici Limi di bassa plasticità w L = 30 w L = 50