Corso di Laurea in Scienze Geologiche Corso di Geologia Applicata. Domenico Calcaterra

Transcript

1 Corso di Laurea in Scienze Geologiche Corso di Geologia Applicata Proprietà fisico-volumetriche delle terre Domenico Calcaterra Dipartimento di Scienze della Terra, dell Ambiente e delle Risorse Università di Napoli Federico II

2 Il prelievo di campioni indisturbati Per eseguire prove di laboratorio geotecnico è indsipensabile prelevare dei campioni. Il prelievo di campioni indisturbati di norma è effettuato mediante l infissione di un tubo campionatore o fustella. Si tratta di un tubo cilindrico in acciaio con pareti sottili (2 3 mm), bordo tagliente, diametro mm, lunghezza circa 700 mm. Terra coesiva (struttura stabile) e terra poco coesiva (struttura fragile) Prelievo durante perforazioni geognostiche Prelievo sulle pareti o sul fondo di uno scavo 1 scavo per liberare la fustella 3 2 Subito dopo il prelievo le estremità del tubo campionatore devono essere paraffinate per impedire la diminuzione del contenuto d acqua. Sulla fustella devono essere indicati codice identificativo, data, località, descrizione geologica, profondità e verso di avanzamento. In laboratorio il campione è estruso e sottoposto ad analisi; esso può essere anche ricampionato mediante un fustellatore verticale.

3 Qualitá dei campioni e proprietá determinabili Proprietà della terra Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Natura del terreno Composizione granulometrica Contenuto d acqua naturale Peso dell unità di volume Caratteristiche meccaniche Campioni disturbati o rimaneggiati Campioni a disturbo limitato Campioni indisturbati (Associazione Geotecnica Italiana, 1977)

4 La preparazione dei provini Realizzazione di un provino per la valutazione di

5 Il picnometro I picnometri sono apparecchi impiegati per la misurazione della densità di solidi e liquidi. Sono costituiti da una boccetta di vetro a collo largo, chiusa da un tappo smerigliato e terminante con un tubo capillare su cui è incisa una tacca di riferimento; in alcuni casi questi apparecchi sono dotati di una seconda apertura in cui è inserito un termometro. La determinazione della densità avviene attraverso una pesata del picnometro riempito fino al segno di riferimento prima con acqua distillata e poi col liquido in esame. Essendo le due quantità pesate di eguale volume, facendo il rapporto fra i pesi si ricava il rapporto tra la densità dell'acqua (che è nota) e quella del liquido. Nel caso si debba determinare la densità di un solido, prima si pesa una certa quantità del solido in esame, poi si pesa il picnometro riempito d'acqua fino al segno di riferimento ed infine si mette il solido nel picnometro vuoto, lo si riempie di acqua fino al riferimento e si fa una terza pesata. Dalle tre pesate si ricava il peso specifico del solido come rapporto tra il peso del picnometro pieno di sola acqua ed il peso del volume d'acqua spostato dal solido (ricavato per differenza); successivamente si converte il peso specifico in densità. A: B: C: D: peso picnometro peso picnometro + peso materiale peso picnometro + peso materiale + peso liquido (del volume rimasto fino alla tacca) peso picnometro + peso liquido (fino alla tacca)

6 La bilancia idrostatica La bilancia idrostatica serve per misurare il peso di un corpo utilizzando la spinta dell'acqua secondo il principio di Archimede ( un corpo immerso in un fluido riceve una spinta verso l'alto uguale al peso del volume di fluido spostato ). Permette infatti di misurare la spinta che un solido riceve quando è immerso in un liquido. Essa è costituita da due piattelli, uno dei quali è più corto dell altro ed è munito di un gancio a cui appendere gli accessori necessari all esecuzione della misura. Con la bilancia idrostatica si determina il peso P1 del materiale in esame in aria e poi il peso P2 del materiale in esame in acqua e, facendo il rapporto di queste due equazioni, si ricava la densità relativa all'acqua del materiale in esame.

7 Le componenti di una terra: condizione naturale Particelle solide Volume Pori (aria o acqua)

8 Le componenti di una terra: parziale saturazione Gas Acqua Solido

9 Le componenti di una terra: saturazione Acqua Solido

10 Le componenti di una terra: essiccamento Gas Solido

11 Le proprietá fisico fisico--volumetriche: volumetriche: il contenuto d acqua (w) ASTM D ; ASTM D (terre organiche); BS ;CNR-UNI PW = peso dell acqua Pn = peso della terra in condizioni naturali PS = peso della terra secca P P PS Contenuto d acqua w (%) W n PS PS Al fine di minimizzare gli errori di determinazione, le apparecchiature e le procedure sono state standardizzate Peso minimo / Sensibilità bilancia di laboratorio Massimo diametro delle particelle Peso minimo del campione Sensibilità della bilancia (mm) (g) (g) Essiccamento in stufa di laboratorio Temperatura Tipo di terra Tempo min Tempo max ( C) (ore) (ore) Non organica Organica Dimensioni del contenitore Tipo di terra Dimensioni contenitore Diametro Altezza Capacità (mm) (mm) (g) Limi e argille Sabbie Ghiaie fini Ghiaie medie Ghiaie grossolane Le determinazioni del peso si effettuano almeno tre volte e si considera valido il valore medio, rigettando i valori palesemente affetti da errori

12 Le proprietá fisico fisico--volumetriche: volumetriche: il contenuto d acqua (w) ASTM D ; ASTM D (terre organiche); BS ;CNR-UNI Determinazione del peso del contenitore vuoto e del coperchio Ia pesata contenitore, coperchio e campione (P1) (PT) Essiccamento in stufa di laboratorio del contenitore e del campione Campione indisturbato Campione rimaneggiato (opportunamente conservato) Raffreddamento a temperatura ambiente del recipiente e del campione più il coperchio IIa pesata contenitore, coperchio e campione (P2) Calcolo: P P P w (%) W 1 2 PS P2 PT N.B.: Per campioni grossolani si usano contenitori senza coperchio (vassoi o bacinelle). In questi casi il raffreddamento dovrebbe avvenire in un essiccatore per impedire l umidificazione del campione.

13 Le proprietá fisico fisico--volumetriche volumetriche:: il peso di volume in laboratorio ((gg) BS Test 15;CNR Anno VII n Peso dell unità di volume P 3 condizioni naturali (gn) n ( gr cm ) n V secco (gd) P d ( gr cm ) S V 3 Pn = peso della terra in condizioni naturali PS = peso della terra secca V = volume del campione La determinazione del volume del campione deve essere riferita al campione indisturbato Tipo di terra Coesiva (struttura stabile) Poco coesiva (struttura fragile) Incoerente (struttura instabile) Prelievo del campione indisturbato Metodologia per la determinazione del volume In scavo o in foro mediante infissione di una fustella a bordo tagliente ( mm; lunghezza circa 700 mm; spessore delle pareti 2 3 mm) Laboratorio: infissione di una fustella di piccolo diametro ( circa mm) di peso e volume noti ( cm3) mediante fustellatore verticale. Dalla lunghezza della fustella si stima il volume del campione, previa regolarizzazione delle estremità. In scavo o in foro mediante infissione di una fustella a bordo tagliente ( mm) Laboratorio: mediante pesata idrostatica, previa estrusione del campione Fustellatore verticale Possibile solo per le frazioni granulometriche più fini mediante appositi campionatori con valvola di ritegno. Impossibile per le frazioni granulometriche più grossolane. In sito: Volumometro a sabbia Volumometro a membrana Per campioni cilindrici D2 H V 4

14 Le proprietá fisico fisico--volumetriche volumetriche:: il peso di volume in laboratorio ((gg) BS Test 15;CNR Anno VII n Determinazione del peso di volume attraverso misure di lunghezza Fustella vuota determinazioni di: Infissione della fustella mediante fustellatore verticale Regolarizzazione delle estremità Peso (PT) Lunghezza (L) Diametro interno (D) Determinazioni di peso della fustella e del campione (P1) (almeno tre con precisione di 0.1 mm) Calcolo: gn Calcolo: volume interno (V) P1 PT n V Estrusione del campione Calcolo: gd d P2 V Determinazioni del peso secco (P2) Essiccazione del campione in stufa di laboratorio

15 Le proprietá fisico fisico--volumetriche volumetriche:: il peso di volume in laboratorio ((gg) BS Test 15;CNR Anno VII n Determinazione del peso di volume attraverso pesata idrostatica (quando non è possibile ottenere campioni di forma regolare) Impermeabilizzazione del campione mediante immersione in paraffina liquida Bilancia per pesata idrostatica Determinazione del peso del campione paraffinato (P2) Calcolo: V P P P P V w paraffina gparaffina = gr/cm3 Dal materiale estruso: Estrazione di un campione di forma meno irregolare possibile Determinazione del peso del campione (P1) Determinazione del peso del campione paraffinato immerso in acqua (P3) Calcolo: gn o gd condizione naturale P1 V condizione secco Essiccazione del campione in stufa di laboratorio

16 Le proprietá fisico fisico--volumetriche volumetriche:: il peso di volume in sito mediante volumometro a sabbia ASTM D ; BS Test 15;CNR Anno VI n Il metodo si basa sul prelievo in sito di un campione di terra e sulla stima indiretta del suo volume originario mediante il riempimento della cavità con sabbia calibrata, monogranulare ed a densità nota. Boccione PBS0 = peso del boccione pieno di sabbia Piastra di base Valvola (chiusa) Cono Campione (sigillato) Scavo Pn Conoscendo il peso iniziale PBS0 e finale PBS1 del boccione è possibile stimare il volume dello scavo, ovvero del campione (V), essendo nota la densità della sabbia calibrata. Piastra di base Boccione PBS1 = peso del boccione con la sabbia rimasta Valvola (aperta/chiusa) Cono

17 Le proprietá fisico fisico--volumetriche volumetriche:: il peso di volume in sito mediante volumometro a sabbia ASTM D ; BS Test 15;CNR Anno VI n La densità della sabbia calibrata monogranulare (gs) è stimata mediante la simulazione delle condizioni di deposizione della sabbia nello scavo, utilizzando un cilindro di taratura PSC = PBS0 PBS1 - PS Boccione Boccione PBS0 = peso del boccione PBS1 = peso del pieno di sabbia boccione con la sabbia rimasta S PSC VC (media di tre determinazioni) dove: Valvola (chiusa) Cono Valvola (aperta/chiusa) Cono Cilindro di taratura Cilindro di taratura PSC = peso della sabbia contenuta nel cilindro PBS0 = peso del boccione pieno di sabbia e del cono PBS1 = peso del boccione con la sabbia rimasta e del cono PS = peso della sabbia contenuta nel cono (che può essere determinato indipendentemente dal cilindro di taratura appoggiando il sistema boccione-cono su una lastra di metallo o di vetro) VC = volume del cilindro di taratura

18 Le proprietá fisico fisico--volumetriche volumetriche:: il peso di volume in sito mediante volumometro a sabbia ASTM D ; BS Test 15;CNR Anno VI n Boccione Boccione PBS0 PBS1 PS V S PBS0 = peso del boccione pieno di sabbia Pn n V PBS1 = peso del boccione con la sabbia rimasta Piastra di base Valvola (chiusa) Cono Campione Piastra (sigillato) di base Scavo Pn Valvola (aperta/chiusa) Cono dove: V = volume originario del campione PBS0 = peso del boccione pieno di sabbia e del cono PBS1 = peso del boccione con la sabbia rimasta e del cono PS = peso della sabbia contenuta nel cono gs = densità della sabbia calibrata

19 Le proprietá fisico fisico--volumetriche volumetriche:: il peso di volume in sito mediante volumometro a sabbia ASTM D ; BS Test 15;CNR Anno VI n Dimensioni minime del foro di prova Massimo diametro delle particelle Volume minimo del foro di prova Massa minima per misurare il contenuto d acqua (mm) (cm3) (g) Caratteristiche della sabbia calibrata 100% passante al setaccio 100% trattenuto al setaccio (mm) (mm)

20 Le proprietá fisico fisico--volumetriche volumetriche:: relazioni tra gn, w e gd È possibile determinare il peso di volume secco (gd) a partire dal peso di volume naturale (gn) e dal contenuto d acqua (w) Contenuto d acqua (w) PW Pn PS Pn PS Pn Pn Pn w (%) 1 w 1 PS w 1 (1) PS PS PS PS PS PS Peso di volume secco (gd) PS d V (2) dove: PW = peso dell acqua Pn = peso della terra in condizioni naturali PS = peso della terra secca Sostituendo la (1) nella (2): d Pn n w 1 V w 1 n dry 1 w

21 Le proprietá indice: peso specifico delle particelle (Gs) per terre a grana fine (Ø 4.75 mm) ASTM D ; BS Test 6B;CNR-UNI 10010, PS Peso specifico delle 3 GS ( gr / cm ) = particelle (GS) VS tappo Picnometro PS = peso della fase solida VS = volume della fase solida tappo tappo H2O 50 H2O 100 cm3 W3 = peso del picnometro + tappo + W1 = peso del picnometro +tappo tappo campione di terra + acqua distillata disareata fino al bordo superiore del tappo. L operazione richiede un attenta procedura per eliminare le bolle d aria tra le particelle: riempimento in più fasi successive (1/3, 2/3 e 3/3); agitazione del campione e dell acqua ad ogni step; disareazione ad ogni step mediante pompa a vuoto o moderata ebolllizione. W2 = peso del picnometro + tappo + campione di terra (10 25 gr cm3) W4 = peso del picnometro + tappo + acqua distillata disareata fino al bordo superiore del tappo. P S = W 2 W1 per gw = 1 (a 4 C): VS = (W4 W1) (W3 W2) peso H2O Le determinazioni del peso devono essere effettuate con bilance da laboratorio aventi sensibilità pari a gr e 0.01 gr rispettivamente per picnometri da 50 cm3 e 100 cm3. peso H2O relativo al volume non occupato dalle particelle

22 Le proprietá indice: peso specifico delle particelle (Gs) per terre a grana fine (Ø 4.75 mm) ASTM D ; BS Test 6B;CNR-UNI 10010, Trattamento del campione Campione in condizioni di umidità naturale 1. Dalla frazione passante al setaccio prescelto (4.75; 2.00; mm) prelevare mediante quartatura un campione di 15 gr o 30 gr, rispettivamente per il picnometro da 50 cm3 e da 100 cm3. 2. Se il campione è costituito da limo o argilla, disperdere le particelle mediante agitatore meccanico. In questo caso al posto del picnometro deve essere utilizzata la fiaschetta per gravità specifica (500 cm3). 3. Il peso secco del campione (PS) verrà determinato al termine della prova, facendo evaporare l acqua mediante essiccazione in stufa da laboratorio a 110 C. Campione essiccato 1. Essiccare in forno il campione per almeno 16 ore a 110 C. 2. Raffreddare il campione nell essiccatore, passarlo al setaccio prescelto (4.75; 2.00; mm). 3. Prelevare mediante quartatura un campione di 10 gr o 25 gr, rispettivamente per il picnometro da 50 cm3 e da 100 cm3.

23 Le proprietá indice: peso specifico delle particelle (Gs) per terre a grana fine (Ø 4.75 mm) ASTM D ; BS Test 6B;CNR-UNI 10010, Taratura del picnometro: finalizzata a determinare l influenza della temperatura sul peso dell acqua Taratura sperimentale w T C PA PP PP w T 0 VT w T 20C PA PP w T 0 PT = peso del picnometro pieno d acqua, calcolato alla temperatura T PA = peso del picnometro pieno d acqua distillata, misurato alla temperatura T0 PP = peso del picnometro vuoto VT = volume del picnometro pieno d acqua, calcolato alla temperatura di 20 C C Riferimento per GS T ( C) 4 C Peso = Volume PT gw (kg/m3) C Riferimento per GS 3. 4 C Peso = Volume 2. Determinazione del peso del picnometro vuoto, dopo essiccamento in forno (W1). Determinazione del peso del picnometro pieno d acqua, distillata e disareata, a temperatura ambiente (W2). Il riempimento deve avvenire fino al bordo superiore del tappo. Prima della pesata il picnometro deve essere asciugato all esterno. Determinazione della temperatura dell acqua all interno del picnometro (sensibilità termometro 0.1 C) Aumento della temperatura dell acqua nel picnometro mediante bagno termostatico. Ripetizione dei punti 2, 3 e 4 per tre step. Realizzazione di un diagramma Peso picnometro / T C. Calcolo del coefficiente di conversione da una T C generica a T=20 C (temperatura di riferimento per GS). Peso picnometro 1. Taratura teorica T ( C)

24 Le proprietá indice: peso specifico delle particelle (Gs) per terre a grana grossa (38.1 mm 15% Ø 4.75 mm) ASTM C127 Lavaggio del campione sul setaccio da 4.75 mm (eliminazione delle particelle fini) Determinazione del peso del campione secco (P2) Essiccazione in forno a 110 C per circa 12 ore Raffreddamento a temperatura ambiente per 1 3 ore Bilancia per pesata idrostatica Massimo diametro delle particelle Peso minimo del campione Capacità cestello (mm) (kg) (dm3) Immersione in acqua per 24 ore Asciugatura superficiale del campione Determinazione del peso del campione immerso in acqua (P3) Determinazione del peso del campione asciutto in superficie e saturo all interno (P1) GS P2 P1 P3 P1 P2 P2 Assorbimento (%) =

25 Porositá (n), Indice dei vuoti (e), Grado di saturazione (Sr) e Pesi di volume saturo ((ggsat sat)) e sommerso ((gg ) Dalle relazioni tra le proprietà fisico-volumetriche è possibile determinare alcune proprietà non misurabili sperimentalmente Proprietà Porosità Indice dei vuoti Grado di saturazione Simbolo n e Sr Unità % % % Formula n Vw Vg Vv Vs Vw Vg Vt Vw Vg Vv Vs Vs e Sr Vw Vw Vw Vg Vv Descrizione Rapporto tra il volume totale dei vuoti (fase liquida e gassosa) ed il volume totale del campione Rapporto tra il volume totale dei vuoti (fase liquida e gassosa) ed il volume della fase solida Rapporto tra il volume della fase liquida ed il volume totale dei vuoti (100% saturazione) Dalle relazioni tra le proprietà fisico-volumetriche è possibile determinare alcune proprietà difficilmente misurabili sperimentalmente Proprietà Simbolo Peso di volume sat saturo Unità gr/cm3 kn/m3 Peso di volume sommerso gr/cm3 kn/m3 Formula sat Pw Ps Vt ' sat w Descrizione Peso dell unità di volume con Sr = 100% Peso di volume in condizioni di sommersione

26 Relazioni tra proprietá fisico fisico--volumetriche Indice dei vuoti (e) Ps Ps Vv Vt Vs d GS Ps Ps GS e Ps Vs Vs G Ps S d GS GS 1 d Indice dei vuoti (e) (Sr = 100%) Vw 1 Vs Pw w Ps w Pw w Ps Vw Ps w e Porosità (n) Vs Ps 3 GS GS 1 G e d n S 1 d 1 e 1 GS 1 d GS d sostituendo la 2 e la 3 nella 1: w Ps e Ps w GS G S d d d GS GS 1 d GS GS w w 2

27 Relazioni tra proprietá fisico fisico--volumetriche Grado di saturazione (Sr) w Pw Vw w Vs e Sr w Ps Vs GS Vs GS Sr w GS e w Peso di volume saturo (gsat) sat Pw Ps e Vs w Vs GS Vw Vs e Vs Vs e w GS 1 e Peso di volume sommerso (g ) Dinamometro P = Pc - Vc w dove: Pc = peso campione Vc = volume campione gw = peso specifico dell acqua P P = Vc sat Vc w = Vc (gsat gw) g = P / Vc = Vc (gsat gw) / Vc = gsat - gw

28 Valori di riferimento delle proprietá fisico fisico--volumetriche delle terre gd gsat n e w (%) (%) (%) kn/m3 gr/cm3 kn/m3 gr/cm3 Ghiaia Sabbia Limo Argilla tenera Argilla dura Torba TERRA GS kn/m3 gr/cm