GEOTECNICA LEZIONE 1 INTRODUZIONE Ing. Alessandra Nocilla 1
LA STRUTTURA DELLA TERRA. DEFINIZIONE DI TERRA E ROCCIA La terra ha un raggio di circa 8000 km e una crosta di rocce e terreni dello spessore di circa 25-50 km. Ai fini tecnici può dirsi che raramente si incontrano terreni sciolc a profondità superiori ai 300 m al di sofo della superficie della terra. Il rapporto tra lo spessore della crosta e il suo raggio di curvatura è all incirca pari a quello caraferiscco di un guscio d uovo. Al di sofo della crosta vi è un mantello di materiale plascco incandescente e placche di crosta si muovono galleggiando sul mantello. La deriva della crosta concnentale è all origine della formazione delle catene montuose, della sismicità e del vulcanismo ai confini fra le diverse placche. I terreni geologicamente anachi (più vecchi di 2 milioni di anni) sono dotac di resistenza e rigidezza elevata mentre i terreni geologicamente giovani (glaciali e post- glaciali) sono generalmente abbastanza deformabili e poco resistenc. Terra e Roccia: con il termine terra si indica un materiale granulare formato da aggregac di granuli non legac fra loro e che possono essere separac fra loro per mezzo di modeste sollecitazioni; con il termine roccia si indica un materiale naturale dotato di un elevata coesione anche dopo prolungato contafo con acqua. Occorre però escludere da questa semplificazione gli ammassi rocciosi e i terreni di transizione (argille marnose, tufi, ect) perché hanno caraferiscche intermedie. La Geotecnica è quella branca della Ingegneria che studia il comportamento meccanico dei corpi, naturali o arcficiali, cosctuic di rocce sciolte o lapidee e soggev al peso proprio e/o ad azioni esterne o a modifiche delle condizioni ai limic, in superficie o all interno. 2
LA STRUTTURA DELLA TERRA. I PROCESSI GEOLOGICI I terreni cosctuiscono la parte più superficiale della crosta terrestre e sono il prodofo dell alterazione delle rocce dovuta a fafori climacci e ambientali. La litosfera, l idrosfera e l atmosfera infav interagiscono fra loro afraverso processi endogeni (derivanc dall energia interna della terra: profondità, pressione, temperatura) ed esogeni (derivanc dall energia esterna o atmosferica: movimenc di fluidi, passaggi di stato, gravità). CICLO DELLE ROCCE E DEI TERRENI Se i processi di formazione e trasporto delle terre sono solo processi fisici, le parccelle di terreno avranno la stessa composizione mineralogica della roccia d origine, se si hanno trasformazioni chimiche si formano anche altri materiali. La comprensione della geologia di una località è di aiuto nell interpretazione delle indagini del sofosuolo. TuV i terreni si sono formac in un ambiente di deposizione. QuesC ambienc, insieme a evenc geologici successivi, determinano la natura e lo stato dei terreni e delle rocce. Occorre avvalersi di un geologo per idencficare l ambiente di deposizione dei terreni che ci interessano. È inucle chiedere al geologo di che natura siano i terreni in esame, perché questo può essere stabilito direfamente dalle indagini, occorre invece chiedergli come sono arrivac fin lì (come si sono formac) e quali vicissitudini abbiano subito in seguito. 3
OPERE GEOTECNICHE Sono quelle opere di ingegneria costruite nel terreno o nella roccia o che uclizzano il terreno o la roccia come materiale da costruzione. TIPOLOGIE DI OPERE GEOTECNICHE STATO DEL TERRENO FINALITA' SETTORE In sede, nelle condizioni naturali o modificati per azioni antropiche Vincolo di manufatti al suolo Modifica delle condizioni ai limiti del suolo e del sottosuolo per inserire un manufatto Modifica delle proprietà del sottosuolo per renderlo idoneo alla realizzazione di manufatti Utilizzazione di aree interessate da movimenti franosi Utilizzazione di territori a larga scala FONDAZIONI SCAVI ED OPERE DI SOSTEGNO CONSOLIDAMENTI STABILITA' DEI PENDII GEOTECNICA DELLE GRANDI AREE Estratto dalla sede naturale ed utilizzato nelle opere Costruzione di rilevati, argini, dighe, riempimenti COSTRUZIONI IN TERRA 4
ESEMPI DI OPERE GEOTECNICHE 5
IL TRIANGOLO DELLA MECCANICA DELLE TERRE La Geotecnica è quella branca della Ingegneria che studia il comportamento meccanico dei corpi, naturali o arcficiali, cosctuic di rocce sciolte o lapidee e soggev al peso proprio e/o ad azioni esterne o a modifiche delle condizioni ai limic, in superficie o all interno. Ogni avvità è interconnessa alle altre e deve essere rigorosamente curata. Il triangolo deve essere ben bilanciato!! PROFILO GEOTECNICO DEL SUOLO. Indagini in sito, raccolta dac per la classificazione delle terre, situazione della falda, processi geologici e mineralogia. COMPORTAMENTO DEL TERRENO Per mefere d accordo quesc 3 aspev e per arrivare la soluzione del problema è necessario l empirismo. DaC sperimentali precedenc. Non abusarne e non confondere espressioni empiriche con leggi!! MECCANICA APPLICATA MODELLAZIONE Determinato a mezzo di prove e misure eseguite sia in laboratorio che in situ. Analisi e teorie sviluppate per descrivere materiali ideali. Il processo di idealizzazione è seguito dall analisi e deve essere sempre tenuto presente nella valutazione dei risultac. Non confondere il materiale ideale con il materiale reale!! 6
PECULIARITA DEL COMPORTAMENTO DEI TERRENI 1) I carichi applicac e le pressioni dei fluidi interscziali interagiscono tra di loro e determinano una tensione che è efficace nel controllare il comportamento meccanico dei terreni. 2) I terreni sono comprimibili; le variazioni di volume sono in larga misura determinate dalla riorganizzazione spaziale dei granelli che cosctuiscono lo scheletro solido e dalle conseguenc variazioni di volume degli spazi interparccellari. 3) Il comportamento del terreno sofo azioni di taglio è essenzialmente aoriavo; in atre parole, la resistenza a taglio aumenta all aumentare della pressione di confinamento, e, quindi, con la profondità al di sofo del piano campagna. 4) Le deformazioni volumetrica e distorsionale dei terreni non sono in genere completamente resctuite all afo dello scarico tensionale; i terreni, cioè, hanno un comportamento meccanico non elasaco. Questa è, in parte, una conseguenza del fafo che la deformazione dei terreni deriva essenzialmente dalla riorganizzazione spaziale delle parccelle. LE DIFFICOLTA DELLA GEOTECNICA rispefo ad altre discipline della meccanica applicata derivano principalmente dalla caraferiscca del terreno di essere: UN MEZZO PARTICELLARE : un mezzo cioè cosctuito da parccelle (i grani) che non sono fra loro fortemente legate o interconnesse come ad esempio i cristalli che formano un metallo o gli elemenc che cosctuiscono un calcestruzzo. UN MEZZO PLURIFASE : nel quale coesistono una fase solida (i grani), una fase liquida e una fase aeriforme NON ESISTONO DIFFERENZE SOSTANZIALI tra il comportamento meccanico delle SABBIE e quello delle ARGILLE! Le differenze di comportamento sono solo apparenc e derivano dalla diversa influenza delle pressioni interscziali e dei processi di filtrazione. 7
MEZZO PARTICELLARE. ESEMPIO DELLA SABBIA 8
MEZZO PARTICELLARE. ESEMPIO DELL ARGILLA 9
MEZZO PARTICELLARE. ESEMPIO DELL ARGILLA 10
LE TERRE: GHIAIA, SABBIA, LIMO E ARGILLA Le terre consistono in una miscela di due o più di quesc cosctuenc e talvolta contengono materiali organico parzialmente o totalmente decomposto. Inoltre possono essere completamente sciolte o leggermente cementate e gli spazi vuoc tra le parccelle possono contenere acqua e/o aria. TERRENI INCOERENTI A GRANA GROSSA Comprendono GHIAIA e SABBIA, le parccelle sono riconoscibili ad occhio nudo. Le parccelle hanno forma arrotondata. TERRENI COESIVI A GRANA FINE Comprendono LIMO e ARGILLA, ovvero la frazione microscopica e submicroscopica. Le parccelle hanno forma prevalentemente arrotondata nei limi e lamellare nelle argille. NB. Non tuv i terreni a grana fine sono COESIVI: esistono limi, per esempio, che possono essere non plascci e incoerenc. Il comportamento dell argilla è fortemente dipendente dall acqua. L argilla ha dimensioni inferiori ai 2 µ, è formata prevalentemente da minerali argillosi (esempio: caolinite, illite, montmornillonite) con cristalli di dimensioni colloidali, che chimicamente sono alluminosilicac idrac con altri ioni metallici. L acqua a immediato contafo con le parccelle ha forc legami e viene chiamata acqua di adsorbimento. La sua quanctà e interazione con lo strato elefrico superficiale da luogo a struoure diverse tra le parccelle (a.dispersa, b.flocculata, c.flocculata stabile con vuoc all interno dei fiocchi, d.orientata). 3
CONTENUTI DEL CORSO Il Corso ha lo scopo di fornire : 1. elemenc fondamentali sul comportamento dei terreni cosctuic da due sole fasi 2. indicazioni su aspev applicacvi. Lezione 1. Lezione 2. ES 2. Lezione 3. ES 3. Lezione 4. ES 4. Lezione 5. ES 5. Lezione 6. ES 6. Introduzione al corso; illustrazione organizzazione dell insegnamento; modalità dell esame. Analisi e classificazione delle terre. Principali Cpi di terre. Proprietà indice. Relazioni di fase. Curve granulometriche. LimiC di AFerberg. Sistemi di classificazione. Esercitazione Classificazione delle terre. Filtrazione in regime di flusso permanente monodimensionale. Equazione di Bernoulli e forme di energia. L acqua nel terreno, esperienza di Darcy, permeabilità. Capillarità. Determinazione sperimentale della permeabilità. Permeabilità equivalente di deposic stracficac. Esercitazione Filtrazione monodimensionale e Permeabilità in laboratorio e in sito. Principio degli sforzi efficaci. Gli sforzi nei mezzi parccellari; Pressione totale, efficace e neutra. Principio delle tensioni efficaci e calcolo dello stato tensionale in condizioni idrostacche. Variazioni di volume e condizioni di drenaggio. Esercitazione Principio degli sforzi efficaci e Condizioni a breve e lungo termine. Tensioni totali, neutre ed efficaci in presenza di moa di filtrazione monodimensionale stazionari, verifica al sifonamento. Esercitazione Stato tensionale in presenza di mo> di filtrazione monodimensionali. Filtrazione in regime di flusso permanente bidimensionale. Teoria della filtrazione bidimensionale. MoC di filtrazione confinac e a superficie libera. Andamento delle pressioni dell acqua in presenza di filtrazione. Esercitazione Filtrazione bidimensionale. 12
CONTENUTI DEL CORSO Lezione 7. ES 7. Lezione 8. ES 8. Lezione 9. Lezione 10. Lezione 11. ES 11. Lezione 12. ES 12. Lezione 13. ES 13. Consolidazione monodimensionale. Tensioni e deformazioni nelle terre. Tensioni litostacche e storia dello stato tensionale. Prova edometrica. Teoria della consolidazione monodimensionale ed applicazione in varie condizioni al contorno. Definizione di grado di consolidazione puntuale e medio. Calcolo dei cedimenc in condizioni di deformazione monodimensionale. Esercitazione Consolidazione monodimensionale e Prova edometrica. Comportamento meccanico delle terre. Resistenza a taglio dei terreni e stato cricco. Prove di taglio direfo. Prove triassiali. Percorsi tensionali totali ed efficaci. Lo Stato CriCco. Comportamento meccanico delle sabbie. Comportamento meccanico delle argille. Parametri di deformabilità e di resistenza delle terre. CoefficienC A e B di Skempton. Esercitazione Prova di Taglio DireAo e Prova Triassiale. NormaAva. Indagini in sito. La spinta delle terre. StaC di deformazione, analisi limite e spinta delle terre. La soluzione di Coulomb. La soluzione di Rankine in condizioni di spinta avva e passiva. Opere di sostegno. Muri e parace. Verifiche di stabilità. Esercitazione Spinta delle Terre. Carico limite delle fondazioni. Fondazioni direfe. Fondazioni profonde. Carico limite delle fondazioni. Esercitazione Carico limite delle Fondazioni. CedimenA delle fondazioni superficiali. CedimenC delle fondazioni e interazione terreno- fondazione. Esercitazione Cedimen> delle Fondazioni superficiali. A cura dell ing. Nocilla 13
MATERIALE DIDATTICO TesA consigliaa: - Colombo, P e Colleselli, F. - ElemenC di Geotecnica, III ed. Zanichelli, 2004. - Lambe, T.W. e Whitman, R.V. - Meccanica dei Terreni. Traduzione di Valore, C., Flaccovio ed., 1997. - Craig, R.F. - Soil Mechanics. Spon Press, 2002. - Atkinson J. - Meccanica delle terre e fondazioni. McGraw- Hill, 1997. - LancelloFa, R. Geotecnica. Zanichelli, 2004 Il materiale online e gli appuna NON SONO SUFFICIENTI!!!!! ORARIO DI RICEVIMENTO BRESCIA Martedì Ore 8.30 10.30 BERGAMO Lunedì Ore 8.30 1330 Email: nocilla@ing.unibs.it Modalità di accertamento del profifo: Esame scrifo e orale 14