ORIGINE E STRUTTURA DEI TERRENI CorsodiFondamentidiGeotecnica Scienze dell Ingegneria Edile, A.A. 2005\2006 Dott. Ing. Johann Facciorusso
Introduzione al corso A.A.2005-06 Fondamenti di Geotecnica Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile (SIE) 1 Periodo didattico (5 CFU): 26 settembre 9 dicembre ORARIO: Lezione Esercitazione Lunedì Martedì Mercoledì Giovedì Venerdì 08:15 09:15 09:15 10:15 14:00 15:00 15:00 16:00 16:00 17:00 Aula 103 Aula 103 Aula 103 Aula 003 Aula 003 Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 2/49
Introduzione al corso Programma del corso 1. ORIGINE E STRUTTURA DEI TERRENI: proprietà indice, relazioni peso-volume, granulometria e limiti, sistemi di classificazione USCS e AASHTO 2. STATI DI TENSIONE NEL TERRENO: principio delle pressioni efficaci, tensioni geostatiche, storia dello stato tensionale 3. IDRAULICA DEI TERRENI: Capillarità, permeabilità, legge di Darcy, moti di filtrazione, gradiente idraulico critico 4. MODELLI REOLOGICI: Tensioni e deformazioni nei terreni. Concetti base: elasticità, plasticità, viscosità 5. DIFFUSIONE DELLE TENSIONI: Pressioni di contatto, teoria di Boussinesq 6. COMPRESSIBILITÀ DEI TERRENI: teoria della consolidazione monodimensionale, prova edometrica, calcolo dei cedimenti di consolidazione Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 3/49
Introduzione al corso Programma del corso 7. RESISTENZA AL TAGLIO DEI TERRENI: criterio di rottura di Mohr-Coulomb, resistenza al taglio di terreni granulari e coesivi, prova di taglio diretto, prove triassiali. 8. INDAGINI GEOTECNICHE IN SITO: perforazioni di sondaggio, prove CPT, CPTU, SPT, DMT 9. SPINTA DELLE TERRE: stati di equilibrio limite, metodo di Rankine e di Coulomb per il calcolo della spinta sui muri di sostegno 10. CAPACITÀ PORTANTE DELLE FONDAZIONI SUPERFICIALI: analisi in condizioni drenate e non drenate, metodo di Terzaghi, formula di Brinch-Hansen Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 4/49
Introduzione al corso Modalità di esame L esame consta di una prova scritta da superare per accedere alla prova orale : Appelli di esame orale martedì 13 dicembre 2005 (ore 9.30) lunedì 19 dicembre 2005 (ore 9.30) martedì 7 febbraio 2006 (ore 9.30) lunedì 20 marzo 2006 (ore 9.30) mercoledì 5 aprile 2005 (ore 9.30) lunedì 26 giugno 2006 (ore 9.30) lunedì 10 luglio 2006 (ore 9.30) mercoledì 6 settembre 2006 (ore 9.30) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 5/49
Introduzione al corso Testi consigliati Colombo P., Colleselli F. (1996) Elementi di Geotecnica Zanichelli, Bologna Lancellotta R. (1993) Geotecnica Zanichelli, Bologna (Nuova Edizione) Le dispense del Corso, esercizi e compiti svolti disponibili presso il sito: http://freedom.dicea.unifi.it/claroline-1.3.1/ (Percorso GEO3 documenti) 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. Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 6/49
Introduzione al corso Orario di ricevimento Giovedì mattina (10.00-12.30) Previo appuntamento via telefono (055.4796354) via e-mail (johannf@dicea.unifi.it) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 7/49
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. 2004/2005 8/49
GEOTECNICA L Ingegneria Geotecnica ècoinvolta 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. 2004/2005 9/49
GEOTECNICA 2. Progettazione ed analisi di stabilità di dighe e discariche Hoover dam, Colorado Norman Landfill, U.S. Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 10/49
GEOTECNICA 3. Analisi di stabilità di opere in terra (muri di sostegno, pendii, etc.) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 11/49
4. Conservazione di monumenti, etc. GEOTECNICA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 12/49
TERRENO :MEZZO POLIFASE Il terreno può essere schematizzato come mezzo particellare polifase, costituito da: uno scheletro solido, formato dall insieme di tutti i granuli, o meglio, di tutte le particelle una fase liquida (generalmente acqua) una fase gassosa (generalmente aria e/o vapor d acqua). Non è continuo, né omogeneo, né isotropo PARTICELLE SOLIDE ACQUA INTERSTIZIALE ARIA + VAPOR D ACQUA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 13/49
ORIGINE DEI TERRENI I terreni derivano dai 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. 2004/2005 14/49
STRUTTURA DEI TERRENI Il comportamento del terreno dipende dalle sue caratteristiche strutturali: MICROSTRUTTURA (forma, dimensione dei grani, disposizione geometrica e legami fra le particelle) ; 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 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; Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 15/49
STRUTTURA DEI TERRENI La prevalenza delle forze di volume o delle forze di superficie è qualcosa legato essenzialmente alla geometria dei granuli, ovvero alla superficie riferita all unità di massa, che si definisce superficie specifica: S sp = S M = S ρ V Valori elevati implicano prevalenza di forze di superficie (granuli attivi) Valori bassi implicano prevalenza di forze di volume (granuli inerti) dove S è la superficie del granulo, M la massa, V il volume e ρ la densità Dimensione media [mm] Superficie specifica [m 2 /g] SABBIE (forma sub-sferica) 2 mm 2 10-4 MINERALI ARGILLOSI (forma lamellare): MONTMORILLONITE 10-6 fino a 840 ILLITE (0.03 0.1)x 10-3 65 200 CAOLINITE (0.1 4) x 10-3 10 20 Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 16/49
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. 2004/2005 17/49
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. 2004/2005 18/49
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. 2004/2005 19/49
TERRENI A GRANA FINE 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. 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) STRUTTURA AGGREGATA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 20/49
TERRENI A GRANA FINE I terreni a grana fine sono aggregati di particelle colloidali di forma lamellare, che risultano dalla combinazione di molecole (o unità elementari). : - - + - e a) b) e = silicio Le unità elementari sono rappresentate da tetraedri (con atomo di silicio al centro e ossigeno ai vertici) o ottaedri (con atomi di alluminio o magnesio al centro e ossidrili ai vertici) che si combinano tra loro per formare reticoli piani (pacchetti elementari). e = ossidrili = alluminio, magnesio Successive combinazioni diverse di pacchetti elementari danno origine alle particelle di argilla, Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 ai granuli. 21/49
ACQUA LIBERA E INTERSTIZIALE Il comportamento dei terreni a grana fine dipende soprattutto : dalle COMPOSIZIONE MINERALOGICA; dall interazione col FLUIDO INTERSTIZIALE. H + H + O 2- Acqua adsorb ita H + H + 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. 2004/2005 22/49
Allontanandosi dalla superficie delle particelle i legami diventano via via più deboli, finché l acqua assume le caratteristiche di acqua libera o acqua interstiziale. ACQUA LIBERA E INTERSTIZIALE PARTICELLA molecole d acqua ANDAMENTO DELLA FORZA DI ATTRAZIONE TRA PARTICELLA E MOLECOLE D ACQUA 0 5 10 15 20 25 30 35 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. 2004/2005 23/49
STRUTTURA AGGREGATA 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. 2004/2005 24/49
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. 2004/2005 25/49
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 V e = V V v = V s v s v = 1+ e; e = ( n/100) 1 ( n/100) 4. GRADO DI SATURAZIONE S r (%) = Vw Vv P 100 5. CONTENUTO D ACQUA w (%) = 100 P w s S r =0 terreno asciutto, S r =100% terreno saturo Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 26/49
6. PESO SPECIFICO DEI COSTITUENTI SOLIDI 7. PESO DI VOLUME RELAZIONI TRA LE FASI γ = 8. PESO DI VOLUME DEL TERRENO SECCO P V [kn/m 3 ] V γ s P = s V s [kn/m 3 ] P s P γ d = ( ovvero per Sr = 0 ) V [kn/m 3 ] 9. PESO DI VOLUME SATURO 10. PESO DI VOLUME IMMERSO γ sat = P V γ ' = γ sat (per S r =100% ) γ w [kn/m 3 ] dove γ w è il 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%) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 27/49
RELAZIONI TRA LE FASI emax e 11. DENSITÀ RELATIVA D r (%) = 100 e e max dove e max ed e min sono rispettivamente gli 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 26.3-26.7 ARGILLE 23.9-28.6 BENTONITE 23 n (%) e γd (kn/m3) γ (kn/m3) GHIAIA 25-40 0.3-0.7 14-21 18-23 SABBIA 25-50 0.3-1.0 13-18 16-21 LIMO 35-50 0.5-1.0 13-19 16-21 ARGILLA 30-70 0.4-2.3 7-18 14-21 TORBA 75-95 3.0-19.0 1-5 10-13 Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 28/49
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 e i limiti di Atterberg, che verranno definite nei paragrafi seguenti. - la granulometria - i limiti di Atterberg PROPRIETÀ INDICI Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 29/49
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. L analisi granulometrica consiste nella determinazione della distribuzione percentuale del diametro dei granuli presenti nel terreno e può essere eseguita mediante due tecniche: 1. setacciatura per la frazione grossolana (diametro dei grani maggiore di 0.074 mm) 2. sedimentazione per la frazione fine (diametro dei grani minore di 0.074 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 passante in ordinata (curva granulometrica). Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 30/49
COMPOSIZIONE GRANULOMETRICA Terreno 1: Terreno 2: 60% Terreno 3: Terreno 1 (ben gradato) D 60 = 3 mm, D 30 = 0.22 mm, D 10 = 0.008 mm, U = 375.0; C =2.0 Terreno 3 (uniforme) D 60 = 0.93 mm, D 30 = 0.038 mm, D 10 = 0.023 mm, U = 40.4; C =0.07 Terreno 2 (granulometria estesa con mancanza di certi diametri) D 60 = 0.42 mm, D 30 = 0.24 mm, D 10 = 0.2 mm, 10% U = 2.1; C = 0.69 D 60 D 10 COEFFICIENTE DI UNIFORMITÀ U = D D 60 10 COEFFICIENTE DI CURVATURA C = D 60 D 2 30 D 10 Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 31/49
COMPOSIZIONE GRANULOMETRICA 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] 4 4.76 6 3.36 8 2.38 10 2.00 12 1.68 16 1.19 20 0.840 30 0.590 40 0.420 50 0.297 60 0.250 70 0.210 100 0.149 140 0.105 200 0.074 N. ASTM Dimensione dei setacci crescente Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 32/49
COMPOSIZIONE GRANULOMETRICA 2. L analisi granulometrica per sedimentazione si basa sulla legge di Stokes: ρs ρw = g D dove: 2 v (mm/s) è la velocità di precipitazione di una particella 18 η sferica in un liquido viscoso, ρ s e ρ w (Mg/m 3 ) le densità rispettivamente dei grani e dell acqua, v η (Pascal s) è la viscosità dell acqua, D (mm) il diametro della particella Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 33/49
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. Così è importante non solo conoscere la quantità di acqua contenuta allo stato naturale, ma anche confrontare questo valore con quelli corrispondenti ai limiti di separazione tra stati fisici particolari (limiti da Attrberg). DIMINUZIONE 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. 2004/2005 34/49
DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA LIMITE LIQUIDO, w L 1. Un prefissato volume 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 poi prelevato un po di materiale dal cucchiaio e determinato su questo il valore del contenuto d acqua. 4. La procedura viene ripetuta più volte variando la quantità di acqua nell impasto, in modo da ottenere una serie di coppie (4 o 5) di valori, numero di colpi-contenuto d acqua 5. si assume convenzionalmente come il limite liquido, w L il contenuto d acqua corrispondente a 25 colpi determinato per interpolazione Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 35/49
DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 36/49
LIMITE PLASTICO, w P DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA 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. Tali cilindretti vengono fatti rotolare continuamente su una lastra di materiale poroso (in modo da perdere progressivamente acqua) 3.2 mm 3. Quando iniziano a fessurarsi, si determina il contenuto d acqua e questo rappresenta il limite plastico, w P 4. La procedura viene ripetuta almeno tre volte e si assume come w P il valor medio Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 37/49
DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 38/49
LIMITE DI RITIRO, w S DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI LLAA 1. Si determina in laboratorio su un provino indisturbato che viene essiccato per passi successivi, misurando ad ogni passaggio il volume e il contenuto d acqua 2. 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 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. 2004/2005 39/49 volume w S contenuto d acqua, w
INDICI DI CONSISTENZA INDICE DI PLASTICITÀ, I P I P (%) = w L -w P INDICE DI LIQUIDITÀ, I L I L = w I P w P I 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 CF I P I a = (Indice di attività) CF dove CF = % in peso con diametro d < 0.002 mm Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 40/49
INDICI DI CONSISTENZA 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 anche l analogia tra I C per terreni a grana fine e D r per i terreni a grana grossa. TERRENO I P Non Plastico 0-5 Poco Plastico 5-15 Plastico 15-40 Molto Plastico > 40 CONSISTENZA Fluida Fluido-Plastica Molle-Plastica Plastica Solido-Plastica Semisolida (w > w S ) o Solida (w < w S ) I C < 0 0 0.25 0.25 0.50 0.50 0.75 0.75 1 > 1 Minerale argilloso w L (%) Montmorillonite 300-700 Illite 95-120 Caolinite 40-60 w P (%) I P (%) 55-100 200-650 45-60 50-65 30-40 10-25 Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 41/49
SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE I sistemi di classificazione sono una sorta di linguaggio di comunicazione convenzionale per identificare (attraverso alcuni parametri significativi) il tipo di materiale, in modo da fornirne, almeno a livello qualitativo, delle indicazioni sul 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 composizione mineralogica per i terreni a grana fine) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 42/49
SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE Sistemi di classificazione basati unicamente sulla granulometria, validi solo per i materiali a grana grossa (ghiaie e sabbie): I termine: nome della frazione granulometrica prevalente 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. Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 43/49
SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE Sistema di classificazione di Casagrande, valido per i materiali a grana fine (limi e argille): Indice di plasticità, PI (%) 60 40 20 0 4 w = 30 % L w = 50 % L 5 2 1 20 40 60 Limite di liquidità, w (%) L 6 L PI = 0.73 (w - 20) LINEA A 3 80 100 1 2 3 4 5 6 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. 2004/2005 44/49
SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE Sistemi di classificazione basati sulla granulometria e sulla composizione mineralogica, validi per tutti i terreni SISTEMA USCS (Unified Soil Classification System) Terreni d fondazione 1) Si analizza il passante al setaccio N.200, P 200 : P 200 < 50% 1 a lettera: G, S (terreno a grana grossa, punto 2) P 200 > 50% 1 a lettera: M, C,O (terreno a grana fine, punto 3) 2a) Si analizza il passante al setaccio N.4, P 4 : 100 - P 4 > P 4 P 200 100 - P 4 < P 4 P 200 1 a lettera: G (ghiaia) 1 a lettera: S (sabbia) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 45/49
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 v U > 4 (G) o U > 6 (S) 1 < C < 3 altrimenti P 200 > 12% 2 a lettera: W (ben gradato) 2 a lettera: P (poco gradato) Componente fine significativa: si determinano i limiti di Atterberg sul passante al setaccio N.40 e si segue il punto 3. v 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. 2004/2005 46/49
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) 3b) Si analizza il il limite liquido, w L : w L < 50% w L > 50% w L > 10% 4% < I p < 8% I P > 0.73 (w L -20) 2 a lettera: L (bassa plasticità) 2 a lettera: H (alta plasticità) DOPPIO SIMBOLO: CL-ML 1 a lettera: C (argilla) 1 a lettera: M (limo) o O (organico) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 47/49
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: *Note: Se I P w L 30 A-7-5; Se I P w L 30 A-7-6 Costruzioni stradali Materiali granulari (passante al setaccio N.200 35%) A-1 A-2 A-3 A-1-a A-1-b A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7 50 30 15 6 0 50 25 Ghiaia (pietrame) con sabbia Limi-Argille (passante al setaccio N.200 35%) A-4 A-5 A-6 A-7 A-7-5* A-7-6 51 10 35 35 35 35 36 36 36 36 Non 40 plastico 10 (N.B.Quando un terreno rientra in più categorie sia adotta quella corrispondente ai limiti più restrittivi ) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 48/49 41 10 40 41 11 11 40 41 10 10 40 41 11 11 0 0 4 8 12 16 20 Sabbia Da eccellente a buono Ghiaia e sabbia limosa o argillosa Limi Da buono a scarso Argille
L indice di gruppo è definito come: I = 0.2 a + 0.005 ac + 0.01 bd SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE dove: a = % passante al setaccio 200 maggiore del 35% e minore del 75%, espressa come numero intero compreso tra 0 e 40 b = % passante al setaccio 200 maggiore del 15% e minore del 55%, espressa come numero intero compreso tra 0 e 40 c = valore del limite liquido maggiore di 40 e minore di 60, espresso come numero intero compreso tra 0 e 20 d = valore dell indice di plasticità maggiore di 10 e minore di 30, espresso come numero intero compreso tra 0 e 20 (N.B. In entrambi i sistemi di classificazione, la presenza di materiale organico in un terreno può essere rilevata attraverso la determinazione del limite liquido prima, w L, e dopo l essiccamento, w L. L essiccamento provoca infatti nei materiali organici dei processi irreversibili con riduzione di w L ; se w L /w L > 0.75, il materiale viene ritenuto organico) Corso di Laurea in Scienze dell Ingegneria Edile A.A. 2004/2005 49/49