Corso di Laurea a ciclo Unico in Ingegneria Edile-Architettura Geotecnica e Laboratorio Proprietà indici e granulometria delle terre Sistemi di classificazione delle terre Prof. Ing. Marco Favaretti e-mail: marco.favaretti@unipd.it website: www.marcofavaretti.net 1
INGEGNERIA GEOTECNICA Il comportamento del terreno è complesso: Anisotropo Non omogeneo Non lineare Dipende dal livello e dalla storia tensionale Per superare la complessità abbiamo bisogno di: Teorie Prove di laboratorio Prove in situ Relazioni empiriche Modelli e Applicazioni numeriche Esperienza, giudizio, fattore di sicurezza 2
ROCCE Ignee Metamorfiche Sedimentarie Alterazione Meccanica Alterazione Chimica (a grana grossa) (a grana fine) 1- Clima (Temperatura & Pioggia 2- Sfogliamento (tensioni per comprex e trazione 3- Erosione per gravità, vento, acqua, ghiaccio 3- attività organiche (radici, insetti ecc.) 1- Ossidazione 2- Percolazione 3- Idrolisi 4- Soluzione terreno Sviluppo in situ dalla decomposizione della roccia. I terreni residuali hanno caratteristiche geomorfiche strettamente correlate con la roccia di origine Terreno residuale FORMAZIONE TERRENO Terreno Trasportato 1- Gravità Colluviale 2- Acqua Alluvionale 3- Vento Eolico 4- Ghiaccio Glaciale
Trasporto e Deposizione 1-Acqua Terreno Alluvionale 1- Fluviale 2- di Estuario 3- Lacustre 4- Costiero 5- Marino 2- Ghiaccio Terreni Glaciali 1-Hard Pan 2-Morene 3- Vento Terreni Eolici 1-Dune di sabbia 2-Loess 4- Gravità Terreni Colluviali 1-Talus
2 - Ghiaccio
3 - Vento 4 - Gravità
BOULDER COBBLE GRAVEL SAND SILT CLAY masso ciottolo ghiaia sabbia limo argilla 7
I terreni possono essere - ASCIUTTI - SATURI -completamente - parzialmente Possono avere differenti forma, tessitura e struttura FORMA: allungata, rotonda, piatta, angolare TESSITURA A grana grossa, media, fine (a occhio nudo) STRUTTURA... sciolta, densa (terreni privi di coesione) & alveolare, dispersa, flocculata (terreni coesivi)
Soil Structure Coarse or Cohesionless Soil (Sand & Gravel) Loose Dense Fine or Cohesive Soil (Silt & Clay) Honeycomb Dispersed Flocculated In Fresh Water Flocculated In Salt Water
Particella di argilla 10
Struttura (fabric) dell argilla Contatto spigolo-faccia Contatto faccia-faccia Flocculata Dispersa Il termine fabric viene usato per descrivere la disposizione geometrica delle particelle argillose. I due casi estremi sono la flocculata e la dispersa. 11
Confronto tra minerali argillosi Minerale Area Specifica (m 2 /g) C.E.C (meq/100g) Caolinite 10-20 3-10 Illite 80-100 20-30 Montmorillonite 800 80-120 Clorite 80 20-30 12
Concentrazione di cationi nell acqua la concentrazione dei cationi diminuisce allontanandosi dalla particella di argilla Particella argillosa + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - + cationi + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Doppio strato + Acqua libera Le facce di ciascuna particella sono caricate con cariche di segno negativo che attraggono cationi presenti nell acqua. Le superfici delle particelle caricate negativamente e le molecole d acqua orientate danno luogo al cosiddetto doppio strato diffuso. 13
Particella di argilla in acqua Acqua adsorbita - - - - - - - - - - - - - - 1nm 50 nm Doppio strato diffuso Acqua libera 14
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Effetti dovuti alla dimensione dei grani 16
Relazioni tra fasi Indice dei vuoti Porosità Grado di Saturazione Contenuto d acqua o Umidità Peso specifico dei grani Densità Densità secca 17
Altre relazioni tra fasi Valori tipici: G = 2.60 2.75 ρ = 1.60 2.25 Mg/m 3 ρ s = 2.60 2.75 Mg/m 3 n = 0.25 0.45 (sabbia) S = 0 (terra secca) 100% (terra completamente satura) 18
Fasi di una terra sciolta Parziale saturazione Completa saturazione S<100% S=100% Volume fase solida V s Volume fase liquida V w Volume fase gassosa V a Volume dei vuoti V v = V w + V a 19
Indice dei vuoti S<100% S=100% e = volume dei vuoti volume solidi V V s v Volume fase solida V s Volume fase liquida V w V v Volume fase gassosa V a Saturazione = 100% e = volume acqua V volume solidi V s w tutti i pori (potenzialmente riempiti con acqua e/o aria) sono riempiti di acqua 20
Contenuto d acqua w - Peso di volume γ S<100% S=100% w = P P w s fase solida (P s ; V s ) γ = V s P + s + Pw V + w V a = P V totale totale S = 100% fase liquida (P w ; V w ) fase gassosa (P a 0; V a ) γ dry = V P s totale γ sat = P + P s V totale w 21
Peso di volume γ S=100% γ = P + P s V totale w S = 100% fase solida (P s ; V s ) fase liquida (P w ; V w ) γ sat = P + P s V totale w γ dry = V P s totale γ' = γ sat γ w 22
23 = γ γ = V P / V P G w s s w s Terreno G Sabbia quarzifera 2,64 2,66 Limo 2,67 2,73 Argilla 2,70 2,90 Gesso 2,65 2,73 Torba 1,30 1,90 Peso specifico dei solidi G
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Sistemi di classificazione delle terre I sistemi di classificazione delle terre sono basati sulla distribuzione granulometrica e sui limiti di Atterberg. American Association of State Highway & Transportation Officials (AASHTO) Proposto inizialmente nel 1945 Classificazione su 8 gruppi principali (A-1 A-8) Si basa su curva granulometrica, limite di liquidità e indice di plasticità Unified Soil Classification System (USCS) Proposto inizialmente nel 1942 da Arthur Casagrande ASTM Designation D-2487 Classificazione con simboli di gruppo 26
Sistemi di classificazione delle terre G ghiaia S sabbia M limo C argilla O limi e argille organiche Pt torba e terre organiche di elevata plasticità H elevata plasticità L bassa plasticità W curva granulometrica ben P distribuita curva granulometrica mal distribuita CARTA DI PLASTICITA DI CASAGRANDE 27
Curva granulometrica Ghiaia Sabbia 28
DOMANDA ho 1 kg di terra prelevata al di sotto di una costruzione e mi chiedo: 1. In che modo posso classificare la terra? 2. Quali sono i metodi per valutare la granulometria della terra? 3. Come posso definire i vari tipi di terra, quali argilla, limo, sabbia, ghiaia, ciottoli, massi. 4. Come calcolare i diametri caratteristici D 10, D 30 e D 60 mediante la curva granulometrica (CG)? 5. Come calcolare i coefficienti C u e C C della terra? 6. La CG può essere bene, poco o mal distribuita? 7. Cosa sono i limiti di Atterberg e come li posso definire? RISPOSTA 29
Gruppi di terreno Terre Coesive Terre Granulari o prive di coesione argilla limo sabbia ghiaia ciottolo masso 0.002 0.075 2 60 200 Dimensione del grano (mm) Terre a grana fine Terre a grana grossa 30
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Distribuzione granulometrica Procedura di prova Terre a grana grossa Terre a grana fine Analisi granulometrica Analisi per sedimentazione idrometro Pila di setacci agitatore Vagliatura meccanica Sospensione di terra e acqua Analisi per sedimentazione 33
Analisi granulometrica per vagliatura meccanica ghiaia sabbia fine 34
Analisi granulometrica per vagliatura meccanica 35
Analisi granulometrica per vagliatura meccanica I setacci con fori > di quelli dell ASTM n.4 (lato 4,76 mm) sono caratterizzati dalla lunghezza del lato della propria apertura 36
Analisi granulometrica per vagliatura meccanica I setacci più piccoli sono numerati secondo il numero di fori per pollice lineare (25,4 mm) 10 fori per pollice # 10 setaccio 37
Analisi granulometrica per vagliatura meccanica 38
Analisi granulometrica per vagliatura meccanica Set di vagli Provino secco Bilancia 39
Analisi granulometrica per vagliatura meccanica Scuotitore meccanico 40
Analisi granulometrica per vagliatura meccanica n. Diametro P netto P lordo P trattenuto % % setaccio (mm) setaccio (g) setaccio (g) (g) trattenuto passante 4 4,75 116,23 166,13 49,9 9,5 90,5 10 2,00 99,27 135,77 36,5 7,0 83,5 20 0,84 97,58 139,68 42,1 8,0 75,5 40 0,425 98,96 138,96 40,0 7,6 67,8 60 0,25 91,46 114,46 23,0 4,4 63,4 140 0,106 93,15 184,15 91,0 17,4 46,1 200 0,075 90,92 101,12 10,2 1,9 44,1 fondo - 70,19 301,19 231,0 44,1 0 41
Curve granulometriche S L A G 42
Sistemi di classificazione Curva granulometrica (d > 0,075 m setaccio ASTM 200) Coefficiente di uniformità C u Coefficiente di curvatura C c Limiti di Atterberg (d < 0,42 mm setaccio ASTM 40) C = u D D 60 10 C c = (D D 60 2 30 D 10 ) 43
Sistemi di classificazione Passante (%) densimetro fine vagliatura sabbia ghiaia dimensione grano (mm) 44
Terre a granulometria ben o mal graduata BEN GRADUATA Ghiaia: C c = 1-3 C u > 4 Sabbia: C c = 1-3 C u > 6 MAL GRADUATA Uniforme Grani di pari dimensione ATIPICA Mancanza di una porzione significativa di grani di specifiche dimensioni (gap graded) 45
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Curve granulometriche Coefficiente di uniformità C u = d d 60 1o C u1 = 300 C u1 = 2,5 48
Limiti di Atterberg w (%) = peso acqua peso solidi x100 fragile semisolido plastico liquido I p w s w p w l τ w < w s τ w w p τ w > w l w w l γ γ γ w l, w p, w s : limiti di liquidità, di plasticità, di ritiro I p : indice di plasticità (w l w p ) 49
Limiti di Atterberg Limite di liquidità 50
Limite di liquidità Cucchiaio di Casagrande 51
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Limiti di Atterberg Limite di liquidità elaborazione dei risultati sperimentali 53
Limiti di Atterberg Limite di plasticità 54
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Limiti di Atterberg fragile semisolido plastico liquido I p w s w p w l τ w < w s τ w w p τ w (%) = peso acqua peso solidi x100 w > w l w w l γ γ γ w l, w p, w s : limiti di liquidità, di plasticità, di ritiro 57
Camp. Prof. (m) G γ (kn/m 3 ) w0 (%) w l (%) w p (%) I p (%) pen (kpa) tor (kpa) qu (1,2) (kpa) φ ( ) cc cv (*) (m 2 /s) k (*) (m/s) A 4.00-4.50 2.74 17.1 46 53 24 29 30-40 23 26 0.38 5 10-8 1 10-10 C 9.00-9.50 2.72 16.7 56 67 28 39 40/70 31/33 22 0.53 6 10-8 2 10-10 E 22.50-22.75 2.75 20.3 26 36 19 17 160/190 57 74/78 0.20 1 10-6 1 10-9 I p (%) W l (%) 58
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Curve granulometriche Coefficiente di uniformità C = u d d 60 1o C u1 = 300 C c1 = 10 C u2 = 2,5 C c2 = 1,3 Coefficiente di curvatura C c = d 2 d30 d 1o 60 62
U.S.C.S. 63
A.A.S.H.T.O. /// C.N.R.-UNI 10006 64
A.A.S.H.T.O. C.N.R.-UNI 10006 65
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