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GEOLOGIA APPLICATA: PROPRIETÀ FISICHE E CLASSIFICAZIONI TECNICHE DELLE…
GEOLOGIA APPLICATA:
PROPRIETÀ FISICHE E
CLASSIFICAZIONI TECNICHE DELLE TERRE
4.1
DEFINIZIONE GEOTECNICA:
Proprietà dei granuli
Proprietà degli aggregati
Classificazioni tecniche
Parametri di stato
Consistenza
Grado di addensamento
Compattabilità
Riferimenti bibliografici
Il materiale normalmente definito come terreno/suolo è composto generalmente da:
Particelle solide
Liquidi
Gas
possono variare da molto soffici, a depositi organici , passando attraverso argille compressibili e sabbie fino a rocce deboli. Le particelle che formano il terreno possono avere dimensioni e forme molto diverse, da sferiche a irregolari e grossolane a fini e piatte, da snelle ad aghiformi.
TERRA = “aggregato naturale di uno o più minerali, non legati fra loro oppure legati da forze di coesione a carattere non permanente e scindibili con metodi semplici
Comportamento fisico:
dipende da:
proprietà dei granuli solidi, considerati
sia come granuli singoli sia come aggregati formati dall’insieme dei granuli solidi e dalle altre fasi
presenti, caratteristiche di stato fisico, storia geologica
Proprietà dei granuli:
criterio granulometrico di classificazione
Distinzione preliminare (“spontanea”) fra granuli distinguibili ad occhio nudo (FRAZIONE GROSSOLANA) e granuli distinguibili al microscopio (FRAZIONE FINE) Limite convenzionale tra 0.60 e 0.075 mm
DESCRIZIONE GEOLOGICO-TECNICA:
deve essere svolta sia in sito, che in laboratorio o durante la preparazione di log di sondaggio
In generale, le terre vengono distinte in TRE GRUPPI PRINCIPALI:
TERRE A GRANA GROSSA
– formate in prevalenza da frazioni grossolane,
– non possiedono né plasticità, né coesione, né
resistenza a trazione né resistenza allo stato secco,
– dotate di elevata permeabilità
– dotate di compressibilità da bassa a bassissima;
TERRE A GRANA FINA
(o COESIVE, o COERENTI):
– formate in prevalenza da frazioni fini inorganiche
– possiedono, in maggiore o minor misura, plasticità, coesione, resistenza a trazione, resistenza allo stato secco,
– dotate di bassa o bassissima permeabilità,
– dotate di compressibilità da media ad elevata;
TERRE ORGANICHE (o FORTEMENTE ORGANICHE
):
– formate in prevalenza da resti vegetali
– hanno un comportamento simile a quello delle terre a grana fina, con
caratteri di elevata compressibilità.
DESCRIZIONE GRANULOMETRICA:
in senso anti-orario
In Sito
:
percentuale in volume dei diversi fusi granulometrici, definiti questi in base a ben definiti standard internazionali (poco precisa) va intesa a fini interpretativi
e/o di creazione di un modello concettuale geologico-tecnico(
ASTM
(American standard for Testing and Materials) e
AGI
(Associazione Geotecnica Italiana))
in laboratorio
(più precisa):
-Quartatura del campione
Essicazione del campione in forno la temperatura
non dovrebbe superare i 105°C
Separazione in due fusi granulometrici principali, sotto e sopra dei 75 µm (setaccio n° 200)
Analisi per setacciatura del materiale con dimensione superiore ai 75 µm
Pesata del materiale trattenuto a ciascun setaccio
Calcolo delle percentuali in peso per ciascun fuso granulometrico passato o trattenuto a un determinato setaccio
Tracciamento della curva granulometrica su carta semilogaritmica
Le particelle con dimensione < 75 µm devono essere analizzate per sedimentazione
Il materiale è posto in un cilindro graduato riempito fino a 1000 cm3 e immerso in una soluzione di acqua distillata e antiflocculante
cilindro graduato immerso in una vasca termoregolata
La densità della soluzione è misurata ad intervalli prefissati tramite impiego di un densimetro. Infatti con lo svolgersi della sedimentazione delle particelle la densità della sospensione varia nel tempo
I risultati dell'aerometria vanno posti in coda a quelli della setacciatura
E' possibile calcolarsi alcuni parametri importanti quali il coefficiente di uniformità del terreno: Cu e il
coefficiente di Curvatura: Cc
Importanza e impieghi dei parametri granulometrici
:
D10= consente di apprezzare la percentuale di contenuto in frazione fine, quale fattore significativo agli effetti della permeabilità e della resistenza al taglio di una terra
CU= fattore significativo agli effetti della resistenza al taglio( CU alto= resistenza alta) (1-5 =Uniforme sedimenti eolici; 5-15 = Disuniforme sedimenti da trasporto acqua; >15 = Molto disuniforme depositi glaciali)
terminologia
:
si basa sull’impiego di classi o fusi granulometrici
i limiti variano di paese e tradizione.
Nel caso più generale (ASTM, USCS) i termini impiegati sono:
Ciottoli e blocchi (ciottoli: 75-300 mm; blocchi: > 300 mm)
Ghiaia (ghiaia grossolana: 19-75 mm; ghiaia fine: 4.75 -19 mm)
Sabbia [sabbia grossolana: 2.00 mm (setaccio n. 10) - 4.75 mm (setaccio n.4) - sabbia media: 0.425 mm (setaccio n. 40)-2.00 mm (setaccio n. 10) sabbia fine: 0.075 mm (setaccio n. 200)-0.425 mm (setaccio n. 40)]
Limo: (0.075 mm), non plastiche o
debolmente plastiche e con resistenza estremamente bassa quando asciutte indice di plasticità (IP) < 4
limo organico: un limo con contenuto organico tale da influenzarne le proprietà limite liquido dopo essicamento in forno è inferiore al 75% del limite liquido prima dell’essicamento
Argilla: plastiche per un certo intervallo di contenuto d’acqua e con resistenza considerevole quando asciutte
argilla organica (stessa definizione del limo organico)
Classificazione USCS
:
La classificazione nella sua forma attuale è riassunta in Tabelle:
terreni grossolani: sabbie (S) e ghiaie (G) con percentuale di passante al setaccio n. 200 inferiore al 50% e classificabili come bene (W) o mal gradate (P) in
funzione dei coefficienti di uniformità e di curvatura
terreni fini: limi (M) e argille (C) inorganiche e terreni organici (O) con passante al setaccio n. 200 superiore al 50% terreni a bassa (L, se il limite liquido è <50%) o alta (H,>50%) plasticità
termini doppi: GW-GC, GP-GM, etc. sono necessari qualora la percentuale di fini sia compresa tra il 5 ed il 12%, o per intervalli particolari della carta di plasticità
termini di confine: sono quelli da adottare per terreni le cui proprietà variano in modo tale da non consentire una precisa identificazione in un singolo gruppo
Classificazione CNR-UNI e AGI:
per cui il terreno è scomposto in frazioni (A, B, C, etc.)
a diversa granulometria e diversa percentuale (in volume o in peso) Il terreno viene chiamato con il nome del fuso granulometrico più abbondante, A, seguito
dalla descrizione per il fuso successivo B, con le seguenti regole:
"con B", se 25 % < % B < 50 %
"B-oso", se 10 % < % B < 25 %
"debolmente B-oso", se 5 % < % B < 10 %
"con tracce di B", se % B < 5 %
Nel caso esistano diversi fusi componenti, ossia più frazioni C, D
Classificazione AASHTO
:
serve alla caratterizzazione dei materiali di sottofondo
o di strade in materiale granulare
classificabile in 7 gruppi principali (da A-1 ad A-7) con qualità, inversamente proporzionali al gruppo
gruppi A-1/A-3 passa attraverso il setaccio standard n. 200 (0.075 mm)
A-4, A-5, A-6 e A-7 limi e argille.
granulometria:
Blocchi e ciottoli: se presenti (>75 mm) vengono esclusi dal campione
Ghiaia: è compresa nell’intervallo granulometrico 2 mm (n. 10) - 75 mm;
sabbia: 0.075 mm (n. 200) - 2 mm (n. 10);
Limo e Argilla: inferiori a 0.075 mm
Indice di Gruppo
:
per la valutazione della qualità di un terreno come materiale di sottofondo:
GI = (F -35)[0.2+0.005( LL-40)] +0.01(F -15)(IP-10)
ove F è la percentuale di materiale passante al setaccio n. 200, LL è il limite liquido e IP l’indice di plasticità
1° termine dell’indice di gruppo è funzione solo del limite liquido e del valore di F tale per cui si annullerà per materiali dei gruppi A1 e A3 (F<35).
2° termine è funzione dell’indice plastico e si annulla sempre per terreni dei gruppi A1 e A3
se GI risulta negativo viene posto pari a 0
GI è pari a 0 per terreni dei gruppi da A-1 a A-3
per terreni dei gruppi A-2-6 e A-2-7 si userà solo il secondo termine per il calcolo di GI
GI = 0.01(F -15)(IP-10)
il valore dell’indice di gruppo è inversamente proporzionale alla qualità
Plasticità delle terre coesive
:
LIMITI DI CONSISTENZA O DI ATTERBERG:
comportamento fisico meccanico dei materiali fini
(<0.425 mm) rimaneggiati in funzione del loro contenuto d'acqua
utilizzati per correlazioni empiriche con proprietà meccaniche, non influenzate dalla struttura del deposito
vengono condotte su materiali fini rimaneggiati e che quindi le proprietà analizzate sono funzione solo delle caratteristiche mineralogiche delle particelle
In funzione del contenuto d'acqua i terreni passano da uno stato all'altro e in particolare, crescendo il
contenuto d'acqua, si passa da stato solido a semisolido a plastico, a liquido
Lo stato liquido è quello in cui la presenza di acqua consente alle particelle di stare abbastanza lontane
le une dalle altre in modo che l'attrazione tra le stesse sia scarsa o molto contenuta
Nel caso di stato plastico le particelle subiscono un'attrazione reciproca per cui il materiale si comporta
plasticamente senza fratturarsi o rompersi.
I valori dei limiti di Atterberg corrispondono ai contenuti d'acqua (w, Ms
/Mw) del terreno che consentono variazioni di stato:
WL: limite liquido: da plastico a liquido
WP: limite plastico: da semisolido a plastico
WR: limite di ritiro: da semi solido a solido (anche su campioni indisturbati)
Indici di Atterberg:
limite liquido:
utilizza la cosiddetta cucchiaia di Casagrande: In tale cucchiaia si pone il terreno opportunamente mescolato con acqua e vi si pratica un solco con apposito utensile, la caduta ripetuta della cucchiaia su una base in materiale standard e il conteggio del numero di cadute necessarie affinchè il solco realizzato si chiuda per una lunghezza di almeno 13 mm in corrispondenza di 25 colpi.
Poiché è estremamente difficile trovale il contenuto d'acqua
che consenta esattamente la chiusura per i 25 colpi, si procede all'esecuzione di più prove a contenuti d'acqua
leggermente differenti
cono a caduta o cono svedese. La prova è condotta
tramite un penetrometro a caduta con punta conica. contenuto d'acqua per cui la profondità di penetrazione di un cono di massa pari a 60 g e con angolo di apertura di 60° è pari a 10 mm
LIMITE PLASTICO:
Il materiale, a contenuto d'acqua inferiore a quello del limite liquido, viene impastato e lavorato fino a formare uno spaghetto . Quando uno spaghetto di terreno del diametro di 3 mm si crepa e rompe, ossia perde la sua lavorabilità, si è in corrispondenza del limite plastico Anche in questo caso la valutazione del contenuto d'acqua viene fatta per essicatura dello spaghetto e per avere un valore rappresentativo si ripete la prova più volte e si calcola la media.
INDICI DI CONSISTENZA:
Gli indici di consistenza utilizzati sono l'indice di liquidità e quello plastico. L'indice plastico è l'ampiezza del
campo di umidità per cui un materiale si comporta in modo plastico e quindi è definito dall'intervallo:
Ip = WL - WP (0 / +infinito)
L'indice liquido è definito come: IL=(W-WP) / (WL-WP) (-infinito / +infinito)
𝑤 è il contenuto naturale d'acqua del provino
ed è utilizzato per localizzare lo stato di un terreno argilloso rimaneggiato
STATO DI CONSISTENZA DELLE TERRE COESIVE:
allo stato rimaneggiato è definibile in base all’Indice di Consistenza
Relativa:
IC= WL-WP (-infinito / +infinito)
allo stato indisturbato è definibile in base ai valori di resistenza a compressione non confinata, qu
ARGILLE SENSITIVE:
sensitività St=(resist non drenata allo stato indisturbato /resistenza rimaneggiata) qu/qr (1/infinito)
la resistenza è misurata in entrambi i casi con una prova non confinata, e sul materiale rimaneggiato con w = wo.
In sito è determinabile con delle prove scissometriche
Le argille sensitive hanno in genere origine in depositi marini in ambiente glaciale. Il successivo
sollevamento e la percolazione di acque dolci e lisciviazione di cationi (K, Na).
Si generano quindi delle strutture molto aperte (Wo>WL) e collassabili Presentano una elevata pericolosità specie su pendii.
Un’argilla con St > 16 è extrasensitiva e viene detta quick clay e si possono avere valori anche superiori a 200
TISSOTROPIA:
Esistono materiali che mostrano una perdita di resistenza quando rimaneggiati e una crescita di resistenza mentre sono a riposo
Il rimaneggiamento crea una struttura che è compatibile con il processo meccanico
VALUTAZIONE DELLA RIGIDEZZA E DELLA RESISTENZA DELLE PROVE INDICE:
Resistenza al taglio non drenata: (su = (0.11 + 0.37 IP) s'vo kN/m²) dove
s'vo = sforzo verticale efficace in sito
Rigidezza: La pendenza della linea allo stato critico può essere stimata come:
λ = IP Gs / 461
L’indice di compressibilità può essere stimata come:
Cc = λ ln10 = IP Gs / 200
IP è in unità percentuali
DESCRIZIONE DELLE PROPRIETA' FISICHE DEI TERRENI:
arrotondamento,
forma,
colore,
odore,
umidità,
reazione con acido cloridrico (HCl),
consistenza (terreni coesivi) o l’addensamento (granulari),
cementazione, la struttura,
resistenza delle particelle,
presenza di radici o altro detrito organico e di cavità o manufatti.
Arrotondamento
:
indice di arrotondamento: Iarr= (2r/L)1000
ove r è il minor raggio di curvatura e L è la lunghezza dell'asse maggiore
(Raggio medio degli angoli e degli spigoli / Raggio del massimo cerchio inscritto)
colore
:
importante per definire il tipo di alterazione subita,
per identificare materiali con origine da unità geologiche simili
per valutare la presenza di sostanze organiche
Il colore andrà riportato per campioni in condizioni umide e se possibile verrà dato anche per condizioni asciutte La presenza di macchie, livelli e inclusioni di diverso colore va descritta.
Standardizzazione:si suggerisce l’impiego della Munsel Soil Color Charts ove il colore viene definito tramite 3 variabili:
colore spettrale dominante (Hue): esprime la lunghezza d'onda e per valori crescenti si hanno lunghezze minor
luminosità: (Value o quantità di luce riflessa) con sigla numerica che varia tra 0 (nero assoluto) e 10 (bianco assoluto) e in genere compresa tra 2.5 e 8
purezza (Chroma) o intensità (ossia grado di mescolamento del colore principale con i colori neutri) anch’essa con sigla numerica variabile tra 0 e 20