CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI GEOTECNICIlabgtec/corso_geotecnica/Dispense_Tarantino... · della...

Università degli Studi di Trento - Facoltà di IngegneriaGeotecnica A / Elementi di Geotecnica (Dr. A Tarantino)

CLASSIFICAZIONE DEI CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI GEOTECNICIMATERIALI GEOTECNICI

Rocce lapidee e rocce sciolteRocce lapidee e rocce sciolte

I geomateriali sono suddivisi nell’Ingegneria Civile (sia pure in modo alquanto arbitrario) in rocce e terreni.

Rocce lapideeAggregato di minerali fortemente cementati tra loro

Rocce sciolte (o terreni) Aggregato di particelle non cementate o debolmente cementate tra loro (separabili per semplice azione meccanica quale l’agitazione in acqua)

I terreni formano l’oggetto esclusivo di questo corso

Le fasi di un terrenoLe fasi di un terreno

Fase liquida(soluzione acquosa)

Fase gassosa(aria umida)

Fase solida

Anche se in modo improprio, la fase liquida è indicata con il termine di acqua interstiziale e la fase gassosa con il termine di aria interstiziale

Classificazione geotecnica dei terreniClassificazione geotecnica dei terreni

PROPRIETÀ INDICE

Singolo grano

Insieme di grani

Insieme di grani in presenza di acqua

Insieme di grani in presenza di acqua e aria

Caratteristiche del singolo granoCaratteristiche del singolo grano

Natura della fase solida

Composizione mineralogica

Densità specifica del grano

Dimensione del grano

Forma del grano

Grado di arrotondamento

Tessitura della superficie

Capacità di scambio dei cationi (particelle argillose)

Natura della fase solidaNatura della fase solida

MATERIA ORGANICA Particelle costituite da frammenti di origine vegetale o animale(possono aver conservato o perduto traccia della struttura originaria)

Si rileva attacando il campione con soluzione di perossido di idrogeno (acqua ossigenata)

Conferisce al terreno elevata compressibilità, bassa permabilità e bassa resistenza al taglio (torbe)

MATERIA INORGANICA

Particelle costituite da minerali non argillosi o argillosi. Composizione mineralogica determinata mediante diffrazione ai raggi X

Composizione mineralogica (1)Composizione mineralogica (1)

MINERALI NON ARGILLOSI

SILICATI Tectosilicati (quarzo, feldspati); Fillosilicati (miche)

CARBONATI Calcite; Dolomite

SOLFATIGesso

OSSIDI DI FERRO ED ALLUMINIO

MINERALI NON ARGILLOSI:

• Compongono particelle di dimensioni maggiori di alcuni µm (ghiaia, sabbia e la maggior parte della frazione limosa).

• Le particelle non argillose sono relativamente inerti nei riguardi dell’acqua e la loro interazione è essenzialmente di natura fisica.

• La mineralogia ha generalmente modesta influenza sul comportamentomeccanico dei terreni non argillosi

• Il quarzo è il minerale più abbondante nei terreni. Le particelle di quarzo non si frantumano per bassi e medi livelli di tensione.

• I terreni carbonatici sono costituiti da particelle frantumabili bassi e medi livellidi tensione. Questo conferisce particolari comportamenti meccanci al terreno.

MINERALI ARGILLOSI

Caolinite-serpentine

Illite-vermiculite

Smectite

MINERALI ARGILLOSI:

• Compongono particelle di dimensioni minori di alcuni µm (argilla e una piccolaparte della frazione limosa).

• Le particelle argillose interagiscono con l’acqua e la loro interazione èessenzialmente di natura chimica.

• La composizione mineralogica ha generalmente notevole influenza sulcomportamento meccanico dei terreni non argillosi

MineralogiaMineralogia delledelle argilleargille

I minerali argillosi appartengono alla famiglia dei fillosilicati(silicati a strati)

foglio

strato (2 o 3 fogli)

particella di argilla

unità strutturale

FogliFogli tetraedricitetraedrici

Unità tetraedrica e fogli tetraedrici

(Si O2.5) -1= (Si4 O10) -4Rete esagonale

La neutralità elettrica è ottenuta dalla sostituzionedi quattro ossigeni con idrossili oppure dall’unionecon un foglio carico positivamente

FogliFogli ottaedraliottaedraliOttaedro di alluminio o magnesio e fogli ottaedrali

Al 3+ or Mg 2+

Mg (OH)2 = Mg3 (OH)6Rete triottaedrale (brucite)

Al (OH)3 = Al2 (OH)6Rete biottaedrale (gibbsite)

StratiStrati ((impilamentoimpilamento di di foglifogli))

StratiStrati elementarielementari

T:O:T (2:1) impilamento(smectite, vermiculite e clorite

T:O (1:1) impilamento(caolinite, serpentina e clorite)

L’ossigeno nell’unità tetraedrica èsostituito dallo ione idrossile

Schema di Schema di mineraliminerali argillosiargillosi

I minerali differiscono tra loro per il tipo di ’colla’ chemantiene insieme i successivi strati

LegamiLegami di di stratostrato

Caolinite

Montmorillonite

piano degli ossigeni

piano degli idrossili

Legame idrogeno ⇒ stabile in presenza di acqua

n × H2O + cations

In presenza di acqua, I cationi interstrato idratanooppure acqua è adsorbita sul piano degli ossigenimediante legami idrogeno⇒ le particelle di smectite rigonfiano

7.2 Å

9.6 Å → ∞

MicrofotografieMicrofotografie deidei mineraliminerali argillosiargillosi

Caolinite Montmorillonite

Sono eseguite al microscopio a scansione elettronica

SostituzioniSostituzioni isomorfeisomorfe

Alcuni cationi nelle unità tetraedriche e ottaedrali sono sostituitida cationi di valenza minore, ad esempio:

Al+3 al posto di Si4+

Mg2+ al posto di Al+3

Fe2+ al posto di Mg2+

La sostituzione isomorfa conferisce allo strato e alla particella di argilla una carica negativa netta

Per preservare la neutralità elettrica, cationi sono attratti e trattenuti tra gli strati e sulla superficie e il bordo della particella

Molti di questi cationi sono scambiabili

CapacitCapacitàà di di scambioscambio deidei cationicationi

La quantità di cationi scambiabili è definita come capacità di scambio deicationi (cec, ‘cation exchange capacity’ ) ed è misurata in milliequivalenti:

La capacità di scambio dei cationi (cec) è una misura della ‘attività’ di un’argilla:

cec = 3 - 15 meq/100 per la caolinitecec = 80 - 150 meq/100 g per la smecticte.

valenzanvalenzaatomica massa

(g) massa moli ×=×=numero di equivalenti

SistemaSistema acquaacqua--argillaargilla

In presenza di acqua, i sali precipitati sulla superficie della particellavanno in soluzione. La tendenza dei cationi ad allontanarsi dalla particella(per equalizzare la concentrazione dell’acqua interstiziale) è contrastatadal campo eletrrico negativo generato sulla superficie della particella

La superficie carica della particella e la carica netta positiva sonodenominate doppio strato diffuso

Distanza

Anioni

Cationi

PotenzialePotenziale elettricoelettrico

Potenziale di un singolo doppio strato Potenziale di due doppi strati interagenti

L’interazione tra particelle argillose avviene attraverso la sovrapposizione del doppio strato. La cec è una misura dello spessore del doppio strato

DensitDensitàà del del singolosingolo granograno

La densità specifica del grano non è un indice particolarmente importante dellecaratteristiche meccaniche del terreno ma è necessaria per la determinazionedi altre proprietà indice (granulometria)

M=ρ Ms = massa dei solidi

Vs = volume dei solidicon

= ρw = densità dell’acquacondensità specifica

densità

DeterminazioneDeterminazione di Gdi Gss

m1 m3m2 m4

VMmmMmm

ρ−=−

( )3412

mmmmmmG

ss −−−

livello di riferimento

matraccio

acqua distillata

terreno

DimensioneDimensione del del granograno

La dimensione del grano ha un’importanza rilevante sul comportamentoidraulico e meccanico del terreno

Il termine argilla è ambiguo, poiché usato per indicare una dimensione ed un tipo di minerale

Ghiaia Sabbia Limo Argilla

0.002 mm0.075 mm2 mmPrevalentemente minerali argillosi

Prevalentemente particelle appiattite

Prevalentemente minerali non argillosi

Prevalentemente particelle arrotondate

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA DIMENSIONE

DeterminazioneDeterminazione delladella dimensionedimensione del del granograno

SETACCIATURA SEDIMENTAZIONEd<0.075 mm

Crivellod>10 mm

Setaccio0.075<d<10 mm

Diametro della sfera chesedimenta alla stessa velocità

Sferaequivalente

La dimensione dei grani varia da 10-3 a 102 mm ed è definita sulla base della tecnica di misura adottata

Forma del Forma del granograno

Particelle allungate ed appiattite possono disporsi secondo un’orientazionepreferenziale ed essere responsabili di comportamenti anisotropi del terreno

GradoGrado di di arrotondamentoarrotondamento

Il grado di arrotondamento ha un effetto sul mutuo incastro tra le particelle e quindi compressibilità e resistenza al taglio

Angolare

Sub-angolare

Sub-arrotondato

Arrotondato

Ben arrotondato

Tessitura Tessitura delladella superficiesuperficie

La tessitura della superficie può influenzare, anche se in misura ridotta, la resistenza al taglio del terreno

Lucida, opaca

Liscia, scabra

Striata

Smerigliata

Incisa

Butterata

DistribuzioneDistribuzione cumulatacumulata delladella dimensionedimensionedeidei granigrani ((curvacurva granulometricagranulometrica))

Dimensione del grano, log d

P(L<d*)

SistemiSistemi di di classificazioneclassificazione basatibasati sullasulladimensionedimensione delledelle particelleparticelle

DenominazioneDenominazione di un di un terrenoterreno sullasulla base base delladella granulometriagranulometria

frazione presente con la maggior percentuale

frazione presente con percentuale tra 25 e 50 % preceduta dal suffisso CON

frazione presente con percentuale tra 10 e 25 % preceduta dal suffisso –OSO

frazione presente con percentuale tra 5 e 10 % preceduta dal suffisso DEBOLMENTE -OSO

Primo nome:

Secondo nome:

Terzo nome:

Quarto nome:

Esempio: limo con sabbia argilloso debolmente ghiaioso

EsempiEsempi di curve di curve granulometrichegranulometriche

ParametriParametri delladella curvacurva granulometricagranulometrica

Coefficiente di uniformità

d10d60 d60

U = d60 / d10

U ∼ 1U >> 1

TerreniTerreni a a granagrana grossagrossa e a e a granagrana finefine

I terreni costituiti principalmente da frazioni sabbiose e ghiaiosesono denominati a GRANA GROSSA

Per tali terreni, la distribuzione granulometrica è un parametrofondamentale

I terreni costituiti principalmente da frazioni argillose e limosesono denominati a GRANA FINE

Per tali terreni, la composizione mineralogica e la strutturahanno un’influenza importante sulla risposta meccanica

AnalisiAnalisi granulometricagranulometrica per per stacciaturastacciatura

Si esegue per frazioni granulometriche con d > 0.075 mm

Stacciatura a secco Stacciatura a umido

0.075 mm 0.075 mm

analisi per sedimentazione

RappresentativitRappresentativitàà del del materialemateriale

La quantità di materiale da sottoporre a stacciatura cresce con la dimensione massima della particella

Per determinare la composizione granulometrica del materiale di un alveo occorrono tipicamente decine di kg (se non quintali) dimateriale !!

2005001000150002500035000massa(g)

25106071100dimensione(mm)

AgitatoreAgitatore meccanicomeccanico e e staccistacci

Si esegue per frazioni granulometriche con d > 0.06 mm

Agitatore meccanico

Staccio e materiale trattenuto

InterpretazioneInterpretazione deidei datidati

Mtot = ΣMid0

( ) 100)(

100100)(

×++−

×+−

MMMMMdP

MMMMdP

AnalisiAnalisi granulometricagranulometrica per per sedimentazionesedimentazione

Si esegue per frazioni granulometriche con d < 0.075 mm

Sospensioneomogenea

Sedimentazione

t = 0 t > 0

particelle di dimensionemaggiore sedimentanopiù rapidamente

si impoverisce progressivamentedelle particelle di dimensionimaggiori

VelocitVelocitàà di di sedimentazionesedimentazione di di unauna particellaparticella sfericasferica

dgv ls

ηρρ

d: diametrog: accelerazione di gravitàη: viscosità cinematicaρs: densità della particella solidaρl: densità del liquido

LEGGE DI STOKES

(Ipotesi: moto uniforme, regime laminare)

( ) vTkd s ,ρ=

PrincipioPrincipio delladella misuramisura

t = 0 t = t*

,*tLTkdd sρ=<

000 ,, ρls mm ρ,, ls mm

1000 ×=s

mmP Percentuale in massa con dimensione L < d*

VariazioneVariazione delladella densitdensitàà (1)(1)

(1) 000

Risolvendo le equazioni (3) e (4) rispetto a

Bilancio di massa

(3) 00

Continuità

ll mm e 0

(5) 00

ρρρ

Sostituendo le equazioni (5) e (6) rispettivamente nelle equazioni (1) e (2) si ottiene:

( ) ( )( ) ( ) (8) V - -1

(7) V - -1

ρρρρ

VariazioneVariazione delladella densitdensitàà (2)(2)Combinando le equazioni (7) e (8) risulta:

( )( )

−=−

ρρρρ

e quindi:

( ) ( )lls

totale sl

s -- ρρρρ

ρρρρρ

mm totale

Percentuale in massa con dimensione L < d* può essere quindicalcolata misurando la densità ρ all’istante t*

VariabiliVariabili di di fasefase (1)(1)

Vw = Volume dell’acqua interstiziale

Va = Volume dell’aria interstiziale

Vv = Volume totale dei pori

V = Volume totale

Ms = massa dei solidi

Mw = massa dell’acqua

M = massa totale

ρs = densità dei grani

ρw = densità dell’acqua

sVVv =Volume specifico

sss MV

VVe =Indice dei vuoti 11 −=−=

VVn v=Porosità

VVv ssssv ρ

−=−=−

=ρDensitàVM

d =ρDensità seccaVMs=ρ

Contenuto d’acqua 1−=−

Grado di saturazionesstw

ρρρ −−

RelazioniRelazioni tratra le le fasifasi

( )SwG

ρρρρ

ewGS s=

DensitDensitàà relativarelativa

minmax

eeeeDr −

La densità relativa ha un’estrema importanza nei terreni a grana grossa poiché ne controlla rigidezza e resistenza a taglio

Gli indici dei vuoti minimo e massimo, emin ed emax sonodeterminati mediante prove convenzionali e non rappresentatno necessariamente il minimo ed il massimoaddenzamento di un terreno

DensitDensitàà minimeminime e e massimemassime (1)(1)Nel caso di particelle sferiche di equyali dimensioni, la densitàminima è ottenuta quando le sfere sono disposte ai vertici di un cubo e la densità massima è ottenuta quando le sfere sonodisposte ai vertici di un tetraedro

emax=0.92 emin =0.35

DensitDensitàà minimeminime e e massimemassime (2)(2)Nei terreni, possono aversi valori di emin minori poiché i vuoti sonoriempiti da granelli più piccoli e valori di emax maggiori se I granellinon sono tutti in contatto tra loro

StatiStati di un di un argillaargillaMaggiore il contenuto d’acqua, minore è l’interazione tra particelleadiacenti, maggiore è la tendenza dell’argilla a comportarsi come un liquido

Il contenuto d’acqua che marca il passaggio dallo stato semisolido a plastico (limite di plasticità) e quello che marca il passaggio dallo statoplastico a quello liquido (limite di liquidità) variano con il tipo di argilla e sono generalmente correlabili alla risposta meccanica dell’argilla. Talicontenuti d’acqua sono quindi delle proprietà indice per le argille

LimitiLimiti di di AtterbergAtterberg::limitelimite di di liquiditliquiditàà , , wwLL

E’ il contenuto d’acqua tale da determinare la chiusura del solco(ottenuto con utensile standard) per una lunghezza di 13 mm ed un numero di colpi pari a 25

LimitiLimiti di di AtterbergAtterberg::limitelimite di di plasticitplasticitàà, , wwPP

E’ il contenuto d’acqua tale da determinare la la fessurazione di un bastoncino di 3.2 mm di diametro

LimitiLimiti di di AtterbergAtterberg::limitelimite di di ritiroritiro

E’ il contenuto d’acqua oltre il quale il terreno non subiscealcuna ulteriore diminuzione di volume.

E’ determinato su campione indisturbato, al contrario di wP e wLche possono essere determinati su campioni rimaneggiati

IndiceIndice di di plasticitplasticitàà

Maggiore l’indice di plasticità, maggiore la compressibiltà, minorela resistenza al taglio

Ip = wl - wp

acqua libera

acqua adsorbita

particella di argilla

Ip basso Ip alto

IndiceIndice di di attivitattivitàà

( ) mm 0.002LP <= p

Attive: smectitiNormali: illitiInattive: caoliniti

IndiceIndice di di consistenzaconsistenza

pIwwI L

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