Incontro annuale dei ricercatori di geotecnica 2006- IARG 2006 Pisa, 26-28 giugno 2006

Parlato, A., Santucci de Magistris, F. - 1 -

COMPORTAMENTO MECCANICO DI UNA POZZOLANA A MEDIE E BASSE PRESSIONI DI CONFINAMENTO

Angelina Parlato*, Filippo Santucci de Magistris**

*Università degli studi di Napoli Federico II, Dipartimento di Ingegneria Geotecnica **Università degli Studi del Molise, Dipartimento S.A.V.A. .sezione Ingegneria & Ambiente

Sommario In questa nota viene sintetizzato il comportamento meccanico di una pozzolana utilizzando prove di laboratorio di tipo triassiale, a medie e basse pressioni di confinamento.

Introduzione

Nell’ambito di una convenzione per il monitoraggio ed il controllo della sicurezza attiva di un tratto autostradale, si è svolta una approfondita campagna sperimentale presso il laboratorio di dinamica dei terreni dell’Università di Napoli Federico II. Tale campagna ha interessato lo studio delle proprietà meccaniche di una pozzolana prelevata da un fronte libero di un versante collinare incombente sul casello di Nocera della autostrada Napoli – Salerno in località S. Pantaleone. Le prove sono state effettuate in campo saturo e parzialmente saturo e questa nota riguarda l’aspetto della sperimentazione in campo saturo, su apparecchiature triassiali. Ad oggi sono state eseguite 44 prove triassiali su provini naturali e ricostituiti con diverse tecniche, a differenti densità. Le prove sono state eseguite a pressioni di confinamento variabili tra i 15 ed i 400 kPa.

Il materiale oggetto della sperimentazione

Il terreno sottoposto a sperimentazione è compreso nel fuso granulometrico di Figura 1, in cui sono riportate le curve granulometriche di campioni di terreno prelevati in differenti punti della frana. Il materiale si presenta in sito come una coltre di materiali sciolti più o meno rimaneggiati e frammisti a ghiaia calcarea, in quanto sono stati soggetti all’azione di acque dilavanti e/o eventi franosi. In base ad analisi di laboratorio è stato possibile definire alcune caratteristiche fisiche del terreno oggetto di studio. Il peso specifico γs del terreno è pari a 2.66 g/cm3. Si tratta di una sabbia ghiaiosa debolmente limosa, e con indice dei vuoti variabile tra emin=0.97 ed emax=1.65 (ASTM: D4254-00 e D698-00). Le prove di costipamento eseguite con la tecnica del Proctor Standard (D698-00) hanno permesso, inoltre, di valutare il contenuto d’acqua all’ottimo pari a circa 31% .

Programma sperimentale ed apparecchiature

In totale sono state eseguite 44 prove triassiali, di cui 19 in cella Bishop su provini ricostituiti in consolidometro, a pressioni di confinamento medie (tra i 100 kPa ed i 400 kPa). Queste prove sono state utilizzate per individuare il comportamento tenso-deformativo del terreno, prescindendo dalla storia naturale che il materiale ha subito.

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%)

SP Valle camp. 7SP valle camp. 8SP valle camp. 9SP 1° tornante camp. 5SP 2° tornante camp. 6SP 1° tornante camp. 2SP 1° tornante camp.3SP 1° tornante camp. 1SP 2° tornante camp.4

Argilla Limo Sabbia Ghiaia

Figura 1: Fuso granulometrico

I provini preparati in consolidometro sono infatti molto omogenei, e non risentono dell’ “effetto della struttura”. Nelle restanti 25 prove, realizzate in una speciale cella triassiale (Parlato & Santucci de Magistris, 2003), equipaggiata con trasduttori di deformazione capaci di apprezzare spostamenti dell’ordine di 10-6 m, si sono invece utilizzate tecniche diverse per la ricostituzione dei provini, nel tentativo di indagare l’effetto delle modalità di preparazione dei campioni sul loro comportamento tenso-deformativo. Infine, 13 prove triassiali eseguite sono state realizzate a basse pressioni di confinamento (tra i 15 ed i 30 kPa), su provini molto sciolti. Questo allo scopo di poter meglio simulare il comportamento degli strati più superficiali di terreno. Due prove a bassa pressione di confinamento sono state eseguite su provini naturali, che a causa della bassa plasticità e del limitato contenuto di fine sono difficilmente campionabili. Le prove a bassa pressione di confinamento sono state eseguite modificando le celle triassiali e le procedure sperimentali adottando: a) un trasduttore differenziale per misurare le pressioni efficaci radiali con un fondo scala limitato ( = 100 kPa) ed una accuratezza pari a 0.1 kPa; b) una cella di carico per misurare le tensioni deviatoriche con un fondo scala limitato ( = 1kN) ed una accuratezza pari a 0.05 kPa su provini φ=50mm; c) una correzione delle pressioni di confinamento per tener conto della membrana, secondo quanto riportato da Tatsuoka e Fukushima (1984)

Risultati sperimentali

Comportamento in condizioni isotrope

Rappresentando i dati delle fasi di compressone isotropa delle prove triassiali nel piano volume specifico - tensione media efficace, è possibile interpolarli secondo la classica relazione:

)pln(Nv ′⋅λ−= I dati rilevati, interpretati con riferimento all’intervallo tensionale 100÷400 kPa, sono riportati in Tabella 1. Analizzando i risultati, si individua per i provini preparati con il consolidometro (ovvero per i provini più densi) una N.C.L., di caratteristiche N e λ pari a 2.2624 e 0.0368. Per i provini più sciolti, preparati con il wet tamping l’air pluviation ed il water sedimentation method, si individua invece una diversa linea di N.C.L., di caratteristiche medie N=3.1142 e l=0.0893. Il comportamento ottenuto, in termini di compressibilità, è paragonabile a quello dei terreni granulari, per i quali non è possibile definire un’unica curva vergine, in quanto la sua posizione nel piano v-p’ è estremamente variabile in funzione del grado di addensamento del materiale, del suo contenuto d’acqua e della tecnica adottata per prepararlo. Comportamento a taglio

Le sigle spl02, spl03, spl06 fanno riferimento a prove di compressione triassiale di tipo consolidato non drenato CIU. Le sigle spl01, spl07, spl09 fanno riferimento a prove convenzionali drenate CID. Infine, le sigle spl05, spl08, spl11 sono relative a prove drenate a

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Tecnica di ricostituzione Porosità iniziale, e0 λ N Air pluviation 1.935 0.0823 3.1837

Water sedimentation 1.926 0.0836 2.9120 Wet tamping 1.903 0.1020 3.2470

Consolidometro 1.250 0.0368 2.2624 Tabella 1: Parametri di compressibilità ricavati dalle prove di compressione isotropa.

p’ costante. I tre gruppi di prove sono state eseguite a partire da pressioni di confinamento pari a 100, 200 e 400 kPa. In Figura 2 sono riportati in forma sintetica i risultati ottenuti nelle prove non drenate ed in quelle drenate. La forma delle curve delle prove non drenate nel piano q:p' mostra i caratteri tipici delle sabbie addensate. Il rapporto q/p’ tende mediamente al valore di 1,48 a deformazioni elevate. Ciò si traduce in un angolo di attrito pari a 36.4°. Il valore dell’angolo di attrito ricavato sui provini ricostituiti in consolidometro inviluppa bene anche le prove di taglio svolte su provini ricostituiti con altre tecniche. Ciò è in accordo con la teoria dello stato critico, per la quale i parametri che individuano la retta dello stato critico

Figura 2: (a)Percorsi di sollecitazione efficace per provini ricostituiti in consolidometro; (b) zoom a basse pressioni di confinamento.

sarebbero indipendenti dalla storia di carico subita dal provino. Osservando i percorsi di sollecitazione in termini di diagrammi p’- q (vedi Figura 2), per il campo di tensioni comprese tra 0÷400 kPa, entro cui sono stati testati tutti i provini ricostituiti con il consolidometro (provini caratterizzati da indice dei pori iniziale variabile tra 0,928÷1,581), si rileva il comportamento tipico delle sabbie dense. Nelle prove CIU il materiale è fortemente dilatante e risulta Du<0, i percorsi (p’:q) deviano progressivamente verso destra, attraversando il percorso delle tensioni totali prima di raggiungere l’inviluppo. Considerando il campo di tensioni comprese tra 0 ÷100 kPa, entro cui sono stati testati tutti i provini ricostituiti con le tecniche dell’Air pluviation, del wet tamping e quelli di materiale indisturbato (provini caratterizzati da indice dei pori iniziale variabile tra 1,282÷2,203), si rileva, per le pozzolane di San Pantaleone, un comportamento di tipo contraente, tipico delle sabbie sciolte.

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(a)

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, q (

kPa)

deformazione assiale, εa (%)

airp01, p'=50 kPa, e=2.060 airp04, p'=50 kPa, e=1.831 airp06, p'=30 kPa, e=1.967 airp09, p'=35 kPa, e=1.782

(b)

tens

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, q (

kPa)

deformazione assiale, εa (%)

wettp01, p'=20 kPa, e=1.803 wettp03, p'=20 kPa, e=1.906 wettp04, p'=50 kPa, e=1.858 wettp05, p'=15 kPa, e=2.002 wettp06, p'=50 kPa, e=1.645 wettp07, p'=40 kPa, e=1.842

(c)

tens

ione

dev

iato

rica

, q (

kPa)

deformazione assiale, εa (%)

nat02, p'=20 kPa, e=1.282 nat03, p'=20 kPa, e=1.583

(d)

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, q (

kPa)

pressione media efficace, p' (kPa)

(e)

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, q (

kPa)

pressione media efficace, p' (kPa)

(f)

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, q (

kPa)

pressione media efficace, p' (kPa) Figura 3: Prove CIU: deformazioni assiali-tensioni deviatoriche e percorso tensionale per provini (a, d) Preparati con l’air pluviation; (b, e) preparati con in wet tamping; (c, f) naturali;

Si è indagato anche sulla suscettibilità alla liquefazione statica del terreno in esame. Anche a basse pressioni di confinamento e in provini molto sciolti, nessun provino ha raggiunto lo stato di liquefazione. Interessante è a tal proposito il comportamento dei provini nel piano q-εa: nei provini naturali (Figura 3c), ed in quelli preparati con il wet tamping (Figura 3b), il comportamento è di tipo instabile: dopo un picco iniziale si ha infatti una caduta di resistenza. I provini preparati con l’air pluviation hanno invece un comportamento solo temporaneamente instabile (quasi stazionario): dopo l’iniziale caduta di resistenza, vi è infatti una leggera ripresa nel diagramma tensioni deformazioni (Figura 3a). Ciò nonostante, in nessun caso si è raggiunta una condizione di completo annullamento della resistenza.

Conclusioni

Si è riscontrato che il comportamento della pozzolana di San Pantaleone, ricostituita con la tecnica del wet tamping, presenta un comportamento di tipo instabile simile a quello del materiale indisturbato. Diversamente, il materiale ricostituito con la tecnica dell’air pluviation presenta un comportamento prevalentemente intermedio. Tutte queste prove presentano, in definitiva, un comportamento pressoché contraente, tipico delle sabbie sciolte. Al contrario, per le prove su materiale preparato col proctor e col consolidometro, si è riscontrato un comportamento stabile di tipo dilatante caratteristico delle sabbie addensate. Si osserva inoltre che la pressione di confinamento non modifica in generale il comportamento meccanico delle pozzolane analizzate. Ne consegue quindi che quanto osservato a pressioni intermedie può con buona approssimazione estrapolarsi a livelli tensionali estremamente limitati che sono quelli tipici che si riscontrano nell’analisi problemi di frane di tipo colata.

Bibliografia Tatsuoka, F., Fukushima, S. (1984) : “Strength & deformation characteristics of saturated sand at extremely low pressures”, Soils & Foundations, Vol. 24, No. 4, pp. 30-48

Parlato, A. e Santucci de Magistris, F. (2003) “Confronto tra una cella triassiale a stress path controllato ed una cella “TXJ””, IARG 2003.