Geotecnica e Laboratorio Proprietà indici e granulometria ... · Corso di Laurea a ciclo Unico in...

Corso di Laurea a ciclo Unico in Ingegneria Edile-Architettura

Geotecnica e Laboratorio

1

Proprietà indici e granulometria delle terreSistemi di classificazione delle terre

Prof. Ing. Marco Favaretti

e-mail: [email protected]

website: www.marcofavaretti.net

• 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

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INGEGNERIA GEOTECNICA

terreno

1- Ossidazione2- Percolazione3- Idrolisi4- Soluzione

AlterazioneChimica

1- Clima (Temperatura & Pioggia2- Sfogliamento (tensioni per comprex e trazione3- Erosione per gravità, vento, acqua, ghiaccio3- attività organiche (radici, insetti ecc.)

AlterazioneMeccanica

ROCCEIgnee

MetamorficheSedimentarie

FORMAZIONETERRENO

Terrenoresiduale

2- Acqua

1- Gravità

3- Vento

4- Ghiaccio

Terreno Trasportato

Alluvionale

Colluviale

Eolico

Glaciale

(a grana grossa) (a grana fine)

Sviluppo in situ dalla decompo-sizione della roccia. I terreni residuali hanno caratteristiche geomorfiche strettamente cor-relate con la roccia di origine

Trasporto e Deposizione

1-Acqua Terreno Alluvionale1- Fluviale 2- di Estuario 3- Lacustre 4- Costiero5- 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

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BOULDER massoCOBBLE ciottoloGRAVEL ghiaiaSAND sabbiaSILT limoCLAY argilla

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)

DenseLoose

Fine or Cohesive Soil(Silt & Clay)

Honeycomb DispersedFlocculated

In Fresh WaterFlocculated

In Salt Water

Coarse or Cohesionless Soil(Sand & Gravel)

Soil Structure

Particella di argilla

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Struttura (fabric) dell’argilla

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Flocculata Dispersa

Contatto spigolo-faccia Contatto faccia-faccia

Il termine “fabric” viene usato per descrivere la disposizione geometrica delle particelle argillose. I due casi estremi sono la flocculata e la dispersa.

Confronto tra minerali argillosi

Minerale Area Specifica(m2/g) C.E.C (meq/100g)

Caolinite 10-20 3-10

Illite 80-100 20-30

Montmorillonite 800 80-120

Clorite 80 20-30

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Concentrazione di cationi nell’acqua

13

++++

+

++

+

+

+

+

+

+

+

++ +

+

+

++

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+

++

+

+ + +

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+++

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+ +

+

cationi

la concentrazione dei cationi diminuisce allontanandosi dalla particella di argilla

- -- -- -- -- -- -- -

Particella argillosa

Doppio strato Acqua libera

Le facce di ciascuna particella sono caricate con cariche di segno negativo che attraggonocationi presenti nell’acqua. Le superfici delle particelle caricate negativamente e le molecoled’acqua orientate danno luogo al cosiddetto doppio strato diffuso.

Particella di argilla in acqua

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- -- -- -- -- -- -- -

Acqua libera

Doppio strato diffuso

Acqua adsorbita

50 nm

1nm

Effetti dovuti alla dimensione dei grani

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Relazioni tra fasi

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Indice dei vuoti

Porosità

Grado di Saturazione

Contenuto d’acqua o Umidità

Peso specifico dei grani

Densità Densità secca

Altre relazioni tra fasi

Valori tipici:

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G = 2.60÷2.75

ρ = 1.60÷2.25 Mg/m3

ρs = 2.60÷2.75 Mg/m3

n = 0.25÷0.45 (sabbia)

S = 0 (terra secca) ÷ 100% (terra completamente satura)

Fasi di una terra sciolta

Volume fase solida Vs

Volume fase liquida Vw

Volume fase gassosa Va

Volume dei vuoti Vv = Vw + Va

S<100% S=100%

Parziale saturazione

Completa saturazione

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Volume fase solida Vs

Volume fase liquida Vw

s

v

Vsolidi volume Vvuoti dei volumee =

s

w

Vsolidi volume Vacqua volumee =

Saturazione = 100% tutti i pori (potenzialmente riempiti con acqua e/o aria) sono riempiti di acqua

Volume fase gassosa Va

Vv

S<100% S=100%

Indice dei vuoti

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fase solida (Ps; Vs)totale

totale

aws

ws

VP

VVVPP

=++

+=γ

S = 100%

fase liquida (Pw; Vw)

totale

wssat V

PP +=γ

totale

sdry V

P=γ

S=100%S<100%

fase gassosa (Pa≈0; Va)

Contenuto d’acqua w - Peso di volume γ

s

w

PPw =

21

22

fase solida (Ps; Vs)

totale

ws

VPP +

=γ

S = 100%

fase liquida (Pw; Vw) totale

wssat V

PP +=γ

wsat' γ−γ=γtotale

sdry V

P=γ

S=100%

Peso di volume γ

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=

γγ

=VP/

VPG 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

Sistemi di classificazione delle terre

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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 1945Classificazione 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 CasagrandeASTM Designation D-2487Classificazione con simboli di gruppo

CARTA DI PLASTICITA’ DI CASAGRANDE

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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

distribuita

P curva granulometrica mal

distribuita

Curva granulometrica

Ghiaia Sabbia

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29

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 D10, D30 e D60 mediante la curva granulometrica (CG)?

5. Come calcolare i coefficienti Cu e CC 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

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Gruppi di terreno

0.002 2006020.075

Dimensione del grano (mm)

massoargilla limo sabbia ghiaia ciottolo

Terre a grana fine

Terre a grana grossa

Terre Granulari o prive di coesione

Terre Coesive

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Distribuzione granulometrica

• Terre a grana grossa Analisi granulometrica

Procedura di prova

Terre a grana fine Analisi per sedimentazione

Vagliatura meccanica Analisi per sedimentazione

Sospensione di terra e acqua

idrometro

Pila di setacci

agitatore

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Analisi granulometrica per vagliatura meccanica

ghiaia

sabbia

fine

35


36

I setacci con fori > di

quelli dell’ASTM n.4

(lato 4,76 mm) sono

caratterizzati dalla

lunghezza del lato della

propria apertura


37

10 fori per

pollice

# 10 setaccio

I setacci più piccoli sono numerati secondo il numero di fori per pollice lineare (25,4 mm)


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39

Set di vagli

Provino secco

Bilancia


40

Scuotitoremeccanico


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n. setaccio

Diametro (mm)

P netto setaccio (g)

P lordo setaccio (g)

P trattenuto (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


42

Curve granulometriche

G

S

L A

43

10

60u D

DC =)DD(

DC1060

230

c ×=

Sistemi di classificazione

Curva granulometrica (d > 0,075 m – setaccio ASTM 200)

Coefficiente di uniformità Cu

Coefficiente di curvatura Cc

Limiti di Atterberg (d < 0,42 mm – setaccio ASTM 40)

dimensione grano (mm)

Pas

sant

e (%

)

densimetro vagliatura

fine sabbia ghiaia

Sistemi di classificazione

44

45

Terre a granulometria ben o mal graduata

BEN GRADUATA

Ghiaia:

Cc = 1-3

Cu > 4

Sabbia:

Cc = 1-3

Cu > 6

MAL GRADUATA

Uniforme

Grani di pari dimensione

ATIPICA

Mancanza di una porzione significativa di grani di specifiche dimensioni (gap graded)

48


o1

60udd

C =Coefficiente

di uniformità

Cu1 = 300

Cu1 = 2,5

49

Limiti di Atterberg

ws wp wl

fragilesemi-solido plastico liquido

τ ττ

γ γ γ

w < ws

w → wp

w → wl

w > wl

100xsolidi pesoacqua peso(%)w =

Ip

wl, wp, ws: limiti di liquidità, di plasticità, di ritiro

Ip: indice di plasticità (wl – wp)

50

Limiti di Atterberg

Limite di liquidità

51

Limite di liquidità

Cucchiaio di Casagrande

53

Limiti di Atterberg

Limite di liquidità – elaborazione dei risultati sperimentali

54

Limiti di Atterberg

Limite di plasticità

ws wp wl

fragilesemi-solido plastico liquido

τ ττ

γ γ γ

w < ws

w → wp

w → wl

w > wl

100xsolidi pesoacqua peso(%)w =

Ip

wl, wp, ws: limiti di liquidità, di plasticità, di ritiro

Limiti di Atterberg

57

58

Camp. Prof. (m) G γ

(kN/m3)

w0

(%)

wl

(%)

wp

(%)

Ip

(%)

pen

(kPa)

tor

(kPa)

qu (1,2)

(kPa)

φ

(°)

cc

cv (*)

(m2/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

Wl (%)

Ip (%)

62


o1

60u d

dC =

Coefficiente di uniformità

Cu1 = 300

Cc1 = 10

Cu2 = 2,5

Cc2= 1,3 60o1

230

c dddC⋅

=Coefficiente di curvatura

63

U.S.C.S.

64

A.A.S.H.T.O. /// C.N.R.-UNI 10006

A.A.S.H.T.O.

C.N.R.-UNI 10006

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