Identificazione Prove di laboratorio su un campione di...

Identificazione Classificazione

1 Prove di laboratorio su un campione di terreno

Proprietà meccaniche

Compressibilità (CEd, TX) Resistenza (TX, TD) Deformabilità (TX)

Contenuto d’acqua (w) Peso dell’u.d.v. ()

Porosità (n e)

Composizione - reazione con HCl → presenza di carbonati - reazione con H2O2 → sostanze organiche Colore alterazione, ossidazione Meso/Macrostruttura stratificazioni, fessure

TX C Ed TD

Granulometria Limiti di Atterberg Peso specifico grani

Identificazione (proprietà intriseche)

Materiale rimaneggiato

Materiale indisturbato

Proprietà idrauliche Permeabilità (PP, CEd)

Provini

Caratteristiche Fisiche Generali

(grandezze di stato)

Identificazione sito Modalità prelievo (campionamento) Aspetto materiale

Riconoscimento generale


2 Natura multifase di un ‘geomateriale’

Roccia lapidea Roccia sciolta

Compatta Porosa (terra)

Solido

Liquido

Gas

Aumento di porosità e di presenza delle fasi fluide

lo stato naturale di un mezzo multifase si può caratterizzare attraverso proprietà fisiche definite dai rapporti tra volumi e pesi della fase solida e delle fasi fluide


3

Schemi a ‘fasi separate’

solido = scheletro continuo di particelle solide + complessi di adsorbimento, comprendente i vuoti occupati da liquido + gas → analisi con la meccanica dei mezzi porosi

liquido = corrisponde al solo liquido libero (interstiziale), in genere acqua → analisi con l’idraulica dei mezzi porosi

gas = corrisponde in genere all’aria → privo di peso

gwsvs VVVVVV ws PPP

I mezzi continui sovrapposti

Vw

VS

Vg Pw

PS

V P

Vv

(Pg=0)


4

solido peso

acqua peso

s

w

P

Pw

solido volume

solido peso

s

ss

V

P

fluido volume

fluido peso

w

ww

V

P

totale volume

fluido solido peso

V

PP ws

totale volume

solido peso

V

Psd

• peso specifico del solido, s

peso specifico del fluido, w

peso secco dell'unità di volume, d

Rapporti tra i pesi

• contenuto d'acqua, w

peso (umido) dell'unità di volume,

Pw

PS

P

Vw

VS

Vg

V

Vv

= 9.81 10 kN/m3

Risulta in genere w < d < < s


5

totale volume

vuoti volume

V

Vn v

solido volume

vuoti volume

s

v

V

Ve

n

n

VV

VVe

s

v

1/

/

e

e

VV

VVn

s

sv

1/

/

vuoti volume

acqua volume

v

wr

V

VS

indice dei vuoti (o 'indice di porosità'), e

relazioni tra n ed e:

• grado di saturazione, Sr:

Rapporti tra i volumi

• porosità, n

n

V

VV

V

V vs 1

Vw

VS

Vg

V

Vv

Grandezza Minimo Massimo Condizione

n 0 solido continuo

1 vuoto

e 0 solido continuo

vuoto

Sr 0 mezzo asciutto

1 mezzo saturo

Condizioni limite:

e

V

VV

V

V

s

vs

s

1


6

)1(1/

/n

eVV

VP

V

Ps

s

s

sssd

)1)(1()1()1( wnwwV

P

V

wPPsd

sss

e

wG

e

w

VV

PP

VV

PP

VV

VVS s

w

s

w

s

sv

sw

sv

ssww

sv

swr

/

/

//

/

r

s

w

s

r S

wG

S

we

w

ssG

Terreno asciutto, umido, saturo

con = densità specifica relativa solido/acqua

Terreno asciutto (Sr=0)

Terreno umido (0<Sr<1)

wGwe sw

s

nnn wswdsat )1(

Sr = 1 (indice dei vuoti contenuto d'acqua)

• peso saturo dell'unità di volume, sat

Terreno saturo (Sr=1)


7

)1)(()1()1()1(' nnnnn wswswwswsat - -

peso immerso dell'unità di volume, ' (= terreno saturo 'alleggerito' dalla spinta idrostatica)

__________________________ Risultante = (s - w) (1-n)

Terreno saturo immerso in acqua

equivale all'applicazione del 'Principio di Archimede':

“Un corpo immerso in un liquido è soggetto a una sottospinta pari al peso del liquido spostato (= volume del corpo)”

_____________________ Risultante = sat - w

Corpo = Particella solida Volume = 1-n

Corpo = Terreno saturo Volume = 1

Peso corpo = sat 1

Sottospinta = w 1

Peso corpo = s (1-n)

Sottospinta = w (1-n)


8 Misura del peso specifico del solido

s

ss

V

P

solido volume

solido peso

Ps= peso materiale solido

(preventivamente essiccato)

Vs = volume d’acqua spostato

nel ‘picnometro’ (differenza pesi)

o nel ‘volumenometro’ (lettura buretta) picnometro

volumenometro

Terreni a grana grossa Volumenometro (meno preciso) Terreni a grana fine Picnometro (più preciso)


9

Misura delle CFG

Determinazione in laboratorio della ripartizione, in pesi e volumi, tra le fasi caratterizzanti lo stato naturale di un terreno

Misura delle Caratteristiche Fisiche Generali - I

1. misura del peso (umido) dell’unità di volume,

Pf+c Peso campione + fustella

Pf Peso fustella

Vf Volume fustella

f

fucf

f

u

V

PP

V

P

campione volume

campione umido peso

ff

f hD

V4

2


10 Misura delle Caratteristiche Fisiche Generali - II

Pw= peso acqua persa dopo essiccamento in stufa a 105° C

2. misura del contenuto d’acqua, w

1

solido peso

acqua peso

ddfcf

dcfucf

dfcf

dfcfufcfsu

s

w

PP

PP

PP

PPPP

Ps

PP

P

Pw

di norma si effettua sul provino adoperato per la misura di

ma può eseguirsi anche su un volume incognito


11 Misura delle C.F.G. - Riepilogo

Proprietà misurate

s, , w

Proprietà calcolate

d, n, e, Sr

Materiale Gs n e=n/(1-n) w=e/GS

(Sr=1.0)

d=s(1-n)

(kN/m3) =d(1+w)

(kN/m3)

Sfere uniformi - 0.26-0.48 0.35-0.92 - - -

Ghiaia

2.6-2.7

0.25-0.40 0.30-0.67 - 14-21 18-23

Sabbia 0.25-0.50 0.30-1.00 - 13-18 16-21

Limo 0.35-0.50 0.50-1.00 - 13-19 16-21

Argilla tenera 0.40-0.70 0.70-2.30 0.4-1.0 7-13 14-18

Argilla dura 0.30-0.50 0.40-1.00 0.2-0.4 14-18 18-21

Torba 1.8-2.2 0.75-0.95 3-19 2-6 1-5 10-13

Valori tipici delle Caratteristiche Fisiche Generali dei terreni

⇒

⇒

n

e

- 1


12

Nomenclatura (posto F1> F2> F3> F4):

F1 = frazione prevalente ‘F1’

25%<F2<50% ‘con F2’

10%<F3<25% ‘F3-osa’

5%<F4<10% ‘debolmente F4-osa’

10

60

d

dCU CU=1 terreno monogranulare

CU >>1 terreno assortito

Analisi granulometrica - Fondamenti

Obiettivo: determinare la distribuzione ponderale delle dimensioni dei granuli (granulometria) di un terreno

Procedure: Terreni granulari (d > 75 m) analisi mediante stacciatura Terreni fini (d < 75 m) analisi mediante sedimentazione

Coefficiente di uniformità, CU: ( disuniformità!)

Ghiaia d > 2mm

Sabbia 2mm > d > 0.06mm

Limo 0.06mm > d > 0.002mm

Argilla d < 0.002mm

Sabbia 55% (F1) Sabbia

Limo 27% (F2) con limo

Argilla 13% (F3) argillosa

Ghiaia 5% (F4) debolmente ghiaiosa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

diametro, d (mm)

passan

te in

peso

, p

(%

)

Argilla SabbiaLimo Ghiaia

Classifica A.G.I.


13 Stacciatura: esecuzione ed interpretazione

Interpretazione

trattenuto al setaccio i:

passante al setaccio i:

1001

tot

i

jj

im

m

T

itot

N

ijj

i Tm

m

P

1001001

m1

m2

mi

mN

d1

d2

di

dN

Serie di stacci Pesate

distribuzione statistica

d (mm)

100

71

60

40

25

15

10

5

2

1

0.425

0.18

0.075

AGI-UNI

0

5

10

15

20

25

30

4,75 2,00 0,85 0,42 0,25 0,15 0,075

d (mm)

p (

%)


14

Ingredienti:

- cilindro + aerometro o idrometro o densimetro (= bulbo + stelo graduato)

- sospensione di volume V noto (in genere 1 l) composto da:

terreno (ms=50g) + acqua distillata ( 1 l) + agente disperdente (esametafosfato di sodio)

Interpretazione:

1. misura velocità di affondamento idrometro → diametro di

2. misura densità della sospensione → passante pi

Analisi granulometrica per sedimentazione (d<0.075 mm)

Principio:

sedimentazione

diminuzione densità

decremento sottospinta

affondamento aerometro

t


15

Ghiaia (%) dmax (mm)

Sabbia (%) d60 (mm)

Limo (%) d10 (mm)

Argilla (%) Coefficiente di uniformità, CU=d60/d10

stacciatura sedimentazione

Stacciatura + Sedimentazione = Granulometria

curva da scalare per pS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

diametro, d (mm)

passan

te in

peso

, p

(%

)

Argilla SabbiaLimo Ghiaia


16 Limiti di consistenza - Fondamenti

Obiettivo: quantificare il grado di interazione solido-acqua (dipendente da granulometria e mineralogia) attraverso identificazione di stati fisici di riferimento (limiti di Atterberg o di consistenza) che esprimono transizioni di comportamento del terreno al variare del contenuto d’acqua

Procedure: determinazione convenzionale dei limiti di Atterberg uso di un criterio di classificazione dei terreni a grana fine

Gli stati fisici di interesse tecnico sono normalmente 'umidi‘ per cui si fa in genere riferimento a: • limite di plasticità wP

• limite di liquidità wL

• indice di plasticità IP = wL– wP

e non al limite di ritiro wS


17

Principio:

il limite plastico è convenzionalmente fissato dal contenuto d’acqua wP

in corrispondenza del quale un provino di terreno,

ridotto in bastoncini fatti rotolare sotto il palmo della mano

su una superficie liscia (p. es. una lastra di vetro)

comincia a fessurarsi ad un diametro di 3 mm

Limite di plasticità – Procedura standard

Esecuzione della prova:

1) preparazione materiale

(pallottola umida ~20g)

2) operazione di rotolamento

(3 mm in ~10 movimenti)

3) bastoncini fessurati

( misura di w)

Il valore di wP è assunto come w medio su almeno due serie diverse di misure


18

Principio:

il limite liquido è fissato convenzionalmente dal contenuto d’acqua wL


posto in una coppetta di dimensioni normalizzate,

suddiviso in due parti con un apposito utensile solcatore,

e fatto rimbalzare da un’altezza di 10 mm per 25 volte,

determina la chiusura del solco per la lunghezza di 13 mm

Limite di liquidità – Metodo ASTM (Casagrande)

Coppetta (o ‘cucchiaio’) di Casagrande Assetto iniziale Configurazione finale

coppetta

utensile

contacolpi


19

Interpretazione:

w è il valore

corrispondente a 25 colpi

ottenuto mediante interpolazione

tra le misure eseguite

(in scala semilogaritmica)

In ogni fase di esecuzione (almeno 4 ripetizioni!) va registrato il numero dei colpi Ni a cui si richiude il solco

e misurato il contenuto d’acqua wi

inizio fine

Metodo Casagrande: esecuzione e interpretazione


20

Principio:

il limite liquido è fissato dal contenuto d’acqua wL


posto in un contenitore di dimensioni normalizzate,

determina un dato affondamento di una punta conica

appoggiata in verticale su di esso per 5 s.

Ciò corrisponde ad una resistenza non drenata cu 2 kPa

Limite di liquidità – Procedura con penetrometro

Tipo di cono Affondamento Apertura punta Peso cono

BS (inglese) 10 mm 30° 80 g

SGI (svedese) 20 mm 60° 60 g


21

2) Interpretazione mediante

interpolazione lineare tra le misure eseguite

1) In ogni fase di esecuzione

(da ripetere almeno 4 volte!)

va registrato l’affondamento i

e misurato il contenuto d’acqua wi

Fasi della prova:

Metodo ‘fall cone’: esecuzione e interpretazione


22 Limite di liquidità – Confronto tra i metodi

I metodi con punta conica si basano su precisi fondamenti teorici.

Si dimostra infatti che l’affondamento i di un cono con peso W

è legato alla resistenza non drenata cu dalla:

2i

WKcu K= f(apertura cono)

Anche il metodo di Casagrande è una misura di resistenza, ma:

in condizioni dinamiche e non statiche,

ha un carattere spiccatamente empirico,

si è dimostrato meno ripetibile e affidabile

(per l’influenza della durezza della base dell’apparecchio)

Le raccomandazioni europee (ETC5, EC7)

suggeriscono l’adozione della punta conica

(quale che sia) per la misura del limite liquido

Sono stati effettuati in proposito

“confronti all’europea” che hanno mostrato

che wL (Casagrande) > wL (Fall cone)


23

M = limi C = argille O = sostanze organiche

ML Limi inorganici da bassa a media plasticità

CL Argille inorganiche da bassa a media plasticità

OL Limi e argille organiche di bassa plasticità

MH Limi inorganici di alta plasticità

CH Argille inorganiche di alta plasticità

OH Argille organiche da media a alta plasticità

L = bassa plasticità H = alta plasticità

Carta di plasticità (USCS)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

limite di liquidità, wL (%)

ind

ice

di p

las

tic

ità

, IP

(%

)

linea A: IP = 0.73(wL-0.20)

CL

ML

OL

ML

OH

MH

CH

CL

Carta di Plasticità

bassa media alta

• La carta USCS deriva dalla carta ‘capostipite’ di Casagrande

• Si usano wL e IP per la limitata variazione in natura dei valori di wP

• Per una data mineralogia, sia wL che IP aumentano con la frazione argillosa (CF)


24

Attività (CF = frazione argillosa = passante a 2m)

A. elevata

A. bassa

25.1A75.0A

5.0A

A parità di composizione ( attività) mineralogica, un aumento di frazione argillosa (CF=p%<2m) determina un aumento proporzionale di IP e wL

spostamento parallelo alla linea A sulla carta di plasticità

Carta di Attività


25 Addensamento e consistenza

Significato: Individuazione dello stato naturale di un terreno in relazione alle sue condizioni limite di porosità e/o contenuto d’acqua

Terreni Proprietà CFG di riferimento Parametro

Granulari Addensamento Indice dei vuoti, e Densità relativa

Fini Consistenza Contenuto d’acqua, w Indice di consistenza

Densità relativa dei terreni granulari Indice di Consistenza dei terreni fini

1,0minmax

max

ee

eeD

r

,

P

L

PL

Lc

I

ww

ww

wwI

emax = minima densità, misurata con

deposizione “pluviale”

emin = massima densità, misurata con

addensamento per vibrazione

wP = limite di plasticità

(stato semisolido → plastico)

wL = limite di liquidità

(stato plastico → fluido)

rD

e

01

maxemine

CI

w

01

LwPw

01


26

Valutazione empirica dell’addensamento dei terreni granulari

Addensamento e consistenza

Addensamento Dr Test

Molto sciolto 0.0 ÷ 0.2 Possibile infliggere a mano una barra d’acciaio per circa 1 m

Sciolto 0.2 ÷ 0.4 Abbastanza facile da scavare con la vanga o da penetrare con la barra

Mediamente sciolto/add.

0.4 ÷ 0.6 Difficile da scavare con la vanga o da penetrare con la barra

Addensato 0.6 ÷ 0.8 Molto difficile da scavare con la vanga o da penetrare con la barra

È possibile infiggere un picchetto per 5–10 cm con la mazza battente

Molto addensato 0.8 ÷ 1.0 Impossibile da scavare con la vanga o da penetrare con la barra

Valutazione empirica della consistenza dei terreni a grana fine

Consistenza Ic Test

Molle < 0.0 Si estrude tra le dita quando è pressata

Tenera 0.0 ÷ 0.5 Si modella con leggera pressione delle dita

Facile da incidere con l’unghia

Mediamente consistente

0.5 ÷ 1.0 Si modella con forte pressione delle dita

Abbastanza facile da incidere con l’unghia

Consistente >1.0 Non modellabile con la pressione delle dita

Difficile da incidere con l’unghia

Molto consistente >> 1.0 Molto difficile da incidere con l’unghia

solido

plastico

fluido


27

Ai fini di migliorarne le proprietà meccaniche e ridurne la permeabilità, il terreno da costruzione viene posto in opera previo ‘costipamento’

(operazione di compattazione, statica o dinamica) a grado di saturazione SR < 1

L’efficacia della compattazione è espressa dalla curva di costipamento, detta anche ‘curva Proctor’

Costipamento dei terreni da costruzione (cenni)

Questa esprime, per una fissata energia di costipamento impressa all’unità di volume, la variazione di peso secco dell’udv d ( densità secca) in funzione del contenuto d’acqua w ( umidità) aggiunto al terreno asciutto.

La curva si determina mediante la prova Proctor e viene presa come riferimento per la messa in opera del terreno

L’energia di compattazione per unità di volume è proporzionale al rapporto:

s

HWNE

dove: N = numero di colpi x strato W = peso massa battente H = altezza di caduta s = spessore strato

aumento di E


28 Prova di costipamento Proctor

elementi fustella

fustella + campione all’interno

compattatore Proctor

contacolpi


29

S

wG1

e1)w(

s

ssd S

wG1)w(

s

sd 1S

• w > wopt wet of optimum l’approssimarsi alla saturazione ostacola l’addensamento

Nel piano (w, d) si possono individuare curve (iperboli) a grado di saturazione S = costante:

(curva di saturazione) In particolare, per S=1, si ha:

Comportamento dei terreni costipati

dry wet

opt

La massima efficacia è rappresentata dalle condizioni di ottimo (wopt, d,opt) • w < wopt dry of optimum l’aggiunta d’acqua fa aumentare S e migliora la ‘lavorabilità’

struttura ‘casuale’

struttura ‘orientata’

wopt

d,opt

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