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ANNO ACCADEMICO 2011 - 2012

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CORSO DI

MECCANICA DELLE TERRE

LEZIONE 1

ANALISI E CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE

Prof. Ing. Geol. Eugenio Castelli

Dipartimento di Ingegneria Civile ed Architettura

Universit degli studi di Trieste

LEZIONE 1. ANALISI E CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE 2

I termini terra e roccia per l'ingegnere civile implicano generalmente una distinzione tra due categorie

di materiali. Con il termine terra (oppure roccia sciolta o terreno sciolto) si indica un materiale

formato da aggregati di granuli non legati tra loro o che possono essere separati per mezzo di modeste

sollecitazioni (agitazione meccanica o agitazione in acqua) o per mezzo di un pi o meno prolungato

contatto con acqua. Con il termine roccia si indica un materiale naturale che, in campioni al di fuori

della loro sede, dotato di elevata coesione anche dopo prolungato contatto con acqua. Con il termine

terreno sono in genere indicati la terra o la roccia nella loro sede naturale.

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FORMAZIONE DELLE TERRE


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Se i processi di formazione e trasporto delle terre sono solo processi fisici le particelle di terreno

avranno la stessa composizione della roccia d'origine; se si hanno anche trasformazioni chimiche si

formano altri materiali: i pi importanti nell'ambito della geotecnica sono i minerali argillosi fra i

quali i pi comuni sono la caolinite, l'illite e la montmorillonite.

Una prima suddivisione delle terre basata sulle dimensioni dei singoli grani e fa riferimento a terre

incoerenti o a grana grossa che comprendono la ghiaia e la sabbia, le cui particelle sono riconoscibili

a occhio nudo, e a terre coesive o a grana fine che comprendono il limo e l'argilla, cio la frazione

microscopica e submicroscopica.

La descrizione della sabbia e della ghiaia richiede una stima della quantit di materiale compreso tra i

vari diametri e la conoscenza della forma e della composizione mineralogica dei grani.

La forma delle particelle pu essere abbastanza diversa ma si pu dire che mentre per la ghiaia, la

sabbia e il limo la forma in genere relativamente arrotondata, per l'argilla decisamente lamellare. In

genere poi i granuli delle ghiaie e delle sabbie grosse sono costituiti da frammenti di rocce mentre

quelli delle sabbie medie e fini e dei limi sono costituiti da minerali o da frammenti di minerali stabili e

resistenti (quarzo, feldsfati, mica, ecc.).


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Argilla: la porzione di terra a granulometria fine, costituita da

particelle con dimensioni colloidali ed elevatissima

interazione elettrochimica con lacqua.

Limo: la porzione di terra a granulometria fine, costituita da

particelle con dimensioni superiori a quelle colloidali ma

invisibili ad occhio nudo, ed elevata interazione elettrochimica

con lacqua.

Sabbia: terreno granulare costituito da particelle di roccia

(granuli) con dimensioni sub-millimetriche, ma ancora visibili

ad occhio nudo.

Ghiaia: terreno granulare costituito da particelle di roccia

(granuli) con dimensioni maggiori di pochi millimetri, ben

visibili ad occhio nudo.

Terreni a grana

grossa

fine

Peso specifico della parte solida: rapporto tra il peso del terreno essiccato ed il volume occupato

dai soli granuli.

Largilla

L'argilla principalmente un aggregato di particelle minerali microscopiche e submicroscopiche a

forma lamellare.

Quando per un terreno si parla di argilla o di limo ci si vuole riferire a materiali che possono

contenere anche quantit non trascurabili di limo e sabbia per l'argilla e di argilla e sabbia per il

limo. Sia il limo che l'argilla fanno parte delle terre a grana fine per non tutte le terre a grana fine

sono coesive; in particolare si possono avere limi non plastici e incoerenti.

L'acqua influenza abbastanza il comportamento dei limi, mentre il comportamento delle

argille essenzialmente dipendente dall'acqua.

Viene considerato argilla il terreno di dimensioni inferiori ai 2 m, terreno che formato

prevalentemente dai minerali argillosi con cristalli di dimensioni colloidali, che chimicamente

sono alluminosilicati idrati con altri ioni metallici.

La maggior parte dei cristalli argillosi formata da strati di silice e di allumina disposti a formare

delle lamine; il modo con cui questi strati sono messi insieme, con differenti legami e differenti

ioni metallici nel reticolo cristallino, d luogo ai differenti minerali argillosi tra i quali si ricordano

i principali, come la caolinite, la montmorillonite e la illite.

Gli ioni con carica positiva (cationi di silicio, alluminio, potassio, magnesio ecc.) occupano una

posizione interna nel reticolo mentre gli ioni ossidrili o di ossigeno con carica negativa occupano

la parte esterna di modo che la particella d'argilla pur essendo nel suo insieme neutra, presenta una

carica negativa superficiale che costituisce la forza di superficie che d luogo all'interazione con

l'acqua e con gli ioni che sono in essa. D'altro lato l'influenza della carica elettrica legata

direttamente alla superficie della particella e quindi alla superficie specifica.


Risulta di notevole importanza per i minerali argillosi il parametro superficie specifica poich ci

aiuta a capire il comportamento delle particelle di terreno, comportamento che regolato sia dalle

forze di massa (gravit e quindi peso proprio) sia dalle forze di superficie.

evidente che quanto maggiore la superficie specifica tanto maggiori sono le forze di superficie.

Si ha cos che la caolinite ha una superficie specifica dell'ordine di 15 m2/g, l'illite dell'ordine di

80 m2/g e la montmorillonite dell'ordine di 800 m2/g. Si tenga presente che la sabbia grossa ha una

superficie dell'ordine di 2 x 10-4 m2/g ed quindi evidente che per essa non si hanno forze di

superficie.


Con deposizione in acqua salmastra la presenza dei sali nell'acqua tende a ridurre le azioni

repulsive per cui le particelle si aggregano con una struttura flocculata piuttosto stabile e si

raggruppano in fiocchi con vuoti all'interno dei fiocchi e vuoti tra i fiocchi (figura 2.c).

La struttura dispersa caratteristica delle argille depositate in acqua dolce con decisa

prevalenza delle forze di repulsione. Se le particelle sono formate da minerali molto attivi come

per esempio la montmorillonite le azioni repulsive sono cos elevate che le particelle si dispongono

quasi parallele, dando luogo ad una struttura orientata (figura 2.d).


Figura 2

La risultante delle azioni di repulsione o di attrazione dipende dalla distanza tra le particelle e

dall'ambiente chimico di deposizione.

La distribuzione percentuale dei grani di un campione di terreno secondo le dimensioni,

rappresentata con una curva, costituisce la granulometria.

La granulometria determinata con l'analisi meccanica a mezzo di vagli o setacci con maglie

unificate per il materiale a grana grossa e con il metodo del densimetro, cio misurando la densit

di una sospensione di terra per il materiale a grana fine.

I risultati sono usualmente rappresentati in una curva di distribuzione secondo le dimensioni. La

percentuale, p%, di materiale pi fine di una certa dimensione riportata in ordinata in scala

naturale, mentre il corrispondente diametro dei grani D in millimetri, riportato in ascisse in scala

logaritmica. La forma della curva indicativa della distribuzione percentuale, cosicch terre

uniformi sono rappresentate da linee quasi verticali, mentre terre ben graduate occupano parecchi

cicli della scala logaritmica.


JosembiHighlight


Nella Figura sono indicate le granulometrie di alcuni terreni tipici

deposito ghiaioso del Piave(1),

sabbia dellAdige(2),

limo argilloso(3)

argilla(4) di Venezia - Marghera).


al denominatore figura il volume del solido che sempre costante


La densit relativa ha unestrema

importanza nei terreni a grana grossa poich

ne controlla rigidezza e resistenza al taglio.

Una delle pi importanti propriet, specialmente delle terre a grana fine, il contenuto naturale

d'acqua w definito da:

in cui Pw, il peso dell'acqua e Ps il peso del materiale solido essiccato a 105 C, temperatura alla

quale evapora completamente l'acqua libera o interstiziale. I terreni sotto la falda freatica, ed alcuni

terreni fini sopra la falda freatica, sono allo stato saturo mentre la maggior parte dei terreni sopra la

falda freatica ha i vuoti riempiti parte di acqua e parte di aria. Anche alcuni terreni sommersi

possono avere delle piccole quantit di aria o gas. Il grado di saturazione definito da:

Pertanto il terreno pu trovarsi, oltre che nella situazione trifase rappresentata nella figura 1.4,

anche in una situazione bifase di terreno con i vuoti riempiti solo d'acqua (terreno saturo Sr=100%)

o solo d'aria (terreno asciutto Sr = 0). Il peso dell'unit di volume una delle pi importanti

propriet fisiche di un terreno ed definito da:

dove P il peso totale (compreso cio il peso dell'acqua) e V il volume totale. Se il terreno saturo

il peso unitario viene indicato con Sat; se asciutto con d dato da:

s

w

P

Pw

v

wr

V

VS %

V

P

V

Psd


In pratica talvolta conveniente determinare il peso unitario indirettamente facendo riferimento al

peso unitario dei costituenti solidi definito da:

d pu essere determinato in laboratorio; i valori pi frequenti di d sono compresi tra 26,5 e 27,5

kN/m3, ma possono variare tra 25 e 29 kN/m3.

I1 peso unitario dell'acqua indicato con:

E il peso unitario del terreno immerso con:

Si ha poi il peso specifico dei grani:

w

ssG

s

ssV

P

w

wwV

P

wsat'


I1 grado di saturazione dato da:

Nella situazione di terreno saturo (Sr = 100%) si ha:

Nella situazione di terreno asciutto (Sr = 0)

e ancora:

Nella Tabella 1 sono riportati valori tipici di porosit, indice dei vuoti, contenuto in acqua, peso di

volume del terreno saturo, peso di volume del terreno asciutto per vari tipi di terreno.

ws

wsate

G

1

1'

e

wGS sr

ws

sate

eG

1

sGwe

ws

de1 w

satd

1

Tabella 1



peso specifico dei

grani

peso di volume

naturalepeso di volume secco peso di volume saturo

G d sat

(-) (FL-3

) (FL-3

) (FL-3

)

d / ( a + d - sat) d (1 + w) G sat - a) / (G - 1) [1 - (1 / G)] d + a

S d / (S a - w d) S G a / (S + w G) (S + w) G a / (S + w G)

d / [(1 - n) a] G (1 - n) a [G - n (G - 1)] a

(1 + e) d / a G a / (1 + e) (G + e) a / (1 + e)

S sat / ( a - w (S sat - a)) S sat / (S + w) (S + w) d

sat - n w) / (1 - n) sat - n a d + n a

1 + e sat / a) - e sat - [e a / (1 + e)] [e a / (1 + e)] + d

S n / [(1 - n) w] (S n / w) a n [(S + w) / w] a

S e / w S e a / [(1 + e) w] (e / w) a [(S + w) / (1 + e)]


contenuto in acqua grado di saturazione porosit indice dei vuoti

w S n e

(%) (%) (%) (-)

[(1 / d) - (1 / G a)] S a G w / e 1 - [ d / (G a)] (G a / d) - 1

S (G a - sat) / [( sat - a) G] w / [n w (1 + w)] (G a - sat) / [(G - 1) a] (G a - sat) / ( sat - a)

S n / [G (1 - n)] w G / (S + w G) w G / S

S e / G e / (1 + e) n / (1 - n)

S [ sat / d) - 1] sat - d) / a ( sat - d) / ( a + d - sat)

S n a / d w d / ( a S) w d / (S a - w d)

S [e / (1 + e)] a / d w sat / [(S + w) a] w sat / [S a - w ( sat - a)]

S n a / ( sat - n a)

S e a / [ sat + e ( sat - a)]

Per i materiali a grana grossa non si hanno forze di superficie e quindi il loro comportamento

regolato dalle forze di massa. Pertanto per questi terreni le particelle si dispongono dando luogo

a strutture granulari indicative di sabbia sciolta o di sabbia densa (Figura 5.a, 5.b). I1 grado di

addensamento dipende dalla forma dei grani, dalla distribuzione delle dimensioni delle particelle

(granulometria), dall'azione dei carichi esterni o di vibrazioni e dal fatto che la deposizione sia

avvenuta con acqua in movimento o in quiete.

All'aumentare della densit aumentano i punti di contatto tra le particelle e il grado di mutuo

incastro e quindi aumenta la resistenza al taglio e diminuisce la compressibilit.

Nel caso dei limi si pu avere oltre alla struttura granulare anche un tipo di struttura detto

cellulare, nella quale il contatto tra le particelle limitato (Figura 5.c) a causa di forze di adesione

che si sono fatte sentire durante la deposizione. Si tratta di una struttura piuttosto instabile che

talvolta si ha anche con materiale granulare parzialmente saturo per azione della capillarit.


Figura 5

La presenza dell'acqua nei vuoti del terreno influenza principalmente il comportamento delle terre

a grana fine (argille e limi). Ne consegue che importante sia conoscere il contenuto d'acqua in

un deposito naturale di terreno sia confrontare questo contenuto d'acqua con alcuni valori

importanti del contenuto d'acqua, valori che costituiscono in un certo modo i limiti del

comportamento del terreno; in genere si utilizzano i limiti di Atterberg .


I limiti di Atterberg sono dei contenuti d'acqua determinati in laboratorio con procedure

standardizzate che rappresentano abbastanza bene dei passaggi critici di comportamento del

terreno. Se si fa variare in aumento con continuit (Figura 6) il contenuto d'acqua w, si vede che lo

stato del terreno argilloso passa quello di solido fragile a quello di semisolido, quindi a quello

plastico e infine a quello fluido. A queste variazioni continue di stato possiamo abbinare una

variazione della risposta deformazionale del terreno.



Stati di unargilla. Maggiore il contenuto dacqua, minore linterazione tra particelle

adiacenti, maggiore la tendenza dellargilla a comportarsi come un liquido.

Il contenuto dacqua che marca il passaggio dallo stato semisolido a plastico (limite di

plasticit) e quello che marca il passaggio dallo stato plastico a quello liquido (limite di

liquidit) variano con il tipo di argilla e sono generalmente correlabiilil alla risposta meccanica

dellargilla. Tali indici sono quindi delle propriet indice per le argille.


Il contenuto d'acqua che separa il passaggio dal solido fragile al semisolido detto limite di ritiro

wS, quello dal semisolido al plastico detto limite di plasticit wP e quello dallo stato plastico allo

stato fluido limite di liquidit wL; la differenza fra il limite di liquidit e il limite di plasticit

detto indice di plasticit I P = wL - wP e indica il campo di contenuto d'acqua nel quale il terreno

allo stato plastico.


Il limite di plasticit viene determinato formando per rotolamento dei cilindri che raggiungano

un diametro di circa 3 mm ed il contenuto d'acqua corrispondente al formarsi delle prime

screpolature.


Il limite di ritiro viene determinato per progressivo essiccamento di un provino, misurando via

via il volume e l'umidit, ed il contenuto d'acqua per cui non si ha ulteriore riduzione di volume

e, proseguendo l'evaporazione, l'aria entra nei vuoti del terreno. Deve essere determinato su

campione indisturbato!

I limiti di Atterberg costituiscono una prova importante perch presentano una notevole fedelt nei

risultati sperimentali, anche se l'apparecchiatura sperimentale di prova piuttosto semplice. Essi

vengono determinati sulla frazione passante al setaccio 40 (0,42 mm).

I valori dei limiti di Atterberg, detti anche limiti di consistenza, ed in particolare di Ip dipendono

innanzitutto dal tipo di argilla; si ha infatti una corrispondenza tra la composizione mineralogica e

i limiti di Atterberg come si vede nella Tabella 2. I limiti di Atterberg dipendono dalla percentuale

di argilla che granulometricamente corrisponde alla percentuale di materiale inferiore ai 2 m.

Da questo punto di vista si fa riferimento al coefficiente di attivit:

in base al quale le terre possono essere cos divise:

terre inattive A < 0,75

terre mediamente attive 0,75 < A < 1,25

terre attive A > 1,25

m

IA P

2%

Tabella 2 Limiti di Attemberg di alcuni minerali argillosi


Punti rappresentativi di varie argille tipiche in un diagramma Ip- % < 2 m


La consistenza del terreno misurata dall'indice di consistenza

O dallindice di liquidit IL:

Questi sono indici che mettono in relazione il contenuto d'acqua naturale con wL e con wP e che

costituiscono un parametro importante per spiegare il comportamento delle argille.

Nella Tabella 3 indicata la consistenza del terreno al variare Ic

P

Lc

I

wwI

c

P

PL I

I

wwI 1

Tabella 3


METODI DI CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE

Un sistema di classificazione rappresenta un linguaggio di comunicazione tra tecnici e costituisce

un metodo sistematico per suddividere il terreno in gruppi e sottogruppi in accordo con il probabile

suo comportamento.

Le propriet da usare per la classificazione devono essere indipendenti dalle condizioni di

sollecitazione e da quelle ambientali; ricadono fra queste propriet la granulometria,

principalmente per le terre a grana grossa, e i limiti di Atterberg principalmente per le terre a grana

fine.

Perch classificare:


Code of practice for site investigation


Figura 8 Code of practice for site investigation


Sistemi di classificazione

I principali sistemi di classificazione usati nell'ingegneria civile sono:

sistema di classificazione USCS riportato in Italia nelle raccomandazioni AGI e del sistema

AASHTO (Associazione americana statale delle strade e dei trasporti) e ripreso in Italia nella

norma CNR UNI 10006 per i materiali per costruzioni stradali.


Nel sistema USCS le terre a grana grossa sono classificate sulla base della granulometria, mentre

quelle a grana fine sulla base delle caratteristiche di plasticit (limiti di Atterberg). Le quattro

maggiori suddivisioni riguardano:

1. le terre a grana grossa (ghiaie G e sabbie S);

2. le terre a grana fine (limi M e argille C);

3. le terre organiche (O);

4. la torba e altre terre altamente organiche (Pt).

Le sigle W e P indicano rispettivamente una granulometria ben graduata e una poco graduata.

Si hanno terre a grana fine quando la percentuale di passante al vaglio n. 200 (0,075 mm)

superiore al 50%. Si hanno limi (M) quando nel diagramma di plasticit di Casagrande (Figura 9)

il punto rappresentativo ricade sotto la retta A e argille (C) quando ricade sopra.

La linea A divide i limi dalle argille e i materiali organici (torbe) dagli inorganici; fanno eccezione

le argille e i limi organici che cadono sotto la linea A. Si hanno terre organiche (O) quando il

rapporto tra il limite di liquidit eseguito sul terreno essiccato in forno e il limite di liquidit sul

terreno naturale minore di 0,75. Con limite di liquidit inferiore a 50 si ha la lettera L (low) e con

limite di liquidit superiore a 50 si ha la lettera H (high).

La linea U nel diagramma di plasticit costituisce il limite , superiore del limite di liquidit e

dellindice di plasticit; vicino a questa linea ricadono argille attive come la bentonite.

LEZIONE 1. ANALISI E CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE

86

USCS Raccomandazioni AGI


L'altro sistema di classificazione,

largamente usato nel campo

dell'ingegneria stradale, quello

AASHTO CNR-UNI10006.

In questo sistema i terreni inorganici

sono classificati in 7 gruppi da A-l ad

A-7; questi a loro volta sono suddivisi

in un totale di 12 sottogruppi.

La suddivisione basata sui passanti

ai setacci 10,40 e 200 e sui valori del

limite di liquidit WL e dell'indice di

plasticit IP determinati sul passante al

vaglio n. 40. Alle terre a grana grossa

appartengono i gruppi A-l, A-2 e A-3;

a quelle a grana fine i gruppi A-4, A-5,

A-6 e A-7.



Figura 10 bis Sistema di classificazione AASHTO CNR UNI 10006.


Torbe e terre

organiche palustri

A3 A4 A5 A6 A8

passante al vaglio n.10 (2 mm) 50

passante al vaglio n.40 (0.12 mm) 30 50 > 50

passante al vaglio n.200 (0.074 mm) 15 25 10 35 35 35 35 > 35 > 35 > 35 > 35 > 35

40 > 40 40 > 40 40 > 40 40 > 40 > 40

Indice di plasticit IP (%)

non

plastico 10 10 > 10 > 10 10 10 > 10 > 10 > 10

IP LL - 30 IP > LL - 30

0 8 12 16

(*) L'indice di gruppo Ig si pu definire come un coefficiente di qualit di una terra, ed espresso dalla relazione seguente:

Ig = 0.2 a + 0.005 a c + 0.01 b d

a

b

c

d

Sia i valori di a, b, c, d sia quelli dell'indice di gruppo vengono approssimati al valore intero pi vicino.

A7-6

A7

la percentuale di passante al setaccio 0.075 UNI 2332 meno 35. Se tale percentuale maggiore di 75 si indicher sempre con 75, se minore di 35 si

indicher sempre con 35

la percentuale di passante al setaccio 0.075 UNI 2332 meno 15. Se tale percentuale maggiore di 55 si indicher sempre con 55, se minore di 15 si

indicher sempre con 15

il valore del limite liquido LL meno 40. Se tale valore maggiore di 60 lo si indicher sempre con 60, se minore di 40 lo si indicher sempre con 40.

il valore dell'indice di plasticit meno 10. Se tale valore maggiore di 30 lo si indicher sempre con 30, se minore di 10 lo si indicher sempre con 10.

caratteristiche della frazione passante

al vaglio n.40 (0.42 mm):

A1a A1b A7-5A2-4 A2-5 A2-6 A2-7

TERRENI A GRANA FINE

(passante al vaglio n.200 >35%)

Indice di gruppo (*) 0 0 4

A1 A2

Limite liquido LL (%)

TERRENI A GRANA GROSSA

(passante al vaglio n.200 35%)

20

6

Sistema di classificazione AASHTO CNR UNI 10006: Indice di gruppo.

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