1.1
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CLASSIFICAZIONE DEI CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI GEOTECNICIMATERIALI GEOTECNICI
1.2
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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
1.3
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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
1.4
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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
1.5
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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)
1.6
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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
1.7
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Composizione mineralogica (1)Composizione mineralogica (1)
MINERALI NON ARGILLOSI
SILICATI Tectosilicati (quarzo, feldspati); Fillosilicati (miche)
CARBONATI Calcite; Dolomite
SOLFATIGesso
OSSIDI DI FERRO ED ALLUMINIO
1.8
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Composizione mineralogica (2)Composizione mineralogica (2)
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.
1.9
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Composizione mineralogica (3)Composizione mineralogica (3)
MINERALI ARGILLOSI
Caolinite-serpentine
Illite-vermiculite
Smectite
1.10
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Composizione mineralogica (4)Composizione mineralogica (4)
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
1.11
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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
1.12
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FogliFogli tetraedricitetraedrici
Unità tetraedrica e fogli tetraedrici
Si4+
O2-
(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
1.13
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FogliFogli ottaedraliottaedraliOttaedro di alluminio o magnesio e fogli ottaedrali
Al 3+ or Mg 2+
OH -
Mg (OH)2 = Mg3 (OH)6Rete triottaedrale (brucite)
Al (OH)3 = Al2 (OH)6Rete biottaedrale (gibbsite)
1.14
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StratiStrati ((impilamentoimpilamento di di foglifogli))
1.15
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StratiStrati elementarielementari
T:O:T (2:1) impilamento(smectite, vermiculite e clorite
T:O (1:1) impilamento(caolinite, serpentina e clorite)
T
O
T
T
O
L’ossigeno nell’unità tetraedrica èsostituito dallo ione idrossile
1.16
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Schema di Schema di mineraliminerali argillosiargillosi
I minerali differiscono tra loro per il tipo di ’colla’ chemantiene insieme i successivi strati
1.17
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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 → ∞
1.18
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MicrofotografieMicrofotografie deidei mineraliminerali argillosiargillosi
Caolinite Montmorillonite
Sono eseguite al microscopio a scansione elettronica
1.19
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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
1.20
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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
1.21
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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
Sup
erfic
epa
rtice
lladi
arg
illa
Distanza
Con
cent
razi
one
Anioni
Cationi
1.22
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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
1.23
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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)
s
ss V
M=ρ Ms = massa dei solidi
Vs = volume dei solidicon
w
ssG
ρρ
= ρw = densità dell’acquacondensità specifica
densità
1.24
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DeterminazioneDeterminazione di Gdi Gss
m1 m3m2 m4
wss
s
VMmmMmm
ρ−=−
=−
34
12
( )3412
12
mmmmmmG
w
ss −−−
−==
ρρ
livello di riferimento
matraccio
acqua distillata
terreno
1.25
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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
1.26
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DeterminazioneDeterminazione delladella dimensionedimensione del del granograno
d
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
1.27
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Forma del Forma del granograno
Particelle allungate ed appiattite possono disporsi secondo un’orientazionepreferenziale ed essere responsabili di comportamenti anisotropi del terreno
1.28
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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
1.29
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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
1.30
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DistribuzioneDistribuzione cumulatacumulata delladella dimensionedimensionedeidei granigrani ((curvacurva granulometricagranulometrica))
Dimensione del grano, log d
100
Per
cent
uale
in m
assa
con
dim
ensi
one
L <
d
0d*
P(L<d*)
1.31
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SistemiSistemi di di classificazioneclassificazione basatibasati sullasulladimensionedimensione delledelle particelleparticelle
1.32
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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
1.33
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EsempiEsempi di curve di curve granulometrichegranulometriche
1.34
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ParametriParametri delladella curvacurva granulometricagranulometrica
log d
100P
(L<d
)
0d10
Coefficiente di uniformità
10
60
d10d60 d60
U = d60 / d10
U ∼ 1U >> 1
1.35
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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
1.36
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AnalisiAnalisi granulometricagranulometrica per per stacciaturastacciatura
Si esegue per frazioni granulometriche con d > 0.075 mm
Stacciatura a secco Stacciatura a umido
aper
tura
decr
esec
ente
0.075 mm 0.075 mm
analisi per sedimentazione
1.37
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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 !!
2000
15
5000
25
10000
40
2005001000150002500035000massa(g)
25106071100dimensione(mm)
1.38
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AgitatoreAgitatore meccanicomeccanico e e staccistacci
Si esegue per frazioni granulometriche con d > 0.06 mm
Agitatore meccanico
Staccio e materiale trattenuto
1.39
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InterpretazioneInterpretazione deidei datidati
d1
d2
d3
d4
d5
d6
M1
M2
M3
M4
M5
M6
Mtot = ΣMid0
( )
( ) 100)(
100)(
100)(
100100)(
3213
212
11
0
×++−
=
×+−
=
×−
=
=×=
tot
tot
tot
tot
tot
tot
tot
tot
MMMMMdP
MMMMdP
MMMdP
MMdP
1.40
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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
1.41
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VelocitVelocitàà di di sedimentazionesedimentazione di di unauna particellaparticella sfericasferica
2 18
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=
1.42
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PrincipioPrincipio delladella misuramisura
t = 0 t = t*
L L
( )*
,*tLTkdd sρ=<
000 ,, ρls mm ρ,, ls mm
1000 ×=s
s
mmP Percentuale in massa con dimensione L < d*
A A
V=LA
1.43
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VariazioneVariazione delladella densitdensitàà (1)(1)
(2)
(1) 000
ls
ls
mmV
mmV
+=
+=
ρ
ρ
Risolvendo le equazioni (3) e (4) rispetto a
Bilancio di massa
(4)
(3) 00
llss
llss
mmV
mmV
ρρ
ρρ
+=
+=
Continuità
ll mm e 0
(6)
(5) 00
slsll
slsll
mVm
mVm
ρρρ
ρρρ
−=
−=
Sostituendo le equazioni (5) e (6) rispettivamente nelle equazioni (1) e (2) si ottiene:
( ) ( )( ) ( ) (8) V - -1
(7) V - -1
lsls
l0
sl0s
ρρρρ
ρρρρ
=
=
m
m
1.44
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VariazioneVariazione delladella densitdensitàà (2)(2)Combinando le equazioni (7) e (8) risulta:
( )( )
−=−
=
s
l0s
l0
l0
l0s
s
1
--
ρρρρ
ρρρρ
Vm
mm
e quindi:
( ) ( )lls
s
totale sl
ls
s0s
0s
s -- ρρρρ
ρρρρρ
ρ
−=
−=
mV
mV
mm totale
Percentuale in massa con dimensione L < d* può essere quindicalcolata misurando la densità ρ all’istante t*
1.45
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VariabiliVariabili di di fasefase (1)(1)
Vw = Volume dell’acqua interstiziale
Va = Volume dell’aria interstiziale
Vv = Volume totale dei pori
V = Volume totale
V Vw
Vs
VaVv
Mw
Ms
M
Ms = massa dei solidi
Mw = massa dell’acqua
M = massa totale
ρs = densità dei grani
ρw = densità dell’acqua
1.46
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VariabiliVariabili di di fasefase (2)(2)
sVVv =Volume specifico
sss MV
VVv
ρ==
s
v
VVe =Indice dei vuoti 11 −=−=
−==
ssss
s
s
v
MV
VV
VVV
VVe
ρ
VVn v=Porosità
VM
VV
VVV
VVv ssssv ρ
−=−=−
== 11
VM
=ρDensitàVM
=ρ
VMs
d =ρDensità seccaVMs=ρ
1.47
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VariabiliVariabili di di fasefase (3)(3)
s
w
MMw =
v
w
VVS =
Contenuto d’acqua 1−=−
==s
t
s
st
s
w
MM
MMM
MMw
Grado di saturazionesstw
st
stw
w
v
w
MVMM
VVM
VVS
ρρρ −−
=−
==11
1.48
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RelazioniRelazioni tratra le le fasifasi
nne
een
ev
−=
+=
+=
1
1
1
( )SwG
weww
e
sssd
sd
++
=++
=+=
+=
11
111
1
ρρρρ
ρρ
ewGS s=
1.49
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DensitDensitàà relativarelativa
minmax
max
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
1.50
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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
1.51
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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
1.52
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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
1.53
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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
1.54
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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
1.55
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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
1.56
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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
1.57
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IndiceIndice di di attivitattivitàà
( ) mm 0.002LP <= p
aI
I
Attive: smectitiNormali: illitiInattive: caoliniti
1.58
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IndiceIndice di di consistenzaconsistenza
pIwwI L
c−
=
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