GEOTECNICA
Nel descrivere il campo di attività di questo settore i materiali sono stati raggruppati nelle seguenti due categorie:
– Terre
– Pietre e rocce
Possono essere eseguite in laboratorio o in situ, su campioni indisturbati o rimaneggiati. per determinare le caratteristiche generali o studiare il comportamento dei materiali in esame. Le prove più delicate sono quelle riportate al punto 1.4, che danno utili indicazioni al progettista per decidere il tipo e il dimensionamento delle fondazioni da adottare. Si ricorda a questo proposito che per la progettazione, l’esecuzione ed il collaudo delle opere di fondazione e delle opere di sostegno, è in vigore il decreto ministeriale attuativo della legge 5/11/71 n. 1086.
1.1 Prove di identificazione e classificazione
Trattasi di prove, eseguibili sia su campioni indisturbati che disturbati, per la determinazione di alcuni parametri intrinseci delle terre. Le prove di classificazione. che comprendono l’analisi granulometrica con setacci e la determinazione dei limiti (liquido e plastico) di Atterberg, permettono di classificare il materiale secondo la normativa UNI 10006.
1.1.1 Analisi granulometrica con setacci
Viene eseguita sottoponendo il materiale ad un accurato prelavaggio sul setaccio n. 200 (0.074 mm di apertura delle maglie), per asportare tutta la frazione limo-argillosa, recuperando il trattenuto a detto setaccio e sottoponendolo a vagliatura per determinarne la distribuzione granulometrica e quindi il passante in percentuale a ciascun setaccio. Il quantitativo di materiale, occorrente per la formazione dei provino, varia a seconda della dimensione massima degli elementi presenti (da un massimo di 10 Kg per le ghiaie ad un minimo di 400 g per terreni limo-argillosi). Viene eseguita secondo la normativa contenuta nel bollettino CNR n. 23 del 14.12.1971 (ASTM D421 – D2217).
1.1.2 Limiti di Atterberg
Servono per valutare le caratteristiche di plasticità di un terreno. Il limite liquido è definito come il contenuto di umidità che separa lo stato liquido dallo stato plastico; analogamente il limite plastico separa lo stato plastico dallo stato semisolido di un terreno. La differenza numerica tra questi due limiti è chiamata indice plastico. I limiti di Atterberg vengono determinati su un quantitativo di 100-200 g di materiale passante al setaccio 0,425 UNI seguendo la norma CNR-UNI 10014 (ASTM D4318-84).
Con i risultati delle prove di cui ai punti 1.1.1 e 1.1.2, grazie ad opportuni diagrammi 1 – 2, il materiale può essere classificato secondo la norma UNI 10006 (ASTM D3282). Viene indicato un gruppo di appartenenza che varia da A-1 ad A-7 (man mano che peggiorano le caratteristiche tecniche del materiale in esame, vedi la tabella), un eventuale sottogruppo ed infine un indice di gruppo che varia da 0 per i materiali aridi a 20 per quelli di più elevata plasticità. Altri tipi di classificazione possono essere adottati su richiesta del Committente.
Per le terre viene abitualmente determinato il peso specifico reale con il metodo del picnometro, secondo la normativa ASTM D854. Il provino costituito da 50-100 g di materiale passante al setaccio 0.2 UNI. viene ottenuto per riduzione da un campione di peso variabile a seconda della dimensione massima degli elementi presenti (da un massimo di 2000 ad un minimo di 200 g).
1.1.5 Analisi granulometrica per sedimentazione
Qualora la frazione limo argillosa sia molto elevata, la consueta analisi con setacci, pur valida per la classificazione, è scarsamente significativa. Si ricorre allora all’analisi per sedimentazione per conoscere i contenuti percentuali di sabbia, limo e argilla. La prova è basata sulla diversa velocità di sedimentazione dei granuli di dimensioni diverse in seno ad una apposita soluzione deflocculante. Il quantitativo di materiale rimasto in sospensione viene rilevato, ad intervalli di tempo crescenti. mediante letture con un densimetro. La prova viene eseguita secondo la nonna ASTM D422.
È una prova molto rapida. eseguibile anche in cantiere, che permette di caratterizzare convenzionalmente la presenza della frazione limo-argillosa di una terra. Un quantitativo normalizzato del materiale in esame viene versato in una soluzione flocculante e, dopo opportuna agitazione, lasciato sedimentare per 20 minuti. Il rapporto, espresso in percentuale, fra l’altezza del materiale depositato sul fondo della provetta e l’altezza del materiale ancora in sospensione è chiamato “equivalente in sabbia”. La prova viene spesso eseguita per una valutazione grossolana della quantità e della qualità del finissimo presente in un inerte per calcestruzzi. La norma di riferimento è contenuta nel Bollettino CNR n° 27 del 30 marzo 1972.
1.2 Prove di costipamento e portanza
Le prove di costipamento più usuali sono la AASHTO Standard e modificata. Consistono nel compattare in più strati il materiale, con diversi contenuti di umidità, in una fustella di volume noto, mediante un pestello standard. Si noterà che, al variare dell’umidità, il peso di volume del materiale contenuto nella fustella dapprima aumenta e successivamente tende a diminuire, permettendo così di tracciare una curva di costipamento e di individuare una densità massima ed il corrispondente valore di umidità ottima. La relativa norma è contenuta nel Bollettino CNR n. 69 del 30.11.1978 (ASTM D698 D1557). Il quantitativo di materiale occorrente varia dai 30 ai 50 Kg a seconda delle dimensioni degli elementi presenti. La prova non può essere eseguita qualora il trattenuto al crivello 25 UNI sia superiore al 35% del peso totale.
La prova di portanza CBR viene eseguita su provini compattati in laboratorio con modalità analoghe a quelle della prova AASHTO modificata (vedi paragrafo I. 2. 1). Tali provini vengono sottoposti a saturazione di 4 giorni in acqua, per rilevarne l’eventuale rigonfiamento e successivamente a penetrazione con un pistone cilindrico di diametro standard. I carichi corrispondenti alle penetrazioni di 2,5 e 5,0 mm, rapportati a valori standard. danno l’indice CBR del terreno. La norma vigente è la CNR-UNI 10009 (ASTM D 1883). Circa il quantitativo di materiale occorrente vale quanto già detto per la prova AASHTO modificata. La prova CBR può essere eseguita anche “in situ” (vedi paragrafo 1.5.3.).
1.2.3 Densità minima e massima
Per alcuni materiali di tipo sabbioso, la mancanza di coesione non consente l’esecuzione della normale prova di costipamento. Si può ricorrere allora alla determinazione della densità minima e della densità massima. Conoscendo questi due valori e la densità del materiale in situ (vedi paragrafo 1.5. 1) si può calcolare la densità relativa, che dà una valutazione del grado di addensamento. Le suddette densità (minima e massima) sono espresse dal rapporto fra il peso del materiale contenuto in una fustella standard ed il volume della fustella stessa. Per la determinazione della densità minima il materiale viene solo versato nella fustella con opportune modalità, mentre per quella massima il materiale viene sottoposto ad un energico assestamento per vibrazione, inoltre quest’ultima densità può essere determinata per via secca o per via umida. Norma di riferimento: ASTM D4253-D4254
Vengono determinate su campioni indisturbati e servono appunto ad avere una valutazione dello stato generale del campione. Sono molto utili quando occorre confrontare fra loro un gran numero di campioni, perché ciò può consentire una riduzione del numero delle prove, con conseguente economia di tempo e di spesa.
1.3.1 Contenuto naturale d’acqua
È il contenuto percentuale di umidità, che viene rilevato all’atto dell’apertura di un campione indisturbato. Per evitare la variazione di questo e di altri parametri significativi del campione è opportuno che il lasso di tempo che intercorre fra il prelievo in situ e la consegna in laboratorio sia il più breve possibile. Norma CNR-UNI 10008 (ASTM D2216).
Generalmente è incluso nella prova edometrica o nelle prove di taglio (diretto, triassiale o E.L.L.). È il rapporto fra il peso del materiale umido ed il suo volume (compresi i vuoti contenuti negli spazi intergranulari), normalmente determinato mediante una fustella a bordi taglienti di dimensioni note. Conoscendo il contenuto d’acqua è possibile ricavare il peso di volume secco.
1.3.3 Indice di vuoti, porosità grado di saturazione
Per il calcolo di questi tre parametri occorre conoscere il peso specifico reale (vedi paragrafo 1.1.4), il contenuto d’acqua (vedi paragrafo 1.3.1) ed il peso di volume secco (vedi paragrafo 1.3.2) del materiale.
In un campione l’indice dei vuoti è il rapporto fra il volume dei vuoti e il volume occupato dalle particelle solide, la porosità è il rapporto fra il volume dei vuoti e il volume totale, infine il grado di saturazione è il rapporto fra il volume dell’acqua e il volume dei vuoti.
Sono quasi esclusivamente eseguite su campioni indisturbati di terra. Solo di rado vengono eseguite su provini ricostituiti in laboratorio e, in tal caso, i risultati ottenuti hanno un valore puramente indicativo. Le prove di questo gruppo più frequentemente richieste sono quelle di taglio (taglio diretto, triassale CD e CU) che forniscono al progettista gli elementi necessari per la scelta, il dimensionamento e il calcolo delle fondazioni, e cioè coesione, angolo di attrito interno e peso di volume naturale del terreno.
1.4.1 Compressibilità edometrica
Serve per determinare gli abbassamenti che si verificano in un provino sotto l’azione di carichi via via crescenti. I parametri forniti da questa prova consentono al progettista di calcolare i cedimenti di un terreno sotto un dato carico e il tempo necessario perché tali cedimenti si verifichino. Con i dati forniti dalla prova edometrica si possono calcolare: il modulo di compressibilità (E), il coefficiente di consolidazione (Cv), l’indice di compressibilità (Cc). il carico di preconsolidazione ed il coefficiente di permeabilità (Kc). Con l’uso di una apposita cella edometrica è possibile anche la misura diretta della permeabilità nel corso della prova. Per l’esecuzione della prova completa di ciclo di scarico. necessitano dai 10 ai 15 giorni.
Viene eseguito con la scatola di Casagrande e serve per determinare la resistenza al taglio di un provino sottoposto ad un carico di consolidazione prefissato. Ripetendo il procedimento su tre provini con diverso carico di consolidazione, si individua una retta la cui intercetta con l’asse delle ordinate rappresenta la coesione ed il cui coefficiente angolare rappresenta la tangente dell’angolo di attrito interno del materiale in esame. Gli stessi parametri possono essere ottenuti con la prova triassiale CD, ma il taglio diretto è più rapido, meno costoso e risente meno dell’eventuale disturbo subito dal campione in sede di prelievo.
Viene eseguita su provini cilindrici sollecitati assialmente a rottura in una cella contenente acqua in pressione, che consente di variare il contenimento laterale del provino. Si possono eseguire diversi tipi di prova triassiale. I più usuali sono i tre seguenti:
– Prova consolidata-drenata (CD), in cui i provini vengono prima consolidati e quindi sottoposti a rottura in condizioni drenate; è la più lenta.
– Prova consolidata non-drenata (CU), in cui i provini vengono prima consolidati e quindi sollecitati fino a rottura in condizioni non drenate, mentre vengono misurate le variazioni della pressione all’interno del provino (pressione interstiziale).
– Prova non consolidata-non drenata (UU), in cui i provini vengono sollecitati a rottura senza consolidazione preventiva e senza consentire il drenaggio.
Le prime due prove danno la coesione e l’angolo di attrito del materiale (rispettivamente nelle condizioni CP e CU), mentre la terza prova dà solo il carico unitario di rottura.
1.4.4 Compressione ad espansione laterale libera
È analoga alla prova triassiale UU e viene eseguita solo quando il campione è coesivo e superficiale. In tutti gli altri casi si preferisce la prova triassale UU.
Serve per determinare il quantitativo di acqua che filtra attraverso un campione di terra in un dato tempo e sotto un determinato carico idraulico. Può essere eseguita con due modalità distinte: a carico costante o a carico variabile, a seconda del tipo di terreno in esame.
1.5 Prove e prestazioni da campo
Comprendono quelle prove sulle terre che vengono eseguite “in situ” e le indagini geognostiche.
Per la sua determinazione viene generalmente adoperato il volumometro a sabbia. La prova consiste nel praticare una buca di modesta profondità (15-20 cm) nello strato in esame. Pesando il materiale estratto e misurando il volume del cavo con sabbia calibrata. si dispone dei dati occorrenti per il calcolo della densità in situ che va poi riferita percentualmente alla densità massima ottenuta in laboratorio con la prova di costipamento AASHO (vedi paragrafo 1.2.1). La norma relativa è contenuta nel bollettino CNR n. 22 del 22.12.1971.
Consente la misura convenzionale della capacità portante di un sottofondo, di uno strato di fondazione o di uno strato di base e viene determinato mediante una prova di carico con piastra (diametro = 30 cm). La norma di riferimento è contenuta nel bollettino CNR n. 146 del 4.12.1972.
Viene eseguita in situ con modalità analoghe a quelle già descritte a proposito della prova CBR di laboratorio (vedi paragrafo 1.2.2), servendosi di un idoneo mezzo di contrasto per il martinetto. In alternativa si può prelevare in situ un campione indisturbato mediante una fustella munita di collare di prolunga a bordi taglienti e procedere poi alla penetrazione in laboratorio secondo le consuete modalità. La norma di riferimento è la CNR-UNI 10009.
1.5.4 Sondaggi a rotazione a carotaggio continuo
Vengono eseguiti per determinare la natura e tracciare la stratigrafia del terreno fino alla profondità che verrà interessata dal carico trasmesso dall’opera da realizzare. I tempi di esecuzione dei sondaggi ed i relativi costi variano in relazione alla consistenza dei terreni attraversati (terreni teneri e rocce di bassa e media durezza – rocce dure – ghiaie e ciottoli) ed alla profondità raggiunta (secondo scaglioni di 20 m dal piano di campagna). I sondaggi a rotazione permettono inoltre il prelievo di campioni indisturbati, l’installazione di piezometri nei fori di sondaggio, l’esecuzione di Vane-Test e di Standard Penetration Test nel corso dei sondaggi.
Possono essere di tipo statico e di tipo dinamico. Servono per determinare la resistenza offerta dal terreno alla penetrazione di una punta di opportune dimensioni. Le prove più diffuse sono quelle statiche con penetrometro modello olandese da 10 o da 20 ton, che consente la misura della resistenza alla punta, dell’attrito laterale e della resistenza totale ogni 20 cm di infissione. Le prove dinamiche invece misurano il numero dei colpi necessari per l’infissione di una punta conica nel terreno per una data lunghezza, mediante l’azione di una massa battente calibrata.
Vengono qui descritte al punto 2.1, alcune prove di comportamento ed al punto 2.2 le determinazioni di tipo minerologico-petrografico che è possibile eseguire su materiali litoidi.
Non sono state qui incluse alcune prove per la determinazione di caratteristiche generali o di comportamento già incluse nel repertorio di altri settori (calcestruzzi e aggregati – pavimentazioni stradali).
Per tutto questo gruppo di prove si fa riferimento al fascicolo n. 4 del CNR.
2.1.1 Resistenza alla compressione
Viene normalmente determinata su una serie di provini cubici con spigolo di 7.1 o di 10 cm a seconda che si esamini una roccia a grana fina o a grana grossolana. Qualora i provini non vengano forniti già pronti dal Committente, essi possono essere preparati in Istituto. Oltre ai carichi di rottura. vengono forniti i pesi di volume. calcolati in base al volume geometrico di ciascun provino. La prova di compressione può essere eseguita anche su carote di roccia, previa rettifica delle facce di base.
2.1.2 Compressione dopo imbibizione
Ferme restando le modalità di preparazione e di compressione già descritte nel precedente paragrafo 2.l.1 prima di procedere alla compressione i provini vengono lasciati saturare in acqua per 24 ore. Oltre ai carichi di rottura ed ai pesi di volume, vengono forniti anche i coefficienti di imbibizione di ciascun provino.
2.1.3 Compressione dopo gelività
Ferme restando le modalità di preparazione e di compressione già descritte al punto 2. l. 1, prima di procedere alla compressione, i provini vengono sottoposti a 20 cicli di almeno 3 ore ciascuno di gelo (- 10 gradi C in aria) e disgelo (+35 gradi C in acqua). Le prove di compressione mostreranno se, per effetto dell’azione del gelo, si è prodotto un abbassamento dei valori di resistenza. Si è rilevato tuttavia che, per la maggior parte delle rocce, 20 cieli sono del tutto insufficienti per evidenziare un eventuale deterioramento dovuto all’effetto del gelo.
Consiste nel ricavare una sezione sottile da un frammento rappresentativo della roccia in esame e nel sottoporla all’analisi al microscopio per il riconoscimento dei minerali presenti e la classificazione petrografica. Nel caso non si disponga di elementi di adeguate dimensioni si può ricorrere alla inglobazione di elementi minuti con balsamo. In seguito alle richieste del Committente l’analisi può essere corredata dalla microfotografia della sezione sottile.
2.2.2. Analisi diffrattometrica
Qualora non sia possibile l’analisi petrografica al microscopio, il riconoscimento dei minerali presenti può avvenire mediante analisi diffrattometrica ai raggi X.
Repertorio Immagini
1.1 Prove di identificazione e classificazione
1.1.5 Analisi granulometrica per sedimentazione
1.2 Prove di costipamento e portanza
1.2.3 Densità minima e massima
1.3.3 Indice di vuoti, porosità grado di saturazione
1.4.4 Compressione ad espansione laterale libera
1.5 Prove e prestazioni da campo
1.5.4 Sondaggi a rotazione a carotaggio continuo
2.1.3 Compressione dopo gelività