Prima Facoltà di Architettura “Ludovico Quaroni”

1. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” IDENTIFICAZIONE E CLASSIFICA DELLE TERRE • ► Una terra è un mezzo polifasicoporoso costituito da particelle solide giustapposte (granuli) e da vuoti (tra i granuli). • L’insieme costituito dai granuli solidi di una terra prende il nome di “scheletro solido”. • I vuoti tra i granuli contengono tipicamente una fase liquida (generalmente acqua) e/o una fase gassosa (generalmente aria). • Nelle regioni a clima temperato, come la nostra, ad una certa profondità dal piano campagna (generalmente pochi metri), la fase liquida è quasi sempre presente, e frequentemente riempie del tutto gli interstizi tra i granuli, e si parla di “terreni saturi”. L’acqua può essere quella originaria dell’ambiente di formazione dei terreni oppure può essere dovuta ad apporti meteorici recenti. • Nelle regioni aride la fase liquida può invece mancare del tutto.

2. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” • ► Considerando un elemento di terreno, è possibile idealmente considerare separate le fasi solida, liquida e gassosa.

3. CIOTTOLI e BLOCCHI ARGILLA LIMO SABBIA GHIAIA 2mm 0,002 mm 0,06 mm 60 mm D (mm) PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ►In funzione della dimensionedei granuli le terre vengono classificate in: argille, limi, sabbie e ghiaie. Granuli non visibili a occhio nudo Granuli visibili a occhio nudo 0,1 mm Le sabbie e le ghiaie sono conosciute come terre a grana grossa. Le argille e i limi come terre a grana fine.

4. CIOTTOLI e BLOCCHI ARGILLA LIMO SABBIA GHIAIA 2mm 0,002 mm 0,06 mm 60 mm D (mm) PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Le terre a grana fine sono coerenti (se asciutte presentano una resistenza non trascurabile alla trazione e dopo impregnazione in acqua perdono ogni consistenza) e vengono dette “coesive”. Le terre a grana grossa sono dette “granulari” o anche “incoerenti” (presentano resistenza a trazione sempre nulla).

5. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ►I metodi di descrizione delle terre a grana grossa differiscono da quelli delle terre a grana fine. Le terre a grana grossa sono costituite da frammenti di minerali e sono identificate principalmente basandosi sulle dimensioni dei singoli grani. 0,06 mm ÷ 60 mm La descrizione della sabbia e della ghiaia richiede una stima della quantità di materiale compreso tra i vari diametri, e la conoscenza della forma e della composizione mineralogica dei granuli.

6. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ►I metodi di descrizione delle terre a grana grossa differiscono da quelli delle terre a grana fine. Tra le terre a grana fine i limi costituiscono la parte più grossa della frazione di terreno microscopica. L’argilla è principalmente un aggregato di particelle minerali microscopiche e submicroscopiche di forma lamellare. 0,001 mm

7. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Per le terre a grana fine una classificazione basata unicamente sulle dimensioni delle particelle è inadatta; infatti al diminuire delle dimensioni delle particelle, le forze di superficie presenti sulla superficie delle particelle possono uguagliare e vincere le forze di volume (forza peso e reazioni contatto) applicate alle particelle stesse, influenzando il comportamento macroscopico del materiale. Queste forze di superficie agenti sulla superficie delle particelle sono di tipo elettrostatico e dipendono dalla natura mineralogica dei granuli e dall’estensione della loro superficie.

8. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Dalla natura mineralogica ed estensione della superficie dei granuli dipendono in misura notevole i fenomeni di interazione tra la parte solida del terreno e l’acqua di porosità. Sfruttando questo aspetto, in Ingegneria Geotecnica, invece di far uso dell’analisi mineralogica in laboratorio (in sezione sottile), si fa uso di prove più semplici e speditive, che associano alla componente mineralogica presente “alcuni stati fisici del materiale per fissati valori del contenuto d’acqua” (caratteristiche di plasticità del materiale).

9. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► Si definiscono “proprietà indici” di un terreno le proprietà fisiche che ne esprimono quantitativamente la composizione e lo stato di aggregazione.

10. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Prendiamo un provino di terra; posso scrivere che: P = PS + PW + PG Peso del provino Peso del provino essiccato Peso dell’acqua libera di porosità Peso della frazione gassosa

11. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” P = PS + PW + PG Peso del provino Peso del provino essiccato (granuli e acqua “di costituzione”) Peso della frazione gassosa Peso dell’acqua “libera” di porosità Che misuro pesando il materiale. Che misuro pesando il materiale dopo averlo tenuto in forno a 105° per 24 ore almeno, e comunque fino a costanza di peso. Trascurabile (eccetto che per le torbe). Peso PS Tempo

12. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” P = PS + PW + PG Conosco quindi PW per differenza di quantità note: PW = P - PS ► Si definisce “contenuto d’acqua” il rapporto (in percentuale) tra l’acqua persa per essiccamento e il peso del materiale essiccato. 100 (%)

13. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► Si definisce “indice di porosità” il rapporto (in percentuale) tra il volume dei vuoti e il volume totale del provino. ► Si definisce “indice dei vuoti” il rapporto tra il volume dei vuoti e il volume del solido. … il volume totale del provino lo conosco. Ma come faccio a conoscere anche VV e VS?

14. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Cerchiamo VV: posso scrivere che: V = VS + Vv Volume del provino volume occupato dalla parte solida volume dei pori ( …che in parte conterranno acqua ed in parte conterranno gas)

15. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Se il provino è saturo, tutti i pori sono riempiti di acqua, e quindi VV = VW …e questo VW lo so determinare, perché posso dire che P - PS PW (noto) VW = gW Peso dell’unità di volume dell’acqua. Vale circa 10 kN/m3 (noto)

16. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Cerchiamo VS: una volta noto VW conosco immediatamente anche VS, perché se il provino è saturo ho che: V = VS + VW VS = V - VW

17. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► Se penso di “schiacciare” il provino, nell’espressione di “e” cambia solo il numeratore (il denominatore resta costante); pertanto l’indice dei vuoti è una grandezza che consente agevolmente di seguire i fenomeni di deformazione. Al contrario, nell’espressione di “n” cambiano simultaneamente sia il numeratore che il denominatore, e quindi con “n” ho una maggiore difficoltà a seguire i fenomeni di deformazione.

18. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► E’ bene chiarire che, in ogni caso, se è noto il valore dell’indice di porosità è automaticamente noto anche il valore dell’indice dei vuoti, e viceversa. e n n = 100 e = 1+e 1-n

19. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► Si definisce “grado di saturazione” il rapporto (in percentuale) tra il volume dell’acqua e il volume dei pori.

20. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► Si definisce “peso specifico dei granuli” il rapporto tra il peso del provino essiccato e il volume del solido. Il peso specifico dei granuli varia generalmente tra 25 e 28 kN/m3 e dipende dalla natura mineralogica dei grani. ► Si definisce “peso dell’unità di volume” il rapporto tra il peso totale del provino e il suo volume. Dipende dal peso specifico dei granuli, dalla porosità e dalla percentuale di pori riempiti d’acqua. ► Se il terreno è saturo viene indicato con gsat.

21. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► Se la terra è asciutta, il peso dell’unità di volume è dato dal rapporto tra il peso del provino essiccato in stufa a 105° fino a costanza di peso e il volume totale del provino prima dell’essiccamento, e si definisce “densità secca”. ► Infine, si definisce “peso dell’unità di volume immerso” la differenza tra i peso dell’unità di volume in condizioni di completa saturazione ed il peso dell’unità di volume dell’acqua; lo si indica con g’.

22. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► Per i terreni a grana grossa (sabbie e ghiaie) ha particolare interesse lo stato di addensamento dei grani. Si introduce allora la “densitàrelativa” (o “indice di addensamento dei granuli”): Valore dell’indice dei vuoti del materiale nello stato attuale Il valore massimo dell’indice dei vuoti è un valore convenzionale relativo a una configurazione di minimo addensamento per il materiale Il valore minimo dell’indice dei vuoti è un valore convenzionale relativo a una configurazione di massimo addensamento per il materiale

23. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► In relazione al valore di un terreno si definisce:

24. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” ► La più semplice classificazione delle terre usata in Geotecnica è quella che si basa sulla dimensione delle particelle (“classificazione granulometrica”). Per una terra a grana grossa, l’analisi granulometrica si esegue per vagliatura, ponendo il materiale essiccato su una pila di setacci a maglie di dimensione decrescente dall’alto verso il basso, che viene agitata da una macchina vibrante. I granuli costituenti il materiale si raccolgono nei diversi setacci a seconda della loro dimensione. A partire dalla misura del peso del materiale trattenuto da ciascun setaccio è possibile avere il valore del peso del materiale passante il setaccio considerato. Ciascun valore, riferito al peso totale del provino, fornisce il valore del “passante percentuale”

25. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” L’apertura di 74 micron è la più piccola disponibile per i setacci. Per definire la distribuzione granulometrica delle frazioni più piccole si usa la tecnica della sedimentazione, basata sulla teoria di Stokes, che dice che la velocità di sedimentazione di una particella in un fluido è funzione della viscosità cinematica del fluido, della differenza tra la densità della particella e quella del fluido e del diametro della particella solida. Dalla misura della densità mediante un densimetro che galleggia si misura, al procedere della sedimentazione, la densità e quindi la velocità di sedimentazione e da essa il diametro dei granuli.

26. 0,002 mm 2 mm 0,06 mm PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” La curva granulometrica è una rappresentazione grafica che consente un’immediata visione dell’assortimento granulometrico della terra indagata. La curva viene costruita in un piano semilogaritmico. L’ordinata, su cui viene riportato il passante percentuale, è in scala naturale; l’ascissa, su cui viene riportato il diametro delle particelle in mm, è in scala logaritmica.

27. 31% 9% 40% 20% 0,002 mm 2 mm 0,06 mm PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Il materiale viene denominato con il nome della frazione granulometrica più abbondante seguito dai nomi delle frazioni secondarie. La denominazione della frazione secondaria è: -Preceduta dalla congiunzione "con" se compresa tra il 25% ed il 50%. -Seguita dal suffisso "oso" se compresa tra il 10% ed il 25%. -Seguita dal suffisso "oso" e preceduta da "debolmente" se compresa tra il 5% ed il 10%.

28. 31% 9% 40% 20% 0,002 mm 2 mm 0,06 mm PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” A = 20% L = 40% S = 9% G = 31% Limo con ghiaia argilloso debolmente sabbioso -Preceduta dalla congiunzione "con" se compresa tra il 25% ed il 50%. -Seguita dal suffisso "oso" se compresa tra il 10% ed il 25%. -Seguita dal suffisso "oso" e preceduta da "debolmente" se compresa tra il 5% ed il 10%.

29. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Il coefficiente di uniformità di Hazen esprime la forma della curva granulometrica per terre a grana grossa: D60 C = D10 0,002 mm 2 mm 0,06 mm 1 < C < 2 : materiale uniforme 2 < C < 6 : materiale poco graduato 6 < C < 15 :materiale ben graduato C>15 : materiale molto ben graduato

30. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Per le terre a grana fine, sistemi classificativi basati unicamente sulla dimensione delle particelle sono inadeguati; il comportamento d’insieme delle terre a grana fine, infatti, dipende essenzialmente dalle azioni tra granulo e granulo e tra i granuli e l’acqua di porosità, e queste azioni dipendono dalla natura mineralogica delle particelle. Quanto più queste azioni sono forti (=“tanto più l’argilla è attiva dal punto di vista chimico fisico”), • tanto maggiore è la quantità di acqua libera che essa può trattenere • ampio il campo di variazione del contenuto d’acqua libera nel quale essa mantiene un certo stato fisico (solido, plastico, liquido). Sfruttando questa proprietà, in Geotecnica la costituzione mineralogica di una terra argillosa si determina misurando il contenuto d’acqua in convenzionali e ben definitistati fisici del materiale.

31. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” All’aumentare del contenuto d’acqua la consistenza del terreno diminuisce da quella di un solido a quella di un liquido. w (%) wL wP wS Limite di ritiro Limite di liquidità Limite di plasticità Stato di consistenza liquida Stato di consistenza plastica Stato di consistenza semi-solida Stato di consistenza solida

32. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” I limiti di Atterberg (o “limiti di consistenza”) sono contenuti d’acqua del materiale (a grana fine) rimaneggiato per i quali si ha il passaggiotra i diversi stati di consistenza, e sono legati indirettamente alla composizione mineralogica. w (%) wL wP wS Limite di ritiro Limite di liquidità Limite di plasticità Stato di consistenza liquida Stato di consistenza plastica Stato di consistenza semi-solida Stato di consistenza solida

33. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” w (%) wL wP wS Limite di liquidità Il terreno viene mescolato con acqua distillata formano una pastella. Il limite di liquidità viene determinato con un apparecchio detto “cucchiaio di Casagrande”, e corrisponde al contenuto d’acqua per il quale, nella terra posta nel cucchiaio, un solco tracciato con un apposito utensile, si chiude di circa 1 cm di lunghezza dopo 25 cadute del cucchiaio.

34. W (%) WL 25 Numero di colpi PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” w (%) wL wP wS Limite di liquidità Il terreno viene mescolato con acqua distillata formano una pastella. Il limite di liquidità viene determinato con un apparecchio detto “cucchiaio di Casagrande”, e corrisponde al contenuto d’acqua per il quale, nella terra posta nel cucchiaio, un solco tracciato con un apposito utensile, si chiude di circa 1 cm di lunghezza dopo 25 cadute del cucchiaio.

35. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” w (%) wL wP wS Limite di plasticità Il Limite di plasticità viene determinato formando per rotolamento cilindretti di terreno del diametro di 3 mm e corrisponde al contenuto d'acqua per cui si presentano le prime screpolature sulla superficie dei cilindretti .

36. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” w (%) wL wP wS Limite di ritiro Il Limite di ritiro è scarsamente utilizzato perchè è di scarsa rilevanza pratica. E’ il contenuto d’acqua che corrisponde al passaggio della condizione di saturazione a quella di non saturazione. Viene determinato in forno ed è quel contenuto d’acqua per il quale il materiale non si ritira più.

37. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” w (%) wL wP wS - wP IP = wL Indice di plasticità L’indice di plasticità è la differenza tra il limite di liquidità e il limite di plasticità, e viene utilizzato insieme a wL per classificare i terreni a grana fine sulla carta di Casagrande. Esso indica l’ampiezza di variazione del campo tra il limite di liquidità e quello di plasticità.

38. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” w (%) wL wP wS IP Carta di Casagrande.

39. n n PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” wn w (%) wL wP wS IP L’indice di consistenza IC è definito come: Esso ci dice “come sta tra il limite di liquidità e quello di plasticità il contenuto naturale d’acqua del materiale provato”.

40. n n PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” wn w (%) wL wP wS IP Il valore di IC può fornire una stima delle proprietà meccaniche (resistenza e compressibilità) di un dato terreno: ad un incremento di IC corrispondono un incremento dellaresistenza al taglio e una riduzione dellacompressibilità. per wn = wL è IC = 0 per wn = wP è IC = 1 per wn < wP è IC > 1

41. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” IDENTIFICAZIONE E CLASSIFICA DELLE TERRE • ► In funzione della dimensionedei granuli le terre vengono classificate in: argille (D < 0,002 mm), limi (0,002 mm < D < 0,06 mm), sabbie (0,06 mm < D < 2 mm), e ghiaie (2 mm < D < 60 mm). • ► Le sabbie e le ghiaie sonoterre a grana grossa, sono granulari e incoerenti. Le argille e i limi sono terre a grana fine, sono coesive, e per esse sistemi classificativi basati unicamente sulla dimensione delle particelle sono inadeguati, in quanto il comportamento d’insieme dipende dalla naturamineralogica delle particelle e dalla loro estensione superficiale.

42. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” IDENTIFICAZIONE E CLASSIFICA DELLE TERRE ► Si definiscono “proprietà indici” di un terreno le proprietà fisiche che ne esprimono quantitativamente la composizione e lo stato di aggregazione. (peso specifico dei granuli) (peso di volume del secco) 100 (%) ► Per i terreni a grana grossa il comportamento meccanico dipende dalla densità relativa.

43. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” IDENTIFICAZIONE E CLASSIFICA DELLE TERRE ►La curva granulometrica è una rappresentazione grafica che consente un’immediata visione dell’assortimento granulometrico della terra indagata. Viene determinata per vagliatura meccanica ai setacci per particelle di diametro maggiore di 74 micron, per sedimentazione in aerometro per particelle di diametro minore. Il materiale viene denominato con il nome della frazione granulometrica più abbondante seguito dai nomi delle frazioni secondarie presenti. La denominazione delle frazioni secondarie è: -Preceduta dalla congiunzione "con" se compresa tra il 25% ed il 50%. -Seguita dal suffisso "oso" se compresa tra il 10% ed il 25%. -Seguita dal suffisso "oso" e preceduta da "debolmente" se compresa tra il 5% ed il 10%.

44. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” IDENTIFICAZIONE E CLASSIFICA DELLE TERRE ►Per le terre a grana finesistemi classificativi basati unicamente sulla dimensione delle particelle sono inadeguati in quanto il comportamento d’insieme dipende dalla natura mineralogica delle particelle e dalla loro estensione superficiale. I limiti di Atterberg (limite di liquidità, limite di plasticità e limite di ritiro) sono contenuti d’acqua del materiale per i quali si ha il passaggio tra stati di consistenza diversi, e sono legati indirettamente alla natura mineralogica delle particelle. La classificazione di una terra a grana fine viene fatta tramite la carta di Casagrande, che utilizza il valore del limite di liquidità e dell’indice di plasticità.

45. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” IDENTIFICAZIONE E CLASSIFICA DELLE TERRE ESERCITAZIONE Definire secondo la classificazione adottata dall’AGI le terre la cui curva granulometrica è riportata nelle tre Figure sottostanti. Figura 1

46. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Figura 2

47. PrimaFacoltà di Architettura “Ludovico Quaroni” Figura 3