CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI GEOTECNICIlabgtec/corso_geotecnica/Dispense_Tarantino... · della...

1.1

Università degli Studi di Trento - Facoltà di IngegneriaGeotecnica A / Elementi di Geotecnica (Dr. A Tarantino)

CLASSIFICAZIONE DEI CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI GEOTECNICIMATERIALI GEOTECNICI

1.2


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


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


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


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


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


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



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



MINERALI ARGILLOSI

Caolinite-serpentine

Illite-vermiculite

Smectite

1.10



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


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


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


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


StratiStrati ((impilamentoimpilamento di di foglifogli))

1.15


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


Schema di Schema di mineraliminerali argillosiargillosi

I minerali differiscono tra loro per il tipo di ’colla’ chemantiene insieme i successivi strati

1.17


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


MicrofotografieMicrofotografie deidei mineraliminerali argillosiargillosi

Caolinite Montmorillonite

Sono eseguite al microscopio a scansione elettronica

1.19


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


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


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


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


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


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


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


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


Forma del Forma del granograno

Particelle allungate ed appiattite possono disporsi secondo un’orientazionepreferenziale ed essere responsabili di comportamenti anisotropi del terreno

1.28


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


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


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


SistemiSistemi di di classificazioneclassificazione basatibasati sullasulladimensionedimensione delledelle particelleparticelle

1.32


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


EsempiEsempi di curve di curve granulometrichegranulometriche

1.34


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


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


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


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


AgitatoreAgitatore meccanicomeccanico e e staccistacci

Si esegue per frazioni granulometriche con d > 0.06 mm

Agitatore meccanico

Staccio e materiale trattenuto

1.39


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


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


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


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


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


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


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



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



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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


IndiceIndice di di attivitattivitàà

( ) mm 0.002LP <= p

aI

I

Attive: smectitiNormali: illitiInattive: caoliniti

1.58


IndiceIndice di di consistenzaconsistenza

pIwwI L

c−

=

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