Rilevamento e cartografia geologico-tecnica

Rilevamento e cartografia geologico-tecnica

Terre e rocce

Dal punto di vista geologico-tecnico si distinguono:

• Terre
• Rocce

Le terre si originano da processi di erosione, trasporto o deposito di rocce o altre terre. Le terre hanno una natura clastica, cioè costituita da particelle, generalmente non cementate tra loro. Talvolta esistono tra le particelle legami di cementazione o di coesione ben diversi, in termini meccanici, dai legami presenti nelle rocce come argille, oppure sabbie (coesione apparente). Si dividono in ghiaie, sabbie, silt e argille. Processi di compattazione e cementazione, all'aumentare di T e P, danno origine a rocce (conglomerati, brecce, arenarie, siltstone e shale).

La roccia è un aggregato naturale di minerali e/o clasti generato da diversi processi ma comunque dotato di forti legami interni tali che la disgregazione può avvenire solo tramite elevata energia meccanica e chimica. In base alla resistenza a compressione semplice si distinguono rocce tenere (<1 MPa) e rocce lapidee. Il passaggio da rocce tenere a lapidee è posto per convenzione a circa 25 MPa. NB 1 MPa=1 MN/m²= 10⁶ N/m²= 10 Kg/cm². Un esempio di rocce tenere possono essere rocce piroclastiche, ovvero sedimentarie scarsamente cementate, areniti, beach rock...

Dati deducibili dal rilievo geologico-tecnico

Dati deducibili dal rilievo geologico-tecnico in sito in maniera speditiva:

• Caratteristiche fisiche
• Stato dei materiali
• Parametri preliminari di comportamento meccanico

Es. feel test: determinazione al tatto di caratteristiche peculiari del materiale. Manipolando il terreno tra le mani si osserva che:

• Sabbia granulare
• Silt liscio
• Argille appiccicoso

Caratterizzazione terre - ASTM

Esistono degli standard a livello internazionale che ci guidano nella caratterizzazione dei terreni. Un insieme di procedure standard molto utilizzate sono le ASTM (American Standard for Testing Materials). Il punto D 2488-00 riporta la procedura standard per la descrizione e l’identificazione delle terre (procedura visiva e manuale). Sono necessari un coltellino tascabile e una piccola spatola.

La prima grande suddivisione delle terre, secondo l’ASTM, è basata sulla classificazione unificata delle terre USCS (Unified Soil and Classification System). La prima grande suddivisione è quella fra:

• Terreni a grana grossa (Passante al setaccio 200 minore del 50% in peso)
• Terreni a grana fine (Passante al setaccio 200 maggiore del 50% in peso)

NB. Setaccio 200 apertura delle maglie pari a 0.074 mm.

Campione rappresentativo

Un campione è ritenuto rappresentativo se ottenuto tramite procedure appropriate, accettate o standardizzate. In base alla granulometria del materiale bisognerà prelevare un quantitativo in termini di massa diverso affinché il campione sia rappresentativo. Tanto minore è la granulometria tanto minore sarà il quantitativo in termini di massa da prelevare affinché il campione sia rappresentativo. Es. granulometria 5 mm massa 100.

Durante la classificazione USCS è importante tenere conto del grado di spigolosità dei ciottoli e della loro forma. Esiste un abaco in cui a diversi colori di terreno è associata una sigla. Confrontando il colore della mia terra con quelli sull’abaco la posso classificare. Si osserva inoltre la resistenza all’HCl.

Identificazione preliminare speditiva

Procedure per identificare i terreni a grana fina (sezione 14 ASTM):

• Resistenza a secco: ci permette di determinare quanta argilla o limo c’è in un materiale fino. Procedura: dal campione, selezionare il materiale sufficiente per modellare una pallina di circa 25 mm di diametro. Plasmare il materiale finché non ha la consistenza dello stucco, aggiungendo acqua se necessario. Dal materiale modellato ricavare almeno tre campioni (palline). Un campione di prova deve essere una palla di materiale di circa 12 mm di diametro. Lasciare asciugare i campioni all’aria, al sole, o con mezzi artificiali, finché la temperatura non superi i 60°. Testare la resistenza dei 3 campioni secchi tramite schiacciamento con le dita. La resistenza a secco aumenta all’aumentare della plasticità e quindi all’aumentare della componente argillosa, perché la resistenza è data dai legami coesivi tra le particelle! Alta componente argillosa = alta plasticità.
• Dilatanza: Selezionare il materiale sufficiente per modellare una palla di circa 12 mm di diametro. Rimaneggiare il materiale aggiungendo acqua, se necessario, fino a che ha una consistenza morbida ma non appiccicosa. Spianare la palla di terreno nel palmo della mano con la lama di un coltello o una piccola spatola. Agitare orizzontalmente, colpendo il lato della mano vigorosamente contro l’altra mano varie volte. Nota la reazione dell’acqua che appare sulla superficie del terreno. Spremere il campione chiudendo la mano o pizzicare il terreno tra le dita, e notare la reazione che può essere nessuna, lenta o rapida. La reazione è la velocità con cui l’acqua appare agitando o scompare spremendo. Le argille sono poco permeabili, hanno un'alta reattività con l’acqua che conduce anche ad un’elevata coesione. L’alta reattività con l’acqua fa sì che tutta l’acqua venga legata alle particelle argillose stesse per questo non si nota alcuna reazione dell’acqua durante il test sopra citato.
• Tenacità: dopo il completamento del test sulla dilatanza, il provino è modellato in una striscia allungata e piatta e poi rullato con la mano su una superficie liscia o tra i palmi fino a formare un bastoncino di circa 3 mm di diametro. Se il campione è troppo bagnato per essere rullato facilmente, dovrebbe essere ripartito in strati sottili e far diminuire il contenuto d’acqua per evaporazione. Piegare il bastoncino così formato e frullare nuovamente finché il bastoncino si sbriciola ad un diametro di circa 3 mm. Il bastoncino si sgretolerà con questo diametro quando il terreno è vicino al limite plastico. È inoltre da notare la resistenza del bastoncino. Dopo che i bastoncini si sgretolano, i pezzi devono essere aggregati insieme e impastati fino a quando il grumo si sgretola. Si noti la tenacità del materiale durante l'impasto.

Dopo aver testato resistenza a secco, dilatanza e tenacità si può ricavare il simbolo del terreno corrispondente.

Plasticità: terreno non plastico è quello che, per nessun contenuto d’acqua, può essere plasmato in bastoncini da 3 mm di diametro. Alta plasticità: i bastoncini si plasmano facilmente ma occorre molto tempo per raggiungere il limite plastico perché il terreno potrebbe avere un notevole contenuto d’acqua.

Procedura per identificare i terreni a grana grossa (sezione 15)

• Stato di addensamento: Lo stato di addensamento di un terreno granulare (es.sabbie) può essere descritto dalla densità relativa. La densità relativa è un parametro di stato: = ( e_max − e₀)/( e_max − e_min ) * 100

Indice dei vuoti in sito, e_max (minore addensamento) si ricava facendo sedimentare del terreno in modo libero tramite il metodo del cono di sabbia, e_min (massimo addensamento) si ricava sempre tramite il metodo del cono di sabbia facendo però vibrare le particelle. L’indice dei vuoti tipico di un terreno abbastanza recente (es. argille NC) avrà un indice dei vuoti di circa 1. Metà del volume è rappresentato dal solido e metà è riempito da aria. Un terreno più antico (argilloso limoso OC) avrà un indice dei vuoti di circa 0.5. Dove il volume dei vuoti è metà del volume del solido. Le sabbie hanno un indice dei vuoti di circa 0.6 o 0.7. In realtà per le sabbie non ha molto senso parlare di indice dei vuoti in sito. È meglio fare riferimento alla densità relativa (terreni granulari).

Se Dr è pari al 100% significa che lo stato di addensamento in sito si avvicina all’e minimo. Quindi NON vuol dire che nel terreno non ci sono vuoti. Da un punto di vista pratico per determinare se un terreno è addensato o sciolto si fa la prova della pala:

Un altro sistema è l'infissione di un tondino d’acciaio:

• Se la densità relativa è bassa (0-50%) il tondino può facilmente penetrare anche solo tramite la pressione delle mani.
• Se la densità è media (50-70%) il tondino penetra facilmente con il martello.
• Se la densità è abbastanza elevata (70-90%) il tondino penetra solo di pochi decimetri con il martello.
• Se la densità è molto elevata (90-100%) il tondino penetra solo per alcuni cm con il martello.

Ricapitolando

Dalle osservazioni di sito si possono trarre importanti informazioni in merito alle caratteristiche fisiche e allo stato delle terre:

• Terre a grana grossolana (ghiaie e/o sabbie prevalenti): Osservazioni macroscopiche per definire codice classificativo USCS (distribuzione granulometrica), eventuale cementazione, contenuto d’acqua, grado di addensamento, colore tramite carta di Mansell.
• Terre a grana fine (argille e limi prevalenti, ma anche per caratterizzare la componente fine della matrice di terre grossolane): Prove manuali per definire il contenuto d’acqua, consistenza, resistenza a secco, dilatanza, tenacità (consistenza al limite plastico), plasticità. Tramite i valori di resistenza a secco, dilatanza e plasticità si può determinare il codice classificativo USCS (distribuzione granulometrica). Quindi da semplici prove speditive siamo in grado di risalire al codice classificativo USCS senza portare in laboratorio il campione.

Caratterizzazione speditiva delle rocce

Distinguiamo rocce lapidee e tenere. Un esempio di roccia lapidea è quella della Colata Capo di Bove (fase Faete-250.000 anni fa) che corre lungo l’Appia Antica (corre da SE a ND verso il centro di Roma con uno sviluppo quasi rettilineo). L’Appia Antica oggi è una zona morfologicamente rilevata. Perché? La colata si è messa in posto in una paleovalle, poi c’è stata un'inversione del rilievo dovuta ad erosione selettiva differenziale (le formazioni circostanti di origine fluvio-lacustre sono state erose ed è rimasta la colata in posizione rilevata). Si chiama Colata di Capo di Bove perché sull’Appia Antica c’è la tomba di Cecilia Metella. Sul cui fregio fra un festone e l’altro sono rappresentate delle teste di buoi.

Le rocce lapidee possono essere classificate tramite prove con il martello di Schmidt (o sclerometro). È uno strumento che viene utilizzato per stimare la resistenza alla compressione monoassiale della porzione più superficiale della roccia su cui viene effettuata la misura. Il modello L è quello per le rocce mentre quello N per i calcestruzzi. Lo sclerometro era nato inizialmente per determinare la resistenza a compressione dei calcestruzzi, poi è stato riadattato per le rocce. Lo strumento è costituito da una massa battente proiettata da una molla contro un’asta metallica di percussione poggiata direttamente sulla roccia. Dal rimbalzo elastico (compreso fra 10 e circa 70 MPa) della massa, funzione della quantità di energia elastica restituita dal materiale su cui viene effettuata la prova, è possibile risalire alla resistenza a compressione del materiale stesso tramite:

• Uno specifico diagramma: sull’asse delle x valore rimbalzo, lo proietto verticalmente e incontro la linea obliqua della densità, poi mi sposto orizzontalmente e trovo il valore della resistenza a compressione.
• Equazione di Miller: σ = 10R = rimbalzo, = peso di volume γ

Ci sono delle normative stabilite dalla ISRM (International Society for Rock Mechanics) che forniscono degli standard per la classificazione delle rocce/ammassi rocciosi fratturati. Essi mi dicono che per avere la resistenza a compressione semplice di una roccia, tramite martello di Schmidt, bisogna fare almeno 10 misure. Le 5 minori le scarto e faccio una media delle altre 5 per avere una media della resistenza a compressione della roccia. Scarto le più basse perché la roccia in superficie è alterata, quindi mi dà un valore del rimbalzo più basso del normale. NB. In genere si prende una maglia regolare dove faccio una decina di misure.

Se la prova viene eseguita su di una superficie rocciosa non alterata, la resistenza a compressione apparente è circa uguale alla resistenza a compressione calcolata tramite prove monoassiali o il Point Load Test. Pertanto il rapporto tra le due compressioni è molto prossimo all’unità. Quando invece la superficie della roccia è sottoposta alla prova dello sclerometro è alterata, il rapporto tra le due compressioni tende ad aumentare fino a essere maggiore di 10 in caso di alterazione profonda. Se non si hanno sondaggi, se non si ha a disposizione lo sclerometro, per determinare la resistenza a compressione monoassiale si può usare il martello da geologo. Indicativamente, dalla risposta della roccia si possono assegnare i seguenti valori:

Conclusioni

• La resistenza a compressione è uno dei parametri fondamentali della meccanica delle rocce ed è un primo indicatore della problematica ingegneristica a cui la roccia può essere sottoposta.
• È un parametro di ingresso delle classificazioni geomeccaniche e quindi spesso si ricava in uno dei modi precedentemente descritti.
• Dalla definizione di resistenza alla compressione monoassiale sono nate in un certo senso le classificazioni geomeccaniche.
• Resistenza a compressione semplice e correlazioni con la durezza di Schmidt (Hr):

Caratterizzazione delle discontinuità

• Giacitura
• Giacitura piano affioramento: Orientazione del versante, altezza sul p.c., larghezza. La giacitura deve essere espressa mediante il valore dell’azimut della linea di massima pendenza (direzione di immersione dip direction) e dell’inclinazione di questa rispetto all’orizzontale (inclinazione dip). Questa convenzione è quella comunemente utilizzata in geomeccanica per la misura della giacitura dei piani.
• Giacitura linea di scansione: Direzione della linea di scansione, eventuale deviazione della linea di scansione e la sua lunghezza. Lungo di essa vanno considerate e misurate solo le discontinuità che intersecano la linea (fettuccia metrica). Un’indicazione sulla lunghezza ottimale dello stendimento può derivare dalla relazione: L=50xS, dove L è la lunghezza dello stendimento e S il valore della spaziatura stimata su 1 m di ammasso.
• Orientazione: Direzione di immersione (dip direction) e l'inclinazione (dip) del piano di discontinuità. La posizione relativa nello spazio delle discontinuità e dei versanti di cui si debbano stimare le condizioni di stabilità è di fondamentale importanza perché esse controllano la possibilità geometrica dello sviluppo di movimento e/o di deformazioni eccessive.

La giacitura di un piano di discontinuità nello spazio è descritta attraverso l’inclinazione rispetto all’orizzontale presente e dalla direzione di immersione della linea stessa, misurata in senso orario a partire dal Nord. Tramite questa coppia di grandezze l’orientazione di un piano nello spazio è definita univocamente.

Una discontinuità orientata nello spazio può essere rappresentata su un piano mediante proiezioni di tipo stereografico. La proiezione di più frequente utilizzo in meccanica delle rocce è la proiezione equiareale di Schmidt (su cui possiamo rappresentarci poli o piani). Sul reticolo possiamo riportare la traccia dei cerchi massimi (intersezione del piano con l’emisfero inferiore o superiore di una sfera di riferimenti) o direttamente i poli. Esistono anche reticoli equiangolari come il reticolo di Wulff (mineralogia). Polo di un piano: intersezione tra la normale al piano stesso condotta per il centro del reticolo. Cerchio massimo: intersezione (Vd lezione precedente). Dip inclinazione rispetto al piano orizzontale. Dall’intersezione di due cerchi massimi otteniamo un cuneo di roccia. L’utilizzo dei reticoli ci permette di avere una rappresentazione spaziale di quelle che sono le discontinuità in un ammasso roccioso e ricostruire i diversi cinematismi (come blocchi di roccia scorrono su superfici di discontinuità). Tramite un reticolo di conteggio posso andare a contare tutti i poli presenti in un emisfero e andare a determinare le isodense. L’angolo tra il centro del reticolo e il polo è uguale all’angolo fra l’equatore del mio reticolo e l’angolo che descrive con il grande cerchio relativo a quel polo stesso. Saper leggere questo tipo di rappresentazione che abbiamo sui reticoli è importante perché mi permettono di ricostruire i cinematismi di rottura lungo superfici di discontinuità in ammassi rocciosi (versanti naturali, antropici…).

1. Frana rotazionale (in terre o rocce pesantemente fratturate), la cresta del versante è la linea più rettilinea, mentre il fronte del versante (slope face) è rappresentato dal grande cerchio che immerge verso sud-ovest, con dip direction 260.
2. Simile all’esempio precedente ma lo scivolamento avviene lungo una superficie diversa.