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) .

Roccia 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/m^2= 10^6 N/m^2= 10 Kg/cm^2

Un esempio di rocce tenere possono essere rocce piroclastiche ovvero

sedimentarie scarsamente cementate, areniti, beach rock...

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

- Caratteristiche fisiche

- Stato dei materiali

- Parametri preliminari di comportamento meccanico 1

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 grana fine (Passante al setaccio 200 maggiore del 50% in peso)

NB. Setaccio 200 apertura delle maglie pari a 0.074 mm. 2

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 la loro forma. Esiste un abaco in cui a diversi colori di

terreno è associato 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 finchè

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, o sole, o con mezzi artificiali, finché la temperatura

non superi i 60°. Testare la resistenza dei 3 campioni secchi tramite

schiacciamento con le dita. 3

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. E’ inoltre da notare la

resistenza del bastoncino. Dopo che i bastoncini si sgretola, i pezzi devono

essere aggregati insieme e impastati fino a quando il grumo si sgretola. Si noti la

tenacità del materiale durante l'impasto. 4

Dopo aver testato resistenza a secco, dilatanza e tenacità si può ricavare il

simbolo del terreno corrispondente.

Plasticità: terreno non plastico è 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. 5

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:

= ( − 0)/( − ) * 100

e0 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. E’ 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. 6

- 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 fina 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 tra 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). E’ 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

7

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 .

σ

0,0068γ+1,01

- equazione di Miller: σ = 10

R=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 da 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 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: 8

Spesso interessa avere un valore relativo della compressione monoassiale e non

esatto, cioè basta sapere che un dato calcare ha resistenza compresa tra 50 e

100 Mpa. Per questo la tabella sopra è particolarmente utile.

Nella tabella seguente sono forniti i valori indicativi (MPa), ma molto utili, della

resistenza a compressione monoassiale per diversi litotipi (poco alterati).

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

- E’ 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): 9

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 10

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 rappresentazioni

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…). 11

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