Geologia applicata - Appunti

I TERRENI FINI

Struttura dei minerali argillosi 44-

I minerali delle argille sono fillosilicati idrati costituiti da tetraedri SiO e ottaedri collegati a formare

reticoli elementari (pacchetti)

+ pacchetti = argilla caoliti

Esiste un elevato numero di tipi di minerali argillosi illiti

Montmorilloniti

La singola particella di argilla ha carica elettrica nulla con ioni ossigeno distribuiti sulla superficie

che tendono appunto a interagire con la molecola dipolare dell’acqua. Si forma il doppio strato

elettrico Ioni idrogeno 38

Gli ioni ossigeno tendono a legarsi con

Con ioni positivi in soluzione nell’acqua stessa

Struttura delle argille:

• Particelle depositate in acqua dolce tenderanno a respingersi dando vita a una struttura

dispersa o orientata

• Particelle depositate in acqua salata daranno vita a una struttura flocculata

Classificazione terreni fini

È necessario conoscere lo stato fisico ed il comportamento fisico-meccanico della terra in funzione

del suo contenuto d’acqua.

Lo stato fisico e il comportamento vengono determinati per mezzo della misura dei limiti di

consistenza, detti anche limiti di Atterberg

Setaccio a maglia 0.425mm

In funzione del contenuto d’acqua il materiale può trovarsi nello:

• Stato fluido

• Stato plastico

• Stato semisolido

• Stato solido

Ciascun limite di consistenza definisce il contenuto d’acqua espresso in percentuale

in peso rispetto al peso secco del terreno

• Limite liquido cucchiaia di Casagrande

Ripetendola più volte ovrò 3 coppie di valori che andrò a collocare su

un diagramma logaritmico e unirò formando un segmento di retta.

Il calore di umidità corrispondente ad un numero di 25 colpi

rappresenta il limite liquido di una terra. 39

• Limite plastico : si determina su una porzione di terreno manipolata in modo che a contatto

con l’aria perda un poco di umidità cioè faccio dei piccoli cilindri come se

giocassi con la plastilina, quando cominciano a fessurarsi li pongo in forno

l’umidità che se ne ricava è appunto il limite plastico

indice plastico (Ip) = limite plastico – limite liquido

limite liquido, limite plastico e indice plastico sono indispensabili per la classificazione dei terreni

fini e della porzione di terreno fine.

• Più un terreno fine contiene acqua < interazione elettrostatica

• <quantità d’acqua adsorbita > forze attrazione elettrica

• Limite di ritiro : contenuto d’acqua per il quale non si registra più alcuna variazione di

volume Il passaggio dallo stato solido allo stato semisolido

Viene determinato per mezzo del progressivo essiccamento di una porzione

di terra tenendo sotto controllo sia il suo volume che la corrispondente

umidità

Preciso significato fisico

Confrontando i valori dei limiti di consistenza di un terreno con la sua umidità naturale si possono

ricavare alcune importanti informazioni :

• Stato fisico in condizioni naturali

• Consistenza (= capacità di una terra di resistere a sollecitazioni meccaniche)

Indice di consistenza= limite liquido- contenuto di acqua/ indice plastico

La consistenza può essere definita anche come la capacità di un terreno di resistere alla

penetrazione, avendo a disposizione un penetrometro tascabile si può definire la consistenza in

modo accurato poiché un cursore indica su scala graduata la resistenza offerta dal terreno alla

penetrazione. CAPITOLO 13

IL MATERIALE ROCCIA

MATERIALE ROCCIA: elemento costituito da particelle discrete, granuli o cristalli legati tra

loro da forze coesive a carattere permanente,privo di discontinuità (=

qualsiasi 40

superficie di debolezza strutturale)

AMMASSO ROCCIOSO: si indica il corpo fisico costituito dall’insieme del materiale

roccioso e delle Discontinuità; il comportamento meccanico dell’ammasso dipende

dal comportamento del materiale roccia più quello delle discontinuità.

Caratteristiche del materiale roccia che è utile sapere in qualunque problema applicativo:

• Caratteristiche petrografiche : breve descrizione litotipo e in alcuni casi si può mettere in

evidenza la quantità percentuale di materiali duri che avranno un

ruolo importante nella lavorabilità della roccia.

• Caratteristiche fisiche la roccia è un mezzo plurifase costituito fa fase solida liquida e

gassosa. Tra le caratteristiche misurabili:

-peso di volume bilancia idrostatica

-peso specifico parte solida

-porosità

-indice vuoti

-contenuto d’acqua

-grado saturazione

-permeabilità

• Caratteristiche meccaniche utili da conoscere:

-quelle che mostrano la resistenza a rottura:

-prova di resistenza a compressione monoassiale

-prove a trazione diretta e indiretta

-prove di taglio diretto

-prova a flessione

-prova a compressione triassiale

-prova a torsione

-quelle che descrivono il comportamento del materiale roccia prima che si

rompa

Resistenza a compressione monoassiale

Si sottopone un provino di forma regolare, posto tra 2 piastre piano parallele ad una

forza perpendicolare alle piastre stesse.

Viene definita come: massima forza applicata

area della sezione iniziale del provino

al fine di uniformare e rendere confrontabili i risultati, sono state introdotte delle procedure

standard, frequentemente applicata è la procedura prevista dall’international Society for Rock

Mechanics: 41

• I piani devono essere perfettamente paralleli e lisci

• Il provino deve essere di forma cilindrica con un rapporto altezza/diametro compreso tra 2.5

e 3

• Il diametro non deve essere < 54mm

• I provini devono essere conservati in condizioni di umidità naturali

In Italia viene ancora impiegata una procedura che porta alla rottura di 8 provini cubici e la

resistenza a compressione monoassiale viene ricavata dalla media delle 8 prove.

Resistenza a trazione diretta

Definita come “la resistenza a rottura di un provino sottoposto a 2 forze uguali e contrarie

applicate lungo la stessa retta d’azione.

Provino fissato con resine epossidiche aventi resistenza alla trazione superiore a quella della

roccia.

La resistenza a trazione è definita come: massima forza applicata

area della sezione iniziale del provino

alcuni problemi legati all’uso e all’affidabilità delle resine ect si sono sviluppate alcune prove

indirette in alternativa. (prova a carico puntiforme)

resistenza a trazione indiretta: prova a carico puntiforme

apparecchiatura portatile di impiego rapido.

Permette di operare anche su provini di forma irregolare, posizionandoli tra una coppia di

punte coniche, tramite le quali viene esercitato lo sforzo di compressione.

Quando la dimensione caratteristica del provino è =50mm:

Indice di resistenza al carico puntiforme (Is ) = forza di compressione assiale a

50

rottura (P) 2

quadrato delle dimensione caratteristica (D )

I provini devono essere nelle condizioni di umidità naturale

La distanza tra le punte deve essere prossima o uguale a 50mm

Per campioni irregolari occorre eseguire almeno 20 misure.

Per i provini che presentano un valore di D diverso da 50mm l’indice Is viene ricavato dalla Size

50

Corretion Chart. Correzione ritenuta necessaria quando tramite osservazioni si notò come i valori

Is variassero in relazione della dimensione del provino.

50

Possiamo dunque definire l’indice di anisotropia alla prova di carico puntiforme:

Ia= Is perpendicolare

50 42

Is parallelo

50

Vi sono relazioni tra point-loand e resistenza a trazione σ τ

Tra point-loand e compressione monoassiale σ c

σ = 0.9 Is

τ 50

σ = 24 Is

c 50

in considerazione dell’ampia diffusione della prova vi sono delle integrazione delle norme ISRM

proposte da vari autori:

forme e dimensioni dei provini

anche se di forme irregolari deve essere almeno assimilabile ad un parallelepipedo

D dovrà essere non inferiore a 30mm

Preparazione del campione

Vanno scartati campioni che mostrano fratture, anche se piccole e ovviamente quelli non ritenuti

rappresentativi del campione in esame.

Calcolo dell’indice di resistenza a carico puntiforme

GREMINGER: considerando i fattori correttivi e l’effetto scala

Per spezzoni cilindrici con carico diametrale:

Is= F = 0.141F

1.5 0.5 1.5

D * d D

Per tutti gli altri casi:

Is= 0.834 F = 0.118F

0.75 0.5 0.75

(D*l ) * d (D*l)

F= sforzo a rottura

d= diametro di riferimento =50mm

l= dimensione sul piano normale alla direzione di applicazione dello sforzo lungo la quale si sviluppa la

Rottura

D= distanza tra le punte al momento della rottura

La resistenza a trazione indiretta: La prova brasiliana

Anche in questo caso si tratta di applicare uno sforzo di compressione per ottenere una

rottura per trazione.

Un provino di materiale roccia viene sagomato per segagione facendogli assumere una

forma discoidale con diametro D=54 pari al doppio dello spessore.

Il provino viene allora posto tra le 2 ganasce metalliche e viene applicata una forza F che

porta alla rottura del provino.

La resistenza alla prova viene calcolata secondo la formula:

σ (brasiliana)= 2F/πDs

τ

procedura normata ISRM

resistenza al taglio puro (o diretto) 43

Si può ottenere con diversi strumenti.

Il più semplice è quello mostrato in figura.

Constati elastiche statiche

(parametri che descrivono il comportamento del materiale roccia prima che questo giunga a rottura)

Il test di compressione monoassiale è anche il modo più semplice per calcolare le costanti

elastiche di campione roccioso.

In pratica si tratta di applicare una forza su un provino e misurare le variazioni assiali e diametrali

del provino per mezzo di un trasduttore parallelo e uno perpendicolare alla direzione di

applicazione dello sforzo sino a giungere a rottura.

Diagramma sforzi-deformazioni:

Si definiscono normalmente:

deformazione assiale: ε = H – H = ΔH

h 0 r H H

0 0

Deformazione radiale: ε = d – d = Δd

d 0 r

d d

0 0

il rapporto di Poisson: μ= ε

d

ε

h

resistenza a rottura: σ = forza a rottura (N)

c 2

area del provino (m )

modulo elastico tangente alla curva in corrispondenza del punto di ordinata σ /2

c

E = Δσ

t50 Δε

Modulo di deformazione: M = σc = σc

d 44

(H – H )/ H ΔH/H

0 r

H = altezza iniziale

0

H = altezza a rottura

r

d = diametro iniziale

0

d = diametro a rottura

r

Δσ= interv