Geologia Tecnica/Idrogeologia

La geologia applicata

La geologia applicata rappresenta l'applicazione delle Scienze della Terra alle problematiche relative all'interazione dell'uomo con l'ambiente ed è finalizzata all'investigazione, studio e risoluzione dei problemi ingegneristici ed ambientali che possono insorgere come risultato dell'interazione tra geologia ed opere antropiche. Prevede inoltre lo sviluppo di misure idonee per la prevenzione e la mitigazione dei rischi geologici.

Classificazione tecnica dei geomateriali

I materiali studiati, che sono diversi e diverso sarà il loro comportamento in base alla natura, possono essere soggetti a modificazioni da parte di eventi naturali ed antropici.

Ammassi rocciosi

Ammassi rocciosi: roccia in posto con relative discontinuità di vario tipo (faglie, fratture, giunti di strato) che possono essere:

• Primarie o singenetiche, sviluppatesi all'atto della formazione della roccia (giunti di strato, piani di scistosità, fratture di consolidamento).
• Secondarie o epigenetiche, sviluppatesi in seguito alla formazione della roccia (fratture e faglie).

1. Frattura: discontinuità lungo la quale non c'è stato alcuno spostamento visibile.
2. Faglia: discontinuità lungo la quale c'è stato uno spostamento visibile (anche chilometrico).

Roccia

Roccia: materiale naturale che, in campioni al di fuori della sua sede, è dotato di elevata coesione, anche dopo un prolungato contatto con l'acqua. Può essere:

• Lapidea se la resistenza a compressione uniassiale è > 25 MPa (graniti, calcari, marmi).
• Debole se la resistenza a compressione uniassiale è < 25 MPa (travertini, tufi, rocce alterate).

Terreno sciolto

Terreno sciolto (soil): materiale naturale formato da aggregati di granuli non legati tra loro o che possono essere separati mediante modeste sollecitazioni o mediante un più o meno prolungato contatto con l'acqua. Può essere distinto in:

• Detrito, se >25% dei granuli costituenti la massa ha ø > 2mm.
• Terra, se >80% dei granuli costituenti la massa ha ø < 2mm. È granulare quando prevale la frazione sabbiosa.

La roccia intatta rappresenta un volume elementare dell'ammasso roccioso. Per caratterizzare una roccia si sottopone a prova la roccia intatta, non l'ammasso roccioso. Sussiste quindi il problema dell'effetto-scala (all'aumentare del volume considerato aumentano le discontinuità), nelle terre invece non sussiste l'effetto-scala.

Un problema dell'effetto-scala per le rocce lapidee sta nella resistenza al taglio, definita come la capacità di un corpo di resistere a sforzi tangenziali. La resistenza al taglio dipende dalla coesione, dal materiale cementante e dall'attrito col provino. La resistenza al taglio di una roccia intatta dipende soltanto dalla sua natura, mentre per un ammasso roccioso è funzione anche delle discontinuità.

Flysch e formazioni strutturalmente complesse

Il flysch è un'alternanza di strati lapidei dal comportamento fragile e di terreni dal comportamento duttile, fittamente ripetuti. Sono materiali eterogenei, anisotropi e discontinui. È definito una formazione strutturalmente complessa in quanto le sue proprietà geotecniche variano entro intervalli piuttosto ampi, hanno una elevata tendenza all'alterazione ed hanno numerose discontinuità.

Con la classificazione di Esu (1977) si dividono le formazioni strutturalmente complesse in tre categorie o classi:

• A. Terreni a grana fine litologicamente omogenei con discontinuità di vario tipo.
• B. Flysch costituito da una componente lapidea (in strati o in elementi separati) ed una componente argillosa o argillitica.
• C. Terreno costituito da una componente lapidea in blocchi immersa in una matrice limo-argillosa (sistema caotico tipico dei terreni residuali).

Forze agenti su un blocco posto su un pendio

All'aumentare della pendenza aumenta la sollecitazione al taglio. La resistenza al taglio, capacità di resistere a sforzi tangenziali, dipende dalla natura del corpo, dalle sollecitazioni, dalla tessitura e dalla struttura dei materiali e varia in virtù della coesione e dell'attrito interno.

La coesione è l'attrazione reciproca tra i granuli a contatto in un terreno. Non dipende dallo sforzo normale, ma solo dalla presenza di acqua e dalla granulometria del terreno. In una sabbia, la coesione è dovuta alla cementazione tra i granuli, mentre nelle argille si tratta di un'attrazione elettrostatica.

Vi sono due aliquote di coesione:

• Coesione reale
• Coesione apparente

La coesione reale è la "coesione vera", cioè tutto ciò che non è compreso nella coesione apparente. Ad esempio la cementazione nelle sabbie o la fusione tra granuli nelle piroclastiti. Si parla di coesione apparente quando l'acqua pellicolare si interfaccia tra due granuli e fornisce un contributo non stabile alla resistenza, ma varia in funzione del contenuto d'acqua e scompare quando il terreno è in condizioni di saturazione.

La coesione scompare all'aumentare della granulometria. La coesione apparente per i limi e le sabbie, oltre che dal contenuto d'acqua, dipende anche dalla presenza di vuoti.

L'attrito interno è la capacità di un materiale di resistere allo scorrimento lungo una superficie, ed è funzione delle dimensioni, del grado di selezione ed arrotondamento dei granuli. È maggiore nei terreni ad alta granulometria.

Proprietà delle terre

Proprietà qualitative dell'aggregato

Sorting: grado di selezione o similarità delle particelle. Gradazione: distribuzione verticale delle dimensioni delle particelle. Forma delle particelle: grado di sfericità e di arrotondamento delle particelle. Orientazione (fabric): allineamento delle particelle considerando l'asse maggiore delle stesse. Rapporto particelle/matrice: relazione tra le particelle e la matrice con riferimento all'esistenza di contatto tra le stesse. Colore: determinabile mediante la comparazione visiva con le tavole cromatiche di Munsell. Odore: utilizzato soprattutto per riconoscere la presenza di materia organica previo riscaldamento della terra.

Classificazione granulometrica

Esistono diverse modalità di classificazione, in Italia quella più utilizzata è la classificazione AGI (Associazione Geologica Italiana):

• Argilla: <0,002 mm 2 µm
• Limi: tra 0,002 mm e 0,06 mm
• Sabbia: tra 0,06 mm e 2 mm
• Ghiaia: tra 2 mm e 64 mm
• Ciottoli: tra 64 mm e 256 mm
• Massi: >256 mm

In base alla granulometria le terre si dividono in:

• Incoerenti (ghiaie e sabbie), dotate di forze di attrazione reciproca debole che scompaiono con la saturazione.
• Coesive (limi ed argille), dotate di forze di attrazione reciproca forti che scompaiono con l'immersione.

La superficie specifica è la superficie contenuta nell'unità di massa, cioè preso un grammo di materiale è la superficie che si otterrebbe se si potesse svolgere tutta la superficie di tutte le singole particelle che contiene.

Proprietà fisico-volumetriche

Prima di eseguire delle prove di laboratorio è indispensabile prelevare dei campioni indisturbati mediante l'uso di una fustella o tubo campionatore (tubo cilindrico in acciaio con pareti spesse 2-3mm, bordo tagliente, diametro 80-100 mm, lunghezza di circa 700 mm). Per non perdere le condizioni naturali del campione (contenuto d'acqua) le estremità della fustella devono essere paraffinate.

La qualità di un campione va da Q1 a Q5.

Strumenti per la determinazione delle proprietà

Picnometro

È uno strumento che misura la densità dei liquidi e dei solidi. È costituito da un'ampolla di vetro a collo largo terminante con un tubo capillare su cui è incisa una tacca di riferimento.

Determinazione della densità di un liquido: si pesa il picnometro riempito fino al segno di riferimento prima con acqua e poi col liquido in esame. Essendo le due quantità di egual volume, si rapportano i pesi e si ricava il rapporto tra la densità dell'acqua (che è nota) e quella del liquido in esame.

Determinazione della densità di un solido: si pesa prima una quantità del solido in esame, si pesa poi il picnometro riempito d'acqua fino al segno di riferimento. Si mette il solido nel picnometro, lo si riempie d'acqua fino al segno di riferimento e si fa una terza pesata. Dalle tre pesate si ricava il peso specifico del solido come rapporto tra il peso del picnometro con acqua ed il peso del volume d'acqua spostato dal solido, si converte poi il peso specifico in densità.

Bilancia idrostatica

Strumento che misura il peso del corpo secondo il principio di Archimede (un corpo immerso in un fluido riceve una spinta verso l'alto uguale al peso del volume di fluido spostato). Essa è costituita da due piattelli, uno dei quali è più corto dell'altro ed è munito di un gancio a cui appendere gli accessori necessari all'esecuzione della misura. Con essa si determina il peso del materiale in esame in aria e poi in acqua e, facendo il rapporto tra le due pesate, si ricava la densità relativa all'acqua del materiale in esame.

Contenuto d'acqua

Contenuto d'acqua (%) = (peso dell'acqua / peso della terra secca) × 100

Procedimento

1. Si determina il peso del contenitore vuoto e del coperchio (Pc)
2. Si pesano contenitore + coperchio + campione (Pcc)
3. Si essiccano il contenitore ed il campione e si fa raffreddare a temperatura ambiente
   • Terra inorganica: T = 105-110°C
   • Terra organica: T = 60°C
4. Si pesa nuovamente il tutto (Pessiccato)
5. Si calcola (peso acqua / peso terra secca) × 100

Peso di volume

• Condizioni naturali: ρn (kg/m³) = peso naturale / volume
• Condizioni a secco: ρd (kg/m³) = peso secco / volume

Dove:

• Wn è il peso della terra in condizioni naturali
• Wd è il peso della terra secca
• V è il volume del campione

Procedimento

1. Si determinano peso (Wc), lunghezza (H) e diametro (D) della fustella vuota
2. Si determina il peso della fustella + campione (Wf)
3. Si calcola Wf - Wc
4. Si estrude il campione e lo si essicca in stufa da laboratorio
5. Si determina il peso secco (Wd)
6. Si calcola ρd = Wd / V

Quando non è possibile ottenere campioni di forma regolare, si determina il peso di volume attraverso il metodo della pesata idrostatica:

• CONDIZIONE NATURALE
  1. Dal materiale estruso si ricava un campione dalla forma più regolare possibile
  2. Si determina il peso del campione (W1)
  3. Si impermeabilizza il campione immergendolo nella paraffina liquida
  4. Si determina il peso del campione paraffinato (W2)
  5. Si determina il peso del campione paraffinato immerso in acqua (W3)
  6. Si calcola V = (W1 - W3) / (ρwater - ρparaffina)
• CONDIZIONE SECCO
  1. Dal materiale estruso si ricava un campione dalla forma più regolare possibile
  2. Si essicca il campione in stufa da laboratorio
  3. Si determina il peso del campione secco (Wd)
  4. Si calcola ρd = Wd / V

Determinazione del peso di volume in sito col volumenometro a sabbia

Il metodo si basa sul prelievo in sito di un campione di terra e sulla stima indiretta del suo volume originario tramite il riempimento della cavità con sabbia calibrata, monogranulare di densità ρsabbia. ρv = W / V

Dove:

• W è il peso della sabbia nel cilindro
• V è il volume del cilindro

Conoscendo il peso iniziale e finale del boccione, si può stimare il volume (V) della cavità (campione), essendo nota la densità della sabbia:

V = (W0 - W1 - Wsabbia) / ρsabbia

Dove:

• V è il volume originario del campione
• W0 è il peso del boccione pieno di sabbia e del cono
• W1 è il peso del boccione con la sabbia rimasta e del cono
• Wsabbia è il peso della sabbia contenuta nel cono
• ρsabbia è la densità della sabbia calibrata

Relazioni tra ρ, ρd e w

ρ = ρd(1 + w)

Peso specifico delle particelle

ρs (kg/m³) = Ws / Vs

Dove:

• Ws è il peso della fase solida
• Vs è il volume della fase solida

Procedimento

Grana fine

1. Si pesa picnometro + tappo (Wp1)
2. Si pesa picnometro + tappo + campione di terra (Wp2)
3. Si pesa picnometro + tappo + campione di terra + acqua distillata disaerata fino al bordo superiore del tappo (Wp3)
4. Si pesa picnometro + tappo + acqua distillata disaerata fino al bordo superiore del tappo (Wp4)

ρs = (Wp4 - Wp3) / (Wp3 - Wp2 - Wp1)

Grana grossa

1. Si lava il trattenuto al setaccio da 4,75 mm
2. Si essicca il campione in forno per 12 ore a 110°C
3. Si fa raffreddare il campione a temperatura ambiente per un massimo di 3 ore
4. Si determina il peso secco del campione (Wd)
5. Si immerge il campione in acqua per 24 ore
6. Si determina il peso del campione immerso in acqua (Wi)
7. Si asciuga il campione in superficie e si determina il peso del campione asciutto in superficie e saturo all'interno (Ws)

ρs = (Wd - Wi) / (Ws - Wi)

Trattamento del campione

Condizione naturale

1. Dal passante al setaccio scelto si preleva tramite quartatura un campione di 15-30 grammi per un picnometro da 50-100 cm³
2. Se il campione contiene limo o argilla bisogna utilizzare un agitatore meccanico per disperdere le particelle. In questo caso si usa la fiaschetta per gravità specifica da 500 cm³ al posto del picnometro
3. Il peso secco del campione (Wd) si determina essiccando il campione in una stufa da laboratorio a 110°C

Condizione secca

1. Si essicca il campione a 110°C in forno per 16-24 ore
2. Si raffredda il campione nell'essiccatore e lo si passa al setaccio
3. Si preleva tramite quartatura un campione di 10-25 grammi per un picnometro da 50-100 cm³

Proprietà fisico-volumetriche non misurabili sperimentalmente

Relazioni tra le proprietà fisico-volumetriche

• Indice dei vuoti e = (ρs / ρd) - 1 = e_v · Sr (se Sr = 100%)
• Porosità n = e / (1 + e)
• Grado di saturazione Sr = (ρ / ρd) · w / (1 + e)
• Peso di volume saturo (ρsat) = ρd · (1 + w) + ρw · e

Analisi granulometrica

L'analisi granulometrica è l'analisi della frequenza con cui sono presenti nella terra le particelle di dimensioni assegnate. Per frequenza si intende il rapporto tra il peso della classe granulometrica ed il peso iniziale del campione secco. I metodi utilizzati per l'analisi granulometrica sono la setacciatura per la frazione grossolana e la sedimentazione per la frazione fine.

Procedimento

1. Si essicca parzialmente il campione a 50-60°C
2. Si disgregano i granuli tramite un pastello gommato
3. Si essicca completamente il campione in stufa da laboratorio a 105-110°C
4. Si determina il peso secco del campione (Wd)
5. Si colloca il campione su di una sequenza di setacci via via più stretti (seguono la serie di Tyler, √2)

Al termine del processo il campione risulterà diviso in due frazioni:

• Trattenuto, la frazione che non attraversa il setaccio