Geotecnica Appunti

Prove geotecniche di laboratorio

Introduzione

La resistenza alla rottura di una terra dipende dalla composizione, dalle caratteristiche volumetriche e dai processi e modalità di applicazione della sollecitazione. Per la resistenza sono importanti due elementi quali l'angolo di attrito interno e la coesione del terreno. L'angolo di attrito dipende da due componenti, quali l'angolo di attrito di base e l'incastro delle particelle (che sul totale vale il 10%). Le forze tangenziali agenti su un provino sono uguali alle forze normali moltiplicate per la Tg dell'angolo di attrito. Questa relazione vale per i mezzi granulari. Per i mezzi coerenti interviene anche la coesione come detto dalla relazione di Coulomb. Questa relazione, introducendo il principio degli sforzi efficaci di Terzaghi, la posso vedere in termini di condizioni efficaci, avendo così la tensione, la coesione e l'angolo di attrito in condizioni efficaci. Per valutare la coesione e l'angolo di attrito si possono utilizzare varie prove, in base ai risultati che voglio raggiungere e alle disponibilità economiche.

Prova di taglio diretto

Nella prova di taglio diretto l'attrezzatura comprende il contenitore del campione, il sistema di applicazione dei carichi e i sistemi di misura. Si usa per campioni indisturbati di terre per lo più a grana fine. Il campione è contenuto in una scatola, detta scatola di Casagrande, la quale è costituita da due parti sovrapposte (telai) che possono scorrere tra di loro e che sono separate da un piano orizzontale. La scatola di Casagrande comprende una piastra di base, due pietre porose che servono per favorire il drenaggio, due piastre con dei solchi che vanno messe con i solchi perpendicolari alla direzione di movimento della scatola, e una piastra superiore alla quale è applicato il carico verticale. Per un certo terreno si preparano almeno 3 provini.

Fase di consolidazione

La prova si esegue in due fasi: la fase di consolidazione e la fase di taglio. Nella fase di consolidazione, un carico verticale assiale viene applicato sul provino mediante l'utilizzo di pesi. L'applicazione del carico determina con il passare del tempo dei cedimenti, in quanto si ha una sovrappressione neutrale che determina uno scorrimento d'acqua e quindi una variazione di volume del provino. Si misurano, con un comparatore, i cedimenti che subisce il provino in funzione della radice quadrata del tempo, ottenendo così un grafico. Da questo grafico è possibile ricavare il t₁₀₀, cioè il tempo necessario per avere una consolidazione primaria del 100%. Con il t₁₀₀ si ricava la velocità di spostamento per la successiva fase di taglio, velocità che dovrà essere sufficientemente lenta e tale da consentire la dissipazione delle sovrappressioni neutrali che eventualmente si formerebbero. In queste condizioni le tensioni totali applicate al provino coincidono con quelle efficaci, avendo u=0. La velocità di applicazione è uguale allo scorrimento orizzontale previsto in corrispondenza della resistenza di picco fratto il tempo minimo necessario per avere la rottura. Questo tempo è uguale a circa 5-10 volte il t₁₀₀. Alla fine di questa fase i provini avranno diversi valori dell'indice dei vuoti.

Fase di taglio

Nella fase di taglio applico uno spostamento orizzontale a uno dei due telai, con una velocità contenuta che eviti la formazione delle sovrappressioni che è stata trovata dalla precedente fase, e che può variare da 0,3 micromillimetri al minuto a 1-2 millimetri al minuto. Visto che la rottura si ha con spostamenti dell'ordine del centimetro, una velocità così bassa comporta tempi di prova molto lunghi. La forza di taglio applicata è misurata da una cella di carico e visualizzata da un display. Quando la forza di taglio esterna raggiunge la resistenza di picco del terreno si forma la superficie di rottura. Per effetto degli scorrimenti che si hanno lungo tale superficie, la resistenza al taglio del terreno tende ad abbassarsi, conservando comunque un valore limite inferiore, la resistenza residua. Per ogni provino avrò quindi un valore di tau e di sigma verticale, che mi corrispondono a 3 punti in un diagramma tau-sigma. Interpolando i 3 punti con una retta ottengo i valori dell'angolo di attrito e della coesione in condizioni efficaci, ricavandoli dal grafico. Si può diagrammare anche la resistenza al taglio in funzione dello spostamento orizzontale.

Con questa prova si può valutare anche la resistenza residua, molto importante per lo studio dei movimenti franosi, in quanto in un corpo di frana la resistenza che offre il terreno è quella residua visto che è già stata mobilitata la resistenza di picco. Per trovare questa resistenza, una volta fatta la fase di taglio, riporto la scatola nella posizione originaria e faccio avanti e indietro manualmente per 5-10 volte. Posso disegnare quindi una retta anche per valutare i parametri residui.

Prova di compressione triassiale

In questa prova il provino è di forma cilindrica con un'altezza pari a 2-2,5 volte il diametro. Il provino va dentro una cella riempita d'acqua, va messo tra due piastre porose che consentono il drenaggio ed è circondato da una membrana di gomma che ne impedisce il contatto diretto con l'acqua. Si fa la prova sempre su almeno 3 provini.

Fase di consolidazione

Nella prova di compressione il provino è prima soggetto alla fase di consolidazione, nella quale viene sottoposto ad una pressione isotropa determinata dall'acqua in pressione, e se è ammesso il drenaggio le sovrappressioni neutrali si dissipano e il campione consolida. In seguito si fa la fase di rottura, nella quale il provino è sottoposto ad una pressione assiale con un pistone che imprime un carico crescente fino alla rottura. Esistono 4 tipi di prove triassiali, in base a se è permesso o no il drenaggio nelle due fasi:

• Prova consolidata drenata (CD): Dove il drenaggio è permesso sia nella fase di consolidazione, sia nella fase di rottura. Ho quindi la dissipazione delle sovrappressioni neutrali (u=0).
• Prova consolidata non drenata (CU): Dove il drenaggio è permesso nella fase di consolidazione, e negato nella fase di rottura.
• Prova non consolidata non drenata (UU): Dove il drenaggio è negato in entrambe le fasi di prova.
• Prova di compressione semplice (U): Dove non esiste la fase di consolidazione, il drenaggio non c'è ed è una prova molto rapida dove il campione non ha una pressione di contenimento. Si fa solo su terre molto coerenti dove avrò le sovrappressioni neutrali in seguito alla scarsa permeabilità e alla velocità della prova. Con questa prova ottengo solo la coesione non drenata detta anche coesione rapida. Il cerchio di Mohr è tangente all'asse tau in quanto non ho un sigma 3. Coesione uguale a sigma 1 diviso 2.

In base al tipo di prova ottengo determinati risultati. Ottengo le caratteristiche di resistenza in termini di tensioni efficaci con le prove CD o con le prove CU se misuro le pressioni interstiziali (con manometro). Con queste due prove infatti lo stato di tensione a rottura sarà rappresentato da cerchi di Mohr in condizione efficaci, uno per ogni provino. La retta tangente ai cerchi mi consente di ricavare l'angolo di attrito e la coesione in condizioni efficaci. Ricavo invece le caratteristiche di resistenza in termini di tensioni totali con le prova CU o UU.

CD

In una CD il drenaggio è consentito in entrambe le fasi. Nella fase di consolidazione si osserva la variazione di volume del provino, e ogni provino sarà sottoposto a differenti tensioni, perciò ogni provino avrà un diverso indice dei vuoti. Diagrammando la variazione volumetrica in funzione della radice del tempo ricavo il t₁₀₀ con il quale ricavo la velocità di applicazione del carico che varia in base alla permeabilità del provino, per la successiva fase. La fase di rottura può essere quindi molto lunga. Da questa prova posso ottenere più grafici. Un grafico in cui ho sforzo deviatorico-deformazioni volumetriche, nei quali i provini consolidati a maggiore tensione avranno una maggiore resistenza, e un altro in cui ho sigma-tau, nel quale raffiguro lo stato di stress per ogni provino. Facendo poi la retta tangente ai cerchi di Mohr ottengo l'inviluppo di rottura in seguito al quale ricavo la coesione e l'angolo di attrito in condizioni efficaci.

CU

In una CU il drenaggio è ammesso solo nella fase di consolidazione. Questa fase perciò è uguale alla CD, applicando quindi una pressione isotropa e valutando la velocità di applicazione del carico per la prova successiva. In una CU però non è necessario applicare lentamente il carico in quanto il drenaggio è negato nella fase di rottura e si avranno comunque sovrappressioni neutrali. Nella fase di rottura, essendo il drenaggio impedito, le variazioni di volume sono nulle e si generano sovrappressioni. Queste, se vengono misurate, mi permettono di interpretare la prova sia in condizioni efficaci che in condizioni totali. Ottengo anche dalla CU un grafico che mi definisce lo stato tensionale per ogni provino. Per ogni provino è possibile creare un cerchio di Mohr in condizioni totali e efficaci, traslati tra di loro del valore delle sovrappressioni u. L'inviluppo di Mohr mi permette di ricavare coesione e angolo di attrito in condizioni totali o efficaci.

UU

In una prova UU non ho drenaggio in nessuna delle fasi, ed è perciò una prova molto rapida. Non ho variazioni volumetriche del provino, ma una sua deformazione a botticella. Con questa prova ricavo solo le caratteristiche di rottura in termini di tensioni totali. Visto che internamente non cambia nulla, la tensione alla rottura non cambia, perciò avrò come risultato dei cerchi di Mohr tutti con lo stesso diametro. L'inviluppo sarà quindi orizzontale, e l'unico parametro che ricavo è la coesione non drenata (S_u) e un angolo di attrito di 0°.

Posso trovare anche i parametri residui, disturbando il provino e rifacendo la prova, dove aver trovato gli altri parametri.

Prova scissometrica da laboratorio

È una prova che si fa sui terreni coesivi e si determina la resistenza al taglio non drenata. La prova consiste nell'infliggere nel terreno una paletta che viene fatta ruotare a velocità costante (6°/min.) fino a provocare la rottura del terreno lungo una superficie cilindrica generata dalla rotazione della paletta stessa. Visti i tempi molto brevi della prova, il risultato che ottengo è la resistenza al taglio non drenata. Al momento torcente applicato allo scissometro si oppone la resistenza al taglio non drenata del terreno, che risultano direttamente proporzionali. La resistenza al taglio si ottiene da una formula, e dipende dalla permeabilità, dalla rotazione subita, dal diametro e dall'altezza del cilindro ottenuto. Il momento torcente è dato da una molla, di cui è possibile misurare la rotazione.

Prova di compressione edometrica

La prova di compressione edometrica ha lo scopo di caratterizzare il comportamento di un campione di terreno sottoposto a carico (e eventualmente scarico) assiale, in condizioni di espansione laterale impedita...