Riassunto esame geotecnica, prof. Guerricchio

La geologia applicata

La Geologia Applicata rappresenta l'applicazione di Scienze della Terra, Geologia, e Ingegneria, sia alle problematiche pratiche dell'uomo nella sua interazione con l'ambiente che lo circonda, sia alla comprensione dei fenomeni geologici e soluzione geologico-tecnica e ingegneristica dei rischi geologici. Gli studi di Geologia Applicata vengono effettuati ai fini di:

• Pianificazione territoriale
• Pianificazione di bacini idrografici
• Studi e valutazioni di impatto ambientale (S.I.A.; V.I.A.; V.A.S.)
• Sviluppo residenziale, commerciale e industriale di un'area
• Stabilità dei versanti
• Geoarcheologia
• Salvaguardia dai rischi naturali e idrogeologici
• Installazioni governative e militari
• Lavori pubblici e privati quali: edifici, centrali nucleari, energetiche, turbine eoliche, discariche, linee dell'alta tensione o elettrodotti, pozzi per acqua, fondazioni di edifici, bonifica dei siti contaminati, trattamento delle acque, acquedotti, oleodotti, gasdotti, canali, dighe, gallerie, costruzioni, ferrovie, strade, ponti, aeroporti, e parchi
• Estrazione di materiale in miniera e in cava, ripristino di aree di estrazione, scavi di gallerie minerarie
• Recupero, protezione e/o mantenimento zone umide ed altre aree naturali protette
• Recupero e restauro di edifici e centri storici
• Ripascimento dei litorali, salvaguardia delle coste e stabilità delle falesie marine
• Piattaforme di trivellazione offshore
• Tutte le opere che interessano il suolo ed il sottosuolo

Capitolo 1: Elementi di litologia e geologia

1.1 Minerale

Un minerale è una sostanza inorganica naturale allo stato solido e rappresenta una qualunque sostanza estraibile dal sottosuolo che abbia interesse ai fini della produzione industriale. I minerali hanno nella maggior parte dei casi una struttura cristallina, cioè gli ioni sono disposti nello spazio in maniera tale che la medesima configurazione si ripete a intervalli regolari; essi godono di numerose proprietà:

• La capacità di formare cristalli, cioè corpi solidi a facce piane riconducibili a determinati modelli geometrici
• La sfaldatura, cioè una più facile rottura secondo certi piani detti piani di sfaldatura
• La durezza è la resistenza che un minerale oppone alla scalfitura
• La tenacità è il modo in cui un minerale si deforma sotto un'azione meccanica

Una sostanza è amorfa quando non ha costituzione cristallina. I minerali più comuni sono silicati e carbonati. Una roccia è un aggregato naturale di particelle composte da uno o più minerali. Queste vengono suddivise in: rocce ignee, sedimentarie, metamorfiche.

1.2 L'interno terrestre

Sappiamo che la temperatura aumenta con l'aumenta della profondità della crosta terrestre di circa 30°C/km e che i vulcani rilevano l'esistenza in profondità di pressioni elevate. I terremoti sono scuotimenti del suolo che interessano senza sosta il pianeta, generando onde sismiche. Il verificarsi di un sisma tettonico (causato dalla generazione di una faglia) è legato a tre condizioni:

• Moto relativo delle masse rocciose
• Accumulazione di energia (lento)
• Liberazione di energia (rapida)

Altri tipi di sismi includono i terremoti vulcanici, collegati all'attività vulcanica in quanto la risalita dei magmi verso la superficie, sotto la spinta dei gas, può frantumare le rocce circostanti con conseguente liberazione di onde sismiche; terremoti di crollo, in genere di piccola intensità, che avvengono per crollo della volta di caverne sotterranee e di miniere; terremoti artificiali, prodotti dalle esplosioni (per esempio quelle nucleari) che liberano un'enorme quantità di energia.

In seguito a un terremoto dall'epicentro (località in superficie sulla verticale dell'ipocentro o foco dove in profondità ha origine il terremoto stesso) si propagano tre diversi tipi di onde:

• Onde a P (prime): più veloci, longitudinali che comportano sforzi di trazione e di compressione
• Onde a S (seconde): meno veloci, trasversali che comportano sforzi di taglio
• Onde a L (lunghe): trasversali più lente e più ampie che si trasmettono solo lungo l'interfaccia aria-acqua e sono quelle avvertite come scosse di terremoto che provocano danni

Conoscendo i dati di almeno tre stazioni è possibile determinare univocamente la posizione dell'epicentro. Il sismogramma è il risultato delle registrazioni ottenute con i sismografi, sul quale si può leggere il successivo arrivo delle onde P, S e delle onde superficiali. Il sismografo è lo strumento che misura in modo permanente i movimenti del suolo per la registrazione delle onde sismiche.

I terremoti possono essere classificati in base a:

• Scala Mercalli
• Scala Richter

La Scala Mercalli si basa sull'intensità sismica, termine di paragone più valido per valutare la grandezza di un terremoto, misurata sulla base del grado di danneggiamento delle strutture, dell'entità dello sconvolgimento del suolo e della reazione degli animali. La Scala Richter si basa sulla misura della magnitudo, cioè dell'ampiezza delle onde misurate da un sismografo. La magnitudo Richter è il logaritmo in base 10 della massima ampiezza d'onda sismica (misurata in micrometri) registrata da un sismografo standard a una distanza di 100 km dall'epicentro.

All'interno della terra troviamo delle discontinuità sia di densità che sia di rigidità dei materiali. Le discontinuità sono superfici di debolezza strutturale (stratificazione, scistosità, giunti di trazione, diaclasi, faglie ecc.) all'interno dell'ammasso roccioso. Le discontinuità possono essere primarie (fessure di raffreddamento, giunti di strato o di scistosità) o acquisite e dovute sia a deformazioni tettoniche subite dal materiale roccioso che a dissoluzione carsica. Orientazione delle discontinuità. Distinguiamo:

• Prima discontinuità Conrad che si osserva a circa 20 km di profondità in corrispondenza dei continenti
• Seconda discontinuità Mohorovicic: presente a una profondità di 35 km ed è caratterizzata da un aumento della velocità di propagazione delle onde P e S. Questa viene indicata come la base della crosta terrestre al di sotto della quale vi è il mantello esterno
• La parte intermedia (mantello esterno) corrisponde a una diminuzione della velocità delle onde sismiche di una zona detta strato di bassa velocità. A circa 100 km troviamo la discontinuità di Ripetti che separa il mantello esterno da quello interno
• A 2900 km la discontinuità Gutenberg-Weickert assorbe le onde trasversali e causa una brusca diminuzione della velocità delle onde P; si suppone che il nucleo sia formato da nichel e ferro

Per il principio di isostasia, due blocchi di legno si dispongono a diverse altezze: quanto più è alta la parte che emerge, tanto più i blocchi affondano.

Spaziatura e scabrezza delle discontinuità

La spaziatura delle discontinuità è definita come la distanza media fra discontinuità appartenenti a una stessa famiglia, misurata perpendicolarmente alle discontinuità stesse. La scabrezza delle discontinuità: le superfici delle discontinuità possono essere lisce, ondulate, seghettate o irregolari. La rugosità viene rilevata tramite il "pettine di Barton", cui è associato un indice di scabrezza (JRC). Le discontinuità presenti all'interno di un ammasso roccioso possono essere rappresentate graficamente mediante proiezioni sferiche. Esistono molti tipi di proiezioni, tuttavia quelle più comunemente usate sono le proiezioni equireali di Schmidt. Si consideri una sfera di riferimento il cui centro è l'origine di un sistema di assi cartesiani; se per il centro di tale sfera si fa passare un piano, l'intersezione del piano con la sfera determina un grande cerchio che definisce l'inclinazione e l'orientazione del piano nello spazio. Il medesimo piano può anche essere rappresentato oltre che da un grande cerchio, anche da un punto detto polo (intersezione della retta perpendicolare al piano con la superficie della sfera).

1.3 La geodinamica esterna e le rocce sedimentarie

La geodinamica esterna comprende i processi di degradazione, erosione, trasporto e diagenesi, processi che in generale comportano distruzione, trasferimento e aggregazione dei depositi subaerei e subacquei con formazione delle rocce sedimentarie o esogene.

Degradazione è la distruzione di rocce che avviene per alterazione e disgregazione.

Alterazione è un insieme di processi chimici (ossidazione, idratazione) attivati dai componenti dell'atmosfera, dall'acqua, dall'acido carbonico, che mutano la composizione della roccia indebolendola progressivamente fino a rottura. L'alterazione è maggiore quando è maggiore la differenza tra le condizioni di formazione e le condizioni climatiche.

Carsismo è l'alterazione chimica di rocce carbonatiche. Tali rocce vengono attaccate dalle acque piovane che contengono disciolto un notevole quantitativo di CO₂ sotto forma di acido carbonico H₂O+CO₂→H₂CO₃ che trasforma il carbonato di calcio presente nelle rocce in bicarbonato CaCO₃+H₂CO₃→Ca(CO₃H)₂ che è solubile e asportabile. L'attacco delle acque si manifesta principalmente nell'allargamento delle fessure delle rocce dapprima in superficie (epigee) e in profondità (ipogee).

Disgregazione è un insieme di processi fisici (dilatazioni termiche aumento di volume dell'acqua) per effetto dei quali si ha una brusca rottura della roccia.

Erosione è l'esportazione di sostanze idrosolubili e di detriti rocciosi da rocce in precedenza alterate e disgregate. Può avvenire per azione solvente dell'acqua (corrosione) o per azione della forza di gravità (frane), per azione abrasiva del vento (erosione eolica), del moto dei ghiacciai (erosione glaciale), dei corsi d'acqua (erosione fluviale) o delle acque non incanalate.

Trasporto ha inizio con l'erosione e termina con la deposizione. Gli agenti principali del trasporto sono: acque correnti, ghiacciai e venti. Le acque erodono e trasportano i materiali, i ghiacciai trasportano i materiali inglobati all'interno della loro massa e i venti trasportano le sabbie. Fenomeni particolari si possono avere in ambiente sottomarino.

Deposizione (o sedimentazione) avviene al cessare delle cause che danno luogo al trasporto e rappresenta la sedimentazione cioè la depositazione dei materiali trasportati da altri luoghi da agenti atmosferici. I materiali depositati hanno spesso un aspetto stratificato.

Diagenesi è l'ultimo dei processi della geodinamica esterna. Essa consiste nell'aggregazione delle sostanze con la formazione delle rocce sedimentarie.

Le relazioni esistenti tra i vari tipi di rocce sono spiegati dal Ciclo Litogenetico:

Rocce sedimentarie si formano in superficie per deposito di rocce provenienti dall'alterazione e/o disgregazione di altre rocce, processi della geodinamica esterna (ciclo sedimentario). Sono spesso stratificate in modo più o meno marcato e in strati molto variabili, a seconda delle modalità e dell'ambiente di sedimentazione. Il colore è molto variabile (a causa sia delle impurezze sia della diversità dei materiali originari) e non diagnostico. Le rocce sedimentarie (escluse quelle che derivano da precipitazione di sali) sono costituite da tre frazioni:

• Clasti: frammenti più grossolani che rappresentano l'impalcatura della roccia
• Matrice: materiale fine intrappolato tra i clasti
• Cemento: materiale di precipitazione chimica che si deposita nei vuoti del sedimento e consolida il sedimento stesso

Vengono classificate principalmente da due caratteristiche: la composizione prevalente (carbonatica, argillosa, silicea) e l'origine (chimica, organica, detritica). Si possono anche avere rocce di natura e origine mista.

Rocce di origine chimica sono quelle rocce dette residuali che derivano da ciò che non viene asportato da rocce degradate. Sono:

• Argille residuali di clima temperato contenenti minerali argillosi e composti d'alluminio e ferro
• Le lateriti di clima caldo umido e contenenti ossidi e idrossidi di alluminio e ferro
• Le bauxiti contenenti poca silice e con prevalenza di ossidi e idrossidi di alluminio
• L'alabastro calcareo che forma le stalattiti, le stalagmiti e le incrostazioni delle cavità carsiche
• Travertino deriva dall'evaporazione di acque sature, spesso incrosta i fusti e le foglie della vegetazione palustre
• I calcari oolitici formatisi in ambienti marini in seguito all'incrostazione di carbonato di calcio dei detriti di rocciosi e organici
• Le evaporiti formatesi in seguito alla precipitazione dei sali nel corso dell'evaporazione dell'acqua del mare in condizioni di clima caldo e arido

Rocce di origine organica (organogene) vengono divise in rocce biochimiche, bioclastiche e organiche.

Rocce biochimiche

Risultano dalla precipitazione di sostanze inorganiche e idrosolubili a opera di organismi viventi (calcari, dolomie, coralli ecc).

Rocce bioclastiche

Formate dal trasporto, deposizione e diagenesi di gusci e scheletri.

Rocce organiche

Formate da materia organica morta (fossili) allo stato solido (carbon fossili), semisolido (bitume), liquido (petrolio), gassoso (metano).

Rocce clastiche (detritiche o rocce terrigne)

Derivano da diagenesi di detriti rocciosi. I detriti più vistosi sono elementi della roccia, quelli di minor dimensione sono detti granuli, le sostanze idrosolubili e i geli colloidali disposti nei vuoti tra gli elementi e i granuli formano il cemento. In base alle dimensioni degli elementi, le rocce detritiche si dividono in tre tipi principali:

• Conglomerati: granulometria superiore al centimetro
• Arenarie: dimensione inferiore ai 2 millimetri
• Lutiti: aventi gli elementi invisibili e derivano dalla diagenesi dei fanghi, distinzione nelle argille

Rocce carbonatiche dette in relazione alle dimensioni degli elementi calciduriti, calcareniti e calciluti, sono rappresentate dai calcari e dalle dolomie. I calcari sono costituiti interamente o per la maggior parte da calcite (CaCO₃). Possono assumere colorazioni differenti (bianchi, rossi, neri, grigi ecc.) a causa delle impurezze organiche e inorganiche presenti. Si dividono in:

• Detritici: costituiti da frammenti di precedenti depositi carbonatici o e/o da resti di fossili di natura carbonatica. Quasi tutti i calcari sono detritici
• Non detritici: si distinguono in biocostruiti in cui l'impalcatura è costituita interamente da organismi fossili (barriere coralline), e in calcari di precipitazione chimica (travertino)

Rocce piroclastiche

Insieme delle rocce ignee, sono prodotte dai vulcani e si formano per deposizione dei materiali emessi durante il corso delle esplosioni vulcaniche. Questi materiali sono blocchi e frammenti (lapilli) rocciosi strappati dal condotto vulcanico. Si possono avere depositi di materiali piroclastici sciolti (sabbia vulcaniche, pozzolane) se la deposizione è avvenuta in ambiente subaereo si parla di tufi, se in ambiente subacqueo di tufiti.

Rocce di origine mista

Non si ha una sola origine, generalmente sono formati da alternanza di strati di arenarie e di argilliti che si formano per un fenomeno di risedimentazione, comuni sono le rocce detritico-organogene formate da detriti rocciosi e organici, i calcarei teneri o tufi calcarei.

1.4 La geodinamica interna e le rocce ignee e metamorfiche

La geodinamica interna comprende i processi naturali che avvengono al di sotto della crosta terrestre e che sono all'origine delle rocce ignee e metamorfiche.

Rocce ignee

Si formano dalla consolidazione del magma e si distinguono in:

• Rocce ignee intrusive: se la consolidazione avviene all'interno della crosta terrestre. Si riconoscono perché costituite da minerali ben formati (solidificati lentamente), in genere di uguali dimensioni, spesso facilmente distinguibili a occhio nudo (struttura olocristallina)
• Rocce ignee effusive: se la consolidazione avviene all'esterno della crosta terrestre. Sono costituite da cristalli di piccole dimensioni (in genere non distinguibili a occhio nudo), tra i quali sono presenti pochi cristalli di dimensioni maggiori. Possono avere anche un aspetto "vetroso"

Rocce metamorfiche

Derivano da rocce sedimentarie o magmatiche e si formano in seguito a metamorfismo, cioè a dei processi che avvengono all'interno della crosta terrestre che trasformano una roccia qualsiasi in un'altra roccia diversa modificando le caratteristiche chimico-fisiche.

Consolidazione magmatica

Il magma è una massa fusa di dimensioni grandi che si forma a profondità variabile nella crosta terrestre. È una miscela complessa ad alta temperatura di silicati, gas, vapore acqueo, idrossido, cloro, fluoro, anidride solforosa e di elementi metallici. Dopo la sua formazione, se il magma subisce un raffreddamento, inizia un processo di cristallizzazione, ossia la separazione di vari tipi di minerali, da cui si formerà una nuova roccia. Le rocce che divengono solide e cristalline in profondità sono intrusive e si formano quando il magma non riesce a salire in superficie, effusive se il magma invece riesce a salire in superficie grazie alla pressione dei gas e si solidifica all'esterno. Le rocce ipoabisali derivano dal consolidamento del magma iniettato nella crosta terrestre a modeste profondità pur essendo intrusive tendono ad avere una struttura simile a quelle effusive.

Nel caso delle rocce intrusive, se il magma si cristallizza con una lenta diminuzione di temperatura (perché è protetto da altre rocce che impediscono la dispersione di calore), diventa solido sotto la forte pressione di tali rocce e dai gas contenuti nel magma. Quando la massa si consolidifica a 650°C, i residui magmatici risultano ricchi di componenti.