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Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore...

Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 1 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Indice 1. GENESI DEI TERRENI................................................................................................................................. 3 2. COSTITUZIONE DELLE TERRE..................................................................................................................... 4 3. STRUTTURA DELLE TERRE......................................................................................................................... 12 BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................................. 16 Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 2 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre 1. Genesi dei terreni I terreni sono il prodotto dell’alterazione delle rocce che costituiscono la parte affiorante della crosta terreste. Sono costituiti da un insieme di granuli solidi cristallini di dimensione, forma e composizione mineralogica molto varia. I granuli non sono, in genere, cementati tra loro e anche nel caso in cui esistesse un qualche legame di cementazione, questo è ben diverso per entità e stabilità nel tempo da quello esistente tra i minerali di roccia. Nei terreni, infatti, i legami sono più deboli e si dissolvono a seguito di un contatto prolungato con l’acqua. È proprio questa caratteristica che distingue una roccia lapidea, più comunemente chiamata rocca, da una roccia sciolta chiamata terreno. I processi di alterazione che portano alla formazione di detriti sono di natura fisica o chimica. I primi sono dovuti all’azione abrasiva del vento, dell’acqua, del ghiaccio e, nei clini caldi, ai cicli di espansione e contrazione termica. Al ridursi della dimensione dei clasti, cresce il rapporto tra la superficie esposta e il volume e iniziano a diventare prevalenti i fenomeni chimici. In generale, si assume che i processi di alterazione fisica siano responsabili della formazione di particelle di dimensioni fino a 10 mm. Le particelle di dimensioni inferiori sono il prodotto dei fenomeni chimici per opera dell’ossigeno (ossidazione), dell’acqua (idratazione) e dell’anidride carbonica (carbonatazione). Se, in seguito ai processi di alterazione, i terreni rimangono nella stessa posizione della roccia madre, sono detti residuali. Nel caso in cui si trovano in posizione diversa sono detti sedimentari. In quest’ultimo caso, i detriti subiscono un’azione di trasporto ad opera delle correnti di acqua o aria, come pure dei ghiacciai e della gravità, dal luogo di origine a quello di deposizione. Quest’ultimo può influenzare la composizione e la struttura del terreno. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 3 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre 2. Costituzione delle terre Una prima conseguenza dei processi che portano alla genesi dei depositi naturali è la natura particellare dei terreni. Questi ultimi, infatti, sono costituiti da un aggregato di particelle solide di forma, dimensione e composizione mineralogica molto varia e a volte anche da sostanze organiche. L’insieme di queste particelle viene detto scheletro solido. Una seconda conseguenza è che i terreni sono mezzi multifase, costituiti da particelle solide con i vuoti tra i granuli occupati dai fluidi interstiziali ovvero acqua e/o aria. Nei terreni parzialmente saturi, coesistono entrambi i fluidi interstiziali: i vuoti tra i granuli sono in parte riempiti d’acqua e in parte d’aria (Figura 1). Nei terreni saturi e asciutti si ha, invece, un unico fluido interstiziale (acqua nel primo caso, aria nel secondo): il terreno diviene un mezzo bifase. Granulo solido Aria Acqua Figura 1. Natura trifase del terreno. I granuli che costituiscono lo scheletro solido hanno dimensioni molto variabili comprese tra 10-6 e 103 mm. I granuli di dimensione superiore al decimo di mm sono osservabili a occhio nudo; quelli di dimensioni inferiori richiedono un’analisi microscopica (con microscopio ottico o elettronico). I granuli interagiscono fra loro mediante azioni di natura meccanica ed elettro-chimica. Le prime sono dovute a forze di masse e alla presenza del fluido interstiziale e la loro entità dipende dal volume delle particelle. Le seconde sono forze di superficie e la loro entità dipende dalla Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 4 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre composizione mineralogica del granulo e dalla sua estensione superficiale. In Tabella 1, sono riportati, la dimensione e la superficie specifica dei granuli di sabbia e di alcuni minerali argillosi. Si intende per superficie specifica la somma delle superfici laterali dei granuli contenuti in un’unità di massa del terreno. Si può notare come al crescere della dimensione dei granuli, passando cioè dalla montmorillomite alla sabbia, si riduca drasticamente la superficie specifica. Questo significa che l’interazione tra i granuli di sabbia è governata dalle azioni meccaniche di entità proporzionale al volume delle particelle mentre sono trascurabili le azioni di superficie. Al contrario, l’interazione tra i minerali argillosi dipende dalle azioni di superficie mentre le forze di vuole hanno un ruolo del tutto marginale. Sulla base di queste differenze, si usa suddividere i granuli costituenti la terra in due grandi categorie: i granuli inerti e i granuli attivi. Tabella 1. Valori approssimati della superficie specifica di alcuni minerali argillosi e delle sabbie. I granuli inerti hanno dimensioni comprese tra una decina di micron e una decina di millimetri. Sono privi di attività superficiale e interagiscono tra di loro e con i fluidi interstiziali per mezzo delle sole forze di massa. Hanno una forma tondeggiante la cui regolarità dipende dalla natura del materiale costituente e dalle vicissitudini che hanno subito durante il trasporto e la successiva sedimentazione. I granuli di roccia e minerali resistenti avranno una forma più irregolare con spigoli vivi e superficie scabra mentre i minerali di rocce di scarsa resistenza o alterabili tenderanno ad assumere una forma più regolare con spigoli smussati e superfici lisce. I terreni a grana grossa sono costituiti principalmente da granuli inerti. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 5 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre I granuli attivi hanno dimensioni inferiori alla decina di micron e sono i componenti principali dei terreni a grana fine. Sono dotati di un’intensa attività superficiale e interagiscono tra loro e con i fluidi interstiziali quasi esclusivamente attraverso forze di superficie. Presentano una forma appiattita (scaglie o lamine) in quanto sono costituiti da silicati idrati di alluminio, disposti in reticoli con due dimensioni prevalenti sulla terza. 1.1. Minerali argillosi I granuli attivi sono costituiti da minerali argillosi, principalmente fillosilicati, che sono silicati idrati a struttura lamellare. Le unità fondamentali dei minerali argillosi sono: tetraedri e ottaedri. Nell’unità tetraedrica il silicio è in posizione centrale ed è collegato a quattro ioni di ossigeno posti ai vertici (Figura 2). Il collegamento dei tetraedri avviene attraverso gli ioni ossigeno creando un reticolo a maglia esagonale (Figura 3). Le maglie sono a loro volta collegate in direzione normale al loro piano sia direttamente che indirettamente ovvero attraverso altri ioni. Figura 2. Unità tetraedriche. Figura 3. Reticolo a maglie esagonale. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 6 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre L’unità ottaedrica è costituita da uno ione alluminio (o magnesio) e da sei ossidrili. Le unità ottaedriche si dispongono con l’asse inclinato di 45° e si uniscono mettendo in comune uno spigolo in modo da formare un reticolo con due piani di ossidrili e uno centrale di ioni alluminio. Figura 4 Unità ottaedriche. Le unità tetraedriche e ottaedriche non sono elettricamente neutre ma lo sono i piani tetraedrici e ottaedrici. La combinazione degli strati fondamentali dà origine a pacchetti elementari e l’aggregazione di più pacchetti elementi genera i minerali argillosi. La caolinite, che è uno dei minerali più diffusi in natura, è composta da strati tetraedrici alternati a strati ottaedrici, come mostrato in Figura 5. Lo spessore dei pacchetti elementari è di circa 0.7 nm, i pacchetti elementari sono tenuti insieme grazie al legame tra l’idrogeno degli ossidrili e gli ioni ossigeno. La montmorillite ha una struttura decisamente più complicata: è costituita da uno strato ottaedrico e due strati tetraedrici. Lo spazio tra i pacchetti contiene molecole d’acqua e cationi scambiabili. Ha uno spessore di circa 1 nm e un rapporto larghezza-spessore superiore a 100. La composizione e le caratteristiche principali di alcuni minerali argillosi sono riportate in Tabella 2. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 7 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre 7.2 Å Figura 5. Strato elementare della caolinite. 9.6 Å Figura 6. Strato elementare della montmorillonite. Nonostante gli strati elementari siano elettricamente neutri, la disposizione geometrica degli ioni conferisce al granulo una forte carica negativa superficiale. Infatti, le cariche positive (silicio, alluminio, magnesio) si collocano nelle posizioni interne mentre le cariche negative (ossigeno e ossidrili) in quelle laterali. Questa disposizione conferisce al materiale la capacità di interagire con le molecole d’acqua e con gli ioni disciolti in essa. Le molecole dell’acqua sono, infatti, dipolari e tendono a iso-orientarsi interagendo con legami H+ OH- con gli atomi di ossigeno presenti sulla superficie. Le molecole d’acqua diventano parte integrante della struttura del granulo al punto da non poter essere separate nemmeno tramite azione meccanica (Figura 7). Queste molecole prendono il nome di acqua adsorbita. Ulteriori legami si possono formano tra il primo strato di acqua e le altre molecole d’acqua. Ovviamente, la forza di questo legame si riduce al crescere della distanza e progressivamente le molecole perdono le caratteristiche di acqua adsorbita fino ad assumere quelle di acqua libera. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 8 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Non tutta la carica negativa disponibile sulla superficie del granulo è saturata dalle molecole di acqua, parte viene neutralizzata dai cationi dei sali disciolti nell’acqua interstiziale (calcio, magnesio, potassio, sodio). Parte di essi si legano direttamente alle cariche elettriche negative presenti sulla superficie delle particelle e in parte formano uno strato diffuso immediatamente a tergo dello strato di acqua adsorbita. L’interazione tra le particelle avviene prevalentemente attraverso lo strato di acqua adsorbita e ioni diffusi e qualche volta anche attraverso il contatto diretto. Le singole particelle per effetto delle cariche negative presenti sulla superficie tendono a respingersi (sono caricate entrambe negativamente). L’entità di queste forze dipende dalla composizione mineralogica del granulo e dal suo sviluppo superficiale. Ad esempio, le forze di repulsione tra i granuli di montmorillonite sono maggiori rispetto a quelle presenti tra i granuli di caolinite o illite. L’entità di tali forze si riduce al crescere della mutua distanza tra i granuli e della concentrazione elettrolitica dell’acqua (Figura 8). La presenza di sali disciolti nell’acqua tende a neutralizzare parte delle cariche negative riducendo le azioni repulsive. Alla repulsione dovuta alle cariche elettriche presenti sulla superficie del granulo si contrappongono le forze di attrazione di Van der Waals. Queste forze nascono per effetto del campo magnetico generato dal moto degli elettroni attorno ai nuclei e dipendono dalla costante dielettrica del mezzo ma non dalla concentrazione elettrolitica dell’acqua. Anche queste forze si riducono con la distanza e tendono ad esaurirsi piuttosto rapidamente. Ne consegue che l’azione risultante tra due particelle può avere segno diverso a seconda della distanza e dell’ambiente di sedimentazione. Se la sedimentazione avviene in acqua salmastra, ricca di sali, possono prevalere, indipendentemente dalla distanza, le forze attrattive (curva 1, Figura 8); se, invece, la sedimentazione avviene in acqua dolce, data la bassa concentrazione elettrolitica, si ha prevalenza al crescere della distanza delle forze repulsive (curva 2, Figura 8). Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 9 di 16 Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Tabella 2. Caratteristiche principali di alcuni minerali argillosi. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 10 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Ioni diffusi Acqua libera Molecola acqua: Acqua adsorbita dipolo (H+ OH-) Figura 7. Particella di argilla con strato di acqua adsorbita e ioni diffusi. 1 2 2 1 Figura 8. Azioni risultarti fra granuli attivi al variare della distanza e della concentrazione elettrolitica dell’acqua. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 11 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre 3. Struttura delle terre Secondo la definizione data da Lambe e Whitman (1969) e Mitchell (1976), la struttura di una terra è data dalla combinazione di due fattori: la disposizione geometrica dei granuli che la compongono (indicata come fabric) e la presenza di eventuali legami tra le particelle dovuti ad agenti cementanti (bonding). La struttura influenza notevolmente il comportamento meccanico di una terra, ovvero il modo in cui essa risponde a una sollecitazione esterna. In assenza di legami tra le particelle, la struttura di una terra è definita esclusivamente dall’assetto dei granuli. Quest’ultimo dipende da vari fattori alcuni dei quali sono legati a proprietà intrinseche del materiale (ovvero a grandezze immutabili nel tempo) e altri a variabili che evolvono con lo stato del materiale. 1.2. Terreni a grana grossa I terreni a grana grossa sono costituiti principalmente da granuli inerti. Questi ultimi hanno dimensione compresa tra la decina di micron e la decina di millimetri, forma tondeggiante e interagiscono fra loro tramite azioni di tipo meccanico. La struttura dei terreni a grana grossa dipende da vari fattori come: l’assortimento granulometrico, la forma e la scabrezza dei granuli e l’addensamento. L’assortimento granulometrico definisce la distribuzione dei diametri delle particelle che costituiscono la terra. In presenza di particelle sferiche di diametro simile, anche nello stato di massimo addensamento, il volume dei vuoti presenti all’interno della terra è elevato. Al contrario, in presenza di un materiale ben assortito con particelle di dimensione variabile, le particelle fini possono riempire i vuoti lasciati dalle particelle di dimensioni più grandi. Ne risulterà una struttura più chiusa e, conseguentemente, un migliore comportamento meccanico caratterizzato da una maggiore resistenza al taglio (maggiori punti di contatto tra i granuli) e una minore deformabilità (minori vuoti inter-particellari). Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 12 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Particelle fini (a) (b) Figura 9. a) Sabbia poco assortita; b) Sabbia ben assortita I granuli inerti hanno una forma tondeggiante la cui regolarità dipende dalla materiale costituente e dalle vicissitudini che hanno subito durante il trasporto e la successiva sedimentazione. I granuli di roccia e minerali resistenti avranno una forma più irregolare con spigoli vivi e superfici scabre mentre i minerali di rocce di scarsa resistenza o alterabili tenderanno ad assumere una forma più regolare con spigoli smussati e superfici lisce. A seconda del grado di arrotondamento, si parla di forma angolare, sub-angolare, sub-arrotondato, arrotondato e ben arrotondato. Il grado di arrotandamento influenza il mutuo incastro tra le particelle e, conseguentemente, la resistenza al taglio e la deformabilità del terreno. Ovviamente, granuli di forma ben arrotondata consentono di raggiungere assetti più chiusi mentre granuli di forma irregolare ne riducono l’addensamento. Figura 10. Forme del granulo. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 13 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Gli elementi fin qui citati (assortimento granulometrico, forma e scabrezza dei granuli) sono proprietà intrinseche della terra. Al contrario, l’addensamento evolve nel tempo in ragione delle sollecitazioni applicate sul terreno. È una variabile che definisce le condizioni attuali del terreno in relazioni al massimo e minimo addensamento possibile. Ovviamente, una sabbia addensata sarà caratterizzata da una struttura molto chiusa (pochi vuoti tra i granuli) e, quindi, da un’elevata resistenza e rigidezza. Di contro, in una sabbia sciolta i granuli hanno pochi punti di contatto e il volume complessivo dei vuoti è elevato. Rispetto al caso precedente, il comportamento meccanico sarà caratterizzato da una minore resistenza al taglio e una maggiore deformabilità. (a) (b) Figura 11. a) Sabbia sciolta; b) Sabbia addensata. 1.3. Terreni a grana fine I terreni a grana fine sono costituiti prevalentemente da granuli attivi. Questi ultimi hanno dimensioni microscopiche non osservabili a occhio nudo, forma appiattita e interagiscono fra loro tramite azioni di natura elettro-chimica. Nei terreni argillosi si distingue una microstruttura, che definisce l’assetto dei granuli, da una macrostruttura che individua l’esistenza di unità macroscopiche, separate da ricorrenti discontinuità, eterogeneità e inclusioni. Nella formazione della microstruttura di un’argilla, giocano un ruolo marginale la dimensione dei granuli, la loro forma e scabrezza, l’addensamento; al contrario, sono rilevanti le azioni che si scambiano le particelle e, quindi, la composizione mineralogica del granulo e l’ambiente di deposizione. Durante la deposizione, i granuli argillosi si scambiano azioni repulsive la cui entità dipende dal numero delle cariche elettriche negative presenti sulla superficie laterale. In acqua salmastra, l’elevata concentrazione di ioni diffusi neutralizza parte delle cariche negative riducendo Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 14 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre apprezzabilmente le azioni repulsive tra i granuli (Figura 8, curva 2). In questo caso, prevalgono le forze attrattive che portano a strutture flocculate in cui le particelle, legate fra loro con legami stabili, si raggruppano in flocculi (Tabella 3). In presenza di granuli costituiti da minerali molto attivi (come la montmorillonite), le particelle tendono a disporsi affacciate le une alle altre dando luogo a una struttura orientata. Al diminuire dell’attività (come con la caolinite o l’illite, ad esempio), l’iso- orientamento dei granuli argillosi si riduce e le strutture che si formano sono “non orientate”. Nella sedimentazione in acqua dolce, data la bassa concentrazione elettrolitica dell’acqua, prevalgono le forze repulsive (Figura 8, curva 1). Le particelle si mantengono distanti dando origine a una microstruttura dispersa. In presenza di minerali molto attivi, i granuli si dispongono parallelamente gli uni agli altri con strutture disperse orientate. Al contrario, minerali poco attivi si mantengono distanti con microstrutture non orientate. Tabella 3. Struttura delle argille. Ambiente di Attività Struttura Assetto deposizione granulo Flocculata Salino Modesta non orientata Flocculata Salino Elevata orientata Dispersa non Dolce Modesta orientata Dispersa Dolce Elevata orientata Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 15 di 16  Giada Maria Rotisciani - Caratteristiche generali delle terre Bibliografia Lancellota R. (2004). Geotecnica. Zanichelli, Bologna. Burghignoli A. (2018). Lezioni di meccanica delle terre. Hevelius, Benevento. Lambe e Whitman (1969). Soil Mechanics, John Wiley & Sons, New York. Mitchell (1976). Fundamentals of soil behaviour. Wiley, New York. Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22.04.1941/n. 633). 16 di 16