Analisi Granulometrica e Limiti di Consistenza PDF

Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza 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 l...

Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza Indice 1. ANALISI GRANULOMETRICA................................................................................................................... 3 2. DETERMINAZIONE LIMITI DI CONSISTENZA............................................................................................ 6 3. CARTA DI PLASTICITÀ DI CASAGRANDE.............................................................................................. 11 BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................................. 15 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza 1. Analisi granulometrica La composizione granulometrica di una terra è determinata in laboratorio eseguendo un’analisi granulometrica. Quest’ultima è eseguita per setacciatura per la frazione di dimensione superiore a 0.074 mm; per sedimentazione per la frazione fine composta da granuli di dimensione inferiore a 0.074 mm. La curva granulometrica del materiale è ottenuta riportando in un grafico i valori del passante (o del trattenuto) in ordinata, in scala lineare, e la dimensione caratteristica dei granuli, in ascissa, in scala logaritmica. Disegnata la curva, è possibile valutare l’assortimento granulometrico del materiale. Consideriamo, esempio, la curva 1 riportata in Figura 1. La curva ha un andamento sub- verticale: ciò significa che il materiale è costituito da granuli di dimensione compresa in un intervallo piuttosto ridotto (0.1 – 1 mm). La granulometria è uniforme e il materiale è detto monogranulare. La curva 3, al contrario, ha una pendenza modesta. Questo andamento indica un buon assortimento granulometrico con la presenza di granuli di dimensione molto variabile compresi tra 0.001 e 40 mm. La curva 2, invece, presenta un tratto centrale sub-orizzontale. Ciò significa che nel volume di terra analizzato la percentuale di granuli di dimensioni compresi tra 0.1 e 1 mm è modesta. La granulometria è discontinua (gap-graded). 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza 1 2 3 Figura 1. Curve granulometriche. Per classificare un materiale è necessario determinare la percentuale di ghiaia, sabbia, limo e argilla presenti al suo interno. Consideriamo, ad esempio, la curva 2 in Figura 2. La ghiaia è la frazione granulometrica più grossolana composta da granuli di dimensione compresa tra 2 e 60 mm. La percentuale di Ghiaia è pari alla differenza tra il trattenuto al setaccio di apertura 2 mm e quello al setaccio di apertura 60 mm. In questo caso è pari a circa il 56%. Analogamente la percentuale di sabbia è calcolata come differenza tra i trattenuti corrispondenti ai diametri 0.06 e 2 mm, ovvero: 83% - 56% = 27 %. La percentuale di limo corrisponde alla differenza tra i trattenuti a 0.002 e 0.06 mm ed è pari a 14% (97% - 83%). Infine, la percentuale di materiale passante a 0.002 mm corrisponde alla percentuale di argilla presente all’interno del campione analizzato (3%). 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza 56% Ghiaia 2 27% Sabbia 14% Limo Figura 2. Determinazione frazioni granulometriche. Sulla base di questi risultati, è possibile denominare la terra assegnandole il nome che corrisponde alla frazione granulometrica preminente. Ulteriori specificazioni possono essere attribuite prendendo a riferimento le altre frazioni granulometriche. Ad esempio, se la percentuale è: Maggiore o uguale al 25% si inserisce la preposizione “con”; Compresa tra il 15% (estremo incluso) e il 25% si utilizza il suffisso “oso-osa”; Compresa tra il 5% (estremo incluso) e il 15% si utilizza l’avverbio “debolmente” unito al suffisso “oso-osa”; Inferiore al 5% si trascura. Ne consegue che il materiale 2 analizzato in Figura 2 composto da 56% di Ghiaia, 27% di Sabbia, 14% di Limo e 3% di Argilla è una Ghiaia con sabbia debolmente limosa. Gli altri materiali sono classificati come: Curva 1: 100% Sabbia, Sabbia Curva 3: 17% Ghiaia, 46% Sabbia, 37% Limo; Sabbia con limo ghiaiosa. 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza 2. Determinazione limiti di consistenza I terreni a grana fine (argille e limi) sono costituiti prevalentemente da granuli attivi che hanno dimensioni microscopiche non osservabili a occhio nudo, forma appiattita e interagiscono fra loro tramite azioni di natura elettro-chimica. Il comportamento meccanico di questi terreni dipende dalla loro struttura, nella cui formazione giocano un ruolo chiave le forze che si scambiano le singole particelle. L’entità di tali forze dipende principalmente dalla composizione mineralogia della terra, dall’ambiente di sedimentazione e solo marginalmente dalla dimensione dei granuli e dalla loro forma. Per classificare queste terre, non è possibile basarsi solo sulla determinazione della dimensione delle particelle che li compongono. Questo tipo di classificazione non è esaustivo perché non tiene conto di una proprietà fondamentale che condiziona il comportamento del materiale, la mineralogia. I dati sperimentali dimostrano, infatti, che due terre con la stessa curva granulometrica possono avere un diverso comportamento meccanico se sono costituiti da minerali argillosi con diversa attività superficiale. In questo caso, infatti, cambia la microstruttura e, conseguentemente, la risposta tensio-deformativa. La classificazione dei terreni a grana fine richiede la determinazione della curva granulometrica e della composizione mineralogica del materiale. Un’analisi diretta della mineralogia non può essere utilizzata come elemento di classificazione perché necessita di apparecchiature sofisticate difficilmente reperibili in laboratori di cantiere. È, pertanto, necessario definire procedure semplificate che consentano una valutazione indiretta dalla mineralogia. La presenza di carichi elettriche negative sulla superficie dei granuli conferisce a questi ultimi la capacità di interagire con le molecole d’acqua legandole a sé. La quantità di acqua adsorbita varia in relazione alle caratteristiche mineralogiche e alle condizioni fisiche in cui si trovano: sollecitazioni applicate, temperatura, concentrazione elettrolitica dell’acqua. Si può, perciò, indirettamente riconoscere la costituzione mineralogica di una terra argillosa misurando il contenuto in acqua in condizioni fisiche precisamente definite. 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza Acqua adsorbita Granulo Figura 3. Particella di argilla con strato di acqua adsorbita. La determinazione del contenuto d’acqua di una terra viene eseguita in condizioni fisiche normalizzate, fissando, cioè, la temperatura (25°), le caratteristiche dell’acqua (acqua distillata) e la storia tensionale del campione. In laboratorio vengono determinati due contenuti d’acqua particolari, il limite liquido e il limite plastico, che convenzionalmente delimitano il campo plastico. In questo contesto, si intende per stato plastico uno stato nella quale il campione di terra può essere modellato a volume costante senza fessurarsi o rompersi. Per contenuti d’acqua maggiori del limite di liquidità, il terreno assume una consistenza liquida confermata dall’incapacità del campione di mantenere una forma propria; per contenuti d’acqua inferiori al limite di plasticità, il campione non è più modellabile. Ovviamente, il passaggio da uno stato all’altro avviene con gradualità al variare del contenuto d’acqua. I limiti di consistenza, o limiti di Atterberg, sono valutati con riferimento a due comportamenti meccanici a cui convenzionalmente si associa il passaggio di stato. La validità delle procedure ideate a questo scopo deriva dal fatto che sono ormai utilizzati da tanti anni e sono precisamente normalizzate e accettate in tutti i paesi. La determinazione dei limiti di consistenza si effettua sulla frazione passante al setaccio di apertura 0.42 mm (n. 40 ASTM, American Society for Testing and Materials). Questa frazione comprende granulometricamente le argille, i limi, le sabbie fini e parte delle sabbie medie. Figura 4. Limiti di consistenza o limiti di Atterberg. 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza 1.1. Limite di liquidità Il limite di liquidità wL viene determinato utilizzando il cucchiaio di Casagrande, un’apparecchiatura messa a punto da Casagrande nel 1932 (Figura 5). Figura 5. Cucchiaio di Casagrande. La prova viene eseguita su un campione di terra passante al setaccio n. 40 a cui viene aggiunta acqua distillata fino a ottenere una pastella omogenea. Parte di questa pastella viene posta nel cucchiaio e livellata superiormente in modo da ottenere una superficie orizzontale (Figura 6). Al centro, viene eseguito un solco di sezione tronco-piramidale con un apposito utensile. Durante la prova, si aziona la manovella e si conta il numero di colpi richiesti per far chiudere il solco per un tratto di almeno 13 mm di lunghezza. Successivamente, si determina su una parte del campione il contenuto d’acqua. Le operazioni appena descritte vengono ripetute 3-4 volte in modo da ottenere 3-4 coppie (numero di colpi, contenuto d’acqua). Le misurazioni vengono eseguite dopo aver aggiunto acqua distillata e mescolato con cura in modo da ottenere una pastella uniforma. I risultati della prova vengono riportati in un piano con il numero di colpi in ascissa, in scala logaritmica, e il contenuto d’acqua in ordinata, in scala lineare. Interpolando linearmente i dati si ricava il valore del contenuto d’acqua in corrispondenza del quale il solco si chiude al 25° colpo. Questo valore corrisponde al limite di liquidità. 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza Figura 6. Esecuzione prova. w wL= 47.5% c v Figura 7. Procedura per la determinazione del limite di liquidità. 1.2. Limite di plasticità Il limite di plasticità Wp è il contenuto d’acqua in corrispondenza del quale il campione di terra inizia a perdere il suo comportamento plastico. Si determina sperimentalmente formando per rotolamento cilindri di diametro 3.2 mm ed è il contenuto d’acqua per cui si formano le prime screpolature. Si eseguono, in genere, tre misurazioni e il limite di plasticità corrisponde al valor medio. 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 15 Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza Figura 8. Determinazione limite di plasticità. 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza 3. Carta di plasticità di Casagrande Si definisce Indice di plasticità IP la differenza tra i limiti di liquidità e plasticità: L’indice di plasticità individua l’intervallo di contenuti d’acqua all’interno del quale il materiale ha un comportamento plastico. Al crescere di IP, cresce l’attività superficiale, come confermato dai valori di wp, wL, Ip riportati in Tabella 1 relativi a tre argille largamente diffuse in natura. Passando dalla caolinite alla montmorillonite, il limite di plasticità si modifica leggermente passando da circa 35% a 78% (valori medi); ben più marcate sono le differenze osservate nei valori del limite di liquidità che passa da 50% a 500%. Queste differenze si riflettono nella determinazione di Ip che passa da circa 18% a oltre 220%. I dati riportati in tabella confermano la diversa attività superficiale delle tre argille: la montmorillonite, in particolare, ha la capacità di legare un’elevata quantità di acqua rimanendo in campo plastico. Tabella 1. Valori tipici dei limiti di Atterberg per alcune argille. Una valutazione dell’attività superficiale dei granuli può essere ricavata mettendo in relazione l’indice di plasticità con la frazione di materiale realmente attivo. I limiti di consistenza sono determinati per convenzione sul passante al setaccio n. 40 di apertura 0.42 mm che comprende anche granuli non attivi. Si definisce, pertanto, attività a (Skempton, 1953): 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza dove CF è la percentuale in peso dei granuli di dimensione inferiore a 0.002 mm che, dal punto di vista granulometrico, corrisponde ad argilla (Clay Fraction). Un valore elevato di Ip può essere dovuto alla presenza nel campione analizzato di poca argilla (CF basso) molto attiva (a alto) o, al contrario, alla presenza di una grande quantità di argilla (CF alto) poco attiva (a bassa). Analogamente a parità di CF, si registrano diversi valori di Ip se la frazione argillosa è composta da minerali argillosi con diversa attività. La caolinite, ad esempio, presenta attività molto bassa caratterizzata da un indice compreso tra 0.33 e 0.46. L’illite presenta valori prossimi all’unità anche se, pur essendo un minerale molto diffuso in natura, si presenta sempre in presenza di altri minerali e quindi è difficile valutarne l’attività. La montmorillonite presenta valori superiori all’unità che, in alcuni casi, possono arrivare fino a 7. A seconda dell’attività, le terre si dividono in: Terre poco attive: a 1. Il sistema di classificazione dei terreni a grana fine, ad oggi più utilizzato, prevede la determinazione della curva granulometrica e l’impiego della carta di plasticità di Casagrande (1949). La classifica di Casagrande si basa sull’osservazione sperimentale che tra il limite di liquidità e l’indice di plasticità esiste una relazione lineare, linea A in Figura 9, di equazione: Gli scostamenti da questa relazione indicano un comportamento particolare e permettono di distinguere le argille dai limi e dalle terre organiche. Punti che cadono al di sopra della linea sono, in genere, argille (indicati in Figura 9 con la lettera C, dall’inglese Clay); quelli che cadono al di sotto sono limi o sostanze organiche (indicati con le lettere M e O, dall’inglese Mud e Organic). Il 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 15  Giada Maria Rotisciani - Analisi granulometrica e limiti di consistenza valore di wL di 50% delimita le terre ad alta plasticità (wL >50%, indicate dalla lettera H, dall’inglese High) da quelle a bassa plasticità (wL