Archivio contenuti professionali: l’articolo conserva una panoramica storica dei concetti, delle formule e delle procedure di laboratorio della geotecnica. Non si tratta di uno studio geotecnico, di una progettazione di rilevati, di specifiche di compattazione, di un piano di controllo della qualità o di un sostituto dello standard attuale. I parametri del terreno, le attrezzature, l’energia di compattazione, i criteri di accettazione e i metodi di lavoro sicuri sono determinati da un ingegnere geotecnico autorizzato e da un laboratorio accreditato in base al terreno e all’oggetto specifici.
Savo Kusić oggi si concentra su finestre in legno, finestre in legno-alluminio, finestre su misura, porte e richieste di preventivo. Questo articolo resta un archivio tecnico e non rappresenta un’offerta di progettazione geotecnica, collaudo o esecuzione di lavori in terra.
Compattazione di terreni sciolti
La compattazione del terreno sciolto dipende dalla dimensione e dalla forma delle particelle solide, nonché dalla sua struttura. Nel caso di terreno non legato esistono dei limiti entro i quali si muovono i valori di porosità n e coefficiente di porosità e per la struttura più rara e densa.
Se il materiale non legato viene essiccato e versato lentamente in un bicchiere in modo che non si compatti durante il versamento, si ottiene la sua struttura più rara. Questa struttura corrisponde al coefficiente di porosità emax, il cui valore per la sabbia nel testo originale rientra nei limiti:
emax = 0,7–1,0.
Se lo stesso materiale viene versato in un bicchiere in strati sottili e ogni strato viene martellato con un mazzuolo di legno finché il volume non è costante, cioè finché non smette di depositarsi sotto la pigiatura, si ottiene la sua struttura più densa. Corrisponde al coefficiente di porosità emin, il cui valore per la sabbia è:
emin = 0,45–0,65.
La compattazione del terreno non legato è espressa dal relativo ID di compattazione, coefficiente che mostra il grado di compattazione del terreno rispetto alla compattazione più alta:
dove e è il coefficiente di porosità del terreno allo stato naturale di compattazione. I valori finali della densità relativa sono:
- per la struttura più rara e = emax; ID = 0;
- per la struttura più densa e = emin; ID = 1.
Il criterio per la compattazione dei terreni sabbiosi secondo Terzaghi nel testo originale recita:
- sabbia scarsamente compattata: ID = 0–1/3;
- sabbia mediamente compattata: ID = 1/3–2/3;
- sabbia densamente compattata: ID = 2/3–1.
In caso di rilevati su strade e rilevati, il testo richiede ID = 2/3–1.
Invece della forma precedente, è possibile utilizzare il rapporto del volume:
dove V è il volume del campione di terreno indisturbato, Vmax è il volume della stessa quantità di terreno nello stato di minima compattazione e Vmin è il volume della stessa quantità di terreno nello stato di massima compattazione.
Limite di applicazione: le classificazioni e i termini storici non possono essere trasferiti direttamente al progetto o al cantiere. Il tipo di terreno, il metodo di campionamento, le condizioni del campione, la norma applicabile e i requisiti di progetto possono modificare il metodo e i criteri.
Compattazione del terreno legato
Con il terreno legato, la compattazione non dipende solo dalla dimensione e dalla forma degli ingredienti solidi e dalla loro struttura, ma anche dalla coesione. A causa della coesione, le particelle solide sono attaccate insieme, quindi spremere l’acqua dai pori durante la compattazione è molto più difficile che con il terreno non legato, le cui particelle si muovono più facilmente sotto carico.
Quando si compatta il terreno legato, la quantità di acqua è di grande importanza. Mediante la costipazione l’acqua viene espulsa dai pori e lo spessore del velo d’acqua diminuisce; la porosità diminuisce e la resistenza al taglio e la densità apparente aumentano. Maggiore è la densità, più solidi e meno pori per unità di volume. Questo rapporto è stato adottato come base per valutare la compattazione del terreno legato. Il controllo della compattazione nel testo viene effettuato utilizzando il peso volumetrico secco:
γd = Ld / V [N/cm3]
dove Wd è il peso di un campione di terreno completamente essiccato in N, e V è il volume dello stesso campione in uno stato compattato prima dell’essiccazione, in cm3.
Processo di Proctor
Il test di Proctor serve a determinare il rapporto tra la quantità di acqua nel terreno e la sua compattazione. Determina l’umidità ottimale, cioè l’umidità alla quale il terreno compattato fornisce il massimo peso volumetrico secco per una data energia di compattazione.
L’apparato di Proctor storicamente descritto (immagine 1) è costituito da un cilindro metallico con diametro interno Ø = 10 cm, altezza 12 cm (immagine 1_a_), un’estensione del cilindro dello stesso diametro e altezza 10 cm (immagine 1_b_) e costipatore metallico con un diametro di 5 cm, peso 2,5 N, in una guida cilindrica di diametro leggermente maggiore. La guida è aperta nella parte inferiore e chiusa nella parte superiore, con un’apertura leggermente più ampia per il passaggio della maniglia del pistone (immagine 1_c_). L’estremità inferiore del cilindro viene posizionata su una piastra metallica più grande e fissata durante la rincalzatura.
Il campione viene essiccato secondo la procedura originale e setacciato attraverso un’apertura del setaccio 5 mm per evitare l’influenza di grani grandi. Viene quindi miscelato con una quantità di acqua che non deve essere tale da rendere il campione pastoso, né così piccola da non poter essere processato. Innanzitutto, uno strato di circa 8 cm altezza viene posto nel cilindro con un’estensione in uno stato non compattato e compattato con colpi 25 distribuiti uniformemente sulla superficie. L’impatto viene eseguito mediante caduta libera del martello da un’altezza di 30 cm. Si applica un nuovo strato di spessore 8 cm, speronato con nuovi punzoni 25 e si ripete la procedura con il terzo strato. Al termine, l’estensione viene rimossa, la superficie del campione viene allineata con il bordo del cilindro inferiore e lo sporco in eccesso viene rimosso. Un campione di terreno compattato viene quindi rimosso e vengono determinati la sua densità apparente secca γd e il contenuto di umidità w.
Immagine 1 — Esperimento di Proctor
L’esperimento viene ripetuto da 5 a 6 volte, sempre con materiale fresco e non trattato proveniente dallo stesso campione, ma con una diversa quantità di acqua, per ottenere valori diversi per γd e w. L’umidità del suolo w è applicata sull’ascissa del diagramma e il peso volumetrico secco γd sull’ordinata (immagine 2). I punti collegati danno una curva che mostra che la densità apparente secca prima aumenta con l’umidità fino al massimo e poi diminuisce. L’umidità wopt corrispondente alla densità massima di massa secca max γd è chiamata umidità ottimale. Nel testo si accetta che con questa umidità si ottenga la massima compattazione per una data energia di compattazione. Il test così effettuato si chiama proctor’s test standard.
Figura 2 — Diagramma Proctor.
Sicurezza e standard di laboratorio: Le dimensioni dell’apparecchiatura, la massa e la caduta del costipatore, il numero di strati e gli impatti e la preparazione del campione sono dati storici trasmessi qui, non istruzioni a sé stanti. Una procedura valida deve definire lo standard appropriato e il piano di laboratorio. L’essiccazione, la setacciatura e la pressatura comportano rischi derivanti da polvere, particelle volanti, pizzicamento e lesioni da impatto; sono necessarie attrezzature adeguate, protezione e un operatore addestrato.
Effetto della dimensione del grano oltre 5 mm
Nel testo originale si afferma che i grani più grandi di 5 mm non hanno un impatto significativo se costituiscono fino a 25% della massa totale. Se sono presenti più di 25%, la loro influenza deve essere presa in considerazione calcolando il peso volumetrico secco della miscela utilizzando il metodo di proporzionalità o il test Proctor modificato.
Calcolo con il metodo della proporzionalità
Secondo questo metodo, il peso volumetrico secco della miscela di materiale del terreno γdm viene calcolato in base alla rappresentazione proporzionale dei grani sopra e sotto 5 mm:
dove si trova:
- γd — peso volumetrico secco del materiale che è passato attraverso il setaccio di apertura 5 mm;
- γsc — peso volumetrico delle particelle solide rimaste sull’apertura dello schermo 5 mm;
- m — percentuale in peso del materiale rimasto sull’apertura del setaccio 5 mm rispetto all’intera massa.
Proctor Test modificato
Secondo le esperienze dell’US Bureau of Reclamation citate nel testo originale, se grani più grandi di 5 mm costituiscono più di 1/3 fino a 2/3 della massa totale del suolo, il test deve essere eseguito con la massa totale. Poiché non è possibile farlo con successo in un cilindro con un diametro di 10 cm, nel cosiddetto proctor test modificato viene utilizzato un cilindro con un diametro maggiore. Il testo descrive un cilindro con un diametro di 15,2 cm e un’altezza di 23,2 cm, in cui un campione di 5,5 kp è compattato in tre strati approssimativamente uguali con 50 impatti più piccoli ciascuno con un peso di 4,53 kp e un’altezza di caduta di 45,7 cm. Se il campione contiene grani fino a 20 mm, il test viene eseguito con materiale indisturbato. Se contiene grani più grandi di 20 mm, una quantità di 5,5 kp del campione viene setacciata attraverso un setaccio di 20 mm e il resto sul setaccio viene sostituito con materiale di dimensioni 5–20 mm.
Oltre alla procedura così descritta, nel testo qualsiasi metodo di esecuzione che differisce da quello standard viene chiamato anche test Proctor modificato.
Energia di compattazione
L’energia di compattazione del campione nel cilindro Proctor può essere espressa dall’equazione, dove N è il numero di colpi di martello, h l’altezza del martello in m, W il peso del martello in Mp (megapond) e V il volume del campione in m3.
Con un aumento dell’energia di compattazione si ottiene una maggiore compattazione del campione, la sua porosità, cioè la quantità di acqua nel terreno, diminuisce e il peso del volume secco aumenta. Per le energie di compattazione E1, E2, E3 ed E4 i corrispondenti diagrammi di Proctor si ottengono nella figura 3. Tutti i diagrammi si avvicinano asintoticamente al diagramma di saturazione, che è anche chiamato diagramma dei pori d’aria 0% quando tutti i pori sono riempiti d’acqua, o pori d’aria 5% quando i pori 95% sono riempiti d’acqua.
Figura 3 — Diagrammi Proctor per diverse energie di compattazione.
Il diagramma di saturazione può essere costruito se w = wz = n / γs(1-n) è applicato sull’ascissa e γd = γs(1-n) sull’ordinata, dove n è la porosità del terreno e γs è il peso volumetrico del particelle solide del terreno dato. Ne consegue che l’energia di compattazione può essere regolata per ottenere la compattazione desiderata. Per controllare la compattazione del terreno naturale o di un rilevato compattato, nel testo viene spesso adottato l’indice di compattazione Iz, il rapporto tra il peso volumetrico a secco del dato terreno o rilevato γd e il peso volumetrico ottenuto da Proctor γp:
Iz = γd / γp.
Progettazione e controllo sul campo: la curva di laboratorio da sola non conferma la qualità dello strato derivato. Nel piano di progettazione e controllo devono essere inclusi campionamento, spessore dello strato, tipo e numero di passaggi macchina, umidità, misurazioni sul campo, capacità portante, drenaggio, strutture adiacenti e installazioni sotterranee. Non avvicinarsi all’area di lavoro del rullo o di altri macchinari senza una segnalazione organizzata e un controllo degli accessi.