Nota importante sulla sicurezza: Questo è un testo professionale d’archivio, non un manuale di laboratorio o sul campo corrente. Le procedure descritte includono mercurio, fiamme libere, riscaldamento, paraffina e altre apparecchiature e materiali che potrebbero essere pericolosi o inaccettabili oggi. Non applicarli senza norme valide, valutazione del rischio, schede dati di sicurezza, laboratorio appropriato e supervisione professionale. Il testo non fa parte dell’attuale offerta di prodotti e servizi di Savo Kusić.
Determinazione del peso volumetrico del terreno
Esistono diversi metodi per determinare il peso volumetrico del terreno, di cui descriveremo quelli più comunemente utilizzati: il metodo del cilindro, il metodo con immersione del campione in acqua, il metodo con l’immersione del campione nel mercurio e il metodo con sabbia.
Procedura con cilindro
Questa procedura è la più utilizzata e viene eseguita sul campo e in laboratorio. Si applica al terreno legato e non legato.
Un cilindro metallico di volume noto, con il bordo inferiore affilato, viene pressato nel terreno o in un campione indisturbato o compattato artificialmente, in modo che sia completamente riempito con la massa di terreno. Successivamente, la superficie del campione viene livellata con un coltello con i bordi superiore e inferiore del cilindro e immediatamente chiusa con coperchi metallici e pesata su una bilancia.
Se W è il peso del campione con cilindro e tappi, W0 è il peso del cilindro stesso con tappi, V è il volume del cilindro
la densità del suolo γ è:
γ = (W - WP)/V
La procedura con l’immersione del campione in acqua
Questa procedura si basa sulla proprietà fisica secondo cui il volume di un corpo immerso nell’acqua è uguale al volume dell’acqua spostata. Viene utilizzato solo per terreni legati, quando non è possibile ottenere un campione di forma geometrica regolare.
Dal terreno indisturbato o da un campione più grande, si preleva un pezzo di campione a forma di macaco e si misura su una bilancia il suo peso W allo stato naturale. Successivamente il campione viene ricoperto con paraffina fusa, che non deve essere troppo calda, ma quanto basta per sciogliersi. Un sottile strato di paraffina 1-2 mm dovrebbe coprire completamente l’intero campione. Successivamente il campione con paraffina viene pesato su una bilancia e si ottiene il peso W’. Il peso della paraffina è W’ – W.
Il volume di paraffina VP, ottenuto dalla forma: VP * γP = W’ – W,
dove γP è il peso volumetrico della paraffina, che è noto e ammonta a γP = 0,892 p/cm3.
Dall’equazione sopra abbiamo: VP = (W’ – W)/0,892 [cm3].
Fig. 1. Determinazione del peso volumetrico del terreno immergendo il campione in acqua
Quindi il campione avvolto in paraffina viene appeso ad una bilancia con un sottile filo di seta (fig. 1), la bilancia viene portata in equilibrio, e poi immediatamente un contenitore di acqua distillata viene trascinato sotto il campione, in modo che l’intero campione sia immerso nell’acqua. Poiché, a causa dell’apparente perdita di peso del campione nell’acqua, l’equilibrio sulla bilancia è disturbato, esso viene ristabilito rimuovendo i pesi, in modo da ottenere il peso del campione con paraffina immersa nell’acqua W. La differenza nel peso del campione con paraffina nello stato non sommerso e sommerso dà il peso dell’acqua spostata, ovvero se il peso volumetrico dell’acqua YW = 1,00, il volume dell’acqua spostata Vw
Dal volume Vw sottraiamo il volume di paraffina VP e otteniamo il volume del campione.
La densità del suolo è: γ = W/(Vw – VP)*m
dove m è il coefficiente di correzione dovuto alla differenza nella temperatura dell’acqua, poiché Y = 1,0 per la temperatura dell’acqua a 4 °C: m = γw,T / γw,4oC.
Procedura con immersione del campione nel mercurio
Questa procedura si applica per i terreni legati, anche nei casi in cui sia necessario rinunciare al prelievo di un campione di forma geometrica regolare, come è il caso, ad esempio, quando si determinano i limiti di ritiro del terreno.
Fig. 2. Determinazione del peso volumetrico del terreno immergendo il campione nel mercurio
Il campione viene immerso in un recipiente completamente pieno di mercurio (fig. 2) e con l’aiuto di una lastra di vetro con sottili punte metalliche viene pressato in modo che sia completamente immerso nel mercurio. Il mercurio pressato viene versato in un recipiente più grande, da dove viene prelevato e misurato il suo peso. Se W è il peso del campione, Wz è il peso del mercurio spostato, γz è il peso volumetrico del mercurio, Vz=V è il volume del mercurio spostato pari al volume del campione;
Vz * γz = Wz * Vz = Wz/ γz
allora il peso volumetrico del terreno è:
γ =W*γz /Wz.
Procedura di sabbia
Questo test viene eseguito sul campo e viene spesso applicato su terreni non legati, ghiaia, sabbia ghiaiosa, materiale morenico e in altri casi, quando non è possibile l’estrazione di campioni indisturbati con cilindri. Il principio di questo procedimento consiste nello scavare una buca nel terreno e poi riempirla con normale sabbia di peso volumetrico noto, in base alla quale si determina il volume della buca. Il peso volumetrico del terreno è determinato dal peso della massa scavata e dal volume della fossa.
Si livella la superficie del terreno, di cui si vuole determinare il peso volumetrico, in modo che sia orizzontale, quindi si appoggia su di essa una lastra di stagno di dimensioni circa 40 x 40 cm (fig. 3), su cui è ritagliata una dima al centro del diametro Ø = 20 cm, spessore 5 mm, per scavando una buca nel terreno. La lamiera viene appoggiata a terra e fissata con picchetti. Un foro con un diametro di 20 cm, una profondità di circa 20 cm viene scavato con uno strumento manuale (coltello, spatola, cucchiaio, scalpello) attraverso l’apertura della sagoma, preferibilmente con pareti verticali, ma non all’esterno della sagoma e pulito bene. Tutto il materiale scavato viene posto sul piatto, poi subito dopo lo scavo, mentre ha ancora la sua umidità naturale, viene pesato su una bilancia e ne viene determinato il peso W. Per poter successivamente determinare l’umidità naturale, il campione viene posto in una scatola di latta con coperchio, per essere portato nell’essiccatoio una volta terminato il lavoro sul campo. Subito dopo nello scavo viene versata sabbia normale secca, il cui peso volumetrico γd è determinato misurando, cioè dalla prova di laboratorio precedentemente eseguita, versando sabbia attraverso lo stesso imbuto e dalla stessa altezza, h cade come nella prova sul campo.
Fig. 3. Determinazione del peso volumetrico del terreno mediante il test della sabbia
Prima di iniziare il test, misurare il peso della sabbia normale nel bicchiere, quindi dopo aver riempito il buco nel terreno con quella sabbia fino alla superficie superiore della banda stagnata, che viene livellata con un righello di acciaio di lunghezza 40 cm, misurare il resto della sabbia nel bicchiere, in modo da ottenere il peso esatto Wd della sabbia normale secca nel foro fino alla superficie superiore della banda stagnata. Il volume Vd del foro scavato sulla superficie superiore della banda stagnata è determinato in base alla formula Vd = Wd/γd.
Il volume V del foro nel terreno si ottiene sottraendo il volume v dell’apertura della dima in latta:
Il peso volumetrico del terreno γ è: γ = W/V, dove W è il peso del terreno scavato dal foro misurato immediatamente dopo lo scavo. Si noti che al posto della sabbia vengono utilizzati gesso, olio o asfalto freddo, che sono meno sensibili in caso di pioggia. Inoltre, ci sono anche dispositivi speciali per lavorare più facilmente e velocemente durante il test con la sabbia.
I valori approssimativi dei pesi volumetrici del terreno sono riportati nella tabella 1, con la nota che nelle analisi geomeccaniche in ciascun caso, il peso volumetrico del terreno dovrebbe essere determinato mediante esperimenti in laboratorio o sul campo.
Determinazione dell’umidità del suolo
Il test per la determinazione dell’umidità del suolo viene effettuato in diversi modi, vale a dire il metodo di laboratorio utilizzando un essiccatore elettrico, metodi sul campo utilizzando l’essiccazione su fuoco aperto, utilizzando il carburo, misurando sott’acqua e utilizzando un picnometro ad aria. Qui descriveremo solo i primi due metodi, che vengono applicati più spesso nel nostro paese.
Metodo di laboratorio con essiccatore elettrico
Questo metodo è il più affidabile e il più diffuso per tutti i tipi di terreno. Un pezzo di terreno di un campione indisturbato viene posto tra due bicchieri concavi, chiamati clessidre, che vengono fissati con una fascetta metallica e pesati insieme su una bilancia analitica, quindi posto in un essiccatore elettrico dove viene essiccato a 105°C fino a quando il peso è costante (fig. 4). La differenza di temperatura durante l’essiccazione non deve essere maggiore di ±2°C, poiché a una temperatura più bassa non viene eseguita un’essiccazione completa e a una temperatura più alta gli ingredienti organici nel campione potrebbero bruciare. La durata approssimativa dell’essiccazione del campione con una clessidra nell’essiccatore è di circa 6 ore per la sabbia e di circa 12 ore per l’argilla. Dopo l’essiccazione, il campione chiuso in clessidra con una pinza viene posto in un essiccatore a raffreddare a temperatura ambiente, dopodiché viene misurato nuovamente.
Fig. 4. Asciugatura campioni in clessidre con pinza
Se W è il peso del campione allo stato naturale di umidità con clessidra e pinza, Ws il peso del campione allo stato secco con clessidra e pinza, Wt il peso della clessidra e pinza, l’umidità del terreno w secondo la definizione di Atterberg è il peso dell’acqua diviso per il peso del terreno allo stato secco, ovvero: w = W-Ws / Ws-Wt * 100 [%].
Determinazione della porosità del suolo e del coefficiente di porosità
Il test viene eseguito su un campione indisturbato, a condizione che il suo volume possa essere determinato in uno stato indisturbato.
Premiamo un cilindro metallico di volume noto nel terreno indisturbato o in un campione di dimensioni maggiori, livelliamo la superficie superiore del campione con i bordi del cilindro e lo mettiamo ad asciugare su 105°C fino a quando il peso è costante, quindi lo lasciamo raffreddare a temperatura ambiente, e lo pesiamo nuovamente sulla bilancia insieme al cilindro.
Se V è il volume interno del cilindro, Vm è il volume dei solidi del terreno non porosi, Wd è il peso secco del campione, γs è il peso volumetrico delle particelle solide, la porosità del terreno n è
Il volume Vm è determinato in base al peso secco del campione Wd:
cioè in percentuale del volume totale del suolo
Poiché γd = Wd/V, ovvero il peso volumetrico secco del terreno, si può porre
n = 100* (1 – γd/ γs) [%].
Il coefficiente di porosità si ottiene dalla forma e = n/(1-n).
Per la progettazione, il controllo di qualità o l’esecuzione di lavori, utilizzare le normative vigenti, metodi di prova standardizzati e un laboratorio autorizzato. Questo testo è conservato come risorsa educativa storica.