Nota importante per gli esperti: Questo articolo è una revisione didattica d’archivio e non è uno studio geotecnico, uno standard di laboratorio valido, un calcolo di fondazione o un manuale di istruzioni. I termini, le procedure, le unità di misura, i valori, le classificazioni ed i riferimenti originari alla “nostra normativa” sono stati trasferiti senza verificare il rispetto delle norme e dei regolamenti applicabili. Le analisi del terreno, la scelta del metodo, l’interpretazione dei risultati e le decisioni di progettazione devono essere eseguite da esperti geotecnici autorizzati e dal laboratorio appropriato per un oggetto e un luogo specifici.
Il tema della compressibilità del suolo non rientra nella nuova offerta pubblica di Savo Kusić. L’attuale focus produttivo è costituito da finestre in legno, finestre in legno-alluminio e porte su misura. Per un progetto specifico di finestre o porte, puoi inviare richiesta di preventivo.
Base del test dell’edometro
La comprimibilità del terreno viene determinata mediante una prova di compressione con espansione laterale impedita, chiamata anche prova edometrica o prova di consolidamento.
Il test viene eseguito con campioni indisturbati e in alcuni casi con campioni disturbati. Nel primo caso, il campione di prova viene prelevato premendo anelli metallici in un campione più grande e indisturbato, che viene poi introdotto nell’apparato insieme all’anello dopo aver tagliato il campione in eccesso e livellato le sue superfici con i bordi del cilindro. Nel secondo caso l’anello viene riempito con un campione nello stato di consistenza al limite di snervamento e in quello stato viene introdotto nell’edometro.
Il test viene eseguito utilizzando l’apparecchio costruito per primo da Terzaghi e chiamato Edometro. Oggi esistono diverse costruzioni di questo apparato, ma tutte si basano sullo stesso principio, testando la compressione di un campione di terreno sotto carico con espansione laterale impedita.
Edometro: descrizione del dispositivo
Fig. 1. Contachilometri
L’edometro è costituito da un cilindro metallico in cui si trova il campione tra due pietre filtranti (fig. 1). Il campione viene introdotto nell’apparecchio in un anello metallico con un diametro di 7-10 cm e un’altezza di 1-4 cm. Il carico P viene trasferito al campione attraverso la pietra filtrante superiore. Sotto la pietra filtrante inferiore si trovano dei canali sul fondo del cilindro per il drenaggio dell’acqua dal campione nel tubo capillare e per l’approvvigionamento idrico. Poiché la compressione del campione avviene a spese dei pori, poiché le particelle solide del terreno e l’acqua nei pori sono praticamente incomprimibili, è necessario garantire che l’acqua defluisca dal campione durante il test, cosa resa possibile mediante una pietra filtrante, un canale e un tubo capillare.
Sul lato sinistro del dispositivo è presente un tubo di alimentazione dell’acqua con un rubinetto davanti al cilindro, mentre sul lato destro si trova un tubo capillare, con un rubinetto dietro il cilindro. Il tubo capillare viene utilizzato anche per determinare il coefficiente di permeabilità del suolo k.
Esame
Quando il campione viene posizionato nel cilindro e l’apparecchio è assemblato, chiudere il rubinetto sinistro, l’alimentazione idrica, e aprire il rubinetto destro, affinché l’acqua possa defluire nel tubo capillare. Quindi viene avvicinato il carico del campione, che viene applicato gradualmente. Solitamente vengono applicati i seguenti carichi: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 kp/cm2 e oltre fino al carico di terreno più alto previsto sotto l’edificio, per lo più fino a 10 kp/cm2, e per le dighe può essere anche di più fino a 20 kp/cm2. Ad ogni livello di carico, al momento della sua applicazione, il cronometro viene avviato e ad intervalli di tempo 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, poi ogni ulteriore 24h, fino al consolidamento del campione sotto quel grado di carico, il corrispondente cedimento in millesimi di millimetro viene letto sul comparatore e registrato nel registro. Per il consolidamento, si presuppone che sia stato raggiunto se l’assestamento del campione Δh ≤ 0,02 mm per un tempo di 24 ora. Una volta ottenuto il consolidamento, viene applicato il livello di carico successivo e l’intera procedura viene ripetuta nello stesso modo e così via fino al livello di carico finale.
La prova di consolidamento con espansione laterale impedita viene eseguita con carico e scarico, al fine di determinare le proprietà elastiche del terreno. Dopo aver caricato il campione in una certa misura, lo scarichiamo con la stessa gradualità con cui lo abbiamo caricato. Lo scarico viene solitamente eseguito dopo 2,0 kp/cm2, 4,0 kp/cm2 e 6,0 kp/cm2.
Di norma, il test viene eseguito con il campione sott’acqua, che viene tenuto sul tubo di vetro sinistro all’altezza della superficie superiore del campione nell’apparecchio. Il test della compressibilità del campione in presenza di acqua viene eseguito per questo motivo, perché il test richiede molto tempo e il campione si asciuga durante quel tempo, di conseguenza la comprimibilità del campione sarebbe inferiore alla comprimibilità effettiva del terreno nel suo stato di umidità naturale. Inoltre, l’umidità naturale del suolo può essere più elevata rispetto al momento del campionamento, soprattutto quando il livello delle acque sotterranee aumenta, il che potrebbe portare a una deviazione significativa dall’effettiva comprimibilità del suolo durante il periodo di alto livello dell’acqua.
I risultati del test vengono applicati a tre tipi di diagrammi, vale a dire il diagramma di compressione relativa, il diagramma di variazione del coefficiente di porosità e il diagramma di assestamento temporale.
Diagramma di compressione relativa
Questo diagramma si ottiene quando viene applicata una pressione normale al campione sull’asse delle ascisse σ = P/A, dove P è il carico che agisce sul campione attraverso la pietra filtrante superiore in kp/cm2, A è l’area della sezione trasversale del campione nell’apparato e sull’asse delle ordinate è la compressione relativa Δh/h dove Δh è l’assestamento del campione sotto carico Δσ durante il consolidamento, h altezza del campione prima del carico (fig. 2).
Fig. 2. Diagramma compressione relativa
Durante il caricamento, si ottiene il diagramma della compressione primaria a.
Durante lo scarico, se viene abilitata l’entrata senza ostacoli dell’acqua, in modo che il campione rimanga sott’acqua durante lo scarico, ritorna al suo stato originale, cioè rigonfiamento. Tuttavia, il campione non ritorna al suo stato iniziale, il che significa che ha subito una deformazione plastica (permanente) oltre a quella elastica. In questo caso quindi il diagramma di rigonfiamento b si ottiene durante lo scarico. Tuttavia, se il test è stato eseguito senza ricevere acqua, invece del diagramma di rigonfiamento, verrà utilizzato il cosiddetto diagramma di elasticità.
Se il campione viene caricato nuovamente dopo lo scarico, si ottiene il diagramma di compressione secondaria c. Il diagramma di rigonfiamento e il diagramma di compressione secondaria c formano tra loro un ciclo di isteresi. Nell’argilla i cicli di isteresi sono significativi e quindi le deformazioni nella zona di rigonfiamento e compressione secondaria (diagrammi b e c) non sono considerate elastiche, ma reversibili, poiché non proporzionali al carico secondo la legge di Hooke. Le deformazioni nell’area di compressione primaria (schema a) nella parte in cui non sono ritornate sono permanenti (irreversibili).
Modulo compressibilità del suolo
Dal diagramma della compressione relativa, si ottiene secondo la legge di Hooke analogamente al modulo di elasticità di Jung E per un materiale elastico, il modulo di comprimibilità del terreno Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
dove Δσ è l’incremento del carico, Δh/h è la corrispondente compressione relativa, che è presa dal diagramma di compressione primaria a (fig. 2).
Il modulo di comprimibilità del terreno Ms differisce dal modulo di elasticità E di un materiale elastico, perché Ms non è costante per lo stesso materiale ma è variabile e aumenta con il carico normale σ. Pertanto, un valore specifico del modulo di compressibilità Ms può essere fornito solo per un intervallo ristretto di carico normale del terreno Δσ. Se il valore del modulo Ms è maggiore, la comprimibilità del terreno è minore e viceversa. Secondo il nostro regolamento di fondazione viene adottato il seguente criterio per il modulo di comprimibilità del terreno allo stato naturale:
La classificazione seguente è ripresa dal testo originale, incluso l’intervallo ripetuto 100-400 kp/cm2. Non è stato controllato né armonizzato con le normative vigenti.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 terreno estremamente comprimibile
Ms = 20 - 50 kp/cm2 terreno molto comprimibile
Ms = 50 - 100 kp/cm2 terreno mediamente comprimibile
Ms = 100 - 400 kp/cm2 terreno meno comprimibile
Ms = 100 - 400 kp/cm2 terreno leggermente comprimibile
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 terreno leggermente comprimibile
Ms > 1000 kp/cm2 terreno a bassissima comprimibilità.
Modulo elasticità del terreno
Allo stesso modo otteniamo il modulo di elasticità del terreno E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
dove l’incremento di compressione relativo Δh/h è preso dal diagramma di elasticità del terreno per il corrispondente incremento di pressione normale Δσ.
Terreno normale consolidato e sovraconsolidato
Fig. 3. Diagramma delle variazioni del coefficiente di porosità del campione di terreno disturbato
Se eseguiamo una prova con l’edometro con un campione disturbato, che abbiamo introdotto nell’apparecchiatura al limite di snervamento, e riportiamo i risultati della prova sul diagramma della variazione del coefficiente di porosità e in funzione della pressione σ (Fig. 3), il flusso di consolidamento è rappresentato dai diagrammi 1 per il carico primario, 2 per lo scarico, 3 per il carico secondario fino al limite a dell’estensione di carico primario σa e 4 oltre tale limite.
Il diagramma di scarico 2 e il diagramma di compressione secondaria 3 formano un ciclo di isteresi dietro il quale il diagramma 4 continua nell’estensione del diagramma 1, senza interruzione, come se non ci fosse scarico e ricarico.
Fig. 4. Diagramma della variazione del coefficiente di porosità del campione di terreno indisturbato
Tuttavia, se eseguiamo la prova dell’edometro nello stesso modo di prima con un campione indisturbato prelevato da una certa profondità del terreno (fig. 4), il diagramma di carico secondario 3 mostrerà una rottura σb nel punto b ad un certo carico, dopodiché il diagramma 4 avrà una pendenza maggiore. Questa frattura si è verificata perché il terreno da cui è stato prelevato il campione era sottoposto ad un carico p=γt maggiore del carico del campione σ nell’edometro. Il carico più elevato p deriva dal peso degli strati superiori del terreno esistenti sulla superficie del terreno, che chiamiamo pressione del suolo, oppure dal carico degli strati di terreno precedenti portati via nel tempo dall’erosione o dal terreno morenico o dal ghiaccio, che chiamiamo precarico. L’aspetto del sovraconsolidamento è particolarmente caratteristico dell’argilla, dove distinguiamo tra argilla normalmente consolidata e sovraconsolidata.
Argilla normalmente consolidata
L’argilla normalmente consolidata si trova a profondità minori sotto la superficie del terreno, che non era precedentemente esposta al precarico. Un campione di tale argilla, caricato nell’edometro con carichi superiori al peso degli strati superiori di “pressione del suolo”, presenta un flusso continuo di consolidamento, senza interruzioni nel relativo diagramma di compressione o nel diagramma di variazione del coefficiente di porosità. L’assestamento di questa argilla sotto il carico dell’oggetto è normale, cioè sotto un certo carico l’assestamento diminuisce nel tempo.
Argilla sovraconsolidata
L’argilla sovraconsolidata si trova a profondità maggiori o è stata precedentemente sottoposta a precarico. Un campione di questa argilla caricato nell’edometro con una pressione maggiore della pressione o precarico del terreno presenta una frattura sul relativo diagramma di compressione o sul diagramma di variazione del coefficiente di porosità, il cosiddetto. frattura geologica g, con forte cambio di direzione (Fig.5UN). Il cedimento di questa argilla sotto la struttura è piccolo per il carico inferiore alla pressione del suolo o al precarico σ1, ma diventa significativamente più grande per carichi superiori a σ1.
Se la rottura geologica non è chiaramente definita, viene determinata utilizzando le tangenti al diagramma (Fig.5B).
Sl.5. Diagramma delle variazioni del coefficiente di porosità dell’argilla sovraconsolidata
Diagramma di liquidazione temporale
Questo diagramma, detto anche diagramma di consolidamento, si ottiene quando, per ogni grado di carico del campione nell’edometro, si applica all’asse delle ascisse il tempo t in ore, e all’asse delle ordinate l’assestamento in mm (Fig.6a) o in % della liquidazione totale (Fig.6B).
Sl.6. Diagramma di liquidazione temporale
I terreni non legati e legati si comportano diversamente sotto carico. I terreni sciolti, come la sabbia, hanno pori grandi, dai quali l’acqua viene rapidamente espulsa sotto carico, in modo che il terreno si assesta rapidamente, con l’assestamento maggiore che si verifica all’inizio del carico e raggiunge l’assestamento finale ad un dato carico in un intervallo di tempo relativamente breve. I terreni coesivi come l’argilla hanno pori piccoli dai quali è difficile far fuoriuscire l’acqua sotto carico. Ci sono due fasi nel processo temporale di assestamento del terreno compattato. Nella prima fase, subito dopo l’applicazione del carico al terreno, non potendo l’acqua fuoriuscire dai pori, questo si stressa e riceve tutto il carico applicato. Nella seconda fase, l’acqua interstiziale stressata inizia a fuoriuscire sotto la propria tensione a causa del carico, che viene gradualmente trasferita alle particelle solide del terreno. In questa seconda fase le particelle si uniscono e i pori si restringono. Il processo di subsidenza continua finché l’acqua sotto pressione non viene espulsa dai pori, cioè finché lo stato di stress dell’acqua nei pori cessa di esistere. Pertanto, il consolidamento del suolo è principalmente un problema idrodinamico, che dipende dalla permeabilità e dalla porosità del suolo. Nel caso dell’argilla, la cui permeabilità è bassa, il processo di consolidamento può durare molto a lungo e inoltre i cedimenti possono essere notevolmente maggiori a causa della maggiore porosità complessiva rispetto alla sabbia. Sulla base del test di consolidamento è possibile calcolare l’andamento temporale del regolamento per tutta la durata del consolidamento e per singole fasi.