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1.Introduzione lezione 1 GEO

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1.Introduzione lezione 1 GEO
GEOTECNICA LEZIONE 1 INTRODUZIONE Ing. Alessandra Nocilla 1
DEFINIZIONE DI TERRENI E ROCCIA I geomateriali sono suddivisi nell’Ingegneria Civile (sia pure in modo alquanto arbitrario) in rocce e terreni. Rocce lapidee Aggregato di minerali fortemente cementaG tra loro Rocce sciolte (o terreni) Aggregato di parGcelle non cementate o debolmente cementate tra loro (separabili per semplice azione meccanica quale l’agitazione in acqua) I terreni formano l’oggeIo esclusivo di questo corso 2
LA STRUTTURA DELLA TERRA. DEFINIZIONE DI TERRA E ROCCIA La terra ha un raggio di circa 8000 km e una crosta di rocce e terreni dello spessore di circa 25-­‐50 km. Ai fini tecnici può dirsi che raramente si incontrano terreni sciolG a profondità superiori ai 300 m al di soIo della superficie della terra. Il rapporto tra lo spessore della crosta e il suo raggio di curvatura è all’incirca pari a quello caraIerisGco di un guscio d’uovo. Al di soIo della crosta vi è un mantello di materiale plasGco incandescente e placche di crosta si muovono galleggiando sul mantello. La deriva della crosta conGnentale è all’origine della formazione delle catene montuose, della sismicità e del vulcanismo ai confini fra le diverse placche. I terreni geologicamente anGchi (più vecchi di 2 milioni di anni) sono dotaG di resistenza e rigidezza elevata mentre i terreni geologicamente giovani (glaciali e post-­‐glaciali) sono generalmente abbastanza deformabili e poco resistenG. Terra e Roccia: con il termine terra si indica un materiale granulare formato da aggregaG di granuli non legaG fra loro e che possono essere separaG fra loro per mezzo di modeste sollecitazioni; con il termine roccia si indica un materiale naturale dotato di un elevata coesione anche dopo prolungato contaIo con acqua. Occorre però escludere da questa semplificazione gli ammassi rocciosi e i terreni di transizione (argille marnose, tufi, ect) perché hanno caraIerisGche intermedie. La Geotecnica è quella branca della Ingegneria che studia il comportamento meccanico dei corpi, naturali o arGficiali, cosGtuiG di rocce sciolte o lapidee e soggeV al peso proprio e/o ad azioni esterne o a modifiche delle condizioni ai limiG, in superficie o all’interno. 2
LA STRUTTURA DELLA TERRA. I PROCESSI GEOLOGICI I terreni cosGtuiscono la parte più superficiale della crosta terrestre e sono il prodoIo dell’alterazione delle rocce dovuta a faIori climaGci e ambientali. La litosfera, l idrosfera e l atmosfera infaV interagiscono fra loro aIraverso processi endogeni (derivanG dall’energia interna della terra: profondità, pressione, temperatura) ed esogeni (derivanG dall’energia esterna o atmosferica: movimenG di fluidi, passaggi di stato, gravità). CICLO DELLE ROCCE E DEI TERRENI Se i processi di formazione e trasporto delle terre sono solo processi fisici, le parGcelle di terreno avranno la stessa composizione mineralogica della roccia d origine, se si hanno trasformazioni chimiche si formano anche altri materiali. La comprensione della geologia di una località è di aiuto nell’interpretazione delle indagini del soIosuolo. TuV i terreni si sono formaG in un ambiente di deposizione. QuesG ambienG, insieme a evenG geologici successivi, determinano la natura e lo stato dei terreni e delle rocce. Occorre avvalersi di un geologo per idenGficare l ambiente di deposizione dei terreni che ci interessano. È inuGle chiedere al geologo di che natura siano i terreni in esame, perché questo può essere stabilito direIamente dalle indagini, occorre invece chiedergli come sono arrivaG fin lì (come si sono formaG) e quali vicissitudini abbiano subito in seguito. 3
OPERE GEOTECNICHE Sono quelle opere di ingegneria costruite nel terreno o nella roccia o che uGlizzano il terreno o la roccia come materiale da costruzione. TIPOLOGIE DI OPERE GEOTECNICHE STATO DEL TERRENO
FINALITA'
• Vincolo di manufatti al suolo
⇒ FONDAZIONI
• Modifica delle condizioni ai
limiti del suolo e del sottosuolo
per inserire un manufatto
⇒ SCAVI ED OPERE DI
SOSTEGNO
In sede, nelle condizioni • Modifica delle proprietà del
sottosuolo per renderlo idoneo
naturali o modificati per
alla realizzazione di manufatti
azioni antropiche
Estratto dalla sede
naturale ed utilizzato
nelle opere
SETTORE
⇒ CONSOLIDAMENTI
• Utilizzazione di aree interessate
da movimenti franosi
⇒ STABILITA' DEI PENDII
• Utilizzazione di territori a larga
scala
⇒ GEOTECNICA DELLE
GRANDI AREE
• Costruzione di rilevati, argini,
dighe, riempimenti
⇒ COSTRUZIONI IN TERRA
5
ESEMPI DI OPERE GEOTECNICHE 6
IL TRIANGOLO DELLA MECCANICA DELLE TERRE La Geotecnica è quella branca della Ingegneria che studia il comportamento meccanico dei corpi, naturali o arGficiali, cosGtuiG di rocce sciolte o lapidee e soggeV al peso proprio e/o ad azioni esterne o a modifiche delle condizioni ai limiG, in superficie o all’interno. Ogni aVvità è interconnessa alle altre e deve essere rigorosamente curata. Il triangolo deve essere ben bilanciato!! COMPORTAMENTO DEL TERRENO PROFILO GEOTECNICO DEL SUOLO . Per meIere d’accordo quesG 3 aspeV e per arrivare la soluzione del problema è necessario l’empirismo. DaG sperimentali precedenG. Non abusarne e non confondere espressioni empiriche con leggi!! Determinato a mezzo di prove e misure eseguite sia in laboratorio che in situ. Indagini in sito, raccolta daG per la classificazione delle terre, situazione della falda, processi geologici e mineralogia. MECCANICA APPLICATA MODELLAZIONE Analisi e teorie sviluppate per descrivere materiali ideali. Il processo di idealizzazione è seguito dall’analisi e deve essere sempre tenuto presente nella valutazione dei risultaG. Non confondere il materiale ideale con il materiale reale!! 6
PECULIARITA DEL COMPORTAMENTO DEI TERRENI 1) I carichi applicaG e le pressioni dei fluidi intersGziali interagiscono tra di loro e determinano una tensione che è efficace nel controllare il comportamento meccanico dei terreni. 2) I terreni sono comprimibili; le variazioni di volume sono in larga misura determinate dalla riorganizzazione spaziale dei granelli che cosGtuiscono lo scheletro solido e dalle conseguenG variazioni di volume degli spazi interparGcellari. 3) Il comportamento del terreno soIo azioni di taglio è essenzialmente aQriGvo; in atre parole, la resistenza a taglio aumenta all’aumentare della pressione di confinamento, e, quindi, con la profondità al di soIo del piano campagna. 4) Le deformazioni volumetrica e distorsionale dei terreni non sono in genere completamente resGtuite all’aIo dello scarico tensionale; i terreni, cioè, hanno un comportamento meccanico non elasGco. Questa è, in parte, una conseguenza del faIo che la deformazione dei terreni deriva essenzialmente dalla riorganizzazione spaziale delle parGcelle. LE DIFFICOLTA DELLA GEOTECNICA rispeIo ad altre discipline della meccanica applicata derivano principalmente dalla caraIerisGca del terreno di essere: UN MEZZO PARTICELLARE : un mezzo cioè cosGtuito da parGcelle (i grani) che non sono fra loro fortemente legate o interconnesse come ad esempio i cristalli che formano un metallo o gli elemenG che cosGtuiscono un calcestruzzo. UN MEZZO PLURIFASE : nel quale coesistono una fase solida (i grani), una fase liquida e una fase aeriforme NON ESISTONO DIFFERENZE SOSTANZIALI tra il comportamento meccanico delle SABBIE e quello delle ARGILLE! Le differenze di comportamento sono solo apparenG e derivano dalla diversa influenza delle pressioni intersGziali e dei processi di filtrazione. 8 MEZZO PARTICELLARE. ESEMPIO DELLA SABBIA 9
MEZZO PARTICELLARE. ESEMPIO DELL’ARGILLA 10
MEZZO PARTICELLARE. ESEMPIO DELL’ARGILLA 11
LE TERRE: GHIAIA, SABBIA, LIMO E ARGILLA Le terre consistono in una miscela di due o più di quesG cosGtuenG e talvolta contengono materiali organico parzialmente o totalmente decomposto. Inoltre possono essere completamente sciolte o leggermente cementate e gli spazi vuoG tra le parGcelle possono contenere acqua e/o aria. TERRENI INCOERENTI A GRANA GROSSA Comprendono GHIAIA e SABBIA, le parGcelle sono riconoscibili ad occhio nudo. Le parGcelle hanno forma arrotondata. TERRENI COESIVI A GRANA FINE Comprendono LIMO e ARGILLA, ovvero la frazione microscopica e submicroscopica. Le parGcelle hanno forma prevalentemente arrotondata nei limi e lamellare nelle argille. NB. Non tuV i terreni a grana fine sono COESIVI: esistono limi, per esempio, che possono essere non plasGci e incoerenG. Il comportamento dell’argilla è fortemente dipendente dall’acqua. L’argilla ha dimensioni inferiori ai 2 µ, è formata prevalentemente da minerali argillosi (esempio: caolinite, illite, montmornillonite) con cristalli di dimensioni colloidali, che chimicamente sono alluminosilicaG idraG con altri ioni metallici. L’acqua a immediato contaIo con le parGcelle ha forG legami e viene chiamata acqua di adsorbimento. La sua quanGtà e interazione con lo strato eleIrico superficiale da luogo a struQure diverse tra le parGcelle (a.dispersa, b.flocculata, c.flocculata stabile con vuoG all’interno dei fiocchi, d.orientata). 3
CONTENUTI DEL CORSO Il Corso ha lo scopo di fornire : 1. 
elemenG fondamentali sul comportamento dei terreni cosGtuiG da due sole fasi 2. 
indicazioni su aspeV applicaGvi. Lezione 1. Introduzione al corso; illustrazione organizzazione dell’insegnamento; modalità dell’esame. Lezione 2. Analisi e classificazione delle terre. Principali Gpi di terre. Proprietà indice. Relazioni di fase. Curve granulometriche. LimiG di AIerberg. Sistemi di classificazione. ES 2. Esercitazione Classificazione delle terre. Lezione 3. Filtrazione in regime di flusso permanente monodimensionale. Equazione di Bernoulli e forme di energia. L’acqua nel terreno, esperienza di Darcy, permeabilità. Capillarità. Determinazione sperimentale della permeabilità. Permeabilità equivalente di deposiG straGficaG. ES 3. Esercitazione Filtrazione monodimensionale e Permeabilità in laboratorio e in sito. Lezione 4. Principio degli sforzi efficaci. Gli sforzi nei mezzi parGcellari; Pressione totale, efficace e neutra. Principio delle tensioni efficaci e calcolo dello stato tensionale in condizioni idrostaGche. Variazioni di volume e condizioni di drenaggio. ES 4. Esercitazione Principio degli sforzi efficaci e Condizioni a breve e lungo termine. Lezione 5. Tensioni totali, neutre ed efficaci in presenza di moG di filtrazione monodimensionale stazionari, verifica al sifonamento. ES 5. Esercitazione Stato tensionale in presenza di mo> di filtrazione monodimensionali. Lezione 6. Filtrazione in regime di flusso permanente bidimensionale. Teoria della filtrazione bidimensionale. MoG di filtrazione confinaG e a superficie libera. Andamento delle pressioni dell’acqua in presenza di filtrazione. ES 6. Esercitazione Filtrazione bidimensionale. 13
CONTENUTI DEL CORSO Lezione 7. Consolidazione monodimensionale. Tensioni e deformazioni nelle terre. Tensioni litostaGche e storia dello stato tensionale. Prova edometrica. Teoria della consolidazione monodimensionale ed applicazione in varie condizioni al contorno. Definizione di grado di consolidazione puntuale e medio. Calcolo dei cedimenG in condizioni di deformazione monodimensionale. ES 7. Esercitazione Consolidazione monodimensionale e Prova edometrica. Lezione 8. Comportamento meccanico delle terre. Resistenza a taglio dei terreni e stato criGco. Prove di taglio direIo. Prove triassiali. Percorsi tensionali totali ed efficaci. Lo Stato CriGco. Comportamento meccanico delle sabbie. Comportamento meccanico delle argille. Parametri di deformabilità e di resistenza delle terre. CoefficienG A e B di Skempton. ES 8. Esercitazione Prova di Taglio DireAo e Prova Triassiale. Lezione 9. NormaGva. Lezione 10. Indagini in sito. Lezione 11. La spinta delle terre. StaG di deformazione, analisi limite e spinta delle terre. La soluzione di Coulomb. La soluzione di Rankine in condizioni di spinta aVva e passiva. Opere di sostegno. Muri e paraGe. Verifiche di stabilità. ES 11. Esercitazione Spinta delle Terre. Lezione 12. Carico limite delle fondazioni. Fondazioni direIe. Fondazioni profonde. Carico limite delle fondazioni. ES 12. Esercitazione Carico limite delle Fondazioni. Lezione 13. CedimenG delle fondazioni superficiali. CedimenG delle fondazioni e interazione terreno-­‐fondazione. ES 13. Esercitazione Cedimen> delle Fondazioni superficiali. 14
A cura dell ing. Nocilla
MATERIALE DIDATTICO TesG consigliaG: -­‐  Colombo, P e Colleselli, F. -­‐ ElemenG di Geotecnica, III ed. Zanichelli, 2004. -­‐  Lambe, T.W. e Whitman, R.V. -­‐ Meccanica dei Terreni. Traduzione di Valore, C., Flaccovio ed., 1997. -­‐  Craig, R.F. -­‐ Soil Mechanics. Spon Press, 2002. -­‐  Atkinson J. -­‐ Meccanica delle terre e fondazioni. McGraw-­‐Hill, 1997. -­‐  LancelloIa, R. – Geotecnica. Zanichelli, 2004 Il materiale online e gli appunG NON SONO SUFFICIENTI!!!!! ORARIO DI RICEVIMENTO BRESCIA Martedì – Ore 8.30÷10.30 BERGAMO Lunedì – Ore 8.30 ÷1330 Email: [email protected] Modalità di accertamento del profiIo: Esame scriIo e orale 15 
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