Sulla doppia porosità di alcuni terreni piroclastici della Regione

Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2006 - IARG 2006
Pisa, 26-28 Giugno 2006
SULLA DOPPIA POROSITÀ DI ALCUNI TERRENI PIROCLASTICI DELLA
REGIONE CAMPANIA
Giuseppe Sorbino, Settimio Ferlisi e Vito Foresta
Dipartimento di Ingegneria Civile, Università di Salerno
e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Sommario
Nella presente comunicazione si illustrano i risultati sinora conseguiti nell’ambito di una attività
sperimentale di laboratorio finalizzata ad evidenziare l’influenza della doppia porosità e dello stato
tensionale netto sulle curve di ritenzione per alcuni terreni piroclastici della Regione Campania.
Introduzione
Nei fenomeni franosi provocati da eventi meteorici, la caratterizzazione delle proprietà
idrauliche dei litotipi coinvolti rappresenta uno degli aspetti principali per la conduzione di
analisi geotecniche mirate alla individuazione delle aree suscettibili al dissesto.
È questo, ad esempio, il caso delle coltri piroclastiche che ammantano i rilievi montuosi della
Regione Campania, di frequente sede di colate rapide di fango, innescate a seguito di
precipitazioni di particolare intensità e durata. Su tali terreni, presso l’Università di Salerno, è
da tempo in corso un’intensa attività sperimentale, sia in sito che di laboratorio, che mira ad
individuare il campo di variabilità dei valori assunti dalle grandezze che presiedono al loro
comportamento idraulico, in condizioni sia di parziale che di totale saturazione. In tale
ambito, ed ai fini di una soddisfacente analisi dei processi di infiltrazione delle acque
meteoriche, particolare interesse riveste una adeguata caratterizzazione della curva di
ritenzione, vale a dire del legame funzionale che, per un assegnato elemento di volume,
sintetizza le relazioni esistenti tra la suzione ed il contenuto d’acqua (in peso o volumetrico).
A tale riguardo, va osservato che i terreni in esame, a causa della loro particolare natura ed
origine, presentano, di frequente, un doppio ordine di pori di norma attribuibile,
rispettivamente, alle microporosità riconoscibili all’interno e sul contorno del singolo granulo,
e le macroporosità extra-particellari dell’aggregato costituito da un insieme finito di granuli
(Pellegrino, 1967). Tale circostanza conduce, in genere, a curve di ritenzione caratterizzate da
un andamento bimodale che, pertanto, conferiscono al mezzo proprietà idrauliche peculiari,
alquanto differenti da quelli di terreni granulometricamente simili cui compete un unico
ordine di pori.
Nella presente comunicazione si illustrano i risultati sperimentali conseguiti e le relative
procedure interpretative rivolte alla valutazione dell’influenza della doppia porosità sulle
curve di ritenzione per alcuni terreni piroclastici che ammantano il rilevo carbonatico del
Pizzo d’Alvano (Regione Campania).
Sorbino, Ferlisi e Foresta
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2006 - IARG 2006
Pisa, 26-28 Giugno 2006
Procedure interpretative e sperimentazione eseguita
È ben noto che, per un dato terreno, le curve di ritenzione dipendono dalla distribuzione delle
dimensioni dei pori e manifestano fenomeni di isteresi nell’ambito di cicli di imbibizione e di
essiccamento. Per rappresentare, con una espressione matematica, l’andamento delle curve di
ritenzione, ci si avvale solitamente di funzioni parametriche proposte in letteratura (van Genuchten, 1980; Fredlund e Xing, 1994). Tali funzioni consentono di interpolare, nel piano
semi-logaritmico suzione (ua – uw) – contenuto d’acqua volumetrico (θ), dati sperimentali che
si riferiscono a materiali caratterizzati da un solo ordine di pori e che, pertanto, hanno una
curva di ritenzione dall’andamento unimodale. Se il materiale presenta un doppio ordine di
pori, è necessario ricorrere a procedure di interpolazione che consentono di cogliere
l’andamento bimodale della relativa curva di ritenzione. Tra le procedure rintracciabili nella
letteratura scientifica appare opportuno citare quella di Smettem e Kirby (1990), adottata da
Burger e Shackelford (2001) per l’analisi di dati sperimentali relativi a terreni diatomicei.
Smettem e Kirby (1990) propongono, in particolare, che la curva di ritenzione possa pensarsi
composta da due tratti di curva indipendenti tra loro, ma collegati in corrispondenza di un
punto (denominato “matching point”) rappresentativo, al contempo, del termine dalla fase di
desaturazione del sistema dei macropori e dell’inizio della desaturazione del sistema dei micropori. I dati sperimentali relativi a ciascuno dei due tratti di curva possono essere interpolati
separatamente avendo previamente fissato le coordinate [(ua – uw)j; θj] del “matching point”.
Se, ad esempio, per la predetta interpolazione, si fa riferimento alla funzione parametrica di
van Genuchten (1980), la curva di ritenzione bimodale può essere espressa come segue:


1
θ = θ r + (θ j − θ r ) ⋅ 
β' 
1 + [α ' (ua − uw )] 
(1−1 / β ' )


1
θ = θ j + (θ s − θ j ) ⋅ 
β 
1 + [α (ua − uw )] 
;
(ua – uw)j < (ua – uw)
(1)
;
(ua – uw) ≤ (ua – uw)j
(2)
(1−1 / β )
in cui θr e θs indicano, rispettivamente, il contenuto d’acqua volumetrico residuo ed a saturazione; con i simboli (α’, β') e (α, β) si sono indicate le coppie delle variabili di interpolazione
che, rispettivamente, caratterizzano il tratto della curva di ritenzione di pertinenza del sistema
dei micropori (espressione 1) e di quello dei macropori (espressione 2).
Per la determinazione delle curve di ritenzione dei terreni piroclastici oggetto di studio si è
programmata una serie di prove di laboratorio condotte con l’ausilio di tre differenti apparecchiature (estrattore di volume, piastra di Richards, edometro a suzione controllata). In particolare, nelle prove a tensione netta nulla sono stati utilizzati, in serie, l’estrattore di volume –
per valori di suzione compresi tra 0 e 200 kPa – e la piastra di Richards – per suzioni superiori
fino ad 800 kPa; l’impiego dell’edometro a suzione controllata ha consentito l’applicazione di
una tensione normale netta nel campo dei valori compresi tra 50 e 150 kPa, mentre la suzione
è stata fatta variare nell’intervallo 0 ÷ 500 kPa.
Le caratteristiche fisiche dei campioni indisturbati analizzati sono sintetizzate nella Tabella 1.
Campione
EVSA4_05
EVSA5_05
EVSA7_06
ESA07_05
ESA03_06
σ'v - ua
γ
γd
[kPa] [kN/m3] [kN/m3]
11.67
6.79
0
11.41
6.68
11.85
6.85
50
12.87
7.16
100
13.34
7.45
150
w
Sr
e
0.72
0.71
0.71
0.67
0.69
0.66
0.69
0.69
2.65
2.71
2.57
2.36
0.79
0.87
2.22
prof. di prelievo
[m]
0.9
0.6
Tabella 1. Caratteristiche fisiche iniziali dei campioni analizzati.
Sorbino, Ferlisi e Foresta
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Occorre osservare che, nelle prove a tensione netta nulla, al fine di evidenziare l’eventuale
influenza di un doppio ordine di pori sull’andamento della curva di ritenzione, si è reso
necessario procedere all’applicazione di una fitta serie di piccoli incrementi di suzione (10
kPa), in special modo per valori di suzione superiori a 80 kPa. Tale percorso di suzione è stato
calibrato sulla scorta di risultati già disponibili, ottenuti sullo stesso litotipo in una precedente
sperimentazione (Sorbino e Foresta, 2002). Un esempio dei risultati ottenuti è riportato nella
Figura 1.
contenuto volumetrico
d'acqua "θw "
0.75
0.65
0.55
0.45
0.35
dati sperimentali
eq. di Van Genuchten
0.25
0.15
0.1
1
10
suzione: ua-uw [kPa]
100
1000
Figura 1. Curva di ritenzione per il provino EVSA4_05.
contenuto volumetrico
d'acqua "θw "
Interpretando i dati sperimentali con le espressioni (1) e (2) in precedenza descritte, i valori di
ingresso d’aria sono stati stimati, in prima approssimazione, come il reciproco della variabile
α (ο α’). Così operando, si sono individuati valori di ingresso d’aria pari a 3.7 kPa e a 189.9
kPa, rispettivamente per il sistema dei macropori e dei micropori.
In accordo con Burger e Shackelford (2001) l’aliquota di porosità totale del materiale che può
essere attribuita al sistema dei micropori è stata assunta pari al valore del contenuto d’acqua
volumetrico corrispondente al “matching point”; quella corrispondente al sistema dei
macropori è stata, invece, ottenuta come differenza tra la porosità totale e la porosità del
sistema dei micropori. Per il campione riportato in Figura 1, la porosità del sistema di
micropori è, ad esempio, risultata pari al 42% della porosità totale (ntot = 0.72).
Per quanto riguarda la sperimentazione condotta in edometro, si è seguito un percorso di
suzione (Figura 2b) con modalità analoghe a quello seguito per l’estrattore di volume e la
piastra di Richards.
a)
0.68
0.58
0.48
0.38
indice dei vuoti "e"
0.28
0.18
2.190 0.1
2.140
ESA03_06_100
EVSA5_05
1
10
suzione: ua-uw [kPa]
carico 100 kPa
100
1000
b)
2.090
2.040
1.990
0.1
1
10
suzione: ua-uw [kPa]
100
1000
Figura 2 - Confronto dei risultati ottenuti con l’edometro e l’estrattore di volume (a); variazione dell’indice dei
vuoti del provino ESA03_06 per effetto della tensione netta applicata (100 kPa) e delle variazioni di suzione (b).
Sorbino, Ferlisi e Foresta
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Un esempio dei risultati conseguiti con l’edometro, confrontati con quelli ottenuti in una delle
prove condotte a tensione normale netta nulla, è mostrato nella Figura 2a.
In essa si osservano incrementi dei valori di ingresso d’aria sia per la macroporosità che per la
microporosità all’aumentare della tensione netta applicata. In particolare, sotto l’applicazione
di una tensione netta pari a 100 kPa, il valore di ingresso d’aria relativo alla macroporosità
passa da 2 kPa a 15.2 kPa mentre, per il sistema dei micropori, passa da 227.6 kPa a 470 kPa.
Un ulteriore aspetto da sottolineare riguarda l’andamento della curva di ritenzione che, per i
campioni testati a tensione netta nulla, è caratterizzato da pendenze molto più accentuate
rispetto a quello osservato per gli stessi campioni testati con tensioni nette più elevate.
Dalla Figura 2b è possibile, altresì, osservare come le diminuzioni dell’indice dei vuoti
associate alle variazioni di suzione siano praticamente trascurabili, se paragonate a quelle
prodotte da variazioni della tensione normale netta applicata, ed essenzialmente imputabili a
deformazioni di natura viscosa.
Conclusioni
I risultati ottenuti nella sperimentazione condotta hanno consentito di evidenziare l’influenza
della doppia porosità dei terreni oggetto di studio sulle curve di ritenzione che assumono un
caratteristico andamento bimodale. Tale andamento è, altresì, dipendente dal valore della
tensione normale netta che, come testimoniato dai risultati delle prove in edometro, comporta
un incremento dei valori della suzione corrispondente al “matching point”.
In particolare, si osserva come i valori di ingresso d’aria che competono sotto tensioni nette
nulle alla macroporosità ed alla microporosità passano, rispettivamente, da valori medi pari a
3 kPa e 200 kPa a valori di 15 kPa e 470 kPa, per tensione netta pari a 100 kPa.
Tale aspetto evidenzia, almeno limitatamente ai risultati sperimentali sinora conseguiti, che la
doppia porosità dei terreni analizzati è attribuibile a due diverse classi di aggregati, piuttosto
che alla sola microporosità presente sul contorno ed all’interno del singolo granulo.
Bibliografia
Burger, C.A., Shackelford, C.D. (2001), “Evaluating dual porosity of palletized earth using bimodal
soil-water characteristic curve functions”, Canadian Geotechnical Journal, 38, 53-66.
Fredlund, D.G., Xing, A. (1994), “Equation for the soil-water characteristic curve”. Canadian
Geotechnical Journal, 31, 521-532.
Pellegrino, A. (1967), “Proprietà fisico-meccaniche dei terreni vulcanici del Napoletano”. Atti dell’VIII
Convegno Nazionale di Geotecnica, Cagliari, Vol. 3, pp. 113-146.
Smettem, K.R.J., Kirby, C. (1990), “Measuring the hydraulic properties of a stable aggregate soil”.
Journal of Hydrology, 117(1-4), 1-13.
Sorbino, G., Foresta, V. (2002), “Unsaturated hydraulic characteristics of pyroclastic soils”, In
Proceeding of the 3rd International Conference on Unsaturated soils, Recife, Balkema, Rotterdam,
Vol. 1, pp. 405-410.
van Genuchten, M.T. (1980), “A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of
unsaturated soil”, Soil Science Society American Journal, 44, 892-898.
Sorbino, Ferlisi e Foresta