COMPORTAMENTO MECCANICO DI UNA POZZOLANA A MEDIE E

Incontro annuale dei ricercatori di geotecnica 2006- IARG 2006
Pisa, 26-28 giugno 2006
COMPORTAMENTO MECCANICO DI UNA POZZOLANA A MEDIE E BASSE
PRESSIONI DI CONFINAMENTO
Angelina Parlato*, Filippo Santucci de Magistris**
*Università degli studi di Napoli Federico II, Dipartimento di Ingegneria Geotecnica
**Università degli Studi del Molise, Dipartimento S.A.V.A. .sezione Ingegneria & Ambiente
Sommario
In questa nota viene sintetizzato il comportamento meccanico di una pozzolana utilizzando prove di
laboratorio di tipo triassiale, a medie e basse pressioni di confinamento.
Introduzione
Nell’ambito di una convenzione per il monitoraggio ed il controllo della sicurezza attiva di un
tratto autostradale, si è svolta una approfondita campagna sperimentale presso il laboratorio di
dinamica dei terreni dell’Università di Napoli Federico II. Tale campagna ha interessato lo
studio delle proprietà meccaniche di una pozzolana prelevata da un fronte libero di un versante
collinare incombente sul casello di Nocera della autostrada Napoli – Salerno in località S.
Pantaleone. Le prove sono state effettuate in campo saturo e parzialmente saturo e questa nota
riguarda l’aspetto della sperimentazione in campo saturo, su apparecchiature triassiali. Ad oggi
sono state eseguite 44 prove triassiali su provini naturali e ricostituiti con diverse tecniche, a
differenti densità. Le prove sono state eseguite a pressioni di confinamento variabili tra i 15 ed
i 400 kPa.
Il materiale oggetto della sperimentazione
Il terreno sottoposto a sperimentazione è compreso nel fuso granulometrico di Figura 1, in cui
sono riportate le curve granulometriche di campioni di terreno prelevati in differenti punti della
frana. Il materiale si presenta in sito come una coltre di materiali sciolti più o meno
rimaneggiati e frammisti a ghiaia calcarea, in quanto sono stati soggetti all’azione di acque
dilavanti e/o eventi franosi.
In base ad analisi di laboratorio è stato possibile definire alcune caratteristiche fisiche del
terreno oggetto di studio. Il peso specifico γs del terreno è pari a 2.66 g/cm3. Si tratta di una
sabbia ghiaiosa debolmente limosa, e con indice dei vuoti variabile tra emin=0.97 ed emax=1.65
(ASTM: D4254-00 e D698-00). Le prove di costipamento eseguite con la tecnica del Proctor
Standard (D698-00) hanno permesso, inoltre, di valutare il contenuto d’acqua all’ottimo pari a
circa 31% .
Programma sperimentale ed apparecchiature
In totale sono state eseguite 44 prove triassiali, di cui 19 in cella Bishop su provini ricostituiti
in consolidometro, a pressioni di confinamento medie (tra i 100 kPa ed i 400 kPa). Queste
prove sono state utilizzate per individuare il comportamento tenso-deformativo del terreno,
prescindendo dalla storia naturale che il materiale ha subito.
Parlato, A., Santucci de Magistris, F.
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Pisa, 26-28 giugno 2006
Argilla
Limo
Sabbia
Ghiaia
100
90
passante (%)
80
70
60
50
40
SP
SP
SP
SP
SP
SP
SP
SP
SP
30
20
10
0
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
Diametro delle particelle (mm)
Valle camp. 7
valle camp. 8
valle camp. 9
1° tornante camp. 5
2° tornante camp. 6
1° tornante camp. 2
1° tornante camp.3
1° tornante camp. 1
2° tornante camp.4
10
100
Figura 1: Fuso granulometrico
I provini preparati in consolidometro sono infatti molto omogenei, e non risentono dell’
“effetto della struttura”. Nelle restanti 25 prove, realizzate in una speciale cella triassiale
(Parlato & Santucci de Magistris, 2003), equipaggiata con trasduttori di deformazione capaci
di apprezzare spostamenti dell’ordine di 10-6 m, si sono invece utilizzate tecniche diverse per
la ricostituzione dei provini, nel tentativo di indagare l’effetto delle modalità di preparazione
dei campioni sul loro comportamento tenso-deformativo. Infine, 13 prove triassiali eseguite
sono state realizzate a basse pressioni di confinamento (tra i 15 ed i 30 kPa), su provini molto
sciolti. Questo allo scopo di poter meglio simulare il comportamento degli strati più
superficiali di terreno. Due prove a bassa pressione di confinamento sono state eseguite su
provini naturali, che a causa della bassa plasticità e del limitato contenuto di fine sono
difficilmente campionabili.
Le prove a bassa pressione di confinamento sono state eseguite modificando le celle triassiali e
le procedure sperimentali adottando: a) un trasduttore differenziale per misurare le pressioni
efficaci radiali con un fondo scala limitato ( = 100 kPa) ed una accuratezza pari a 0.1 kPa; b)
una cella di carico per misurare le tensioni deviatoriche con un fondo scala limitato ( = 1kN)
ed una accuratezza pari a 0.05 kPa su provini φ=50mm; c) una correzione delle pressioni di
confinamento per tener conto della membrana, secondo quanto riportato da Tatsuoka e
Fukushima (1984)
Risultati sperimentali
Comportamento in condizioni isotrope
Rappresentando i dati delle fasi di compressone isotropa delle prove triassiali nel piano volume
specifico - tensione media efficace, è possibile interpolarli secondo la classica relazione:
v = N − λ ⋅ ln(p′)
I dati rilevati, interpretati con riferimento all’intervallo tensionale 100÷400 kPa, sono riportati
in Tabella 1. Analizzando i risultati, si individua per i provini preparati con il consolidometro
(ovvero per i provini più densi) una N.C.L., di caratteristiche N e λ pari a 2.2624 e 0.0368.
Per i provini più sciolti, preparati con il wet tamping l’air pluviation ed il water sedimentation
method, si individua invece una diversa linea di N.C.L., di caratteristiche medie N=3.1142 e
l=0.0893. Il comportamento ottenuto, in termini di compressibilità, è paragonabile a quello
dei terreni granulari, per i quali non è possibile definire un’unica curva vergine, in quanto la
sua posizione nel piano v-p’ è estremamente variabile in funzione del grado di addensamento
del materiale, del suo contenuto d’acqua e della tecnica adottata per prepararlo.
Comportamento a taglio
Le sigle spl02, spl03, spl06 fanno riferimento a prove di compressione triassiale di tipo
consolidato non drenato CIU. Le sigle spl01, spl07, spl09 fanno riferimento a prove
convenzionali drenate CID. Infine, le sigle spl05, spl08, spl11 sono relative a prove drenate a
Parlato, A., Santucci de Magistris, F.
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Tecnica di ricostituzione Porosità iniziale, e0
Air pluviation
1.935
Water sedimentation
1.926
Wet tamping
1.903
Consolidometro
1.250
λ
0.0823
0.0836
0.1020
0.0368
N
3.1837
2.9120
3.2470
2.2624
Tabella 1: Parametri di compressibilità ricavati dalle prove di compressione isotropa.
p’ costante. I tre gruppi di prove sono state eseguite a partire da pressioni di confinamento pari
a 100, 200 e 400 kPa. In Figura 2 sono riportati in forma sintetica i risultati ottenuti nelle prove
non drenate ed in quelle drenate. La forma delle curve delle prove non drenate nel piano q:p'
mostra i caratteri tipici delle sabbie addensate. Il rapporto q/p’ tende mediamente al valore di
1,48 a deformazioni elevate. Ciò si traduce in un angolo di attrito pari a 36.4°.
Il valore dell’angolo di attrito ricavato sui provini ricostituiti in consolidometro inviluppa bene
anche le prove di taglio svolte su provini ricostituiti con altre tecniche. Ciò è in accordo con la
teoria dello stato critico, per la quale i parametri che individuano la retta dello stato critico
Figura 2: (a)Percorsi di sollecitazione efficace per provini ricostituiti in consolidometro; (b) zoom
a basse pressioni di confinamento.
sarebbero indipendenti dalla storia di carico subita dal provino.
Osservando i percorsi di sollecitazione in termini di diagrammi p’- q (vedi Figura 2), per il
campo di tensioni comprese tra 0÷400 kPa, entro cui sono stati testati tutti i provini ricostituiti
con il consolidometro (provini caratterizzati da indice dei pori iniziale variabile tra
0,928÷1,581), si rileva il comportamento tipico delle sabbie dense. Nelle prove CIU il
materiale è fortemente dilatante e risulta Du<0, i percorsi (p’:q) deviano progressivamente
verso destra, attraversando il percorso delle tensioni totali prima di raggiungere l’inviluppo.
Considerando il campo di tensioni comprese tra 0 ÷100 kPa, entro cui sono stati testati tutti i
provini ricostituiti con le tecniche dell’Air pluviation, del wet tamping e quelli di materiale
indisturbato (provini caratterizzati da indice dei pori iniziale variabile tra 1,282÷2,203), si
rileva, per le pozzolane di San Pantaleone, un comportamento di tipo contraente, tipico delle
sabbie sciolte.
Parlato, A., Santucci de Magistris, F.
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45
40
35
35
30
25
20
15
10
airp01, p'=50 kPa, e=2.060
airp04, p'=50 kPa, e=1.831
airp06, p'=30 kPa, e=1.967
airp09, p'=35 kPa, e=1.782
5
0
-5
-2
2
4
6
8
10
12
14
16
deformazione assiale, εa (%)
18
20
tensione deviatorica, q (kPa)
tensione deviatorica, q (kPa)
wettp01, p'=20 kPa, e=1.803
wettp03, p'=20 kPa, e=1.906
wettp04, p'=50 kPa, e=1.858
wettp05, p'=15 kPa, e=2.002
wettp06, p'=50 kPa, e=1.645
wettp07, p'=40 kPa, e=1.842
25
20
15
10
5
30
20
10
10
20
30
40
50
pressione media efficace, p' (kPa)
30
25
20
15
10
5
0
0
-5
-2
-5
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
60
4
6
8
10
12
14
16
deformazione assiale, εa (%)
18
20
(f)
50
40
30
20
10
0
2
60
(e)
50
40
nat02, p'=20 kPa, e=1.282
nat03, p'=20 kPa, e=1.583
35
30
60
(d)
0
(c)
deformazione assiale, εa (%)
50
0
40
tensione deviatorica, q (kPa)
60
0
45
(b)
tensione deviatorica, q (kPa)
(a)
40
tensione deviatorica, q (kPa)
tensione deviatorica, q (kPa)
45
0
10
20
30
40
50
pressione media efficace, p' (kPa)
60
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
pressione media efficace, p' (kPa)
60
Figura 3: Prove CIU: deformazioni assiali-tensioni deviatoriche e percorso tensionale per provini
(a, d) Preparati con l’air pluviation; (b, e) preparati con in wet tamping; (c, f) naturali;
Si è indagato anche sulla suscettibilità alla liquefazione statica del terreno in esame. Anche a
basse pressioni di confinamento e in provini molto sciolti, nessun provino ha raggiunto lo stato
di liquefazione. Interessante è a tal proposito il comportamento dei provini nel piano q-εa: nei
provini naturali (Figura 3c), ed in quelli preparati con il wet tamping (Figura 3b), il
comportamento è di tipo instabile: dopo un picco iniziale si ha infatti una caduta di resistenza.
I provini preparati con l’air pluviation hanno invece un comportamento solo temporaneamente
instabile (quasi stazionario): dopo l’iniziale caduta di resistenza, vi è infatti una leggera ripresa
nel diagramma tensioni deformazioni (Figura 3a). Ciò nonostante, in nessun caso si è raggiunta
una condizione di completo annullamento della resistenza.
Conclusioni
Si è riscontrato che il comportamento della pozzolana di San Pantaleone, ricostituita con la
tecnica del wet tamping, presenta un comportamento di tipo instabile simile a quello del
materiale indisturbato. Diversamente, il materiale ricostituito con la tecnica dell’air pluviation
presenta un comportamento prevalentemente intermedio. Tutte queste prove presentano, in
definitiva, un comportamento pressoché contraente, tipico delle sabbie sciolte. Al contrario,
per le prove su materiale preparato col proctor e col consolidometro, si è riscontrato un
comportamento stabile di tipo dilatante caratteristico delle sabbie addensate. Si osserva inoltre
che la pressione di confinamento non modifica in generale il comportamento meccanico delle
pozzolane analizzate. Ne consegue quindi che quanto osservato a pressioni intermedie può con
buona approssimazione estrapolarsi a livelli tensionali estremamente limitati che sono quelli
tipici che si riscontrano nell’analisi problemi di frane di tipo colata.
Bibliografia
Tatsuoka, F., Fukushima, S. (1984) : “Strength & deformation characteristics of saturated sand at
extremely low pressures”, Soils & Foundations, Vol. 24, No. 4, pp. 30-48
Parlato, A. e Santucci de Magistris, F. (2003) “Confronto tra una cella triassiale a stress path controllato
ed una cella “TXJ””, IARG 2003.
Parlato, A., Santucci de Magistris, F.
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