Preconsolidazione dovuta ad aging

Consideriamo un provino indisturbato di un terreno coesivo soggetto ad una prova edometrica (ad espansione laterale impedita). Se, in seguito alla completa dissipazione della sovrapressione neutrale, il terreno viene mantenuto a una tensione verticale efficace costante



_v



₀ per un lungo periodo di tempo, esso continua a deformarsi per

creep in condizioni drenate a causa delle sue proprietà viscose (consolidazione

secondaria o differita). Come si può vedere in Figura 1.14, l‟indice dei vuoti diminuisce dal punto B a B‟, cioè si verifica un cedimento secondario che comporta il raggiungimento di un configurazione strutturale dei grani più rigida e più stabile di quella originaria.

Questo fenomeno di invecchiamento o “aging” riflette gli effetti del tempo sulla compressibilità del terreno e, in particolare, il riaggiustamento strutturale nel tempo, che produce un aumento della rigidezza, e quindi una maggiore resistenza e minore compressibilità (Augustesen et al., 2004).

Se successivamente si applica un incremento della tensione di compressione (B‟C), il terreno non segue il precedente tratto di compressione ma si comporta come un

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materiale sovraconsolidato, fino a che non viene superata una soglia critica

p

_c



, detta pressione critica o pressione di quasi-sovraconsolidazione. In seguito il terreno segue la curva di compressione vergine.

Figura 1.14. Sviluppo della pressione critica o di quasi-sovraconsolidazione per aging (Colombo e Colleselli, 2004).

Secondo Bjerrum (1968), le caratteristiche di compressibilità dei terreni a grana fine soggetti a consolidazione secondaria non possono essere descritte da una sola retta

z

elog



, ma è necessario un sistema di curve, come mostrato in Figura 1.15.

Figura 1.15. Sviluppo della pressione di quasi-sovraconsolidazione secondo Bjerrum (Augustesen et al., 2004).

Queste curve rappresentano la relazione tra indice dei vuoti e tensione verticale efficace dopo un certo tempo di carico. Le linee a tempo costante sono praticamente parallele tra loro e coincidenti con le curve a velocità di deformazione costante.

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Pertanto, si può comprendere l‟andamento della velocità di deformazione durante tale processo. Nel tratto BB‟, a tensione efficace costante, la velocità di deformazione diminuisce progressivamente. Quando il terreno viene ricaricato, si ha un aumento della velocità di deformazione e la curva di compressione si sposta verso la curva a velocità di deformazione costante corrispondente alla nuova velocità di deformazione. La curva di compressione mostra quindi un aumento della pressione di preconsolidazione da

0 , pc

z



a



z, pc1. Inoltre, la resistenza a taglio del terreno aumenta proporzionalmente alla pressione di preconsolidazione.

Il modello di Bjerrum è descritto in dettaglio nella Sezione 2.2.3.

Tuttavia, le prove edometriche effettuate da Leonards e Altshaeffl nel 1964 hanno mostrato un comportamento diverso in fase di ricarico, dopo 90 giorni di compressione secondaria a tensione verticale efficace costante: cioè l‟argilla ha raggiunto una pressione di snervamento molto superiore a quella dovuta alla sola diminuzione dell‟indice dei vuoti (Lancellotta, 2008).

È evidente che l‟aumento della pressione di quasi-preconsolidazione non può essere spiegata in termini di indice dei vuoti. Tale comportamento è associato allo sviluppo di legami tra le particelle e gli aggregati, che alterano la configurazione strutturale del terreno, e si parla di “strutturazione”.

Questo fenomeno è stato studiato nel 1996 da Leroueil (si veda Mitchell e Soga, 2005) mediante prove edometriche su argille artificialmente sedimentate del Quebec (Jonquiere clay). Il terreno è stato consolidato per 120 giorni ad un livello di tensione verticale efficace costante di 10 kPa (tratto C-D di creep). Secondo il concetto di Bjerrum, mostrato in Figura 1.15, la pressione di preconsolidazione doveva aumentare da 10 kPa a 11,5 kPa. Tuttavia, a causa degli effetti della strutturazione, la pressione di preconsolidazione è aumentata fino a 18,5 kPa durante la fase di ricarico, come mostrato dalla curva di compressione [



_ze] in Figura 1.16.

Inoltre, in Figura 1.16b è riportato l‟andamento del modulo di taglio (mediante

bender element test) in funzione dell‟indice dei vuoti [

G

₀

e

]; in particolare, si può notare l‟aumento di rigidezza che avviene durante la fase di creep C-D.

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Figura 1.16. Prove edometriche su Jonquiere clay: (a) Curva di compressione con strutturazione e (b) variazione del modulo di taglio con l’indice dei vuoti – Leroueil, 1996 (Mitchell e Soga, 2005).

Ulteriori indagini sugli effetti della strutturazione sono state eseguite da Leroueil (si veda Augustesen et al., 2004), confrontando i risultati dei seguenti tre tipi di prova (Figura 1.17):

1) prove edometriche convenzionali (il carico applicato viene incrementato ogni 24 ore);

2) prove edometrica CRS a velocità di deformazione costante pari a 1,27∙10-5 s-1 (prova CRS “veloce”);

3) prove edometrica CRS a velocità di deformazione costante pari a 1,00∙10-7 s-1 (prova CRS “lenta”).

Dalle prove è stata ricavata la relazione tra tensioni efficaci, deformazioni e velocità di deformazione (



z



z



z).

La curva di compressione costruita a partire dai risultati della prova edometrica standard corrisponde ad una velocità di deformazione di circa 1,00∙10-7

s-1, cioè due ordini di grandezza più lenta della prova CRS veloce, eseguita a 1,27∙10-5 s-1: tale curva dovrebbe quindi coincidere con la curva di compressione relativa alla prova CRS lenta. In realtà, le due curve sono diverse e, in aggiunta, la curva di compressione ottenuta

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dalla prova CRS lenta è situata al di sopra di quella relativa alla prova CRS veloce, mentre quella della prova edometrica si trova al di sotto, come mostrato in Figura 1.17. Questo comportamento può essere dovuto proprio allo sviluppo della strutturazione nel tempo.

Figura 1.17. Risultati di prove a velocità di deformazione costante e prove edometriche standard su Jonquiere clay – Leroueil, 1996 (Augustesen et al., 2004).

Si osserva che i risultati della prova edometrica standard sono conformi a quelli della prova CRS veloce, perché non si verifica la strutturazione. Infatti, nella prova CRS veloce, la velocità di deformazione è talmente alta che la strutturazione non ha tempo per svilupparsi; nella prova edometrica convenzionale, la struttura che potrebbe essersi sviluppata durante la fase di carico viene distrutta quando viene applicato il nuovo carico. La differenza tra le due curve di compressione può quindi essere spiegato dalla sola dipendenza dalla velocità di deformazione.

D'altra parte, la prova CRS lenta permette lo sviluppo della strutturazione con conseguente irrigidimento del terreno nel corso del tempo; per questo motivo, infatti, la curva di compressione per la prova CRS lenta è più rigida della curva per la prova CRS veloce.

Si può quindi concludere che il fenomeno della strutturazione può essere collegato sia al tempo (alla durata della compressione secondaria) che alla velocità di

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deformazione. In particolare, la strutturazione si sviluppa a basse velocità, cioè per valori inferiori a circa 10-7 s-1(Augustesen et al., 2004).

Nel documento Effetti del creep dei terreni coesivi sulla stabilità delle torri (pagine 40-45)