Le prove triassiali

Le prove triassiali sono eseguite generalmente su provini indisturbati di terreno a grana fine. Lo scopo della prova è quello di ottenere i parametri meccanici di resistenza in condizioni drenate o non drenate ed i relativi parametri di deformabilità del terreno analizzato.

La prova viene impropriamente chiamata triassiale perché lo scopo dell’apparecchiatura doveva essere in grado di consentire il controllo totale sulle tre componenti di tensione secondo le tre

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direzioni ortogonali spaziali. Le difficoltà tecnologiche e costruttive hanno indotto a realizzare un’apparecchiatura che consente il controllo dello sforzo in direzione verticale e quello in direzione radiale, perciò nelle triassiali abbiamo una distribuzione delle tensione di sollecitazione che risulta cilindrico ed assialsimmetrico.

Il provino utilizzato è ricavato per estrusione tramite una fustella metallica dalla carota del campione indisturbato, ha dimensioni standard e la sua altezza è circa il doppio del diametro. Il provino così ricavato è collocato in una cella contenente acqua, isolato dal liquido per mezzo di una guaina sottile e flessibile generalmente realizzata in lattice, fissata alle estremità con delle guarnizioni a tenuta.

La cella contenente il provino essendo sigillata, è possibile imporre una pressione isotropa che perciò agisce con uguale modulo in tutte le direzioni. Questa pressione è chiamata pressione di confinamento o di cella ed indicata con il simbolo σ_r.

Nelle apparecchiature convenzionali la pressione di confinamento agisce anche verticalmente perché il capitello superiore posto sopra al provino è generalmente immerso all’interno della cella contenente l’acqua in pressione. La tensione verticale aggiuntiva ∆σ è applicata attraverso un pistone di carico che agisce sul capitello metallico superiore del provino, tramite una pressa con motore elettrico di tipo stepper (motori passo passo). Tali motori hanno la possibilità di controllare la loro posizione in modo molto accurato poiché la loro rotazione può essere suddivisa in un elevato numero di passo (step), tali tipologie di motori sono molto utilizzati in tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione.

Il valore dello sforzo verticale ∆σ viene misurato tramite una cella di carico di tipo estensimetrico collocata esternamente alla cella triassiale.

Inoltre alle due estremità del provino vengono poste due pietre porose, separate dal provino stesso tramite dei filtri di carta, a loro volta le pietre sono collegate alle vie di drenaggio che possono essere chiuse od aperte in funzione della modalità di prova. Nello specifico sono state eseguite delle prove triassiali non drenate con la misura delle pressioni interstiziali.

Generalmente la prova triassiale è preceduta da una fase di consolidazione del provino a drenaggi aperti, in modo da ristabilire le condizioni tensionali del provino al momento dell’estrazione in profondità. La consolidazione può avvenire in modo isotropo, ossia con σ_r=σ_z oppure anisotropo con σ_r<σ_z.

Durante la fase di allestimento del provino, che precede la consolidazione, viene applicata un’aliquota della pressione totale finale di cella e una pressione interstiziale comunemente detta “back pressure” o contropressione. Quest’ultima è leggermente inferiore all’aliquota di pressione totale agente nella cella cosicché la pressione efficace netta è data dalla differenza tra le due. Questa

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operazione viene ripetuta incrementando contemporaneamente e della stessa quantità la pressione totale di cella e la contropressione. Lo scopo è quello di saturare i circuiti dove è possibile che in fase di allestimento della prova siano rimaste intrappolate delle bolle d’aria. L’aumento progressivo della contropressione dell’acqua interstiziale finisce per disciogliere le bolle d’aria nell’acqua. La verifica della corretta saturazione dei circuiti si ha eseguendo un “B” test ad ogni incremento della pressione totale di cella. Gli incrementi vengono imposti a drenaggio chiuso con misura della sovrappressione interstiziale (∆u). Il “B” test è soddisfatto quando risulta verificata la seguente relazione:

B=∆u/∆σ_r>0.95

Successivamente è possibile applicare la pressione di cella prescelta per la fase di consolidazione. Durante la fase di consolidazione si misurano:

 le tensioni totali applicate ∆u e ∆σ_r;  la pressione neutra;

 la deformazione assiale e la variazione di volume del provino.

In particolare la pressione di cella e la pressione neutra sono misurate mediante trasduttori di pressione, la differenza tra la pressione radiale e quella verticale è misurata tramite una cella di carico estensimetrica posta sul pistone, la deformazione assiale è ricavata misurando gli spostamenti del pistone che trasmette lo sforzo assiale rispetto ad un punto fisso esterno mediante un trasduttore LVDT. La variazione di volume invece è misurata rilevando i volumi d’acqua che entrano o escono dal provino.

Dopo la prima fase, la prova pro triassiale prosegue con la fase di taglio o rottura che comporta l’applicazione di un percorso di carico desiderato, in cui le tensioni verticali e radiali possono variare indipendentemente l’una dall’altra. I percorsi di sollecitazione o di carico più utilizzati e di maggiore interesse sono i seguenti:

 compressione per carico: σ_r costante, σ_z aumenta (tipico di un elemento al di sotto di una fondazione),

 compressione per scarico: σ_z costante, σ_r diminuisce (tipico di un elemento lungo la parete di uno scavo),

 estensione per carico: σ_z costante, σ_r aumenta (tipico di un elemento soggetto alla spinta di un’opera),

 estensione per scarico: σr costante, σz diminuisce (tipico di un elemento al di sotto di un’area sottoposta a scavo).

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Nelle celle standard o convenzionali è possibile riprodurre solamente il percorso di compressione per carico. La fase di rottura può essere condotta in condizioni drenate o non drenate e con misura delle pressioni interstiziali.

Il percorso prescelto viene applicato imponendo al provino deformazioni assiali crescenti sino ad un valore massimo pari almeno al 10%. Queste grandi deformazioni assicurano in genere il raggiungimento non solo della condizione di resistenza di picco ma anche di quella stazionaria o residua. La sollecitazione viene applicata o in controllo di carico (incremento dello sforzo assiale costante nel tempo) o in controllo di deformazione (velocità di spostamento costante). La resistenza di picco corrisponde al valore massimo dello sforzo deviatorico q = σz - σr o al massimo

rapporto σ’1/σ’3. Durante la fase che porta a rottura il provino si misurano le tensioni totali

applicate, la variazione della pressione interstiziale in condizioni di rottura non drenata, le deformazioni assiali, le variazioni di volume in (condizioni di rottura drenata).

Al fine di determinare i parametri di resistenza, i risultati della prova vengono diagrammati su piani cartesiani che possono rappresentare:

 Piano [τ- σ,σ'_{] o detto anche piano di Mohr, in questo piano vengono rappresentati i} cerchi di Mohr a rottura;

 Piano [q-p,p'] dove otteniamo: p=(2σr+σz) _{3, p'=}(2σ'r+σ'z) _{3 e q=σz}-σ_r  Piano delle tensioni principali [σ'

1-σ'3] dove σ'1=σ'z e σ'3=σ'r;  Piano [t-s,s'] dove: t=(σr-σz) 2, s= (σ_r+σ_z) 2, s'= (σ'_r+σ'_z) 2

In particolare nelle prove triassiali eseguite sui campioni indisturbati disponibili ci siamo riferiti al piano [t – s,s’].

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Nei piani q – p, p’ e t –s, s’ si riportano i percorsi di carico (detti anche stress path) che sono stati eseguiti su 3 provini provenienti da uno stesso campione di terreno. Gli stress path totali nel piano t - s di solito vengono rappresentati sottraendo ai valori di s la contropressione dell’acqua (u0). In questo modo il punto iniziale dell’ESP (stress path efficace) e del TSP - u0 (stress path totale meno pressione neutra) coincidono, rendendo più semplice la rappresentazione. I parametri di resistenza (a’,α’) nel piano t - s’, con significato analogo a c' e φ' nel piano τ - σ, si ottengono interpolando i valori a rottura dei tre diversi provini.

Le prove triassiali più diffuse sono le CID (prova consolidata in modo isotropo e drenata) e le CIU (prova consolidata in modo isotropo non drenata).

La prova CID caratterizzata dalla consolidazione isotropa, comporta che il punto di partenza della prova e quindi l’origine degli stress path giaccia sull’asse delle ascisse, infatti ad uno stato di sforzo isotropo (detto anche sferico), corrispondono sollecitazioni di taglio nulli. L'incremento di carico in una prova di compressione viene imposto a drenaggi aperti, con una velocità sufficientemente bassa da garantire le condizioni drenate in tutti i punti del provino. Mantenendo costante la pressione di cella e aumentando quindi quella verticale, lo stress path sul piano t - s' assume un andamento rettilineo inclinato verso destra di 45° (se la scala di rappresentazione in ascissa è pari a quella in ordinata), legato alle proprietà geometriche dei cerchi di Mohr.

La prova CIU che ricordiamo è consolidata in modo isotropo e non drenato, poiché la fase di rottura è condotta a drenaggi chiusi, per cui l’applicazione della compressione comporta una variazione delle pressioni interstiziali tale che, mentre il TSP continua ad essere rappresentato da una retta a 45°, l’ESP assume una certa curvatura che dipende dal valore assunto dal parametro A durante la fase di rottura. Il parametro A non è costante nel corso della prova e dipende dall’OCR. Al crescere dell’OCR il parametro A attinge valori più piccoli e nel caso di OCR molto elevati anche valori negativi per effetto della dilatanza. Sottrarre Δu positive dallo stress-path totale significa traslare verso sinistra il punto dotato di una certa ordinata. Nel caso di sovrappressioni negative invece l’ESP si colloca a destra del TSP-u0.

Di seguito si riportano i dati ricavati dall’esecuzione delle prove triassiali dei tre campioni analizzati. In particolare da ogni singolo campione sono stati prelevati tre provini, e le caratteristiche meccaniche sono state ricavati dall’interpolazione dei singoli provini.

3.6.4.1 Triassiale non drenata campione 1 (profondità 12,00 – 12,60 m)

Si riportano i risultati ottenuti dalla prova di compressione dei 3 provini ricavati dal campione numero 1.

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3.6.4.2 Triassiale non drenata campione 2 (profondità 18,00 – 18,60 m)

Si riportano i risultati ottenuti dalla prova di compressione dei 3 provini ricavati dal campione numero 2.

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3.6.4.3 Triassiale non drenata campione 3 (profondità 18,00 – 18,60 m)

Si riportano i risultati ottenuti dalla prova di compressione dei 3 provini ricavati dal campione numero 3.

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Secondo la normativa vigente, ossia le NTC 2008 e la relativa circolare applicativa (Circ. M.I.T. n. 617/2009), richiedono la realizzazione di un modello geologico e di un modello geotecnico.

Citando direttamente la circolare, troviamo che: “Il Modello Geologico deve definire con preciso riferimento al progetto i lineamenti morfologici della zona nonché gli eventuali processi morfologici ed i dissesti in atto o potenziali e la loro tendenza evolutiva, la successione litostratigrafica locale, con la descrizione della natura e della distribuzione spaziale dei litotipi, del loro stato di alterazione e fratturazione e della loro degradabilità; inoltre, deve illustrare i caratteri geostrutturali generali, la geometria e le caratteristiche delle superfici di discontinuità e fornire lo schema della circolazione idrica superficiale e sotterranea.”

Ne consegue che il modello geologico come anche sottolineato dall’Associazione Geotecnica Italiana, non è una descrizione “statica” delle condizioni geologiche e non rappresenta una modellazione delle caratteristiche fisico meccaniche del terreno, idonee a valutarne il comportamento con un approccio “numerico” o di calcolo.

Non è una semplice relazione di tipo descrittivo e qualitativo, avulsa dal progetto considerato. E’ invece un modello oggettivo e quantitativo di riferimento capace di fornire gli elementi indispensabili per una corretta e moderna progettazione delle opere e degli interventi sui sistemi geologici e geotecnici, e di fornire gli elementi essenziali per una gestione consapevole delle pericolosità geologiche di ciascun sito. Ne consegue che non è un modello valido per tutti i progetti e non è universalmente valido per le caratteristiche geologiche del sito oggetto della costruzione, bensì dovrà approfondire gli aspetti propri e le peculiarità che influiscono direttamente o indirettamente sulla realizzazione e sulla vita dell’opera prevista.

Il Modello Geologico di Riferimento deve riconoscere e descrivere oltre alle caratteristiche geologiche, geomorfologiche, geologico-strutturali, idrogeologiche, anche gli aspetti connessi alla genesi dei diversi litotipi, quali l’ambiente deposizionale che risulta particolarmente importante in una zona portuale dove depositi in ambiente marino e continentale si sono più volte alternati, l’ambiente e le condizioni di genesi dei terreni e delle rocce, gli assetti tettonici dell’area in studio.

Tutte queste cognizioni sono indispensabili per prevedere le possibili variazioni delle caratteristiche fisiche, geotecniche e geo-meccaniche dei materiali e l’evoluzione morfo-dinamica dell’area. Il Modello Geologico deve essere capace, attraverso procedimenti di analisi sopra evidenziati, di riconoscere e descrivere, il più oggettivamente possibile, le criticità ed i pericoli di natura geologica.

Il progettista però deve concretizzare ciò che è descritto ed analizzato nel modello geotecnico tramite un modello matematico seppur semplificato, che in base alle proprietà fisico meccaniche

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ricavate dalle prove geotecniche, sia in grado di analizzare, descrivere e prevedere il comportamento del terreno con cui l’opera andrà ad interagire. Tutto questo è racchiuso all’interno del modello geotecnico, che come descritto dalle NTC 2008 è uno “schema rappresentativo delle condizioni

stratigrafiche, del regime delle pressioni interstiziali e della caratterizzazione fisico-meccanica dei terreni e delle rocce, comprese nel volume significativo.”

Possiamo porre il modello geotecnico ed il modello geologico su due scale diverse, il modello geotecnico riguarda la modellazione del volume di terreno significativo riferito all’opera in progettazione, la modellazione geologica costituisce la modellazione di un volume più ampio nel quale è racchiuso il volume significativo.