SOTTOVASCA PISA - CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE DI SOTTOFONDO E VERIFICA DELLA CAPACITÀ PORTANTE

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CAPITOLO III

SOTTOVASCA PISA - CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE DI SOTTOFONDO E VERIFICA DELLA CAPACITÀ PORTANTE

3.1 - CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE (GENERALITÀ)

Per l’utilizzo delle terre in campo progettuale è necessaria una classificazione che, prendendo in considerazione una o poche caratteristiche, consenta di riunire i numerosi tipi di terra che si trovano in natura in gruppi con caratteristiche e comportamento comuni. Le classificazioni delle terre sono numerose e ognuna di esse fa riferimento a una o più proprietà, in genere finalizzate a determinati scopi, quali ad esempio la formazione di rilevati oppure di sottofondi stradali, in quanto ogni utilizzo necessita di una terra con determinate caratteristiche.

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La classificazione C.N.R. (figura 3.1) è quella classificazione ufficialmente adottata dal C.N.R. e suddivide le terre in tre classi principali:

 Terre ghiaio - sabbiose

 Terre limo - argillose

 Torbe e terre organiche palustri

e in otto sottogruppi da A1 ad A8, alcuni dei quali sono suddivisi in altri sottogruppi. Per ogni gruppo la classificazione fornisce le caratteristiche granulometriche, il limite liquido, l’indice di plasticità e l’indice di gruppo, oltre a una serie di indicazioni utili per l’impiego delle terre.

I parametri necessari per la classificazione di una terra secondo la metodologia C.N.R.

vengono ricavati attraverso due test di laboratorio:

 L’analisi granulometrica

 I limiti di Atterberg

L’analisi granulometrica è una prova che consente di classificare i terreni identificando le dimensioni delle particelle e definendo le percentuali in peso delle frazioni granulometriche presenti entro limiti prefissati. L’analisi avviene in due fasi distinte:

 Nella fase di setacciatura si utilizzano batterie di setacci standardizzati ASTM (American Society for Testing Materials) in cui la dimensione della maglia diminuisce progressivamente verso il basso di circa metà del diametro del setaccio precedente. La batteria viene quindi posta su una tavola vibrante, e il materiale versato nel setaccio più alto con maglia più larga viene sottoposto ad una azione meccanica per circa 30 minuti. Di seguito si stima il peso di ogni frazione trattenuta all’interno dei setacci e quindi la percentuale rispetto al peso iniziale del materiale per ogni classe granulometrica. Il setaccio a maglia più fine è quello ASTM-200 con

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apertura della maglia pari a 0,074 mm. La frazione così trattenuta è una polvere finissima che verrà sottoposta a sedimentazione.

 Nella fase di sedimentazione, la frazione trattenuta dall’ultimo setaccio viene analizzata per via umida, ovvero collocata in un contenitore con l’aggiunta di acqua ossigenata e anti flocculante. Successivamente la soluzione, dopo essere stata inserita in un agitatore meccanico e tenuta per circa 10 minuti, viene posta in un cilindro di vetro. Si valuta quindi la velocità di caduta delle particelle, ovvero la sedimentazione che è funzione del diametro delle stesse (principio espresso dalla legge di Stokes).

I risultati di questa analisi vengono riportati sulla curva granulometrica (figura 3.2). Essa è ricavata diagrammando i dati così ricavati in un grafico a scala semilogaritmica, dove in ascissa è riportato il diametro delle particelle e in ordinata la percentuale in peso delle particelle con diametro inferiore. Un dato importante che si può ricavare da questo diagramma è il grado di uniformità del terreno, in quanto più la curva verticale tanto meno si ha nel terreno omogeneità.

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In riferimento alle dimensioni medie dei granuli trattenuti dai setacci si suddivido così le terre:

1. Ciottolo o pietra: granulo con dimensioni medie maggiori di 71 mm;

2. Ghiaia o breccia: granulo con dimensioni medie comprese fra 71 mm e 25 mm;

3. Ghiaietto o breccetta: granulo con dimensioni medie comprese fra 25 mm e 10 mm;

4. Ghiaino o brecciolino: granulo con dimensioni medie comprese fra 10 mm e 2 mm;

5. Sabbia: granulo con dimensioni medie comprese fra 2 mm e 0,05 mm;

6. Limo: granulo con dimensioni medie comprese fra 0,05 mm e 0,005 mm;

7. Argilla: granulo con dimensioni medie inferiori a 0,005 mm.

Con la denominazione ciottolo, ghiaia, ghiaietto e ghiaino si intendono granuli con spigoli arrotondati, mentre con pietra, breccia, breccetto e brecciolino si intendono con spigoli vivi.

Se le terre sono costituite da una percentuale piuttosto elevata di particelle fini, oltre alla granulometria è necessario considerare anche il comportamento all’acqua, infatti nei terreni a grana fine, come le argille, le informazioni relative alla distribuzione granulometrica sono meno significative in quanto essi sono influenzati soprattutto dalla mineralogia e dalla presenza di acqua. Le unità fondamentali che sono alla base delle particelle di argilla sono complessivamente neutre, anche se hanno una carica positiva nel nucleo, dovuta agli ioni metallici di silicio, alluminio, magnesio, e una carica negativa in superficie essendo costituita da ioni di ossigeno e ossidrili. Questa configurazione delle particelle fa in modo che la parte delle molecole di acqua che sono a stretto contatto con la superficie delle particelle si leghi ad esse in modo forte, a tal punto da essere considerata parte integrante della struttura. Essa viene denominata acqua adsorbita non essendo più in libero movimento. Questi legami elettrostatici si sentono sempre meno man mano che le molecole dell’acqua si allontanano dalle particelle, fino a riprendere le proprie caratteristiche di acqua libera o acqua interstiziale. Essa influisce notevolmente sullo stato fisico in cui si possono

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trovare i terreni a grana fine, infatti in base al contenuto naturale dell’acqua wn questi terreni possono presentarsi nello stato:

 Solido

 Semi-solido

 Plastico

 Liquido

Il contenuto d’acqua che separa il passaggio dal solido al semi-solido è detto limite di ritiro ws, quello dal semi-solido al plastico limite di plasticità wp e quello dallo stato plastico allo stato liquido limite di liquidità wl; la differenza fra il limite di liquidità e il limite di plasticità è detto indice di plasticità Ip = wl - wp. Essi sono stati definiti da Atterberg nel 1913, infatti sono chiamati limiti di Atterberg.

La figura seguente (figura 3.3) schematizza i quattro stati fisici e i limiti corrispondenti.

I limiti di Atterberg sono cosi definiti:

 Limite di ritiro: questo limite rappresenta il contenuto d’acqua al di sotto del quale ogni ulteriore perdita d’acqua non provoca nessun cambiamento di volume. Il suo

Figura 3.3

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 Limite di plasticità: il limite di plasticità è quel contenuto d’acqua per il quale il campione di terra inizi a perdere il comportamento plastico. Esso viene determinato formando manualmente dei cilindretti del diametro di 3,2 mm; nel momento in cui il campione comincia a fessurarsi in frammenti di 5-10 mm significa che si è raggiunto il limite plastico. Successivamente si determina il contenuto di acqua natura e si ripete la prova per almeno altre due volte. Il limite plastico è calcolato come media dei tre valori prima ottenuti. In figura 3.5 si può vedere un esempio di determinazione del limite plastico.

Figura 3.4

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 Limite liquido: per il calcolo di questo limite si utilizza un apparecchio detto cucchiaio di Casagrande (figura 3.6). Esso determina il passaggio dallo stato plastico a quello liquido di un terreno a grana fine. Per questa prova si impiega un campione di terra di circa 1N prelevato dalla frazione passante al setaccio ASTM40 (0,42 mm).

Il materiale viene accuratamente mescolato con acqua distillata fino ad ottenere un impasto omogeneo. Parte di esso viene collocato nel cucchiaio, e tramite un apposito utensile, viene realizzato un solco. A questo punto si mette in movimento il cucchiaio che compie una serie di movimenti verticali, provocando i colpi, in corrispondenza della caduta verso il basso della coppa di ottone. Si contano quindi i colpi Nc necessari per far chiudere il solco di un tratto di circa 13 mm di lunghezza.

Di seguito su parte di questo materiale viene determinato il contenuto di acqua naturale wn. Si ha così una coppia di valori wn - Nc. Le operazioni si ripetono aggiungendo altra acqua distillata a formare un altro impasto per ottenere ulteriori valori wn - Nc. Quando si hanno a disposizione 4 o 5 coppie di valori possiamo tracciare un diagramma, dove in si trovano i numeri dei colpi ed in ordinate il contenuto di acqua naturale. Si interpolano i punti con una retta e da essa si ricava il valore del limite liquido wl corrispondente ad un numero di colpi pari a 25. In figura 3.7 si riporta l’esempio di un grafico utile per il calcolo del limite liquido.

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Figura 3.6

Figura 3.7

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3.2 - INDAGINI ESEGUITE PER LA CLASSIFICAZIONI DELLE TERRE NELLA SOTTOVASCA PISA

Per la classificazione delle terre della sottovasca Pisa, sito oggetto di questo studio, sono stati prelevati due campioni di terreno, denominati Campione 1 e Campione 2, rispettivamente in corrispondenza delle prove su piastra LWD-8 e LWD-15 (figura 3.8).

I campioni, del peso di circa 25 kg ciascuno, sono stati prelevati scavando una buca di circa 1 mt di profondità e circa 1,5 mt di diametro, scartando un primo strato di circa 10 cm completamente privo di umidità a causa della calura estiva e quindi non utilizzabile ai fini sperimentali (figure 3.9 e 3.10).

Figura 3.8

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I due campioni prelevati sono stati trasportati immediatamente al laboratorio sperimentale stradale del Dipartimento di Ingegneria Civile dell’Università di Pisa, dove sono stati etichettati, sistemati in dei recipienti più maneggevoli e asciugati in formo per qualche giorno al fine di essere più facilmente frantumabili (figure 3.11 e 3.12).

Ad asciugatura avvenuta, una parte di entrambi i campioni è stata prelevata ed utilizzata per effettuare l’analisi granulometrica ed i limiti di Atterberg con la stessa procedura precedentemente citata.

Nelle seguenti immagini si mostrano alcuni passaggi per la determinazione del limite liquido:

 Frazione passante al setaccio ASTM40 (0,42 mm), figura 3.13.

 Preparazione della strumentazione, figura 3.14.

 Preparazione dell’impasto, figura 3.15.

 Utilizzo del cucchiaio di Casagrande, figura 3.16.

Figura 3.11 Figura 3.12

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Nelle figure qui di seguito sono riportati i le tabelle ed il grafico dei valori che hanno portato alla classificazione del campione 1, figure 3.17, 3.18, 3.18 e 3.20, e del campion 2, figure 3.21, 3.22, 3.23 e 3.24.

CADUTE N° 15 19 26

PESO RECIPIENTE (gr) 23,30 22,60 23,30 23,50

RECIPIENTE N° 15 96 68 3

PESO RECIP. + TERRA UMIDA (gr) 32,60 33,60 33,80 27,60

PESO RECIP. + TERRA SECCA (gr) 30,30 30,90 31,30 27,00

PESO ACQUA (gr) PESO TERRA SECCA (gr)

UMIDITA' PERCNTUALE (%) 32,90% 32,50% 31,30% 17,10%

LIMITE DI PLASTICITA' LIMITE DI LIQUIDITA'

CAMPIONE 1

Figura 3.17

Figura 3.18

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% PASSANTE SETACCIO - 2,000 98% > 50

L.L. 31 < 40

I.P. 14 >10

L.L. - 30

L.P. 17 >10

40,0 40,0 0,0 4,0 8,0 0,0 1,6 9,6 a = 35 > ( % 200 ) > 75 =

b = 15 > ( % 200 ) > 55 =

INDICE DI GRUPPO

CLASS. CNR UNI 10006

A - 6

c = 40 > ( L.L. ) > 60 = d = 10 > ( I.P. ) > 7530 =

0,2 a = 0,005 ac =

0,01bd =

CADUTE N° 15 19 27

PESO RECIPIENTE (gr) 22,30 22,10 23,50 22,50

RECIPIENTE N° 42 87 5 70

PESO RECIP. + TERRA UMIDA (gr) 34,70 30,82 32,78 27,80

PESO RECIP. + TERRA SECCA (gr) 31,60 28,70 30,60 26,90

PESO ACQUA (gr) PESO TERRA SECCA (gr)

UMIDITA' PERCNTUALE (%) 33,33% 32,12% 30,70% 20,50%

CAMPIONE 2

LIMITE DI LIQUIDITA'

LIMITE DI PLASTICITA'

Figura 3.19

Figura 3.20

Figura 3.21

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% PASSANTE SETACCIO - 2,000 97,9% > 50

L.L. 31 < 40

I.P. 10 > 6

L.L. - 30

L.P. 21 ≤ 10

Figura 3.22

Figura 3.23

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L’umidità naturale dei due campioni è riportata in figura 3.25:

I risultati delle prove hanno permesso di classificare le terre come segue:

 Campione 1 ÷ A-6 (Argille poco compressibili)

 Campione 2 ÷ A-4 (Limi poco compressibili)

La classificazione elaborata in laboratorio rispecchia perfettamente la tipologia di terreno contenuta nella Sottovasca Pisa, infatti quest’ultima non è altro che una vasca di colmata per lo stoccaggio dei materiali provenienti dal dragaggio dei fondali portuali.

40,0 40,0 0,0 0,0 8,0 0,0 0,0 8,0 a = 35 > ( % 200 ) > 75 =

INDICE DI GRUPPO

CLASS. CNR UNI 10006 b = 15 > ( % 200 ) > 55 =

A - 4

c = 40 > ( L.L. ) > 60 = d = 10 > ( I.P. ) > 7530 =

0,2 a = 0,005 ac =

0,01bd =

CAMPIONE 1 CAMPIONE 2

RECIPIENTE N° 55 411

PESO RECIP. + TERRA UMIDA (gr) 502,50 521,10 PESO RECIP. + TERRA SECCA (gr) 425,30 449,30

PESO ACQUA (gr) 77,20 71,80

PESO RECIPIENTE (gr) 84,70 84,60 PESO TERRA SECCA (gr) 340,60 364,70 UMIDITA' PERCNTUALE (%) 22,70% 19,70%

Figura 3.24

Figura 3.25

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3.3 - PRESENZA DELLE SOSTANZE ORGANICHE

Come ultima analisi del terreno è stata condotta una verifica della presenza di sostanze organiche disciolte. Il seguente test è stato condotto prelevando una certa quantità di terreno passante al setaccio ASTM-200 dai due campioni estratti in situ e riempiendo, con questo materiale, due bottiglie porta campioni graduate standard fino al valore segnato (figura 3.26 e 3.27).

Successivamente sono stati pesati 30 gr di SODIO IDROSSIDO 0,1 N – N/10 che sono stati disciolti in 1000 ml di acqua distillata e versati nelle due bottiglie contenenti il terreno (figura 3.28).

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Le due bottiglie sono state chiuse ermeticamente e lasciata riposare al buio per una settimana. Dopo i 7 giorni i due campioni sono stati prelevati e confrontati a livello cromatico con una “soluzione tipo”. Il colore più o meno intenso dei campioni rispetto alla soluzione tipo ha indicato la presenza più o meno alta del contenuto di sostanze organiche.

Da come si evince in figura 3.29 il colore più chiaro dei due campioni esaminati rispetto alla soluzione di riferimento ha indicato un basso contenuto di sostanze organiche.

Figura 3.29

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3.3 - PROVE DEFLETTOMETRICHE LWD (Light Weight Deflectometer)

A classificazione avvenuta si è reso necessario determinare quale fosse l’attuale modulo elastico Evd,determinato in condizioni dinamiche, per individuare la attuali condizioni di portanza e confrontarle con il requisito minimo prestazionale di 140 ≈ 150 MPa richiesto dall’Autorità Portuale per un piano di posa della sovrastruttura. Sono quindi state eseguite in situ delle prove su piastra LWD per indagare il modulo di deformazione ed in laboratorio le prove Proctor e C.B.R. per stabilirne la portanza.

Il Light Weight Deflectometer (LWD) è un dispositivo portatile che è stato sviluppato in Germania per misurare in situ il modulo di deformazione dinamico di un terreno e di conseguenza valutarne il grado di compattazione. I dispositivi deflettometrici sono strumenti che permettono di eseguire test dinamici, in situ, non distruttivi, comunemente usati nel campo dei sistemi di pavimentazione per misurare uno strato o un modulo di una superficie. Tra i vari dispositivi non distruttivi utilizzati per la valutazione in situ degli strati della pavimentazione il Light Weight Deflectometer (LWD) per le sue caratteristiche è diventato il centro di un crescente interesse. In particolare, le modifiche introdotte nel Manuale di progettazione per strade e ponti (HD 26/06, e IAN 73/09 che ha sostituito l’HD 25/94), ha introdotto l'obbligo di test di conformità nel campo dei moduli delle fondazioni della pavimentazione appena costruite. L’LWD è considerato, in generale, di essere uno strumento relativamente rapido ed economicamente efficace, sempre se utilizzato in modo appropriato.

Il dispositivo DYNATEST - 3031 LWD con cui sono state eseguite le prove, gentilmente concesso per questa tesi dal suddetto laboratorio sperimentale stradale, è costituito dai seguenti elementi illustrati nelle figure 3.30 3.31.

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1 - Top fix and release

5,6 - Cella di carico e Bluetooth 4 - Smorzatore

3 - Asta guida 2 - Massa battente

7 - Piastra di carico Figura 3.30

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1. Un meccanismo top fix and release che tiene il peso e lo lascia cadere da una altezza costante, precedentemente impostata. Questo meccanismo viene rilasciato per consentire al peso di cadere liberamente e trasmette l'impulso del carico attraverso la piastra appoggiata sul materiale da testare.

2. Una massa battente che varia tipicamente tra 5 e 20 kg. Questo peso è sagomato per garantire una migliore presa all’operatore nelle fasi di sollevamento e ancoraggio al meccanismo top fix and release.

3. Un’asta guida a bassa resistenza che consente al peso di cadere liberamente ed in modo ortogonale allo smorzatore per impartire una forza in modo controllato sulla cella di carico.

4. Un sistema di smorzamento che fornisce una lunghezza di impulso transitorio controllato alla forza di impatto, tipicamente nell'intervallo da 16 a 30 ms.

L'elemento elastico è tipicamente una serie di coni in gomma / buffer, o un sistema di imbottitura cilindrica.

5. Una cella di carico che permette di elaborare e memorizzare i dati dei test.

6. Un dispositivo utilizzato per inviare via Bluetooth i dati ad un palmare assegnando immediatamente la relativa posizione tramite GPS.

7. Una piastra di carico del peso di circa 5 kg che permette una distribuzione uniforme approssimativa del carico impulsivo sulla superficie. Il diametro della piastra di carico varia tipicamente da 100 a 300 mm.

La prova LWD si esegue lasciando cadere un peso da 5 e da 10 kg da un’altezza variabile prefissata su una piastra di acciaio da 300 mm di diametro e 20 mm di spessore. Nella piastra è alloggiato un accelerometro a sua volta connesso ad un dispositivo elettronico di memorizzazione ed elaborazione dati; lo strumento è tarato supponendo la piastra sufficientemente rigida da muoversi in modo solidale al terreno e con carico di impatto costante.

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I parametri di deformazione del suolo si ottengono dall’integrazione dei dati accelerometrici, sulla base di 3 battute di misura. Ad ogni misura si ottengono i seguenti valori:

 Valore di Evd: modulo di deformazione dinamico calcolato sulla base dell’equazione seguente:

Evd = 1,5 ∙ r ∙ σ/s ove:

 r è il raggio della piastra pari a 150 mm

 σ è lo sforzo normale sotto la piastra uguale a 0,1 MPa

 s è il cedimento in mm (valore medio dopo 3 misurazioni)

 Valore S/V: indica il rapporto del cedimento massimo rispetto alla velocità massima del cedimento (in ms). Questo valore riporta il grado di compattazione:

sono accettabili valori S/V < 3,5 ms.

 Coordinate geografiche: mediante dispositivo GPS installato.

Al fine di stabilire il valore del modulo dinamico del terreno la campagna di prove nella vasca di colmata è stata eseguita seguendo quanto più possibile le coordinate GPS dei sondaggi (carotaggi, CPTU, prove dilatometriche, ecc.) precedentemente svolti dall’Autorità Portuale di Livorno nel 2012.

Nella figura qui di seguito (figura 3.32) sono rappresentati i sondaggi eseguiti dall’Autorità Portuale e la campagna di prove su piastra LWD svolte in questa ricerca.

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Figura 3.32

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Da come si evince nella figura 3.33, le prove su piastra LWD eseguite sono in un numero pari a 16 escludendo dall’elaborazione dei dati i valori delle prove LWD-4, LWD-5, LWD- 8 poiché i punti dove sono state effettuate le suddette tre prove risultavano essere al sopra gli argini di separazione delle varie sottovasche con cui è frazionata la vasca di colmata, restituendo come risultato di Evd un valore pari a circa 200 MPa del tutto fuori scala rispetto a quanto atteso.

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Al fine di indagare il valore del modulo del terreno sottostante nel modo più preciso possibile, ogni singola prova è stata così preparata:

 2 masse battenti del peso di 5 e 10 kg

 4 altezze di caduta sulla quota di campagna di 550 mm, 600 mm, 650 mm, 700 mm

 3 cadute per ogni altezza e per ogni peso

Ad ogni singola caduta della massa battente la cella di carico elaborava i dati ottenuti e li inviava tramite Bluetooth al palmare collegato al dispositivo dell’operatore dove venivano brevemente analizzati, per capire la bontà del risultato, e memorizzati.

Una volta effettuate tutte le prove in situ si è passati alla fase di post processing dei dati ottenuti. Il palmare contenente i dati memorizzati è stato connesso via cavo al PC e tramite il programma DYNATEST - LWDmod (figura 3.34) i dati sono stati esportati in formato Excel per essere analizzati e processati.

Figura 3.34

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Il file Excel, una volta aperto data la mole di dati, si presentava come segue in questo breve estratto (figura 3.35):

I dati, quindi, sono stati filtrati e raggruppati per singolo test al fine di avere una visione più chiara dell’intero campo di prove (figure 3.36 e 3.37).

File: Gianluca Date: 19. giugno 2015

Point Location Drop Time Radius Load Stress Dist. 1 Def. 1 Eo Offset Energy GPS GPS GPS Notes No. mm kN kPa mm Micron MPa Micron Joule Latitude Longitude Height

1 1 09:47:59 150 6,6 94 0 97 254 9 0,158

2 09:48:48 150 8,0 114 0 129 232 7 0,259 3 09:49:18 150 7,6 108 0 114 249 2 0,194 4 09:55:16 150 7,5 106 0 1196 23 765 5.615 5 09:56:02 150 7,3 103 0 883 31 362 3.745 6 09:56:33 150 7,2 101 0 510 52 68 1.713 7 09:56:48 150 7,3 103 0 504 54 36 1.502 8 09:57:08 150 7,3 103 0 486 56 29 1.369 9 09:59:58 150 6,9 97 0 1917 13 1341 8.922 10 10:00:06 150 6,8 96 0 1220 21 397 4.883 11 10:00:14 150 7,0 99 0 1080 24 256 3.736 12 10:00:35 150 6,9 98 0 1080 24 238 3.786 13 10:00:47 150 6,9 97 0 1014 25 184 3.409 14 10:03:26 150 6,8 96 0 1896 13 368 8.593 15 10:07:43 150 6,1 86 0 826 28 630 3.460 16 10:07:57 150 6,0 86 0 410 55 141 1.460 17 10:08:03 150 6,2 88 0 377 61 120 1.322 18 10:08:50 150 6,1 87 0 399 57 137 1.421 19 10:09:41 150 7,0 99 0 387 68 91 1.333 20 10:11:56 150 5,3 74 0 683 29 232 1.847 21 10:12:04 150 5,2 73 0 554 35 103 1.301 22 10:12:10 150 5,3 75 0 542 36 65 1.166 23 10:12:42 150 6,3 88 0 679 34 104 1.742 24 10:12:47 150 6,2 88 0 654 35 82 1.641 25 10:12:52 150 6,0 85 0 685 33 94 1.849 26 10:13:19 150 7,0 99 0 815 32 139 2.537 27 10:13:26 150 7,0 98 0 784 33 114 2.320 28 10:13:32 150 7,1 101 0 799 33 105 2.364 29 10:16:06 150 5,2 73 0 1332 14 480 4.245 30 10:16:12 150 5,3 75 0 1201 16 307 3.577 31 10:16:43 150 6,2 88 0 1306 18 343 4.418 32 10:16:51 150 6,2 87 0 1261 18 277 4.191 33 10:16:55 150 6,1 87 0 1341 17 329 4.820 34 10:17:36 150 7,1 100 0 1437 18 349 5.556 35 10:17:43 150 7,0 99 0 1433 18 314 5.540 36 10:18:07 150 7,0 99 0 1415 18 268 5.445 37 10:21:07 150 5,3 76 0 1424 14 705 4.486 38 10:21:13 150 5,3 75 0 969 20 221 2.422 39 10:21:18 150 5,3 76 0 930 21 175 2.256 40 10:21:46 150 6,2 88 0 1139 20 252 3.484

Figura 3.35

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Test Name Drop height Stress σv σ0 σv / σ0 Eo GPS GPS

No. mm kPa MPa MPa MPa Latitude Longitude

1 LWD-1 700 108 0,108 0,1 1,08 249 43°34'08"N 10°18'05"E

2 LWD-2 700 103 0,103 0,1 1,03 56 43°34'09"N 10°18'06"E

3 LWD-3 700 97 0,097 0,1 0,97 25 43°34'09"N 10°18'07"E

4 LWD-4 700 96 13

650 87 0,087 0,1 0,87 57

700 99 0,099 0,1 0,99 68

550 48 0,048 0,1 0,48 35

59 0,059 0,1 0,59 32

75 0,075 0,1 0,75 34

69 0,069 0,1 0,69 31

85 0,085 0,1 0,85 33

70 0,070 0,1 0,70 30

101 0,101 0,1 1,01 31

550 49 0,049 0,1 0,49 27

58 0,058 0,1 0,58 25

75 0,075 0,1 0,75 17

66 0,066 0,1 0,66 23

87 0,087 0,1 0,87 17

71 0,071 0,1 0,71 22

99 0,099 0,1 0,99 18

550 49 0,049 0,1 0,49 27

58 0,058 0,1 0,58 25

76 0,076 0,1 0,76 21

66 0,066 0,1 0,66 23

85 0,085 0,1 0,85 18

71 0,071 0,1 0,71 24

98 0,098 0,1 0,98 20

43°34'06"N 10°18'06"E

43°34'06"N 10°18'07"E

43°34'05"N 10°18'07"E

8 LWD-8

600 650 700

9 LWD-9

600 650 700

NON IDIONEO

6 LWD-6 43°34'07"N 10°18'06"E

7 LWD-7

600 650 700

(27)

600 74 0,074 0,1 0,74 13

650 88 0,088 0,1 0,88 14

11 LWD-11 550 64 0,064 0,1 0,64 15 43°34'03"N 10°18'08"E

12 LWD-12 550 64 0,064 0,1 0,64 10 43°34'02"N 10°18'08"E

49 0,049 0,1 0,49 27

64 0,064 0,1 0,64 22

55 0,055 0,1 0,55 24

75 0,075 0,1 0,75 18

62 0,062 0,1 0,62 21

87 0,087 0,1 0,87 16

70 0,070 0,1 0,70 18

98 0,098 0,1 0,98 15

49 0,049 0,1 0,49 27

63 0,063 0,1 0,63 18

57 0,057 0,1 0,57 25

75 0,075 0,1 0,75 16

61 0,061 0,1 0,61 24

88 0,088 0,1 0,88 15

700 67 0,067 0,1 0,67 20

50 0,050 0,1 0,50 30

62 0,062 0,1 0,62 20

59 0,059 0,1 0,59 24

75 0,075 0,1 0,75 17

67 0,067 0,1 0,67 22

81 0,081 0,1 0,81 15

700 72 0,072 0,1 0,72 21

10°18'07"E

43°34'04"N 10°18'07"E

14 LWD-14

550 600 650

15 LWD-15

550 600 650

10 LWD-10 43°34'04"N

43°34'03"N

10°18'08"E

13 LWD-13

550 600 650 700

43°34'2.5"N 10°18'7.5"E

(28)

Una volta organizzati i dati è stato necessario costruire delle curve che permettessero di capire il reale comportamento delle terre presenti nella vasca di colmata, ovvero se all’aumentare dell’altezza di caduta, e quindi del grado di compattazione, il modulo Evd (nel grafico chiamato E0 come da dicitura del programma DYNATEST – LWDmod) aumentasse anch’esso.

Il grafico (figura 3.38) è stato costruito scegliendo come ascisse il rapporto (sv / so) e come ordinate il modulo E0 (Evd). Il rapporto (sv / so) è il rapporto tra la tensione verticale sv, indotta dalla massa battente, e la tensione normale sotto la piastra so uguale a 0,1 MPa.

Ovviamente il rapporto tra le due tensioni è funzione della massa battente e dell’altezza di caduta da cui il peso cade, parametri fondamentali per la stima del modulo. I dati inseriti sono stati successivamente interpolati con una curva di potenza del tipo y = a ∙ x ^b per valutarne il reale andamento discendente atteso.

Figura 3.38

(29)

Successivamente è stato creato un ulteriore grafico (figura 3.39) per determinare il modulo di deformazione dinamico da poter utilizzare come dato iniziale nella progettazione della sovrastruttura. In questa fase sono stati considerati solo i dati più significativi andando quindi ad escludere i risultati delle prove che non avessero come record i valori del modulo di deformazione dinamico relativi alle quattro altezze di caduta. Anche in questo caso il grafico è stato costruito scegliendo come ascisse il rapporto (sv / so) e come ordinate il modulo E0 (Evd), dove i valori delle grandezze in esame sono identici a quelli del grafico precedente.

Essendo il terreno esaminato prevalentemente a grana fine, quindi non lineare, il valore del modulo elastico è funzione della tensione verticale sv misurata durante la prova LWD.

Quindi, limitando la tensione verticale a 40 kPa e quindi il rapporto (sv / so) a 0,40, utilizzando l’equazione interpolatrice, semplificata in ^, il valore del modulo di

Figura 3.39

(30)

Questo valore è stato considerato come parametro di partenza la stabilizzazione a calce del terreno al fine di raggiugere il requisito minimo di portanza pari a 140÷150 MPa.

Sempre per una verifica, in questo caso da un punto di vista qualitativo, i dati ottenuti dalle prove sono stati utilizzati ed elaborati con il software Surfer-13 per modellare una mappa cromatica tridimensionale (Contour Map) al fine di mostrare l’andamento dell’Evd in funzione delle varie altezze di caduta all’interno della vaschina Pisa.

In tale Contour Map (figura 3.40) sono stati inseriti:

 I punti esatti delle prove LWD tramite coordinate GPS

 I 4 strati al di sotto del piano di campagna indagati tramite le varie altezze di caduta

 Una scala cromatica da 0 a 70 MPa

Figura 3.40

(31)

Come si deduce dalla mappa cromatica sopra riportata possiamo notare come il modulo di deformazione risultante dalle prove eseguite vari da circa 10 MPa a circa 40 MPa per cui il valore di 30 MPa, scelto come valore di partenza per la progettazione, risulti ampliamente accettabile.

3.5 – CALCOLO DELLA CAPACITÀ PORTANTE DEL SOTTOFONDO

La caratteristica dei terreni di sottofondo sulla quale maggiormente si sofferma l'attenzione dell'ingegnere stradale è la "portanza", ossia la resistenza che i terreni offrono alle deformazioni di tipo elastoplastoviscoso. Infatti la necessità di avere contenute deformazioni nel sottofondo, al fine di garantire la regolarità del piano viabile e consentire un'accettabile vita utile della sovrastruttura.

La portanza, detta anche capacità portante, dipende da una serie di fattori tra i quali:

 Natura, porosità e contenuto d'acqua del terreno

 Entità, area di impronta e velocità di applicazione del carico, nonché numero di applicazioni del carico stesso

La capacità portante può essere rappresentata con più parametri, alcuni di natura prettamente semi-empirica altri invece teorica. I primi costituiscono soltanto una misura convenzionale della capacita portante che tiene conto complessivamente del comportamento elastoplastico del terreno, per questo motivo il loro dominio di impiego

(32)

I metodi di valutazione della portanza che si basano su test effettuati direttamente in sito hanno il pregio, rispetto a quelli che utilizzano esperienze in laboratorio, di fornire un valore riferito all'intero sottofondo ed alle condizioni reali dei materiali che lo compongono, tenendo cosi intrinsecamente conto delle eventuali disomogeneità presenti. Dal canto loro pero le indagini condotte in laboratorio consentono, rispetto alle altre, di evidenziare, senza eccessive difficoltà, come si modifica la portanza al variare dell'addensamento e soprattutto del contenuto d'acqua.

Infatti, soprattutto il contenuto d’acqua del terreno gioca un ruolo importante nell’efficacia dell’azione di addensamento, a parità di energia spesa. Un certo contenuto d’acqua è desiderabile perché, agendo da lubrificante tra i grani del materiale, agevola il costipamento. Al contrario, contenuti d’acqua superiori ad un certo limite danneggiano l’azione di costipamento: l’acqua dovrebbe sostituirsi al gas presente all’interno del materiale; questo dovrebbe essere compresso a pressioni sempre maggiori ed al limite, se accadesse, cessata l’azione della macchina costipatrice, ci si troverebbe a dover contrastare un’azione di decostipamento dovuta al gas sotto pressione eccessiva. Le maggiori densità si ottengono quando il contenuto d'acqua presenta un certo valore, detto ottimo.

Il valore ottimo del contenuto d’acqua è espresso in percentuale Wott % e rappresenta esattamente la percentuale di acqua da aggiungere alla terra per avere il massimo grado di addensamento con cui eseguire la prova C.B.R.

La prova cui possiamo calcolarsi la Wott % prende il nome dal primo ingegnere che si occupò di questo fenomeno, l’americano Proctor (1930).

Lo scopo delle prove di laboratorio consiste nel tracciare una curva Wott % / γs (rapporto tra il contenuto percentuale d’acqua ed il peso secco del materiale), (figura 3.41), che risulti il più simile possibile a quella che lo stesso materiale presenterebbe in cantiere con la costipazione.

(33)

I più comuni metodi di prova derivano da quello ideato dal California Highway Department agli inizi degli anni '30 ed è conosciuto come prova di Proctor standard (Proctor, 1933).

Secondo questo metodo, un campione viene disseccato, polverizzato e quindi diviso in due frazioni con setacci n. 4 ASTM o 5 della serie UNI 2332 (materiale di dimensioni inferiori ai 5 mm).

Circa 3 kg della frazione a granulometria più fine vengono inumiditi con una piccola quantità d'acqua e poi completamente rimescolati per ottenerne un aggregato omogeneamente umido che è quindi disposto in tre strati uguali in un contenitore cilindrico, detto fustella, di dimensioni normalizzate (figura 3.42).

Figura 3.41

(34)

Ciascuno strato è costipato con 25 colpi di un pestello standard, lasciato cadere dall'altezza di 30 cm (figura 3.43). Riempito il contenitore e spianata la sommità del materiale, vengono determinati il peso ed il contenuto d'acqua del terreno, e quindi il peso secco.

Figura 3.42

(35)

Allo stesso modo si opera su materiale sempre più umido finché il peso specifico apparente secco, determinato dopo il costipamento, con l'aumentare del contenuto d'acqua, non diminuisca in misura notevole.

Al termine di ogni prova il materiale utilizzato va sostituito con altra quantità prelevata dallo stesso campione: la prova frantuma i grani più grossi e varia la granulometria del materiale originario. Si traccia a questo punto la curva rappresentativa della relazione fra peso secco e contenuto d'acqua; il contenuto d'acqua ottimo è quello al quale il peso secco raggiunge il valore massimo.

A causa dell'influenza che il metodo di costipamento esercita sulla curva Wott % / γs, non ci si deve aspettare che una qualunque prova standard, compresa quella di Proctor, dia risultati di validità generale: solo prove eseguite in situ in scala naturale e con la medesima attrezzatura che ci si propone di usare per i lavori sono in grado di fornire dati realistici circa il contenuto d'acqua ottimale. Si è tentato comunque di mettere a punto metodi di laboratorio fornissero la stessa energia di costipamento fornita dai macchinari utilizzati in cantiere. Questi tentativi hanno condotto a diverse varianti del procedimento originario. Per l'attrezzatura pesante, oggi usata, la più appropriata risulta essere la cosiddetta prova Proctor modificata che utilizza una energia di costipamento maggiore (diverso peso del pestello ed altezza di caduta). Dall’esame delle classiche curve a campana relative ad uno stesso tipo di terreno costipato con diversa energia si può notare che:

 Al variare dell’energia di costipamento impegnata varia la densità secca e l’umidità ottima: maggiore energia permette di ottenere una densità secca maggiore a parità di contenuto d’acqua;

 Tutte le curve tendono, senza raggiungerla, alla curva di saturazione, curva che esprime la relazione tra Wott % / γs necessaria a riempire tutti i pori del materiale;

(36)

La prova ci fornisce, per un dato terreno, il massimo della densità secca ottenibile con il costipamento. Indirettamente ci fornisce un valore dell’umidità ottima per il quale il campione può fornire il massimo delle sue caratteristiche meccaniche.

Per il calcolo dell’umidità ottima dei campioni prelevati è stata eseguita in laboratorio una prova Proctor modificata. Poiché la classificazione, tipologia e caratteristiche meccaniche dei due campioni di terra erano praticamente le stesse, è stato deciso di mescolare i due campioni e realizzare la prova Proctor sul nuovo campione di terra rimaneggiata, denominato “campione mix”.

I risultati della prova indicati nella tabella seguente (figura 3.44) sono riportati nel grafico subito di seguito (figura 3.45).

1 2 3 4

5 69 1 2

267,3 204,2 111,5 100,0

243,5 185,4 94,6 83,2

73,0 81,0 12,1 12,5

170,5 104,4 82,5 70,7

13,959 18,008 20,485 23,762

23,8 18,8 16,9 16,8

5749,0 5841,3 5898,0 5935,0

4129,2 4129,2 4129,2 4129,2

945,0 945,0 945,0 945,0

1619,8 1712,1 1768,8 1805,8

1,714 1,812 1,872 1,911

1,504 1,535 1,554 1,544

1,549 21,4

Curva di addensamento Proctor Proctor Standard

Terra naturale

Umidità ottima Peso forma Volume forma

Densità secca Densità ottima Peso recipiente + terra secca

Peso recipiente Peso terra secca

% Umidità Peso acqua

Peso forma + terra addensata Determinazione Recipiente numero Peso recipiente + terra umida

Peso terra Addensata Densità Umida

Figura 3.44

(37)

Come si evince dalla tabella e dal grafico della curva Proctor, l’umidità ottima del terreno risulta essere:

Wott % = 21,4%

Con il materiale costipato all’ottimo Proctor oppure all’ottimo Proctor modificato si può effettuare la prova CBR (California Bearing Ratio).

L’indice di portanza californiano CBR fu sviluppato nel 1929 dal Dipartimento Autostradale Californiano allo scopo di stabilire un criterio empirico per determinare le caratteristiche di idoneità dei materiali per uso stradale.

La prova CBR permette di valutare l’idoneità di un terreno alla realizzazione di sottofondi e rilevati stradali. Tale prova è effettuabile, oltre che in laboratorio, direttamente in sito, sul

Figura 3.45

(38)

La prova CBR consiste nel far penetrare un pistone di diametro standard (4,953 cm), alla velocità costante di 1,27 mm/min, misurando lo sforzo di penetrazione mediante una cella di carico ad infissioni prestabilite e standardizzate. La penetrazione dovrà essere condotta ad una velocità di 1,27 mm/min fino ad un valore massimo di 12,7 mm, impiegando un pistone del diametro di 49,63 ± 0,13 mm.

Durante la penetrazione si effettuano ad intervalli regolari letture di penetrazione e del corrispondente livello di carico raggiunto. Da ciascuna curva di penetrazione, eventualmente corretta in caso di iniziale concavità verso l’alto, si otterrà il carico corrispondente alla penetrazione di 2,54 mm che, rapportato al carico di riferimento di 13,24 kN, fornisce il valore CBR.

Come controllo si dovrà calcolare anche l’indice CBR relativo alla penetrazione di 5,08 mm, con carico di riferimento pari a 19,96 kN, che dovrà risultare inferiore a quello relativo alla penetrazione di 2,54 mm. In caso contrario si dovrà ripetere il test e, se dovesse permanere la medesima situazione, si assumerà come indice CBR quello relativo alla penetrazione di 5,08 mm.

L’indice CBR può essere utile per decidere se un dato materiale può essere impiegato così come rinvenuto. Se dalla prova eseguita su un campione con contenuto d’acqua originario risulta un CBR maggiore di 10 il materiale è certamente utilizzabile, se il CBR è inferiore a 5, il materiale non può essere utilizzato senza particolari provvedimenti.

Si utilizzano tre tipi di determinazioni del CBR:

 Normale (effettuato con provino nelle condizioni di umidità di rinvenimento) detto anche I.P.I. (Indice di Portanza Immediata). Il CBR normale può essere determinato direttamente in situ oppure in laboratorio su di un campione avente la densità e l'umidità riscontrata o prevedibile in situ; viene comunemente utilizzato per il calcolo delle pavimentazioni. Tale indice è anche impiegato per stabilire se il materiale proveniente dagli scavi, in funzione del suo contenuto d'acqua, può essere utilizzato nei rilevati, ovvero deve essere corretto o rifiutato. Un criterio a riguardo

(39)

(relativo ad un costipamento eseguito per la prova Proctor Standard) e maggiore di 10, il materiale e utilizzabile; se l'indice e minore di 5 il materiale deve essere trattato. E' opportuno osservare che date le differenti modalità esecutive i risultati del CBR misurato direttamente in sito non sono confrontabili con quelli di laboratorio.

 Ottimo Proctor (effettuato con provino in condizioni di umidità ottima). Il CBR all’ottimo Proctor, detto anche CBR nelle condizioni AASHO Mod., è quello che si misura su campioni costipati alla densità massima ed alla umidità ottima della prova AASHO Modificata. Questo indice in quanta ottenuto su campioni di terreno in condizioni differenti dalle reali, può essere utilizzato solo come elemento di riferimento, ma non come dato di input in un calcolo delle pavimentazioni.

 Saturo (effettuato con provino in condizioni di umidità ottima). Il CBR ottimo saturo è risultato della prova di penetrazione condotta in laboratorio su un provino dapprima costipato con energia ed umidità ottima corrispondente alla prova AASHO modificata e poi successivamente immerso in acqua per 4 gg.

Ognuno di essi ci fornisce informazioni sul comportamento del campione in determinate condizioni.

Nella tabella (figura 3.46) qui di seguito è riportata una classificazione qualitativa del terreno di sottofondo in relazione all'indice CBR:

Figura 3.46

(40)

reattivo all’acqua, la prova CBR svolta in questo studio è stata del tipo saturo per determinare la portanza nelle peggiori condizioni possibili.

I risultati delle prove sono riportati nelle tabelle (figura 3.47 e 3.48) qui di seguito:

4N

152,00 69

116,30 81,0

2,1100 400,6

4,2133 352,1

8,3450 48,5

4,1370 271,1

1,9607 18,0

1,6600

PROVA C.B.R. - SATURO CAMPIONE "MIX"

FUSTELLA NUMERO DETERMINAZIONE UMIDITA'

DIAMETRO [mm] RECIPIENTE NUMERO

ALTEZZA [mm] TARA [gr]

VOLUME [dm³] PESO LORDO UMIDO [gr]

TARA [kg] PESO LORDO ASCIUTTO [gr]

PESO LORDO UMIDO [kg] PESO ACQUA [gr]

PESO NETTO UMIDO [kg] PESO NETTO SECCO [gr]

DENSITA' UMIDA [kg/dm³] UMIDITA' [%]

DENSITA' SECCA [kg/dm³]

Figura 3.47

(41)

L’andamento della prova CBR è riportata nel grafico seguente (figura 3.49):

I risultati del test di laboratorio hanno quindi mostrato che il terreno in esame ha un CBR 5

5 5 C.B.R. (2,5 mm) C.B.R. (5,0 mm)

C.B.R.

Figura 3.49

Figura 3.50