Analisi e classificazione delle terre

Con il termine terra si indica un materiale formato da aggregati di granuli non legati tra loro o che possono essere separati per mezzo di modeste sollecitazioni o per mezzo di un più o meno prolungato contatto con l’acqua. Con il termine roccia si indica un materiale naturale che, in campioni al di fuori della loro sede, è dotato di elevata coesione anche dopo prolungato contatto con l’acqua. E’ però necessario fare anche riferimento al termine ammasso roccioso che si riferisce alla roccia in sede, considerata assieme alle discontinuità strutturali proprie delle condizioni naturali.

Vi sono poi materiali di transizione aventi caratteristiche intermedie tra quelle delle terre e quelle delle rocce, quali le argille marnose, le argille varicolori, i tufi, ecc.

Le terre derivano da un insieme di fenomeni e processi che coinvolgono la crosta terrestre. La litosfera, l’idrosfera e l’atmosfera interagiscono tra loro attraverso processi endogeni ed esogeni.

Nei processi endogeni comprendiamo l’intrusione di magmi, le trasformazioni e le fusioni di minerali e rocce in condizioni di alta temperatura e pressione ed i fenomeni tettonici.

Nei processi esogeni comprendiamo i movimenti dei fluidi, il passaggio da uno stato fisico ad un altro, le trasformazioni chimiche, la gravità ecc. questi processi fisici e chimici danno luogo all’alterazione della roccia con separazioni di porzioni di dimensioni diverse e al trasporto e deposizione in altro luogo.

Generalmente quando ad esempio per un terreno si parla di sabbia ci si riferisce abbastanza spesso ad un materiale che può contenere anche piccole quantità di ghiaia, limo e argilla. La distribuzione percentuale dei grani di un campione di terreno secondo le dimensioni, rappresentata con una curva, costituisce la granulometria.

La granulometria è determinata con l’analisi meccanica a mezzo di vagli e setacci con maglie unificate per il materiale a grana grossa e con il metodo del densimetro per il materiale a grana fine.

La percentuale, p%, di materiale più fine di una certa dimensione è riportata in ordinata in scala naturale, mentre il corrispondente diametro dei granuli D in millimetri, è riportato in ascisse in scala logaritmica.

L’andamento di una curva granulometrica è importante specialmente per le terre granulari e può essere espresso dal coefficiente di uniformità:

C = D₆₀ / D₁₀

L’uniformità è massima per C=1; si parla di materiale uniforme fino a C=2, di materiale poco graduato fino a C=6; per valori superiori di materiale ben graduato e per C>15 di materiale decisamente ben graduato.

Il volume del solido è indicato con V_s quello dell’acqua con V_w quello dei gas con V_g. Poiché le relazioni tra V_w e V_g  cambiano al variare delle condizioni dell’acqua nel terreno così come al variare dei carichi, è conveniente indicare tutto il volume non occupato dalle particelle solide o volume dei vuoti con V_v.

Il peso dell’acqua è indicato con la sigla P_w quello delle particelle solide con P_s e il peso totale con P.

Se allora il volume totale viene indicato con V, la porosità è definita da:

n = V_v / V

ed è espressa frequentemente in percentuale. Più spesso si fa riferimento all’indice dei vuoti:

e = V_v / V_s

rapporto nel quale al denominatore figura il volume del solido che è sempre una costante.

Una delle priorità più importanti soprattutto per le terre a grana fine, è il contenuto naturale di acqua w definito da:

w = P_w / P_s

in cui P_w è il peso dell’acqua e P_s il peso del materiale solido essiccato a 105°C. i terreni sotto la falda freatica, ed alcuni terreni fini sopra la falda freatica, sono allo stato saturo mentre la maggior parte dei terreni sopra la falda freatica ha i vuoti riempiti parte di aria e parte di acqua. Anche alcuni terreni sommersi possono avere piccole quantità di aria o gas.

Il grado di saturazione è definito da:

S_r% = V_w / V_v

Pertanto il terreno può trovarsi sia nella situazione trifase che in quella bifase con i vuoti riempiti solo da acqua (terreno saturo) o solo da aria (terreno asciutto).

Il peso dell’unità di volume γ è una dette più importanti proprietà fisiche di un terreno ed è definito da:

γ = P / V

dove P è il peso totale e V è il volume totale. Se il terreno è saturo il peso unitario viene indicato con γ_sat ; se è asciutto con γ_d dato da:

γ_d = P_s / V

Il peso unitario dell’acqua è indicato con:

γ_w = P_w / V_w

e il peso unitario del terreno immerso con:

γ’ = γ_sat – γ_w

Si ha poi il peso specifico dei grani:

G_s = γ_s / γ_w

Tra la porosità n e l’indice dei vuoti e si hanno le seguenti relazioni:

n = e / 1 + e  e = n / 1 – n

il grado di saturazione è dato da:

S_r = G_s w / e

Nella situazione di terreno saturo (S_r = 100%) si ha:

e = w G_s

nella situazione di terreno asciutto (S_r = 0) si ha:

γ_d = (γ_s / 1 + e) γ_w

All’aumentare della densità aumentano i punti di contatto tra le particelle e il grado di mutuo incastro e quindi aumenta la resistenza al taglio e diminuisce la compressibilità. La presenza di acqua nei vuoti del terreno influenza più i terreni a grana fine come argille e limi. Ne consegue che è importante conoscere la quantità d’acqua presente in un terreno e confrontare questo contenuto con alcuni valori importanti del contenuto d’acqua, valori che in un certo modo costituiscono i limiti del comportamento del terreno.

I limiti di Atterberg sono dei contenuti d’acqua determinati in laboratorio con procedure standardizzate che rappresentano abbastanza bene dei passaggi critici di comportamento del terreno.

Se si fa variare in aumento con continuità il contenuto d’acqua w, si vede che lo stato del terreno argilloso passa da quello di solido fragile a quello di semisolido, quindi a quello plastico e infine a quello fluido. A queste variazioni continue di stato possiamo abbinare una risposta della variazione deformazionale del terreno.

Il contenuto d’acqua che separa il passaggio dal solido fragile al semisolido è detto limite di ritiro w_S , quello dal semisolido al plastico limite di plasticità w_P e quello dallo stato plastico allo stato fluido limite di liquidità w_L ; la differenza fra il limite di liquidità e il limite di plasticità è detto indice di plasticità I_P = w_L - w_P e indica il campo di contenuto d’acqua nel quale il terreno è allo stato plastico.

Il limite di liquidità si determina a mezzo dell’apparecchio di Casagrande ed è il contenuto d’acqua per il quale il solco tracciato con apposita spatola sulla terra posta in un cucchiaio si richiude dopo 25 cadute.

Il limite di plasticità viene determinato formando per rotolamento dei cilindri che raggiungono un diametro di circa 3mm ed è il contenuto d’acqua corrispondente al formarsi delle prime screpolature.

Il limite di ritiro viene determinato per progressivo essiccamento di un provino, misurando via via il volume e l’umidità , e il contenuto d’acqua per cui non si ha ulteriore riduzione di volume e proseguendo l’evaporazione, l’aria entra nei vuoti del terreno.

Questi limiti di Atterberg costituiscono una prova importante perché presentano una notevole fedeltà nei risultati; vengono determinati sulla frazione passante al setaccio 40 (0,42mm).

I valori dei limiti di Atterberg dipendono innanzitutto dal tipo di argille; si ha infatti una corrispondenza tra la composizione mineralogica e i limiti di Atterberg come si vede dalla tabella:

I limiti di Atterberg dipendono dalla percentuale di argilla che granulometricamente corrisponde alla percentuale di materiale inferiore ai 2 μm.

Da questo punto di vista si fa riferimento al coefficiente di attività:

A = I_P / % < 2 μm

in base al quale le terre possono essere così divise:

terre inattive                    A < 0,75

terre mediamente attive      0,75 < A < 1,25

terre attive                      A > 1,25

La consistenza del terreno è misurata dall’indice di consistenza:

I_c =  w_L – w / I_P

o dall’indice di liquidità:

I_L = ( w – w_P / I_P ) = 1 – I_c

Un sistema di classificazione rappresenta un linguaggio di comunicazione tra tecnici e costituisce un metodo sistematico per suddividere il terreno in gruppi e sottogruppi in accordo con il suo probabile comportamento. Le proprietà da usare per la classificazione devono essere indipendenti dalle condizioni di sollecitazione e da quelle ambientali; ricadono fra queste proprietà la granulometria, principalmente per le terre a grana grossa, e i limiti di Atterberg principalmente per le terre a grana fine.

Attualmente  vi sono due sistemi di classificazione usati su scala mondiale nell’ingegneria civile; si tratta principalmente del sistema di classificazione USCS riportato in Italia nelle raccomandazioni AGI e del sistema AASHTO.

Il sistema USCS è stato sviluppato da Casagrande. In questo sistema le terre a grana grossa sono classificate sulla base della granulometria, mentre quelle a grana fine sulla base delle caratteristiche di plasticità.

Le quattro maggiori suddivisioni riguardano:

1) le terre a grana grossa (ghiaie G e sabbie S);

2) le terre a grana fine (limi M e argille C);

3) le terre organiche (O);

4) la torba e altre terre altamente organiche (Pt).

Quando la percentuale di trattenuto al setaccio n. 200 ASTM (0,075 mm) è maggiore del 50% si hanno le terre a grana grossa. Nella classificazione la ghiaia come dimensioni è compresa tra 75 mm e 4,75 mm (setaccio n. 4); la sabbia tra il setaccio n. 4 (4,75 mm) e il setaccio n. 200 (0,075 mm); le sigle W e P indicano rispettivamente una granulometria ben graduata e una poco graduata. Si hanno terre a grana fine quando la percentuale di passante al vaglio n. 200 (0,075 mm) è maggiore del 50%. Si hanno limi (m) quando nel diagramma di plasticità di Casagrande il punto rappresentativo ricade sotto la retta A e argille (C) quando ricade sopra.

La linea A dividi i limi dalle argille e i materiali organici (torbe) dagli inorganici; fanno eccezione le argille e i limi organici che cadono sotto la linea A.

Si hanno terre organiche  (O) quando il rapporto  tra il limite di liquidità eseguito sul terreno essiccato in forno e il limite di liquidità sul terreno naturale è minore di 0,75.

Con il limite di liquidità inferiore a 50 si ha la lettera L, superiore la lettera H. la linea U nel diagramma di plasticità costituisce il limite superiore del limite di liquidità e dell’indice di plasticità; vicino a questa linea ricadono argille attive come la bentonite.

L’altro sistema di classificazione è quello AASHTO ideato nel 1942.