Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2004 - IARG 2004 Trento, 7-9 luglio 2004

Parlato A., d’Onofrio A., Penna A. & Santucci de Magistris F.

COMPORTAMENTO MECCANICO DELL'ARGILLA DI FIRENZE NEL SITO DELLA STAZIONE

Angelina Parlato, Anna D’Onofrio, Augusto Penna, Filippo Santucci de Magistris Università degli studi di Napoli Federico II, Dipartimento di Ingegneria Geotecnica

aparlato@unina.it, donofrio@unina.it, aupenna@unina.it, filsantu@unina.it

Sommario

Nel presente articolo si riportano i risultati ottenuti in una campagna sperimentale di laboratorio su una argilla consistente, sperimentazione effettuata su macchine triassiali di ultima generazione e su colonna risonante. Si descriveranno le particolari procedure sperimentali adottate per minimizzare il disturbo dei provini. Si confronteranno i risultati ottenuti con le due apparecchiature, e si compareranno i comportamenti tenso-deformativi riscontrati con procedure sperimentali più tradizionali.

Introduzione La compagnia “Arup” di Londra ha commissionato al Dipartimento di Ingegneria Geotecnica dell’Università di Napoli Federico II l’esecuzione di alcune prove sperimentali di laboratorio, per la realizzazione della stazione TAV di Firenze. Sono stati prelevati 6 campioni da una verticale di sondaggio, a profondità comprese tra 19.0 e 36.4 m. Il programma sperimentale prevedeva, tra l’altro, la realizzazione di prove triassiali e di prove di taglio torsionale monotone. Il committente ha richiesto l’adozione di una particolare procedura di prova (di seguito descritta) volta a minimizzare gli effetti del rigonfiamento del materiale. Si descriveranno in seguito le procedure sperimentali adoperate, il loro effetto sulla rigidezza del campione, e si confronteranno i dati ottenuti con le due apparecchiature.

Materiale

Il materiale oggetto della sperimentazione qui descritta, è un’argilla debolmente sabbiosa, omogenea, all’interno della quale si ritrovano frammenti calcarei alterati. I campioni sono stati prelevati con campionatore a pistone. Si riporta di seguito un elenco dei campioni prelevati e delle prove eseguite, unitamente ad una stima degli stati tensionali in sito.

Profondità media σσσσ v media u0

media σσσσ' v

media p' 0 media Campione

[m] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2]

Prove eseguite

1,0 19,0 379,5 121,25 258,25 223,8 ETX-CTX 2,0 25,7 513,0 188 325 281,7 MTS-CTX 3,0 30,7 614,0 238,5 375,5 325,4 CTX 4,0 31,1 622,0 242,5 379,5 328,9 MTS--ETX 5,0 33,6 672,0 267,5 404,5 350,6 MTS--CTX 6,0 34,4 688,0 275,5 412,5 357,5 7,0 36,4 728,0 295,5 432,5 374,8 CTX-ETX

Procedure Sperimentali La maggior parte delle prove triassiali, e tutte le prove torsionali sono state eseguite con le procedure sperimentali descritte nel presente paragrafo. Per una prova, invece, si è adoperato

Tabella 1. Prove eseguite: TXE=estensione triassiali, TXC= compressione triassiali, MTS= Taglio torsionale monotono.

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il più tradizionale wet setting method (procedimento di norma utilizzato nel laboratorio di geotecnica del DIG; Cavallaro et al., 2002), e per un'altra il dry setting method (Ampadu e Tatsuoka, 1993).

La procedura sperimentale generalmente usata prevede l’uso di carta da filtro asciutta (quella disposta lateralmente deve essere 2-3 mm più corta dell’altezza del provino), e l’interposizione fra base del provino e pietra porosa di stagno per saldatura particolarmente sagomato1 (vedi fig. 1). La ragione dell’utilizzo di questo sistema sta nell’evitare che il provino giunga in contatto con acqua prima di applicare il carico di confinamento, cosa che potrebbe portare ad un rigonfiamento dell’argilla. Dopo aver posizionato tutti i trasduttori, e richiusa la cella, la pressione di confinamento è stata incrementata al valore di p’0 stimato in sito (K0 �0.8) a drenaggio ancora chiuso. Questa fase si è svolta mantenendo

la tensione deviatorica q=0. A questo punto, sempre a drenaggio impedito, si è operata una misura della pressione media efficace p’1, che è risultata sempre inferiore alla pressione p’0 applicata. Quindi, fissata la back-pressure ad un valore definito, tipicamente 200kPa, la pressione di confinamento è stata modificata sì da ottenere, dopo l’apertura del circuito di drenaggio, una tensione efficace agente sul provino pari a p’1. Si noti che il valore di B di Skempton misurato in questa fase era ben al di sotto dell’unità, a causa dell’aria intrappolata tra il provino e la piastra porosa durante la fase di montaggio. Si è quindi eseguita una fase di compressione isotropa, aumentando la tensione efficace dall’iniziale p’1 al valore di p’0 stimato in sito, usando un incremento di tensione pari a 10kPa/hr nelle prove triassiali, ed a 5 kPa/hr nelle prove torsionali. Il provino è stato quindi lasciato a consolidare a p’= p’0 e q=0 fino a che la velocità di deformazione assiale sia minore dell’1% di quella applicata nella fase successiva di taglio. Si è quindi potuto procedere, a seconda della tipologia di prova, alla fase successiva. Prove Triassiali Le prove triassiali sono state eseguite in una cella automatica TXJ (Parlato e Santucci de Magistris, 2003), dotata: 1) di un motore servo-analogico e di un sistema di frizioni che lo rendono molto preciso nelle fasi di inversione di carico e di arresto; e 2) di una coppia di trasduttori locali delle deformazioni (LDT) capaci di apprezzare deformazioni dell’ordine dello 0,001%. Si sono eseguite prove di compressione e di estensione triassiale. La fase di taglio si è svolta a drenaggio impedito, mantenendo la pressione di cella costante. E’ stata imposta una velocità di deformazione hra %1.0=ε� , fino al raggiungimento di una deformazione assiale

%1=aε , per poi passare ad hra %1=ε� fino ad %15=aε . Prove di Taglio Torsionale e di Colonna Risonante Le prove di taglio torsionale in condizioni monotone e dinamiche sono state eseguite usando un’unica apparecchiatura avanzata (THOR), sviluppata presso l’Università di Napoli (d’Onofrio et al., 2000). In tale strumento, la coppia torcente è applicata da un potente motore elettromagnetico e misurata direttamente dalla cella di carico montata in testa al provino. La rotazione è misurata attraverso due coppie di trasduttori di spostamento, consentendo una misura precisa delle deformazioni in un campo da 5x10-5 % a 0.5 % su di un provino di 36 mm di diametro. Sono state eseguite una serie di RC a piccolissime deformazioni durante la fase di compressione isotropa, sì da monitorare G0 e D0 al variare della pressione di confinamento. 1 Per le prove triassiali, tale sistema si interpone anche tra testa di carico e base superiore, in virtù del doppio sistema di drenaggio presente enll’apparecchiatura utilizzata.

Figura 1. Sistema utilizzato per la sospensione del provino.

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Infine, si è eseguita la prova di taglio torsionale monotona ad incremento di tensione costante, valutata sulla base del tratto iniziale della curva tempo-tensione tangenziale τ ottenuta nelle prove triassiali, che come specificato in precedenza sono a deformazione controllata..

Risultati Sperimentali

Confronto tra procedure sperimentali In fig. 2 è riportato un grafico riepilogativo dei risultati ottenuti dalle prove in cella triassiale, in termini di q-p’ (2a) e di q-εa. (2b). Le deformazioni diagrammate sono quelle lette dagli LDT. Si nota come il provino riconsolidato con il wet setting method (curva gialla) abbia un comportamento decisamente meno rigido dei provini riconsolidati con le altre due procedure sperimentali. Il provino riconsolidato con il dry setting method (curva nera), invece, presenta una rigidezza paragonabile a quella ottenuta con procedura basata sulla sospensione su filo di stagno. Dalle prove effettuate risulta evidente l’utilità di seguire una procedura sperimentale che minimizzi il pericolo della destrutturazione. Se in termini di rigidezza queste ultime due procedure sembrano egualmente efficaci, il comportamento dei provini nel piano q-p’ rivela le carenze del sistema del filo di stagno. In questo caso infatti, non è stato possibile garantire la saturazione completa del circuito di drenaggio , difetto che ha avuto ripercussioni sulla lettura della pressione efficace. Tale problema non sussiste invece per la metodologia del dry-setting, che risulta essere, alla luce della sperimentazione effettuata la più idonea.

Confronto tra Eu ottenuto con diverse apparecchiature In fig.3 è riportato uno schema riassuntivo dell’andamento del modulo di Young non drenato (Eu) in funzione della deformazione assiale. E’ possibile così raffrontare il valore di Eu ottenuto nelle prove triassiali con quello ricavato dalle prove torsionali monotone. Il confronto si è operato nell’ipotesi di materiale omogeneo ed isotropo, per cui risulta Eu=3G. Dai risultati riportati si nota che: 1) I valori delle rigidezze misurate ricadono nello stesso intervallo, ad eccezione della prova eseguita sul campione più profondo, che presenta una rigidezza decisamente più elevata delle altre; 2) L’andamento di Eu con εa nelle prove triassiali è un po’ diverso da quello delle prove di taglio torsionale: sembra infatti che il modulo di rigidezza decada più rapidamente nelle prove torsionali che in quelle triassiali.

-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

(b)

TXC sample 01, depth=19.0m TXE sample 01, depth=19.0m TXC sample 02, depth=25.7m wet setting TXC sample 03, depth=30.7m TXE sample 04, depth=31.1m TXC sample 05, depth=33.6m dry setting TXC sample 07, depth=36.4m TXE sample 07, depth=36.4m

Tens

ione

Dev

iato

rica

, q (k

Pa)

Deformazione Assiale, εεεεa (%)

0 100 200 300 400 500 600-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

(a)

TXC sample 01, depth=19.0m TXE sample 01, depth=19.0m TXC sample 02, depth=25.7m wet setting TXC sample 03, depth=30.7m TXE sample 04, depth=31.1m TXC sample 05, depth=33.6m dry setting TXC sample 07, depth=36.4m TXE sample 07, depth=36.4m

Tens

ione

Dev

iato

rica

, q (k

Pa)

Tensione sferica efficace, p' (kPa)

Figura 2. Prove triassiali: (a) percorso delle tensioni efficaci e (b) diagramma tensioni-deformazioni.

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Conclusioni Ancora una volta si è riscontrato che il comportamento tenso-deformativo di un provino di terreno è fortemente condizionato dalle procedure sperimentali adoperate nella fase di riconsolidazione alla pressione di sito. In base alla sperimentazione effettuata, risulta che il wet setting method ha un’influenza negativa sulla rigidezza del campione a piccole deformazioni. Di contro, il sistema proposto dal committente (sospensione del provino su fil di ferro) ha dato problemi di desaturazione del circuito idraulico, con conseguente perdita di attendibilità nella misura di p’. I risultati migliori si sono ottenuti adoperando il dry setting method. I dati ottentuti dalla THOR e dalla TXJ sono stati confrontati in termini di modulo di taglio non drenato. Si nota un discreto accordo tra i risultati sperimentali.

Bibliografia

Ampadu SK, Tatsuoka F.(1993) “Effect of Setting Method on the Behaviour of Clays in Triaxial Compression from Saturation to Undrained Shear,” Soils and Foundations 33, No. 2,14–34.

Cavallaro A., Fioravante V., Lanzo, G. Lo Presti D.C.F., Rampello S., d’Onofrio A., Santucci de Magistris F., Silvestri, F. (2002) “Report on the current situation of laboratori stress-strain testing of geomaterials in Italy and its use in practice” Advanced Laboratory stress-strain testing of geomaterials, outcome of TC29 of ISSMGE from 1994 to 2001, Balkema, 15-45.

D’Onofrio A., Silvestri F., Vinale F.(2000) “A new torsional shear device” ASTM Geotechnical Testing Journal 22, No.2, 107-117

Parlato, A. e Santucci de Magistris, F. (2003) “Confronto tra una cella triassiale a stress path controllato ed un acella “TXJ””, IARG 2003.

1E-3 0.01 0.1 10

100

200

300

400

500

600

700

TXC sample01, depth=19.0m TXE sample01, depth=19.0m TXC sample02, depth=25.7m wet setting MTS sample02, depth=25.7m TXC sample03, depth=30.7m MTS sample03, depth=30.7m TXE sample04, depth=31.1m TXC sample05, depth=33.6m dry setting MTS sample05, depth=33.6m TXC sample07, depth=36.4m TXE sample07, depth=36.4m

Mod

ulo

di ta

glio

non

dre

nato

, Eu (

MP

a)

Deformazione Assiale, εεεεa (%)

Figura 3. Confronto tra il modulo di taglio non drenato ottenuto in prove triassiali e torsionali monotone