Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2004 - IARG 2004
Trento, 7-9 luglio 2004
CARATTERISTICHE DI RESISTENZA A TAGLIO DELLA
POZZOLANA NERA IN CONDIZIONI DI PARZIALE SATURAZIONE
Elisabetta Cattoni, Manuela Cecconi, Vincenzo Pane
Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale, Università di Perugia
e-mail: [email protected]
Introduzione
Da qualche anno ormai è in corso un’ampia ricerca a carattere sperimentale finalizzata a
determinare l’influenza della parziale saturazione sul comportamento meccanico e sulle
proprietà idrauliche della Pozzolana Nera romana ricostituita in laboratorio (Cattoni, 2003;
Cattoni et al., 2004). La presente nota riferisce su alcuni dei risultati sperimentali ottenuti da
prove di compressione condotte in cella triassiale, a percorsi di carico e suzione controllati,
che hanno permesso di evidenziare alcuni effetti della suzione e del grado di saturazione sulle
caratteristiche meccaniche del materiale.
Programma sperimentale
Il programma sperimentale ha previsto l’esecuzione di 8 prove triassiali a percorsi di carico e
suzione controllati, condotte con una cella idraulica del tipo Bishop & Wesley (1975). La
cella triassiale è provvista di un sistema elettronico di acquisizione dei dati e di regolazione e
controllo delle pressioni. Il sistema di applicazione dei carichi consente il controllo
indipendente delle pressioni (assiale, cella, aria, acqua), mentre il sistema di misura consente
la determinazione indipendente delle variazioni del contenuto d’acqua e delle deformazioni di
volume del provino.
Tutti i provini triassiali sono stati preparati in condizioni iniziali di completa saturazione e poi
sottoposti a differenti percorsi di carico e suzione. Tipicamente, una prova triassiale completa
è consistita in: i) una prima fase di equalizzazione, conseguente all’applicazione di una
variazione di suzione a tensione netta costante; ii) una seconda fase di compressione isotropa
a suzione costante; iii) una terza e ultima fase deviatorica, a pressione di cella e suzione
costanti. In una prova “speciale” denominata TX15, la fase di compressione isotropa a suzione
nulla ha preceduto la fase di equalizzazione. Le prove sono state condotte su provini
inizialmente saturi caratterizzati approssimativamente dallo stesso valore dell’indice dei vuoti
e dalla stessa distribuzione granulometrica iniziale (figura 1). Le caratteristiche fisiche iniziali
dei provini sono riportate in Tabella 1, insieme ai valori della suzione e pressione netta.
Cattoni, Cecconi, Pane
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limo
f.
100
m.
g.
sabbia
f.
m.
g.
# prova
ghiaia
f.
TX03REC
P (%)
TX07REC
TX12REC
60
TX10REC
40
TX11REC
TX
TX13REC
20
TX14REC
0.01
0.1
d (mm)
1
e0
Sr0
θw0
s
pnet
(kPa) (kPa)
80
0
0.001
w0
m.
TX15REC
10
Figura 1. Distribuzione granulometrica
iniziale dei provini ricostituiti di
Pozzolana Nera.
0.23
0.26
0.24
0.25
0.24
0.26
0.22
0.26
0.63
0.70
0.65
0.68
0.63
0.70
0.60
0.69
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
0.39
0.41
0.40
0.41
0.39
0.41
0.38
0.41
20
20
20
75
75
75
//
75
200
100
50
100
50
200
200
100
Tabella 1. Proprietà fisiche iniziali dei provini e
valori della suzione e della pressione
netta al termine della compressione
isotropa.
Risultati sperimentali
In figura 2 sono riportati i risultati delle fasi deviatoriche di 7 prove triassiali complete di cui
3 condotte a suzione costante s = 20 kPa e 4 a suzione s = 75 kPa. In compressione isotropa si
sono raggiunti valori della pressione netta pnet pari a 50, 100 e 200 kPa.
2500
2500
s=20 kPa
s=75 kPa
2000
1500
q (kPa)
q (kPa)
2000
TX03 pnet,0=200 kPa
TX07 pnet,0=100 kPa
TX12 pnet,0= 50 kPa
1000
1000
500
500
a)
0
0
5
10
15
c)
0
0
20
-6.0
5
10
15
20
-6.0
s=20 kPa
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
TX03 pnet,0=200 kPa
TX07 pnet,0=100 kPa
TX12 pnet,0= 50 kPa
b)
6.0
0
5
s=75 kPa
-4.0
εv (%)
εv (%)
1500
TX11 pnet,0= 50 kPa
TX10 pnet,0= 100 kPa
TX15 pnet,0= 100 kPa
TX13 pnet,0= 200 kPa
10
εs (%)
15
20
-2.0
0.0
TX11 pnet,0= 50 kPa
TX10 pnet,0= 100 kPa
TX15 pnet,0= 100 kPa
TX13 pnet,0= 200 kPa
2.0
4.0
d)
6.0
0
5
10
εs (%)
15
20
Figura 2. Prove di compressione triassiale a suzione costante s = 20 kPa e s = 75 kPa.
I risultati rappresentati in figura 2 mostrano, come atteso, che il deviatore a rottura e la
rigidezza tangente iniziale aumentano al crescere della pressione netta pnet, mentre il valore
della deformazione a cui si raggiunge il picco di resistenza è approssimativamente lo stesso
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per tutte le curve. Le deformazioni volumetriche successive alle condizioni di picco risultano
poco attendibili a causa della localizzazione delle deformazioni lungo una banda di taglio
molto ben definita; per tale motivo i dati corrispondenti a εs > 5 % sono stati intenzionalmente
omessi.
In figura 3, invece, i risultati sono rappresentati a parità di pressione netta (pnet = 50 kPa e
pnet = 100 kPa), in modo da evidenziare l’effetto della suzione. Si può osservare che il
deviatore a rottura aumenta notevolmente con la suzione applicata; tale incremento, per le
prove eseguite a pnet = 50 kPa, è pari a circa il 50 %. Dall’esame della figura 3b) si può inoltre
osservare l’effetto del percorso di carico precedente alla fase di taglio sulla resistenza del
materiale. Le due prove TX10 e TX15, infatti, sono state eseguite sottoponendo i provini agli
stessi valori di suzione s = 75 kPa e della pressione netta pnet = 100 kPa; nella prima prova,
però, la fase di incremento della suzione ha preceduto la fase di compressione isotropa,
mentre nella prova TX15 il provino inizialmente saturo è stato compresso isotropicamente e
solo successivamente desaturato, mediante l’applicazione della suzione. I risultati
rappresentati in figura 3b) mostrano che il provino sottoposto alla prova TX15 esibisce un
deviatore a rottura qmax notevolmente maggiore rispetto a quello raggiunto nel corso della
prova TX10.
1200
1200
TX12 s=75 kPa
TX11 s=20 kPa
pnet,0=50kPa
1000
q (kPa)
800
q (kPa)
TX10 s=75 kPa
TX15 s=75 kPa
TX07 s=20 kPa
1000
600
400
200
800
pnet,0=100kPa
600
400
200
a)
0
0
b)
0
5
10
15
20
0
5
10
15
20
εs (%)
εs (%)
Figura 3. Curve q-εs da prove di compressione triassiale a valori di suzione crescenti: a) pnet = 50 kPa;
b) pnet = 100 kPa.
2500
-4.0
1500
1000
e0=1.05
500
p'0,pnet,0=200 kPa
TX03 s=20 kPa
TX13 s=75 kPa
TXMC (sat)
TX14 (sat)
-2.0
0.0
εv (%)
q (kPa)
TX03 s=20 kPa
TX13 s=75 kPa
TXMC (sat)
TX14 (sat)
e0=0.6 - 0.7
2000
2.0
4.0
6.0
a)
0
p'0,pnet,0=200 kPa
b)
8.0
0
5
10
εa (%)
15
20
25
0
5
10
εa (%)
15
20
25
Figura 4. Prove di compressione triassiale a suzione costante: confronto tra provini parzialmente saturi e saturi.
La figura 4 mostra i risultati delle fasi di taglio delle prove TX03 e TX13 in termini di relazioni
q-εa e εv-εa. Nel corso di queste due prove i provini sono stati consolidati isotropicamente alla
stessa pressione netta pnet = 200 kPa, ma per valori diversi della suzione. Per un utile
confronto nello stesso diagramma vengono riportati i risultati della prova TX14 condotta su un
provino saturo insieme a quelli di un’ulteriore prova, denominata TXMC, eseguita su un
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provino saturo caratterizzato da uno stato di addensamento inferiore a quello degli altri
provini (e0 = 1.05); entrambe le prove sul materiale saturo sono state condotte ad un
medesimo valore della tensione media efficace p’ = 200 kPa.
Dall’analisi dei dati si può notare che al crescere della suzione aumentano sia il valore del
deviatore a rottura, sia la rigidezza tangente iniziale. La figura 4b) mostra altresì che al
crescere della suzione aumenta la tendenza del materiale a dilatare; la massima dilatanza
peraltro precede le condizioni di picco, contrariamente a quanto osservato per lo stesso
materiale in condizioni naturali (Cecconi & Viggiani, 2001). In condizioni di fine prova, in
corrispondenza dei valori di dilatanza nulla, invece, la suzione non sembra produrre alcun
effetto sulla resistenza del materiale; si può osservare, infatti, come tutte le curve raggiungano
pressoché lo stesso valore del deviatore al termine della prova.
La figura 5 mostra infine lo stato tensionale a rottura e nelle condizioni di fine prova in
termini di invarianti di tensione q - pnet. I risultati sperimentali nelle condizioni di picco sono
stati interpretati con un’estensione del criterio di rottura di Mohr-Coulomb ai mezzi
parzialmente saturi (Fredlund & Rahardjo, 1993). Si individuano due differenti inviluppi a
rottura per s = 20 kPa e s = 75 kPa, definiti da un angolo di attrito al picco φp ≅ 50°,
indipendente dal valore di suzione applicato, e da una coesione totale pari a 15 kPa
(s = 20 kPa) e 57 kPa (s = 75 kPa). La coesione totale, definita come la somma di un
contributo dato dalla coesione efficace, c’, propria del terreno saturo, e di un’aliquota
aggiuntiva indotta dalla suzione e denominata coesione apparente, capp = s·tanφb, risulta
interamente coincidente con quest’ultima (c’ = 0) e cresce all’aumentare della suzione. In
condizioni ultime, al contrario, la resistenza non dipende dalla suzione ed è possibile
individuare un unico inviluppo a rottura definito dai parametri di resistenza cult = 0 e
φult = 44°.
2000
h
q (kPa)
1500
eot
1000
500
s=20 kPa
s=75 kPa
q0
0
0
500
1000
pnet (kPa)
1500
2000
Figura 5. Inviluppi a rottura: condizioni di picco e a fine prova.
Bibliografia
Bishop A. W., Wesley L.D. (1975). A hydraulic triaxial apparatus for controlled stress path testing.
Geotechnique 25, n.4, pp 657-670.
Cattoni E. (2003). “Proprietà meccaniche ed idrauliche della Pozzolana Nera dell’area romana in
condizioni di parziale saturazione”. Tesi di Dottorato, Università di Perugia.
Cattoni E., Cecconi M., V. Pane (2004). “An experimental study on a partially saturated pyroclastic
soil: the Pozzolana Nera from Roma”. Second International Workshop on Unsaturated Soils, Capri,
23-25 Giugno.
Cecconi M., Viggiani GMB (2001). “Structural features and mechanical behaviour of a pyroclastic
weak rock”. Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2001; n. 25: pp. 1525-1557.
Fredlund D. G., Rahardjo (1993). “Soil mechanics for unsaturated soils”. Wiley & Sons, Toronto, 517.
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