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Prove edometriche
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Giacomo Tancetti – Tesi di Laurea
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4. Prove di compressione edometrica
4.1. Concetti di base
La prova di compressione edometrica permette la determinazione delle
caratteristiche di compressibilità nonchè l'analisi del fenomeno della
consolidazione di un terreno. Le condizioni edometriche sono caratterizzate
da carichi verticali uniformemente distribuiti ed assenza di deformazioni
laterali che impongono quindi un processo di consolidazione
monodimensionale. Operativamente ciò consente la valutazione delle
deformazioni volumetriche e dell'indice dei vuoti (e) dalla misura del
cedimento verticale. Le condizioni edometriche trovano riscontro in molti
depositi naturali di origine sedimentaria che si sono formati nel corso della
storia per successive deposizioni di strati, in modo che ciascuno sia compresso
dal peso degli strati sovrastanti.
La prova edometrica è di solito utilizzata per terreni a grana fina come
le argille poiché in questi terreni si verifica il fenomeno della consolidazione.
Naturalmente, le prove edometriche sono condotte anche sui terreni a grana
grossa al fine di studiarne le caratteristiche di compressibilità.
Per effetto dell’incremento di tensioni efficaci, il terreno subisce
deformazioni volumetriche ( ) le quali, non essendo possibili deformazioni
orizzontali, sono eguali alle deformazioni verticali ( ), ovvero:
Cap.4 - Prove di compressione edometrica
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con:
- : variazione di volume
- : variazione di altezza
- : volume iniziale
- : altezza iniziale
Facendo riferimento all'indice dei vuoti, grandezza molto utilizzata in
meccanica dei terreni:
con:
- : variazione dell'indice dei vuoti
- : indice dei vuoti iniziale
L'andamento tipico della curva di compressibilità e della curva di
consolidazione è riportato rispettivamente in Figura 4-1 e Figura 4-2.
Figura 4-1: curva di compressibilità tipo
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Figura 4-2: curva di consolidazione tipo
I parametri di compressibilità primaria di maggiore importanza del
terreno sono l’indice di compressibilità CC e l’indice di rigonfiamento CS; il
primo è definito come il rapporto tra la variazione dell’indice dei vuoti e
l’incremento di carico che ha prodotto tale variazione, in condizioni di normal
compressione, cioè la pendenza della retta di compressione vergine, il
secondo indice rappresenta allo stesso modo la pendenza del ramo di
rigonfiamento ed è dato dallo stesso rapporto soprascritto ma calcolato nel
ramo di scarico.
(nel ramo di compressione)
(nel ramo di scarico)
Cap.4 - Prove di compressione edometrica
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4.2. L'apparecchiatura di prova
Nei prossimi paragrafi viene descritta l'attrezzatura utilizzata nella
sperimentazione presso il Laboratorio di Geotecnica del DICA presso la Facoltà
di Ingegneria dell'Università di Perugia.
4.2.1. La cella edometrica
Le celle edometriche in dotazione al Laboratorio di Geotecnica del Dica
sono del tipo ad anello fisso e sono in grado di ospitare provini di diametro
50.5 mm (Figura 4-4) o provini di diametro 71.4 mm (Figura 4-5). Gli
elementi che compongono una cella tipo sono:
Testa di carico (capitello): dotata di grande rigidezza, applica i
carichi in maniera uniforme sulla faccia superiore del provino.
E' dotata di incavo per l'incasso della pietra porosa nel modello
da diametro 71.4 mm oppure è piatta ed appoggia sulla pietra
porosa nel modello da diametro 50.5 mm.
Pietre porose: sono in carburo di silicio e sono tali da resistere
ad elevati sforzi di compressione (dell'ordine di 15 MPa) senza
inflettersi, ma si spezzano per esigui momenti flettenti applicati.
La permeabilità è dell'ordine di .
Carta da filtro: per evitare che le particelle di terreno intasino le
pietre porose si frappongono dei dischi dello stesso diametro
delle pietre porose fra provino e campione di terreno. La
permeabilità della carta da filtro deve essere maggiore di
e deve mantenersi inalterata anche dopo la prolungata
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permanenza in acqua. La carta utilizzata è del tipo FILTROS
ANOIA S.A. Barcelona e le caratteristiche fisiche sono riportate
in Figura 4-3.
Figura 4-3: specifiche tecniche della carta da filtro (Catalogo Filter Lab)
Semi-scatola superiore: adibita a vincolare l'anello portaprovino
solidalmente alla sottostante cella, è dotata di tre fori per
l'alloggiamento delle viti.
Semi-scatola inferiore: contiene la pietra porosa inferiore e su
di essa appoggia l'anello portaprovino. Viene collegata dalle tre
viti alla semi-scatola inferiore.
Cilindro in plexiglass: è collegato alla semi-scatola inferiore e la
giunzione è resa impermeabile da un o-ring di tenuta. Mantiene
l'acqua nella cella in modi da ricoprire completamente il provino
di terreno.E' dotato di fori di drenaggio.
Anello portaprovino: su di esso si alloggia il provino di terreno
da sottoporre a compressione edometrica che viene confinato
superiormente ed inferiormente dalle due pietre porose. E'
realizzato in acciaio inox e di diametro 50.5 mm o 71.4 mm.
Cap.4 - Prove di compressione edometrica
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Figura 4-4: cella edometrica per provini di diametro 50.5 mm
Figura 4-5: cella edometrica per provini di diametro 71.4 mm
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4.2.2. Il telaio di carico
Lo strumento è composto da una rigida struttura in lega di alluminio
che sopporta la base di appoggio della cella. La leva è montata su speciali
cuscinetti auto-allineati ed ha tre posizioni corrispondenti ad un rapporto di
leva pari a 9:1, 10:1, 11:1. La leva e l'asta porta-pesi sono bilanciate da un
contrappeso regolabile montato posteriormente allo strumento. L'asta porta-
pesi ha due piatti, dei quali quello superiore è dimensionato e posizionato in
modo da accogliere i pesi di piccole dimensioni. Un robusto telaio è in grado di
trasmettere il carico dato dal braccio di leva alla testa della cella edometrica e
al provino. Una regolazione a vite appositamente predisposta sulla traversa
del telaio di carico permette di posizionare e azzerare il comparatore o il
trasduttore per la misura dei cedimenti. Un volantino a vite, montato sulla
parte frontale dello strumento sotto il braccio di leva, permette di sostenere il
braccio stesso, quando si aggiungono i pesi prima che il carico gravi sul
provino.
Dati tecnici
- Struttura: lega di alluminio
- Rapporti di leva: 9:1, 10:1, 11:1
- Carico massimo: 1848 kg
- Pressione massima: 9061 kN/m2 (92.40 kg/cm) con il
provino da 20 cm2 (50.47 mm di diametro)
Cap.4 - Prove di compressione edometrica
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Il banco edometrico, composto da strumenti a carico frontale, è dotato
di appositi pesi asolati (Figura 4-8):
Figura 4-8: pesi asolati in dotazione al banco edometrico, Laboratorio di
Geotecnica DICA
Figura 4-6: edometro a carico frontale,
Laboratorio di Geotecnica DICA
Figura 4-7: banco edometrico,
Laboratorio di Geotecnica DICA
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4.2.3. I trasduttori di spostamento
La misura dei cedimenti (spostamenti verticali) del provino sottoposto
a carico in condizioni edometriche viene effettuata mediante un trasduttore
elettronico lineare di spostamento fissato con un braccio alla base del telaio di
carico. Il trasduttore montato sull'edometro del Laboratorio di Geotecnica del
DICA (Figura 4-9) è del tipo LVDT (Linear Variable Displacement Transducer),
detto anche trasduttore di spostamento induttivo. Il trasduttore è realizzato
mediante un tubo composto da tre avvolgimenti disposti con assi paralleli e
con all'interno un nucleo cilindrico ferromagnetico mobile, normalmente
caratterizzato da un'alta permeabilità magnetica (Figura 4-10).
L'avvolgimento centrale è detto primario e gli altri due secondari: quello
primario è collegato ad un generatore di tensione AC, ai capi dei secondari
invece si misura la tensione d'uscita. Quando il nucleo è al centro, la tensione
indotta sugli avvolgimenti secondari, essendo questi avvolti in senso discorde
è uguale ma opposta, di modo che il segnale di tensione misurato sia
praticamente nullo. Allo spostarsi del nucleo, invece, le mutue induttanze
cambiano, e a seconda che si sposti a sinistra o a destra risulterà maggiore
l'accoppiamento induttivo con il secondario rispettivamente di sinistra o
destra. Di conseguenza il segnale in uscita varierà proporzionalmente allo
spostamento del nucleo.
Cap.4 - Prove di compressione edometrica
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Figura 4-9: trasduttore di spostamento montato sull'apposito braccio del telaio
di carico dell'edometro
Figura 4-10: schema di trasduttore LVDT
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4.2.4. Il sistema di acquisizione
Il sistema di acquisizione comprende una centralina di acquisizione DSI
ad otto canali (Figura 4-11) collegata ad un'unità di alimentazione e
conversione seriale denominata SPS (Figura 4-12) a sua volta collegata ad un
pc per l'acquisizione dei dati.
La centralina DSI è un completo sistema di acquisizione e
condizionamento di segnali ad otto canali in grado di gestire un segnale di
trigger. Il DSI presenta sul pannello anteriore tutti i connettori per il
collegamento ai sensori, il pulsante di trigger e tre LED di segnalazione
mentre sul pannello posteriore sono posti due connettori D9 per il
collegamento alla rete. Ogni unità DSI è composta dalle seguenti componenti:
Scheda di condizionamento NCB: è in grado di condizionare otto
sensori. Se opportunamente configurata può essere usata per
acquisire segnali provenienti da: LVT in AC, LVDT in DC,
potenziometri, segnali di tensione o corrente, celle di carico e
trasduttori di pressione a ponte estensimetrico, trasduttori
induttivi, resistivi. Lo scopo della scheda di condizionamento
NCB è quello di processare il segnale dei sensori fornendo in
uscita un valore di tensione amplificato, filtrato e sommato ad
un opportuno offset positivo o negativo.
Scheda di acquisizione e serializzazione dei dati ASB: è basata
su un microcontrollore e incorpora i seguenti componenti:
memoria non volatile EPROM per il mantenimento dei dati di
configurazione, sistema di conversione A/D a 16 bit completo di
S/H e MUX, driver per il collegamento in rete RS485, canali
Cap.4 - Prove di compressione edometrica
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digitali di uscita per i led, canale di ingresso per il pulsante
trigger.
Figura 4-11: centralina di acquisizione. Figura 4-12: interfaccia A/D.
Il sistema di acquisizione del Laboratorio di Geotecnica del DICA è
stato organizzato in modo da ospitare nei canali 4 ed 8 i due trasduttori di
spostamento relativi alle celle edometriche mentre agli altri ingressi sono
collegati i trasduttori di spostamento relativi alle scatole di taglio
4.2.5. Il software di acquisizione
Il programma di controllo per la centralina di acquisizione DSI è
denominato ASBNET. Il programma consente di controllare
contemporaneamente fino ad otto centraline e di gestire procedure di
acquisizione sia per canali indipendenti che per gruppi di canali. Le centraline
dono identificate da un numero a due cifre detti ID. I dati che derivano
dall'acquisizione vengono creati in un'opportuna directory specificata nella
configurazione e sono salvati in formato ASCII. L'interfaccia utente,
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all'apertura, si presenta come in Figura 4-13. Le fasi per l'acquisizione dei dati
in ambiente ASBNET sono descritte nei punti seguenti.
Accensione scheda di acquisizione e serializzazione dei dati.
Per accedere al menu principale è necessaria la pressione del
tasto ALT più una delle lettere evidenziate nella barra superiore.
A questo punto è possibile scegliere l'opzione desiderata
scorrendo col cursore della tastiera oppure più rapidamente
digitando le lettere evidenziate. Per abilitare il sistema di
acquisizione è necessaria la pressione del tasto F5 della tastiera
del pc (Figura 4-13);
Attivazione dell'acquisizione non uniforme (Figura 4-14);
Compilazione della finestra di dialogo di acquisizione (Figura 4-
15) con i seguenti dati desiderati:
ID: impostare sempre il valore 01, corrispondente alla
scheda d’interfaccia A/D;
CANALE: immettere il numero del trasduttore
corrispondente (4 = EDO1, 8 = EDO2);
NOME FILE: immettere il nome che si darà al file *.txt che
conterrà le osservazioni; nel corso della presente
sperimentazione si è adottato lo schema EDO_[ ].txt (ad
es. EDO_15);
Appare quindi una finestra di dialogo in cui e possibile
immettere come commento in varie righe tutti i dati
relativi alla prova (Figura 4-16);
SEQUENZA: si apre una sottofinestra in cui si sceglie il tipo
di sequenza temporale che si utilizzerà;
Cap.4 - Prove di compressione edometrica
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NUM. LETTURE: è un valore che si aggiorna
automaticamente a seconda della sequenza scelta e
corrisponde al numero di posizioni della sequenza;
PARTENZA: si apre una sottofinestra in cui scegliere se
partire immediatamente con le letture (Immediata) o
tramite il pulsante della centralina (Pulsante + ritardo è la
modalità che si è utilizzata);
CARICO: è una riga di commento dove viene indicato il
valore della pressione relativa allo step di carico da
registrare;
ULTIMO: il sistema propone da default l’opzione N che si
conferma. L'opzione S fa si che il sistema non rimanga in
attesa alla fine della sequenza di letture ma comporta la
cancellazione del contenuto del file di testo delle
registrazioni.
Figura 4-13: Interfaccia utente ASBNET: prima schermata
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Figura 4-14: Interfaccia utente ASBNET: selezione del tipo di acquisizione
Figura 4-15: Interfaccia utente ASBNET: finestra di dialogo di acquisizione
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Figura 4-16: Interfaccia utente ASBNET: finestra dei dati generali prova
4.3. Il confezionamento dei provini
Nella sperimentazione condotta in questo lavoro sono stati realizzati, in
base alla procedura di preparazione, due tipi di provini:
provini di Pozzolana Nera ricostituita in laboratorio;
provini di Pozzolana Nera stabilizzata al 10% di calce.
In entrambi i casi il materiale frantumato è setacciato, in modo da
selezionare solo il passante al setaccio di apertura delle maglie di 1 mm, e
quindi essiccato in forno a 105 °C per almeno 24 ore in modo da eliminare
tutta l'umidità. Prima della preparazione del provino il materiale viene tolto
dal forno e lasciato raffreddare fino alla temperatura ambiente per non far sì
che il calore provochi l'evaporazione di parte dell'acqua inserita
successivamente. Nel caso di provini di Pozzolana Nera ( ) stabilizzata, dopo
il raffreddamento segue la miscelazione del 10% in peso di calce viva ( ),
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avendo cura di amalgamare il tutto eliminando grumi e zone con prevalenza
di concentrazione di calce.
La fase successiva prevede l'inserimento dell'acqua nella quantità del
20% in peso di nel caso della preparazione di provini di Pozzolana Nera
ricostituita in laboratorio, e nella quantità del 20% in peso di per
provini di Pozzolana Nera stabilizzata a calce. L'impasto così ottenuto viene
messo all'interno di un anello edometrico lubrificato con un sottile strato di
grasso per diminuire l'attrito anello-terreno durante la prova. Ogni anello è
identificato da un numero, e ne è nota la tara. Il compattamento viene
effettuato utilizzando un martello in gomma come massa battente ed un
costipatore metallico (Figura 4-17). L'azione di costipamento ed il numero di
strati variano in base al valore dell'indice dei vuoti che si vuole ottenere nel
provino. E' necessaria particolare attenzione nel mantenere l'anello a contatto
con il piano su cui poggia durante il compattamento poiché l'eventuale
sollevamento può causare distacchi lenticolari nel materiale costipato.
Figura 4-1: Costipatori per anelli di diverso diametro e massa battente
Cap.4 - Prove di compressione edometrica
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Appena terminato il compattamento il provino viene immediatamente
imballato in carta trasparente e chiuso da elastici per evitare ulteriore
evaporazione di acqua e ad esso viene applicata un'etichetta (Figura 4-18)
che raccoglie le informazioni essenziali: numero identificativo dell'anello, data
di confezionamento del provino, peso lordo, altezza del provino, tara
dell'anello.
Figura 4-2: Provino di PN stabilizzata a calce imballato con relativa etichetta
Oltre all'etichetta è stato compilato un foglio di report sul
confezionamento del provino (Figura 4-19) dove sono riportate le seguenti
informazioni:
data di confezionamento del provino;
proporzioni dei materiali usati per il confezionamento;
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quantità dei materiali usati per il confezionamento del/i provini
realizzati;
numero di identificazione anello edometrico;
diametro dell'anello edometrico;
tara dell'anello edometrico;
peso lordo del provino;
letture effettuate con calibro dell'altezza del provino: nel caso
di provini che non riempiano completamente l'anello in altezza,
sono state effettuate 4 letture diametrali dell'altezza del
costipatore inserito nell'anello;
altezza media del costipatore rimasto scoperto;
altezza del provino.
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4.4. L'esecuzione della prova
Il test inizia con la pesata pre-prova (Plordo,mat); si montano quindi tutti i
componenti così da assemblare la cella edometrica contenente il provino da
testare e la si alloggia sul relativo piatto della struttura inferiore del telaio di
carico.
L’operazione successiva consiste nel sistemare il telaio in acciaio inox
che collega il banco edometrico con la cella edometrica effettuando le
regolazioni (tramite le relative viti) di azzeramento del peso a vuoto del
braccio di leva (fermandolo con una vite) che deve essere più in alto della sua
posizione orizzontale così che, sotto l’effetto dei carichi che saranno applicati,
possa ruotare verso il basso senza arrivare a fine corsa sul vitone di
bloccaggio.
In seguito si avvicina il trasduttore verticalmente sopra il corrente
superiore del telaio in acciaio inox e lo si alloggia in modo da avere una buona
corsa del pistoncino in entrambe le direzioni verticali e poter registrare gli
spostamenti nel corso della prova.
Si effettuano i settaggi nell’interfaccia che comanda le letture
dall’elaboratore tramite la centralina A/D e si posizionano i pesi relativamente
al primo incremento di carico e si fa partire la prova agendo sul pulsante di
partenza della centralina che attende 10 secondi prima di effettuare la prima
lettura in modo da consentire all'operatore di avvicinarsi al vitone di sblocco
del braccio e svitarlo più velocemente possibile dopo la prima acquisizione per
applicare il carico in maniera più istantanea possibile.
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4.4.1. La sequenza delle letture
Gli intervalli temporali di applicazione del carico sono stati modificati
rispetto a quelli previsti dalla procedura standard di prova edometrica (24
ore).
La durata temporale dello step di carico (intervalli di 1 ora) e dello
step di scarico (intervalli di 30 minuti) discende da osservazioni svoltesi negli
anni precedenti eseguite sullo stesso materiale (sia ricostituito che stabilizzato
a calce, sia a diverse condizioni fisiche iniziali) dalle quali si evince, data la
sua elevata permeabilità, il completo sviluppo del processo di consolidazione
primaria (t100). Anzi, dall'analisi delle curve di consolidazione, si nota che la
maggior parte del cedimento è scontata dopo pochi secondi dall'applicazione
del carico.
La sequenza temporale è di tipo logaritmico ed è espressa in minuti,
costruita con le prime 10 letture di applicazione del carico (1 lettura al
secondo) e le successive con sequenza 6, 9, 15, 30, 60, 120, …, 3600 s (o
1800 sec nella sequenza da 30 minuti). Nel software di gestione delle letture
ASBNET installato sul calcolatore elettronico del Laboratorio, si è reso
necessario editare la sequenza logaritmica creando le PN+CaO_1h,
PN+CaO_30min e PN+CaO_14h (utilizzata per le sequenza di carico iniziate a
tarda serata e terminate il mattino successivo) con la seguente procedura:
dal menù generale del software selezionare il menù a tendina
Acquisizione digitando Alt + A, quindi l’ultima voce Editor
Sequenze;
nella finestra che compare denominata Sequenze di
Acquisizione, organizzata in forma di tabella, immettere:
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la sequenza da modificare scegliendola dal menù a tendina
Sequenza;
la Nuova Descrizione ad essa associata;
in ogni cella (numerata per posizioni successive) il valore
del tempo, in secondi, tra la lettura attuale e la
precedente;
Figura 4-20: Sequenza di acquisizione per step di carico di 1 ora
Figura 4-4: Sequenza di acquisizione per step di scarico di 30 minuti