6. capitolo 4

Giacomo Tancetti – Tesi di Laurea

62

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

63

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)


65

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.


67

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)


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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


70

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.

http://it.wikipedia.org/wiki/Trasduttore

http://it.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetismo

http://it.wikipedia.org/wiki/Permeabilit%C3%A0_magnetica

http://it.wikipedia.org/wiki/Accoppiamento_(elettrotecnica)


71

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


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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;


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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


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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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Figura 4-3: Modulo di confezionamento dei provini


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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.


83

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

6. capitolo 4

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