Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2006 - IARG 2006
Pisa, 26 – 28 giugno 2006
UN APPARECCHIO PER PROVE DI RITENZIONE IDRICA
A SUZIONE E CARICO CONTROLLATI
Juan Carlos Rojas, Maria Claudia Zingariello, Claudio Mancuso, Filippo Vinale
Università di Napoli Federico II
[email protected] , [email protected]
Sommario
La presente comunicazione descrive un edometro a suzione controllata sviluppato presso il
Dipartimento di Ingegneria Geotecnica dell’Università di Napoli Federico II, con l’obiettivo di rendere
possibili prove di ritenzione idrica a carico netto o indice dei vuoti controllati. L’apparecchio
rappresenta un evoluzione di quello proposto in Rampino et al. (1992) e Pinto (2001). Nella nuova
configurazione l’edometro consente misure più precise delle variazioni di contenuto d’acqua attraverso
l’identificazione e la correzione delle perdite per evaporazione nel sistema di controllo della pressione
d’aria e dei volumi d’aria diffusa nel sistema di drenaggio. Nella comunicazione vengono presentati
alcuni risultati di prove condotte su campioni di terreno piroclastico, discutendo dei fattori che
influiscono sulla precisione delle misure e della loro correzione. Vengono inoltre proposti esempi di
curve di ritenzione determinate a tensione netta ed indice dei vuoti costanti.
Introduzione
Il comportamento dei terreni non saturi è governato dalla suzione, dalla tensione totale netta e
dalle condizioni di stato idro-meccanico iniziali. Per questo motivo, la determinazione della
loro curva di ritenzione idrica va eseguita tenendo debito conto dell’evoluzione delle predette
variabili nel corso delle prove. In caso contrario si può incorrere in notevoli difficoltà nello
sviluppo e nella verifica di criteri di modellazione adeguati a descrivere in modo generale il
comportamento idro-meccanico dei terreni, con conseguenti imprecisione nella previsione
quantitativa del loro comportamento lungo percorsi di carico caratterizzati da variazioni di
tensione netta e suzione (Ng & Pang, 2000).
In letteratura si ritrovano numerosi esempi di apparecchi per la determinazione della curva
di ritenzione basati sulla tecnica della traslazione degli assi e sul controllo dello stato
tensionale netto (Ng & Pang 2000, Romero 2001, Padilla et al. 2005). In tutti questi
apparecchi, il metodo di controllo della suzione adoperato determina l’insorgere di errori subsperimentali causati dalla diffusione d’aria nel sistema di drenaggio e dall’evaporazione
dell’acqua di porosità attraverso il sistema di controllo della ua. Tali errori non sono costanti e
dipendono dalla suzione: in campo internazionale è ormai chiarito che al crescere della
suzione l’evaporazione diminuisce e il flusso d’aria diffusa aumenta. Per i motivi esposti,
nella determinazione della curva di ritenzione idrica dei terreni, la corretta valutazione delle
variazioni di contenuto d’acqua non può prescindere dalla correzione degli errori subsperimentali da realizzare via via nel corso delle prove. A tale scopo, l’edometro a suzione
controllata inizialmente sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Geotecnica
dell’Università di Napoli Federico II da Rampino et al. (1992) e successivamente modificato
da Pinto (2001) è stato ulteriormente modificato, rendendo possibile il monitoraggio continuo
delle variazioni di contenuto d’acqua ed individuando procedure sperimentali per la
determinazione della curva di ritenzione idrica a carico assiale costante (TNC) o indice de
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vuoti costante (IVC) atte a correggere gli errori sub-sperimentali appena discussi.
La presente comunicazione descrive i risultati di alcune prove TNC e IVC eseguite su di
un limo con sabbia di origine piroclastica, discutendo de tassi di evaporazione e diffusione
osservati al variare della suzione di matrice.
Descrizione del apparecchio
Nella configurazione originaria, l’apparecchio in questione (Viggiani, 1970) riprendeva
l’edometro per terreni saturi progettato da Wissa e Heiberger (1969). Come precedentemente
accennato, lavori successivi hanno introdotto progressive modifiche, fino al raggiungimento
della configurazione (attuale) schematicamente descritta in Figura 1.
Figura 1. Schema dei circuiti dell’edometro nella configurazione adottata (fuori scala).
Con l’apparecchio in questione è possibile realizzare prove a carico controllato (CRL) agendo
sull’avanzamento di una pressa a controllo digitale e misurando in retroazione il carico
applicato sulla faccia superiore del provino (mediante una cella Wykeham & Farrance con
fondo scala di 50 kN). La misura delle deformazioni assiali indotte avviene mediante un
LVDT. La suzione di matrice viene imposta con la tecnica della traslazione degli assi. La
pressione dell’aria (ua) e quella dell’acqua (uw) vengono applicate rispettivamente alla faccia
superiore ed a quella inferiore del provino. La configurazione attuale consente prove su
campioni con sezione traversale di 5000 mm2 ed altezza di 25 mm.
Il sistema di misura dei volumi d’acqua scambiati dai provini consiste in una due coppia
burette a doppia parete (una per la misura ed una di riferimento) collegate ad un trasduttore
differenziale di pressione. Una pietra porosa ad elevato valore d’ingresso d’aria (HAEV, da 5
bar) inserita in un incavo realizzato nella base d’appoggio del provino e sigillata lungo il
bordo con resina epossidica bi-componente, protegge il circuito di drenaggio dall’infiltrazione
di aria. L’eliminazione dell’aria eventualmente diffusa attraverso la pietra HAEV avviene
facendo circolare l’acqua presente nel circuito di drenaggio (per 10 minuti, ogni 24 ore)
attraverso un circuito idraulico che la preleva dalla buretta di misura, la fa passare sotto la
piastra HAEV e chiude sulla buretta di misura stessa: eventuali bolle d’aria vengono così
rimosse dalla base dell’edometro, trascinate nella buretta di misura ed eliminate attraverso
un’interfaccia libera acqua-aria. La prevalenza piezometrica necessaria alla circolazione
dell’acqua viene fornita da una piccola pompa peristaltica.
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Misure e correzione degli errori sub-sperimentali
Per effetto del suo essiccamento preventivo, l’aria nel circuito di controllo della ua presenta ha
una pressione di vapore minore di quella nei pori del terreno. Il gradiente di umidità genera la
continua evaporazione dell’acqua di porosità e, per effetto della tendenza del provino ad
equalizzare la suzione imposta al contorno, determina assorbimento d’acqua dal circuito di
drenaggio e la riduzione del livello d’acqua nella buretta di misura. Ciò è chiaramente
mostrato dalla curva “s = 100 kPa (non corretta)” in Figura 2.
In maniera diametralmente opposta, l’eventuale diffusione d’aria attraverso la piastra
HAEV genera un volume addizionale nel sistema di drenaggio, determinando un aumento
continuo del livello d’acqua nella buretta di misura.
Con l’apparecchiatura brevemente descritta nel paragrafo precedente, entrambe le quantità
sopra indicate sono misurabili e sono rispettivamente rappresentate dalla pendenza costante
dei tratti terminali delle curve variazione di volume d’acqua-tempo registrate dalla buretta di
misura e dall’eventuale cambio di livello misurato dopo l’attivazione del sistema di spurgo
delle bolle d’aria diffusa. I cerchi riportati in Figura 2 sulla curva “s = 400 kPa (non corretta)”
mostrano appunto i cambiamenti di livello registrati sperimentalmente. La Figura 3 mostra le
variazioni dei tassi di evaporazione e diffusione misurati al variare della suzione di matrice in
una prova condotta a carico assiale costante [(σa – ua) = 100 kPa].
Figura 2. Variazione del volume d’acqua nelle fasi di equalizzazione del ciclo d’essiccamento (TNC = 100 kPa).
Il computo dei volumi d’aria diffusa e dell’acqua evaporata permette di correggere i dati ed
evidenzia in modo inequivocabile il termine delle varie fasi di equalizzazione realizzate in
prove per la determinazione della curva di ritenzione (curve a tratto spesso in Figura 2).
Figura 3. Variazione di evaporazione e diffusione registrate nelle prove a TNC = 100 kPa.
I risultati ottenuti mostrano che il sistema ideato per la misura delle variazione di contenuto
d’acqua permette di valutare accuratamente le perdite per evaporazione ed i volumi d’aria
scambiati per diffusione.
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Esempi di curve di ritenzione
La Figura 4 mostra i risultati ottenuti in prove di ritenzione idrica a carico assiale costante
(TNC). In perfetto accordo con quanto evidenziato dalla letteratura, le curve evidenziano che
al crescere del carico assiale aumenta il valore di suzione d’ingresso d’aria e si riduce
l’isteresi idraulica (Figura 4). Si segnala come la prova a carico assiale costante di 10 kPa
possa essere considerata come rappresentativa del comportamento idro-meccanico in
condizioni di espansione assiale libera, individuando così un’ulteriore modalità di prova resa
possibile dall’apparecchiatura sviluppata.
Figura 4. Curve di ritenzione idrica ottenuta con la procedura sperimentale a Carico Assiale Costante.
Le curve ottenute in prove ad indice di vuoti costante (IVC) sono riportati in Figura 5. Misure
qui non riportate per brevità hanno evidenziato come, per effetto della condizione di porosità
costante imposta, il carico assiale vari nel corso delle prove. Le curve di Figura 5 evidenziano
che il valore d’ingresso d’aria e l’isteresi aumentano al ridursi il carico assiale iniziale.
Figura 5. Curve di ritenzione idrica ottenuta con la procedura sperimentale a Indice di Vuoti Costante.
Bibliografia
Ng, C.W.W. & Pang, Y.W. 2000. Influence of stress state on soil-water characteristics and slope
stability. Journal of Geotechnical and Geo-environmental engieneering, ASCE, vol. 126, No.2.
Pinto (2001), Comportamento meccanico di una sabbia limosa ed argillosa costipata parzialmente
satura”, Tesi di Laurea, Dipartimento de Ingegneria Geotecnica, Università degli Studi di Napoli
Federico II.
Rampino, C, Mancuso, C., Vinale, F. 1999. Laboratory testing on saturates soil: equipment,
procedures and first experimental result”. Canadian Geotechnical Journal, vol. 36, pp. 1-12.
Romero, E, Lloret, A. Gens, A. 1995. Development of a new suction and temperature controlled
oedometer cell. Atti del 1th Int. Conference on Unsaturated Soils, Paris, vol. 2, pp. 553-559.
Viggiani C. 1970. Consolidazione delle argille sotto l’azione di carichi gradualmente crescenti. CNR,
Gruppo di Ricerca su Terreni e Strutture, Napoli.
Rojas, Zingariello, Mancuso, Vinale
