john atkinson

geotecnica

meccanica delle terre e fondazioni

McGraw-Hill Libri Italia srl

Milano • New York • St. Louis • San Francisco • Oklahoma City • Auckland Bogotà • Caracas • Hamburg • Lisboa • London • Madrid • Montreal • New Delhi Pa­ris • San Juan • Sào Paulo • Singapore • Sydney • Tokyo • Taranto

Presentazione dell 'edizione ita liana

Prefazione

Nota sulle unità di misura

Glossario dei simboli

L 'alfa beto greco

l

l. l 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 l.

2

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

3

3.1

Introduzione all ' ingegneria geotecnica

Che cos'è l'ingegneria geotecnica? Ruolo dell'ingegneria Settori della meccanica Relazioni cost it utive P eculiarità del comportamento dei terreni Opere geotecniche Coefficienti di sicurezza Sommario

Richiami di meccanica

Int roduzione T ensioni e deformazioni Deformazione piana e simmetria assiale Meccanica del corpo rigido Analisi degli stati di tensione Analisi degli stati di deformazione Angolo d"attrito mobilitato e dilatanza Superfici di scorrimen to Sommario

Richiami sul comportamento m eccanico dei materiali

Legame tensioni-deformazioni, rigidezza e resistenza

Indice

XIII

XVII

XIX

xx XXIV

l

l 3 -l 6

9 lO 12

15

15 16 17 l 20 21 23 25 26

29

29

VI Indie<' lud in• VII -----

3.2 Scelta dci parametri di tC'nsion<' c deformazione 31 7 Prove di laboratorio 103 3.3 Relazioni costitutiYc 3-l / .1 copo della spcrimcntazion<' in laboratorio 3.-! Resistenza :r) 103

- ') Pro,·c standard specifidt<' 3.5 Elasticità :3 l· - 10-l

3.6 Pia, ticità perfetta 39 / .3 ProYc di classificazione 105

3.7 Comportamento combinato C'lasto-plastico -!2 7.:3.1 Determinazione della curva grannlometrica 105

3. Effetti ckl tempo <' della ,·clocità di deformazione ..J.(j 7.3.2 .\Iisura del contenuto d"acqua c del pC'so specifico 106

3.9 Sommario -!7 7.3.3 Determinazione dci limiti d i t\.ttcrbc'rg 106

7.-l .\Iisura del coefficiente di pcnncabilità lO 7.-1.1 P ro,·a di permeabilità a carico costante lO

4 La struttura d ella T erra 51 7.-1 .2 Prova di permeabilità a carico variabile 109

4.1 Introd uzionc 51 7.5 Principali caratteristiche delle prove meccaniche 110

• 7.6 Prova d i com12ressiQ1Je wouod iweosiaoalli' 4.2 La crosta terrestre 51 -1.3 Processi geologici 53

e consoli..Q;;!ZÌ~n.!t.,,QW~il edomet-ri~a,) 112

4.4 Stratigrafia ed età dei terreni e delle rocce 54 • 7.7 Prove d i taglio 113

-!.5 Ambiente di deposizione 56 7. Prova d i compressione t riassiale convenzionale 115

-!.6 EYenti geologici recenti 5 7.9 Cella triassale idraulica - proYe a percorso

4.7 Importanza della geologia nell"ingegneria di sollecitazione controllato 117

geotecnica 60 7.10 Alcuni commenti sulle prove d i laboratorio 120

j 7.11 Sommario 121

• 5 Classificazione d ei t erreni 63 t 8 Compr essione e rigonfiamento 129

5.1 Identificazione e classificazione 63 .l 5.2 Identificazione dC'i terr('ni 64 8.1 Int roduzione 129

5.3 Forma e dimensioni delle particelle, curva granulometrica 67 .2 Compressione e rigonfiamento isotropi llQ 5.4 Proprietà dei terreni a grana fina 69 .3 Sovraconsolidazione 133

5.5 Volume specifico, contenuto d'acqua e peso l .4 §.tati..éU.i.ni~.ta:~ e.,a de~tr~ d~lla lioea_

dell'unità di volume 70 d i stat ·i ·c 135

5.6 Limi t i di consistenza =- A tvr- G. '" • 72 .5 ompressione e rigonfimento monodimensionali 137

5.7 Stato d i addensamento e consistèi'iza 73 .6 Esperienze di laboratorio sulla compressione e il rigonfiamento 142

5.8 Origine dei terreni 75 .7 Sommario 142

5.9 Semplici esercizi pratici 76 5.10 Sommario 76 9 R esistenza dei terreni allo stato critico 147

6 Pressioni interstiziali, tensioni efficaci e condizioni 9.1 Comportamento dei terreni in prove di taglio 147 ..

di drenaggio 83 9.2 Resistenza di picco, ultima e residua 150 9.3 Stato critico 151

6.1 Introduzione 3 9.4 Resistenza non drenata 153

6.2 T ensioni nel terreno 83 9.5 -ormalizzazioni 155 6.3 Regime di falda e pressioni interstiziali 4 9.6 Resistenza dci terreni in condizioni di stato critico- prove

6.4 T ensioni efficaci 86 triassiali 157 6.5 Importanza delle tensioni efficaci 88 9.7 Relazioni t ra la resistenza misurata in prove di taglio e in prove

6.6 Influenza delle tensioni efficaci 89 triassiali 162 6.7 Variazioni di volume e condizioni di drenaggio 91 9. Semplici esperimenti per la determinazione della resistenza dei 6.8 Condizioni drenate. condizioni non drenate e consolidazione 92 terreni in condizioni di stato critico 163 6.9 Velocità di applicazione dei carichi e condizioni di drenaggio 95 9.9 La coesione nei terreni 165 6.10 Sommario ~ DAA....J, 9 9.10 St ima dei parametri di stato critico da prove di identificazione 166

./

VIII Indie<>

9.11

10

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

10.7

11

11.1 11.2 11.3 11.-l 11.5 11.6 11.7 11.8

12

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7

12.

13

13.1 13.2 13.3 13.4

9.10.1 Limiti di cou~i~l<'llZH. rc;-;i;-;tPnza 11011 drPnat a P ront<'lllliO

d "acqua 9.10.2 Comprcs~ibilith ((' o À) 9.10.3 P osiziom' ddla linre:1 el i stato critico (F ocr) 9.10.-l Angolo cl"attrito i1_1 eondizio~1i di :-;tato critico 9.10.5 RigonfianH'lll o c neomprcss10nc Sommario

Condizioni di picco

Int roduzione Criterio di resistenza di ~Iohr-Coulomb - prove di taglio Criterio di resistenza di l\Iohr-Coulomb - prove triassiali Criterio di resistenza curvilineo Condizioni di p icco e dilatanza Variazione delle condizioni di picco al variare delle condizioni iniziali Sommario

Comportamento d ei terreni prima della rottura

Introduzione Stati a destra e a inistra della retta di stato critico La superficie limite di stato . . Comportamento elastico e stati all"interno della superficie dJ stato Carico non drenato sulla superficie di stato Rapporto delle tensioni e dilatanza Comportamento rammollente e bande di taglio Sommario

Modelli di comportamento meccanico Cam clay

Introduzione Caratteristiche essenziali dei modelli della famiglia di Cam day La superficie di stato nel modello Cam day iniziale Calcolo delle deformazioni plastiche Snervamento e incrudimento Equazioni costitutive del modello Cam clay Applicazioni del modello Cam day ai p roblemi di ingegneria geotecnica Sommario

Rigidezza

Introduzione Rigidezza dei terreni c modello Cam day Rigidezza dei terreni e livello di deformazione D eformazioni del terreno in sito

l()(j

161 16 169 169 170

l 191

197

197 19 201 203 206 209 210 211

217

217 21 21 220 222 223

224 224

227

227 227 229 232

11.6

13.7 13. l

14

1·!.1 1-!.2 1-!.3 l..J:.-1 14.5

1-l.6

14.7

14.

14.9

15

15.1 15.2

15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15. 15.9

16

16.1 16.2 16.3

Indie( IX

~Ii~ura d<•lla rigid<>zza dPi tc•rrc•ni i11 prow di laboratorio Rigidrzza d<.'i t<>rreni a deformazioni piccole <' molto picTol<> 1:3.6.1 Rigidezza dci terreni a deformazion i molto p iccole 13.6.2 Rigidezza dei terreni a piccole deformazioni .\Iod<.'Jlazione numerica Sommario

Consolidazione

Processi d i consolidazion<> T eoria della consolidazione unidimensionale Isocrone Proprietà delle isocrone Soluzione della consolidazione unidim<.'nsionale con isocrone paraboliche 14.5.1 Caso t= tn <te 1-!.5.2 Caso t = tm > te Alt re soluzioni per la consolidazione unidimensionale Determinazione di c;. da prove ed ometriche 14. 7.1 :\Ietodo della radice quadrata del tempo 14. 7.2 l\Ietodo del logaritmo decimale del tempo Applicazione dei carichi con continuità e consolidazione Sommario

Invecchiamento e struttura dei terreni naturali

Caratteristiche dei terreni naturali Formazione dei terreni naturali: consolidazione e rigonfi:::t mPnto unidimensionali Invecchiamento Vibrazione e compattazione Deformazioni viscose ( CP.EEP)

Cementazione Alterazione Variazioni di salinità Sommario

Indagini

Introduzione Obiettivi delle indagini geotecniche Pianificazione e conduzione delle indagini 16.3.1 Studio a tavolino 16.3.2 Indagine preliminare

233

2:36 236 237 23 239

241

241 242 244 245

2-!7 247 249

251 252 252 253

254 256

261

261

262 265 265 266 267 269 269 270

271

271 272 274 274 274

X Indie<:>

16.-l

16.5

16.6 16.7 16.8

16.9

17

17.1

17.2 17.3 17.4 17.5

• 17.6 17.7 17.8

18

18 .1 18 .2 l .3 l .4 l .5

18 .6 18 .7

18.8 18 .9

16.3.3 Indagine> di d<'t taglio ScaYi di saggio. pc>rfornzioui <' ccunpionanwnto 16.-l.l T rine<'<' d i sap,~io 16.-1.2 P erforazioni <' ..;oudaggio 16.-1.3 Campionauwnto ProYe in sito 16.5 .1 Pron' pC'IH'tronwtrichc 16.5 .2 Prow di carico Stati del trrrm o nel sotto::;uolo Rilievo della falda c> misure di pcrmeabilità Presentazione dci risultati dell"indagine 16.8.1 Rendiconto delle operazioni 16.8.2 Relazione interpretativa Sommario

Moti di filtrazione stazionaria

Regime di falda 17 .1.1 Condizioni idrostatiche 17.1.2 Condizioni di flusso stazionario 17.1.3 Processi di consolidazione Problemi pratici di fil t razione Moti di fil t razione in regime stazionario Flusso piano attraverso una rete idrodinamica elementare Reti idrodinamiche per moti di filtrazione piana Sifonamento ed erosione Filtrazione in un mezzo poroso anisotropo Sommario

Metodi dell'analisi limite

Int roduzione I teoremi dell 'analisi limite Cinematismi di collasso compatibili Lavoro degli sforzi interni e delle forze esterne Applicazioni del t eorema dell"est remo superiore al calcolo del carico limite di una fondazione superficiale Discontinuità statiche Applicazione del teorema dell'estremo inferiore al calcolo del carico limite di una fondazione superficiale Ventagli di discontinuità cinematiche estatiche Applicazione dei teoremi dell'analisi limite al calcolo del carico limite di una fondazione superficiale utilizzando ventagli di discontinuità statiche e cinematiche 18 .9. 1 Estremo superiore ottenuto ut ilizzando un ventaglio

di discontinuità cinematiche

:21::> 275 275 275 276 277 27 279 2 o 2 2 283 283 286 286

289

2 9 2 9 2 9 290 290 292 294 296 299 301 301

305

305 306 308 310

313 315

318 321

325

326

Ind i<·<' XI

l .9.2 Estr<'mo infc>riorc> ottetwto ut ilizzando un ,·entaglio d i discontinuità st a tichC'

l .l O Sommario

19

19.1 19.2

19.3 19.-1 19.5

19.6 19.7 19.

20

20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6

20.7 20.

20.9 20.10

21

21.1 21.2 21.3

21.4

21.5 21.6

Equilibrio limite

). letodo dell"equilibrio limite Semplici soluzioni ottenute con il metodo dcll"equilibrio limite Analisi del cuneo di Coulomb Superficie di scorrimento circolare in condizioni non drenate Superficie di scorrimento circolare in condizioni drenate - metodo dei conci 19.5.1 J\Ietodo svedese 19.5.2 Il metodo di Bishop Altre applicazioni del metodo dell"equilibrio limite Considerazioni con cl usi Ye Sommario

Stabilità d ei p endii

Introduzione Tipi di frane Modifiche dello stato tensionale nei pendii Influenza della falda sulla stabilità dei pendii Scelta dei parametri di resistenza e del coefficiente di sicurezza Stabilità di un pendio indefini to 20.6 .1 Condizioni non drenate 20.6.2 Condizioni drenate in assenza di filtrazione

(pendio asciutto) 20.6.3 Condizioni drenate - Flusso stazionario Stabilità. di 1m fronte di scavo verticale Abachi di stabilità 20 .. l .. umero di stabilità in condizioni non drenate 20 .. 2 Tumero di stabilità in condizioni drenate Comportamento di scavi di piccole dimensioni Sommario

Spinta delle terre e stabilità d elle struttu re di sostegno

Introduzione T ipi di strutture di sost egno Meccanismi di collasso delle strutture di sost egno Variazioni di stato tensionale nel t erreno adiacente a una struttura di sostegno Influenza dell 'acqua sulla stabilità delle opere di sostegno Calcolo della spinta del terreno - condizioni drenate

326 327

337

337

33 3-lO 345

346 34 3-19 350 351 352

359

359 360 361 364 366 369 369

372 374 376 378 379 379 3 o 3 2

385

3 5 3 6

387

38 392 393

- - ~ ...

XII Iudic<'

21.7 2l.c

21.9 21.10

22

22.1 22.2 22.3 22.4

22.5

22.6 22.7 22.8 22.9

23

23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6

24

24.1 24.2 24.3 24.4

24.5 24.6 24.7

25

Calcolo della ~pinta d<'l tPrr<'no - - condizioni non dr<'nat<' Stabilit~t globale 21. .l P arati<' ancorate 21. ' .2 Parati<' a sbalzo 21. .3 .:duri di ~Obl<'gno a gra,·ità Scelta dei parametri di n'si~tenza e del coefficien te di ~ic·un•zza Sommario

Carico limite e cediment i delle fondazioni superficiali

Tipi di fondazioni Comportamento delle fondazioni Variazione dello stato tcnsionale in prossimità di una fondazione Carico limite delle fondazion i superficiali 22.-l. l Carico limite in condizioni non drenate 22.4.2 Carico limite in condizioni drenate Scelta dei parametri di resistenza e del coefficiente di sicurezza per le fondazioni Fondazioni superficiali su sabbia Fondazioni su suolo elastico Cediment i delle fondazion i - caso unidimensionale Sommario

Fondazioni s u p ali

Tipi di fondazioni su pali Resistenza alla punta del palo singolo Resist enza laterale del palo singolo Prove di carico su pali e formule dinamiche Carico limite di pali in gruppo Sommario

Mode lli geotecnici in centrifuga

I modelli fisici in ingegneria Criteri di similitudine e analisi dimensionale Scala dei modelli in geotecnica Scopi della modellazione fisica 24.4 .1 Studio di meccanismi di collasso 24.4.2 Validazione di analisi numeriche 24.4.3 Studi parametrici 24.4.4 Studio di casi par ticolari Centrifughe geotecniche Sistemi di controllo e strumentazione Sommario

Considerazioni conclusive

:3$H :396 :397 :39c' 399 -lO O -101

407

407 409 clll cl12 412 413

415 416 417 421 423

429

429 431 432 434 435 436

439

439 440 440 444 -144 444 445 445 445 448 44

451