PROVE DINAMICHE E CICLICHE DI LABORATORIO SU TERRENI

Nel campo della sperimentazione della dinamica dei terreni, le attrezzature di laboratorio di ultima generazione consentono di controllare con grande precisone le fasi di prova e di acquisire ed elaborare grandi quantità di dati. Sono disponibili, inoltre, svariate tecnologie innovative per la misura delle deformazioni e delle tensioni per potere imporre al campione deformazioni e percorsi tensionali molto prossimi a quelli reali.

Prove dinamiche e cicliche di laboratorio

Le prove dinamiche e cicliche di laboratorio possono essere distinte, in base alle modalità di applicazione delle sollecitazioni dinamiche, in:

• prove a livelli deformativi bassi e medi:
• Colonna Risonante (RC),
• Taglio Torsionale Ciclico (TTC),
• Bender Element (BE)
• prove a livelli deformativi elevati:
• Prove Triassiali Cicliche (TXC),
• Taglio Semplice Ciclico (TC),
• Torsione Ciclica (TS).

A livelli deformativi bassi e medi le frequenze di applicazione dei carichi sono comprese fra 1Hz e 100Hz pertanto le forze d’inerzia non sono trascurabili. A livelli deformativi elevati le frequenze sono comprese fra 0.01 e 1Hz generando quindi forze d’inerzia trascurabili.

E’ da considerare inoltre che i terreni tendono a cambiare volume in caso di elevate deformazioni di taglio. In condizioni drenate ciò comporta effettive variazioni di volume mentre, in condizioni non drenate, si generano variazioni delle pressioni interstiziali, e quindi della pressione efficace agente sul provino, con una diretta conseguenza sulle sue caratteristiche di resistenza meccanica. Le attrezzature utilizzate devono avere la capacità di misurare con precisione qualsiasi variazione delle pressioni neutre o di volume.

Per la Prova di Colonna Risonante (RC secondo ASTM D4015), il cui scopo è quello di determinare le leggi di decadimento della rigidezza e di incremento del fattore di smorzamento, si utilizza un provino cilindrico di terreno consolidato isotropicamente vincolato alla base e sollecitato all’estremità libera mediante l’applicazione di un momento torcente ciclico a frequenze crescenti. Si determinano in questo modo:

• Frequenza di risonanza
• Velocità delle onde di taglio Vs
• Modulo di taglio G
• Deformazione di taglio γ
• Rapporto di smorzamento D

I carichi, applicati in successione di valore crescente a mezzo di attuatori elettromagnetici, sono variabili con legge sinusoidale e frequenze elevate. E’ in tal modo possibile raggiungere le condizioni di risonanza per l’insieme costituito dal provino di terreno e dal sistema utilizzato per l’applicazione dei carichi. Durante la prova si misurano la frequenza di risonanza, la deformazione angolare indotta nel provino , le variazioni di volume e delle pressioni neutre. Dalla frequenza di risonanza è possibile determinare la velocità di propagazione delle onde di taglio Vs e quindi il modulo di taglio Gs. Dalla misura delle deformazioni angolari del provino si ricava la deformazione tangenziale γ. Infine il rapporto di smorzamento D si determina con metodo “half power method” o con metodo “free decay method”.

Nelle prove di Taglio Torsionale Ciclico (TTC) i provini cilindrici sono sollecitati in condizioni di taglio semplice sovrapponendo ad uno stato di tensione efficace isotropo una coppia torcente variabile nel tempo con legge periodica a frequenza costante e predeterminata, ripetendo più serie di cicli con ampiezze via via crescenti. Le prove consentono di misurare la rigidezza a piccole e medie deformazioni e le leggi di decadimento del modulo di taglio e del rapporto di smorzamento. Spesso tra ogni serie di cicli è interposta una fase di consolidazione. Dall’interpretazione dei risultati ottenuti con i vari cicli di scarico e ricarico, a mezzo dei relativi parametri equivalenti di rigidezza al taglio (Gs), del fattore di smorzamento (D), e della deformazione tangenziale γ si interpreta il comportamento dinamico del campione di terreno sottoposto a prova.

La Prova Triassiale Ciclica (TXC secondo ASTM D5311) eseguita in condizioni di carico controllato viene utilizzata per lo studio di problemi di liquefazione dei terreni granulari saturi, essendo possibile determinare la resistenza ultima del terreno dopo un predeterminato numero di cicli. La prova consente anche di valutare l’influenza del livello di deformazione sui moduli dinamici, sullo smorzamento e sulla resistenza al taglio di terreni coesivi.

Le TXC sono le prove dinamiche più diffuse per la misura delle proprietà dinamiche dei terreni ad alti livelli deformativi.

Dal punto di vista geotecnico durante un sisma si possono individuare aree con due principali categorie di comportamento per le quali, a mezzo delle indagini geotecniche è possibile definire le caratteristiche del terreno in condizioni naturali prima del sisma stesso:

1. aree stabili: per effetto di particolari condizioni geomorfologiche e geotecniche, le caratteristiche sismiche superficiali differiscono da quelle del substrato roccioso generando così effetti di sito che possono indurre uno smorzamento o una amplificazione delle diverse componenti dell’onda sismica. In tali aree è in generale sufficiente limitarsi a definire il comportamento dinamico del terreno nel campo delle basse e medie deformazioni ossia in condizioni a lontane dalla rottura. La prova di Colonna Risonante (RC) e di Taglio Torsionale Ciclico (TTC) risultano pertanto sufficienti per lo studio del comportamento del terreno in condizioni sismiche.
2. aree potenzialmente instabili: costituite da terreni liquefacibili, pendii franosi, depositi argillosi soffici ecc.. A seguito delle sollecitazioni sismiche si possono generare effetti locali quali collassi, scivolamenti o cedimenti del terreno incompatibili con la stabilità delle sovrastanti strutture. In tali aree è necessario caratterizzare il terreno in condizioni ultime di resistenza e analizzare il comportamento post-sismico, poichè molti fenomeni di instabilità, come quelli legati alla dissipazione delle pressioni interstiziali, si verificano dopo il sisma. Per indagare il comportamento in condizioni ultime, cioè a rottura alle prove diColonna Risonante (RC) e diTaglio Torsionale Ciclico (TTC) occorre associare le Prove Triassiali Cicliche (TXC).

Le prove cicliche e dinamiche di laboratorio sono un valido strumento per esaminare il comportamento sforzi-deformazioni del terreno in condizioni di carico simili a quelle indotte dal terremoto se associate alla definizione dello scenario sismico e ad una previsione del moto atteso