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La costruzione dei rilevati stradali: suscettività all’acqua delle terre

Dagli errori di classificazione delle terre per uso stradale dovuti a una misurazione non corretta del limite liquido possono scaturire sovrastime o sottostime delle prestazioni

La costruzione di rilevati stradali

Il comportamento dei terreni in presenza di acqua viene generalmente definito attraverso la valutazione dei limiti di Atterberg (Limite Liquido LL, Limite Plastico LP, Limite di Ritiro LR).

Il presente studio si propone di evidenziare gli errori di classificazione cui possono essere soggetti i terreni per uso stradale a causa di una misurazione non corretta del loro Limite Liquido, considerato che, da una tale evenienza, può scaturire una sovrastima o sottostima delle loro attitudini di impiego (UNI 11531-1).

A tale scopo, si sono analizzate due distinte procedure sperimentali (UNI EN ISO 17892-12): la procedura classica, basata sull’impiego del cucchiaio di Casagrande (Figura 1A sotto) e quella, più recente, del penetrometro a cono (Figura 1B sotto).

Un ulteriore contributo fornito dal presente studio è stato quello di individuare una correlazione analitica tra i risultati forniti dai due suddetti metodi di prova per alcune tipologie di terreno. A tal fine, si sono presi in esame 29 campioni provenienti da due regioni limitrofe del Sud Italia, ossia la Basilicata e la Campania.

I risultati ottenuti evidenziano che lo scostamento tra le due procedure aumenta al crescere del Limite Liquido. In particolare, per valori inferiori al 45%, risulta mediamente del 2÷3% mentre, per valori superiori al 45% risulta pari a circa il 6÷7%.

Tali scostamenti, per quanto contenuti, in alcuni casi influenzano la determinazione della classe di appartenenza della terra ai sensi della UNI 11531-1 e ciò può indurre a una errata individuazione della qualità del materiale.

  • acqua
    1A Il cucchiaio di Casagrande
    1A. Il cucchiaio di Casagrande
  • acqua
    1B Il penetrometro a cono
    1B. Il penetrometro a cono

Il comportamento delle terre potenzialmente utilizzabili nel campo delle costruzioni stradali dipende da molti fattori tra i quali la composizione granulometrica e il contenuto d’acqua.

A seconda del contenuto d’acqua, il terreno può trovarsi in diversi stati fisici caratterizzati da consistenza solida, semisolida, plastica e liquida. Come noto, il contenuto d’acqua in corrispondenza del quale un terreno passa dallo stato liquido a quello plastico è chiamato Limite Liquido (LL), mentre quello in corrispondenza del quale un terreno cessa di essere plastico quando viene ulteriormente essiccato è chiamato Limite Plastico (LP).

L’Indice di Plasticità (IP) è la differenza numerica tra il Limite Liquido e il Limite Plastico. Il Limite Liquido e il Limite Plastico (più il Limite di Ritiro-LR) sono universalmente noti come limiti di Atterberg [1].

Per la valutazione del Limite Liquido si possono utilizzare due approcci (entrambi normati dalla UNI EN ISO 17892-12), ossia il metodo basato sull’impiego del cucchiaio di Casagrande e quello basato sull’impiego del penetrometro a cono.

Il metodo del penetrometro a cono è meno sensibile ai fattori soggettivi rispetto a quello di Casagrande per cui, come noto [2 e 3], la coerenza dei risultati non è in genere soddisfacente per tutti i tipi di terreni.

Ciò potrebbe erroneamente giustificare l’impiego di materiale non idoneo ad essere utilizzato come sottofondo e/o rilevato stradale con inevitabile insorgenza di problematiche strutturali e/o funzionali nel breve/medio periodo.

L’area di studio e l’ubicazione dei punti di prelievo

I 29 campioni di terreno studiati provengono da due regioni limitrofe del Sud Italia, ossia dalla zona meridionale della Campania (Vallo di Diano e Cilento nelle provincie di Salerno e Avellino) e da alcune zone della Basilicata, nella provincia di Potenza (Figura 2).

Per effettuare i prelievi, in alcuni casi, si è proceduto all’escavazione con mezzi manuali, mentre in altri casi, si è operato con mezzi meccanici all’interno di cantieri di lavori stradali ed edili. In Figura 3 si riportano le coordinate geografiche dei punti di prelievo dei campioni.

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    2 La localizzazione del campionamento
    2. La localizzazione dei punti di campionamento
  • acqua
    3 I punti di prelievo dei campioni
    3. Le coordinate geografiche dei punti di prelievo dei campioni

La classificazione delle terre e le prove di laboratorio

La classificazione delle terre è stata effettuata secondo la UNI 11531-1 e, per ognuno dei 29 campioni (Figura 3) sono stati determinati il passante granulometrico ai setacci 2, 0,4 e 0,063 mm, il contenuto d’acqua (UNI EN ISO 17892-1), l’Indice di gruppo, i limiti di Atterberg (Limite Liquido e Limite Plastico) e l’Indice di Plasticità.

Ogni singola determinazione è stata ottenuta ripetendo la prova su quattro distinti provini (caratterizzati da quattro diversi valori del contenuto d’acqua) nell’intervallo 15÷25 mm per il penetrometro a cono, e nell’intervallo 15÷40 colpi per il cucchiaio di Casagrande.

I risultati e le relative considerazioni

I risultati delle prove su tutti i 29 campioni analizzati, espressi in termini di Limite Liquido (LLCas e LLcono), Limite Plastico (LP) e Indice di Plasticità (IPCas = LLCas – LP e IPcono = LLcono – LP) sono riportati in Figura 4.

Tali risultati evidenziano che il Limite Liquido calcolato con il metodo del penetrometro a cono risulta sempre più elevato di quello calcolato con il metodo classico di Casagrande e che la loro differenza D oscilla da un minimo di 0,12 punti percentuali per il campione 2 a un massimo di 10,30 punti percentuali per il campione 20.

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4. I risultati di laboratorio

Un andamento approssimativamente crescente tra LLcono e D è evidenziato dal grafico di Figura 5 sotto. Si osserva che il valore di D risulta pari al 3,1% quando il Limite Liquido è compreso fra il 30% e il 45% circa e, mediamente, aumenta al 6,4% quando i valori del Limite Liquido risultano superiori al 45%.

Sulla base dei risultati ottenuti si è proceduto alla classificazione dei 29 campioni di terreno secondo la UNI 11531-1. I dati indispensabili per eseguire tale classificazione sono (per ogni singolo campione): il Limite Liquido e l’Indice di Plasticità (Figura 4), l’Indice di gruppo Ig e l’assortimento granulometrico (ovvero il passante ai setacci 2, 0,4 e 0,063).

Poiché il Limite Liquido varia a seconda della procedura con cui viene determinato (Figura 4), la classificazione è stata effettuata facendo riferimento ai risultati ottenuti con entrambi i metodi utilizzati.

Dalla Figura 6 si evince che i primi 15 campioni di terreno rientrano nella categoria delle terre limo-argillose, contraddistinte da un passante al setaccio 0,063 > 35%. La loro capacità portante, come terreno di sottofondo, varia da mediocre a scadente.

Per valutare l’attitudine o meno di ognuno dei primi 15 campioni analizzati a svolgere specifiche funzioni nel campo delle costruzioni stradali, occorre far riferimento ai criteri di impiego contenuti nella UNI 11531-1.

Per la realizzazione di rilevati stradali possono essere utilizzati, in ordine di priorità, i suoli dei gruppi A1, A3 se necessario confinato, A2-4, A2-5 e A4 con un valore di Indice di gruppo pari a 0.

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5. La correlazione grafica tra D e LLcono

Ciò vuol dire che, nel caso in esame, solo alcuni dei primi 15 campioni esaminati (ossia il numero 1 e il numero 9) possono essere direttamente impiegati per la costruzione di rilevati stradali.

Per i rimanenti terreni si può valutare una possibilità di impiego solo a valle di opportuni trattamenti di stabilizzazione granulometrica, trattamento con leganti, stabilizzazione a calce e/o cemento, ecc..

Per quanto riguarda, invece, i successivi 14 campioni (dal numero 16 al numero 29), la classificazione effettuata (Figura 6) ne evidenzia la natura prevalentemente granulare e la buona qualità complessiva dal punto di vista geotecnico. Essi ricadono tutti nella categoria delle terre ghiaio-sabbiose, contraddistinte, cioè, da un passante al setaccio 0,063 ≤ 35% e, in particolare, nelle classi A2-4, A2-5, A2-6 e A2-7 (ghiaie o sabbie limose o argillose).

Il basso valore dell’Indice di gruppo (nullo nei casi in esame) indica che questi terreni sono caratterizzati da un buon comportamento meccanico e, quindi, anche da una buona portanza come terreno di sottofondo nel campo delle costruzioni stradali.

Si osserva che, a seconda della procedura utilizzata per la determinazione del Limite Liquido, il gruppo attribuito ad un determinato terreno può anche essere differente. Nel presente studio tale situazione si verifica in 15 casi sul totale dei 29 campioni presi in esame (Figura 6).

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6. La classificazione delle terre secondo la UNI 11531-1.
(*) Classificazione riferita a LLCas e IPCas e (**) classificazione riferita a LLcono e IPcono

In generale, la classificazione effettuata con il penetrometro a cono, rispetto a quella eseguita con il cucchiaio di Casagrande, restituisce sempre un terreno di qualità inferiore per quanto attiene le possibilità di impiego in ambito stradale e dunque, in generale, l’approccio di prova basato sull’impiego del cucchiaio di Casagrande può risultare potenzialmente dannoso ai fini della resistenza e/o durabilità del corpo stradale.

Tale considerazione scaturisce dall’osservazione che l’indice di plasticità IPcono risulta sempre maggiore del corrispondente IPCas (Figura 4). Si può dunque affermare che i risultati ottenuti con il penetrometro a cono, oltre che essere più attendibili in termini di ripetibilità in quanto meno sensibili ai fattori soggettivi come la sensibilità dell’operatore che esegue materialmente la prova, risultano essere anche più cautelativi.

Il cucchiaio di Casagrande, infatti, fornendo valori inferiori rispetto al Limite Liquido potrebbe, in alcuni casi, sovrastimare la qualità del terreno.

A valle di questo risultato, al fine di fornire un ulteriore contributo, con riferimento ai valori del Limite Liquido ottenuti con il cucchiaio di Casagrande e con il penetrometro a cono (Figura 4), si è operata una regressione lineare dei risultati sperimentali in modo tale da definire una loro eventuale correlazione analitica. La relazione ottenuta è la seguente:

caratterizzata da un valore del coefficiente di correlazione R2 (Figura 7).

La (1) è stata dunque confrontata con alcune relazioni disponibili in letteratura [4], tra cui quelle riferite ai seguenti studi:

Il confronto nel piano cartesiano LLCas – LLcono tra la relazione (1) e le (2÷7) conferma la bontà del risultato ottenuto (Figura 8). Si osserva che il range di variazione di LLCas è compreso tra un valore minimo di 27,97% e un valore massimo di 73,16%, in accordo con i valori sperimentali (Figura 4).

La bontà del risultato appare ancora più evidente se il medesimo confronto viene sviluppato numericamente (Figura 10) calcolando i valori di scostamento Δ1 e Δ2 tra la retta di regressione proposta (1) e quelle (1÷7) fornite dai diversi studi presi in considerazione.

Si evince che il massimo scostamento risulta pari a 10,90% e che tale scostamento si ottiene rispetto alla retta (2) di Sherwood & Ryley. Il valore minimo (in modulo) risulta invece pari a 0,96% e si ottiene rispetto alla retta (5) di Belviso et al.

La Figura 9 sotto evidenzia gli scostamenti in tutto il range di variazione di LLCas compreso tra 27,97 e 73,16%. Si può osservare che la relazione sperimentale (1) è “prossima” alle relazioni (5), (6) e (7), mentre si discosta maggiormente (anche se con deviazioni contenute) rispetto alle relazioni (2), (3) e (4).

I valori sperimentali
7. I valori sperimentali e la retta di regressione

Infatti, il valore assoluto dell’errore relativo medio (Ē) è inferiore al 4% per le relazioni (5), (6) e (7), mentre è inferiore all’11,79% per le relazioni (2), (3) e (4) (Figura 10 sotto).

In definitiva, i risultati ottenuti confermano la coerenza con quanto ottenuto negli studi presi come riferimento e la maggiore affidabilità del penetrometro a cono rispetto al cucchiaio di Casagrande nel calcolo del Limite Liquido delle terre.

Difatti, tale procedura, oltre che essere più attendibile, risulta anche più cautelativa nella fase di classificazione e di impiego delle terre in ambito stradale.

L’impiego del penetrometro a cono per la determinazione del Limite Liquido consente dunque di evitare pericolose sottostime delle caratteristiche funzionali/strutturali delle terre e un loro uso inappropriato come rilevati e/o sottofondi.

Le rette di regressione
8. Il confronto grafico tra le rette di regressione

Conclusioni

La suscettività all’acqua è un aspetto da cui dipende l’attitudine delle terre ad essere utilizzate nel campo delle costruzioni stradali in qualità di corpo del rilevato e/o di sottofondo. Tale attitudine si evince dalla classe che può essere attribuita alla terra stessa ai sensi della UNI 11531-1 che dipende, a sua volta, dai Limiti di Atterberg (Limite Liquido LL, Limite Plastico LP).

Considerato che l’appartenenza a una classe piuttosto che a un’altra può comportare una sovrastima delle proprietà fisiche, meccaniche e/o funzionali delle terre con conseguenti errori progettuali dovuti a un loro utilizzo improprio come rilevati o sottofondi, il presente studio descrive i risultati di una campagna di prove sperimentali finalizzate alla classificazione di 29 campioni di terreno il cui Limite Liquido è stato ottenuto applicando due distinte procedure di laboratorio, ossia quella del cucchiaio di Casagrande e quella del penetrometro a cono (UNI EN ISO 17892-12).

I risultati ottenuti hanno evidenziato che i valori del Limite Liquido determinati con il metodo di Casagrande e con il metodo del penetrometro a cono sono generalmente diversi per lo stesso campione di terreno.

L’andamento degli scostamenti
9. L’andamento degli scostamenti Δ1 e Δ2

La loro differenza risulta minima quando il Limite Liquido è compreso fra il 30% e il 45% circa e, mediamente, aumenta sempre quando i valori del limite liquido risultano superiori al 45% e, in ogni caso, si riscontrano valori più elevati nei test eseguiti con il penetrometro a cono.

L’aspetto importante che scaturisce dall’analisi dei risultati è che il penetrometro a cono, oltre a essere più attendibile in quanto meno vincolato a fattori soggettivi, risulta essere anche più cautelativo.

Il cucchiaio di Casagrande attribuisce, infatti, al terreno un valore di suscettività all’acqua minore e ciò può causare una erronea attribuzione di classe e, quindi, una erronea attribuzione di caratteristiche fisiche e funzionali con conseguente uso improprio dello stesso nell’ambito delle costruzioni stradali ed inevitabili problemi in termini di efficacia e durabilità. Si evidenzia che, nel presente studio, tale situazione si verifica in 15 casi sul totale dei 29 campioni presi in esame.

Ciò giustifica pienamente l’impiego del penetrometro a cono anche se i risultati ottenuti dalle due metodologie di prova hanno evidenziato una correlazione lineare che risulta essere coerente con gli studi disponibili in letteratura scientifica.

Il confronto tra rette
10. Il confronto analitico tra rette di regressione.
– NR = Numero Relazione;
– D1 = 31,28 – LLcono (min);
– D2 = 80,14 – LLcono (max);
– E1 = 100 × D1/31,28;
– E2 = 100 × D2/80,14;
– Ē = |(E1+E2)|/2

Bibliografia

[1]. A. Atterberg – “Lerornas förhållande till vatten, deras plasticitetsgränser och plasticitetsgrader”, K. Lantbr Akad. Handl.Tidskr. 1911; 50 (2): 132-158.

[2]. I. Littleton, M. Farmilo – “Some observations on liquid limit values with reference to penetration and Casagrande tests”, Ground Eng. 1977, 10(4): 39-40.

[3]. P.T. Sherwood, M.D. Ryley – “An investigation of a cone-penetrometer method for the determination of the liquid limit”, Géotechnique, 1970, 202(2): 203-208, Doi: https://doi.org/10.1680/geot.1970.20.2.203.

[4]. W. Dragoni, N. Prosperini, G. Vinti – “Some observations on the procedures for the determination of the liquid limit: an application on pliopleistocenic clayey soils from Umbria region (Italy)”, Ital. J. Eng. Geol. Environ, 2008, (1): 185-197.

[5]. M. Budhu – “The effect of clay content on liquid limit from fall cone and the British cup device”, Geotech Test J. 1985, 8(2): 91-95.

[6]. R. Belviso, S. Ciampoli, V. Cotecchia, A. Federico – “Use of the cone penetrometer to determine consistency limits”, Ground Eng. 1985, 18(5): 21-22.

[7]. L.R. Sampson, F. Netterberg – “The cone penetration index: A simple new soil index test to replace the plasticity index”, In publications committee of XI ICSMFE, Eleventh International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 12-16 August 1985, San Francisco (USA), Rotterdam (The Netherlands), AA Balkema, 1985, 1041-1048.

[8]. Y. Wasti – “Liquid and plastic limits as determined from the fall cone and Casagrande methods”, Geotech. Test J. 1987, 10(1): 26-30, http://www.costruzioninasoni.it/scavi-e-movimento-terra.html, 1987.

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