Pillole di geotecnica: le condizioni drenate e non drenate dei terreni

21/03/2017 19363
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Estratto dalla Sezione: Comportamento idraulico > Analisi drenata e non drenata:
 
Condizioni drenate e non drenate
I moti di filtrazione all’interno dei terreni sono innescati da una differenza di carico idraulico ΔH. In accordo con quanto enunciato dalla legge di Darcy la velocità di filtrazione, oltre che dal tirante idraulico, dipende anche dal coefficiente di conducibilità idraulica k che, a sua volta, varia in funzione del mezzo considerato. Nel caso dei terreni, il comune campo di variazione di k è molto ampio, spaziando dal valore di 10-2 m/s per le ghiaie fino a 10-10 m/s per le argille omogenee.
Come enunciato dalla legge di Bernoulli, variazioni del carico idraulico possono avere origine sia da una differenza di quota del pelo libero dell’acqua che da una differenza di pressione (nell’ambito della Meccanica delle Terre il terzo termine cinetico è generalmente trascurato alla luce delle modeste velocità di filtrazione).
Riferendosi al contributo pressorio, nei terreni è frequente riscontrare valori di pressione interstiziale superiori o inferiori rispetto alla distribuzione idrostatica; tali pressioni in eccesso (o in difetto) vengono chiamate sovrappressioni interstiziali e sono generate usualmente dall’applicazione di sollecitazioni al terreno, con conseguente incremento delle tensioni totali e successiva variazione di volume.
 
 
In un terreno saturo poiché il volume occupato dai grani resta costante, la variazione di volume del terreno è pari al volume di acqua espulsa. L’espulsione dell’acqua contenuta nei pori è un fenomeno transitorio e l’intervallo di tempo con il quale essa si sviluppa completamente dipende principalmente dal coefficiente di permeabilità k e dalla velocità di applicazione del carico.
Considerando i grani solidi incompressibili, le variazioni di volume del terreno sono dovute essenzialmente alla riorganizzazione spaziale delle particelle e alla conseguente variazione del volume dei vuoti.
 
Se, per particolari condizioni, all’acqua è impedito di fuoriuscire dal volume di terreno considerato, si assiste alla generazione di pressioni interstiziali in eccesso rispetto alla condizione iniziale. È questo il caso in cui si parla di condizione non drenata,cioè la condizione in cui un elemento di volume del terreno non scambia acqua con l’esterno. In condizioni di totale saturazione, le variazioni di volume sono identicamente nulle.
Viceversa, nel caso in cui il drenaggio sia ammesso, sono ammesse variazioni di volume e le pressioni interstiziali rimangono costanti. In questo caso l’incremento di tensione totale si trasferisce interamente alla fase solida. La condizione drenata è infatti la condizione in cui, per ogni punto del volume di terreno, la variazione delle tensioni efficaci coincide con la variazione delle tensioni totali.
Generalmente si assume che le condizioni drenate siano associabili a situazioni di carico nel lungo termine o per terreni grana grossa (elevata conducibilità idraulica) mentre quelle non drenate a situazioni di breve termine in terre a grana fine (conducibilità idraulica mediocre).
Tuttavia, come già accennato, il verificarsi di una o dell’altra condizione non dipende solo dalla permeabilità del terreno, ma anche dalla velocità di applicazione del carico: è possibile infatti che pur in terreni granulari, l’applicazione di carichi di natura impulsiva possa indurre condizioni non drenate. Per approfondire il concetto si consideri un volume di terreno sabbioso saturo sottoposto a una sollecitazione ciclica (e.g. sisma) tale da non permettere il drenaggio dell’acqua interstiziale (e quindi di dissipazione delle sovrappressioni) in relazione alla velocità di filtrazione del mezzo. In tale condizione si assiste allo sviluppo di sovrappressioni interstiziali che, a seconda della loro entità, possono comportare l’annullamento delle tensioni efficaci con conseguente fluidificazione del terreno (fenomeno di liquefazione dinamica).
 
Letture consigliate
The mechanics of soils, J.H. Atkinson, P.L. Bransby. McGraw-Hill (1978)
Fondamenti di geotecnica, R. Berardi. Città Studi Edizioni (2013)

    

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