Finalità del corso

L’ingegneria geotecnica studia il comportamento meccanico dei terreni e affronta, con gli strumenti della meccanica, i numerosi problemi applicativi nei quali è importante conoscere la risposta del terreno alle sollecitazioni prodotte dalle opere o dalle modificazioni ambientali realizzate dall’uomo (fondazioni superficiali e profonde, scavi superficiali e opere di sostegno, scavi profondi e gallerie, infrastrutture viarie, terrazzamenti e interventi di stabilizzazione dei pendii, fenomeni di subsidenza,…).

Il corso si pone l’obiettivo di fornire gli elementi di base della meccanica dei terreni e insieme quello di far conoscere le procedure che si utilizzano per affrontare e risolvere alcuni dei più importanti problemi applicativi prima citati.

La conoscenza degli aspetti problematici e delle procedure di analisi consentirà all’ingegnere Edile-Architetto di progettare, realizzare e conservare opere, strutture e infrastrutture tenendo nel dovuto conto i problemi geotecnici ed insieme gli consentirà di interagire, con semplicità e competenza, con gli specialisti del settore.

Rapporti con altri insegnamenti

Per seguire con profitto le lezioni è indispensabile aver acquisito gli strumenti di base della meccanica del continuo forniti nel corso di Scienza delle Costruzioni. Il corso interagisce con il corso di Tecnica delle Costruzioni nell’esame di tutti i problemi che implicano l’interazione tra strutture e terreno: così come, nelle analisi semplificate, l’analisi strutturale svolta nel corso di Tecnica delle Costruzioni, fornisce le azioni che devono essere applicate al terreno per conoscerne la risposta, così l’analisi della risposta del terreno alle azioni esterne svolta nel corso di Fondamenti di geotecnica, fornisce spostamenti e vincoli che le fondazioni impongono alle strutture in elevazione.

Il corso si propone anche di fornire contributi integrativi ai corsi di composizione architettonica e a quelli di progettazione territoriale, con gli studi tipologici di scavi superficiali e fondazioni, con l’analisi dei problemi dei centri storici in territori instabili, con l’esame delle condizioni di stabilità dei pendii e con quello delle infrastrutture che attraversano aree interessate da movimenti franosi, con la presentazione dei problemi di subsidenza di grandi aree urbanizzate.

Brevi cenni dello sviluppo della disciplina

Primi elementi di geotecnica sono espressi già nell’antichità: nei trattati di Vitruvio si trovano alcune indicazioni sulle tipologie di fondazione e sulle risposte di alcuni terreni. La geotecnica nasce allora con una impostazione sostanzialmente empirica: le esperienze positive e le disavventure registrate nelle fondazioni degli edifici vengono scritte e tramandate perché se ne possa tener conto nella successiva progettazione.

Un grosso impulso agli studi di geotecnica, come a quelli di molte altre discipline, si ha molti anni dopo durante l’Illuminismo e poi nell’ottocento quando si provò ad affrontare con la modellazione matematica una serie di problemi applicativi. Gli studi di Coulomb e Rankine sulla spinta che i terreni esercitano sulle opere di sostegno, gli studi di D’Arcy sulla filtrazione, quelli di Boussinesq per l’analisi dello stato tensionale in un semispazio elastico forniscono importanti contributi ancor oggi utilizzati.

La nascita della geotecnica moderna è però ancora successiva e può essere datata al 1936 quando Karl Terzaghi formulò una importante legge sperimentale che, riconoscendo la natura multifase del terreno, attribuì alla tensioni residenti nella fase solida un ruolo fondamentale nell’analisi del comportamento del terreno (“Principio delle tensioni efficaci”). Con la formulazione di questa legge, Terzaghi riuscì ad inquadrare tutti i contributi forniti precedentemente in un sistema coerente e razionale che costituisce l’ossatura di base della geotecnica dei nostri giorni.

In analogia con altre discipline che studiano le costruzioni, nella geotecnica  sono presenti diversi filoni: la geotecnica empirica e sperimentale, quella teorica, quella degli aspetti realizzativi e tecnologici.

A differenza delle altre discipline, le caratteristiche meccaniche dei materiali non possono essere fissate dal progettista, che al contrario deve avere gli strumenti per valutarle nel terreno interessato dal suo intervento. Aspetto peculiare dell’ingegneria geotecnica è  dunque la particolare importanza della geotecnica sperimentale, quella che studia nelle prove in sito e in laboratorio il comportamento dei terreni.

Programma del corso

Di seguito sono presentati i titoli degli argomenti trattati nel corso. Il primo capitolo è dedicato alla descrizione della composizione dei terreni, alla definizione delle grandezze fisiche necessarie per caratterizzarlo, alle descrizione delle più comuni classificazioni. Nel  secondo capitolo vengono definiti gli strumenti della meccanica che possono essere utilizzati per lo studio del comportamento dei terreni. Il terzo e il nono capitolo sono dedicati alla geotecnica sperimentale, alla descrizione delle prove in sito e in laboratorio che consentono di definire le caratteristiche meccaniche dei terreni, alla descrizione dei più comuni comportamenti osservati. Dal quarto all’ottavo capitolo, vengono presentati gli elementi di base della soluzione di semplici problemi applicativi riguardanti la filtrazione e la consolidazione, gli scavi superficiali e le opere di sostegno, le fondazioni superficiali e profonde, l’analisi della stabilità dei pendii.

1. NATURA E COSTITUZIONE DEI TERRENI

Origine dei terreni, ambiente di deposizione, mineralogia

            Costituzione e struttura dei terreni

            Proprietà intrinseche e proprietà di stato 

            Sistemi di classificazione: analisi granulometrica, limiti di Atterberg

2. MODELLAZIONE DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DEL TERRENO

2.1 Elementi di Meccanica del Continuo per mezzi plurifase

Stati di tensione e deformazione in un continuo (richiami)

            Tensioni totali - Pressioni neutre

            Il principio delle tensioni efficaci

            Condizioni drenate e non drenate

            Rappresentazione degli stati di tensione e deformazione mediante cerchi di Mohr (richiami)

Rappresentazione dell’evoluzione degli stati di tensione e deformazione

Condizioni di equilibrio di un continuo tridimensionale

Calcolo delle tensioni in condizioni litostatiche - capillarità

2.2 Modelli costitutivi

            Richiami al modello di mezzo elastico

            Applicazioni del modello elastico a un continuo plurifase : il terreno nel suo complesso come mezzo elastico, lo scheletro solido come mezzo elastico

            Il modello di mezzo plastico perfetto (criteri di rottura)

            Applicazioni del modello plastico perfetto a un continuo plurifase : il terreno nel suo complesso come mezzo plastico, lo scheletro solido come mezzo plastico

3. DETERMINAZIONE IN LABORATORIO DEI PARAMETRI dei Modelli

Le attrezzature di laboratorio

Il campionamento

Compressibilità dei terreni a grana grossa e a grana fina

            Compressibilità dei depositi naturali

            Deformabilità e resistenza a rottura dei terreni a grana grossa e a grana fina

4.  PERMEABILITà, MOTI DI FILTRAZIONE e consolidazione

Richiami di idraulica: Carico idraulico e quota piezometrica, condizioni idrostatiche e idrodinamiche

Permeabilità, legge di d’Arcy, moti di filtrazione in regime stazionario e transitorio

Teoria della consolidazione monodimensionale

5. OPERE DI SOSTEGNO

Condizioni di equilibrio limite - Teoria delle spinte (Rankine e Coulomb)

Muri di sostegno

Paratie a sbalzo

6. FONDAZIONI SUPERFICIALI

Tipologie e aspetti tecnologici

Analisi delle condizioni di stabilità

Tensioni indotte dai carichi superficiali

Calcolo dei cedimenti

Interazione terreno-struttura (cenni)

Danno indotto dai cedimenti differenziali

7. FONDAZIONI PROFONDE

Tipologie e aspetti tecnologici

Analisi delle condizioni di stabilità

8. CENNI ALL’ ANALISI DI STABILITà DEI PENDII

Metodi dell’equilibrio limite : stabilità di un pendio indefinito

            Criteri di intervento di stabilizzazione

9.         INDAGINI IN SITO

Sondaggi e prelievo di campioni

            Prove in sito : prove penetrometriche, prove scissometriche

            Misure in sito : spostamenti, pressioni interstiziali