La prova di permeabilità in cella edometrica è finalizzata alla determinazione del coefficiente di permeabilità K per via diretta a carico idraulico variabile nel corso della prova edometrica. Tale tipologia di prova può essere eseguita su campioni di terreno costituiti prevalentemente da limi ed argille (approfondisci qui), la cui permeabilità sia maggiore a 10-6 – 10-7 m/s.
Configurazione avanzata della cella edometrica
In questa sperimentazione, si impiega una cella edometrica con una configurazione leggermente diversa rispetto al modello convenzionale, poiché presenta un ingresso pratico all’interno della cella stessa (Fig. 1). Questo ingresso è connesso alla pietra porosa di base, consentendo l’inserimento di una buretta esterna. Inoltre, la cella è dotata di un anello di tenuta a guarnizione o-ring, posizionato esternamente tra la pietra porosa e la piastra superiore di centraggio del campione in esame. Vi è anche un foro di uscita superiore che assicura il controllo e il mantenimento del livello idraulico (Fig.1 e 2).
Questa configurazione particolare della cella edometrica è essenziale per garantire la precisione delle misurazioni e la stabilità dell’ambiente di prova durante l’esecuzione. L’ingresso pratico consente la facile manipolazione della cella, mentre l’anello di tenuta o-ring contribuisce a prevenire perdite indesiderate di fluido. Il foro di uscita superiore è fondamentale per mantenere il corretto livello idraulico all’interno della cella, garantendo condizioni ideali per le analisi edometriche.
Uso delle Burette per Controllo Idraulico
L’equipaggiamento è ulteriormente completato mediante l’aggiunta di una o più burette, la cui sezione trasversale varia solitamente da 0.05 a 5 cm2, consentendo un’escursione idraulica dell’ordine di 50 cm (Fig.3). Queste burette sono dotate di una scala millimetrata graduata in lunghezza e non in volume, con incrementi crescenti dalla base verso l’alto.
Le burette vengono posizionate in modo verticale e connesse alla cella edometrica attraverso un tubicino trasparente e un rubinetto, garantendo un preciso controllo dell’apporto idraulico. Questa configurazione assicura una regolazione accurata del battente idraulico durante gli esperimenti, contribuendo così alla rilevazione precisa dei dati geotecnici e all’ottenimento di risultati scientifici affidabili.
Preparazione della cella edometrica
La procedura di preparazione della cella edometrica prima dell’inserimento del campione presenta alcune differenze rispetto al metodo convenzionale.
Di seguito, illustriamo i passaggi chiave per questa fase critica:
1. Regolazione della buretta graduata: Iniziamo regolando accuratamente la posizione della buretta graduata in modo che la lettura di zero coincida esattamente con il livello del foro di scarico nella cella.
2. Riempimento e flusso d’acqua: Successivamente, procediamo a riempire la buretta con acqua distillata e aprire il rubinetto di collegamento. Questo consente al fluido di defluire verso la pietra porosa inferiore, posizionata all’interno della cella edometrica.
3. Saturazione completa del circuito: È di fondamentale importanza prestare estrema attenzione affinché l’intero circuito sia completamente saturo. La presenza di bolle d’aria può influenzare negativamente il corretto svolgimento della prova.
4. Livellamento e rimozione dell’acqua in eccesso: Successivamente, ripristiniamo il livello d’acqua nella buretta al valore desiderato, quindi chiudiamo il rubinetto. Eventuale eccesso di acqua nella pietra porosa inferiore deve essere attentamente rimosso.
Fase 1 – Compressione edometrica
Una volta completata la preparazione della cella edometrica, si procederà con l’applicazione dei gradini di carico, come specificato nelle procedure standard (Fig.4). La precisione e l’attenzione ai dettagli in questa fase preliminare sono fondamentali per ottenere risultati affidabili nelle analisi geotecniche condotte con la cella edometrica.
Ogni fase di applicazione dei gradini di carico comporta la possibilità di misurare il coefficiente di permeabilità a prestabiliti carichi di consolidazione, purché sia stata previamente accertata la conclusione del processo. La rilevanza di questa misurazione risiede nell’evitare interferenze del gradiente idraulico generato durante il processo di consolidazione, pertanto il rubinetto di collegamento tra la buretta e la cella edometrica dovrà essere chiuso. Si ritiene necessario evidenziare che la prima fase “compressione edometrica”, propedeutica alla vera e propria misurazione della permeabilità, sarà considerata conclusa dopo 24 ore o dopo l’assestamento del cedimento del provino sottoposto al carico verticale.
Fase 2 – Prova di permeabilità diretta
La procedura per l’esecuzione della prova di permeabilità è la seguente:
1. Carico idraulico preliminare: Iniziamo aggiungendo una quantità adeguata di acqua distillata in modo da ottenere un carico idraulico dell’ordine di 50 cm. È fondamentale assicurarsi che la temperatura dell’acqua sia in equilibrio con la temperatura ambiente e registrare questo valore come la temperatura di riferimento per la prova.
2. Misurazione del livello dell’acqua: Registriamo il livello dell’acqua all’interno della buretta.
3. Apertura del rubinetto e avvio del timer: Apriamo il rubinetto situato alla base della cella edometrica e, contemporaneamente, avviamo il cronometro per registrare il tempo.
4. Raggiungimento del carico idraulico desiderato: Proseguiamo con la misurazione finché non raggiungiamo un carico idraulico dell’ordine di 10-15 cm. In questo punto, chiudiamo il rubinetto ed implementiamo il carico edometrico per la preparazione della successiva misurazione della permeabilità.
Per ogni valore di carico idraulico rilevato, calcoliamo il coefficiente di permeabilità (indicato come «k») utilizzando l’espressione seguente:
Per ogni valore di carico idraulico rilevato, calcoliamo il coefficiente di permeabilità (indicato come «k«) utilizzando l’espressione seguente
k=(H0) – δH) ∙ ab/As ∙ (loge L0/Lt )/(tt-t0) ∙ 10-2
H0 = altezza iniziale del provino (cm)
δH = cedimento del provino (cm)
ab = sezione della buretta graduata
As = sezione del provino
L0 = lettura iniziale effettuata alla buretta graduata
Lt = lettura successiva effettuata all’istante tt
t0 =istante iniziale corrispondente alla lettura L0 (sec)
tt = istante successivo corrispondente alla lettura Lt (sec)
La corretta esecuzione di questa procedura garantisce misure accurate del coefficiente di permeabilità e contribuisce alla precisione delle valutazioni geotecniche effettuate nella sperimentazione.
Risultati
I risultati ottenuti dalla prova di permeabilità in cella edometrica forniscono i valori di permeabilità a differenti carichi. In particolare, l’applicazione di ogni singolo carico, adeguatamente calcolato sulla base del carico litostatico alla profondità di prelievo, assicura l’esatto valore di permeabilità ottenuto dalla prova. Inoltre, se l’orizzonte nel quale è stato prelevato il campione risulta granulometricamente omogeneo, è possibile, variando il carico, ottenere valori di permeabilità a differenti profondità.
In particolare, nel grafico riportato di seguito (Fig.5) si evidenzia che Il provino sottoposto a prova è stato consolidato ad un primo carico pari a 0,25 kg/cm2 per un intervallo di tempo pari a 24h, successivamente si è proceduto all’esecuzione della vera e propria prova di permeabilità, misurando a tempi prestabiliti l’abbassamento del livello dell’acqua nella buretta graduata. Tale procedura di prova è stata eseguita per ogni gradino di carico, nel nostro caso: 0,25 kg/cm2 , 0,50 kg/cm2, 1 kg/cm2, 2kg/cm2. Dal grafico è possibile ottenere il valore della permeabilità in m/sec per ogni gradino di carico applicato e, pertanto, per ogni intervallo di profondità corrispondente.
Bibliografia e ringraziamenti
ASTM (1985) – Test designation D4546 – Standard Method for One-Dimensional Swell or Settlement Potential of Cohesive Soils. Vol. 04.08.ASTM Philadelphia, USA.
BS 1377: Part5 (1990) – Compressibility, Permeability and Durability Tests. Special Report 163, Transportation Research Board, pp.4-12.
Black D.K. and Lee K.L. (1973) – Saturated Laboratory Samples by Back Pressure. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol.99, n.SM1.
Si ringrazia il laboratorio di prove geotecniche I.P.G. di Castrolibero (CS) per la disponibilità fornitaci al fine di realizzare e comprendere in campo pratico le analisi di cui sopra ed in particolare S.Soleri per le preziose spiegazioni.
