geologia applicata volume 1_online

AppuntidiGeologia Applicata

Primo Volume

Luigi Carmignani

CGT Centro di GeoTecnologie, Università degli Studi di SienaSan Giovanni Valdarno, Italy

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Edizione: Agosto 2007

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Primo Volume

1. Introduzione al Corso

2. Alterazione e Coperture Superficiale

3. Indagini

4. Elementi di analisi dello Sforzo

5. Rottura delle Rocce e delle Terra

Hanno attivamente collaborato a questi appunti:i Proff. Leonardo Disperati e Paolo Conti per la parte relativa all’analisi dello sforzo,il Prof. PierLorenzo Fantozzi per la parte relativa ai sondaggi,la Dr.ssa Gaia Righini per l’Allegato sul telerilevamento.

Università di Siena Appunti di Geologia ApplicataCentro di GeoTecnologie PrimoVolume

Sommario 5

Sommario

1. INTRODUZIONE AL CORSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1 Cos’è la Geologia applicata? . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2 Ricerca pura e applicata . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3 Breve storia della Geologia applicata . . . . . . . . . . . . . . 161.4 La Geologia applicata nel ventesimo secolo . . . . . . . . . . . . 171.5 Prospettive professionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.6 Ruoli dell’ingegnere e del geologo . . . . . . . . . . . . . . . 201.7 Obiettivi e contenuti del corso . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2. ALTERAZIONE E COPERTURE SUPERFICIALI . . . . . . . . . . . . . 25

2.1 Rocce, terre e suoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 Alterazione delle rocce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.1 Profilo d’alterazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.2 Classificazioni in base dello stato d’alterazione . . . . . . . . 31

2.3 Prodotti dell’alterazione in sito . . . . . . . . . . . . . . . . 362.3.1 Alterazione di granitoidi (e altre rocce ignee massive) . . . . . . 362.3.2 Alterazione di calcari ed altre rocce solubili . . . . . . . . . 372.3.3 Alterazione di rocce argillose e argilliti . . . . . . . . . . . 39

2.3.3.1 Slake-durability test . . . . . . . . . . . . . . 392.3.3.2 Rigonfiabilità . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.3.4 Alterazione d’arenarie . . . . . . . . . . . . . . . . 412.4 Depositi superficiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4.1 Depositi colluviali (o colluvium) . . . . . . . . . . . . . 422.4.2 Depositi alluvionali (o alluvium) . . . . . . . . . . . . . 432.4.3 Depositi glaciali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.4.4 Depositi marini e lacustri . . . . . . . . . . . . . . . 452.4.5 Depositi eolici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.5 Suoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.5.1 Profilo pedologico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.5.2 Struttura e porosità del suolo. . . . . . . . . . . . . . . 512.5.3 Acidità del suolo (pH) . . . . . . . . . . . . . . . . 512.5.4 Suolo e clima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.5.5 Principali tipi di suolo . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.5.5.1 Pedalfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.5.5.2 Pedocal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.5.5.3 Laterite . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.5.5.4 Suoli organici e torba . . . . . . . . . . . . . . 55


6 Sommario

3. INDAGINI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.2 Carte topografiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.2.1 Classificazione delle carte . . . . . . . . . . . . . . . 603.2.1.1 Cartografia dell'Istituto Geografico Militare (I.G.M.) . . . 603.2.1.2 Carte topografiche a grande scala . . . . . . . . . . 63

3.2.2 Carte geologiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.2.2.1 Carta geologica ufficiale d'Italia . . . . . . . . . . 633.2.2.2 Altre carte geologiche . . . . . . . . . . . . . 643.2.2.3 Limiti delle carte geologiche usualmente disponibili . . . . 64

3.2.3 Carte geomorfologiche . . . . . . . . . . . . . . . . 653.2.4 Carte geologico-tecniche (Engineering Geological Map) . . . . . 67

3.3 Foto aeree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3.2 Camere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3.3 Foto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.3.3.1 Fiducial marks . . . . . . . . . . . . . . . . 733.3.3.2 Punto principale . . . . . . . . . . . . . . . 733.3.3.3 Data strip . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.3.4 Modalità di ripresa di foto aeree . . . . . . . . . . . . . 743.3.4.1 Errori di volo . . . . . . . . . . . . . . . . 753.3.4.2 Tipi di pellicola . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.3.5 Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.3.6 Come acquistare foto aeree . . . . . . . . . . . . . . . 803.3.7 Campi di applicazione delle foto aeree . . . . . . . . . . . 80

3.3.7.1 Geomorfologia applicata . . . . . . . . . . . . 813.3.7.2 Idrogeologia . . . . . . . . . . . . . . . . 813.3.7.3 Geologia delle costruzioni . . . . . . . . . . . . 823.3.7.4 Geologia agraria . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.4 Sistemi di telerilevamento non fotografici . . . . . . . . . . . . . 843.4.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.4.2 Sistemi di ripresa mediante scanner aereotrasportati . . . . . . . 85

3.4.2.1 Scanner multibanda (Multispectral scanners o MSS). . . . 853.4.2.2 Scanner per l'infrarosso termico (Thermal Infrared Scanner) . 873.4.2.3 Scanner per microonde (Microwave Scanner) . . . . . . 883.4.2.4 Sistemi di ripresa mediante radar aereo trasportati (Side Looking

Airborne Radar o SLAR) . . . . . . . . . . . . 883.4.3 Sistemi di ripresa mediante scanner multibanda (Multispectral Scanner o

MSS) montati su satelliti . . . . . . . . . . . . . . . 923.4.3.1 Satelliti Landsat . . . . . . . . . . . . . . . 933.4.3.2 Altri satelliti . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.4.4 Elaborazione dei dati da satellite . . . . . . . . . . . . . 973.4.5 Interpretazione di immagini Landsat . . . . . . . . . . . . 98

3.5 Perforazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.5.1 Breve storia delle perforazioni . . . . . . . . . . . . . . 99


Sommario 7

3.5.2 Premessa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.5.3 Perforazioni a percussione . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.5.3.1 Martelli pneumatici . . . . . . . . . . . . . . 1023.5.3.2 Metodo ODEX . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.5.3.3 Perforatrici con martello a fondo foro. . . . . . . . . 1063.5.3.4 Perforatori a funi o a caduta . . . . . . . . . . . . 1073.5.3.5 Vantaggi e svantaggi della perforazione a percussione . . . 108

3.5.4 Perforazione a rotazione . . . . . . . . . . . . . . . . 1093.5.4.1 Perforatrici oleodinamiche e rotazione . . . . . . . . 1103.5.4.2 Perforazione per acquisizione di dati geotecnici (sondaggi

geognostici) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1113.5.4.3 Trivelle elicoidali . . . . . . . . . . . . . . . 1123.5.4.4 Trivella a secchio . . . . . . . . . . . . . . . 113

3.5.5 Perforazione con benna mordente . . . . . . . . . . . . . 113

4. ELEMENTI DI ANALISI DELLO SFORZO . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.1 Forza, tensione e sforzo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.1.1 Premessa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.1.2 Forze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.1.2.1 Unità di misura. . . . . . . . . . . . . . . . 1174.1.2.2 Componenti . . . . . . . . . . . . . . . . . 1184.1.2.3 Condizione di equilibrio . . . . . . . . . . . . . 118

4.1.3 Tensione su un piano . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.1.3.1 Unità di misura. . . . . . . . . . . . . . . . 1204.1.3.2 Componenti . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.1.4 Sforzo su un piano. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.2 Analisi bidimensionale dello sforzo . . . . . . . . . . . . . . . 122

4.2.1 Sforzo uniassiale su un piano . . . . . . . . . . . . . . 1224.2.2 Sforzo biassiale su un piano. . . . . . . . . . . . . . . 1244.2.3 Ellisse degli sforzi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.2.4 Stato di sforzo bidimensionale in un punto . . . . . . . . . . 1294.2.5 Cerchio di Mohr per sforzi bidimensionali . . . . . . . . . . 129

4.3 Analisi tridimensionale dello sforzo . . . . . . . . . . . . . . . 1374.3.1 Sforzo tridimensionale in un punto . . . . . . . . . . . . 1374.3.2 Il diagramma di Mohr per lo sforzo in tre dimensioni . . . . . . . 1394.3.3 Denominazione degli stati di sforzo . . . . . . . . . . . . 142


8 Sommario

5. ROTTURA DELLE ROCCE E DELLE TERRE. . . . . . . . . . . . . . 145

5.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.2 Deformazione elastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

5.2.1 Estensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1485.2.2 Modulo di Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495.2.3 Rapporto di Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.2.4 Espansione volumica e compressione idrostatica . . . . . . . . 152

5.3 Compressibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1525.3.1 Compressibilità delle rocce . . . . . . . . . . . . . . . 1525.3.2 Compressibilità delle terre . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.4 Rottura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1545.4.1 Tipi di fratture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.4.2 Relazioni sforzo-deformazione in condizioni confinate . . . . . . 1565.4.3 Inviluppo di rottura . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.5 Criterio di rottura di Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . 1625.5.1 Angolo di resistenza al taglio . . . . . . . . . . . . . . 1635.5.2 Coesione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.5.3 Orientazione delle superfici di rottura . . . . . . . . . . . 1675.5.4 Limiti del criterio di rottura di Coulomb. . . . . . . . . . . 169

5.5.4.1 Limiti del criterio di Coulomb per basse pressioni diconfinamento . . . . . . . . . . . . . . . . 170

5.5.4.2 Limiti del criterio di Coulomb per alte pressioni diconfinamento . . . . . . . . . . . . . . . . 170

5.6 Resistenza di picco e resistenza residua . . . . . . . . . . . . . 1725.7 Teoria della fratturazione di Griffith . . . . . . . . . . . . . . 174

5.7.1 Fratture di Griffith . . . . . . . . . . . . . . . . . 1755.7.2 Interpretazione delle fratture di tensione. . . . . . . . . . . 1765.7.3 Interpretazione della fessurazione longitudinale . . . . . . . . 1775.7.4 Interpretazione delle fratture di taglio . . . . . . . . . . . 1775.7.5 Criterio di rottura di Griffith . . . . . . . . . . . . . . 178

5.8 Criteri di rottura empirici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1795.9 Fattori che influenzano la resistenza dei materiali . . . . . . . . . . 181

5.9.1 Pressione dei fluidi . . . . . . . . . . . . . . . . . 1815.9.1.1 Principio degli sforzi efficaci . . . . . . . . . . . 1825.9.1.2 Cerchio di Mohr per sforzi totali e per sforzi efficaci . . . . 1845.9.1.3 Criterio di rottura di Coulomb - Terzaghi . . . . . . . 1845.9.1.4 Effetti della pressione neutra . . . . . . . . . . . 1855.9.1.5 Interpretazione degli effetti della pressione neutra sulla fratturazione

in base alla teoria di Griffith . . . . . . . . . . . 1875.9.2 Anisotropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1885.9.3 Sforzo principale intermedio . . . . . . . . . . . . . . 1895.9.4 Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925.9.5 Scala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925.9.6 Velocità della deformazione . . . . . . . . . . . . . . 193


Sommario 9

APPENDICE DI “ALTERAZIONE E COPERTURE SUPERFICIALI” . . . . . . . . 195

A Alterazione delle rocce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197A.1 Alterazione fisica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

A.1.1 Gelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197A.1.1.1 Gelività . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

A.1.2 Scarico tensionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198A.1.3 Sali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199A.1.4 Escursioni termiche . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

A.2 Alterazione chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200A.2.1 Principali agenti dell'alterazione chimica. . . . . . . . . . . 200A.2.2 Principali reazioni di alterazione . . . . . . . . . . . . . 200

A.2.2.1 Idratazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 201A.2.2.2 Ossidazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 201A.2.2.3 Carbonatazione. . . . . . . . . . . . . . . . 202A.2.2.4 Idrolisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

A.3 Alterazione biologica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203A.4 Fattori che influenzano l'alterazione . . . . . . . . . . . . . . . 203

A.4.1 Clima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203A.4.2 Proprietà delle rocce . . . . . . . . . . . . . . . . . 205A.4.3 Fattori locali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

B L’erosione del Suolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207B.1 Erosione naturale e accelerata dall'azione dell'uomo. . . . . . . . . . 207

B.1.1 Situazione mondiale . . . . . . . . . . . . . . . . . 208B.1.2 Crescente desertificazione . . . . . . . . . . . . . . . 208B.1.3 Il caso degli Stati Uniti . . . . . . . . . . . . . . . . 209

B.2 Soluzioni per la conservazione del suolo . . . . . . . . . . . . . 210B.2.1 Conservazione del suolo . . . . . . . . . . . . . . . . 210B.2.2 Tipi di coltivazioni che riducono l’erosione del suolo. . . . . . . 210B.2.3 Frangivento e altri sistemi di protezione del suolo, la Classificazione

territoriale ed il PAM . . . . . . . . . . . . . . . . . 211B.2.4 Conservare e restaurare la fertilità del suolo. . . . . . . . . . 212B.2.5 I fertilizzanti inorganici e l'irrigazione salveranno il suolo? . . . . . 213

APPENDICE DI “INDAGINI” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

C Caratteristiche geometriche delle foto aeree . . . . . . . . . . . . . 217C.1 Scala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217C.2 Parallasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219C.3 Differenza di parallasse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

C.3.1 Misure di altezze attraverso la differenza di parallasse . . . . . . 222C.3.2 Barra di parallasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224


10 Sommario

D Stereoscopia e stereoscopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227D.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227D.2 Visione stereoscopica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227D.3 Modello tridimensionale senza stereoscopio . . . . . . . . . . . . 230D.4 Visione pseudoscopica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231D.5 Esagerazione delle altezze. . . . . . . . . . . . . . . . . . 231D.6 Stereoscopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232D.7 Trasferimento dei punti principali . . . . . . . . . . . . . . . 235D.8 Posizionamento delle foto sotto allo stereoscopio . . . . . . . . . . 236D.9 Regolazione dello stereoscopio . . . . . . . . . . . . . . . . 236

E Elaborazione ed applicazione dei dati telerilevati . . . . . . . . . . . . 237E.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237E.2 Elaborazione digitale dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . 238

E.2.1 Miglioramento del contrasto . . . . . . . . . . . . . . 239E.2.2 Filtraggio spaziale . . . . . . . . . . . . . . . . . 239E.2.3 Composizione (Composite) . . . . . . . . . . . . . . . 240E.2.4 Operazioni con più bande . . . . . . . . . . . . . . . 241E.2.5 Classificazioni digitali dell'immagine . . . . . . . . . . . 242

E.3 Analisi dei dati elaborati . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243E.3.1 Interpretazione e applicazione di dati telerilevati . . . . . . . . 244

E.3.1.1 Rilevamento della morfologia . . . . . . . . . . . 244E.3.1.2 Rilevamento della struttura . . . . . . . . . . . 244E.3.1.3 Rilevamento della litologia . . . . . . . . . . . . 245

F Impianti di perforazione petrolifera . . . . . . . . . . . . . . . . 247F.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247F.2 Organi di sostegno: torre, mast o derrick . . . . . . . . . . . . . 249F.3 Motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249F.4 Organi di sospensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249F.5 Organi rotanti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250F.6 Carotaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252F.7 Tubaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253F.8 Cementazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254F.9 Fluido di perforazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254F.10 Perforazione a turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255F.11 Perforazione in mare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255F.12 Problemi ambientali determinati dalle perforazioni petrolifere offshore . . . 259

G Campionatori e carotieri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261G.1 Campionatori ad elica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261G.2 Campionatori con carotiere a rotazione. . . . . . . . . . . . . . 261

G.2.1 Carotiere semplice . . . . . . . . . . . . . . . . . 261G.2.2 Carotiere doppio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262G.2.3 Carotiere doppio tipo Deninson . . . . . . . . . . . . . 263G.2.4 Carotiere doppio tipo Pitelxen . . . . . . . . . . . . . . 263


282 I Vettori e tensori

I.4.2 Sforzo differenziale

Lo sforzo differenziale (Figura I-9c) è la differenza tra gli sforzi massimo e minimo:

I-12

è sempre una quantità scalare positiva doppia del raggio del più grande cerchio di Mohr e quindi doppiarispetto al massimo sforzo di taglio. Per uno sforzo bidimensionale corrisponde al diametro del cerchio diMohr ed è quindi uno scalare invariante del tensore dello sforzo. In una prova di compressione o di esten-sione assiale, lo sforzo differenziale è lo sforzo uniassiale che viene applicato in sovrapposizione allosforzo idrostatico.

I.4.3 Sforzo efficace

Le componenti del tensore dello sforzo efficace sono definite in tre dimensioni da (Figura I-9d):

I-13

dove sono le componenti dello sforzo applicato e è la pressione dei fluidi nei pori della roccia (opressione neutra). Come indicato nel diagramma, lo sforzo efficace è la differenza tra lo sforzo totale e lapressione dei fluidi. Sul diagramma di Mohr la sottrazione della pressione dei fluidi si traduce in uno spo-stamento del cerchio verso valori minori di sforzo normale di una quantità uguale alla pressione dei pori

.

D

D 1 2–=

'kl

'kl

11 12 13

21 22 23

31 32 33

u 0 00 u 00 0 u

–11 u– 12 13

21 22 u– 23

31 32 33 u–

= =

kl u

u

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