Analisi e prove di laboratorio

Analisi e prove di laboratorio

Le prove di laboratorio sono state eseguite presso il Laboratorio di Meccanica delle Rocce dell'Unità Operativa di Ingegneria Mineraria (U.O.I.M.) dell'Azienda USL1 di Massa e Carrara. La scelta di tale laboratorio è stata formulata sulla base della completezza delle attrezzature presenti nel Laboratorio stesso e nell'ottica di una collaborazione ormai quinquennale, nell'ambito della ricerca e della formazione, tra il DICATeA dell'Università di Parma e l'UOIM.

Alle prove originariamente previste, sono state successivamente aggiunte quelle per la determinazione della velocità di propagazione delle onde elastiche (P ed S) nei provini cilindrici per il calcolo delle costanti pseudo elastiche dinamiche.

Inoltre, per una migliore conoscenza del comportamento meccanico del materiale roccioso in esame si sono tre prove di compressione  monoassiale per ciascuna direzione di anisotropia identificata (per un totale di 9 prove) e 5 prove triassiali per ciascuna direzione di anisotropia (per un totale di 15 prove) e nove prove brasiliane (3 per direzione) allo scopo di arrivare alla determinazione delle caratteristiche meccaniche del materiale nelle 3 direzioni ortogonali tra loro considerate. L'orientamento dei sondaggi, dalle cui carote sono stati preparati i provini, è stato scelto in modo da essere perpendicolare e parallelo alla giacitura dei piani di stratificazione presenti.

Nel seguito del testo si citeranno dette orientazioni riferendoci a piani di stratificazione o di anisotropia  indifferentemente e si raggiungerà una completa caratterizzazione del materiale roccioso.

Tutte i rapporti completi sulle prove eseguite sono raccolti in Allegato 1, mentre a seguire si raccolgono sinteticamente i risultati delle stesse ai fini della successiva caratterizzazione geomeccanica dell'ammasso roccioso.

Determinazione della Massa Volumica Reale

La determinazione della massa volumica reale è stata eseguita su tutti i campioni preparati in laboratorio mediante carotaggio dei blocchi di roccia raccolti in cava.

Nella tabella a seguire è riportato l'elenco generale dei provini ed i risultati da essi ricavati. La stratificazione è stata considerata come rappresentato nella Figura3.20.

Figura Considerazione della stratificazione nei campioni. (vedi Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.)

Tabella 3.1. Elenco dei campioni e loro caratteristiche fisiche: H=altezza, D=diametro, g=peso di volume apparente, Sc=scistosità.

I risultati ottenuti forniscono un valore medio del peso di volume apparente pari a 2596 kg/m³.

Prove di Compressione Monoassiale

Le prove di compressione monoassiale sono state condotte in controllo di velocità di deformazione per la determinazione della curva sforzo-deformazione completa (oltre il picco di rottura) (n. 3 prove);

Le prove di compressione monoassiale sono state condotte considerando la presenza di piani di anisotropia e quindi carotando i blocchi raccolti in direzione parallela e perpendicolare ai piani di debolezza così come illustrato nella figura seguente. Nella tabella seguente viene distinto con la lettera a e b rispettivamente nella seconda colonna  i diversi orientamenti considerati ed indicando con X, Y e Z le diverse direzione di carotaggio considerate per la realizzazione dei campioni.

Tabella 3.2. Elenco dei campioni e loro caratteristiche meccaniche determinate tramite la prova di compressione monoassiale: sc= resistenza a compressione monoassiale, Es = modulo di Young secante, ns= rapporto di Poisson secante, Et= modulo di Young tangente, nt=rapporto di Poisson tangente, sc=scistosità.

Tabella 3.3. Elenco delle caratteristiche meccaniche medie determinate nelle tre direzioni investigate determinate tramite la prova di compressione monoassiale: sc= resistenza a compressione monoassiale, Es = modulo di Young secante, Et= modulo di Young tangente.

Prove di Trazione Indiretta (Brasiliane)

Anche le prove di trazione indiretta (Brasiliane) sono state condotte considerando la presenza di piani di anisotropia secondo lo schema riportato nello schema seguente.

Figura 3.21. orientamento dei campioni rispetto ai piani di anisotropia  (vedi Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.

Tabella 3. Elenco delle caratteristiche meccaniche determinate tramite la prova di trazione indiretta: D = diametro, S =spessore, st= resistenza a trazione, Es = modulo di Young secante, Et= modulo di Young tangente, Sc=scistosità (vedi Figura3.21.).

Tabella 3. Elenco delle caratteristiche meccaniche medie determinate nelle tre direzioni investigate determinate tramite la prova di trazione indiretta: s_t= resistenza a trazione indiretta

Prove di Compressione Triassiale

Le prove triassiali sono state condotte considerando la presenza di piani di anisotropia preesistenti. Sono stati applicati carichi di confinamento di 2, 4 e 6 MPa per poter determinare il relativo inviluppo di rottura. Per ogni direzione considerata sono state condotte 5 prove come prescritto dalle norme ISRM.

Tabella 3. . Elenco dei campioni e loro caratteristiche meccaniche determinate tramite la prova di compressione triassiale: H = altezza campione, D = diametro campiones3= tensione di confinamento, s1 = tensione principale massima a rottura, Sc = stratificazione (vedi Figura)

Di seguito si riportano i dati ottenuti analizzando gli inviluppi di rottura ottenuti considerando le tre diverse direzioni e la globalità  dei dati raccolti.

Tabella 3. Elenco delle caratteristiche meccaniche medie determinate nelle tre direzioni investigate determinate con l'uso del criterio di resistenza di Hoek e Brown, c e f ottenuti tramite linearizzazione con il criterio di Mohr Coulomb.

I risultati ottenuti evidenziano come il diverso comportamento meccanico si manifesti nella direzione perpendicolare alla stratificazione (Z) rispetto a quelle ad essa parallela (X e Y). Nella direzione Z infatti si determina una resistenza a compressione monoassiale ed un angolo di attrito più elevati.

Bisogna però evidenziare come i parametri ottenuti dal processo di linearizzazione siano però dipendenti dall'intervallo di tensione considerata. Nel caso in esame si dovrà quindi procedere alla linearizzazione coerente con i carichi agenti nelle diverse zone delle coltivazioni variando i valori di angolo di attrito e coesione determinati.

Prove di Taglio su Discontinuità

Sono state eseguite prove di taglio diretto su discontinuità preesistente applicando 3 carichi normali differenti per ciascuna discontinuità investigata allo scopo di determinare i relativi inviluppi di rottura. Nella sottostante Tabella 3.8 si riportano i valori dei carichi applicati nelle diverse prove.

Tabella 3. Elenco delle prove di taglio dirette su discontinuità.

Figura Inviluppo di rottura di picco

Figura 3.23 Inviluppo di rottura residuo

Nella Figura.22 e nella Figura 3.23 si riportano i valori sperimentali determinati in condizioni di picco e residue. I valori di resistenza a taglio stimati sono rispettivamente di 51° e 41°, per l'angolo d'attrito di picco, mentre la coesione stimata in condizione di picco è pari a 0,36 MPa.